KR20130083831A - 증기 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기밀하게 용접된 증기 발생기 파이프로 적어도 부분적으로 형성된 주벽(2)을 갖는 연소실을 포함하는 증기 발생기(1)에 관한 것으로서, 적어도 부분적으로 추가의 증기 발생기 파이프로 형성되는 2개 이상의 내벽(4, 8)이 상기 연소실 내에 배치되고, 상기 내벽들은 중간 컬렉터(6)에 의해 유동 매체 측에 서로 연이어 연결되어 있으며, 이와 같은 증기 발생기는 특히 내구연한이 길고 고장 가능성이 특히 낮아야 한다. 이를 위해 중간 컬렉터(6)의 상류에 연결된 내벽(4)의 인렛(12)에서 상기 유동 매체는 주벽(2)의 인렛(10)의 유동 매체의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는다.

Description

증기 발생기{STEAM GENERATOR}

본 발명은 기밀하게 용접된 증기 발생기 파이프로 적어도 부분적으로 형성된 주벽을 갖는 연소실을 포함하는 증기 발생기에 관한 것으로서, 적어도 부분적으로 추가의 증기 발생기 파이프로 형성되는 2개 이상 내벽이 상기 연소실 내에 배치되고, 이와 같은 내벽들은 중간 컬렉터에 의해 유동 매체 측에 서로 연이어 연결되어 있다. 또한, 본 발명은 상기 증기 발생기의 작동 방법에 관한 것이다.

증기 발생기는 가열 및 작동 목적을 위해 (예를 들어 증기 터빈의 작동을 위해) 고온 및 고압의 증기를 발생하려는 목적에 이용되는 밀폐형 가열 용기이거나 또는 압력 파이프 시스템이다. 예를 들어 발전소에서 에너지를 발생하는 경우와 같이 증기 동력 및 증기 압력이 특히 높은 경우에, 유동 매체가 - 일반적으로 물이 - 증기 발생기 파이프들 안에 위치하는 수관 보일러가 이용된다. 고체 연소의 경우에도 수관 보일러가 이용되는데, 각각의 원료의 연소를 통해 열 발생이 이루어지는 연소실이 파이프벽의 배치를 통해 임의로 설계될 수 있기 때문이다.

그러므로 수관 보일러로서 형성된 상기 유형의 증기 발생기는 연소실을 포함하며, 이와 같은 연소실의 주벽은 적어도 부분적으로 파이프벽으로, 즉 기밀하게 용접된 증기 발생기 파이프로 형성된다. 유동 매체 측에서 상기 증기 발생기 파이프들은 먼저 증발기를 형성하며, 증발되지 않은 매체가 상기 증발기 안으로 유입되어 증발된다. 이와 같은 경우에 상기 증발기는 일반적으로 상기 연소실의 최고온의 영역에 배치된다. 유동 매체 측에서 경우에 따라서는 물과 증기의 분리를 위한 장치 및 과열기가 상기 증발기 하류에 연결되며, 여기서 증기는 증발 온도 이상으로 가열되어, 후속하는 화력 기계(thermal power machine), 예를 들어 증기 터빈에서 높은 효율을 얻는다. 유동 매체 측에서 상기 증발기의 상류에는 예열 장치(소위 절탄기)가 연결될 수 있는데, 이는 폐열이나 잔열을 이용하여 공급수를 예열하므로 전체 시스템의 효율도 향상시킨다.

증기 발생기의 유형 및 기하 구조에 따라, 연소실 내에 추가의 증기 발생기 파이프가 배치될 수 있다. 추가의 증기 발생기 파이프는 예를 들어 하나의 내벽으로 통합되거나 용접될 수 있다. 이와 같은 경우에 상기 연소실 내에서 증기 발생기 파이프들 또는 내벽들의 희망하는 배치에 따라, 내벽들을 유동 매체 측에서 서로 연이어 연결하고 내벽의 증기 발생기 파이프들을 중간 컬렉터에 의해 연결하는 것이 필요할 수 있다. 상기 중간 컬렉터 내에서는 상류에 연결된 내벽으로부터 매체 흐름이 합쳐지고 상기 중간 컬렉터는 하류에 연결된 내벽을 위한 인렛 컬렉터로서 이용된다.

