KR20130100148A - 화력 증기 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동 경로(2)를 형성하고 유동 매체(M)가 관류하는 복수의 절탄기 가열면(12), 증발기 가열면(14) 및 과열기 가열면(16)을 복수의 압력단(2, 4)에 구비한, 증기 발전 설비용 화력 증기 발생기(1)에 관한 것으로서, 고압단(2)에서는 과류관(24)이 유입측에서 유동 경로(2)와 연결되어 있으며, 중압단(4)에서 유동 매체 측에서 유동 경로(2) 내 과열기 가열면(16) 상류에 배치된 분사 밸브(18)에 안내되어 있으며, 상기 화력 증기 발생기는 증기 프로세스의 효율을 지나치게 저하시키지 않는다. 동시에 단시간의 출력 상승은 전체 시스템에서 돌발적인 구조적 수정없이 화력 증기 발생기의 구조와 무관하게 가능하여야 한다. 이를 위해 과류관(24)은 2개의 공급관(26, 30)을 가지며, 이들 중 제1 공급관은 유동 매체 측에서 고압 예열기 상류(10)에서 분기되고 제2 공급관은 유동 매체 측에서 고압 예열기(10) 하류에서 분기된다.

Description

화력 증기 발생기{FOSSIL-FIRED STEAM GENERATOR}

본 발명은 유동 경로를 형성하고 유동 매체(M)가 관류하는 복수의 절탄기 가열면, 증발기 가열면 및 과열기 가열면을 복수의 압력단에 구비한 증기 발전 설비용 화력 증기 발생기에 관한 것으로서, 상기 화력 증기 발생기에서는 고압단에서 과류관이 유입측에서 유동 경로와 연결되어 있으며, 중압단에서 유동 매체 측에서 유동 경로 내 과열기 가열면 상류에 배치된 분사 밸브에 안내된다.

화력 증기 발생기는 화석 연료의 연소를 통해 발생하는 열을 이용해 과열 증기를 생산한다. 화력 증기 발생기는 주로 전력 생산에 이용되는 증기 발전 설비에서 대체로 이용된다. 이 경우 증기가 증기 터빈에 공급된다.

증기 터빈의 다양한 압력단들과 마찬가지로 화력 증기 발생기 역시 각각의 경우에 함유된 물-증기 혼합물의 열적 상태들이 다른 복수의 압력단을 포함한다. 제1의 (높은) 압력단에서 유동 매체는 유동 경로를 따라 먼저 유동 매체의 예비 가열을 위해 잔열을 사용하는 절탄기를 지나가고 이어서 증발기 가열면 및 과열기 가열면의 여러 단들을 지나간다. 증발기에서 유동 매체가 증발하며, 그 후 있을 수 있는 잔여 수분이 분리 장치에서 분리되고 그 안에 들어 있는 나머지 증기는 과열기에서 계속 가열된다. 그 후 과열 증기는 증기 터빈의 고압부로 흘러들어가고, 거기에서 팽창하며 증기 발생기의 다음 압력단에 공급된다. 거기에서 증기가 다시 과열되고 증기 터빈의 다음 압력부에 공급된다.

상이한 외부 영향들 때문에, 과열기에 전달되는 열 출력이 심하게 요동할 수 있다. 그러므로 과열 온도를 제어하는 것이 종종 필요하다. 일반적으로 이는 고압단에서도 중간 과열을 위한 중압단들에서도 냉각을 위해 개별 과열기 가열면들의 상류 또는 하류에서 대개 급수의 분사를 통해 달성되는, 즉 과류관은 유동 매체의 주류로부터 분기되고 거기에 상응하게 배치된 분사 밸브에 안내되어 있다. 이 경우 분사는 일반적으로 각 압력단의 과열기의 유출구에서 사전 설정된 온도 설정값에 대한 온도 편차에 의해 제어된다.

