KR20130098993A - 강제 관류 증기 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직 방향으로 관류 가능한 기밀하게 용접된 증기 발생기 관(2)으로 형성된 둘레 벽(4)을 가지는 강제 관류 증기 발생기(1)에 관한 것으로서, 둘레 벽(4) 내에 관통 수집기(14)가 배치되며, 상기 관통 수집기는 유동 매체 측면에서 유출구에 있는 병렬 연결된 제1 복수의 증기 발생기 관(2)을 유입구에 있는 병렬 연결된 제2 복수의 증기 발생기 관(2)과 연결하며, 이때 제2 복수의 증기 발생기 관은 제1 복수의 증기 발생기 관의 하류에 직렬 연결되며, 상기 강제 관류 증기 발생기는 작동 상태와 상관없이 특히 긴 내구 연한 및 특히 적은 수리 발생률을 가져야 한다. 이를 위해 관통 수집기(14)의 하류에 연결된 증기 발생기 관(2)의 설계 변수들은, 병렬 연결된 둘레 벽(4)의 증기 발생기 관(2) 내 평균적인 질량 유량 밀도가 증기 발생기(1)의 전부하에서 1200kg/m2s 미만이 되지 않도록 선택된다.

Description

강제 관류 증기 발생기{FORCED-FLOW STEAM GENERATOR}

본 발명은 수직 방향으로 관류 가능한 기밀하게 용접된 증기 발생기 관으로 형성된 둘레 벽을 가지는 강제 관류 증기 발생기에 관한 것으로서, 둘레 벽 내에 관통 수집기가 배치되며, 상기 관통 수집기는 유동 매체 측면에서 유출구에 있는 병렬 연결된 제1 복수의 증기 발생기 관을 유입구에 있는 병렬 연결된 제2 복수의 증기 발생기 관을 연결하며, 이때 제2 복수의 증기 발생기 관은 제1 복수의 증기 발생기 관의 하류에 직렬 연결된다. 또한, 본 발명은 상기 증기 발생기를 구비한 발전설비에 관한 것이다.

증기 발생기는 유동 매체로부터 증기를 생성하는 설비이다. 그와 같은 설비에서는 유동 매체, 전형적으로는 물이 가열되어 증기로 변한다. 그 후 증기는 기기의 구동을 위해 또는 전기 에너지의 생성을 위해 이용된다. 일반적으로 증기 발생기는 증기의 생성을 위한 증발기뿐 아니라, 소비 기기(consumer)에 필요한 온도로 증기를 가열하는 과열기를 포함한다. 흔히 폐열을 사용하는 예열기가 증발기의 상류에 연결되어 전체 설비의 효율을 향상시킨다.

증기 발생기는 산업적으로 오늘날 통상 수관 보일러로서 실시되어 있는, 즉 유동 매체가 증기 발생기 관에 공급된다. 이런 경우 증기 발생기 관은 서로 기밀하게 용접되어 하나의 둘레 벽을 형성할 수 있으며, 둘레 벽 안에 열을 공급하는 고온 가스가 공급된다. 증기 발생기는 입식으로 또는 와식으로 실시될 수 있는, 즉 고온 가스가 수직 또는 수평 방향으로 공급된다.

또한, 증기 발생기는 강제 관류 증기 발생기로서 설계될 수 있으며, 이때 유동 매체의 흐름은 공급 펌프에 의해 강제된다. 이런 경우 유동 매체는 공급 펌프에 의해 보일러 안으로 이송되어 차례로 예열기, 증발기 및 과열기를 관류한다. 포화 증기 온도가 될 때까지 급수의 가열, 증발 및 과열이 하나의 사이클에서 연속적으로 이루어지므로, - 적어도 전부하에서 - 물과 증기를 위한 별도의 분리 장치가 필요하지 않다. 관류 증기 발생기는 초임계 압력에서도 작동할 수 있다. 예열기, 증발기 및 과열기의 개개 가열면의 규정은 엄밀히 말해서 상기 작동 방식에서 더 이상 적절하지 않은데, 연속적인 상전이가 이루어지기 때문이다.

수직으로 배관된 관류 증기 발생기의 변형예에서 둘레 벽의 배관은 하부 섹션과 상부 섹션으로 분할되며, 하부 섹션은 병렬 연결된 제1 복수의 증기 발생기 관을 포함하고 상부 섹션은 제1 복수의 증기 발생기 관의 하류에 직렬 연결된, 병렬로 연결된 제2 복수의 증기 발생기 관을 포함한다. 하부 섹션과 상부 섹션은 관통 수집기를 통해 서로 연결되어 있다. 이에 의해 한편으로는 병렬 연결된 증기 발생기 관들 사이에 압력 평형이 이루어지고, 다른 한편으로는 상이한 증기 발생기 관들로부터의 유동 매체가 적어도 부분적으로 혼합된다.