그러나 특정 작동 상태들에서 중간 컬렉터 안에서 이미 0보다 큰 증기 함량이 발생할 수 있다. 그와 같은 증기 함량의 경우, 간단한 컬렉터를 이용해서는 하류에 연결된 내벽에 매체를 균일하게 분배할 수 없으므로, 물/증기 혼합물의 분리가 발생할 수 있다. 그러므로 하류에 연결된 내벽의 개별 파이프들은 상기 파이프들의 과열될 수 있는 개연성이 매우 높을 정도로 이미 이들의 인렛에서 높은 증기 함량 또는 엔탈피를 가질 수 있다. 그와 같은 과열은 더 긴 작동 시간의 경우 파이프의 손상을 초래할 수 있다.

그러므로 본 발명의 과제는 증기 발생기의 내구연한이 특히 길고 고장 가능성이 특히 낮은 것을 가능하게 하는 위에서 언급한 유형의 증기 발생기 및 증기 발생기의 작동 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명에 따라, 중간 컬렉터 상류에 연결된 내벽의 인렛에서 유동 매체의 온도가 주벽의 인렛에서의 유동 매체의 온도보다 더 낮음으로써 해결된다.

이런 경우에 본 발명은 과도하게 높은 증기 함량 또는 엔탈피에 의한 증기 발생기 파이프의 과열이 억제됨으로써 증기 발생기의 특히 긴 내구연한 및 특히 낮은 고장 가능성을 얻을 수도 있다는 생각에 근거한다. 특히 이런 경우 컬렉터가 중간에 연결되면 이미 부분적으로 증발된 유동 매체가 하류에 연결된 증기 발생기 파이프에 불균일하게 분배됨으로써, 높은 증기 함량이 발생한다. 그러므로 이와 같은 불균일한 분배는 중간 컬렉터에서 물과 증기로 이루어진 이상 혼합물(two-phase mixture)의 억제를 통해 방지되어야 한다. 이를 달성하려면, 중간 컬렉터 상류에 연결된 내벽들이 파이프들로 구성되지 않아서, 상기 매체가 과냉각되고 추가적 예열 없이 중간 컬렉터 안으로 유입되어야 한다. 그러나 이와 같은 해법은 구조적 단점들을 수반한다. 그러므로 상기 유동 매체의 온도는 오히려 증기 발생기 내의 인렛에서 감소되어야 한다.

그러나 상기 유동 매체의 인렛 온도의 감소는 증기 공정의 낮은 효율을 초래한다. 이는 희망하는 바가 아니며, 게다가 그와 같은 유형의 감소는 덜 가열된 증기 발생기 파이프에서 또는 중간 컬렉터 없는 파이프벽에서 - 특히 증기 발생기의 주벽에서 - 불필요하다. 그러므로 이와 같은 증기 발생기 파이프에서 효율 개선을 위해서는 인렛 온도의 감소가 이루어져서는 안된다. 이는, 유동 매체가 주벽의 인렛의 유동 매체보다 더 낮은 온도를 중간 컬렉터 상류에 연결된 내벽의 인렛에서 가짐으로써 당성될 수 있다.

증기 발생기의 연소실은 바람직하게 유동층 연소 장치를 갖는다. 이런 경우에 상기 연소는 미분 고체 연료와 고온의 연소 공기로 이루어진 유동층에서 이루어진다. 상기 연료는 노즐 베드 위에 부유되어 유체화된다. 미분 연료 입자는 큰 표면을 가지므로, 양호한 연소가 이루어질 수 있다. 강한 난류는 매우 양호한 펄스 및 열 교환을 초래하므로, 온도가 유동층에서 균일해진다. 상기 유동층 연소의 경우에 질소 산화물의 매우 적은 배출이 준수될 수 있다.

유동층 연소를 갖는 증기 발생기가 비교적 크게 설계되면, 유동 인렛 측 하부 연소 영역이 둘로 분할되어야 한다. 소위 "팬트-레그(pant-leg)" 디자인을 통해 연료 혼합물의 양호한 혼합과 이에 따른 분배에 관한 가능한 문제가 감소된다.

