KR20070026344A - 연속적 증기 발생기 - Google Patents
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Abstract
증기 발생기(1)에 있어서, 상기 증기 발생기는 바닥 영역이 깔때기형 측벽(6)을 형성하는 연소 챔버 및 다수의 증기 발생기 파이프(12)로 형성된 에워싼 벽(4)을 구비하고, 상기 증기 발생기 파이프를 통해 유동 매체가 유동할 수 있어서, 증기 발생기 파이프(12)의 출력측에서 유동 유체의 온도 차이가 거의 발생하지 않을 수 있다. 증기 발생기 파이프(12)는, 특히 깔때기형 측벽(6) 영역을 형성하는 하부 섹션에 배열되어 가능한 방법으로 동일하게 열에 노출된다. 본 발명에 따르면, 상기 깔때기형 측벽(6) 영역에서 상기 다수의 증기 발생기 파이프(12)의 파이프 지름은 상기 에워싼 벽(4) 영역의 파이프 지름과 상이하다.
Description
본 발명은 그 바닥 영역에 깔때기형 측벽을 갖는 연소 챔버를 구비한 증기 발생기에 관한 것으로, 상기 증기 발생기는 기밀식 방법으로 서로에 대해 용접된 증기 발생기 파이프로 형성된 에워싼 벽(encircling wall)을 구비한다.
증기 발생기는 상이한 원칙에 따라 디자인될 수 있다. 연속적 증기 발생기(continuous steam generator)에서 연소 챔버의 기밀식 에워싼 벽을 함께 형성하는 다수의 증기 발생기 파이프를 가열하는 것은 하나의 작동에서 증기 발생기 파이프 내의 유동 매체의 완전한 증발을 야기한다. 유동 매체는 -일반적으로 물이며- 증기 발생기 파이프로부터 하류의 과열기(superheater) 파이프에서의 증발 이후 공급되며 거기에서 과열된다.
연속적 증기 발생기는 일반적인 순환 증기 발생기의 반대로서 어떠한 압력 제한도 없어서, 그 결과 물의 임계 압력(Pcrit = 221bar)을 초과하는 순 증기압을 위해 설계된다. - 물 위상과 증기 위상 사이의 어떠한 구분도 없어서 어떠한 위상 구분도 불가능하다. - 보다 높은 순 증기압은 보다 효율을 좋게 하여 화석-연료 발전기에서 CO2 방출이 보다 낮다.
수직 가스 드래프트를 구비한 증기 발생기에서, 증기 발생기 파이프는 일반 적으로 핀(fin)에 의해 상호 연결된다. 따라서 에워싼 벽은 다수의 거의 평행한 증기 발생기 파이프로 형성되며, 상기 증기 발생기 파이프들은 핀에 의해 상호 연결되고 기밀식으로 용접된다. 증기 발생기의 증기 발생기 파이프는 수직으로 배열되거나 또는 나선형태로 배열되어 기울어질 수 있다.
연소 챔버의 깔때기형 측벽은 일반적으로 가스 드래프트 파이프의 하단부에 배열되며, 상기 벽들이 연소 프로세스 동안 재(ash)의 제거를 복잡하지 않게 한다. 이 경우 연소 챔버 벽체는 일반적으로 수직 증기 발생기 파이프 및 핀으로 형성된다. 하부 섹션, 깔때기 영역에서, 증기 발생기 파이프는 일반적으로 연소 챔버 벽체를 형성하는 그 상부 섹션 방향과 동일한 방향으로 수직 파이프작동(pipework) 방식으로 작동한다. 이 경우 평행한 파이프들은 입구 컬렉터를 통해 깔때기에 진입하여 평행한 파이프들의 연속으로 연소 챔버를 형성한다.
연속 증기 발생기의 작동 동안, 연소 챔버 내의 연소 가스의 연소 동안 발생한 열이 증기 발생기 파이프의 벽과 핀을 통해 직접적으로 증기 발생기 파이프를 통한 유동 매체의 유동 내에 진입한다. 이 경우, 가열된 증기 발생기 파이프는 관련 파이프의 물기둥의 중량을 결정한다. 증기 발생기 파이프를 통한 유동 매체의 관류 및 이에 따른 유동 매체의 출력 온도가 상응하는 파이프 내의 물기둥 압력에 의해 결정되며, 증기 발생기 파이프를 통한 출력 온도는 상응하는 증기 발생기 파이프의 가열에 의해 결정적인 영향을 받을 것이다.
