KR20050086420A - Once-through evaporator for a steam generator - Google Patents
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Abstract
Description
기술분야Technical Field
본 발명은 증기 발생기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 증기 발생기용 증발기와, 이러한 증발기용 튜브에 관한 것이다. The present invention relates to a steam generator, and more particularly, to an evaporator for a steam generator, and a tube for such an evaporator.
배경기술Background
증기는 산업계에 광범위하게 이용되고 있으며, 가장 중요한 용례는 아마도 전력을 발생시키는 것일 것이다. 통상적으로, 많은 경우에 연소에 발생되는 고온 가스는 물을 과열 증기로 변환시키는 증기 발생기를 통과한다. 이들 설비의 대표적인 예로는, 전기 발생기를 구동하는 가스 터빈에 의해 배출된 고온 가스로부터 열을 추출하는 데 사용되는 폐열 회수 증기 발생기(HRSGs)가 있다. 추출된 열은 증기를 발생시키고, 이 증기는 다른 전기 발생기에 전력을 공급하는 증기 터빈으로 통과한다. Steam is widely used in the industry, and the most important application is probably power generation. Typically, in many cases the hot gases generated in the combustion pass through a steam generator that converts water into superheated steam. Representative examples of these facilities are waste heat recovery steam generators (HRSGs) used to extract heat from the hot gases emitted by gas turbines driving electrical generators. The extracted heat generates steam, which passes to a steam turbine that powers another electricity generator.
통상의 증기 발생기는, 고온 가스가 통과하는 덕트는 별도로 하고, 가장 기본적인 형태로 3개의 추가 부품, 즉 과열기, 증발기, 및 절약기 또는 급수 가열기를 포함하며, 이들 부품은 덕트 내에서 가스의 유동과 관련하여 순서대로 배치되어 있다. 물은 반대 방향으로 흐르고, 절약기를 통과하여 가열되지만 여전히 액상으로 존재하며, 그 후 증발기를 통과하여 대부분 포화 증기로 변환되고, 이어서 과열기를 통과하여 포화 증기가 과열 증기로 된다. Conventional steam generators, in the most basic form, include three additional parts, superheaters, evaporators, and economizers or feed water heaters, apart from the ducts through which the hot gas passes, which parts relate to the flow of gas in the ducts. Are arranged in order. The water flows in the opposite direction, is heated through the economizer but is still in the liquid phase, and then passes through the evaporator to convert mostly into saturated steam, which is then passed through the superheater and the saturated steam becomes superheated steam.
증발기는 순환형과 관류형의 2가지 구조로 분류되며, 각각의 구조는 자체의 이점 및 단점을 갖고 있다. 양 구조는 고온 가스가 통과하는 덕트 내에 일련의 튜브를 구비한다. Evaporators are classified into two types, circulating and perfusion, each having its own advantages and disadvantages. Both structures have a series of tubes in the duct through which the hot gas passes.
순환형의 경우에, 튜브는 튜브의 위에 있는 증기 드럼과 함께 소정의 회로에 존재한다. 드럼은 물을 수용하고, 이 물은 드럼으로부터 하강 유로를 통하여 튜브로 유동하며, 상기 튜브에서 물의 일부가 증기로 변환되지만, 증기는 물 내에 기포로서 존재하며, 이어서 라이저를 통하여 증기 드럼으로 복귀한다. 여기서, 포화된 증기는 액상의 물로부터 분리되어, 과열기로 이동한다. 포화 증기는 드럼에 공급되는 급수로 교체된다. 순환형 증발기의 튜브는 항상 젖은 상태로 유지되는데, 즉 액상의 물이 전체 내부면에 대하여 존재한다. 이는 양호한 열전달을 향상시킨다. 또한, 이는 튜브를 비교적 온화한 온도로 유지하며, 이에 따라 튜브에 고온 합금을 사용할 필요성이 제거된다. In the case of the circulation type, the tube is in a given circuit with a steam drum on top of the tube. The drum receives the water, which flows from the drum through the downcomer into the tube where some of the water is converted to steam, but the vapor is present as air bubbles in the water and then returned to the steam drum through the riser. . Here, the saturated vapor separates from the liquid water and moves to the superheater. Saturated steam is replaced with feed water to the drum. The tubes of the circulating evaporator are always kept wet, ie liquid water is present over the entire inner surface. This improves good heat transfer. In addition, this keeps the tube at a relatively mild temperature, thus eliminating the need to use a hot alloy in the tube.