그러므로 다른 유리한 실시예에서, 상기 연소실 내에 대칭으로 배치된, 적어도 부분적으로 추가의 증기 발생기 파이프로 형성되는 2개의 내벽이 유동 매체 측에서 상기 중간 컬렉터 상류에 연결된다. 상기 팬트 레그 디자인에서 증기 발생기의 경우에 상부 연소 영역으로의 전이부에서는 중간 컬렉터가 필요하므로, 특히 여기에서 불균일한 추가적 분배의 전술한 문제가 강하게 발생한다. 그러므로 상기 중간 컬렉터 상류에 연결된 내벽의 인렛들에서 더 낮은 온도가 특히 바람직하다.

특히 팬트 레그 디자인을 갖는 유동층 보일러는 현재까지는 종종 드럼 보일러로서 구현되었으며, 즉 가열된 매체가 물/증기 드럼 내 증발기의 아웃렛에서 물 성분과 증기 성분으로 분리된다. 그와 같은 유형의 증기 발생기에서 도입부에 전술한 종류의 문제는 더 높은 매체 흐름으로 인해 배경으로 발생한다. 그러나 위에서 전술한 실시예는 강제 관류 보일러로서 구현될 수 있게 하고, 이는 곧 복수의 장점들을 가져오는데, 즉 강제 관류 증기 발생기는 공정 기술상 변경이 없어도 임계압 이하 뿐만 아니라 초과 임계압에 대해서도 이용될 수 있다. 단지 파이프 및 컬렉터의 벽두께는 제공된 압력에 상응하기만 하면 된다. 이로써, 관류 원리는 증기 상태를 상승시켜 효율을 높이기 위해 국제적으로 인식되는 경향에 조응한다. 또한, 전체 장치의 작동이 압력이 가변적인 경우에도 가능하다. 변압 작동 동안 터빈의 고압 부분의 온도는 전체 부하 범위에서 일정하다. 부품들의 직경 및 벽두께의 측면에서 치수가 크기 때문에 터빈은 보일러 부품보다 훨씬 더 강하게 부하를 받는다. 그러므로 변압 작동 동안 부하 변경 속도, 부하 변경 횟수 및 스타트 측면에서 장점들이 나타난다. 그러므로 증기 발생기는 강제 관류 보일러로서 설계되는 것이 바람직하다.

효율을 개선하기 위해 또는 가열면 장치의 최적화를 위해, 증기 발생기의 내벽과 주벽의 인렛들 상류에 예열 장치, 소위 절탄기가 연결되어 있다. 상기 예열 장치는 유동 매체의 예열을 위해 폐열을 사용한다. 폐열의 사용을 통해 발생된 더 낮은 배기가스 온도에 의해 증기 발생기의 더 높은 총효율이 달성된다. 그러므로 증기 발생기의 특히 간단한 구조가 가능한데, 증기 발생기의 주벽과 내벽에서 상이한 온도가 예열 장치에서 구조적 조치를 통해, 즉 상이한 예열 정도를 갖는 매체의 제공을 통해 달성된다. 이를 위해, 중간 컬렉터 상류에 연결된 내벽의 인렛용으로 정해진 유동 매체가 주벽의 인렛용으로 정해진 유동 매체보다 더 낮은 열유입을 받도록, 상기 예열 장치가 설계되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 예열 장치는 적절하게 연결된 복수의 절탄기를 포함할 수 있다.

유리한 실시예에서, 절탄기의 유동 매체 측 인렛 앞에서 브릿징 라인이 분기하며, 이러한 브릿징 라인은 중간 컬렉터 상류에 연결된 내벽의 인렛들 내로 또는 중간 컬렉터 상류에 연결된 내벽들 내로 합류한다. 이로써 예열 장치의 절탄기의 우회가 구조적으로 간단하게 달성되고 그 결과 유동 매체의 브릿징 부분 안으로 열유입이 더 적은 것이 달성된다. 그러면 유동 매체의 브릿징 부분은 브릿징되지 않은 부분의 일부와 원하는 양만큼 혼합되고 내벽들에 제공된 유동 매체의 온도의 특히 간단한 감소가 달성된다.