증기 발생기 파이프들이 상이한 정도로 가열된다면, 유동 매체의 상이한 출력 온도를 야기한다. 특정 상황에서 - 특히, 낮은 로드에서 시동 프로세스 동안 - 이러한 온도 차이는 불가피한 높은 로드가 물질에 가해지는 높은 값에 이를 수 있다.
연소 챔버 벽체 및 깔때기형 측벽 영역 내에서 작동하는 증기 발생기 파이프의 경우 깔때기형 측벽 영역 내에 다수의 증기 발생기 파이프 및 관련된 핀들이 있어서, 이들은 연소 챔버의 장방형 단면으로 4개의 코너 영역에 놓이는데, 이는 깔때기형 측벽의 팁(tip)을 형성하는 것보다 짧다. 상이한 길이로 인해 증기 발생기 파이프 및 핀은 상이하게 가열된다. 깔때기형 측벽 영역 내의 증기 발생기 파이프의 상이한 가열 레벨로 인해 각각의 증기 발생기 파이프를 떠나는 유동 매체의 높은 온도 차이를 피할 수 없다는 위험이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 전술한 형식의 증기 발생기 파이프에 관한 것으로, 각각의 작동 상태에서 증기 발생기 파이프는 각각의 증기 발생기 파이프를 떠나는 유동 매체의 온도 차이가 임계값을 넘지 않도록 보장하는 것이다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은, 깔때기형 측벽 영역에서 다수의 증기 발생기 파이프 지름 및/또는 핀 너비가 연소 챔버의 에워싼 벽 영역의 파이프 지름 및/또는 핀 너비와 다름으로써 이루어진다.
본 발명은, 각각의 증기 발생기 파이프의 출력측 유동 매체의 온도 차이가 임계값을 넘지 않는 것을 보장함으로써, 증기 발생기 파이프에 가해지는 높은 물질 로드를 방지할 수 있다는 아이디어에 기초한다. 따라서, 증기 발생기 파이프의 가열은 증기 발생기 내의 어떠한 지점에서도 다른 증기 발생기 파이프의 가열로부터 벗어나면 안된다. 그러나 종래의 구성에서는, 연소 챔버의 깔때기형 측벽 영역에 서 증기 발생기 파이프의 길이가 좁아지는 깔때기처럼 다양해야만 했다. 이는 일부 증기 발생기 파이프가 다른 것이 비해 짧으며, 따라서 깔때기형 측벽 영역의 가열보다 약함을 의미한다. 따라서 종래 기술에서는, 깔때기형 측벽의 하부 영역에 배열된 단면상의 기하학적 상황으로 인해 증기 발생기 파이프 및 핀의 가열이 다양함을 방지할 수 없다. 각각의 증기 발생기 파이프의 가열이 깔때기형 측벽의 불가피한 좁아짐에도 불구하고 너무 달라지지 않는 것을 보상하도록, 각각의 증기 발생기 파이프의 길이가 상호 크게 다르면 안된다. 이를 가능하게 하도록, 깔때기형 측벽 영역의 증기 발생기 파이프는 그 측면 표면을 따르면 안된다. 이는 적합한 파이프의 기하학적 형태의 선택에 의해 가능하다.
이 경우 증기 발생기는 연속적 증기 발생기로서 디자인되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 깔때기형 측벽을 형성하는 하부 섹션의 다수의 증기 발생기 파이프의 지름이 연소 챔버 벽체를 형성하는 상부 섹션의 파이프보다 작다. 깔때기형 측벽의 파이프 지름의 감소는 연소 챔버 벽체를 형성하는 상부 섹션으로서 동일한 수의 증기 발생기 파이프의 파이프작동을 허용한다. 달리 표현하면: 깔때기형 측벽의 좁음은 다수의 증기 발생기 파이프의 개수의 감소를 야기하는 것이 아니라 파이프의 지름의 감소를 야기한다. 이는, 모든 증기 발생기 파이프가 가열된 영역에서 대체로 동일한 길이로서 모든 증기 발생기 파이프의 가열이 유사함을 보장한다.