순환형 증발기는 자체의 단점이 있다. 아마도 가장 큰 단점은 증기 드럼, 대형의 하강 유로, 및 물을 튜브에 공급하는 헤더에 소요되는 비용일 것이다. 또한, 상기 부품들에 저장되어 있는 물은 비등점에 이르기까지 시간을 필요로 하며, 이에 따라 순환형 증발기에 있어서는 시동 시간이 증가한다. Circulating evaporators have their own disadvantages. Perhaps the biggest drawback is the cost for the steam drum, the large downward flow path, and the header for supplying water to the tube. In addition, the water stored in these parts requires time to reach the boiling point, which increases the startup time in the circulating evaporator.
관류형 증발기는 하강 유로 또는 드럼을 필요로 하지 않고, 제조 비용도 저렴하다. 또한, 상기 하강 유로 또는 드럼에 저장되었던 물이 튜브 자체와, 튜브가 연장되는 공급 헤더에 머무르게 된다. 이로 인하여, 관류형 증발기는 통상의 순환형 증발기보다 더 신속하게 작동 상태로 될 수 있다. 그러나, 관류형 증발기는 물을 증기로 완전히 변환시켜야만 하므로, 단지 증기만이 그것의 튜브로부터 빠져나가 과열기로 흐른다. 액상의 물은 증발기를 떠나서는 안된다. 증발기는 물 회로의 상류에 위치된 급수 펌프에 의존하여 물을 제어된 비율, 즉 정확한 경우에는 증기가 포화 상태 또는 약간 과열된 상태로 떠날 수 있게 하는 비율로 순환시킨다. The perfusion evaporator does not require a down flow path or drum, and the manufacturing cost is low. In addition, the water stored in the downward flow path or drum stays in the tube itself and the feed header from which the tube extends. Due to this, the perfusion evaporator can be operated more quickly than a conventional circulation evaporator. However, the perfusion evaporator must completely convert the water into steam, so only steam escapes from its tube and flows to the superheater. Liquid water should not leave the evaporator. The evaporator relies on a feed pump located upstream of the water circuit to circulate the water at a controlled rate, i.e., at a rate that allows steam to leave in a saturated or slightly overheated state if correct.
따라서, 관류형 증발기에 있어서는, 물 입구에 가장 인접한 튜브 벽은 순환형 증발기에서와 같이 젖은 상태로 뻗어 있는데, 그 이유는 튜브의 이들 단부가 단지 액상의 물만을 인식할 수 있기 때문이다. 그러나, 그 튜브에서는 물이 안개로, 그 후 포화 증기로 변환된다. 안개 유동 상황에 있어서, 물은 튜브 벽의 내부면으로부터 벗어나므로, 안개는 튜브의 중심을 통하여 연장되는 코어에 존재하게 된다. 이들 코어 둘레의 벽은 건조 상태로 뻗어 있다. 이는 튜브 벽의 온도를 보다 고온으로 되게 하므로, 열전달 효율이 저조하게 된다. 온도가 높을수록, 상기 고온을 보다 잘 견딜 수 있는 금속, 달리 말하면 고가의 고합금강이 필요하다. Thus, in a perfusion evaporator, the tube wall closest to the water inlet extends wet, as in the circulation evaporator, because these ends of the tube can only recognize liquid water. In that tube, however, the water is converted to a mist and then to saturated steam. In a fog flow situation, the water deviates from the inner surface of the tube wall, so that the fog is present in the core extending through the center of the tube. The walls around these cores extend in a dry state. This causes the temperature of the tube wall to be higher, resulting in poor heat transfer efficiency. The higher the temperature, the more capable of withstanding the high temperatures, in other words, expensive high alloy steels are needed.
