KR20140004075A - 과열 증기를 제조하기 위한 장치 및 제조 방법 - Google Patents

과열 증기를 제조하기 위한 장치 및 제조 방법 Download PDF

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귄터 베케슈
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 하기의 특징들을 갖는다: 열의 형태로 태양 에너지를 흡수하기 위한 열전달 매체를 갖는 하나 이상의 열전달 매체 회로, 및 과열 증기를 형성하기 위해서 물 및/또는 증기를 갖는 하나 이상의 물/증기 회로를 포함한다. 이러한 배열체에 있어서, 상기 물/증기 회로에서, 상기 물 및/또는 증기가 하나의 유동 방향으로 유동될 수 있다. 과열 증기를 제조하기 위해서, 열전달 매체 회로 및 물/증기 회로는 하나 이상의 재가열기의 하나 이상의 열교환기에 의해 서로 열적으로 연결된다. 물/증기 회로에서, 물 및 증기를 서로 분리하기 위해서 하나 이상의 물 분리장치가 유동 방향으로 열교환기의 상류에 배치되므로, 실질적으로, 단지 증기만이 열교환기 내로 진입할 수 있다. 상기 열교환기 및 물 분리장치는 공통의 재가열기 가압 용기에 배열된다.

Description

태양열로 작동되는 재가열기에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치 및 제조 방법 그리고 과열 증기의 용도{APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING SUPERHEATED STEAM BY MEANS OF A SOLAR-THERMALLY OPERATED REHEATER AND USE OF THE SUPERHEATED STEAM}
본 발명은, 태양 에너지(solar energy)에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치 및 이 장치를 이용하여 과열 증기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 게다가, 과열 증기의 용도가 상세되어 있다.
종래 기술의 발전(power generation)에 대한 대안으로서의 태양열 발전소들의 사용이 기존의 이산화탄소 문제를 개선하는 방법이다. 이러한 경우들에서, 태양 에너지(태양으로부터의 에너지), 즉 태양의 전자기 방사가 전기 에너지로 전환된다.
현재, 태양열 발전소들의 대부분은, 간접 증발에 의한 태양열 발전소들로서 구체화된다. 이러한 경우들에서, 파라볼라 접시형 집광기(parabolic dish collector)들을 갖는 솔라 어레이들이 열 에너지의 리시버들로서 작용한다. 파라볼라 접시형 집광기들에 대한 대안으로서, 프레즈넬(Fresnel) 집광기들이 태양 에너지의 리시버들로서 사용된다. 솔라 타워들이 또한 솔라 어레이들 대신에 사용된다.
간접 증발에 의한 태양열 발전소는 증기 발생장치를 갖는다. 증기 발생장치는, 열전달 매체를 갖는 열전달 회로(1차 회로) 및 물을 갖는 물/증기 회로(2차 회로)를 포함한다. 물과 증기는 작동 유체로서 기능한다.
열전달 회로의 열전달 매체, 예컨대, 써모 오일(thermo-oil) 또는 용융 염(molten salt)은, 열(열 에너지)의 형태로 태양 에너지를 흡수한다. 열전달 매체가 히트 업된다. 열전달 매체에 의해 흡수된 열은 공급수 예열기들, 증발기들 및 과열기들에 의해 물/증기 회로의 물 또는 증기에 전달된다. 이 경우에, 과열 증기가 제조된다. 과열 증기에 저장된 열 에너지는, 전기 에너지를 얻기 위해 사용된다. 프로세스는 열 에너지의 전기 에너지로의 전환을 포함한다.
과열 증기의 열 에너지는 태양열 발전소의 "종래 기술의" 부품에서, 예컨대 이를 통해 발전기를 구동시키는 증기 터빈에 의해 전기 에너지로 전환된다.