열은 오직 파이프 벽을 통하는 것이 아니라 각각의 증기 발생기 파이프를 상호 연결하는 핀을 통해서도 유동 매체에 인가된다. 연소 챔버 벽체 및 깔때기형 측벽부의 너비는, 파이프 축들 사이의 거리의 배수에 의한 증기 발생기 파이프의 개수에 의해 제공되며, 파이프 축으로부터 파이프 축까지의 거리는 파이프 지름에 핀의 너비를 더한 것과 동일하다. 깔때기형 측벽이 좁아지도록, 핀의 너비가 깔때기형 측벽을 형성하는 증기 발생기 파이프의 하부 섹션에서 달라지며 특히 감소하는 것이 바람직하다.
하부 섹션의 파이프 지름이 상부 섹션에 비해 5 내지 15퍼센트 감소하는 것이 바람직하다. 하부 섹션에서의 핀 너비가 상부 섹션에 비해 30 내지 70퍼센트 감소하는 것이 바람직하다. 강조한 바와 같이, 이러한 방법은 깔때기형 측벽을 형성하는 증기 발생기 파이프의 하부 섹션에 열의 특히 효율적인 사용을 가능하게 한다.
깔때기형 측벽 영역에서, 다수의 증기 발생기 파이프는 깔때기형 측벽의 기울기 방향에 적어도 부분적으로 평행하게 배열되는 것이 바람직하다. 이러한 배열은 가열 조건 상에서 각각의 증기 발생기 파이프의 길이의 양호한 적용을 가능하게 하며, 이로 인해 특히 균등한 가열을 가능하게 한다. 이러한 배열에서 예를 들어 덜 강하게 가열된 증기 발생기 파이프를 배열하여 가열된 영역 내에서 보다 길은 길이를 갖고 이러한 방식으로 전체 영역의 가열에 의해 보다 약한 가열 효과가 보상되는 것이 특히 가능하다.
본 발명의 장점은, 증기 발생기가 연속적 증기 발생기로 디자인되어 각각의 증기 발생기 파이프 상의 불가피한 큰 온도 차이가 비교적 낮은 구성 경비로서 방지할 수 있다는 점이다. 특히 깔때기형 측벽을 형성하는 증기 발생기 파이프의 하 부 섹션에서 모든 증기 발생기 파이프는 유사하게 강하게 가열되기 때문에, 증기 발생기가 보다 낮은 질량 유동 밀도를 갖더라고 관류 유동률(throughflow rate)에 매우 큰 차이 및 증기 발생기 파이프의 출력측에서 불가피한 유동 매체의 높은 온도 차이가 발생하지 않는다.
반대로, 증기 발생기가 연속적 증기 발생기로서 디자인되면, 거의 동일한 질량 유동 및 이에 따른 증기 발생기 파이프의 양호한 냉각 및 추가로 증기 발생기 파이프 내의 거의 동일한 양의 증기가 획득될 수 있다.
본 발명의 실시예를 이하의 도면을 참조하여 보다 상세히 개시한다.
도 1의 A는 연소 챔버 벽체 영역에서 거의 수직하게 배열된 증발기 파이프를 구비하고 바닥부 영역에서 바닥의 기울기 방향에 부분적으로 평행하게 배열된 증기 발생기 파이프를 구비한 연속적 증기 발생기의 개략적 도면이며,
도 1의 B는 상기 연속적 증기 발생기의 다른 실시예이며, 그리고
도 2는 도 1에서 도시된 증기 발생기의 또 다른 실시예이다.
모든 도면에서 동일한 부품은 동일한 도면 부호로 표시된다.
도 1의 A는 연속적 증기 발생기로 구현된 증기 발생기(1)의 단면을 개략적으로 도시하며, 그 수직 가스 드래프트는 에워싼 벽(4)에 의해 둘러싸이고 깔때기형 측벽(6)에 의해 형성된 바닥 영역 내에 그 하단부에서 변화하는 연소 챔버를 형성한다. 바닥부는 재를 위한 방출 개구부(8)를 구비하며, 이는 본 도면에서 상세히 도시하지 않는다.
