KR20160130500A - 상향 가스 유동을 위한 수직 덕트와 관련된 자연 순환 증기 발생기의 증발 사이클 - Google Patents

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아멕 포스터 휠러 에너지아 에스.엘.유.
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Abstract

본 발명은, 상향 가스 유동 (14) 을 위한 수직 덕트 (12) 와 관련된 자연 순환 증기 발생기의 증발 사이클 (10) 에 관한 것으로, 본 증발 사이클은, 증기 드럼 (16); 다운코머 튜브와 유동 연통하고, 제 1 증발 섹션 (28), 및 상기 제 1 증발 섹션과 병렬로 연결되고 상기 제 1 증발 섹션보다 높은 레벨에 배치된 제 2 증발 섹션 (30) 을 포함하는 증발기 (20) 로서, 상기 증발 섹션 각각은 다수의 병렬 연결된 증발 튜브들 (32, 42) 을 포함하고 상기 수직 덕트에 걸쳐 실질적으로 수평의 통로 (34) 또는 다수의 직렬 연결된 실질적으로 수평의 통로들 (44, 44') 을 구비하는, 상기 증발기 (20); 및 상기 증발기와 유동 연통하는 상향 튜브 (22) 를 포함한다. 본 발명에 따르면, 증발기 사이클은 상기 증발기에서의 물의 유동을 보조하기 위해 상기 가스 유동으로부터 유래하는 열 이외에 다른 외부 구동력 소스와 관련되지 않고, 상기 증발기는, 상기 제 1 및 제 2 증발 섹션들로부터 상기 상향 튜브쪽으로 증기와 물을 가져가기 위한 수직으로 배치된 출구 매니폴드 (40) 를 포함하고, 상기 출구 매니폴드는 하측 부분 (38) 및 상기 하측 부분 위의 상측 부분 (48) 을 포함한다. 더욱이, 상기 제 1 증발 섹션은 상기 하측 부분과 직접 유동 연통하고, 상기 제 2 증발 섹션은 상기 상측 부분과 직접 유동 연통한다.

Description

상향 가스 유동을 위한 수직 덕트와 관련된 자연 순환 증기 발생기의 증발 사이클{EVAPORATION CYCLE OF A NATURAL CIRCULATION STEAM GENERATOR IN CONNECTION WITH A VERTICAL DUCT FOR UPWARD GAS FLOW}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 자연 순환 증기 발생기의 증발 사이클에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은, 다운코머 파이프 (downcomer pipe) 에 물을 공급하기 위한 증기 드럼; 상기 다운코머 파이프와 유동 연통하고, 제 1 증발 섹션, 및 상기 제 1 증발 섹션과 병렬로 연결되고 상기 제 1 증발 섹션보다 높은 레벨에 배치된 제 2 증발 섹션을 포함하는 증발기로서, 상기 증발 섹션 각각은 상기 물을 증기와 물의 혼합물로 증발시키기 위해 상기 수직 덕트에 걸쳐 하나의 실질적으로 수평의 패스 (34) 또는 다수의 직렬 연결된 실질적으로 수평의 패스들을 구비하는 다수의 병렬 연결된 증발 튜브들을 포함하는, 상기 증발기; 및 증기와 물의 상기 혼합물을 상기 드럼까지 전달하기 위해 상기 증발기와 유동 연통하는 라이저 파이프;를 포함하는, 상향 가스 유동을 위한 수직 덕트와 관련된 자연 순환 증기 발생기의 증발 사이클에 관한 것이다.
열회수 증기 발생기 (HRSG) 는 수평 가스 유동 덕트 또는 수직 가스 유동 덕트와 관련되어 배치될 수 있다. 후자의 타입, 이른바 수직 HRSG 는 일반적으로 특히 작은 풋프린트 영역, 효과적인 열 전달 및 비교적 용이한 세척 때문에 유리하다. 수직 HRSG 에서의 종래의 증발 사이클의 단점은, 수평으로 연장되는 증발 튜브들 때문에, 증발 튜브들을 통해 요구되는 물 유동을 보장하기 위해 보통 순환 펌프 또는 다른 외부 구동력 (motive force) 소스가 필요하다는 것이다.
