KR20150049903A - 저압 공급수 히터의 열교환 시스템 - Google Patents

저압 공급수 히터의 열교환 시스템 Download PDF

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Abstract

저압 공급수 히터의 열교환 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 저압 공급수 히터의 열교환 시스템은 고온 고압의 스팀이 발생되는 스팀 발생부; 상기 스팀 발생부에서 발생된 스팀을 소모하는 스팀 소모부; 스팀 소모부로부터 사용된 스팀이 유입되는 저압 공급수 히터; 상기 저압 공급수 히터로 공급수를 공급하는 저압 공급수 공급부; 및 상기 저압 공급수 히터와 저압 공급수 공급부 사이에 설치되어 상기 저압 공급수 히터 쉘 내부의 압력에 따라 상기 저압 공급수 공급부에서 공급된 공급수량을 탈기기(deaerator)로 공급하는 저압 공급수 바이패스 제어 밸브를 포함한다.

Description

저압 공급수 히터의 열교환 시스템{Heating exchange system of Low pressure feed water heater}
본 발명은 저압 공급수 히터의 안정적인 열교환을 위한 것으로서, 보다 상세하게는 선박 또는 해양 구조물에 설치된 저압 공급수 히터로 공급되는 스팀과, 저압 공급수의 안정적인 열교환 및 상기 저압 공급수 히터의 워터 해머링을 방지하기 위한 저압 공급수 히터의 열교환 시스템 에 관한 것이다.
일반적으로 천연가스(NG)는 일상적으로 LNG로서 액체상태로 일 지점에서 다른 지점으로 수송된다. LNG가 차지하는 부피는 동일한 양의 천연가스가 기체상태에서 차지하는 부피의 약 1/600 만을 차지하므로 천연가스를 액화하면 보다 경제적으로 수송할 수 있게 된다. 일 지점에서 다른 지점으로의 LNG의 대량수송은 "LNGC(Liquefied Natural Gas Carrier)"로 불리며 극저온 저장능력을 가지는 이중선체 원양 선박들을 이용하여 이루어지는 것이 가장 일반적이다.
LNG는 대체로 상기 LNGC선상의 극저온 저장탱크들에 저장되며, 상기 저장탱크들은 대기압하 또는 대기압보다 약간 높은 압력에서 작동한다. 현존하는 대다수의 LNGC들은 120,000㎥ 내지 150,000㎥의 크기 범위의 LNG 화물저장능력을, 일부 LNGC들은 264,000㎥에 이르는 저장능력을 가진다. 압력이 일정하게 유지된다면 LNG 저장탱크 내의 온도는 일정하게 유지될 것이며, 그 반대도 마찬가지이다. 이 현상은 본 기술분야에서 "자동-냉각"으로 불린다.
따라서 비등하거나 증발하는 LGN의 양을 제한하기 위하여 LNG 저장탱크들이 심하게 단열되는 동안, 액체기화가스의 일부가 상기 탱크로부터 방출되지 않으면, 상기 탱크 내의 압력 및 온도가 상승을 계속할 것이다.
LNGC는 일반적으로 어느 국가에 위치된 수출터미널에서 LNG 화물을 수취하고, 다른 국가에 위치된 수입터미널에서 화물을 전달하기 위하여 대양을 항해한다. 최종사용자들의 배달조건들에 맞는 온도 및 압력으로 파이프라인 또는 다른 분배네트워크를 통하여 최종사용자들에게 분배되기 전에 LNG는 일반적으로 재기화된다. 수입터미널에 도착하면, 상기 LNGC는 부두 또는 방파제(jetty)에 정박하고, 상기 LNG를 액체로 수입터미널에 위치된 해안저장 및 재기화 시설로 하역한다.
상기 LNG의 재기화는 주어진 압력에서 LNG의 끓는점 이상으로 LNG의 온도를 상승시킴으로써 달성되는 것이 가장 일반적이다. 상기 해안 재기화 시설은 일반적으로 다수개의 열교환기들 또는 기화기들, 펌프들, 및 압축기들을 포함한다. 이와 같은 해안 저장 및 재기화 시설들은 일반적으로 크고 건조 및 작동에 수반되는 비용들은 상당히 많다.
상기 LNGC는 주 보일러에서 생성된 스팀과 각종 터빈에서 발생된 추기 및 배기 스팀과 메인 콘덴서에서 응축된 응축수가 서로 간에 열교환되는 저압 공급수 히터(Low pressure feed water heater)가 설치되고, 상기 저압 공급수 히터에서 열교환된 저압 공급수는 용존 산소 제거 장치로 공급되어 저압 공급수에 포함된 용존 산소 및 탄산가스가 분리된다.
