KR20110094042A - 연속 흐름식 증기 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화석 연료용의 복수의 버너들과, 기밀 방식으로 서로 용접된 증기 발생기 관(20)들로 형성된 외벽(12)을 갖는 연소 챔버(2)를 구비한 연속 흐름식 증기 발생기(1)에 관한 것이며[이때 연소 챔버(2)의 상부 영역(4) 하류에는 수직 가스 연도(8)가 수평 가스 연도(6)에 의해 가열 가스 측으로 연결되고, 수직 가스 연도(6)를 향해 있는 외벽(12)의 부분은 수평 가스 연도(6) 하부에서 안쪽으로 기울어짐으로써 인접해 있는 수평 가스 연도(6)의 바닥(16)과 함께, 연소 챔버(2) 내로 뻗어 있는 노우즈(14)를 형성한다], 상기 연속 흐름식 증기 발생기는 작동 시 신뢰도가 특히 높으면서 구성이 간단해야 한다. 이를 위해 노우즈(14)의 상부 단부에서 상기 노우즈의 증기 발생기 관(20)의 하나 이상의 부분의 하류에는 복수의 지지 관들(26)이 유동 매체 측으로 연결되며 지지 관들은 실질적으로 노우즈(14)의 하부 단부에 대해 수직으로 안내된다.

Description

연속 흐름식 증기 발생기{CONTINUOUS STEAM GENERATOR}
본 발명은 화석 연료용의 복수의 버너들과, 기밀 방식으로 서로 용접된 증기 발생기 관들로 형성된 외벽을 갖는 연소 챔버를 구비한 연속 흐름식 증기 발생기에 관한 것이며, 이때 연소 챔버의 상부 영역 하류에는 수직 가스 연도가 수평 가스 연도에 의해 가열 가스 측으로 연결되고, 수직 가스 연도를 향해 있는 외벽의 부분은 수평 가스 연도 하부에서 안쪽으로 기울어짐으로써 인접해 있는 수평 가스 연도의 바닥과 함께, 연소 챔버 내로 뻗어 있는 노우즈를 형성한다.
화석 연료로 발화되는 증기 발생기에서는, 과열된 증기를 발생시키기 위해 화석 연료 에너지가 이용되며 후속해서 이러한 증기는 예컨대 발전소에서 전류 발생용으로 증기 터빈에 공급될 수 있다. 특히 발전소 주변의 증기 온도와 증기압이 통상적인 경우 증기 발생기는 통상 수관 보일러(water tube boiler)로서 구현되는데 즉, 공급된 물은 버너 화염의 복사열 형태로 에너지를 흡수하고 그리고/또는 연소시 형성되는 연도 가스의 대류에 의해 에너지를 흡수하는 복수의 관들에서 흐른다.
통상 증기 발생기 관들은 기밀 방식으로 서로 용접됨으로써 버너의 영역에 연소 챔버벽을 형성한다. 연소 챔버 하류에 연도 가스 측으로 연결된 추가의 영역들에는 배기 가스 채널에 배치된 증기 발생기 관도 제공될 수 있다.
화석 연료로 발화되는 증기 발생기는 다양한 기준들을 토대로 분류될 수 있는데 즉, 증기 발생기는 일반적으로 자연 순환식 증기 발생기, 강제 순환식 증기 발생기 또는 연속 흐름식 증기 발생기로서 설계될 수 있다. 연속 흐름식 증기 발생기에서, 복수의 증발기 관들이 가열됨으로써, 증발기 관을 한 번 통과한 유동 매체가 완전히 증발될 수 있다. 유동 매체, 통상 물은 증발 이후 증발기 관 하류에 연결된 과열기 관에 공급되어 거기서 과열된다. 이러한 설명은 증발기 내 수압이 임계압 (PKri
Figure pct00001
221바아) 미만인 부분 부하에서만 정확히 유효하다. 그러나, 이러한 설명은 명료함을 위해 이하의 상세한 설명에서 계속 사용된다. 증발 종료점의 위치 즉, 흐름에서 수분이 완전히 증발하는 지점은 가변적이며 작동 유형에 따른다. 이러한 연속 흐름식 증기 발생기의 완전 부하 모드에서, 증발 종료점은 예컨대 증발기 관의 하나의 단부 영역에 놓이므로, 증발된 유동 매체의 과열은 이미 증발기 관에서 시작된다.
