KR20150010465A - 유동층 보일러의 가변 열교환 장치 - Google Patents

유동층 보일러의 가변 열교환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 운전 부하나 운전 조건 변화에 따라 열배분 부하가 변경되었을 때, 상황에 맞게 각 열교환기별 열전달 면적을 변경할 수 있어, 보다 안정적이고 고효율의 발전 사이클을 구현할 수 있는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 유동층 보일러에 있어서, 증발기 또는 과열기로 동작하는 가변 열교환기를 포함하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 개시한다. 일례로, 본 발명은 가변 열교환기에 물을 공급하는 증발기 입구 헤더; 가변 열교환기에 증기를 공급하는 과열기 입구 헤더; 및 증발기 열흡수량 및 과열기 열흡수량에 따라, 증발기 입구 헤더로부터의 물이 가변 열교환기에 공급되도록 하거나, 또는 과열기 입구 헤더로부터의 증기가 가변 열교환기에 공급되도록 하는 밸브를 더 포함하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 개시한다.

Description

유동층 보일러의 가변 열교환 장치{Variable heat exchanger of circulating fluid bed boiler}
본 발명의 일 실시예는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치에 관한 것이다.
순환 유동층 보일러는, 높은 온도(1,300℃ 이상)의 배가스 복사 및 대류로 열을 흡수하는 열교환기를 가진 미분탄 보일러와 달리, 배가스의 복사, 대류 뿐만 아니라 층물질에 의해 열전달을 받는 열교환기를 포함한다. 또한, 순환 유동층 보일러는, 화염을 형성하는 미분탄 보일러와 달리, 화염없이 약 800~900℃로 연료를 연소하며, 배가스 온도도 약 800~900℃ 사이로 배가스를 백패스로 전달한다. 따라서, 순환 유동층 보일러는 연료의 연소에서 발생한 열을 연소로 내의 열교환기와 외부 열교환기를 이용하여 열을 흡수하도록 하는 열 분배 구성을 갖는다.
이를 위해 순환 유동층 보일러는 미분탄 보일러에서도 사용하는 연소로 벽면에 있는 수냉벽(증발기) 뿐만 아니라 윙월(wingwall, 증발기, 과열기 등) 및 외부 열교환기를 포함한다. 외부 열교환기는 유동층 보일러 제작사마다 상이한 형태로 제작되며, 알스톰(Alstome)사는 사이클론에서 포집된 층물질을 ACV(automatic control valve)를 이용하여 그 중 일부를 외부 열교환기(FBHE : Fluidized Bed Heat Exchanger)를 거쳐 열전달하도록 구성하였으며, 포스트휠러(Fosterwheeler)사에서는 사이클론에서 포집된 층물질 전부와 연소로 내의 층물질 일부를 열교환할 수 있는 인트렉스(Intrex)라는 외부 열교환기를 채택하고 있다.
이러한 외부 열교환기는 기포 유동층 형태로 운전이 되어 일정한 열전달계수(약 400W/m2K)를 가져 부하(load)와 상관없이 원하는 열흡수량을 가질 수 있다. 그러나, 순환 유동층 보일러가 대용량화될수록, 외부 열교환기로는 흡수해야 할 열을 다 감당하지 못하며, 이 때문에 윙월 형태의 연소로 내 열교환기를 도입하고 있는 실정이다. 윙월의 경우, 열전달계수는 연소로 내의 열교환기 설치 위치에서의 층물질 농도(suspension density) 및 배가스 온도에 비례하여 변화하기 때문에 운전 부하(load)에 비례하여 열흡수량이 변화한다. 이 때문에 연소로 내 윙월 형태의 증발기 및 과열기를 보유하고 있는 순환 유동층 보일러의 경우, 운전 부하에 따라 수냉벽(증발기) 및 윙월(증발기, 과열기 등)의 열전달계수가 바뀌기 때문에 부하 조정 시 열배분 부하를 맞추지 못하여 정격 출력을 낼 수 없거나 과도한 과열 저감용 스프레이(spray)가 주입되어 보일러 효율이 낮아지게 되는 문제가 있다. 또한 설계시 충분히 위 사항을 고려하여 윙월을 설계하였다 하더라도 설계 연료와 상이한 연료를 사용하거나 층물질 입자들의 입도가 변경되었을 경우, 연소로 내 수력학적 특성이 변하게 되어 층물질 분포 및 농도가 바뀌어 윙월에서 원하는 열흡수량을 얻지 못하는 경우도 많다.