상기 저압 공급수 히터는 스팀발생부에서 공급되는 스팀량이 상기 저압 공급수의 공급량보다 상대적으로 감소될 경우 워터 해머링 및 저압 공급수 히터 쉘 내부의 수위가 비정상적으로 상승되는 문제점이 발생되었고, 이와 같은 문제점을 예방할 수 있는 대응 방안이 필요하게 되었다
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0060332호 (공개일: 2009년06월11일)
본 발명의 실시 예들은 저압 공급수 히터에서 발생되는 워터 해머링 현상과 비정상적인 수위 상승을 방지하여 저압 공급수 히터의 안정적인 열교환을 실시하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고온 고압의 스팀이 발생되는 스팀 발생부; 상기 스팀 발생부에서 발생된 스팀을 소모하는 스팀 소모부; 공기예열기에서 배출된 스팀이 유입되는 저압 공급수 히터; 상기 저압 공급수 히터로 저압 공급수를 공급하는 저압 공급수 공급부; 및 상기 저압 공급수 히터와 저압 공급수 공급부 사이에 설치되어 상기 저압 공급수 히터의 쉘 내부 압력에 따라 상기 저압 공급수 공급부에서 공급된 공급수량을 탈기기(deaerator)로 바로 공급하는 저압 공급수 바이패스 제어 밸브를 포함한다.
상기 스팀 발생부는 메인 터빈과, 주 급수펌프 터빈 유닛과, 주 보일러에서 공급되는 스팀을 포함한다.
상기 스팀 소모부는 조수기, 탈기기, 공기예열기 등을 포함한다.
상기 저압 공급수 히터는 쉘 앤 튜브(shell & tube) 타입으로 이루어져 상기 스팀 소모부에서 사용되고 배출된 스팀은 쉘로 유입되고, 상기 저압 공급수 공급부에서 공급된 저압 공급수는 튜브에 공급되어 서로 간에 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 저압 공급수 히터는 상기 스팀 발생부에서 공급된 스팀의 응축수량 에 의해 변화된 저압 공급수 히터의 쉘 내부 수면 변화를 감지하는 제1 감지부; 상기 저압 공급수 히터 내부의 공급수량이 기준치 이상일 경우 이를 경고하기 위한 제1 알람기를 포함한다.
상기 저압 공급수 히터는 쉘 내부 압력을 감지하는 제2 감지부; 상기 저압 공급수 히터 쉘 내부의 스팀 압력이 기준치 이하일 경우 이를 경고하기 위한 제2 알람기를 포함한다.
상기 저압 공급수 히터는 공급된 스팀의 응축수가 배수되는 드레인 관을 포함하고, 상기 드레인 관에는 상기 제1 감지부에서 감지된 쉘 내부 수위에 따라 상기 드레인 관으로 배수되는 배수량을 제어하는 수위제어 밸브를 포함한다.
상기 저압 공급수 바이패스 제어 밸브는 상기 저압 공급수 공급부에서 연장된 공급수관에 설치된 되어 바이패스 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 저압 공급수 공급부는 메인터빈에서 배출된 스팀이 해수와 열교환되는 메인 콘덴서; 터빈에서 사용된 글랜드 스팀이 회수되고 상기 메인 콘덴서를 경유하여 열교환된 공급수와 재 열교환이 이루어지는 글랜드 콘덴서를 포함한다.
상기 저압 공급수 히터의 열교환 시스템은 선박 또는 해양 구조물에 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들은 저압 공급수 히터 쉘 내부 압력의 진공 형성을 방지하여 워터 해머링과 비정상적 레벨 상승을 방지하여 안정적인 열교환을 실시할 수 있으므로, 기기 오작동 및 불필요한 소음 발생을 원천적으로 차단시켜 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저압 공급수 히터의 열교환 시스템
도 2 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저압 공급수 히터의 열교환 시스템의 작동 상태도.