수직 증기 발생기의 각 증발 튜브는 일반적으로 가스 덕트에 걸쳐 다수의 직렬 연결된 패스들을 포함하고, 이 패스들은 가스 유동에 대해 평행하거나 반류 (countercurrent) 일 수 있는 물 유동을 집합적으로 발생시킨다. 이는 가스 유동이 상향이라면, 물 유동 방향에서 느린 각 수평 패스가 물 유동 방향에서 이른 개별 수평 패스의 하류에, 즉 그보다 더 높은 레벨에 배치되는 경우, 물 유동이 가스 유동에 평행하다는 것을 의미한다. 상응하게, 물 유동 방향에서 느린 각 수평 패스가 물 유동 방향에서 이른 개별 수평 패스보다 상류에, 즉 그보다 낮은 수직 레벨에 배치되는 경우, 물 유동은 상향 가스 유동에 대해 반류이다.
특허공보 EP 0　764　813 B1 은 고온 가스 스트림에 대해 반류 유동에 있는 수평 증발 튜브들을 포함하는, 순환 펌프가 없는 열회수 증기 발생기의 증발 사이클을 개시하는데, 증발 섹션의 입구 헤더는 다운코머 파이프의 하향 루프에 연결된다. 이는 매우 간단한 사이클이지만, 모든 상황에서 충분한 물 순환을 제공하지 않을 수도 있다.
특허공보 EP 0　357 590 B1 및 미국 특허 제 5,575,244 호는, 증발 사이클에서 자연 순환을 시작되게 하기 위해 이젝터의 이용에 기초하는, 가스 유동에 대해 평행하게 연결된 수평 증발 튜브들을 포함하는 열회수 증기 발생기를 위한 상이하며 더 복잡한 해법을 개시한다. 상응하게, 특허공보 EP 0 752 556 B1 은, 급수 펌프의 도움으로 유동하는 급수의 스트림이 자연 순환을 시작되게 하기 위해 증발 튜브들의 입구측에 주입되는, 수평 증발 튜브들을 갖는 열회수 증기 발생기를 개시한다.
미국 특허 제 5,762,031 호는, 가스 유동에 대해 평행하게 연결된 수평 증발 튜브들을 포함하는 복잡한 열회수 증기 발생기를 개시한다. 이 증기 발생기에서, 증발기는 2 개의 섹션으로 분할되는데, 그중 제 1 섹션은 시스템의 급수 라인에 직접 연결되고, 따라서 그 안에서의 물 유동은 급수 펌프를 이용한 강제 순환에 기초한다. 제 2 증발 섹션은 주로 증기 드럼으로부터의 자연 순환에 기초하지만, 급수 펌프로 자연 순환을 보조하기 위해 2 개의 증발 섹션들의 출구측들은 함께 연결된다.
미국 특허 제 1,486,888 호는, 상향 가스 유동을 갖는 수직 연소 챔버 내에서 방사열을 흡수하기 위해 경사지거나 부분적으로 경사지고 부분적으로 수직의 튜브들을 갖는 제 1 증발 섹션, 및 가스 통로의 다수의 섹션들에 걸쳐 배치된 경사진 튜브들로 대류열을 흡수하기 위한 제 2 증발 섹션을 포함하는 증기 보일러를 개시한다. 특허공보 FR 1　523　735 A 는, 수평 가스 유동을 위한 챔버에 수평 단부 섹션들 사이에 경사진 섹션을 구비하는 증발 튜브들과 함께 증발 섹션을 갖는 증기 보일러를 개시한다. 특허공보 GB 810　900 A 는, 압력 용기 내의 수직 가스 유동에 걸쳐 다수의 수평 패스들을 갖는 통상적인 증발 튜브 번들들을 포함하는 자연 순환 증기 발생기를 개시한다.