수직 방향으로 관류할 수 있는 증기 발생기 관 및 관통 수집기를 갖는 상기 관류 증기 발생기에서, 둘레 벽의 상부 섹션의 개별 관에서 허용되지 않는 고온이 발생할 수도 있는 것이 확인되었는데, 이는 경우에 따라 관벽의 파손을 야기할 수도 있다. 이런 경우 과도한 고온의 발생은 일정한 작동 변수와 연관되어 있다.

그러므로 본 발명의 과제는 작동 상태에 상관없이 특히 긴 내구 연한 및 특히 적은 수리 발생률을 갖는 전술한 종류의 강제 관류 증기 발생기를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따라 상기 과제는 관통 수집기의 하류에 연결된 증기 발생기 관의 설계 변수들을, 병렬 연결된 둘레 벽의 증기 발생기 관 내 평균적인 유량 밀도가 증기 발생기의 전부하에서 1200kg/m2s 미만이 되지 않도록 선택함으로써 해결된다.

이런 경우 본 발명은 개별 증기 발생기 관의 과열이 유동 매체에 의한 유입 열의 불충분한 방산에 기인한다는 데에서 출발한다. 불충분한 방열은, 해당 증기 발생기 관에 질량 유량이 너무 적으면 발생한다. 자연 순환 특성이 현저한 경우 유입구 증기 함량이 매우 낮고 열 공급이 매우 낮으면 증기 발생기 관들 내에서 정유압 강하는, 증기 발생기 관의 유입구와 유출구 사이 총 압력차와 거의 같거나 또는 똑같다. 따라서 흐름의 추진력으로서 잔여 압력차가 매우 작거나 완전히 사라지므로, 최악의 경우에 흐름이 정체된다.

사실 관통 수집기의 하류에 연결된 관들 사이에서 관통 수집기가 일정한 평형을 일으키면, 상기 효과가 약화될 수 있다. 그러나 관통 수집기가 완전한 압력 평형을 일으키지만, 그의 하류에 연결된 증기 발생기 관에서 물 성분과 증기 성분의 평형을 유도할 수도 있는, 유입되는 유동 매체의 완전한 혼합은 이루어지지 않는 것을 알 수 있었다. 그럼에도, 하부 섹션의 더 약하게 가열된 증기 발생기 관으로부터 낮은 증기 함량과 콜렉터 내에서 추가의 국지적 분리 현상 때문에, 증기 함량이 일정한 작동 상태에서 상부 수직 배관의 개별 관의 유입구에서 약 0(영)이 될 수 있다. 그러므로 이러한 현상은 자연 순환 특성의 충분한 약화를 통해 방지되어야 한다.

이는 관통 수집기의 하류에 연결된 증기 발생기 관의 설계 변수를 적절하게 선택함으로써 추가적인 구조적 조치 없이도 특히 용이하게 이루어질 수 있다. 그러나 이것이 일정한 작동 상태에 대해 목적한 대로 맞춰질 수 있는 것이 아니라 증기 발생기의 전체 부하 범위에서 일정하기 때문에, 간단한 설계를 위해 전부하에서 적절한 기준들을 찾아야 한다. 본 발명에 따라 인식된 바와 같이, 자연 순환 특성을 충분히 약화시키는 것은, 병렬 연결된 둘레 벽의 증기 발생기 관 내 평균적인 질량 유량 밀도가 증기 발생기의 전부하에서 1200kg/m2s 미만이 되지 않도록 설계 변수들이 선택됨으로써 달성될 수 있다.

각각의 유리한 실시예로서, 증기 발생기 관의 수 및 내경이 둘레 벽의 질량 유량 밀도의 설계시 변수들로서 고려된다. 즉 이런 변수들은 둘레 벽 내 흐름 특성에 현저히 영향을 주며 동시에 증기 발생기의 구조에 대한 특별한 비용 없이도 영향을 줄 수 있다.