순환 유동층 연소로 내의 열교환기 중 윙월의 열전달계수(hwingwall)에 대한 문헌은 많지 않으며, 대표적인 문헌 값은 아래 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001

여기서, ρavg는 윙월 열교환기가 있는 위치의 층물질 입자의 평균 농도(kg/m3)를 의미하며, Tg 역시 윙월 열교환기가 있는 위치의 평균 온도를 의미한다.
또한 순환 유동층 연소로 내의 수냉벽(증발기) 역시 마찬가지 이유로 운전 부하에 따라 열전달 특성이 달라진다. 순환 유동층 연소로 내의 수냉벽(증발기)의 열전달계수(Hwaterwall)에 대한 경험식들은 상당히 많으며, 그 중 대표적인 문헌값은 아래 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00002
위 두 식을 통해 윙월(wingwall)과 수냉벽의 열전달계수는 각각 층물질 입자 평균 농도 및 평균 온도에 비례함을 알 수 있다. 하지만 실제 순환 유동층 보일러의 경우, 증발기와 과열기의 부하별 필요 열흡수량은 서로 반비례 관계에 있다.
또한, 종래의 순환 유동층 보일러는 운전 부하에 따라 수냉벽(증발기) 및 윙월(증발기, 과열기 등)의 열전달계수가 바뀌기 때문에 부하 조정 시 열배분 부하를 맞추지 못하여 정격 출력을 낼 수 없거나 과도한 과열 저감용 스프레이가 주입되어 보일러 효율이 낮아지게 되는 단점이 있다. 또한 설계시 충분히 위 사항을 고려하여 윙월을 설계하였다 하더라도 설계 연료와 상이한 연료를 사용하거나 층물질 입자들의 입도가 변경되었을 경우, 연소로 내 수력학적 특징이 변하게 되어 층물질 분포 및 농도가 바뀌어 윙월에서 원하는 열흡수량을 얻지 못하는 경우가 많다.
일본특허공개공보 2003-083501(2003.03.19) 일본특허공개공보 2000-304224(2000.11.02) 미국특허공개공보 2004-0187796(2004.09.30)
본 발명의 일 실시예는 윙월 열교환기를 사용할 수 밖에 없는 대용량 순환 유동층 보일러에서 부하 변동에 따른 열배분 부하를 조절할 수 있는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 운전 부하나 운전 조건 변화에 따라 열배분 부하가 변경되었을 때, 상황에 맞게 각 열교환기별 열전달 면적을 변경할 수 있어, 보다 안정적이고 고효율의 발전 사이클을 구성할 수 있는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 유동층 보일러에 있어서, 증발기 또는 과열기로 동작하는 가변 열교환기를 포함하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 개시한다.
본 발명은 상기 가변 열교환기에 물을 공급하는 증발기 입구 헤더; 상기 가변 열교환기에 증기를 공급하는 과열기 입구 헤더; 및 증발기 열흡수량 및 과열기 열흡수량에 따라, 상기 증발기 입구 헤더로부터의 물이 상기 가변 열교환기에 공급되도록 하거나, 또는 상기 과열기 입구 헤더로부터의 증기가 상기 가변 열교환기에 공급되도록 하는 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량보다 크고, 상기 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 작은 경우, 상기 밸브에 의해 상기 과열기 입구 헤더로부터의 증기가 상기 가변 열교환기에 공급되도록 하여, 상기 가변 열교환기가 과열기로 동작하도록 한다.
상기 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량보다 작고, 상기 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 큰 경우, 상기 밸브에 의해 상기 증발기 입구 헤더로부터의 물이 상기 가변 열교환기에 공급되도록 하여, 상기 가변 열교환기가 증발기로 동작하도록 한다.