본 발명의 목적은 상향 가스 유동을 위한 수직 덕트와 관련된 자연 순환 증기 발생기의 간단하고 효과적이며 신뢰가능한 증발 사이클을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 증발기에서의 물의 유동을 보조하기 위해 증발 사이클이 외부 구동력 소스와 관련되지 않은, 상향 가스 유동을 위한 수직 덕트와 관련된 자연 순환 증기 발생기의 증발 사이클을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상향 가스 유동을 위한 수직 덕트와 관련된 자연 순환 증기 발생기의 증발 사이클이 제공되며, 증발 섹션은, 다운코머 파이프에 물을 공급하기 위한 증기 드럼; 상기 다운코머 파이프와 유동 연통하고, 제 1 증발 섹션, 및 상기 제 1 증발 섹션과 병렬로 연결되고 상기 제 1 증발 섹션보다 높은 레벨에 배치된 제 2 증발 섹션을 포함하는 증발기로서, 상기 증발 섹션 각각은 상기 물을 증기와 물의 혼합물로 증발시키기 위해 상기 수직 덕트에 걸쳐 하나의 실질적으로 수평의 패스 또는 다수의 직렬 연결된 실질적으로 수평의 패스들을 구비하는 다수의 병렬 연결된 증발 튜브들을 포함하는, 상기 증발기; 및 증기와 물의 상기 혼합물을 상기 드럼까지 전달하기 위해 상기 증발기와 유동 연통하는 라이저 파이프;를 포함하고, 증발기 사이클은 상기 증발기에서의 상기 물의 유동을 보조하기 위해 상기 가스 유동으로부터의 열 이외에 다른 외부 구동력 소스와 관련되지 않고, 상기 증발기는, 상기 제 1 및 제 2 증발 섹션들로부터 상기 라이저 파이프까지 상기 증기와 물을 수집하기 위한 수직으로 연장되는 출구 수집기를 포함하고, 상기 출구 수집기는 하측 부분 및 상기 하측 부분 위의 상측 부분을 포함하고, 상기 제 1 증발 섹션은 상기 하측 부분과 직접 유동 연통하고, 상기 제 2 증발 섹션은 상기 상측 부분과 직접 유동 연통한다.
실제로, 완전한 증발 시스템은 전술한 바와 같은 다수의 증발 사이클들을 보통 포함하고, 즉 다수의 다운코머 파이프들, 증발기들 및 라이저 파이프들이 존재할 수 있다. 열회수 증기 발생기는 수직 덕트에서 상이한 높이 레벨들에 배치된 상이합 압력 레벨들에 별개의 증발 사이클들을 포함할 수도 있다. 각 증발 사이클은 동일한 높이 레벨에 나란히 배치된 적어도 다수의 증발기들을 보통 포함한다. 전술한 바와 같은 다수의 증발기들이 동일한 다운코머 및 라이저 파이프들에 연결되거나, 또는 예컨대 다수의 증발기들이 공통 입구 헤더들 및 출구 수집기들을 공유하는 것도 또한 가능하다. 따라서, 아래에서 단일 증발 사이클의 상이한 실시형태들을 논의하지만, 이 논의는 더 큰 증발 시스템에 일부로서 그러한 증발 사이클을 갖는 시스템에도 또한 적용되는 것으로 생각되어야 한다.
본 증발 사이클의 중요한 특징은, 사이클이 증발기에서의 물 유동을 보조하기 위해 수직 덕트에서의 고온 가스 스트림으로부터의 열 이외에 다른 외부 구동력 소스와 관련되지 않는다는 것이다. 이는 증발 사이클이 물 유동을 시작되게 하거나 유지하기 위해 중력과 고온 가스로부터의 열 이외에 어떠한 외부 장비나 조치를 포함하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 증발 사이클은 예컨대 순환 펌프, 이젝터 펌프, 또는 급수 펌프에 의해 추진되는 급수의 주입을 포함하지 않는다.
본 발명에 따르면, 증발기는 제 1 증발 섹션이 제 2 증발 섹션보다 더 낮은 레벨에 있도록 배치되는 2 개의 증발 섹션들로 분할된다. 따라서, 제 1 증발 섹션을 하측 증발 섹션이라고 칭할 수 있고, 제 2 증발 섹션을 상측 증발 섹션이라고 칭할 수 있다. 제 1 및 제 2 증발 섹션들은 병렬로 연결되고, 즉 쌍방의 섹션은 다운코머 파이프에 의해 직접 공급된다.