자연 순환식 증기 발생기 또는 강제 순환식 증기 발생기와 달리, 연속 흐름식 증기 발생기는 압력에 제한을 받지 않으므로, 임계 수압을 훨씬 초과하는 생증기 압력에 맞게 연속 흐름식 증기 발생기가 설계될 수 있다.
경부하(light load) 모드 또는 시동 시, 이러한 유형의 연속 흐름식 증기 발생기는 통상 증발기 관에서의 최소량의 유동 매체에 의해 작동하므로, 증발기 관의 확실한 냉각이 보장될 수 있다. 이를 위해, 예컨대 설계 부하의 40%에 못 미치는 낮은 부하의 경우, 증발기를 통해 흐르는 순수한 연속 질량 흐름은 통상 증발기 관의 냉각에 더 이상 충분하지 않으므로, 순환 시 증발기를 통과하는 유동 매체의 연속 흐름에는 유동 매체의 추가의 질량 흐름이 중첩된다. 따라서 작동에 따라 제공되는 증발기 관에서의 최소량의 유동 매체는 시동 또는 경부하 모드 시 증발기 관에서 완전히 증발되지 않으므로, 이와 같은 작동 유형의 경우 증발기 관의 단부에는 아직 증발되지 않은 유동 매체, 특히 물-증기 혼합물이 존재하게 된다.
그러나, 통상 연소 챔버벽을 관류하고 나서야 연속 흐름식 증기 발생기의 증발기 관 하류에 연결되는 과열기 관은 증발되지 않은 유동 매체의 관류에 맞게 설계되지는 않기 때문에, 과열기 관으로의 물 유입이 시동 및 경부하 모드에서도 확실히 방지되도록 연속 흐름식 증기 발생기가 설계된다. 이를 위해 증발기 관은 물 분리(water separation) 시스템에 의해, 하류에 연결된 과열기에 통상적으로 연결된다. 이때 물 분리기는 시동 또는 경부하 모드 시 증발기 관으로부터 배출되는 물-증기 혼합물을 물과 증기로 분리한다. 증기는 물 분리기 하류에 연결된 과열기 관에 공급되는 반면, 분리된 물은 예컨대 순환 펌프에 의해 증발기 관에 다시 공급되거나 플래시 탱크에 의해 배출될 수 있다.
또한, 증기 발생기는 가스 흐름의 흐름 방향에 기초해서, 예를 들어 수직 및 수평 타입으로 나뉠 수 있다. 화석 연료로 발화되는, 수직 구조의 증기 발생기의 경우 통상 1 연도 보일러와 2 연도 보일러가 구별된다.
1 연도 보일러 또는 타워형 보일러의 경우, 연소 챔버 내 연소에 의해 생성된 연도 가스는 항상 아래에서 위로 수직으로 흐른다. 연도 가스 채널 내에 배치된 가열면 전체는 연도 가스 측으로 연소 챔버 상부에 놓인다. 타워형 보일러의 경우, 구조가 비교적 간단하며, 관의 열팽창에 의해 형성되는 응력이 간단히 통제될 수 있다. 또한, 연도 가스 채널 내에 배치된 증기 발생기 관의 가열면 전체는 수평이므로 완전히 탈수될 수 있는데, 이는 서리가 생기기 쉬운 주변 환경에서 바람직할 수 있다.
2 연도 보일러의 경우, 연소 챔버의 상부 영역 하류에는 수평 가스 연도가 연도 가스 측으로 배치되며, 상기 가스 연도는 수직 가스 연도로 통한다. 이러한 제2 수직 가스 연도에서, 가스는 통상 위에서 아래로 수직으로 흐른다. 2 연도 보일러의 경우에는 연도 가스가 여러 번 편향될 수 있다. 이러한 구조의 장점으로는, 예컨대 낮아진 전체 높이와 이를 토대로 하는 제조 비용 절감을 들 수 있다.