상기 밸브는 상기 증발기 입구 헤더, 상기 과열기 입구 헤더 및 상기 가변 열교환기의 사이에 연결된 3-웨이 밸브일 수 있다.
상기 밸브는 상기 과열기 입구 헤더와 상기 가변 열교환기의 사이에 설치된 제1밸브와, 상기 증발기 입구 헤더와 상기 가변 열교환기의 사이에 설치된 제2밸브를 포함할 수 있다.
상기 가변 열교환기에 증기를 공급하는 과열기 입구 헤더; 및 증발기 열흡수량 및 과열기 열흡수량에 따라, 상기 과열기 입구 헤더를 상기 가변 열교환기의 상단 또는 상기 상단과 반대 방향에 형성된 하단에 연결하는 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량의 범위에 있고, 상기 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 작은 경우, 상기 밸브에 의해 상기 과열기 입구 헤더가 상기 가변 열교환기의 상단에 연결되도록 하여, 상기 가변 열교환기의 열흡수량이 커지도록 한다. 이때 상기 가변 열교환기는 대향 유동 열교환기로 동작할 수 있다.
상기 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량의 범위에 있고, 상기 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 큰 경우, 상기 밸브에 의해 상기 과열기 입구 헤더가 상기 가변 열교환기의 하단에 연결되도록 하여, 상기 가변 열교환기의 열흡수량이 작아지도록 한다. 이때 상기 가변 열교환기가 평행 유동 열교환기로 동작할 수 있다.
상기 가변 열교환기의 상단 온도가 상기 하단 온도보다 작고, 상기 증기의 온도가 상기 상단 온도보다 작을 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 일 실시예는 윙월 열교환기를 사용할 수 밖에 없는 대용량 순환 유동층 보일러에서 부하 변동에 따른 열배분 부하를 조절할 수 있는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 운전 부하나 운전 조건 변화에 따라 열배분 부하가 변경되었을 때, 상황에 맞게 각 열교환기별 열전달 면적을 변경할 수 있어, 보다 안정적이고 고효율의 발전 사이클을 구현할 수 있는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 제공한다.
즉, 본 발명은 증발기와 과열기로 동시에 동작할 수 있는 가변 윙월 열교환기를 포함함으로써, 부하에 따라 열배분 부하가 맞지 않거나, 운전 조건이 변경되어 열배분 부하가 틀어진 경우, 가변 윙월 열교환기를 이용하여 열배분 부하를 맞출 수 있다. 열배분 부하를 맞추기 위한 제어 방법은 각 열교환기(증발기, 과열기)에서 얻은 열흡수량과 부하별 설계된 열흡수량을 비교하여, 부족한 열교환기의 열전달 면적을 늘여주고, 반대로 과잉으로 열흡수가 되는 열교환기의 열전달 면적을 줄여주는 방법으로 피드백 제어를 하여 원하는 열배분 부하를 얻을 수 있다. 위의 방법에 의해, 윙월 형태의 열교환기를 가진 대용량 순환 유동층 보일러는 안정적이고 고효율인 발전 사이클을 구현할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열교환 장치를 갖는 유동층 보일러의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 장치의 제어 로직을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 도시한 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 장치의 제어 로직을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
먼저, 본 발명의 이론적 배경을 간단히 설명하기로 한다. 본 발명의 동작을 위해 우선 증발기와 과열기로 동시에 사용될 수 있는 윙월 열교환기(또는 가변 열교환기)가 구비된다. 앞서 설명한 바와 같이 수냉벽과 윙월의 열전달계수는 각각 층물질 입자 평균 농도 및 평균 온도에 비례한다. 그러나, 실제 순환 유동층 보일러의 경우, 증발기와 과열기의 부하별 필요 열흡수량은 아래의 표 1에서 보듯이 서로 반비례관계에 있다.