본 발명에 따른 물 순환을 초래하기 위한 장치는, 증발기가 제 1 및 제 2 증발 섹션들로부터 라이저 파이프로 증기와 물을 수집하기 위해 수직으로 연장되는 출구 수집기, 유리하게는 수직으로 배치된 세장형 (elongated) 챔버를 포함하는 것을 포함한다. 출구 수집기는 하측 부분 및 하측 부분 위의 상측 부분을 포함하고, 제 1 증발 섹션은 하측 부분에 부착되고 제 2 증발 섹션은 상측 부분에 부착된다.
본 장치의 이점은, 초기 고온 가스 유동에 의해 가열되는 하측 증발 섹션이 수직으로 연장된 출구 수집기의 하측 부분에 수집될 비교적 다량의 증기를 생성한다는 본 발명자들의 관찰에 기초한다. 그리고, 수집된 증기는 출수 수집기 내에서 상승하여, 상측 증발 섹션으로부터 출구 수집기의 상측 부분에 수집된 증기 및 고온 물과 조합된다. 증기와 고온 물의 형성된 혼합물은 출구 수집기로부터 출구 수집기의 정상부에 연결된 통상적인 라이저 파이프로, 그리고 나서 라이저 파이프를 통해 다시 드럼으로 유동한다.
상측 및 하측 증발 섹션들은 증기와 물의 혼합물을 생성하기 위해 물을 가열하기 위한 다수의 병렬 연결된 증발 튜브들을 포함한다. 각 증발 튜브는 수직 덕트에 걸쳐 하나 이상의 실질적으로 수평의 패스들을 포함한다. 따라서, 열은 증발 튜브들에 있어서 단일의 실질적으로 수평의 패스에서 또는 다수의 직렬 연결된 실질적으로 수평의 패스들에서 가스로부터 물로 전달된다.
본 발명에 따르면, 다수의 실질적으로 수평의 패스들을 포함하는 증발 튜브들은 가스 스트림에 대해 평행한 물 유동을 갖도록 배치된다. 이는 물 유동 방향에서 각 느린 수평 패스가 물 유동 방향에서 임의의 이른 수평 패스보다 더 높은 레벨에 배치되도록 직렬 연결된 수평 패스들이 배치되는 것을 의미한다. 따라서, 증발 튜브들의 직렬 연결된 수평 패스들은 전체 물 유동이 가스 유동과 평행하도록 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 하측 증발 섹션의 각 증발 튜브는 수직 덕트에 걸쳐 단 하나의 패스만을 포함한다. 이로써, 하측 증발 섹션의 증발 튜브들에서의 물 유동의 마찰이 특히 낮고, 다운코머 파이프 내의 물 칼럼과 수직으로 연장되는 출구 수집구 및 라이저 파이프 내의 증기와 물의 칼럼 사이의 압력차에 의해 야기되는 구동력이 시동 및 저부하 조건에서도 충분한 물 순환을 초래하기에 충분히 높다.
일반적으로, 제 1 및 제 2 증발 섹션들은 입구 헤더를 포함한다. 입구 헤더들은 유리하게는 수직으로 배치된 세장형 챔버들이고, 다운코머 파이프는 각 입구 헤더의 저부에 연결된다. 다운코머 파이프는 유리하게는 피더 파이프들, 또는 개별 다운코머 연장부들에 의해 입구 헤더들에 연결된다. 유리하게는, 각 피더 파이프가 하향 연장 루프를 형성하고, 이는 작동 중에 물로 충전되고 증기가 다운코머 파이프로 반대로 유동하는 것을 방지한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상측 증발 섹션의 입구 헤더는 출구 수집기의 하측 부분보다 더 높은 레벨에 그리고 출구 수집기의 상측 부분보다 더 낮은 레벨에 배치된다. 이로써, 상측 증발 섹션은 전적으로 하측 증발 섹션보다 더 높은 레벨에 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상측 증발 섹션의 각 증발 튜브는 수직 덕트에 걸쳐 2 개의 패스들을 포함한다. 이로써, 하측 증발 섹션의 증발 튜브들이 수직 덕트에 걸쳐 단 하나의 패스를 포함하는 때, 하측 및 상측 증발 섹션들의 입구 헤더들이 수직 덕트의 대향 측들에 있다.
