KR20110128849A - 연속 흐름식 증발기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실질적으로 수직으로 배치되고 아래에서 위로 관류되는 복수의 제1 증기 발생기 관들(13)을 포함하는 제1 증발기 가열면(8)과, 실질적으로 수직으로 배치되고 아래에서 위로 관류되는 추가의 복수의 제2 증기 발생기 관들(14)을 포함하며 유동 매체 측으로 상기 제1 증발기 가열면(8)의 하류에 연결된 추가의 제2 증발기 가열면(10)을 구비한, 수평 구조의 폐열 증기 발생기(2)용 연속 흐름식 증발기(1)에 관한 것이며, 상기 연속 흐름식 증발기는 특히 간단한 구조로 특히 높은 작동 안전성을 가져야 한다. 이를 위해 제1 증기 발생기 관(13)은, 완전 부하 모드 시 제1 증기 발생기 관(13)에서 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 설계된다.

Description

연속 흐름식 증발기{CONTINUOUS EVAPORATOR}
본 발명은 실질적으로 수직으로 배치되고 아래에서 위로 관류되는 복수의 제1 증기 발생기 관들을 포함하는 제1 증발기 가열면과, 실질적으로 수직으로 배치되고 아래에서 위로 관류되는 추가의 복수의 제2 증기 발생기 관들을 포함하며 유동 매체 측으로 상기 제1 증발기 가열면의 하류에 연결된 추가의 제2 증발기 가열면을 구비한, 수평 구조의 폐열 증기 발생기용 연속 흐름식 증발기에 관한 것이다.
가스 및 증기 터빈 설비에서는 가스 터빈으로부터의 팽창된 작동 매체 또는 가열 가스 내에 포함된 열이 증기 터빈용 증기를 발생시키는 데 이용된다. 열 전달은 가스 터빈의 하류에 연결된 폐열 증기 발생기에서 구현되며, 폐열 증기 발생기에는 물의 예열, 증기 발생 및 증기 과열을 위해 일반적으로 복수의 가열면들이 배치된다. 가열면은 증기 터빈의 물-증기 순환계에 연결되어 있다. 물-증기 순환계는 일반적으로 복수의 (예를 들어 3개의) 압력단들을 포함하며, 이때 각각의 압력단은 하나의 증발기 가열면을 포함할 수 있다.
폐열 증기 발생기로서, 가열 가스 측으로 가스 터빈의 하류에 연결된 증기 발생기를 위해서는 복수의 대안적인 설계 개념들이 고려되는데 즉, 연속 흐름식 증기 발생기로서 또는 순환식 증기 발생기로서의 설계들이 고려된다. 연속 흐름식 증기 발생기의 경우, 증발기 관으로서 제공된 증기 발생기 관이 가열됨으로써 1회의 연속 흐름으로 증기 발생기 관에서 유동 매체가 증발된다. 이와 달리, 자연 순환식 또는 강제 순환식 증기 발생기의 경우, 순환 시 안내되는 물은 증발기 관을 통해 연속해서 흐를 경우 부분적으로만 증발된다. 이때 증발되지 않은 물은 발생 증기가 분리된 이후, 동일한 증발기 관에 새로이 제공되어 계속해서 증발된다.
자연 순환식 또는 강제 순환식 증기 발생기와 달리 연속 흐름식 증기 발생기는 압력 제한을 받지 않는다. 높은 생증기 압력은 화석 연료 가열식 발전소의 높은 열 효율뿐만 아니라 낮은 이산화탄소 배출에도 도움이 된다. 또한, 연속 흐름식 증기 발생기는 순환식 증기 발생기와 비교할 때 간단한 구조를 가지므로 특히 적은 비용으로 제조될 수 있다. 따라서, 연속 흐름 원리에 따라 설계된 증기 발생기를 가스 및 증기 터빈 설비의 폐열 증기 발생기로서 사용하는 것은 가스 및 증기 터빈 설비의 총 열 효율을 높이는 동시에 간단한 구조를 실현하는 데 특히 바람직하다.