입식 구조의 증기 발생기의 둘레 벽은 수평 방향의 다양한 횡단면을 가질 수 있다. 횡단면이 사실상 사각형이면, 특히 용이한 구조가 가능하다. 상기 유형의 증기 발생기의 경우에 특히 코너 영역에 배치되는 증기 발생기 관들이 특히 약하게 가열되는데, 이들 관이 고온 가스 채널의 중심으로부터 가장 멀리 떨어져 있으며 동시에 특히 작은 입열 표면을 가지기 때문이다. 그러므로 수직 배관의 하부 섹션에 있는 개별 코너 관의 증기 함량이 대략 0이 될 수 있으므로, 불균일하게 분포된 물 증기 혼합물이 중간 수집기 안으로 유입된다. 중간 수집기에서도 충분한 혼합이 이루어지지 않기 때문에, 하류에 연결된 코너 관에서 질량 유량은 멈출 수 있으며 그 결과 방열은 불충분할 수 있다. 그러므로 상기 유형의 증기 발생기의 경우 관통 수집기의 하류에 연결된 증기 발생기 관의 설계 변수들은, 병렬로 연결된 둘레 벽의 증기 발생기 관 내 평균적인 질량 유량 밀도가 증기 발생기의 전부하에서 1200kg/m2s 미만이 되지 않도록 선택되는 것이 특히 유리하다.

관통 수집기는 연속적으로 순환하게(circumferential) 수평으로 배치될 수 있으며, 즉 관통 수집기는 아래 또는 위에 배치되는 둘레 벽의 전체 증기 발생기 관들을 서로 연결한다. 모든 관들에 결쳐 완전한 압력 평형에도 불구하고 물 성분과 증기 성분의 분리가 나타날 수 있다. 그러므로 유리하게는 상기 유형의 강제 관류 증기 발생기에서도 관통 수집기의 하류에 연결된 증기 발생기 관은, 병렬로 연결된 둘레 벽의 증기 발생기 관 내 평균적인 질량 유량 밀도가 증기 발생기의 전부하에서 1200kg/m2s 미만이 되지 않도록 설계된다.

관통 수집기 아래 배관은 나선형으로 순환하게 구성될 수 있다. 관들은 전체 둘레 벽 주위에서 순환형이다. 사실 이럼 점이 하부 섹션에서 증기 발생기 관의 복잡한 구조와 더 적은 수를 야기하지만, 그 때문에 둘레 벽의 상이한 영역들에서 가열 차이가 광범위하게 상쇄된다. 그러나 상기 구조의 경우에도 관통 수집기에서 국지적 분리가 발생할 수 있고, 국지적 분리가 관통 수집기의 하류에 연결된 관들에서 질량 유량이 너무 작은 전술한 문제를 야기하는 것이 인식되었다. 그러므로 상기 구조에서도 관통 수집기의 하류에 연결된 증기 발생기 관은, 병렬로 연결된 둘레 벽의 증기 발생기 관 내 평균적인 질량 유량 밀도가 증기 발생기의 전부하에서 1200kg/m2s 미만이 되지 않도록 설계된다.

화력 발전 증기 발생기의 경우에 연소실의 증기 발생기 관 내로의 입열은 대류에 의해서만 이루어지는 것이 아니라 대부분의 열 성분이 방열에 의해 증기 발생기 관 안으로 들어온다. 그러므로 특히 상기 유형의 증기 발생기의 경우 개별 증기 발생기 관의 가열 차이가 특히 클 수 있다. 그러므로 유리하게는 화석 연료용 복수의 버너를 갖는 연소실을 구비한 증기 발생기는 전부하에서 둘레 벽의 증기 발생기 관의 질량 유량 밀도의 적절한 설계를 갖는다.

유리한 실시예로서 예를 들어 유동 발생을 위한 증기 터빈이 유동 매체 측면에서 강제 관류 증기 발생기의 하류에 연결되어 있다. 또한, 유리하게는 발전설비는 이러한 유형의 증기 발생기를 갖는다.

특히, 본 발명에 의해 달성되는 장점들은, 관통 수집기의 하류에 연결된 둘레 벽의 증기 발생기 관의 설계 변수들을 적절하게 선택함으로써, 충분한 방열이 모든 관에서 보장되고 그 결과 관벽의 손상을 야기할 수 있는 허용되지 않는 고온이 방지되는 데 있다. 이런 경우 상기 조치는, 무시할 수 없는 자연 순환 특성이 강제 관류 증기 발생기에서도 존재하지만, 상기 자연 순환 특성이 설정된 최소 질량 유량 밀도를 통해 전부하에서 약화된다는 인식에 기초한다. 결국, 이로써 발전설비의 작동에 있어서 제한 요소들이 방지된다.

도면을 참고로 본 발명을 상술한다.

도 1은 수직 방향으로 배관된, 관통 수집기를 포함하는 강제 관류 증기 발생기의 개략도이다.
도 2는 전부하에서 다양한 질량 유량 밀도에서 강제 관류 증기 발생기의, 비교적 약하게 가열된 코너 관의 유출구에서 질량 유량 밀도 및 유체 온도의 그래프에 관한 도이다.