하측 증발 섹션의 증발 튜브들이단 하나의 수평 패스를 포함하는 때, 하측 증발 섹션의 입구 헤더는 일반적으로 출구 수집기의 하측 부분과 동일한 높이 레벨에 배치된다. 실제로, 상측 및 하측 증발 섹션들의 수평 패스들은 완전히 수평이어야 할 필요는 없고, 위쪽으로 약간, 예컨대 2 % 이하만큼 경사질 수도 있다. 제 2 증발 섹션의 2 개의 연속적인 직렬 연결된 수평 부분들을 연결하는 증발 튜브들의 부분들은 일반적으로 주로 수직이고 가스 덕트 외측에 배치된다. 더욱이, 입구 헤더들 및 출구 수집기들에 대한 증발 튜브들의 연결부들은 물 유동 방향에서 위쪽으로 굽은 부분을 포함할 수도 있다.
쌍방의 증발 섹션들의 증발 튜브들은 일반적으로 하나 위에 다른 하나가 배치된 한 세트의 튜브들로서 배치된다. 일반적으로 각 세트의 증발 튜브들에서 튜브들의 순서는 연속적인 패스들 사이에서, 가스 덕트 외측에서, 매 턴에서 반대로 된다. 실제로 개별 증발 섹션들의 다수의 (보통 3 또는 4) 세트들의 증발 튜브들은 단일 입구 헤더들 및 출구 수집기들에 연결되는 것이 보통이다. 이로써, 완전한 증발 시스템이 동일한 입구 헤더들 및 출구 수집기들에 연결된 나란히 배치된 세트들의 증발 튜브들을 또한 포함할 수도 있다.
본 발명의 이상의 간략한 설명, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부 도면과 함께 본 발명에 따른 현재 바람직한 실시형태들에 대한 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더 완전하게 이해될 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 증발 사이클의 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 다른 증발 사이클의 개략도이다.
도 3 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 증발 사이클의 개략도이다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 자연 순환 열회수 증기 발생기 (HRSG) 의 증발 사이클 (10) 을 개략적으로 보여준다. 증발 사이클은 가스 터빈으로부터의 배기 가스 등의 고온 가스의 상향 유동 (14) 을 위한 수직 덕트 (12) 와 관련하여 배치된다. 증발 사이클은 다운코머 파이프 (18) 에 물을 공급하기 위한 증기 드럼 (16); 물을 증기와 물의 혼합물로 증발시키기 위한, 다운코머 파이프와 유동 연통하는 증발기 (20); 및 증기와 물의 혼합물을 드럼으로 전달하기 위한, 증발기와 유동 연통하는 라이저 파이프 (22) 를 포함한다. 또한, 증기 드럼에 신선한 물을 도입하기 위한 급수 라인 (24) 및 증기 드럼으로부터 증기를 배출하기 위한 증기 라인 (26) 이 증기 드럼에 연결된다.
증발기 (20) 는 병렬로 연결된 제 1 증발 섹션 (28) 및 제 2 증발 섹션 (30) 을 포함하고, 즉 제 1 증발 섹션과 제 2 증발 섹션은 다운코머 파이프 (18) 에 직접 유동 연결된다. 제 1 증발 섹션 (28) 은 제 2 증발 섹션 (30) 아래에 배치되고, 이는 제 1 증발 섹션 (28) 이 가스 스트림 (14) 에서 제 2 증발 섹션의 상류에 배치된다는 것을 의미한다. 제 1 (또는 하측) 증발 섹션은 병렬로 연결된 다수의 증발 튜브들 (32) 을 포함하고, 이 증발 튜브들의 각각은 입구 헤더 (36) 로부터 출구 수집기 (40) 의 하측 부분까지 수직 덕트 (12) 에 걸쳐 단일 수평 패스 (34) 를 만든다. 상응하게, 제 2 (또는 상측) 증발 섹션의 다수의 병렬로 연결된 증발 튜브들 (42) 은 입구 헤더 (46) 로부터 출구 수집기 (40) 의 상측 부분까지 수직 덕트 (12) 에 걸쳐 2 개의 수평 패스들 (44, 44') 을 만든다. 제 2 증발 섹션 (30) 은 가스 유동 (14) 에 평행하게 연결되고, 즉 제 2 수평 패스 (44') 는 제 1 수평 패스 (44) 의 가스 스트림 하류에 또는 제 1 수평 패스 (44) 보다 높은 레벨에 배치된다. 증발 튜브들 (32, 42) 은 통상적으로 핀부착 관들 (finned tubes) 이지만, 간소화를 위해, 이를 도 1 에 나타내지 않았다.
