KR20190024974A - 증기 발생 시스템 - Google Patents

Abstract

증기 발생 시스템(1)은 증기 발생기(2) 및 증기 드럼(3)을 포함하고, 증기 드럼(3)에서 나오는 하강 파이프(10)는 증기 발생기(2)의 가열 튜브 또는 튜브들(6) 위의, 증기 발생기(2)의 물 재킷(12)을 통과하여 그 하위 절반까지 내부에서 연장된다.

Description

증기 발생 시스템

본 발명은 증기 발생 시스템에 관한 것으로, 증기 발생 시스템은,

- 물 재킷(water jacket) 및 열 전달 매체의 통과를 위해 내부에서 연장되는 적어도 하나의 가열 튜브를 갖는 증기 발생기,

- 증기 발생기 위에 배치되는 증기 드럼,

- 증기가 증기 드럼으로 전달될 수 있도록 증기 발생기의 물 재킷을 증기 드럼에 유압식으로 접속시키기 위한 적어도 하나의 상승 파이프,

- 물이 증기 드럼으로부터 증기 발생기의 물 재킷으로 복귀될 수 있도록 증기 드럼을 증기 발생기의 물 재킷에 유압식으로 접속시키기 위한 적어도 하나의 하강 파이프를 포함한다.

본 발명은 또한 이러한 증기 발생 시스템의 용도에 관한 것이다.

처음에 설명되는 유형의 증기 발생 시스템은 종래 기술로부터, 예를 들어, 국제 출원 WO 2011/104328 A2호로부터 공지되어 있다. 많은 경우에, 특히 고온 가스가 열 전달 매체로 사용되는 경우, 증기 발생기는 수평으로 배열된 원통형의 쉘--및-튜브(shell-and-tube) 열 교환기로서 설계된다. 이러한 종류의 쉘-및-튜브 열 교환기 및 고온 합성 가스를 냉각시키기 위한 그 용도가 예를 들어, 유럽 특허 EP 2312252 B1호에 설명되어 있다.

여기서, 고온 가스는 튜브 다발의 가열 튜브를 통과하는 반면, 증발될 물은 재킷 공간 내에 있다. 종종 쉘-및-튜브 열 교환기와 마찬가지로 설계되는 예열기가 열 전달 매체와 관련하여 증기 발생기의 하류에 배치될 수 있으며, 과열기는 상류에 배치될 수 있다. 종종 수평으로 배치된 압력 용기와 마찬가지로 "증기 드럼"이 증기 발생기 위에 설치된다. 증기 드럼 및 증기 발생기는 상승 파이프 및 하강 파이프에 의해 서로 접속된다. 이는, 물/증기 혼합물이 순환될 수 있게 하며, 이에 의해 증기를 증기 발생기로부터 효율적으로 방출되게 할 수 있으며, 증기 발생기의 가열 튜브의 표면에서의 더욱 효과적인 열 전달을 가능하게 한다. 증기 드럼이 증기 발생기 위의 충분한 거리에서 위치될 수 있다면, 이러한 순환은 자연 순환으로서 동작할 수 있다. 이를 위해 이용 가능한 충분한 공간이 없다면, 펌프가 순환을 지원해야 한다. 그래서 "강제 순환"이라는 용어가 사용된다.

증기가 하강 파이프로 진입하는 것을 방지하기 위해, 하강 파이프는 증기 발생기의 주위에 대해 가능한 낮게, 증기 발생기의 단면이 시계면으로 상상된다면 종종 4시 위치와 8시 위치 사이에 부착된다. 따라서, 증기 발생기 재킷의 하측 상의 이러한 위치를 달성하기 위해, 위에서 나오는 하강 파이프는 아크(arc) 형태로 라우팅되어야 하며, 그 최저점은 여전히 증기 발생기 재킷의 최저점 아래에 있다. 결과적으로, 증기 발생기의 지면으로부터의 최소 거리가 요구되어, 이러한 시스템을 계획하는 중의 설계 및 설정-관련 제약으로 귀결되며, 예를 들어, 반응기 지지체는 최소 높이로 배치되어야 한다.

하강 파이프에 대해 측방향으로 부착된 지지체는 증기 발생기의 재킷 상에 힘을 더욱 유발하며, 즉 하강 파이프의 자중에 기인하고 열 팽창력에 기인하는 정적인 힘뿐만 아니라, 바람 및 지진 하중에 기인하는 동적인 힘을 더욱 유발한다. 결과적으로, 특히 증기 드럼의 중량이 하강 파이프 및 상승 파이프에 의해 지탱되는 이러한 시스템의 설계의 특별한 형태의 경우에, 지지체 및 압력 재킷의 상당히 더 큰 벽 두께가 요구될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 설명된 단점이 회피되는 증기 발생 시스템을 제안하는 것이다.