터빈 포텐셜의 최적의 활용을 위해서, 고압 터빈에서 증기의 증발 이후에 증기가 한번 더 과열된다. 이는 재가열기에 의해 행해진다. 과열 후에, 증기는 저압 터빈에서 다시 증발된다. 이러한 프로세스는 증기의 제 1 증발 이후에 액체인 물의 적은 부분들이 프로세스 내에 있을 가능성을 배제하지는 않는다. 이러한 물/증기 혼합물은 증기 터빈의 인렛 블레이드들에 부딪치는 방울(drop)들에 의한 터빈의 부식 및 가열 표면의 원치않는 퇴적물들(소금 얼룩(salt fleck)들)을 유발시킨다.
본 발명의 목적은, 태양 에너지에 의해, 전기 에너지의 발생에 이용될 수 있는 작은 비율의 물을 갖는 과열 증기가 어떻게 효율적으로 얻어질 수 있는지를 증명하는 것이다.
상기 목적을 성취하기 위해서, 태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치는, 열의 형태로 태양 에너지를 흡수하기 위한 열전달 매체를 갖는 하나 이상의 열전달 매체 회로, 및 과열 증기를 형성하기 위해서 물 및/또는 증기를 갖는 하나 이상의 물/증기 회로를 포함하며, 상기 물/ 증기 회로에서, 상기 물 및/또는 증기는 하나의 유동 방향으로 유동될 수 있고, 열전달 회로 및 물/증기 회로는 과열 증기를 제조하기 위해서 하나 이상의 열교환기를 경유하여 서로 열적으로 연결되고, 물/증기 회로에서 물 및 증기를 서로 분리하기 위해서 하나 이상의 물 분리장치가 유동 방향으로 열교환기의 상류에 배치되므로, 본질적으로 단지 증기만이 열교환기 내로 진입될 수 있으며, 상기 열교환기 및 물 분리장치는 공통의 재가열기 가압 용기에 배치되는 것으로 상세된다.
상기 목적을 성취하기 위해서, 상기 장치를 사용하여 과열 증기를 제조하기 위한 방법은, 또한, a) 열전달 매체를 제공하는 단계, b) 태양 에너지를 열전달 매체의 열로 전환하는 단계, c) 물/증기 회로의 물/증기 혼합물을 제공하는 단계, d) 물 분리장치에 의해 물/증기 혼합물로부터 물을 분리하는 단계, 및 e) 물/증기 혼합물의 나머지 증기에 열전달 매체의 열을 전달하여, 과열 증기가 발생되는 단계를 포함하는 것으로 상세된다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 전기 에너지를 얻기 위해서 설명된 방법에 따라 제조된 과열 증기의 용도가 상세되며, 증기 터빈이 과열 증기에 의해 구동된다.
이를 통해 물 분리장치로부터 열교환기 내로 포화 증기가 운반되는 통상적인 연결 파이프들이 물 분리장치와 열교환기 사이에서 이용된다. 일부 경우들에서, 아주 약간의 냉각에 의해서조차, 포화 증기의 응축(액체 물의 형성)이 발생한다. 이에 반해, 본 발명에 따르면, 재가열기의 열교환기와 물 분리장치 사이에 어떠한 연결 파이프들도 사용되지 않는다. 물 분리장치 및 열교환기는 단일 용기 내에 배치되어, 물 분리에 의해 얻어지는 포화 증기가 재가열기의 열교환기 내로 직접 진행한다. 이를 위해, 물 분리장치 및 열교환기는 바람직하게는, 서로 바로 인접하게 배치된다.
분리된 물은, 바람직하게는 물/증기 회로로 다시 반대로 공급된다. 이를 위해 예컨대, 하나 또는 그 초과의 펌프들이 사용된다.
하류 증기 터빈을 작동시키는 효율은 재가열기에 의해 증가된다. 재가열기에 의해, 열 에너지가 물/증기 회로의 증기 내로 도입된다. 열 에너지를 도입하기 위해서, 재가열기가 태양열로 작동된다. 재가열기는 증기를 받아들이기 위해 재가열기 워터 파이프를 갖는다. 재가열을 위해서, 태양 에너지(태양에 의해 방출되어 지표면에 부딪히는 전자기 방사)에 의해 히트 업되는 고온 열 전달 매체는 재가열기 워터 파이프를 우회한다. 재가열기 워터 파이프 및 열전달 매체는 서로 열적으로 연결된다. 파이프를 지나는 열전달 매체의 통과는 재가열기 워터 파이프에 있는 증기가 과열됨을 의미한다.