본 발명에 따르면, 출구 수집기 (40) 의 하측 부분 (38) 에 모이는 증기와 물의 제 1 혼합물은 단일 패스 구성으로 인해 매우 낮은 마찰로 하측 증발 섹션 (28) 을 통해 흐른다. 그러므로, 심지어 제 1 증발 섹션의 상류와 하류의 유체 칼럼들 사이의 비교적 낮은 압력차, 즉 다운코머 파이프 (18) 내의 물의 정수압 (hydrostatic pressure) 과 라이저 파이프 (22) 와 출구 수집기 (40) 내의 증기와 물의 혼합물의 정수압의 차가 하측 증발 섹션 (28) 을 통해 물의 강한 유동을 유발한다. 제 1 혼합물은 출구 수집기 (40) 의 하측 부분 (38) 으로부터 상향 유동하여, 제 2 증발 섹션 (30) 에서 형성된 증기와 물의 제 2 혼합물과 조합되고, 제 2 혼합물을 위한 내부 이젝터 펌프로서 작용하고 증기와 물의 조합된 혼합물의 충분한 유동 속도를 보장한다. 전술한 이점에 기초하여, 본 발명에 따른 증발기는 증발기에서의 물의 유동을 보조하기 위해 고온 가스의 스트림으로부터의 열 이외에 임의의 다른 구동력 (motive force) 소스를 필요로 하지 않는다.
출구 수집기 (40) 는 하측 부분 및 상측 부분을 포함하는 상이한 수직 연장 형상들을 가질 수 있지만, 유리하게는 수직으로 배열된 세장형 챔버이다. 라이저 (22) 는 출구 수집기 (40) 의 정상부에 연결되거나, 또는 실제로 출구 수집기의 직접 연장부일 수 있다.
다운코머 파이프 (18) 로부터 다수의 병렬 연결된 증발 튜브들 (32, 42) 에 물을 분배하는 제 1 및 제 2 증발 섹션의 입구 헤더들 (36, 46) 는 각각 유리하게는 수직으로 배열된 세장형 챔버들이다. 다운코머 파이프는 바람직하게는 각각 입구 헤더들 아래에 연장되는 파이프 섹션들 (50, 50') 에 의해 각 입구 헤더 (36, 46) 의 저부에 연결된다.
제 1 증발 섹션 (28) 이 수직 덕트 (12) 에 걸쳐 단 하나의 실질적으로 수평의 패스 (34) 를 포함하기 때문에, 제 1 증발 섹션의 입구 헤더 (36) 는 출구 수집기 (40) 의 하측 부분 (38) 과 실질적으로 동일한 높이 레벨에 배치된다. 실제로, 실질적으로 수평의 패스는 전형적으로는 최대 2°만큼 약간 비스듬할 수도 있고, 증발 튜브들과 입구 헤드들 및 출구 수집기들 사이의 연결 튜브 섹션들이 각각 약간 굽혀질 수도 있다. 그러므로, 출구 수집기 (40) 의 저부 섹션 (38) 은 입구 헤더 (36) 보다 약간 더 높은 레벨에 있을 수도 있다.
제 2 증발 섹션 (30) 이 가스 유동 (14) 에 대해 평행하게 배치되고 수직 덕트 (12) 에 걸쳐 2 개의 실질적으로 수평의 패스들 (44, 44') 을 포함하기 때문에, 제 2 증발 섹션의 입구 헤더 (46) 는 당연히 출구 수집기 (40) 의 상측 부분 (48) 보다 낮은 레벨에 있다. 더욱이, 제 2 증발 섹션 (30) 이 제 1 증발 섹션 (28) 보다 높은 레벨에 있기 때문에, 제 2 증발 섹션 (30) 의 입구 헤더 (46) 는 유리하게는 출구 수집기 (40) 의 하측 부분 (38) 보다 높은 레벨에 그리고 출구 수집기 (40) 의 상측 부분 (48) 보다 낮은 레벨에 있다.