본 발명의 일 실시 예에 따른 저압 공급수 히터의 열교환 시스템의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 저압 공급수 히터의 열교환 시스템(1)은 고온 고압의 스팀이 발생되는 스팀 발생부(110)와, 상기 스팀 발생부(110)에서 발생된 스팀을 소모하는 스팀 소모부(120)와 상기 공기예열기(121)에서 배출된 스팀이 유입되는 저압 공급수 히터(200)와, 상기 저압 공급수 히터(200)로 저압 공급수를 공급하는 저압 공급수 공급부(300); 및 상기 저압 공급수 히터(200)와 공급수 공급부(300) 사이에 설치되어 상기 저압 공급수 히터(200)의 쉘 내부 압력에 따라 상기 저압 공급수 공급부(300)에서 공급된 저압 공급수를 선택적으로 탈기기(deaerator)(10)로 공급하는 저압 공급수 바이패스 제어 밸브(400)를 포함한다.
본 실시 예에 의한 스팀 발생부(110)는 저압 및 고압터빈(102,104) 사이 스팀 추출부와, 주급수 펌프 터빈 유닛(106)과, 주 보일러에서 공급되는 스팀(107)을 포함하고, 상기 저압 및 고압터빈(102,104)에서는 항시 고온 고압의 스팀이 발생되지 않고 메인터빈의 출력에 따라 특정 압력 이상에서만 고온 고압의 스팀이 공급된다.
상기 메인 터빈(100)에서 공급되는 스팀과 주급수펌프 터빈 유닛(106)에서 배출되는 스팀의 압력이 충분하지 못하면 특정 압력을 만족할 때까지 주 보일러에서 생성된 스팀(107)이 공급된다.
본 실시 예에 의한 저압 공급수 히터에 대해 설명한다.
저압 공급수 히터(200)는 쉘 앤 튜브(shell & tube) 타입으로 이루어지고, 다량의 공급수와 스팀이 공급되도록 상대적으로 큰 체적을 가지고 이루어지며, 공기예열기(121)에서 배출된 스팀은 쉘로 유입되고, 상기 저압 공급수 공급부(300)에서 공급된 저압 공급수는 튜브에 공급되어 서로 간에 열교환이 이루어진다.
상기 스팀은 저압 공급수 히터(200)의 상측으로 유입되고, 저압 공급수는 저압 공급수 히터(200)의 측면과 연결된 공급수관의 하부 분기관을 통해 유입된다.
저압 공급수 히터(200)는 상기 스팀 발생부에서 공급된 스팀의 응축수량 에 의해 변화된 쉘 내부 수면 변화를 감지하는 제1 감지부(210)와, 상기 저압 공급수 히터(200) 내부의 수면이 기준치 이상일 경우 이를 경고하기 위한 제1 알람기(220)를 포함한다. 상기 제1 감지부(210)는 실시간으로 쉘 내부의 수면 변화를 감지하며 후술할 수위제어밸브(250)에 감지 신호를 전송하며 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
제1 알람기(220)는 상기 제1 감지부(210)에서 감지된 쉘 내부의 수면이 상대적으로 높은 상태일 경우 작업자 또는 담당자에게 현 상태를 알리기 위해 부저 또는 경광등으로 이루어져 청각 또는 시각으로 현 상태를 경고한다.
저압 공급수 히터(200)는 상기 저압 공급수 히터의 쉘 내부 압력을 감지하는 제2 감지부(230)와, 상기 저압 공급수 히터(200) 쉘 내부의 압력이 기준치 이하일 경우 이를 경고하기 위한 제2 알람기(240)를 포함한다.
상기 제2 감지부(230)는 쉘 내부의 압력이 대기압보다 낮은 진공 상태일 경우 상기 저압 공급수 히터(200)에서 워터 해머링이 발생될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 실시간으로 상기 저압 공급수 히터(200) 내부의 압력을 감지한다.
상기 제2 감지부(230)는 실시간으로 쉘 내부의 압력 변화를 감지하며 후술할 저압 공급수 바이패스 제어 밸브(400)에 감지 신호를 전송하며 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
또한 제2 알람기(240)는 제1 알람기(220)와 마찬가지로 쉘 내부 압력을 감지하여 특정 압력 보다 낮은 상태일 경우 작업자 또는 담당자에게 현 상태를 알리기 위해 부저 또는 경광등으로 이루어져 청각 또는 시각으로 현 상태를 경고한다.
저압 공급수 히터(200)는 공급된 스팀의 응축수가 배수되는 드레인 관(202)을 포함하고, 상기 드레인 관(202)에는 상기 제1 감지부(210)에서 감지된 쉘 내부 수면에 따라 상기 드레인 관(202)으로 배수되는 배수량을 제어하는 수위 제어밸브(251)를 포함한다.
