KR20110128850A - 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 수명이 특히 길고 구조가 특히 간단해야 한다. 이를 위해 제2 증기 발생기 관(14)은, 완전 부하 모드 시 제2 증기 발생기 관(14)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. 이때 특히 각각의 개별 관 열(row) 내에서 유동 매체 측으로 하류에 배치된 제2 증발기 가열면의 증기 발생기 관에서는 유동 매체가 증기 발생기 관에 불균일하게 분배될 수 있으므로, 온도 불균형이 야기되며 상이한 열 팽창으로 인해 기계적 응력이 초래된다. 따라서 폐열 증기 발생기의 손상을 방지하기 위해, 이러한 응력 보상용으로 예컨대 신축 굽힘부(expansion bend)가 장착된다. 그러나 이러한 조치는 수평 구조의 폐열 증기 발생기의 경우 기술적으로 비교적 복잡할 수 있다.
따라서 본 발명의 과제는 수명이 특히 길고 구조가 특히 간단한, 서두에 언급한 유형의 폐열 증기 발생기용의 연속 흐름식 증발기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 이러한 과제는 완전 부하 모드에서 제2 증기 발생기 관을 통해 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제2 증기 발생기 관이 설계됨으로써 해결된다.
본 발명은 종래의 일반적인 신축 굽힘부가 생략됨으로써 폐열 증기 발생기 또는 연속 흐름식 증발기의 특히 간단한 구조가 구현될 수 있다는 개념에서 시작한다. 그러나, 각각의 개별 관 열에서 평행하게 연결된 증기 발생기 관들에서의 온도 불균형으로 인해 초래된 기계적 응력은 다른 방식으로 감소해야 한다. 기계적 응력은 특히 물-증기 혼합물이 공급되는 제2 증발기 가열면에서 발생한다. 이 경우, 하나의 관 열의 개별 관의 유동 측 유입부에서 물과 증기의 비율이 상이하고 이로 인해 상기 관들에서의 관류가 상이해짐에 따라 온도 불균형이 야기된다. 제2 증발기 가열면의 증기 발생기 관의 매개 변수가 직접 변경됨으로써, 폐열 증기 발생기에서 유동의 정적 안정화와 특히 간단한 구조가 동시에 구현될 수 있다. 이 경우, 완전 부하 모드에서 형성되고 제2 증기 발생기 관을 통해 흐르는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제2 증기 발생기 관이 설계됨으로써 온도 불균형이 감소할 수 있다.
바람직하게, 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도는 180kg/m2s이다. 이와 같이 선택된 질량 흐름 밀도에 도달하도록 증기 발생기 관이 설계됨으로써, 즉 제2 증발기 가열면 중 각각의 개별 관 열에서의 유동이 특히 양호하게 정적으로 안정화되므로, 제2 증발기 가열면에서 평행하게 연결된 각각의 개별 관 열의 증기 발생기 관에서의 온도 균형이 특히 양호하게 구현될 수 있다.
측지적(geodetic) 압력 손실에 비해 증기 발생기 관에서의 마찰 압력 손실이 적음으로써 관들에서 이러한 상이한 질량 흐름 밀도가 야기된다는 것은 알려져 있었다. 즉, 증기 비율이 높은 유동 매체의 유동은 마찰 압력 손실이 적을 경우 비교적 신속하게 개별 증기 발생기 관을 통해 흐르는 반면, 물 비율이 높은 유동은 질량에 의해 야기된 더 높은 측지적 압력 손실로 인해 바람직하지 못하며 정체(stagnation)되기 쉽다. 따라서 균일한 관류를 위해서는 마찰 압력 손실이 높아져야 한다. 이는 완전 부하 모드에서 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제2 증기 발생기 관의 내부 직경이 바람직하게 선택됨으로써 실현될 수 있다.
그러나, 최소 질량 흐름을 보장하기 위한 내부 직경의 감소는 임의로 크게 실행되어서는 안 된다. 다양한 작동 매개 변수에 기초하는 최소 직경이 바람직할 수 있다. 따라서 예컨대 증기 발생기 관의 표면은 충분한 열 도입을 허용해야 한다. 이와 관련하여, 증기 발생기 관은 종종 외부 핀붙이 방식(external finned type)으로도 구성되는데, 이는 다시 소정의 최소 직경을 필요로 한다. 최소 두께는 강도 및 안정성의 이유로도 필요하다. 특히, 내부 직경이 매우 작을 경우 유동 매체의 수분의 측지적 압력 손실이 매우 적으므로 원하는 효과는 반전되며 물 비율이 높은 유동은 평행한 증기 발생기 관에서 높은 속도에 도달한다. 따라서 바람직하게, 제2 증기 발생기 관의 내부 직경은 사전 설정된 작동 매개 변수에 기초하여 산출된 최소 직경에 미달하지 않는다.