이런 경우 브릿징 라인은 흐름 조절 밸브를 포함하는 것이 바람직하다. 분기된 유동 매체의 양은 이러한 방식으로 작동중에도 특히 간단하게 조정될 수 있으며 간단한 온도 제어가 가능하게 된다.

다른 유리한 실시예에서, 유동 매체 측에서 내벽 또는 내벽들의 인렛 상류에는 제1 절탄기가 연결되어 있고 유동 매체 측에서 주벽의 인렛 상류에는 제2 절탄기가 연결되어 있으며, 제1 절탄기는 제2 절탄기보다 더 적은 열유입을 갖는다. 병렬로 연결된 2개의 절탄기를 갖는 상기 구조에 의해, 내벽 또는 주벽을 위한 유동 매체의 온도를 양 절탄기의 적절한 설계를 통해 별도로 제어하는 것이 가능하게 된다.

다른 유리한 실시예에서, 유동 매체 측에서 내벽 또는 내벽들의 인렛 및 주벽의 인렛 상류에는 제1 절탄기가 연결되어 있고 유동 매체 측에서 주벽의 인렛 상류에는 제2 절탄기가 제1 절탄기에 직렬로 연결되어 있다. 상이한 온도의 발생을 위해 유동 매체의 분할이 이루어지기 전에, 이와 같은 방식으로 전체 유동 매체는 먼저 제1 절탄기를 관류한다. 이런 경우 상기 유동 매체의 일부가 내벽들의 인렛들에 제공되는 동안, 다른 일부는 다른 절탄기에 제공된 다음 주벽에 제공된다.

상기 방법과 관련하여 상기 과제는, 기밀하게 용접된 증기 발생기 파이프로 적어도 부분적으로 형성된 주벽을 갖는 연소실을 구비한 증기 발생기의 작동 방법으로서, 적어도 부분적으로 추가의 증기 발생기 파이프로 형성된 2개 이상의 내벽이 상기 연소실 내에 배치되고, 상기 내벽들은 중간 컬렉터에 의해 유동 매체 측에 서로 연이어 연결되어 있으며, 상기 유동 매체는 주벽의 인렛에 공급되는 유동 매체의 온도보다 더 낮은 온도로 중간 컬렉터 상류에 연결된 내벽의 인렛에 공급되는, 증기 발생기의 작동 방법을 통해 해결된다.

본 발명을 이용해 달성되는 장점들은, 특히 여러 증발기 부재(주벽들 및 내벽들)의 공급을 위해 정도가 상이한 과냉각을 갖는 2개 매체의 이용을 통해 물/증기 혼합물 분리의 문제가 중간 컬렉터 내에서 확실하게 억제된다는 것이다. 모든 증발기 부재를 위한 인렛 엔탈피 감소의 해법과는 대조적으로, 증발기에서 충분히 높은 아웃렛 엔탈피를 보장하기 위해 증발기는 커질 필요가 없거나 단지 약간만 커지면 된다. 이런 경우 예열 장치의 특수한 설계를 통해 구조적으로 정도가 상이한 과냉각을 갖는 급수를 특히 간단하게 이용할 수 있게 된다. 전체적으로 증기 발생기의 특히 높은 내구연한이 높은 효율에서도 달성된다.

본 발명의 실시예가 도면을 참고하여 상술된다.

도 1은 부분적으로 브릿징된 예열 장치를 갖는 유동층 연소 강제 관류 보일러의 연소실의 하부에 관한 개략도이다.
도 2는 병렬의 절탄기를 갖는 도 1의 관류형 증기 발생기를 도시한 도면이다.
도 3은 직렬의 절탄기를 갖는 도 1의 관류형 증기 발생기를 도시한 도면이다.

동일한 부품들은 모든 도면에서 동일한 도면 부호를 갖는다.

도 1에 따른 개략도에서 증기 발생기(1)는 강제 관류형 증기 발생기로서 실시되어 있다. 이와 같은 강제 관류형 증기 발생기는, 증기 발생기 파이프로 형성되고 아래에서 위로 관류가 이루어지는 복수의 파이프벽들, 즉 주벽(2) 및 대칭적으로 배치되고 경사진 내벽(4)을 포함하며, 유동 매체 측에서 이와 같은 내벽의 하류에 추가의 내벽(8)이 중간 컬렉터(6)에 의해 연결되어 있다. 그러므로 상기 관류 증기 발생기(1)는 소위 "팬트 레그" 디자인으로 실시되어 있다.