2 연도 보일러로서 형성된 증기 발생기에서, 통상적으로 벽은 보일러 지지 프레임에 서스펜션 방식으로 배치되므로, 작동 중의 가열 시 상기 벽이 아래로 자유롭게 팽창될 수 있다. 2 연도 증기 발생기는 연도마다 통상 4개의 벽들을 포함하며, 이때 개별 연도들의 벽들이 균등하게 팽창되는 것에 주의해야 하는데, 왜냐하면 벽들이 균등하게 팽창되지 않을 경우 개별 벽들의 연결부에서 허용되지 않은 응력이 발생할 수 있기 때문이다.
종종, 이러한 2 연도 보일러는 소위 연소 챔버 노우즈를 또한 포함한다. 노우즈는 수평 가스 연도로의 전환부에서 안쪽으로 기울어진 연소 챔버벽과, 수평 가스 연도의 바닥으로 형성되는 돌출부이다. 이러한 연소 챔버 노우즈는 수평 가스 연도로의 전환부에서 연도 가스의 흐름을 개선시킨다.
그러나 바람직하지 못하게 연소 챔버 노우즈는, 연소 챔버 후방벽 즉, 수평 가스 연도 및 제2 수직 가스 연도를 향해 있는 벽의 배관을 중단시킨다. 후방벽의 중량은, 예컨대 내압, 회분 퇴적 또는 자체 중량에 의해 가열되거나 부하를 받을 때 후방벽이 다른 벽들과 동일한 정도로 운동하도록, 통상적으로 노우즈의 상부 단부 및 하부 단부 사이의 특수한 구조에 의해 보일러 지지 프레임 내에 도입되어야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 해결책들이 종래에 제시되어 있다.
예컨대, 노우즈의 상부 단부 및 하부 단부는 스프링 경로가 변동됨에도 불구하고 항상 거의 동일한 힘을 전달하는 인장 로드, 스프링 또는 소위 콘스탄트 행거를 이용하여 실행될 수 있다. 이와 같은 구조는 벽들의 상이한 팽창에 맞게 조정된다. 그러나, 예를 들어 교대되는 내압에 의해 또는 회분 퇴적에 의한 상이한 부하는 측벽들에 대한 연결부에 높은 응력을 야기한다. 또한, 상기의 콘스탄트 행거는 비용이 많이 든다.
추가의 가능성은, 보일러 지지 프레임 내 서스펜션 점까지 하부 연소 챔버의 관이 수직 방향으로 간단하게 이어진다는 데 있다. 이로써 노우즈의 하부 단부로부터 보일러 지지 프레임까지의 연결부는 측벽들 및 전방벽과 거의 동일한 온도를 갖는다. 그러나, 노우즈의 배관은 이후 별도로 실행되어야 하는데, 이는 연결 관에 추가적 비용이 드는 것을 의미한다.
추가의 가능성은, 연소 챔버 후방벽의 관이 노우즈의 하부 단부에서 유동 매체 측으로 분할됨으로써 관의 하나의 부분은 노우즈의 배관으로 안내되고, 다른 부분은 이에 평행하게 보일러 지지 프레임에 대해 수직으로 안내된다는 데 있다. 그러나, 이에 따라 관 및 유동 매체의 일부분만이 노우즈를 위해 제공되며, 그 결과 경우에 따라서는 노우즈가 충분하지 못하게 냉각될 수 있는데, 그 이유는 노출되는 방식으로 노우즈가 연소 챔버 내에 위치함으로써 비교적 높은 열 도입을 갖기 때문이다. 이와 달리 수직으로 위쪽으로 안내되며 빼내진 지지 관을 위한 열 도입은 이에 상응하게 낮은데, 이는 질량 흐름의 분배와 관련해서 문제를 일으킬 수 있다. 노우즈 상부의 모든 벽 관과 지지 관은 배출 시 증기 온도가 가급적 같아야 한다. 또한, 노우즈 배관으로의 전환은 예컨대 관 분할의 변동 또는 다른 관 기하 구조로 인해 복잡해진다.