그 목적은 청구항 1의 특징에 따른 증기 발생 시스템에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 증기 발생 시스템:

증기 발생 시스템은,

a) 물 재킷(water jacket) 및 열 전달 매체의 통과를 위해 내부에서 연장되는 적어도 하나의 가열 튜브를 갖는 증기 발생기,

b) 증기 드럼,

c) 증기가 증기 드럼으로 전달될 수 있도록 증기 발생기의 물 재킷을 증기 드럼에 유압식으로 접속시키기 위한 적어도 하나의 상승 파이프,

d) 물이 증기 드럼으로부터 증기 발생기의 물 재킷으로 복귀될 수 있도록 증기 드럼을 증기 발생기의 물 재킷에 유압식으로 접속시키기 위한 적어도 하나의 하강 파이프를 포함하고,

e) 증기 드럼에서 나오는 하강 파이프는 증기 발생기의 물 재킷의 그 상위 절반을 통과하여, 그 하위 절반까지 내부에서 연장되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 증기 발생 시스템은, 하강 파이프가 시스템의 최저점을 더 이상 형성하지 않기 때문에, 증기 발생기를 지면에 가깝게 위치시킬 수 있게 한다. 이는 상류 및 하류 시스템 구성 요소의 설계를 단순화한다.

4시 위치와 8시 위치 사이에 위치된 하강 파이프 입구 지지체의 제거는, 힘이 증기 발생기의 재킷에 측방향으로 더 이상 도입되지 않음을 의미한다. 따라서, 재킷은 더 작은 벽 두께로 생산될 수 있다.

이전의 종래 기술에 따라 놓인 하강 파이프의 저점에는 각각 배수 기구(drain fitting)가 제공되어야 했다. 이러한 기구는 본 발명에 따른 시스템에서는 제거된다.

상응하는 종래 기술의 시스템과 비교하여, 측방향으로 돌출하는 어떠한 하강 파이프도 더 이상 없기 때문에, 본 발명에 따른 증기 발생 시스템을 설치하기 위한 공간 요건이 감소되며, 하강 파이프는 장치 내에서 하향으로 라우팅된다.

본 발명의 바람직한 실시예

본 발명의 바람직한 실시예는, 증기 발생기 및 증기 드럼이 서로에 대해 배치되고, 상승 파이프 및 하강 파이프는, 증발될 물이 자연 순환에 의해 증기 발생기의 물 재킷과 증기 드럼 사이에서 이동될 수 있는 방식으로 설계되는 것을 특징으로 한다. 이는 펌프의 설치 및 관리 및 수리에 대한 관련 경비뿐만 아니라 투자 비용을 없앤다.

본 발명의 대안적인 실시예는, 적어도 하나의 펌프가 증기 발생기의 물 재킷과 증기 드럼 사이의 물 순환을 돕기 위해 설치되는 것을 특징으로 한다. 증기 드럼과 증기 발생기 사이에 적절한 거리를 위한 공간이 없다고 하여도, 이 경우 증기 발생기에서 충분한 물 순환이 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 증기 발생기 및 증기 드럼이 수평으로 배치된 원통형 압력 용기로서 설계되는 것을 특징으로 한다. 대응하는 아치형 단부를 갖는 원통 형상은 장치의 구축에서 그 가치가 오랫동안 입증되었고, 저비용으로 생산될 수 있다. 수평 배치는 전체 높이를 낮추므로 시스템의 양호한 접근성을 허용한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 상승 파이프 및 하강 파이프가 0시 위치에서 증기 발생기의 물 재킷으로 진입하고, 6시 위치에서 증기 드럼 재킷에 진입하는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 파이프는 또한 증기 드럼을 지지하기 위한 구조적 요소로서 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 증기 발생기가 쉘-및-튜브(shell-and-tube) 증발기로서 설계되는 것을 특징으로 한다. 이러한 유형의 구조는 장치의 구축에서 그 가치가 오랫동안 입증되었고, 저비용으로 생산될 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 하강 파이프가 증기 발생기의 물 재킷 내에서 가열 튜브 또는 가열 튜브들 주위로 통과하여 그 아래에 위치된 증기 발생기 체적 영역까지 이른다는 것을 특징으로 한다. 결과적으로, 하강 파이프에 의한 가열 튜브의 구성에는 사실상 아무런 영향이 없으며, 이 영역에서 고가의 설계 조치가 필요하지 않다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 하강 파이프가 보일러 내의 가열 튜브 다발을 통과하는 것을 특징으로 한다. 결과적으로, 하강 파이프 또는 하강 파이프들은 직선으로 이어지고, 이에 의해 파이프의 유동 저항을 낮게 유지할 수 있다.