주벽(2) 또는 내벽(4)에 각각 할당된 인렛(10, 12)을 통해 유동 매체가 파이프벽 안으로 유입된다. 내실(14)에서 일종의 유동층 연소시 고체 연료가 연소되므로 파이프벽 안으로 열유입이 이루어지고, 이와 같은 열유입은 유동 매체의 가열 및 증발을 야기한다. 상기 매체가 동일한 엔탈피로 모든 파이프벽 안으로 유입되면, 중간 컬렉터(6)에서 높은 증기 함량이 발생할 수 있어서, 상기 내벽(8)의 파이프에 불균일한 분배가 이루어지고 증기 함량이 높은 파이프를 과열시킬 수 있다.

이런 점에서 나오는 단점들, 예를 들어 더 짧은 내구연한 또는 더 높은 고장 가능성을 피하기 위해, 상기 중간 컬렉터(6) 상류에 연결된 내벽(4)에 공급되는 유동 매체는 주벽(2)에 공급되는 유동 매체의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는다. 이런 경우에 증기 발생기(1) 내에는 다양한 다른 매체 흐름에 상이한 열유입을 보장하는 예열 장치(16)가 제공된다.

이런 목적을 위해 도 1에 따른 예열 장치(16)는 절탄기(18)를 포함하며, 유동 매체 측에서 이와 같은 절탄기의 상류에 분기점(20)이 연결되어 있다. 그러므로 상기 유동 매체의 일부는 절탄기(18) 둘레에 있는 브릿징 라인(22)에서 방향 전환된다. 유동 매체 측 방향에서 먼저 다른 분기점(24)이 절탄기(18) 하류에 연결되어 있으며, 이 분기점으로부터 한 라인은 주벽(2)의 인렛(10)으로 유도된다. 그러므로 예열된 유동 매체의 일부는 주벽(2)에 제공된다. 예열된 유동 매체의 다른 일부는 혼합점(26)에서 브릿징 라인(22)과 만나는 라인에서 운반된다. 이 경우 매체 흐름들의 혼합을 통해 약간 더 낮은 온도의 매체가 얻어지고, 이어서 이런 매체는 내벽(4)의 인렛(12)에 제공된다. 이런 경우 브릿징 라인(22)에서 흐름 조절 밸브(28)를 통해, 브릿징된 유동 매체의 양이 조절되어 내벽(4)에 제공되는 유동 매체의 온도가 용이하게 조절될 수 있다.

본 발명의 대안적 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 증기 발생기(1)는 이 경우 예열 장치(16)까지 도 1과 동일하다. 상기 예열 장치(16)는 유동 매체 측 인렛에서 분기점(30)을 포함하며, 이러한 분기점으로부터 2개의 라인이 2개의 절탄기(18, 32) 내로 유도한다. 이런 경우에 절탄기(18)의 아웃렛은 주벽(2)의 인렛(10)과 연결되지만, 절탄기(32)는 내벽(4)의 인렛(12)과 연결되어 있다. 절탄기(32)는 절탄기(18)보다 유동 매체 안으로 더 적은 열유입을 갖도록 구성되어 있다. 그러므로 내벽(4)의 인렛(12)에서는 주벽(2)의 인렛(10)보다 더 낮은 온도가 달성된다. 절탄기(18, 32)의 적절한 디자인을 통해 온도가 희망하는 경계 조건에 적응될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 여기에서도 증기 발생기(1)는 예열 장치(16)까지 도 1과 동일하다. 우선 예열 장치(16)는 유동 매체 측 인렛 뒤에서 전체 유동 매체의 가열이 이루어지는 절탄기(18)를 포함한다. 이어서 브릿징 라인(22)이 분기되며, 이 라인은 내벽(4)의 인렛(12)으로 합류한다. 상기 유동 매체의 다른 일부는 하류에 연결된 다른 절탄기(32) 내로 제공된다. 상기 유동 매체는 여기에서 추가로 가열된 다음 주벽(2)을 통해 운반된다. 상기 매체는 절탄기(32) 내에서 추가로 가열됨으로써 내벽(4) 내에 제공된 매체보다 더 높은 온도를 갖는다.