열전달 매체가 재가열기 워터 파이프를 우회하는 것을 유발시키기 위해서, 열전달 펌프가 사용되거나 다수의 열전달 펌프들이 사용된다. 열전달 매체는 워터 파이프를 지나 펌핑된다. 바람직하게는, 재가열기는 수직 구조를 가져, 고온 열전달 매체가 열교환기를 통해 "상부로부터 저부"로 유동할 수 있다. 또한, 재가열기의 수직 구조는 "저부로부터 상부"로 재가열기 워터 파이프 내의 증기의 자연스러운 이동을 활용한다.
특별한 일 실시예에서, 열교환기는 물 분리장치 위에 수직으로 배치된다. 여기서, 또한 증기의 자연스러운 이동이 활용된다. 게다가, 분리된 물은 단순한 방식으로 배출(drained off)될 수 있고 추가의 사용을 위해서 물-증기 회로로 다시 공급될 수 있다.
특별한 일 실시예에 따라, 열교환기는 물/증기 회로의 증기를 운반하기 위해 하나 이상의 재가열기 워터 파이프를 갖는다. 이 경우, 재가열기 워터 파이프는 곧은 형상, U자 형상 및 나선형 형상의 군으로부터 선택된 하나 이상의 파이프 형상을 갖는다. 효율적인 열교환이 U자 형상 및 특히, 나선형 형상에 의해 보장된다.
또한, 열 매체의 파이프의 내측으로의 스위치(switch)가 아울러 상정될 수 있다. 열 전달 매체는 재가열기 열전달 매체 파이프들 내로 유동한다. 증기 회로의 증기는 재가열기 열전달 파이프들의 외부 벽들을 지나 유동한다. 이러한 경우에, 열이 전달된다. 특별한 일 실시예에서, 상기 열교환기는 열전달 매체 회로의 열전달 매체를 운반하기 위해 하나 이상의 재가열기 열전달 파이프를 갖는다. 이 경우에, 상기 재가열기 열전달 매체 파이프는 곧은 형상, U자 형상 및 나선형 형상의 군으로부터 선택된 하나 이상의 파이프 형상을 갖는다. 여기서, 또한, U자 형상 및 나선형 형상이 특히 효과적인 열교환을 보장한다.
특히 효과적으로는, 서로 병렬로 배치되는 복수 개의 재가열기 워터 파이프들이 제공된다. 재가열기 워터 파이프들의 다발이 존재한다. 부여된 파이프 체적에 대해서, 열전달 매체 및 증기의 열 연결(heat coupling)이 이루어지는 (전체) 파이프 표면은 단일 재가열기 워터 파이프에 비해 재가열기 워터 파이프 다발에 대해서 더 크다.
재가열기 워터 파이프 다발에서, 증기는 예컨대 분배기를 통해서 재가열기 워터 파이프들에 분배된다. 과열 증기는 재가열기 워터 파이프들 각각에서 별개로 제조된다. 별개의 재가열기 워터 파이프들에서 제조된 과열 증기는 콜렉터에서 다시 수집된다. 과열 증기는 증기 터빈을 향해서(onwards) 후속하여 이송된다.
열전달 매체의 열이 재가열기 워터 파이프의 증기로 전달될 수 있는 효율을 더 개선하기 위해서는, 유리하게는, 열전달 매체의 유동 방향 (및 유동 속도)에 영향을 주는 것이다. 열전달 매체는 재가열기 워터 파이프 또는 재가열기 워터 파이프들을 지나 보내질(channel) 수 있다. 이를 위해서, 하나의 특별한 실시예에 따르면, 복수 개의 편향 판이 열전달 매체의 유동 방향을 변화시키기 위해서 제공된다.