도면들의 간단한 설명Brief description of the drawings
도 1은 본 발명에 따라 구성되어 본 발명을 구체화하는 관류형 증발기를 구비한 증기 발생기의 개략적인 단면도이고;1 is a schematic cross-sectional view of a steam generator with a perfusion evaporator constructed in accordance with the present invention and embodying the present invention;
도 2는 증발기의 사시도이고; 2 is a perspective view of an evaporator;
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취한 단면도이고; 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 of FIG. 2;
도 4는 트위스트된 테이프가 튜브에 고정되어 있는 상태를 보여주는 증발기 튜브 중 하나의 단부의 부분 단면도이고; 4 is a partial cross-sectional view of the end of one of the evaporator tubes showing the twisted tape secured to the tube;
도 5는 도 4와 유사하지만 90° 회전되어 있는 부분 단면도이고; 및FIG. 5 is a partial cross sectional view similar to FIG. 4 but rotated 90 °; And
도 6은 증발기에서의 유동을 보여주도록 증발기 튜브 중 하나를 절결하여 단면으로 도시한 단편도이다. FIG. 6 is a fragmentary, cross-sectional view of one of the evaporator tubes cut away to show flow in the evaporator.
본 발명의 실시하기 위한 최선의 모드Best Mode for Carrying Out the Invention
이하, 도면을 참고하면, 증기 발생기(A; 도 1 참조)는 기본적으로 유입 단부(4)와 배출 단부(6)를 갖는 덕트(2)를 구비한다. 유입 단부(4)는 가스 터빈 또는 소각로와 같은 고온 가스 공급원에 연결되어 있고, 이들 고온 가스는 덕트(12)를 통하여 흐르고, 배출 단부(6)에서 덕트를 나간다. 또한, 증기 발생기(A)는 과열기(12), 증발기(14), 및 급수 가열기 또는 절약기(16)를 구비하며, 이들 구성 요소는 유입 단부(4)로부터 유출 단부(6)로 순서대로 덕트(2)에 배치되어 있다. 따라서, 고온 가스는 먼저 과열기(12)를 통하여 흐르고, 그 후 증발기(14)를 통과하고, 마지막으로 절약기(16)를 통과한다. 물은 반대 방향으로 흐른다. 이를 위하여, 절약기(16)는 급수를 절약기(16)로 이송하는 급수 펌프(18)에 연결되어 있다. 절약기는 고온 가스로부터 열을 추출하고, 그 열을 절약기를 통하여 흐르는 액상의 물에 전달하며, 이로써 물의 온도를 상승시키지만, 물은 여전히 액상으로 유지된다. 절약기(16)를 나간 후에, 액상의 물은 증발기(14)로 흐르고, 그 증발기를 통과한다. 증발기(14)는 물을 증기, 대부분 포화 증기로 변환시킨다. 증기는 과열기(12)로 흐르고, 이 과열기는 증기의 온도를 상승시켜, 증기를 터빈 또는 일부 산업 공정으로 전력을 공급하거나 빌딩을 난방하는 데 사용될 수 있는 과열 증기로 변환시킨다. 과열기(12), 증발기(14) 및 절약기(16)는 기본적으로 튜브 뱅크이다. 증발기(14)는 관류 원리에 따라 작동한다. 실제로, 증기 발생기(A)는 하나 이상의 증발기(14)를 구비할 수 있다. Referring now to the drawings, the steam generator A (see FIG. 1) is basically provided with a duct 2 having an inlet end 4 and an outlet end 6. The inlet end 4 is connected to a hot gas source, such as a gas turbine or incinerator, which flows through the duct 12 and exits the duct at the outlet end 6. The steam generator A also includes a superheater 12, an evaporator 14, and a feed water heater or economizer 16, which components are in duct (in sequential order from inlet end 4 to outlet end 6). 2) is arranged. Thus, the hot gas first flows through the superheater 12, then through the evaporator 14 and finally through the economizer 16. Water flows in the opposite direction. For this purpose, the economizer 16 is connected to a water feed pump 18 which transfers the water supply to the economizer 16. The economizer extracts heat from the hot gas and transfers the heat to the liquid water flowing through the economizer, which raises the temperature of the water, but the water still remains in the liquid phase. After exiting economizer 16, liquid water flows into evaporator 14 and passes through the evaporator. Evaporator 14 converts water into steam, mostly saturated steam. Steam flows to superheater 12, which raises the temperature of the steam, converting the steam into superheated steam that can be used to power a turbine or some industrial process or to heat a building. Superheater 12, evaporator 14 and economizer 16 are basically tube banks. Evaporator 14 operates according to the perfusion principle. Indeed, the steam generator A may have one or more evaporators 14.