대용량 순환 유동층 보일러에서의 증발기/과열기의 부하별 필요 열흡수량(%)
100% 부하 75% 부하 50% 부하 30% 부하
증발기 34.5% 36.1% 39.9% 42.0%
과열기 33.1% 32.7% 30.7% 28.6%
또한 실제 순환 유동층 보일러가 저부하 일때, 연소로 내 유속이 상대적으로 느려져 열교환기 부근의 층물질 농도가 낮아질 뿐만 아니라 연소로 온도도 낮아져 수냉벽 및 윙월 열교환기의 열전달계수가 낮아진다. 반대로 고부하일 경우, 연소로 내 유속이 상대적으로 빨라져 열교환기 부근의 층물질 농도가 높아질 뿐만 아니라 연소로 온도도 높아져 수냉벽 및 윙월 열교환기의 열전달계수가 높아진다. 그러나 수냉벽에 비해 윙월은 상대적으로 연소로의 높은 위치에 있어 부하 변화에 따른 열전달계수 변화가 크게 변화하는 특징이 있다. 그 예가 표 2에 정리되어 있다.
대용량 순환 유동층 보일러에서의 수냉벽/윙월 열교환기의 부하별 열전달계수 변화비(%)
100% 부하 75% 부하 50% 부하 30% 부하
수냉벽 열교환기 100.0% 94.7% 84.8% 73.8%
윙월 열교환기 100.0% 92.0% 77.6% 66.5%
따라서 윙월 열교환기가 증발기와 과열기로 사용될 경우, 부하에 따라 그 비율을 변화시키면서 운전하는 것이 바람직하다. 즉 본 발명에서 제안한 가변 윙월 열교환기는 저부하에서 일부의 윙월 열교환기가 증발기로 동작하도록 하고, 고부하에서 일부의 윙월 열교환기가 과열기로 동작하도록 하여, 모든 부하 운전에서 열배분 부하가 적절해지도록 한다.
대용량 순환 유동층 보일러에 가변 윙월 열교환기가 적용될 경우, 표 3의 계산 결과와 같이 부하별 열배분 부하를 맞추기 위해 증발기와 과열기의 전환이 필요한 열전달 면적은 보일러 용량을 고려하여(표 3의 결과는 300MW급에 해당) 과열기 열전달 면적 대비 10% 내외가 적당한 것으로 판단된다.
대용량 순환 유동층 보일러에서의 수냉벽/윙월 열교환기의 부하별 필요 열전달 면적비(%)
100% 부하 75% 부하 50% 부하 30% 부하
수냉벽 열교환기 100.0% 100.9% 102.8% 105.5%
윙월 열교환기 100.0% 98.9% 96.2% 93.1%
상술한 바와 같이 부하 변동에 따른 열교환 면적 변경 뿐만 아니라 설계 연료가 아닌 다른 연료를 사용하여 연소로 내 연소 영역이 바뀌거나, 층물질 입도가 변경되어 연소로 내 수력학적 특징이 바뀔 경우, 역시 열배분 부하가 변경될 수 있다. 이 역시 본 발명을 이용하면 상황에 맞게 각 열교환기별 열전달 면적을 변경할 수 있어 보다 안정적으로 고효율 발전 사이클을 구현할 수 있다.
이때, 열배분 부하를 맞추기 위한 제어 방법은 각 열교환기(증발기/과열기)에서 얻은 열흡수량과 부하별 설계된 열흡수량을 비교하여, 부족한 열교환기의 열전달 면적을 늘여주고, 반대로 과잉으로 열흡수가되는 열교환기 열전달 면적을 줄여주는 방법으로 피드백 제어를 이용하여 원하는 열배분 부하를 얻을 수 있다.
증발기 및 과열기에서 얻은 열흡수량은 아래의 수학식 3 및 수학식 4와 같다.
[수학식 3]
Figure pat00003
[수학식 4]
Figure pat00004
여기서,
Figure pat00005
: 급수유량(kg/s),
Figure pat00006
: 증발기 입구 엔탈피(kJ/kg) (= 절탄기 출구 엔탈피)
Figure pat00007
: 증발기 출구 엔탈피(kJ/kg) (= 1차 과열기 입구 엔탈피)
Figure pat00008
: 과열기 유량(kg/s),
Figure pat00009
: 과열기 입구 엔탈피(kJ/kg),
Figure pat00010
: 과열기 출구 엔탈피(kJ/kg)이다.