가스 드래프트 영역에서 도시되지 않은 다수의 버너는, 수직-정렬 증기 발생 기 파이프(12)로 형성된 연소 챔버의 에워싼 벽(4) 내에 수용된다. 수직으로 정렬된 증기 발생기 파이프(12)는 핀(14)을 통해서 상호 용접되며, 핀(14)과 함께 그 상부 섹션에서 연소 챔버의 에워싼 벽(14)을 형성한다. 바닥 영역 아래에서 입구 헤더(16)가 배열되며 이로부터 증기 발생기 파이프(12)가 유동 매체의 공급을 받는다.
화석 연료가 연소할 때 증기 발생기(1)의 작동 동안 생성된 화염 부피(flame volume)가 연소 챔버 내에 존재한다. 이러한 방식으로 연소 챔버 내에서 생성된 열은 증기 발생기 파이프(12)를 통해 유동하는 유동 유체에 전달되어, 유동 유체가 증발하도록 한다. 이 경우 열은 증기 발생기 파이프(12)의 파이프 벽을 직접적으로 통해 그리고 핀(14)을 통해 적용된다.
각각의 증기 발생기 파이프(12)를 통한 유동 매체의 관류 유동률 또는 각각의 증기 발생기 파이프(12)로의 관류 유동의 분배는 각각의 증기 발생기 파이프(12) 내의 관련 물기둥 중량에 의해 대부분 결정된다. 그 결과 연소 챔버의 하부 특히 깔때기형 측벽(6) 영역의 가열은 증기 발생기 파이프(12)를 통한 유동에 큰 영향을 준다. 각각의 열 발생 파이프(12)가 비교적 많이 가열되면 물기둥의 중량과 이로 인한 관련 열 발생 파이프(12) 내의 저항은 감소한다. 이로 인해 덜 가열된 증기 발생기 파이프(12)와 비교하여 상기 증기 발생기 파이프(12) 내의 관류 유동률을 증가시킨다. 증기 발생기 파이프(12)가 비교적 약하게 가열되면 이에 따라 관류 유동률은 감소한다.
깔때기형 측벽 영역 내에서 증기 발생기 파이프(12)가 비교적 약하게 가열되 면, 즉 예를 들어 깔때기형 측벽의 상부 가장자리에 가열 영역에만 진입하여 가열 영역이 비교적 적은 길이만 갖는다면, 가열 영역 내에서 비교적 길은 길이를 갖는 비교적 강하게 가열된 증기 발생기 파이프(12)에 비해 보다 낮은 관류 유동률을 갖는다. 연소 챔버의 에워싼 벽(4)을 형성하는 증기 발생기 파이프(12)의 상부 섹션 내에서 모든 증기 발생기 파이프(12)는 유사하게 가열된다. 비교적 낮은 관류 유동률을 갖는 증기 발생기 파이프(12)는 이러한 조건에서 비교적 높은 관류 유동률을 구비한 파이프에 비해 보다 가열될 것이며, 그 결과 일정 상황에서 깔때기형 측벽(6)의 영역에서 증기 발생기 파이프(12)의 차등 가열이 유동 매체의 출력 온도의 중요한 차이를 발생시킨다.
증기 발생기 파이프(12) 상의 허용 가능한 물질 로드를 위해 미리 정해진 값을 넘지 않을 수 있는 스트레스를 이끌 수 있기 때문에, 이러한 온도 차이가 특정 제한 내에서만 가능하다. 따라서 그 목적은 가능한 균일하게 모든 증기 발생기 파이프(12)를 가열하는 것이며, 깔때기형 측벽(6)을 형성하는 증기 발생기 파이프(12)의 하부 섹션에서 특히 중요하다.