최근의 발전 설비에서는 높은 효율뿐만 아니라 가능한 한 유연한 작동 방법도 요구된다. 이에는 짧은 개시 시간 및 높은 부하 변동 속도 외에 전류 접속 네트워크 내의 주파수 장애를 보상하기 위해 가능한 수단도 속한다. 이런 요구 사항들을 충족하기 위해, 발전 설비는 예를 들어 5%이상의 추가 출력을 수 초 이내에 제공할 수 있어야 한다.

발전 설비 블록의 상기와 같은 초 단위 출력 변화는 증기 발생기와 증기 터빈의 매칭된 상호 작용을 통해서만 가능하다. 이를 위해 화력 증기 발생기는 저장기, 즉 증기 저장기 뿐만 아니라 연료 저장기의 이용에 기여할 수 있고 조정 변수인 급수, 분사수, 연료 및 공기의 빠른 변경에 기여할 수 있다.

이는 예를 들어 증기 터빈에서 부분적으로 스로틀링되는 터빈 밸브 또는 소위 스텝 밸브의 개방을 통해 이루어질 수 있으므로, 증기압은 증기 터빈 상류에서 하강한다. 상류에 있는 화력 증기 발생기의 증기 저장기로부터 증기가 저장되고 증기 터빈에 공급된다. 이런 조치로 수 초 내에 출력 상승이 달성된다.

그러나 예비량을 유지하기 위한 터빈 밸브의 영구적 스로틀링은 언제나 효율 손실을 야기하므로, 경제적인 운용을 위해 스로틀링율은 반드시 필요한 정도로만 낮게 유지되어야 한다. 그 외에 몇몇 구조 형상의 화력 증기 발생기, 예컨대 강제 순환식 증기 발생기는 경우에 따라 예컨대 자연 순환식 증기 발생기보다 훨씬 더 작은 저장기 용적을 포함한다. 저장기 크기의 차이는 상술한 방법에서 발전 설비 블록의 출력 변화에서 거동에 영향을 미친다.

그러므로 본 발명의 과제는 증기 프로세스의 효율이 지나치게 저하되지 않는 전술한 종류의 화력 증기 발생기를 제공하는 데 있다. 동시에 단시간의 출력 상승은 전체 시스템에서 돌발적인 구조적 수정없이도 화력 증기 발생기의 구조와 상관없이 가능해질 수 있다.

본 발명에 따라 상기 과제를 해결하기 위해, 과류관은 2개의 공급관을 가지며, 이들 중 제1 공급관은 유동 매체 측에서 고압 예열기 상류에서 분기되고 제2 공급관은 유동 매체 측에서 고압 예열기 하류에서 분기된다.

이 경우 본 발명은 급수의 분사가 빠른 출력 변화에 추가로 기여할 수 있다는 사상에 근거한다. 과열기의 영역에서 추가적 분사를 통해 증기 유량이 증가할 수 있다. 이 경우 제어 기술에 의해 분사가 이루어지도록, 온도 설정값은 각 압력단의 유출구에서 감소한다. 이 경우 분사수의 엔탈피 수준이 높으면 높을수록, 분사 유량은 더 많이 필요하므로, 다시 요구되는 온도 설정값에 도달할 수 있다. 그 후 분사수의 더 높은 엔탈피 수준으로부터 비교적 더 큰 증기량이 발생한다.

물이 공급 펌프 자체에서, 즉 고압 예열기 상류에서 인출되는 것이 아니라 고압 예열기 하류에서 비로소 인출됨으로써 엔탈피의 상기 유형의 상승이 가능하다. 만약 그와 같은 회로에서 온도 설정값이 감소하면, 이는 비교적 더 큰 증기량 및 더 큰 출력 릴리즈를 초래한다. 그러나 이런 경우 유의할 점은 전체 부하 영역에서 분사수가 증기의 비점 라인과 충분한 간격을 가지며 그 결과 만족할만한 과냉각을 갖는다는 것이다. 특히 중간 과열시 하측 부하 영역에서 가능한 점으로서 엔탈피가 분사수의 희망하는 과냉각과 관련하여 고압 예열기 하류에서 너무 클 수 있으며 분사 지점에서 분사 밸브의 개방의 경우에, 경우에 따라 수분이 형성된다. 증기는 최악의 경우에 분사 밸브를 차단할 수 있으므로, 분사 유량이 유지될 수 없다.