Claims (10)

1. 기밀하게 용접된 증기 발생기 파이프로 적어도 부분적으로 형성된 주벽(2)을 갖는 연소실을 포함하는 증기 발생기(1)로서, 적어도 부분적으로 추가의 증기 발생기 파이프로 형성되는 2개 이상의 내벽(4, 8)이 상기 연소실 내에 배치되고, 상기 내벽들은 중간 컬렉터(6)에 의해 유동 매체 측에 서로 연이어 연결되어 있으며, 상기 유동 매체는 주벽(2)의 인렛(10)의 유동 매체의 온도보다 중간 컬렉터(6)의 상류에 연결된 내벽(4)의 인렛(12)에서 더 낮은 온도를 갖는 증기 발생기(1).
2. 제1항에 있어서, 상기 연소실이 유동층 연소 장치를 갖는 증기 발생기(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연소실 내에 대칭적으로 배치되고 적어도 부분적으로 추가의 증기 발생기 파이프로 형성된 2개의 내벽(4)이 유동 매체 측에서 중간 컬렉터(6) 상류에 연결되어 있는 증기 발생기(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 강제 관류 보일러로서 설계된 증기 발생기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 매체 측에서 내벽(4) 또는 내벽들(4)의 인렛(12), 및 주벽(2)의 인렛(10)의 상류에는 예열 장치(16)가 연결되어 있으며, 상기 예열 장치는 중간 컬렉터(6)의 상류에 연결된 내벽(4)의 인렛(12)용으로 정해진 유동 매체가 주벽(2)의 인렛(10)용으로 정해진 유동 매체보다 더 적은 열유입을 받도록 설계되는 증기 발생기(1).
6. 제5항에 있어서, 절탄기(18)의 유동 매체 측 인렛 상류에서 브릿징 라인(22)이 분기되며, 중간 컬렉터(6)의 상류에 연결된 내벽(4)의 인렛(12) 내로 또는 중간 컬렉터(6)의 상류에 연결된 내벽(4) 내로 합류하는 증기 발생기(1).
7. 제6항에 있어서, 상기 브릿징 라인(22)은 흐름 조절 밸브(28)를 포함하는 증기 발생기(1).
8. 제5항에 있어서, 유동 매체 측에서 내벽(4) 또는 내벽들(4)의 인렛(12)의 상류에는 제1 절탄기(32)가 연결되어 있고, 유동 매체 측에서 주벽(2)의 인렛(10)의 상류에는 제2 절탄기(18)가 연결되어 있으며, 제1 절탄기(32)는 제2 절탄기(18)보다 더 적은 열유입을 갖는 증기 발생기(1).
9. 제5항에 있어서, 유동 매체 측에서 내벽(4) 또는 내벽들(4)의 인렛(12) 및 주벽(2)의 인렛(10) 상류에는 제1 절탄기(18)가 연결되어 있고, 유동 매체 측에서 주벽(2)의 인렛(10) 상류에는 제2 절탄기(32)가 제1 절탄기(18)에 직렬로 연결되어 있는 증기 발생기.
10. 기밀하게 용접된 증기 발생기 파이프로 적어도 부분적으로 형성된 주벽(2)을 갖는 연소실을 포함하는 증기 발생기(1)의 작동 방법으로서, 적어도 부분적으로 추가의 증기 발생기 파이프로 형성되는 2개 이상 내벽(4, 8)이 상기 연소실 내에 배치되고, 상기 내벽들은 중간 컬렉터(6)에 의해 유동 매체 측에 서로 연이어 연결되어 있으며, 유동 매체는 주벽(2)의 인렛(10)에 공급되는 유동 매체의 온도보다 더 낮은 온도로 중간 컬렉터(6)의 상류에 있는 내벽(4)의 인렛(12)에 공급되는 증기 발생기(1)의 작동 방법.

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