모든 증기 발생기 파이프(12)의 가열을 가능한 균일하게 하도록, 도 1의 A의 증기 발생기(1)의 증기 발생기 파이프(12)는 깔때기형 측벽(6)을 형성하는 하부 섹션의 지름이 연소 챔버의 에워싼 벽(4)을 형성하는 상부 섹션에서보다 작다. 핀(14) 또한 상부 섹션에서보다 하부 섹션에서 너비가 좁다. 따라서 하부 너비는 평행한 증기 발생기 파이프(12)의 수와 핀(14)의 너비에 더해진 파이프 지름에 의해 결정되며, 상기 하부 너비는 평행판 증기 발생기 파이프(12)의 수의 감소 대신 작 은 파이프 지름 및 좁은 핀(14) 너비에 의해 감소될 수 있다. 증기 발생기 파이프가 하부 영역을 따라 적어도 부분적으로 따르는 방법으로 하부 영역이 좁아진다.
강조한 바와 같이, 각각의 증기 발생기 파이프(12)의 지름이 상부 영역의 파이프 지름에 비교하여 하부 영역에서 5 내지 15퍼센트 감소하고 하부 영역에서의 핀(14)의 너비가 상부 영역의 너비에 비해 30 내지 70퍼센트 감소한다면, 증기 발생기 파이프(12)의 적정한 배열 및 이로 인하여 깔때기형 측벽 영역에 가용한 열의 매우 효율적은 사용이 가능하다. 일반적으로 34mm 파이프 지름과 16mm 핀 너비에서, 하부 영역에서는 파이프 지름을 약 32mm, 핀 너비를 약 6mm로 제공한다.
특히 깔때기형 측벽(6)의 영역 내에서 증기 발생기 파이프(12)의 특히 균일한 가열은 도 1의 A에 도시된 바와 같은 하부 섹션 내에 배열된 증기 발생기 파이프(12)에 의해 이루어질 수 있으며, 부분적으로 하부 영역에서 기울기 방향이 평행하지 않다. 이러한 기울어진 배열은 각각의 증기 발생기 파이프(12)의 가열 강도가 가열 영역 내에서 그 길이에 넓게 적용되도록 한다. 다른 표현으로: 증기 발생기 파이프(12)의 비교적 약한 가열은, 가열 영역 내에서 증기 발생기 파이프(12)의 기울어진 배열에 의해 가능한 길은 길이에 의해 보상된다.
이 경우 바닥 영역 내 증기 발생기 파이프(12)의 배열은 이러한 영역 내에 있는 온도 프로파일에 적합할 수 있다. 도 1의 A는, 증기 발생기 파이프(12)가 감소되는 그 하부 섹션 내에 증기 발생기 파이프(12)가 기울어져 배치되는 -즉, 바닥 영역의 기울기 각도에 평행하지 않은 배열을 도시한다. 이러한 배열에서, 기하학적 형상 및 바닥 면적의 치수, 핀(14) 및 증기 발생기 파이프(12)에 의해 결정되는 특정 높이(H)까지, 바닥 면적의 기울기 각도에 평행한 증기 발생기 파이프(12)의 배열이 제공된다. 이러한 높이(H) 이상에서 전술한 기울어진 배열이 제공된다.
대안적인 실시예로서, 증기 발생기 파이프(12)가 도 1의 B에 도시된 바와 같이 배열될 수 있다. 이 경우, 바닥의 기울기 방향에 평행하게 배열된 증기 발생기 파이프(12) 배열이 특정 높이(H)까지 제공될 수 있으며, 파이프 지름은 상부 섹션의 지름에 비해 감소한다. 이러한 높이(H) 이상에서 증기 발생기 파이프(12)의 기울어진 배열이 제 1 실시예로서 제공되지만, 증기 발생기 파이프(12)의 기울어진 각도는 바닥면의 원래 방향에 비교하여 선택되어 증기 발생기 파이프(12) 및 핀(14)이 상부 섹션으로서 기울어진 섹션에 각각 비교하여 동일한 너비 또는 동일한 파이프 지름을 갖는다. 따라서 이 경우 파이프 지름 및 핀의 너비는 오직 상기 높이(H)에까지 감소한다.