바람직하게, 제2 증기 발생기 관의 내부 직경은 20mm와 40mm 사이이다. 즉, 이러한 범위에서 내부 직경을 선택하게 되면, 물 비율이 높은 관류와 증기 비율이 높은 관류로부터 비교적 온도 차이가 적은 배출 온도가 유도되는 범위에 증기 발생기 관에서의 마찰 압력 손실이 놓이도록 제2 증기 발생기 관에서의 질량 흐름 밀도가 결정된다. 이로써 제2 증발기 가열면 중 각각의 관 열 내에서 온도 차이가 최소화되는 동시에, 그 외의 작동 요건들이 충족된다.
바람직한 실시예에서, 복수의 제2 증기 발생기 관들은 관 열로서 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 유입 측 증기 발생기 관들에서 유동 매체가 비교적 심하게 가열된다. 그러나, 완전 부하를 위한 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 증기 발생기 관이 설명한 바와 같이 설계됨으로써, 상기의 증기 발생기 관에서도 가열에 맞게 매칭된 관류가 조정되어 구현될 수 있다. 따라서 간단한 구조에서 폐열 증기 발생기의 수명이 특히 길어질 수 있다.
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.
특히, 본 발명에 의해 실현되는 장점은 완전 부하 모드에서 형성되고 제2 증기 발생기 관을 통해 흐르는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제2 증기 발생기 관이 설계됨으로써 유동이 정적으로 안정화되고 이로써 평행하게 연결된 증기 발생기 관들 사이의 온도 차이뿐만 아니라 이로 인해 초래되는 기계적 응력이 감소한다는 데 있다. 따라서 폐열 증기 발생기의 수명이 특히 길어진다. 증기 발생기 관이 상응하게 설계됨으로써, 신축 굽힘부와 같은 추가의 복잡한 기술적 조치가 생략될 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. 이때, 상기의 두 증발기 가열면(8, 10)의 경우에서도 비교적 더 복잡한 수집기 시스템이 제공될 수 있다. 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.
제2 증기 발생기 관(14)은 완전 부하에서 사전 설정된 180kg/m2s의 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 설계된다. 증기 발생기 관의 내부 직경은 20mm와 40mm 사이이므로, 한편으로 필요한 작동 매개 변수(예컨대 강도, 열 도입 등)가 충족되며, 다른 한편으로는 제2 증발기 가열면(10)의 관 열 내부의 온도 불균형이 최소화된다. 이로써 폐열 증기 발생기(2)의 기계적 응력 하중이 감소하며, 종래의 일반적인 신축 굽힘부가 생략됨으로써 구조가 더 간단해지는 동시에 수명이 특히 길어질 수 있다.

Claims (9)

  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, 제2 증기 발생기 관(14)은, 완전 부하 모드 시 제2 증기 발생기 관(14)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 180kg/m2s인 연속 흐름식 증발기(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 완전 부하 모드 시 제2 증기 발생기 관(14)에서 형성되는 평균 질량 흐름 밀도가 사전 설정된 최소 질량 흐름 밀도에 미달하지 않도록 제2 증기 발생기 관(14)의 내부 직경이 선택되는 연속 흐름식 증발기(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 증기 발생기 관(14)의 내부 직경은 사전 설정된 작동 매개 변수에 기초하여 산출된 최소 직경에 미달하지 않는 연속 흐름식 증발기(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 증기 발생기 관(14)의 내부 직경은 20mm와 40mm 사이인 연속 흐름식 증발기(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 제2 증기 발생기 관들(14)은 관 열(11)로서 가열 가스 측으로 서로 연달아 연결되는 연속 흐름식 증발기(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 증발기 가열면(8)은 가열 가스 측으로 제2 증발기 가열면(10)의 하류에 연결되는 연속 흐름식 증발기(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 연속 흐름식 증발기(1)를 구비한 폐열 증기 발생기(2).
  9. 제8항에 있어서, 가열 가스 측으로 상류에 가스 터빈이 연결된 폐열 증기 발생기(2).
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