모든 도면에서 동일 부재는 동일한 도면 부호를 갖는다.

도 1에는 본 발명에 따라 수직 배관된 화력 발전 강제 관류 증기 발생기(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 강제 관류 증기 발생기(1)는 기밀하게 용접된 증기 발생기 관(2)으로 형성된 둘레 벽(4)을 포함한다. 이런 경우 둘레 벽(4)은 사실상 사각형의 수평방향 횡단면(6)을 갖는다. 강제 관류 증기 발생기(1)의 하부 영역에 화석 연료를 연소하기 위한 자세히 도시되지 않은 복수의 버너를 갖는 연소실(8)이 배치되어 있으며, 버너들은 증기 발생기 관(4)에 열을 공급한다.

둘레 벽(4)은 상부 섹션(10)과 하부 섹션(12)으로 나뉘고, 이들 섹션(10 및 12)은 관통 수집기(14)에 의해 서로 연결되어 있다. 하부 섹션(12)에서의 배관은 본 실시예의 경우 수직으로 배치되지만, 둘레 벽의 주위에 나선형으로도 배치될 수 있다. 관통 수집기(14)는 하부 섹션(12)의 증기 발생기 관(2)으로부터 나오는 전체 유동 매체를 모으고 병렬로 연결된 증기 발생기 관(2) 사이에 압력 평형을 가능하게 한다. 이어서 유동 매체는 관통 수집기(14)로부터 상부 섹션(10)의 증기 발생기 관(2) 안으로 유입되고, 거기에서 유동 매체가 가열되고 경우에 따라서는 과열된다. 과열된 증기는 도시되지 않은 가열면에서 추가 과열 후 자세히 도시되지 않은 발전설비 내의 증기 터빈에 공급된다.

버너를 통해 생성된 열은 주로 방열에 의해 증기 발생기 관(2)을 통해 흡수된다. 특히 하부 섹션(12)의 코너 관(16)에서는, 강제 관류 증기 발생기(1)의 중심으로부터 최대한 멀리에 있는 위치 때문에 그리고 열을 특히 적게 공급받는 표면의 기하학적 배치 때문에 입열이 적어서, 하부 섹션(12)의 코너 관(16)으로부터 관통 수집기(14) 안으로 유입되는 유동 매체는 비교적 작은 증기 함량을 갖는다.

관통 수집기(14)는 거의 완전한 압력 평형을 일으키지만, 유입되는 유동 매체를 완전히 혼합하지는 않는다. 전술한 하부 섹션(12)의 코너 관(16)의 유출구에서의 낮은 증기 함량과 관통 수집기(14)에서의 추가적인 국지적 분리 현상 때문에, 증기 함량은 상부 섹션(10)의 개별 증기 발생기 관(2)의 유입구에서 매우 적어질 수 있다. 강제 관류 증기 발생기(1)의 작동 상태에 따라서 이런 점은 상부 섹션(10)의 배관이 불리하게 설계되는 경우 개별 증기 발생기 관(2)의 관류가 멈출 때까지 관류의 상당한 저하를 야기할 수 있다. 이는 다시 유체의 불충분한 방열 및 허용되지 않는 고온을 초래할 수 있으므로, 결국 관벽은 허용되지 않는 고온을 받아 파손된다.

그와 같은 손상을 피하기 위해, 관통 수집기(14)의 하류에 연결된 증기 발생기 관(2)은 상부 섹션(10)에서 제곱미터 및 초당 1230킬로그램(kg/m2s)의 평균적인 질량 유량 밀도에 맞춰 설계되어 있다. 그러므로 모든 병렬 관들에 대해 전체 압력 손실이 커진다. 그 결과 정유압 강하가 각각의 증기 발생기 관(2)에서, 특히 코너 관(16)에서 상대적으로 볼 때 감소되는 결과를 가져온다. 그러므로 충분한 압력차가 항상 흐름의 추진력으로서 남아있게 된다. 이런 효과는 도 2를 이용해 설명된다.

도 2에는 전부하에서, 더 구체적으로는 비교적 적은 열공급과 증기 발생기(1)의 부분 부하 동안 상부 섹션(10)에 있는 배관의 평균적인 질량 유량 밀도를 다르게 설계한 경우에 대해 상부 섹션(10)의 코너 관(16)에서 유동 매체의 변수가 그래프로 도시되어 있다. 좌측 변수는 코너 관(16)에서의 질량 유량 밀도(kg/m2s)이고, 우측 변수는 코너 관(16)의 유출구에서의 유체 온도(℃)이며, 각각의 경우에 관 유입구에서 유동 매체의 증기 성분에 대해 작성된 것이다.