본 발명은 추가적으로 본 발명에 따른 증기 발생 시스템의 용도에 또한 관한 것이며, 증기 발생 시스템이 증기 개질 반응기의 하류에 배치되고, 증기 개질 반응기로부터 나오는 합성 가스가 증기 발생 시스템의 증기 발생기 내의 열 전달 매체로서 사용되는 것으로 구성된다. 많은 경우 관형 반응기에서 촉매 보조로 수행되는, 합성 가스에 부여되는 탄화수소의 증기 개질은 많은 양의 에너지 및 고온에서 발생한다. 이러한 프로세스에서 생성된 합성 가스는 800℃ 초과의 온도에서 반응기를 떠난다. 내부에 포함된 열 에너지를 이용하기 위해, 합성 가스는 본 발명에 따른 증기 발생 시스템을 동작시키는 열 전달 매체로서 사용된다.

예시적인 실시예

본 발명의 추가적인 특징, 이점 및 가능한 용도는 또한 예시적인 실시예 및 도면의 후술하는 설명으로부터 명백해질 것이다. 이 경우, 그 자체로 또는 임의의 조합으로 설명 및/또는 도시된 모든 특징은 청구항들 또는 그 종속적 참조로 그룹화되는 방식에 관계없이 본 발명의 대상을 형성한다.

도 1은 본 발명에 따른 증기 발생 시스템의 종단면을 나타내고,
도 2는 종래 기술에 따른 증기 발생 시스템의 단면을 나타내고,
도 3a는 본 발명에 따른 증기 발생 시스템의 제1 단면을 나타내고,
도 3b는 본 발명에 따른 증기 발생 시스템의 제2 단면을 나타낸다.

도 1은 주요 구성 요소로서 증기 발생기(2) 및 증기 드럼(3)을 포함하는 증기 발생 시스템(1)을 나타낸다. 증기 발생기(2)는 쉘-및-튜브 증발기로서 설계되고 수평으로 설치된다. 증기 개질 반응기(도시되지 않음)로부터 나오는 고온의 합성 가스(4)는 증기 발생기(2)의 입구 챔버(5)로 도입되고, 튜브 다발(13)의 튜브(6) 사이에 분포되고, 출구 챔버(7)로 전방으로 흐르고, 추가적인 처리 또는 사용(도시되지 않음)을 위해 증기 발생기(2)를 떠난다.

증기 드럼(3)은 증기 발생기(2) 위에 배치된다. 증발될 보일러 급수(8)는 상기 증기 드럼으로 주입된다. 증발될 물은 상승 파이프(9) 및 하강 파이프(10)를 통해 자연 순환으로 순환된다. 상승 파이프(9)를 통해 증기 드럼(3)에 진입하는 증기/물 혼합물은 여기에서 분리되고, 증기(11)는 추가 사용을 위해 방출되고, 물은 하강 파이프(10)를 통해 증기 발생기로 피드백된다. 여기서, 하강 파이프는 0시 위치에서 증기 발생기(2)의 재킷(12)에 진입한 후, 재킷(12) 내의 튜브 다발(6)의 가열 튜브를 지나 재킷(12)의 하위 체적 영역까지 연장된다. 하강 파이프는, 증기 버블이 하강 파이프 내로 들어가는 것을 회피하고 가능한 한 큰 정수두(static head), 즉 하강 파이프의 상단과 하단 사이의 가능한 큰 수직 거리를 달성하기 위해 재킷에서 가능한 낮게 종단되고, 이에 의해 자연 순환을 지원한다.

도 2는 종래 기술에 따라 라우팅된 하강 파이프(10')를 갖는 증기 발생 시스템의 단면을 도시한다. 명료성을 향상시키기 위해, 상승 파이프는 도시되지 않았지만, 도 1에 도시된 예에서와 같이, 재킷(12)의 0시 위치에서 다시 한번 배치된다. 하강 파이프(10')는 4시 및 8시 위치에서 증기 드럼(3)에 접속되어, 증기 발생기(2) 주위에서 외부로 연장되고, 마찬가지로 4시 및 8시 위치에서 증기 발생기 재킷(12)에서 개방된다.