증발기(14)는 공급 헤더(26), 배출 헤더(28) 및 이들 두 헤더(26, 28) 사이에서 연장되는 튜브(30)를 구비한다(도 2 참조). 공급 헤더(26)는 절약기(16)에 연결되어 절약기(16)로부터 가열된 물을 수용하는 입구 포트(32)를 구비하는데, 실제로는 물은 펌프(18)에 의해 발생된 수두(head)하에서 입구 포트로 이송된다. 배출 헤더(26)는 과열기(12)에 연결되어 있는 출구 포트(34)를 구비하고, 이 출구 포트를 통하여 포화 상태 또는 약간 과열 상태인 증기가 과열기(12)로 안내된다. 튜브(30)는 덕트(2)를 통하여 흐르는 가스로부터 열을 용이하게 추출하도록 하기 위하여 핀(36)을 구비한다. The evaporator 14 has a feed header 26, an outlet header 28 and a tube 30 extending between these two headers 26, 28 (see FIG. 2). The feed header 26 has an inlet port 32 connected to the economizer 16 to receive the heated water from the economizer 16, in which water is actually under the head generated by the pump 18. Is transferred to the inlet port. The outlet header 26 has an outlet port 34 connected to the superheater 12 through which the steam, which is saturated or slightly overheated, is directed to the superheater 12. The tube 30 has fins 36 to facilitate extraction of heat from the gas flowing through the duct 2.
튜브(30) 내에서, 공급 헤더(26)로부터의 가열된 물은 증기로 변환되고, 이 증기는 배출 헤더(28)에 모인 후에, 과열기(12)로 이동한다. 따라서, 공급 헤더(20)에 가장 인접한 각 튜브(30)의 부분은 액상의 물을 수용하는 반면에, 배출 헤더(28)에 가장 인접한 부분은 포화되었거나 아마도 약간 과열된 상태의 증기를 수용한다. 각 튜브(30)의 중간 부분에서, 액상의 물은 위상 변경을 겪어서 증기로 된다. 여기서, 물은 끓어서, 안개 또는 물과 포화 증기의 혼합물로 된다. 그 후에, 안개는 더욱 포화 증기로 되며, 마지막으로 포화 증기는 약간 과열된 상태일지라도 과열 증기로 될 수 있다. 과열 증기가 실제로 있는 경우에, 튜브(30)의 과열 영역은 상당히 짧다. 튜브(30)는 탄소강 또는 크롬-몰리브덴 강으로 형성된다. Within the tube 30, the heated water from the feed header 26 is converted to steam, which is collected in the discharge header 28 and then transferred to the superheater 12. Thus, the portion of each tube 30 closest to the feed header 20 receives liquid water, while the portion closest to the outlet header 28 contains saturated or possibly superheated steam. In the middle portion of each tube 30, liquid water undergoes a phase change and becomes vapor. Here, the water boils and becomes a mist or a mixture of water and saturated steam. Thereafter, the mist becomes more saturated steam, and finally the saturated steam can become superheated steam even though it is slightly overheated. If there is actually superheated steam, the superheated region of the tube 30 is quite short. The tube 30 is formed of carbon steel or chromium-molybdenum steel.