폐열 증기 발생기로서 설계된 연속 흐름식 증기 발생기는 기본적으로 두 가지 대안적 구성 형태 중 하나의 형태로 구현될 수 있는데 즉, 수직 구조 또는 수평 구조로 구현될 수 있다. 수평 구조의 연속 흐름식 증기 발생기는 가열되는 매체 또는 가열 가스(예를 들어 가스 터빈으로부터 배출된 폐가스)가 관류하도록 거의 수평 방향으로 설계되는 반면, 수직 구조의 연속 흐름식 증기 발생기는 가열되는 매체가 관류하도록 거의 수직 방향으로 설계된다.
수평 구조의 연속 흐름식 증기 발생기는 수직 구조의 연속 흐름식 증기 발생기와 달리 특히 간단한 수단으로, 특히 적은 제조 비용과 조립 비용으로 제조될 수 있다. 그러나, 수평 구조의 연속 흐름식 증기 발생기의 경우, 증발기 가열면의 증기 발생기 관들은 위치 설정에 따라 매우 상이하게 가열된다. 이 경우, 특히 유동 매체 측으로 상류에 배치된 증기 발생기 관에서는 불안정한 유동이 발생할 수 있으며 이는 폐열 증기 발생기의 작동 안전성을 위태롭게 할 수 있다. 따라서 지금까지는 예를 들어 증기 발생기 관의 유입부에 스로틀을 설치하거나, 유입부로부터 배출부까지의 관 직경을 확대시키거나, 압력 평형 라인 및 압력 평형 수집기를 사용하는 것이 동적 안정화를 위해 제안되었었다. 그러나, 이러한 조치는 수평 구조의 폐열 증기 발생기의 경우 효율적이지 않거나 기술적으로 구현되지 못할 수 있다.
따라서 본 발명의 과제는 구조가 특히 간단하고 작동 안전성이 특히 높은, 서두에 언급한 유형의 폐열 증기 발생기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 이러한 과제는 완전 부하 모드 시 제1 증기 발생기 관에서 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제1 증기 발생기 관이 설계됨으로써 해결된다.
본 발명은 제1 증기 발생기 관에서 유동이 동적으로 안정화됨으로써 특히 높은 작동 안전성에 도달할 수도 있다는 개념으로부터 시작한다. 특히 진동 형태의 맥동(pulsating) 유동은 방지되어야 한다. 특히, 제1 증발기 가열면의 가열 가스 측 배출부에 위치 설정되어 비교적 적게 가열되는 제1 증기 발생기 관에서 이러한 유동이 발생하는 것이 인지되었다. 이러한 관들은 비교적 물 비율이 높은 유동 매체를 포함한다. 상기 관들의 유동 매체의 중량 비율이 더 높기 때문에 상기 관들의 관류는 감소하며, 부분적으로 정체(stagnation)된다. 이러한 작용을 방지하기 위해, 스로틀 또는 압력 보상 라인이 제공될 수 있지만, 이는 비교적 더 복잡한 구조를 의미할 수도 있다. 유동 정체를 방지하는 동시에 폐열 증기 발생기의 구조가 특히 간단해지도록, 제1 증발기 가열면의 증기 발생기 관의 매개 변수가 직접 변경되어야 한다. 이는 완전 부하 모드 시 제1 증기 발생기 관을 통해 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제1 증기 발생기 관이 설계됨으로써 구현될 수 있다.
바람직하게, 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도는 100kg/m2s이다. 즉, 이와 같이 선택된 질량 흐름 밀도에 도달하도록 증기 발생기 관을 설계함으로써, 제1 증기 발생기 관에서의 유동이 동적으로 특히 바람직하게 안정화되므로 증기 발생기의 작동은 특히 더 안전해진다.
증기 발생기 관에서의 비교적 높은 측지적(geodetic) 압력 손실로 인해 관들에서의 유동이 정체되는 것이 인지되었다. 따라서 질량 흐름 밀도를 안정화하기 위해서는, 총 압력 손실에서 측지적 압력 손실의 비율이 감소해야 한다. 이는, 완전 부하 모드 시 제1 증기 발생기 관에서 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제1 증기 발생기 관의 내부 직경이 선택됨으로써 실현될 수 있으므로, 마찰 압력 손실이 증가함으로써 총 압력 손실이 커진다.