특별한 일 실시예에 따라, 복수 개의 재가열기들이 제공된다. 바람직하게는, 복수 개의 증기 발생장치들이 대형의 재가열기 유닛에 병렬로 함께 연결된다.
본 발명은, 다수의 예시적 실시예들 및 관련 도면들을 참조로 하기에 보다 상세히 설명될 것이다. 도면들은 개략적이며, 실축적의 도면들로 나타내지는 않는다.
도 1은 과열 증기 제조를 위한 장치의 제 1 실시예의 측면도를 도시한다.
도 2는 과열 증기 제조를 위한 장치의 제 2 실시예의 측면도를 도시한다.
출발점은 태양 에너지에 의한 과열 증기(30) 제조를 위한 장치(1)이다. 이 장치는 하기 구성요소들을 갖는다: 열의 형태로 태양 에너지를 흡수하기 위한 열전달 매체(20)를 갖는 열전달 회로(2), 및 과열 증기 제조를 위한 물 및/또는 증기를 갖는 물/증기 회로(3). 이 경우, 물 및/또는 증기는 유동 방향(33)으로 물/증기 회로 내에서 유동할 수 있다.
과열 증기를 제조하기 위해서, 열전달 회로 및 물/증기 회로는 하나 이상의 재가열기(4)의 하나 이상의 열교환기를 통해 서로 열적으로 연결된다. 고온 열전달 매체(22)가 재가열기 내로 도입된다. 차가운 열전달 매체(23)가 재가열기의 열교환기로부터 나가며 태양 에너지를 흡수하기 위해서 다시 입수가능하다.
물과 증기를 서로 분리하기 위한 물 분리장치(5)가 물/증기 회로에서 열교환기로부터 상류에 배치되므로, 본질적으로 증기만이 열교환기 내로 들어갈 수 있다. 열교환기 및 물 분리장치는 공통의 재가열기 가압식 용기에 배치된다.
물 분리장치에서 분리된 물(50)은 물/증기 회로로 다시 역으로 공급된다.
예 1:
여기서, 증기(제 1 증기 터빈으로부터의 증발 후)는 물 분리장치 내로 이송된다. 포화 증기는 물 분리장치로부터 U자 형상의 재가열기 워터 파이프들의 다발 내로 직접 유동한다. U자 형상 파이프들은 원(circle) 형태로 배치되고, 2 부품 파이프 플레이트들이 연결체로서 형성되도록 위치된다. 이들 부품 파이프 플레이트들은 서로 독립적으로 오프셋 위치된다. 이는, 높은 온도 차이들로부터 유발하는 열 응력들을 회피한다. 편향 판(deflection plate)들의 사용에 의해, 외부 영역에서의 열전달 매체의 유동 속도가 증가되고 이에 의해 열전달이 개선된다.
예 2:
장치의 구조는 예 1의 구조와 유사하다. U자 형상 파이프들 대신에, 나선형 형상을 갖는 재가열기 워터 파이프들이 다발로 설치된다. 유동 횡단면을 감소시키기 위해서, 다발은 2 개의 파트들로 분할된다. 기능적인 원리는 U 자 형상 파이프 배열체의 원리에 필적할 수 있다.
도시 생략된 추가의 예에 따라서, U자 형상을 갖는 재가열기 워터 파이프들 및 나선형 형상을 갖는 재가열기 워터 파이프들이 사용된다.
마찬가지로 도시 생략된 추가의 예들은 파이프들 내측으로의 유체 열전달 매체의 운반(carrying) 단계를 포함한다. U자 형상을 갖는 재가열기 열전달 파이프들 및/또는 나선형 형상을 갖는 재가열기 열전달 파이프들이 사용된다. 물/증기 회로의 증기는 에너지 교환을 유발하는 재가열기 열전달 파이프들의 외부면들을 지나 유동할 수 있다.