이를 억제하기 위해, 분사수의 엔탈피가 필요에 따라 제어될 수 있다. 이를 달성할 수 있도록, 고압 예열기 하류에서 인출되는 분사수는 고압 예열기 상류에서 인출되는 약간의 분사수와 혼합되므로, 이런 경로 상에서 분사수의 희망하는 엔탈피가 조정될 수 있다. 이를 위해 2개의 공급관들은 각각의 경우에 유동 매체 측으로부터 고압 예열기 상류 및 하류에서 중간 과열의 분사 밸브를 위한 과류관에 안내되어 있다.

이 경우 유리하게는 제2 공급관이 유동 매체 측에서 모든 고압 예열기 하류에서 분기한다. 그러므로 분사수를 위한 가능한 최대의 엔탈피가 보장되므로, 증기량 및 출력 릴리즈와 관련하여 최적이 달성된다. 그외 유리한 실시예에서 제1 공급관이 유동 매체 측에서 모든 고압 예열기 상류에서 분기된다. 가장 차가운 영역에서 인출을 통해 분사 매체의 온도가 혼합량이 작은 경우에도 감소될 수 있으며, 이러한 감소는 비점 라인과의 충분한 간격을 보장한다. 전체적으로 모든 고압 예열기 상류 및 하류에서 인출을 통해 가능한 최대의 온도 변경이 달성될 수 있다.

유리한 실시예로서 공급관들 중 어느 하나에 체크 밸브가 배치되어 있으며 다른 공급관에 관류 제어 밸브가 배치되어 있다. 그 후 혼합은 특히 간단한 방식으로 한 편으로 분사량의 결정에 의해 이루어지고, 분사량은 분사 제어 밸브를 통해 조정되고 부분적으로는 체크 밸브를 갖는 공급관에 의해 제공될 수 있으며, 체크 밸브는 고압 경로로부터 저압 경로로 역류를 방지한다. 다른 한 편으로 다른 공급관의 관류 제어 밸브에 의해 각각의 경우 다른 온도의 매체의 혼합이 제어된다.

이 경우 특히 유리한 실시예로서 제1 공급관 안에 체크 밸브가 배치되어 있으며 제2 공급관 안에 관류 제어 밸브가 배치되어 있다. 즉, 체크 밸브는 더 낮은 온도 수준의 매체를 갖는 공급관 안에 위치한다. 더 나아가 유리하게는 제1 공급관이 공급 펌프로부터 분기한다. 이런 상황 하에서 관류 제어 밸브의 상류에서만 유동 매체가 비교적 더 높은 압력을 가지기 때문에, 분사 장치의 전체 물 경로는 비교적 더 낮은 압력 수준에 위치하는 것이 가능하다. 게다가 그와 같은 종류의 배치가 제어를 용이하게 하고 또한 중간 과열 분사를 위한 상응하는 분기부를 갖는 오늘날 일반적으로 이용되는 공급 펌프를 사용하는 것이 가능한데, 이런 경우를 위해서도 차가운 매체가 동일한 지점에서 분리될 수 있기 때문이다.

그외 유리한 실시예로서 유동 경로에서 유동 매체 측에서 제2 공급관의 분기부 하류에 관류 측정 장치가 배치되어 있다. 그 후 인출량은 이런 상황하에서 급수 제어를 위해 추가적 측정 또는 독립적인 밸런싱에 의해 고려될 필요가 없다.

유리한 실시예로서 증기 발전 설비는 그와 같은 종류의 화력 증기 발생기를 포함한다.