바람직하게, 제1 증기 발생기 관의 내부 직경은 15mm와 35mm 사이이다. 즉, 이러한 범위에서 내부 직경을 선택하면 증기 발생기 관에서의 측지적 압력 손실은 매우 작으므로 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록, 다시 말해 유동의 정체 또는 맥동이 더 이상 발생하지 않도록 제1 증기 발생기 관의 용적이 결정된다. 이로써 폐열 증기 발생기의 특히 안전한 작동이 보장된다.
바람직한 실시예에서, 복수의 제1 증기 발생기 관들은 관 열(row)로서 가열 가스 측으로 서로 연달아 연결된다. 이로써 평행하게 연결된 더 많은 수의 증기 발생기 관들이 증발기 가열면을 위해 사용될 수 있으며, 이는 표면이 확대됨으로써 열 도입이 개선되는 것을 의미한다. 그러나, 가열 가스 유동 방향으로 연달아 배치된 증기 발생기 관들은 상이하게 가열된다. 특히 가열 가스 배출 측 증기 발생기 관들에서 유동 매체가 비교적 약하게 가열된다. 그러나, 증기 발생기 관이 설명한 바와 같이 설계됨으로써, 상기 증기 발생기 관에서도 유동의 정체가 방지될 수 있다. 이러한 동적 안정화에 의해, 폐열 증기 발생기의 간단한 구조와 특히 안전한 작동이 구현된다.
바람직한 실시예에서, 제1 증발기 가열면은 가열 가스 측으로 제2 증발기 가열면의 하류에 연결된다. 이는 유동 매체 측으로 하류에 연결됨으로써, 이미 증발된 유동 매체를 계속해서 가열하도록 설계된 제2 증발기 가열면도 가열 가스 채널중에서 비교적 더 심한 가열 영역에 놓이는 장점을 제공한다.
바람직하게, 이와 같은 연속 흐름식 증발기는 폐열 증기 발생기에서 사용되며, 폐열 증기 발생기는 가스 및 증기 터빈 설비에서 사용된다. 이 경우 바람직하게, 증기 발생기는 가열 가스 측으로 가스 터빈의 하류에 연결된다. 이러한 연결의 경우, 가열 가스 온도를 상승시키기 위한 보조 연소 시스템이 바람직하게 가스 터빈의 후방에 배치될 수 있다.
본 발명에 의해 실현되는 장점은 완전 부하 모드 시 제1 증기 발생기 관에서 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제1 증기 발생기 관이 설계됨으로써 유동의 동적 안정화 및 이로써 폐열 증기 발생기의 특히 안전한 작동이 구현된다는 데 있다. 증기 발생기 관이 상응하게 설계됨으로써, 추가의 복잡한 기술적 조치 없이도 상기의 작용이 구현될 수 있으므로, 이와 동시에 폐열 증기 발생기 또는 가스 및 증기 터빈 발전소의 특히 간단하면서도 비용 면에서 유리한 구조가 가능하다.
본 발명의 실시예는 도면에 기초하여 더 자세히 설명된다.
도 1은 수평 구조의 증기 발생기의 종단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 따른 폐열 증기 발생기(2)용의 연속 흐름식 증발기(1)는 폐가스 측으로 (자세히 도시되지 않은) 가스 터빈의 하류에 연결된다. 폐열 증기 발생기(2)는 외벽(3)을 포함하며, 상기 외벽은 화살표(4)로 표시된 거의 수평의 가열 가스 방향으로, 가스 터빈으로부터 배출되는 폐가스가 관류할 수 있는 가열 가스 채널(5)을 형성한다. 가열 가스 채널(5)에는 연속 흐름 원리에 따라 설계된 복수의 증발기 가열면들(8, 10)이 배치된다. 도 1에 따른 실시예에는 2개의 증발기 가열면(8, 10)이 각각 도시되어 있지만, 더 많은 수의 증발기 가열면이 제공될 수도 있다.