도 2 는 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따른 자연 순환 열회수 증기 발생기 (HRSG) 의 증발 사이클 (10) 을 개략적으로 보여준다. 도 1 의 대응 요소들과 동일한 도 2 의 요소들은 도 1 의 도면부호와 동일한 도면부호로 나타낸다.
도 2 의 실시형태는 주로, 제 2 증발 섹션 (54) 의 증발 튜브들 (52) 이 수직 튜브 (12) 에 걸쳐 3 개의 실질적으로 수평의 패스들 (56, 56', 56") 을 만든다는 점에서 도 1 의 실시형태와 상이하다. 3 개의 패스들 때문에, 도 1 의 제 2 증발 섹션에서보다 도 2 의 제 2 증발 섹션에서 더 많은 증기가 생성된다. 그렇지만, 증발 튜브들에서의 증가된 길이와 턴 수 (number of turns) 때문에, 유체 유동의 마찰이 증가되고, 제 1 증발 섹션으로부터의 유동에 의해 증기와 물의 혼합물의 유동을 보조할 필요가 증가된다. 그러므로, 도 1 에서처럼, 제 1 및 제 2 증발 섹션들 (28, 54) 은 공통 출구 수집기 (40) 를 갖고, 이로써 제 1 증발 섹션 (28) 으로부터의 증기와 물의 강한 스트림이 제 2 증발 섹션 (54) 으로부터의 대응 스트림과 조합되고, 모든 조건에서 증기와 물의 조합된 혼합물의 충분한 유동 속도를 보장한다.
제 1 및 제 2 증발 섹션 (28, 54) 의 증발 튜브들의 입구 단부들은 도 2 의 실시형태에서 수직 덕트 (12) 의 동일한 측에 있다. 그러므로, 제 1 및 제 2 증발 섹션들은 공통 입구 헤더 (58), 유리하게는 수직으로 배치된 세장형 챔버를 구비할 수도 있다.
도 3 은, 단지 공통 입구 헤더 대신에 제 1 및 제 2 증발 섹션 (28, 54) 이 각각 별개의 입구 헤더 (60, 62) 를 갖는다는 점에서 도 2 의 실시형태와 상이한, 본 발명의 제 3 실시형태를 보여준다. 입구 헤더들 (60, 62) 은 파이프 섹션들 (64, 64') 에 의해 각각 다운코머 파이프 (18) 에 연결된다.
도 1 내지 도 3 은 열회수 증기 발생기의 증발 사이클의 수직 단면을 개략적으로 보여준다. 실제로, 완전한 증발 사이클은 수직 덕트의 깊이를 통해 연장되고, 상측 및 하측 증발 섹션들이 상응하게 증가된다. 보통 약 3 또는 4 개의 상측 및 하측 증발 섹션들이 공통 입구 헤더들 및 출구 수집기들을 공유한다. 보통 다수의 입구 헤더들 및 출구 수집기들이 또한 존재하고, 이들은 공통 다운코머 및 라이저 파이프들을 공유할 수도 있고, 또는 단일 또는 다수의 입구 헤더들 및 출구 수집기들에 연결된 다수의 다운코머 및 라이저 파이프들이 존재할 수도 있다.
예로써 현재 바람직한 실시형태라고 생각되는 것과 관련하여 본 발명을 설명하지만, 첨부된 청구항들에서 규정되는 본 발명의 범위에 본 발명의 특징들과 다른 적용들의 다양한 조합을 포함하려는 것임을 이해하여야 한다. 단 하나의 증발 섹션이 상측 및 하측 증발 섹션들로 분할되는 실시형태가 설명되었지만, 상측 및 하측 증발 섹션들로 분할되는 복수의 증발 섹션들이 존재할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 그리고, 복수의 증기 드럼들을 고려할 수 있다.