본 발명으로 달성되는 장점들로서 특히 고압 예열기의 상류 및 하류에 있는 공급관들로부터 중간 과열을 위한 분사수의 혼합을 통해 한 편으로 언제나 분사수의 충분한 과냉각이 보장될 수 있으며, 다른 한 편으로는 신속 예비량의 제공과 관련하여 절대적으로 확실한 분사 작동에서 증기 형성 없이 추가적인 출력 릴리즈의 최대값이 분사량의 상응하는 증가에 의해 실현될 수 있다. 대안으로서 종래 사상과 비교할 때 같은 출력 릴리즈에서 분사 지점들, 가열면들 및 터빈처럼 전체 관련 부품들의 부하가 감소할 수 있는데, 같은 출력 릴리즈를 위해 증기의 더 작은 온도 하락이 예상될 수 있기 때문이다.

더 나아가서 회로 및 분사 시스템의 이용을 통한 이와 관련한 출력 릴리즈 증가가 다른 조치들과 무관하므로, 예를 들어 스로틀링되는 터빈 밸브가 추가로 개방될 수 있어, 증기 터빈의 출력 증가가 보강될 수 있다. 방법의 효과는 이러한 동시 조치를 통해 대부분 영향을 받지 않는다.

여기서 강조되어야 하는 점은, 추가적인 출력에 대한 요건이 확고하게 사전 설정된 경우, 출력 상승을 위해 분사 시스템의 이용이 적용되어야 한다면, 터빈 밸브들의 스로틀링율이 감소될 수 있다는 사실이다. 이런 경우 목표하는 출력 릴리즈는 상기 상황에서 더 작은 스로틀링으로도, 가장 바람직한 경우에는 심지어 완전하게 추가의 스로틀링 없이도 달성될 수 있다. 그러므로 설비는, 신속 예비량을 위해 설비가 이용할 수 있어야 하는 통상적인 부하 작동에서, 비교적 더 높은 효율로 작동될 수 있으며, 이런 점은 또한 운영상 비용을 감소시킨다.

도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상술한다.

도 1은 최적화된 분사수 공급관을 갖는 화력 증기 발생기의 고압부 및 중압부에 대한 유동 매체 측 개략도이다.
도 2는 대안적 실시예로서 분사수 공급관을 갖는 화력 증기 발생기의 고압부 및 중압부에 대한 유동 매체 측 개략도이다.
도 3은 상측 부하 범위에서 중간 과열의 분사수 엔탈피를 증가시켜 화력 증기 발생기의 신속 예비량을 개선하기 위한 시뮬레이션 결과에 관한 그래프이다.
도 4는 하측 부하 범위에서 중간 과열의 분사수 엔탈피를 증가시켜 화력 증기 발생기의 신속 예비량을 개선하기 위한 시뮬레이션 결과에 관한 그래프이다.

동일 부품들은 모든 도면에서 같은 도면 부호를 갖는다.

도 1에는 화력 증기 발생기(1)에서 고압부(2)와 중압부(4)가 도시되어 있다. 도 1에는 개략적으로 유동 매체(M)의 유동 경로(6)의 일부가 도시되어 있다. 유동 매체(M)는 먼저 공급 펌프(8)를 통해 고압부(2)에 공급된다. 거기에서 먼저 유동 매체의 온도가 예를 들어 추기 증기에 의해 작동될 수 있는 고압 예열기(10)에 의해 상승한다. 이어서 일반적으로 유동 매체의 추가적 가열을 위한 연도 가스 폐열이 이용되는 절탄기 가열면(12) 및 유동 매체가 화석 연료로부터 획득되는 열에 의해 증발되는 증발기 가열면(14)이 따라온다. 고온 가스 채널 내 개별 가열면들(12, 14)의 공간적인 배치는 도면에 도시되어 있지 않으며 변경될 수 있다. 도시된 가열면들(12, 14)은 각각 복수의 직렬 연결된 가열면을 대표할 수 있지만, 가열면들은 이해의 편의 때문에 구별없이 도시되어 있다.