따라서, 본 발명의 목적은 작동중 신뢰도가 특히 높으면서 간단한 구조를 갖는 서두에 언급한 유형의 연속 흐름식 증기 발생기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 상기 목적은 노우즈의 상부 단부에서 상기 노우즈의 증기 발생기 관의 하나 이상의 부분의 하류에 복수의 지지 관들이 유동 매체 측으로 연결됨으로써 달성되며, 지지 관들은 노우즈의 하부 단부에 대해 실질적으로 수직으로 안내된다.
본 발명은 수직으로 배치된 지지 관에 의해 후방벽이 특히 노우즈의 영역에서 서스펜션될 수 있음으로써 추가의 스프링 또는 콘스탄트 행거가 필요하지 않으면, 2 연도 구성 방식을 갖는 연속 흐름식 증기 발생기의 특히 간단한 기술적 구조가 가능할 수도 있다는 개념으로부터 출발한다. 이때 작동 안전성의 관점에서 볼 때, 노우즈 자체의 충분한 냉각은 높은 열 도입에 기초해서 구현된다는 것에 주의해야 한다. 따라서 이러한 근거를 토대로, 연소 챔버의 후방벽의 하부 영역의 관 중에서 가능하면 대부분이 노우즈 내로 안내되어야 하므로 매체 흐름의 거의 전체가 노우즈의 냉각을 위해 제공된다. 그러나, 어떠한 관도 후방벽을 위한 지지 관으로서 더 이상 제공되지 않는다. 물론, 복잡한 분배 시스템이나, 보조부로서 기능하는 노우즈의 별도의 배관은 추가의 기술적인 구조 비용을 재차 의미한다.
따라서 이와 같이 뚜렷이 모순되는 설계 목표를 달성하기 위해서는, 우선 노우즈의 상부 단부에서 관의 하나 이상의 부분이 연소 챔버의 배관의 그 외의 통상적인 흐름 방향에 대해 반대되게 위에서 아래로 안내되어야 한다. 상기 관은 노우즈의 하부 단부에 연결될 때 후방벽을 위한 지지 관으로서 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 노우즈의 상부 단부에서 상기 노우즈의 증기 발생기 관의 추가의 부분의 하류에는 복수의 지지 관들이 유동 매체 측으로 연결되며, 지지 관들은 실질적으로 연소 챔버의 커버에 대해 수직으로 안내된다. 따라서 노우즈 및 상기 노우즈에 연결된 연소 챔버의 하부 부분을 커버에 연결함으로써 신뢰도 높은 서스펜션을 구현하는 지지 관도 제공된다. 유동 매체가 상기 지지 관을 관류하기 때문에, 지지 관은 연소 챔버의 나머지 부분들과 마찬가지로 팽창하며 총 4개의 연소 챔버벽들이 균등하게 팽창되고 벽들의 연결부에서는 허용되지 않은 응력이 형성되지 않는다.
추가의 바람직한 실시예에서, 수직 가스 연도를 향해 있는 외벽의 부분의 모든 증기 발생기 관 하류에는 노우즈의 증기 발생기 관이 유동 매체 측으로 연결된다. 따라서, 전체 유동 매체는 연소 챔버 후방벽 또는 상기 후방벽의 하부 증기 발생기 관으로부터 노우즈로 흐르므로, 노우즈의 충분한 냉각이 보장된다. 즉, 노우즈는 노출되는 방식으로 연소 챔버의 내부에 위치하기 때문에 특히 높은 열 도입을 갖는다.
바람직하게, 노우즈의 하부 단부로 안내되는 지지 관의 하류에는 노우즈의 하부 단부의 영역에 배치된 수집기가 연결된다. 수집기는 지지 관을 위해 분기된 유동 매체를 수집해서 상응하는 전달 라인을 통해 계속해서 시스템에 제공할 수 있다.
이를 위해 노우즈의 하부 단부로 안내되는 지지 관 하류에는 복수의 연결 관들이 연결되며, 이는 연소 챔버의 상부 영역의 증기 발생기 관들 하류에 연결된 관들 내로 통한다. 이로써 지지 관을 위해 분기된 매체 흐름은 연소 챔버의 상부 영역의 추가의 증기 발생기 관에 평행하게 연결되며, 시스템에 다시 공급된다. 따라서, 지지 관의 매체 흐름을 완전히 이용할 수 있다.