설명된 장치는, 태양 에너지에 의한 과열 증기의 제조를 위해 사용된다. 이 경우, 하기 방법 단계들이 실행된다:
a) 열전달 매체를 제공하는 단계,
b) 태양 에너지를 열전달 매체의 열로 전환하는 단계,
c) 물/증기 회로의 물/증기 혼합물을 제공하는 단계,
d) 물 분리장치에 의해 물/증기 혼합물로부터 물을 분리하는 단계, 그리고
e) 물/증기 혼합물의 나머지 증기에 열전달 매체의 열을 전달하여, 과열 증기가 제조되는 단계.
제조된 과열 증기는 전력을 얻기 위해서 증기 터빈을 향하여 이송된다.

Claims (10)

  1. 태양 에너지에 의해 과열 증기(30)를 제조하기 위한 장치(1)로서,
    - 열의 형태로 태양 에너지를 흡수하기 위한 열전달 매체(20)를 갖는 하나 이상의 열전달 회로(2), 및
    - 과열 증기를 형성하기 위해서 물 및/또는 증기를 갖는 하나 이상의 물/증기 회로(3)를 포함하며,
    - 상기 물 및/또는 증기는 상기 물/증기 회로에서 하나의 유동 방향(33)으로 유동될 수 있고,
    - 상기 열전달 회로 및 물/증기 회로는 과열 증기를 제조하기 위해서 하나 이상의 재가열기(4)의 하나 이상의 열교환기(40)를 경유하여 서로 열적으로 연결되고,
    - 물 및 증기를 서로 분리하기 위해서 하나 이상의 물 분리장치(5)가 상기 물/증기 회로에서 유동 방향으로 열교환기의 상류에 배치되므로, 본질적으로 단지 증기만이 열교환기 내로 진입될 수 있으며,
    - 상기 열교환기 및 물 분리장치는 공통의 재가열기 가압 용기(6)에 배치되는,
    태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 분리장치 및 열교환기는 서로 바로 인접하게 배치되는,
    태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 물 분리장치 위에 수직으로 배치되는,
    태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 물/증기 회로의 증기를 운반하기 위해 하나 이상의 재가열기 워터 파이프(31)를 가지며, 상기 재가열기 워터 파이프는 곧은 형상, U자 형상 및 나선형 형상의 군으로부터 선택된 파이프 형상을 갖는,
    태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 열전달 회로의 열전달 매체를 운반하기 위해 하나 이상의 재가열기 열전달 파이프를 가지며, 상기 재가열기 열전달 파이프는 곧은 형상, U자 형상 및 나선형 형상의 군으로부터 선택된 하나 이상의 파이프 형상을 갖는,
    태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    서로 병렬로 배치된 복수 개의 재가열기 워터 파이프(32)들 및/또는 서로 병렬로 배치된 복수 개의 재가열기 열전달 파이프들이 제공되는,
    태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수 개의 편향 판들이 열전달 매체의 유동 방향을 바꾸기 위해서 제공되는,
    태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수 개의 재가열기들이 제공되는,
    태양 에너지에 의해 과열 증기를 제조하기 위한 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 사용하여 과열 증기를 제조하기 위한 방법으로서,
    a) 열전달 매체를 제공하는 단계,
    b) 태양 에너지를 열전달 매체의 열로 전환하는 단계,
    c) 물/증기 회로의 물/증기 혼합물을 제공하는 단계,
    d) 물 분리장치에 의해 물/증기 혼합물로부터 물을 분리하는 단계, 및
    e) 물/증기 혼합물의 나머지 증기에 열전달 매체의 열을 전달하여, 과열 증기가 제조되는 단계를 포함하는,
    과열 증기를 제조하기 위한 방법.
  10. 전기 에너지를 얻기 위해서 제 9 항에 따른 방법에 의해 제조되는 과열 증기의 용도로서,
    증기 터빈(12)이 과열 증기에 의해 구동되는,
    과열 증기의 용도.
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