증발기 가열면(14)으로부터 유출된 후 어쩌면 있을 수 있는 잔여 수분이 도면에 도시되지 않은 수분 분리 장치 내에서 분리되고 잔여 증기는 더 상세하게 도시되지 않은 과열기 가열면에 공급된다. 이어서 과열된 증기는 증기 터빈의 고압부에서 팽창한다. 이어서 유동 매체(M)는 증기 발생기의 중압부(4) 안으로 흘러들어가고, 거기에서 유동 매체는 복수의 중간 과열기 가열면(16)에서 다시 과열되고 이어서 증기 터빈의 중압부에 공급된다.

유동 매체 측에서 중간 과열기 가열면 상류에 분사 밸브(18)가 배치되어 있다. 여기에서 더 차갑고 증발되지 않은 유동 매체(M)가 화력 증기 발생기(1)의 중압부(4)의 유출구(20)에서 유출 온도의 제어를 위해 분사될 수 있다. 분사 밸브(18) 안으로 들어오는 유동 매체(M)의 양은 분사 제어 밸브(22)에 의해 제어된다. 이 경우 유동 매체(M)는 앞서 유동 경로(2)에서 분기된 과류관(24)에 의해 공급된다.

유출 온도의 제어를 위해서뿐만 아니라 신속한 예비 출력의 제공을 위해서도 분사 시스템을 사용할 수 있도록, 분사 시스템은 분사수 엔탈피가 필요에 따라 상승할 수 있도록 설계되어 있다. 이를 위해 과류관(24)은 제1 공급관(26)을 가지며, 제1 공급관은 공급 펌프(8)에서 직접 분기되고 비교적 낮은 온도의 유동 매체(M)를 과류관(24)에 공급한다. 그러므로 언제나 분사 매체의 충분한 과냉각이 보장된다. 제1 공급관(26)은 분사 시스템으로부터 매체의 역류를 방지하는 체크 밸브(28)도 포함한다.

또한, 과류관은 제2 공급관(30)을 가지며, 제2 공급관의 관류는 관류 제어 밸브(32)에 의해 제어된다. 제2 공급관은 모든 고압 예열기(10) 하류에서 절탄기 가열면(12)의 상류에서 분기하므로, 여기에서 비교적 더 높은 온도의 유동 매체(M)가 과류관(24) 안으로 들어온다. 그러므로 비교적 더 큰 분사에서 상당한 증기량 증가가 달성되고 하류에 연결된 증기 터빈의 출력이 상승한다. 관류 측정 장치(34)는 이 경우 유동 경로(6)에서 공급관(26, 30)의 양 분기 지점 하류에 배치되므로, 분기된 유동 매체(M)의 양은 급수 제어에 고려될 필요가 없다.

도 2에는 기본적으로 도 1에 상응하는 대안적 실시예가 도시되어 있지만, 이 경우 관류 제어 밸브(32)와 체크 밸브(28)의 위치가 바뀌어 있다. 그러므로 제1 공급관(26)은 제어 밸브(32)를 가지며 제2 공급관(30)은 체크 밸브(28)를 갖는다. 이와 같은 실시예 역시 가능하지만, 전체 분사 경로는 더 높은 압력을 위해 설계될 수 있다. 더 나아가서 제1 공급관(26)을 위해 추가적인 분기부(36)가 제공되는데, 압력 수준이 더 높기 때문에 공급 펌프(8)의 임의의 지점에서 유동 매체(M)가 분리될 수는 없기 때문이다.

도 3에는 전술한 회로를 이용할 때 시뮬레이션 결과에 대한 그래프가 도시되어 있다. 95% 부하에서 20℃만큼 중압부(4)의 유출구(20)에서의 온도를 위한 온도 설정값의 급감 후 시간(40)(초)의 경과에 따라 전부하(38)와 관련한 백분율 표시 추가 출력이 기입되어 있다. 이 경우 곡선(42)은 잔여 시스템에 따라 분사 유체의 가열 없는 결과를 나타내며 곡선(44)은 전술한 것처럼 연결된 분사 시스템에서의 결과를 나타낸다. 도 2에서 알 수 있는 것은 곡선(44)의 최대값은 곡선(42)보다 더 높다는 것이다. 그러므로 추가로 릴리즈되는 출력이 더 높다.