상기 수위 제어밸브(251)는 전술한 제1 알람기(220)에서 전송된 신호를 입력받아 오픈 또는 클로즈되고, 만약, 저압 공급수 히터(200)의 내부 수면이 상승될 경우 상기 수위제어 밸브(251)가 오픈되어 상기 저압 공급수 히터(200) 내부의 응축수를 드레인시켜 안정적인 열교환을 실시할 수 있다.
본 발명에 의한 저압 공급수 바이패스 제어 밸브(400)는 상기 저압 공급수 공급부(300)에서 연장된 공급수관(302)에 설치되고, 상기 공급수 제어 밸브(400)는 전자 제어 밸브로서 자동으로 오픈 또는 클로즈되므로 작업자가 일일이 개폐하지 않아도 되므로 보다 편리하게 공급수량을 조절할 수 있다.
상기 저압 공급수는 평상시에는 저압 공급수관(302)을 통해 저압 공급수 히터(200)의 내부로 공급되고, 상기 저압 공급수 히터(200)의 쉘 내부 압력이 기준치 이하일 경우 상기 저압 공급수 히터(200)로 공급되지 않고 탈기기(10)를 향해 공급되어 다량의 저압 공급수가 저압 공급수 히터(200)로 공급되는 것이 차단된다.
저압 공급수 공급부(300)는 메인터빈에서 배출된 스팀이 해수와 열교환되는 메인 콘덴서(310)와, 터빈에서 사용된 글랜드 스팀이 회수되고 상기 메인 콘덴서(310)를 경유하여 열교환된 공급수와 재 열교환이 이루어지는 글랜드 콘덴서(320)를 포함한다. 상기 메인 콘덴서(310)는 상기 글랜드 콘덴서(320)에 비해 상대적으로 용량이 큰 콘덴서로서 다량의 응축수를 보일러로 공급한다.
저압 공급수관(302)에는 메인 콘덴서(310)에서 배출된 응축수를 탈기기(10)로 공급하기 위한 주 복수펌프(200)가 설치되어 일정한 압력으로 전술한 저압 공급수 히터(200)로 공급한다.
본 실시 예에 의한 저압 공급수 히터의 열교환 시스템(1)은 선박 또는 해양 구조물에 설치될 수 있으나, 다른 구조물에도 설치 가능함을 밝혀둔다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 의한 저압 공급수 히터의 열교환 시스템의 작동 상태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 2 내지 도 3을 참조하면, 고압 및 저압터빈(102,104)의 출력이 증가된 후에 소정의 압력으로 증가되면, 다량의 추기스팀이 화살표 방향으로 이동되고, 주 급수펌프 터빈 유닛(106)에서 배출되는 고온의 스팀도 화살표 방향으로 이동되어 시스템 내로 공급된다. 본 시스템의 스팀 압력이 특정 압력에 못 미치면 주 보일러에서 생성된 스팀(107)이 공급된다.
스팀발생부(110)에서 발생된 스팀은 화살표를 따라 조수기, 탈기기, 공기예열기 등의 스팀 소모부(120)로 이동되고, 공기예열기(121)에서 배출된 스팀이 저압 공급수 히터(200)로 공급되고, 이와 동시에 메인 콘덴서(310)에서 응축된 공급수가 주 복수펌프(200)에 의해 펌핑되어 화살표 방향을 따라 이동되어 글랜드 콘덴서(320)로 이동되며, 상기 글랜드 콘덴서(320)에서 터빈(미도시)에서 이송된 글랜드 스팀과 열교환이 이루어져 소정의 온도로 승온된다.
저압 공급수는 상기 글랜드 콘덴서(320)를 경유하여 화살표 방향으로 이동되어 저압 공급수 히터(200)의 튜브로 공급되어 쉘로 공급된 스팀과 열교환이 이루어진 후에 탈기기(10)로 이동된다.
정상상태일 경우 위와 같이 작동되나, 만약 스팀 발생부(110)에서 발생된 스팀이 상기 저압 공급수 히터(200)로 공급되는 저압 공급수량 보다 상대적으로 적게 공급될 경우 상기 저압 공급수 히터(200)로 유입된 스팀이 과냉각 되고, 스팀의 체적이 감소되어 쉘 내부 압력이 진공 상태로 변화되며, 이로 인해 워터 해머링과 비정상적 수위상승이 발생될 수 있으나, 본 발명에 의한 제2 감지부(230)가 저압 공급수 히터(200) 쉘 내부의 압력을 감지하여 공급수 바이패스 제어 밸브(400)에 감지 신호를 전송하면, 상기 공급수 바이패스 제어 밸브(400)가 이를 입력받아 저압급수관(302)의 바이패스관을 통해 저압 공급수가 탈기기(10)로 공급되도록 조절된다.