도 1에 따른 증발기 가열면(8, 10) 각각은 가열 가스 방향으로 연달아 배치된 복수의 관 열들(11 또는 12)을 관 다발(tube bundle)의 형태로 포함한다. 다시, 각각의 관 열(11, 12)은 가열 가스 방향으로 나란히 배치된 복수의 증기 발생기 관들(13 또는 14)을 각각 포함하며, 각각의 관 열(11, 12)에 대해 상기 증기 발생기 관들 중 각각 하나의 증기 발생기 관만을 볼 수 있다. 유동 매체(W)의 관류에 대해 평행하게 연결된 거의 수직 배치의 제1 증발기 가열면(8)의 제1 증기 발생기 관(13)은 출력 측으로 공통의 배출 수집기(15)에 연결된다. 마찬가지로 유동 매체(W)의 관류에 대해 평행하게 연결된 거의 수직 배치의 제2 증발기 가열면(10)의 제2 증기 발생기 관(14)도 마찬가지로 출력 측으로 공통의 배출 수집기(16)에 연결된다. 제2 증발기 가열면(10)의 증기 발생기 관(14)은 하향관(downpipe) 시스템(17)에 의해 제1 증발기 가열면(8)의 증기 발생기 관(13)의 하류에 유동 기술적으로 연결된다.
증발기 가열면(8, 10)으로 형성된 증발기 시스템에는 유동 매체(W)가 공급될 수 있으며, 유동 매체는 증발기 시스템을 통한 1회의 연속 흐름 시 증발되어 제2 증발기 가열면(10)으로부터 배출된 이후 증기(D)로서 배출된다. 증발기 가열면(8, 10)으로 형성된 증발기 시스템은 (자세히 도시되지 않은) 증기 터빈의 물-증기 순환계에 연결된다. 증기 터빈의 물-증기 순환계에는, 증발기 가열면(8, 10)을 포함하는 증발기 시스템 외에 추가적으로 복수의 추가의 가열면들(20)이 연결되며 이는 도면에 개략적으로 도시되어 있다. 가열면(20)은 예컨대 과열기, 중간 압력 증발기, 저압 증발기 및/또는 예열기일 수 있다.
제1 증기 발생기 관(13)은 완전 부하에서 사전 설정된 100kg/m2s의 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 설계된다. 증기 발생기 관의 내부 직경은 15mm와 35mm 사이이다. 따라서 제1 증기 발생기 관(13)에서의 유동 정체는 방지된다. 증기 기포가 형성된 수주(water column)와 이로 인해 야기되는 진동 형태의 맥동 유동은 방지된다. 이로써 폐열 증기 발생기(2)의 기계적 하중이 감소하며, 구조가 더 간단해지는 동시에 특히 더 안전한 작동이 보장된다.

Claims (8)

  1. 실질적으로 수직으로 배치되고 아래에서 위로 관류되는 복수의 제1 증기 발생기 관들(13)을 포함하는 제1 증발기 가열면(8)과, 실질적으로 수직으로 배치되고 아래에서 위로 관류되는 추가의 복수의 제2 증기 발생기 관들(14)을 포함하며 유동 매체 측으로 상기 제1 증발기 가열면(8)의 하류에 연결된 추가의 제2 증발기 가열면(10)을 구비한, 수평 구조의 폐열 증기 발생기(2)용 연속 흐름식 증발기(1)이며, 제1 증기 발생기 관(13)은, 완전 부하 모드 시 제1 증기 발생기 관(13)에서 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 설계되는 연속 흐름식 증발기(1).
  2. 제1항에 있어서, 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도는 100kg/m2s인 연속 흐름식 증발기(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 완전 부하 모드 시 제1 증기 발생기 관(13)에서 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제1 증기 발생기 관(13)의 내부 직경이 선택되는 연속 흐름식 증발기(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 증기 발생기 관(13)의 내부 직경은 15mm와 35mm 사이인 연속 흐름식 증발기(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 제1 증기 발생기 관들(13)은 관 열(11)로서 가열 가스 측으로 서로 연달아 연결되는 연속 흐름식 증발기(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 증발기 가열면(8)은 가열 가스 측으로 제2 증발기 가열면(10)의 하류에 연결되는 연속 흐름식 증발기(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 연속 흐름식 증발기(1)를 구비한 폐열 증기 발생기(2).
  8. 제7항에 있어서, 가열 가스 측으로 상류에 가스 터빈이 연결된 폐열 증기 발생기(2).
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