도 3a는 본 발명에 따라 라우팅된 하강 파이프(10)를 갖는 증기 발생 시스템(1)의 단면을 나타낸다. 하강 파이프(10)는 6시 위치에서 증기 드럼(3)에 접속되고, 0시 위치에서 증기 발생기(2)의 재킷(12)을 통과한다. 재킷(12) 내에서, 하강 파이프(10)는 그 아래에 위치한 물 재킷(12)의 체적 영역까지 튜브 다발(13) 주위로 연장된다.

도 3b는 마찬가지로 본 발명에 따라 라우팅된 하강 파이프(10)를 갖는 증기 발생 시스템의 단면을 나타낸다. 하강 파이프(10)는 마찬가지로 6시 위치에서 증기 드럼(3)에 접속되고, 0시 위치에서 증기 발생기(2)의 재킷(12)을 통과한다. 재킷(12) 내에서, 하강 파이프(10)는 그 아래 위치된 물 재킷(12)의 체적 영역까지 튜브 다발(13)을 통과한다.

산업적 이용 가능성

본 발명은 보다 저렴하고 보다 공간 절약적인 방식으로 증기 발생 시스템을 구현할 수 있는 가능성을 제공하며, 여기서 시스템의 설정은 또한 상류 및 하류 장치에 대하여 보다 유연하게 수행될 수 있다.

1: 본 발명에 따른 증기 발생 시스템
1': 종래 기술에 따른 증기 발생 시스템
2: 증기 발생기
3: 증기 드럼
4: 합성 가스
5: 입구 챔버
6: 가열 튜브
7: 출구 챔버
8: 보일러 급수
9: 상승 파이프
10: 하강 파이프
10': 종래 기술에 따른 하강 파이프
11: 증기
12: 증기 발생기의 재킷
13: 가열 튜브 다발

Claims (9)

1. 증기 발생 시스템으로서,
   물 재킷(water jacket) 및 열 전달 매체의 통과를 위해 내부에서 연장되는 적어도 하나의 가열 튜브를 갖는 증기 발생기,
   증기 드럼,
   상기 증기가 상기 증기 드럼으로 전달될 수 있도록 상기 증기 발생기의 상기 물 재킷을 상기 증기 드럼에 유압식으로 접속시키기 위한 적어도 하나의 상승 파이프,
   상기 물이 상기 증기 드럼으로부터 상기 증기 발생기의 상기 물 재킷으로 복귀될 수 있도록 상기 증기 드럼을 상기 증기 발생기의 상기 물 재킷에 유압식으로 접속시키기 위한 적어도 하나의 하강 파이프를 포함하고,
   상기 증기 드럼에서 나오는 하강 파이프는 상기 증기 발생기의 상기 물 재킷의 그 상위 절반을 통과하여, 그 하위 절반까지 내부에서 연장되는 것을 특징으로 하는, 증기 발생 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 증기 발생기 및 상기 증기 드럼은 서로에 대해 배치되고, 상기 상승 파이프 및 상기 하강 파이프는, 증발될 물이 자연 순환에 의해 상기 증기 발생기의 상기 물 재킷과 상기 증기 드럼 사이에서 이동될 수 있는 방식으로 설계되는 것을 특징으로 하는, 증기 발생 시스템.
3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 펌프가 상기 증기 발생기와 상기 증기 드럼 사이의 물 순환을 돕기 위해 설치되는 것을 특징으로 하는, 증기 발생 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증기 발생기 및 상기 증기 드럼은 수평으로 배치된 원통형 압력 용기로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 증기 발생 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 상승 파이프 및 상기 하강 파이프는 0시 위치에서 상기 증기 발생기의 상기 물 재킷으로 진입하고, 6시 위치에서 상기 증기 드럼 재킷에 진입하는 것을 특징으로 하는, 증기 발생 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증기 발생기는 쉘-및-튜브(shell-and-tube) 증발기로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 증기 발생 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 하강 파이프는 상기 증기 발생기의 상기 물 재킷 내에서 상기 튜브의 다발 주위로 통과되는 것을 특징으로 하는, 증기 발생 시스템.
8. 제6항에 있어서, 상기 하강 파이프는 상기 증기 발생기의 상기 물 재킷 내의 상기 튜브의 다발을 통과하는 것을 특징으로 하는, 증기 발생 시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 증기 발생 시스템의 용도로서, 상기 증기 발생 시스템은 증기 개질 반응기의 하류에 배치되고, 상기 증기 개질 반응기로부터 나오는 합성 가스가 상기 증기 발생 시스템의 상기 증기 발생기 내의 열 전달 매체로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 증기 발생 시스템의 용도.

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