일반적으로 윙월 열교환기가 과열기로 사용될 경우, 대부분 2차 과열기 혹은 최종 과열기 역활을 담당하게 된다. 따라서 과열기 유량은 2차 과열기일 경우, 급수 유량에 1차 과열기 이후 주입되는 과열 저감용 스프레이 유량을 포함하며, 3차 과열기의 경우, 1차 과열 저감용 스프레이 및 2차 과열 저감용 스프레이 유량이 더해지게 된다.
이하에서는 도면을 이용하여 본 발명의 구성 및 동작에 대하여 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열교환 장치를 갖는 유동층 보일러의 구성을 도시한 개략도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 유동층 보일러(100)는 연소로(110), 사이클론(120), 룹실(130)을 포함하며, 연소로(110) 내에 열교환기(140)가 설치되어 있다. 이러한 열교환기(140)는 연소로(110) 내의 일측에 일렬로 배열된 윙월 열교환기(140)와, 윙월 열교환기(140)의 후방에 위치된 수냉벽(150)을 포함한다.
또한, 본 발명에서 윙월 열교환기(140)는 다수의 고정 윙월 교환기(141)와, 고정 윙월 교환기(141)의 사이에 설치된 가변 윙월 열교환기(142)를 포함한다. 고정 윙월 열교환기(141)에 비해 가변 윙월 열교환기(142)의 개수가 상대적으로 작다. 또한, 고정 윙월 교환기(141)는 부하에 관계없이 일부가 증발 열교환기로 고정되어 동작하고, 다른 일부는 과열 열교환기로 고정되어 동작한다. 또한, 가변 윙월 열교환기(142)는 부하에 따라 증발 열교환기가 될 수도 있고, 과열 열교환기가 될 수도 있다. 이에 대해 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
여기서, 연소로(110), 사이클론(120) 및 룹실(130)의 구조 및 동작은 당업자에게 이미 주지된 내용이므로, 이에 대한 상세 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 도시한 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가변 열교환 장치(101)는 가변 윙월 열교환기(142), 증발기 입구 헤더(161), 과열기 입구 헤더(162) 및 밸브(170)를 포함한다.
여기서, 증발기 입구 헤더(161)는 기본적으로 증발기(수냉벽) 및 가변 열교환기(142)에 물을 공급할 수 있다. 과열기 입구 헤더(162) 역시 기본적으로 과열기 및 가변 열교환기(142)에 과열 증기를 공급할 수 있다.
또한, 밸브(170)는 증발기의 열흡수량 및 과열기의 열흡수량에 따라, 증발기 입구 헤더(161)로부터의 물이 가변 열교환기(142)에 공급되도록 하거나, 또는 과열기 입구 헤더(162)로부터의 과열 증기가 가변 열교환기(142)에 공급되도록 한다.
밸브(170)는 3-웨이 밸브를 포함할 수 있으며, 이러한 밸브(170)는 도 3에 도시된 로직(알고리즘)에 의해 제어된다.
또한, 비록 도면에 도시되어 있지는 않지만, 밸브(170)는 증발기 입구 헤더(161)와 가변 열교환기(142)의 사이에 설치된 제1밸브와, 과열기 입구 헤더(162)와 가변 열교환기(142)의 사이에 설치된 제2밸브를 포함하며, 이러한 밸브(170) 역시 도 3에 도시된 로직에 의해 제어될 수 있다.
일례로, 본 발명은 증발기(수냉벽)의 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량보다 크고, 상기 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 작은 경우, 밸브(170)에 의해 과열기 입구 헤더(162)로부터의 과열 증기가 가변 열교환기(142)에 공급되도록 하여, 가변 열교환기(142)가 과열기로 동작하도록 한다.
또한, 본 발명은 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량보다 작고, 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 큰 경우, 밸브(170)에 의해 증발기 입구 헤더(161)로부터의 물이 가변 열교환기(142)에 공급되도록 하여, 가변 열교환기(142)가 증발기로 동작하도록 한다.