Claims (12)

  1. 상향 가스 유동 (14) 을 위한 수직 덕트 (12) 와 관련된 자연 순환 증기 발생기의 증발 사이클 (10) 로서,
    - 다운코머 파이프 (18) 에 물을 공급하기 위한 증기 드럼 (16);
    - 상기 다운코머 파이프와 유동 연통하고, 제 1 증발 섹션 (28), 및 상기 제 1 증발 섹션 (28) 과 병렬로 연결되고 상기 제 1 증발 섹션보다 높은 레벨에 배치된 제 2 증발 섹션 (30) 을 포함하는 증발기 (20) 로서, 상기 증발 섹션 각각은 상기 물을 증기와 물의 혼합물로 증발시키기 위해 상기 수직 덕트에 걸쳐 하나의 실질적으로 수평의 패스 (34) 또는 다수의 직렬 연결된 실질적으로 수평의 패스들 (44, 44') 을 구비하는 다수의 병렬 연결된 증발 튜브들 (32, 42) 을 포함하는, 상기 증발기 (20); 및
    - 증기와 물의 상기 혼합물을 상기 드럼까지 전달하기 위해 상기 증발기와 유동 연통하는 라이저 파이프 (22)
    를 포함하고,
    - 증발기 사이클은 상기 증발기에서의 상기 물의 유동을 보조하기 위해 상기 가스 유동으로부터의 열 이외에 다른 외부 구동력 (motive force) 소스와 관련되지 않고,
    - 상기 증발기는, 상기 제 1 및 제 2 증발 섹션으로부터 상기 라이저 파이프까지 상기 증기와 물을 수집하기 위한 수직으로 연장되는 출구 수집기 (40) 를 포함하고, 상기 출구 수집기는 하측 부분 (38) 및 상기 하측 부분 위의 상측 부분 (48) 을 포함하고,
    - 상기 제 1 증발 섹션은 상기 하측 부분 (38) 과 직접 유동 연통하고, 상기 제 2 증발 섹션은 상기 상측 부분 (48) 과 직접 유동 연통하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발 사이클.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출구 수집기 (40) 는 수직으로 배치된 세장형 (elongated) 챔버인 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 라이저 파이프 (22) 는 상기 출구 수집기의 정상부에 연결되는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 증발 섹션 (30) 은 상기 출구 수집기 (40) 의 상기 하측 부분 (38) 보다 높은 레벨에 그리고 상기 출구 수집기 (40) 의 상기 상측 부분 (48) 보다 낮은 레벨에 배치된 입구 헤더 (46) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 입구 헤더 (46) 는 수직으로 배치된 세장형 챔버이고, 상기 다운코머 파이프 (18) 는 상기 입구 헤더의 저부에 연결되는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 증발 섹션 (30) 의 상기 증발 튜브들 (42) 은 전체 물 유동이 가스 유동과 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 증발 섹션 (30) 의 각 증발 튜브 (42) 는 상기 수직 덕트 (12) 에 걸쳐 2 개의 패스들 (44, 44') 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 증발 섹션 (28) 의 각 증발 튜브 (32) 는 상기 수직 덕트 (12) 에 걸쳐 단일 패스 (34) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 증발 섹션 (28) 은 상기 출구 수집기 (40) 의 상기 하측 부분 (38) 과 동일한 높이 레벨에 배치된 입구 헤더 (36) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 입구 헤더 (36) 는 수직으로 배치된 세장형 챔버이고, 상기 다운코머 파이프 (18) 는 상기 입구 헤더의 저부에 연결되는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 증발 섹션 (30) 의 각 증발 튜브 (42) 는 상기 수직 덕트 (12) 에 걸쳐 3 개의 패스들 (44, 44') 을 포함하고, 상기 제 1 증발 섹션 (28) 및 상기 제 2 증발 섹션은 공통 입구 헤더 (58) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 공통 입구 헤더 (58) 는 수직으로 배치된 세장형 챔버이고, 상기 다운코머 파이프 (18) 는 상기 입구 헤더의 저부에 연결되는 것을 특징으로 하는, 자연 순환 증기 발생기의 증발기 사이클.
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