특히, 본 발명에 연관된 장점은, 노우즈의 하부 단부에 대해 실질적으로 수직으로 안내되는 복수의 지지 관들이 노우즈의 상부 단부에서 상기 노우즈의 증기 발생기 관의 하나 이상의 부분의 하류에 유동 매체 측으로 연결됨으로써 특히 간단한 기술적 구조가 가능한 동시에 증기 발생기의 작동 신뢰도가 높을 수 있다는 데 있다. 한편, 보일러 지지 프레임을 통해 부하를 전달받기 위해 증기 발생기 관이 완전히 사용되며 콘스탄트 행거와 같은 별도의 구조들은 사용되지 않고, 다른 한편으로 상기와 같은 구조에 의해 후방벽의 전체 물-증기 흐름이 노우즈를 위해 항상 제공되어 연소 챔버 노우즈의 충분한 냉각을 보장한다. 더욱이, 관벽들에서는 노우즈의 수고스러운 별도의 보링(boring) 또는 관의 기하 구조 변동을 수반하는 복잡한 전환부가 없어도, 전반적으로 동일한 온도가 형성될 수 있다.
도면에 기초해서 본 발명의 실시예를 더 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 2 연도 구성 방식이며 화석 연료로 가열되는 연속 흐름식 증기 발생기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 연소 챔버벽의 개별 증기 발생기 관들의 상호 연결을 개략적으로 도시한 도면이다.
두 도면에서 동일한 부품들에는 동일한 도면 부호를 부여하였다.
도 1에 따른 연속 흐름식 증기 발생기(1)는 수직 가스 연도로서 형성된 연소 챔버(2)를 포함하며, 연소 챔버의 상부 영역(4) 하류에는 수평 가스 연도(6)가 연결된다. 수평 가스 연도(6)에는 추가의 수직 가스 연도(8)가 연결된다.
연소 챔버(2)의 하부 영역(10)에는, 연소 챔버(2)에서 액체 또는 고체 연료를 연소하는 복수의 버너들이 제공되고 이는 더 자세히 도시되지 않는다. 연소 챔버(2)의 외벽(12)은 기밀 방식으로 서로 용접된 증기 발생기 관들로 형성되며, 증기 발생기 관 안으로는 펌프(자세히 도시되지 않음)에 의해 유동 매체, 통상 물이 펌핑되어, 버너에 의해 발생한 열에 의해 가열된다. 연소 챔버(2)의 하부 영역(10)에서 증기 발생기 관은 나선형 또는 수직으로 배향될 수 있다. 나선형 배치의 경우 구조 복잡도는 비교적 높지만 그 대신, 불균형(평행하게 연결된 관들에서 유동 매체의 상이한 질량 흐름과 온도) 발생은 수직으로 배관된 연소 챔버(2)에서보다 비교적 적다.
또한, 연속 흐름식 증기 발생기(1)는 연도 가스 안내를 향상시키기 위해 노우즈(14)를 포함하며, 노우즈는 수평 가스 연도(6)의 바닥(16)으로 직접 전환되어 연소 챔버(2) 내로 돌출한다. 노우즈(14)는 노출되는 방식으로 연소 챔버(2)의 내부에 위치하므로 특히 높은 열 도입을 가지며 그 결과 유동 매체의 특히 높은 흐름량을 가져야 하므로, 노우즈(14)의 충분한 냉각이 보장된다.
증기 발생기(1)의 연도는 서스펜션 방식으로 지지 프레임(18) 내에 배치되므로, 증기 발생기(1)의 연도는 가열 시 방해받지 않고 아래쪽으로 팽창될 수 있다. 특히 증기 발생기(1)의 연소 챔버(2)의 모든 벽들이 가급적 균등하게 팽창되도록, 연소 챔버(2)의 모든 외벽(12)이 거의 동일한 온도를 가져야 하므로, 균등한 가열 및 팽창이 구현될 수 있다. 이는 전체 지지 구조가 증기 발생기 관으로 구성됨으로써 매우 간단하게 구현될 수 있다.