이와 같이 하여, 본 발명은 각 열교환기(증발기/과열기)에서 얻은 열흡수량과 부하별 설계된 기준 열흡수량을 비교하여, 부족한 열교환기의 열전달 면적을 늘려주거나, 반대로 과잉으로 열흡수가 되는 열교환기의 열전달 면적을 줄여주는 방식으로, 운전 중 열배분 부하가 적절히 맞춰지도록 한다.
도 3은 도 2에 도시된 장치의 제어 로직을 도시한 순서도이다. 이러한 도 3을 참조하여, 도 2에 도시된 장치의 동작 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저, 부하별 설계된 각 열교환기별 필요 열흡수량이 입력되고, 이어서 현재 운전 조건에서의 각 열교환기의 열흡수량이 계산된다.(S1 및 S2 참조)
또한, 실제 증발기(또는 과열기)의 열흡수량 대비 설계 증발기(또는 과열기)의 열흡수량에 대한 비율이 허용 열흡수량비(예를 들면, 0.01)를 만족하게 되면 현재 운전 상태가 유지되도록 하고(S3 내지 S6 참조), 이러한 허용 열흡수량비보다 크거나 작으면 각 조건에 맞게 밸브가 조절되어 열배분 부하가 조절되도록 한다.(S6 내지 S14 참조) 여기서, 실제 증발기(또는 과열기)의 열흡수량 계산은 당업자에게 주지된 내용이므로, 이에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.
한편, 증발기에 대한 열흡수량비는 수학식 5와 같이 계산되고, 과열기에 대한 열흡수량비는 수학식 6과 같이 계산된다. (S3 참조)
[수학식 5]
Figure pat00011
[수학식 6]
Figure pat00012
수학식 5에서 DQevaporator가 1보다 크다는 것은 설계치보다 더 많은 열량을 실제 증발기에서 흡수하고 있다는 의미이고, 반대로 1보다 작다는 것은 설계치 보다 더 작은 열량을 실제 증발기에서 흡수하고 있다는 의미이다.
마찬가지로 수학식 6에서 DQSH가 1보다 크다는 것은 설계치보다 더 많은 열량을 실제 과열기에서 흡수하고 있다는 의미이고, 반대로 1보다 작다는 것은 설계치 보다 더 작은 열량을 실제 과열기에 흡수하고 있다는 의미이다.
즉, DQevaporator가 1에 허용 열흡수량비를 더한 값보다 크고, DQSH가 1로부터 허용 열흡수량비를 뺀값보다 작으면, 일부의 가변 윙월 열교환기(142)가 순차적으로 과열기로 동작되도록 밸브(170)를 조절하여 과열기측 열교환 면적이 증가하도록 한다. (S7 내지 S10 참조)
또한, DQevaporator가 1로부터 허용 열흡수량비를 뺀값보다 작고, DQSH가 1에 허용 열흡수량비를 더한 값보다 크면, 일부의 가변 윙월 열교환기(142)가 순차적으로 증발기로 동작되도록 밸브(170)를 조절하여 증발기측 열교환 면적이 증가하도록 한다.(S11 내지 S14 참조)
이와 같이 하여, 본 발명은 운전 중 열배분 부하가 맞지 않을 경우, 조절할 수 있는 제어 방법으로서, 각 열교환기(증발기, 과열기)에서 얻은 열흡수량과 부하별 설계된 실제 열흡수량을 비교하여, 부족한 열교환기의 열전달 면적을 늘여주고 반대로 과잉으로 열흡수가 되는 열교환기의 열전달 면적을 줄여주는 방법으로 피드백 제어를 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예는 윙월 열교환기를 사용할 수 밖에 없는 대용량 순환유동층 보일러에서 부하 변동에 따른 열배분 부하를 조절할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 운전 부하나 운전 조건 변화에 따라 열배분 부하가 변경되었을 때, 상황에 맞게 각 열교환기별 열전달 면적을 변경할 수 있어, 보다 안정적이고 고효율의 발전 사이클을 구현할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 도시한 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가변 열교환 장치(201)는 가변 윙월 열교환기(242), 과열기 입구 헤더(262) 및 밸브(270)를 포함한다.