각각의 튜브(30)는 튜브의 입구로부터 연장되는 나선형 테이프(40; 도 3 내지 도 5 참조)를 수용하는데, 상기 입구는 안개가 존재하는 영역을 통하여 공급 헤더(26)에 연결된 튜브의 단부이다. 각 테이프(40)의 폭은 그것이 연장되는 튜브(30)의 내경보다 약간 작으므로, 테이프(40)는 튜브(30) 자체와 간섭하지 않으면서 튜브(30) 내로 삽입되거나 튜브로부터 인출될 수 있다. 바람직하게는, 각 테이프(40)의 폭은, 적어도 내경이 2 인치인 튜브에 대해서는 튜브의 내경보다 약 1/16 인치만큼 작다. 테이프(40)는 양 단부 사이에서 복수회 트위스트되므로, 테이프의 에지는 나선을 형성하고, 이 나선은 튜브(30)의 내측면을 따라 놓여 있다. 실제로, 테이프(40)의 전체 360° 트위스트는 길이 대 직경이 5 대 25에 이르는 거리 내에서 일어나야 한다. 예컨대, 내경이 2인치이고 테이프(40)의 트위스트에 대하여 길이 대 직경의 비율이 5인 튜브(30)의 경우에, 테이프(40)의 전체 360° 트위스트는 테이프(40)의 10인치 이내에서 일어날 것이다. 튜브(30)의 입구에 머무르는 테이프(40)의 단부에는 튜브(32)의 유입 단부를 가로질러 횡방향으로 연장되는 앵커 바(42)가 설치되어 있다. 앵커 바(42)는 튜브(30)의 단부 및 테이프(40)에 용접되고, 이에 따라 테이프(40)를 튜브(30)와 고정한다. 테이프(40)는 약간 과열된 증기와 관련한 온도를 견딜 수 있는 금속으로 형성되며, 이 금속은 전해질 반응을 최소화한다는 의미에서 튜브(30)의 금속과 양립될 수 있는 것이다. 튜브(30)가 탄소강인 경우에는 스테인리스 강이 적합하다. Each tube 30 receives a helical tape 40 (see FIGS. 3-5) extending from the inlet of the tube, which is the end of the tube connected to the feed header 26 through the area where the fog is present. . Since the width of each tape 40 is slightly smaller than the inner diameter of the tube 30 from which it extends, the tape 40 can be inserted into or withdrawn from the tube 30 without interfering with the tube 30 itself. . Preferably, the width of each tape 40 is at least about 1/16 inch smaller than the inner diameter of the tube for at least 2 inches of inner diameter. Since the tape 40 is twisted multiple times between both ends, the edges of the tape form a helix, which lies along the inner side of the tube 30. Indeed, the entire 360 ° twist of the tape 40 should occur within a distance of length to diameter of 5 to 25. For example, for a tube 30 with an inner diameter of 2 inches and a length to diameter ratio of 5 to the twist of the tape 40, the overall 360 ° twist of the tape 40 is within 10 inches of the tape 40. Will happen. At the end of the tape 40 staying at the inlet of the tube 30 is provided an anchor bar 42 extending transversely across the inlet end of the tube 32. The anchor bar 42 is welded to the end of the tube 30 and the tape 40, thereby fixing the tape 40 with the tube 30. The tape 40 is formed of a metal capable of withstanding the temperature associated with the slightly superheated vapor, which is compatible with the metal of the tube 30 in the sense of minimizing the electrolyte reaction. Stainless steel is suitable when the tube 30 is carbon steel.