한편으로, 특히 수평 가스 연도(6)를 향해 있는 연소 챔버(2)의 외벽(12)의 부분의 지지 구조가 가능하고, 다른 한편으로 노우즈(14)의 충분한 냉각이 보장되도록, 증기 발생기 관은 도 2에 도시된 바와 같이, 수평 가스 연도(6)를 향해 있는 연소 챔버(2)의 외벽(12)에 상호 연결된다.
연소 챔버(2)의 후방벽의 하부 영역의 증기 발생기 관(20)은 먼저 지점(A)에서 수집기(22)로 통하며[지점들(A 내지 D)의 기하학적 위치를 나타내기 위해 상기 점들은 도 1에도 도시되어 있다], 계속해서 지점(B)으로 안내된다. 이때, 지점(A)으로부터의 전체 질량 흐름은 우선적으로 노우즈(14)의 배관으로 안내된다. 이로써 연소 챔버 후방벽의 증기 발생기 관(20)으로부터의 전체 질량 흐름은 노우즈의 냉각을 위해 제공된다.
지점(C)에서는 질량 흐름이 분할되며, 관의 하나의 부분은 증기 발생기의 커버에 있는 지점(D)까지 지지 관(24)으로서 연장되고, 추가의 부분은 지점(C)으로부터 아래쪽으로 지점(B)까지 지지 관(26)으로서 안내된다. 이로써 지지 관(24, 26)은 증기 발생기 관들로부터 연소 챔버의 후방벽을 위한 연속된 지지 구조를 형성한다. 지지 관(26)은 지점(B)에서 수집기(28)로 통하며, 매체 흐름은 연결 라인(30)에 의해 지점(B) 하류에 연결된 관 또는 물-증기 분리 시스템에 제공된다. 이로써 지지 관(26)으로부터의 매체 흐름을 이용하는 것도 가능하다.

Claims (5)

  1. 화석 연료용의 복수의 버너들과, 기밀 방식으로 서로 용접된 증기 발생기 관들(20)로 형성된 외벽(12)을 갖는 연소 챔버(2)를 구비한 연속 흐름식 증기 발생기(1)이며, 연소 챔버(2)의 상부 영역(4) 하류에는 수직 가스 연도(8)가 수평 가스 연도(6)에 의해 가열 가스 측으로 연결되고, 수직 가스 연도(8)를 향해 있는 외벽(12)의 부분은 수평 가스 연도(6) 하부에서 안쪽으로 기울어짐으로써 인접해 있는 수평 가스 연도(6)의 바닥(16)과 함께, 연소 챔버(2) 내로 뻗어 있는 노우즈(14)를 형성하며, 노우즈(14)의 상부 단부에서 상기 노우즈의 증기 발생기 관(20)의 하나 이상의 부분의 하류에는 복수의 지지 관들(26)이 유동 매체 측으로 연결되며, 지지 관들은 실질적으로 노우즈(14)의 하부 단부에 대해 수직으로 안내되는, 연속 흐름식 증기 발생기(1).
  2. 제1항에 있어서, 노우즈(14)의 상부 단부에서 상기 노우즈의 증기 발생기 관(20)의 추가의 부분의 하류에는 복수의 지지 관들(24)이 유동 매체 측으로 연결되며, 지지 관들은 실질적으로 연소 챔버(2)의 커버에 대해 수직으로 안내되는, 연속 흐름식 증기 발생기(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수직 가스 연도(8)를 향해 있는 외벽(12)의 부분의 모든 증기 발생기 관(20)의 모든 증기 발생기 관(20) 하류에 노우즈(14)의 증기 발생기 관이 유동 매체 측으로 연결되는, 연속 흐름식 증기 발생기(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 노우즈(14)의 하부 단부로 안내되는 지지 관(26)의 하류에는 노우즈(14)의 하부 단부의 영역에 배치된 수집기(28)가 연결되는, 연속 흐름식 증기 발생기(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 노우즈(14)의 하부 단부로 안내되는 지지 관(26) 하류에는 복수의 연결 관들(30)이 연결되며, 상기 연결 관들은 연소 챔버(2)의 상부 영역의 증기 발생기 관들 하류에 연결된 관들 내로 통하는, 연속 흐름식 증기 발생기(1).
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