곡선(20)은 전부하에서 870kg/m2s의 평균적인 질량 유량 밀도를 위한 배관 설계 시 코너 관(16)에서의 질량 유량 밀도를 나타낸다. 그래프의 좌측 방향으로 곡선(20)의 하강은 코너 관(16)에서 질량 유량 밀도가 더 적은 증기 함량 방향으로 어떻게 감소하는지를 분명하게 보여준다. 0의 증기 함량인 경우 질량 유량 밀도는 40kg/m2s의 값으로 떨어지고, 이는 실제로 관 내 흐름의 정체에 해당한다. 관 내에서 충분한 방열이 더 이상 보장되지 않으므로, 약 0.2의 증기 함량부터 곡선(22)처럼 유동 매체 및 코너 관(16)의 온도가 현저히 상승한다.

그러나 전부하에서 1200kg/m2s를 초과하는, 실시예의 경우 1230kg/m2s의 평균적인 질량 유량 밀도를 위해 상부 섹션(10)의 증기 발생기 관(2)을 설계하면 전술한 것처럼 자연 순환 특성을 감소시키므로 코너 관(16)에서 비교적 과도한 정유압 강하가 방지된다. 곡선(24)은 코너 관(16) 내 질량 유량 밀도가 더 낮은 증기 함량 방향으로 감소하는 것을 보여주고 있다. 그러나 이런 경우에는 0의 증기 함량에서도 질량 유량 밀도의 값이, 전부하에서 870kg/m2s의 평균적인 질량 유량 밀도에 맞춰 설계된 배치에서보다 훨씬 더 높은 값(여기서는 330kg/m2s)에 머물러 있다. 그 결과, 곡선(26)이 보여주는 것처럼, 어떤 증기 함량에서도 코너 관(16)에서 충분한 방열이 보장되는, 즉 온도가 단지 약간 상승하거나 일정하게 유지된다. 그러므로 상부 섹션(10)에서 과도한 온도에 의한 둘레 벽(4)의 손상이 방지되고 전체적으로 강제 관류 증기 발생기(1)의 긴 내구 연한이 달성된다.

Claims (9)

1. 수직 방향으로 관류 가능한 기밀하게 용접된 증기 발생기 관(2)으로 형성된 둘레 벽(4)을 갖는 강제 관류 증기 발생기로서, 둘레 벽(4) 내에 관통 수집기(14)가 배치되며, 상기 관통 수집기는 유동 매체 측면에서 유출구에 있는 병렬 연결된 제1 복수의 증기 발생기 관(2)을 유입구에 있는 병렬 연결된 제2 복수의 증기 발생기 관(2)과 연결하며, 이때 제2 복수의 증기 발생기 관은 제1 복수의 증기 발생기 관의 하류에 직렬 연결되고, 상기 관통 수집기(14)의 하류에 연결된 증기 발생기 관(2)의 설계 변수들은, 병렬 연결된 둘레 벽(4)의 증기 발생기 관(2) 내 평균적인 질량 유량 밀도가 증기 발생기(1)의 전부하에서 1200kg/m2s 미만이 되지 않도록 선택되는, 강제 관류 증기 발생기(1).
2. 제1항에 있어서, 병렬로 연결된 증기 발생기 관(2)의 수가 설계 변수인, 강제 관류 증기 발생기(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 증기 발생기 관(2)의 내경이 설계 변수인, 강제 관류 증기 발생기(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 둘레 벽(4)은 사실상 수평방향으로 사각형 횡단면(6)을 갖는, 강제 관류 증기 발생기(1).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 관통 수집기(14)는 수평 방향으로 둘레 벽(4)의 주위에 순환하게 배치되고 둘레 벽(4)에서 아래에 배치된, 병렬로 연결된 제1 복수의 전체 증기 발생기 관(2)을 포함하며, 둘레 벽에서 위에 배치된, 제2 복수의 전체 증기 발생기 관(2)을 포함하는, 강제 관류 증기 발생기(1).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 관통 수집기(14)의 상류에 연결된 증기 발생기 관(2)이 나선형으로 순환하게 둘레 벽(4) 내에 배치되어 있는, 강제 관류 증기 발생기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 화석 연료용 복수의 버너를 갖는 연소실을 구비한, 강제 관류 증기 발생기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 매체 측면에서 하류에 연결된 증기 터빈을 구비한, 강제 관류 증기 발생기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 강제 관류 증기 발생기를 구비한 발전설비.

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