증기 발생기(A)의 작동 시에, 덕트(2)를 통하여 흐르는 고온 가스는 과열기(12), 증발기(14) 및 절약기(16)의 튜브를 순서대로 통과하고, 각 구성 요소를 통과할 때마다 온도가 저하된다. 급수 펌프(18)는 물을 절약기(16) 내로 강제로 펌핑하고, 절약기에서 물은 절약기(16)의 튜브 위로 흐르는 가스로부터 열을 추출한다. 물의 온도가 증가하지만, 물은 여전히 액상으로 유지된다. 펌프(18)에 의해 발생된 수두하에서, 물은 절약기(16)로부터 증발기(14)의 공급 헤더(26)로 흐르고, 그 후 증발기(14)의 튜브(30)로 흐른다. 튜브(30) 내에서, 물은 덕트(2)를 통과하는 가스로부터 유도된 훨씬 높은 온도를 겪게 된다. 실제로, 증발기(14)를 통과하는 가스는 튜브(30) 내의 물을 증기로 변환시키기에 충분한 높은 온도로 튜브(30)의 온도를 상승시킨다. 물은 초기에 튜브(30) 내로 유입될 때에는 액상으로 유지되지만, 튜브를 통과함에 따라 끓기 시작하여 안개를 생성한다. 테이프(40)는 안개 유동의 영역을 통하여 연장되고, 안개가 배출 헤더(28)를 향하여 흐를 때에 안개에 난류를 유도하는 양호한 조처를 발생시킨다. 난류는 안개, 즉 물 입자를 튜브(30)의 내면에 맞닿게 하며(도 6 참조), 이로써 튜브(30) 위로 흐르는 가스와 튜브(30) 내의 안개 사이에 보다 양호하고 효과적인 열전달이 이루어지게 된다. 이는 또한 튜브(30)가 과열되는 것을 방지한다. 테이프(40)가 없다면, 안개는 튜브(30)의 중앙에 유지되기 쉽고, 튜브(30)의 내부면을 따라 포화 증기 또는 과열 증기로 둘러싸이게 되므로, 안개의 영역에서 튜브(30)는 보다 고온에서 작동하게 된다. 튜브(30) 내의 안개가 배출 헤더(28)에 접근함에 따라, 안개는 포화 증기로 변환되고, 심지어는 약간 과열 상태일지라도 과열 증기로 변환될 수도 있다. 그러나, 단지 과열 증기만을 추구하는 튜브(30)의 영역은 짧으며, 이들 영역으로부터 안개와 액상의 물이 점유하는 영역으로 열이 전도되기 때문에 비교적 온화한 온도로 유지된다. In the operation of the steam generator A, the hot gas flowing through the duct 2 passes through the tubes of the superheater 12, the evaporator 14 and the economizer 16 in order, each time through each component. The temperature is lowered. Feed pump 18 forces pumping water into economizer 16, where water extracts heat from the gas flowing over the tubes of economizer 16. Although the temperature of the water increases, the water still remains in the liquid phase. Under the head generated by the pump 18, water flows from the economizer 16 to the feed header 26 of the evaporator 14 and then to the tube 30 of the evaporator 14. Within the tube 30, the water will experience much higher temperatures derived from the gas passing through the duct 2. Indeed, the gas passing through the evaporator 14 raises the temperature of the tube 30 to a high temperature sufficient to convert the water in the tube 30 into steam. The water initially remains liquid when it enters the tube 30, but as it passes through the tube, it begins to boil and produce fog. The tape 40 extends through the region of fog flow and generates good measures to induce turbulence in the fog as the fog flows toward the discharge header 28. Turbulence causes the fog, ie, the water particles, to abut the inner surface of the tube 30 (see FIG. 6), resulting in a better and more efficient heat transfer between the gas flowing over the tube 30 and the mist in the tube 30. . This also prevents the tube 30 from overheating. Without the tape 40, the fog is likely to be maintained in the center of the tube 30 and is surrounded by saturated or superheated steam along the inner surface of the tube 30, so that the tube 30 is hotter in the region of the fog. Will work on. As the mist in the tube 30 approaches the exhaust header 28, the mist may be converted to saturated steam and even to superheated steam even if slightly overheated. However, the area of the tube 30 which seeks only superheated steam is short and is maintained at a relatively mild temperature because heat is conducted from these areas to areas occupied by fog and liquid water.
공급 헤더(26)에서 테이프(40)를 튜브(30)에 고정하는 대신에, 테이프는 배출 헤더(28)에 고정될 수도 있고, 이 경우에 테이프는 공급 헤더(26)를 향하여 연장될 것이다. 테이프는 그들이 통과하는 튜브(30)의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수도 있고, 안개 유동의 영역만을 통과할 수도 있다. 단일의 뱅크로 배치된 튜브(30)를 구비하는 대신에, 증발기(14)는 복수의 뱅크로 구성된 튜브를 구비할 수도 있다. Instead of securing tape 40 to tube 30 at feed header 26, the tape may be secured to outlet header 28, in which case the tape will extend towards feed header 26. The tape may extend over the entire length of the tube 30 through which they pass and may only pass through the region of fog flow. Instead of having the tubes 30 arranged in a single bank, the evaporator 14 may have tubes consisting of a plurality of banks.
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