상기 저압 공급수 히터(200)로 공급되는 다량의 공급수는 화살표로 도시된 바와 같이 상기 저압 공급수 히터(200)로 유입되지 않고 탈기기(10)를 향해 곧바로 이동되어 상기 저압 공급수 히터(200)에서의 워터 해머링 발생과 비정상적 수위 상승이 방지된다.
또한 제2 감지기(230)에 의해 저압 공급수 히터(200) 쉘 내부의 압력이 기준치에 근접될 경우 상기 저압 공급수 바이패스 제어 밸브(400)는 클로즈 되면서 도 2의 상태로 공급수가 정상 상태로 순환된다.
이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 메인터빈
110 : 스팀 발생부
120 : 스팀 소모부
200 : 저압 공급수 히터
210 : 제1 감지부
220 : 제1 알람기
230 : 제2 감지부
240 : 제2 알람기
251 : 수위제어 밸브
300 : 공급수 공급부
400 : 공급수 바이패스 제어 밸브

Claims (9)

  1. 고온 고압의 스팀이 발생되는 스팀 발생부;
    상기 스팀 발생부에서 발생된 스팀을 소모하는 스팀 소모부;
    상기 스팀 소모부에서 배출된 스팀이 유입되는 저압 공급수 히터;
    상기 저압 공급수 히터로 공급수를 공급하는 저압 공급수 공급부; 및
    상기 저압 공급수 히터와 저압 공급수 공급부 사이에 설치되어 상기 저압 공급수 히터 쉘 내부 압력에 따라 상기 저압 공급수 공급부에서 공급된 공급수를 선택적으로 탈기기(deaerator)로 공급하는 저압 공급수 바이패스 제어 밸브를 포함하는 저압 공급수 히터의 열교환 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스팀 발생부는,
    저압 및 고압터빈과, 주 급수펌프 터빈 유닛과, 주 보일러 스팀 공급부를 을 포함하는 저압 공급수 히터의 열교환 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 저압 공급수 히터는,
    쉘 앤 튜브(shell & tube) 타입으로 이루어져 상기 스팀 소모부에서 사용되고 배출된 스팀은 쉘로 유입되고, 상기 저압 공급수 공급부에서 공급된 공급수는 튜브에 공급되어 서로 간에 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 저압 공급수 히터의 열교환 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 저압 공급수 히터는,
    상기 스팀 발생부에서 공급된 스팀의 응축수량에 의해 변화된 저압 공급수 히터의 쉘 내부 수면 변화를 감지하는 제1 감지부;
    상기 저압 공급수 히터 쉘 내부의 수면이 기준치 이상일 경우 이를 경고하기 위한 제1 알람기를 포함하는 저압 공급수 히터의 열교환 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 저압 공급수 히터는,
    상기 저압 공급수 히터의 쉘 내부 스팀의 압력을 감지하는 제2 감지부;
    상기 저압 공급수 히터 내부의 스팀 압력이 기준치 이하일 경우 이를 경고하기 위한 제2 알람기를 포함하는 저압 공급수 히터의 열교환 시스템.
  6. 제1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저압 공급수 히터는,
    응축수가 배수되는 드레인 관을 포함하고, 상기 드레인 관에는 상기 제1 감지부에서 감지된 히터 쉘 내부 수위에 따라 상기 드레인 관으로 배수되는 배수량을 제어하는 수위조절밸브를 포함하는 저압 공급수 히터의 열교환 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 저압 공급수 제어 밸브는,
    상기 저압 공급수 공급부에서 연장된 공급수관의 바이패스 관에 설치된 것을 특징으로 하는 저압 공급수 히터의 열교환 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 저압 공급수 공급부는,
    메인터빈에서 배출된 스팀이 해수와 열교환되는 메인 콘덴서;
    터빈에서 사용된 글랜드 스팀이 회수되고 상기 메인 콘덴서를 경유하여 열교환된 저압 공급수와 재 열교환이 이루어지는 글랜드 콘덴서를 포함하는 저압 공급수 히터의 열교환 시스템.
  9. 상기 제1 항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 저압 공급수 히터의 열교환 시스템은 선박 또는 해양 구조물에 설치된 것을 특징으로 하는 저압 공급수 히터의 열교환 시스템.
KR1020130131062A 2013-10-31 2013-10-31 저압 공급수 히터의 열교환 시스템 KR101588223B1 (ko)

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