도 3에 비해 도 4는 약간 수정되었을 뿐이며 40% 부하에서 시뮬레이션된 곡선(42, 44)을 나타내며, 나머지 모든 매개 변수는 도 3과 같으며, 곡선(42, 44)의 의미도 마찬가지이다. 이 경우 양 곡선들(42, 44)은 평평한 곡선을 보이며 추가로 설정값의 변경 후 약 60초 동안 비교적 높은 출력 상승을 보이지만, 그 후 빠르게 다시 떨어져, 평평한 곡선의 최대값으로 전이할 수 있다. 전체적으로 곡선(44)은 각각의 시간 영역에서 곡선(42)보다 더 높이 있다. 그러므로 이 경우에도 더 높은 출력 릴리즈가 가능하며, 단지 40%의 부하에도 불구하고 분사되는 매체의 충분한 과냉각이 보장된다.

그와 같은 종류의 화력 증기 발생기(1)를 구비한 증기 발전 설비는 전류 접속 네트워크의 주파수 보조에 이용되는 출력 상승을 증기 터빈의 즉각적인 출력 릴리즈에 의해 신속하게 제공할 수 있다. 이러한 예비 출력은 일반적인 온도 제어 외에 분사 밸브들의 이중 사용에 의해 달성됨으로써, 예비량을 제공하기 위한, 증기 터빈 밸브의 영구적 스로틀링 역시 감소될 수 있거나 완전히 생략될 수 있으며, 특히 높은 효율이 정상적인 동작 동안 달성된다.

Claims (8)

1. 유동 경로(2)를 형성하고 유동 매체(M)가 관류하는 복수의 절탄기 가열면(12), 증발기 가열면(14) 및 과열기 가열면(16)을 복수의 압력단(2, 4)에 구비한 증기 발전 설비용 화력 증기 발생기(1)로서, 고압단(2)에서는 과류관(24)이 유입측에서 유동 경로(2)와 연결되어 있으며 중압단(4)에서 유동 매체 측에서 유동 경로(2) 내 과열기 가열면(16) 상류에 배치된 분사 밸브(18)에 안내되어 있으며, 과류관(24)은 2개의 공급관(26, 30)을 가지며, 이들 중 제1 공급관은 유동 매체 측에서 고압 예열기(10) 상류에서 분기되며 제2 공급관은 유동 매체 측에서 고압 예열기(10) 하류에서 분기되는, 화력 증기 발생기(1).
2. 제1항에 있어서, 제2 공급관(26)은 유동 매체 측에서 모든 고압 예열기(10) 하류에서 분기되는, 화력 증기 발생기(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 공급관(30)은 유동 매체 측에서 모든 고압 예열기 상류에서 분기되는, 화력 증기 발생기(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 공급관(26, 30) 중 어느 하나 안에 체크 밸브(28)가 배치되고 다른 공급관 안에 관류 제어 밸브(32)가 배치되어 있는, 화력 증기 발생기(1).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 공급관(26) 안에 체크 밸브(28)가 배치되어 있으며 제2 공급관(30) 안에 관류 제어 밸브(32)가 배치되어 있는, 화력 증기 발생기(1).
6. 제5항에 있어서, 제1 공급관(26)은 공급 펌프(8)로부터 분기되는, 화력 증기 발생기(1).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 경로(2)에서는 유동 매체 측에서 제2 공급관(30)의 분기부 하류에 관류 측정 장치(34)가 배치되어 있는, 화력 증기 발생기(1).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 화력 증기 발생기(1)를 가지는, 증기 발전 설비.

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