여기서, 과열기 입구 헤더(262)는 가변 열교환기(242)에 과열 증기(대략 400℃)를 공급하는 역할을 하며, 밸브(270)는 증발기 열흡수량 및 과열기 열흡수량에 따라, 과열기 입구 헤더(262)를 가변 열교환기(242)의 상단(상부 헤더)(242a) 또는 상기 상단과 반대 방향인 가변 열교환기(242)의 하단(하부 헤더)(242b)에 연결하는 역할을 한다.
일반적으로, 유동층 보일러의 연소로 내에서 상단(242a)은 하단(242b)에 비해 상대적으로 높은 영역에 위치하기 때문에, 상단(242a)의 온도가 하단(242b)의 온도보다 상대적으로 낮다(작다). 일례로, 상단의 온도는 대략 800℃이고, 하단의 온도는 대략 900℃일 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명은 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량 범위를 만족하고, 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 작은 경우, 밸브(270)에 의해 과열기 입구 헤더(262)가 가변 열교환기(242)의 상단(상부 헤더)(242a)에 연결되도록 함으로써, 과열 증기가 가변 열교환기(242)의 상단(상부 헤더)(242a)에 공급되도록 하여, 가변 열교환기(242)의 열흡수량이 커지도록 한다. 즉, 밸브(270)의 동작에 의해 가변 열교환기(242)가 대향 유동 열교환기로 동작하도록 함으로써, 가변 열교환기(242)의 열흡수량이 상대적으로 커지도록 한다.
또한, 본 발명은 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량 범위를 만족하고, 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 큰 경우, 밸브(270)에 의해 과열기 입구 헤더(262)가 가변 열교환기(242)의 하단(하부 헤더)(242b)에 연결되도록 함으로써, 과열 증기가 가변 열교환기(242)의 하단(하부 헤더)(242b)에 공급되도록 하여, 가변 열교환기(242)의 열흡수량이 작아지도록 한다. 즉, 밸브(270)의 동작에 의해 가변 열교환기(242)가 평행 유동 열교환기로 동작하도록 함으로써, 가변 열교환기(242)의 열흡수량이 상대적으로 작아지도록 한다.
도 5는 도 4에 도시된 장치의 제어 로직을 도시한 순서도이다. 이러한 도 5를 참조하여, 도 4에 도시된 장치의 동작 방법을 더욱 구체적으로 설명한다. 여기서, 증발기 열흡수량은 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량의 범위를 만족하거나 동일한 것으로 가정한다.
먼저, 부하별 설계된 과열기의 필요 열흡수량이 입력되고, 이어서 현재 운전 조건에서의 과열기의 열흡수량이 계산된다.(S21 내지 S22 참조)
또한, 실제 과열기의 열흡수량 대비 설계 과열기의 열흡수량에 대한 비율(DQSH)이 허용 열흡수량비(예를 들면, 0.01)를 만족하게 되면 현재 운전 상태가 유지되도록 하고, 이러한 허용 열흡수량비보다 크거나 작으면 각 조건에 맞게 밸브(270)가 조절되어 열배분 부하가 조절되도록 한다. (S23 내지 S26 참조)
여기서, 과열기에 대한 열흡수량비는 상술한 수학식 6과 같이 계산된다.
상술한 바와 같이, 수학식 6에서 DQSH가 1보다 작다는 것은 설계치보다 더 작은 열량을 실제 과열기에서 흡수하고 있다는 의미이고, 반대로 1보다 크다는 것은 설계치 보다 더 큰 열량을 실제 과열기에 흡수하고 있다는 의미이다.