예를 들어 순환식 유동화 솔리드(circulating fluidized solids)를 구비한 증기 발생기의 경우와 같이, 입구 헤더(16)가 비교적 넓고 외부 증기 발생기 파이프가 서로에 대해 비교적 긴 거리라면, 증기 발생기 파이프(12)는 도 2에 도시된 바와 같이 배열될 수 있다. 이러한 배열에서, 중심축(A)으로부터 가장 멀리 있는 최외측 증기 발생기 파이프(12)들은 깔때기형 측벽(6)의 전체 높이에 걸쳐 배열되어 기울어지며, 감소하지 않는 파이프 지름 및 감소하지 않는 너비를 구비한다. 반대로, 중심축(A)으로부터 가장 가까이에 있는 최내측 증기 발생기 파이프(12)들은 감소한 파이프 지름 및 감소된 너비를 전체 길이에 걸쳐 구현되며, 중심축(A)에 평행하여 바닥부 기울기 방향을 향하도록 배열된다. 이 경우 최외측 증기 발생기 파이프와 최내측 증기 발행 파이프(12) 사이에 배열된 증기 발생기 파이프(12)는 변환부를 형성하고 각각의 경우 감소된 파이프 지름 및 감소된 핀 너비를 구비하며 중심축에 평행하게 배열된 제 1 섹션과 감소되지 않는 파이프 지름 및 감소되지 않는핀 너비를 구비하여 기울어져 배열되어 최외측 증기 발생기 파이프(12)에 평행하게 기울여져 배열되는 제 2 섹션을 구비한다.
이러한 배열에서 바닥부 면적에서 증기 발생기 파이프(12)의 가열 강도의 차이가 적고 유동 매체에 야기될 수 있는 어떠한 온도 차이도 작아서, 허용되지 않는 물질 상의 높은 로드를 안정적으로 방지할 수 있다. 어떠한 추가적인 측정도 적은 로드에서조차 필요하지 않아서 시동 프로세스 동안 온도 차이를 적게 유지한다.
Claims (8)
- 증기 발생기(1)에 있어서,상기 증기 발생기는 바닥 영역이 깔때기형 측벽(6)을 형성하는 연소 챔버 및 다수의 증기 발생기 파이프(12)로 형성된 에워싼 벽(4)을 구비하고, 상기 증기 발생기 파이프를 통해 유동 매체가 유동할 수 있으며,상기 깔때기형 측벽(6) 영역에서 상기 다수의 증기 발생기 파이프(12)의 파이프 지름은 상기 에워싼 벽(4) 영역의 파이프 지름과 상이한,증기 발생기(1).
- 제 1 항에 있어서,상기 깔때기형 측벽(6) 영역에서 상기 다수의 증기 발생기 파이프(12)의 파이프 지름은 상기 에워싼 벽(4) 영역의 상기 증기 발생기 파이프(12)의 파이프 지름보다 작은,증기 발생기(1).
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,인접한 상기 증기 발생기 파이프(12)는 핀(fin)(14)을 통해 상호 연결되며,상기 에워싼 벽(4) 영역에서 상기 다수의 핀(14)의 너비는 상기 깔때기형 측벽(6) 영역의 핀의 너비와 상이한,증기 발생기(1).
- 제 3 항에 있어서,상기 깔때기형 측벽(6) 영역에서 상기 다수의 핀(14)의 너비는 상기 에워싼 벽(4) 영역의 핀의 너비보다 좁은,증기 발생기(1).
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 깔때기형 측벽(6) 영역에서 상기 다수의 증기 발생기 파이프(12)의 파이프 지름은 상기 에워싼 벽(4) 영역의 파이프 지름보다 5 내지 15퍼센트 감소하는,증기 발생기(1).
- 제 4 항 또는 제 5 항에서,상기 깔때기형 측벽(6) 영역에서 상기 다수의 핀(14)의 너비는 상기 에워싼 벽(4) 영역의 핀의 너비보다 30 내지 70퍼센트 감소하는,증기 발생기(1).
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 깔때기형 측벽(6) 영역에서 상기 다수의 증기 발생기 파이프(12)는 상 기 깔때기형 측벽(6)의 기울기 방향에 적어도 부분적으로 평행하게 배열되는,증기 발생기(1).
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 증기 발생기는 연속적 증기 발생기로서 디자인되는,증기 발생기(1).
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