즉, DQSH가 1에서 허용 열흡수량비를 뺀값보다 작으면, 밸브(270)를 조정하여 과열기의 입구 헤더가 가변 윙월 열교환기(242)의 상단(상부 헤더)(242a)에 연결되도록 함으로써, 가변 윙월 열교환기(242)가 대향 유동 열교환기 형태가 되도록 하여 윙월 열교환기의 열흡수량이 증가하도록 한다.(S27 내지 S30 참조)
또한, DQSH가 1에 허용 열흡수량비를 더한 값보다 크면, 밸브(270)를 조정하여 과열기의 입구 헤더가 가변 윙월 열교환기(242)의 하단(하부 헤더)(242b)에 연결되도록 함으로써, 가변 윙월 열교환기(242)가 평행 유동 열교환기 형태가 되도록 하여 윙월 열교환기의 열흡수량이 감소하도록 한다.(S31 내지 S34 참조)
이와 같이 하여, 본 발명은 운전 중 열배분 부하가 맞지 않을 경우, 열교환기(과열기)에서 얻은 열흡수량과 부하별 설계된 열흡수량을 비교하여, 과열기로 이용되는 윙월 열교환기의 열흡수량이 증가하도록 하거나 감소하도록 함으로써, 유동층 보일러(201)의 열배분 부하가 적절히 제어되도록 한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 유동층 보일러의 가변 열교환 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 유동층 보일러 110; 연소로
120; 사이클론 130; 룹실
140; 열 교환기 141; 고정 열교환기
142; 가변 열교환기 150; 수냉벽
161; 증발기 입구 헤더 162; 과열기 입구 헤더
170; 밸브

Claims (12)

  1. 유동층 보일러에 있어서,
    증발기 또는 과열기로 동작하는 가변 열교환기를 포함함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 열교환기에 물을 공급하는 증발기 입구 헤더;
    상기 가변 열교환기에 증기를 공급하는 과열기 입구 헤더; 및
    증발기 열흡수량 및 과열기 열흡수량에 따라, 상기 증발기 입구 헤더로부터의 물이 상기 가변 열교환기에 공급되도록 하거나, 또는 상기 과열기 입구 헤더로부터의 증기가 상기 가변 열교환기에 공급되도록 하는 밸브를 더 포함함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량보다 크고,
    상기 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 작은 경우,
    상기 밸브에 의해 상기 과열기 입구 헤더로부터의 증기가 상기 가변 열교환기에 공급되도록 하여, 상기 가변 열교환기가 과열기로 동작하도록 함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량보다 작고,
    상기 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 큰 경우,
    상기 밸브에 의해 상기 증발기 입구 헤더로부터의 물이 상기 가변 열교환기에 공급되도록 하여, 상기 가변 열교환기가 증발기로 동작하도록 함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 증발기 입구 헤더, 상기 과열기 입구 헤더 및 상기 가변 열교환기의 사이에 연결된 3-웨이 밸브인 것을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브는
    상기 과열기 입구 헤더와 상기 가변 열교환기의 사이에 설치된 제1밸브와,
    상기 증발기 입구 헤더와 상기 가변 열교환기의 사이에 설치된 제2밸브를 포함함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 열교환기에 증기를 공급하는 과열기 입구 헤더; 및
    증발기 열흡수량 및 과열기 열흡수량에 따라, 상기 과열기 입구 헤더를 상기 가변 열교환기의 상단 또는 상기 상단과 반대 방향에 형성된 하단에 연결하는 밸브를 더 포함함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량의 범위에 있고,
    상기 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 작은 경우,
    상기 밸브에 의해 상기 과열기 입구 헤더가 상기 가변 열교환기의 상단에 연결되도록 하여, 상기 가변 열교환기의 열흡수량이 커지도록 함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가변 열교환기는 대향 유동 열교환기로 동작함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 증발기 열흡수량이 미리 정해진 기준 증발기 열흡수량의 범위에 있고,
    상기 과열기 열흡수량이 미리 정해진 기준 과열기 열흡수량보다 큰 경우,
    상기 밸브에 의해 상기 과열기 입구 헤더가 상기 가변 열교환기의 하단에 연결되도록 하여, 상기 가변 열교환기의 열흡수량이 작아지도록 함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가변 열교환기가 평행 유동 열교환기로 동작함을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 가변 열교환기의 상단 온도가 상기 하단 온도보다 작고,
    상기 증기의 온도가 상기 상단 온도보다 작은 것을 특징으로 하는 유동층 보일러의 가변 열교환 장치.
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