KR20220123232A - 스팀 발생기용 제어 장치 - Google Patents

Abstract

스팀발생기(1)는, 압력 용기(2); 압력 하에서 수소(4) 및 산소(5)를 수용하도록 배열된, 압력 용기(2)로의 가스 유입구(3); 가스 유입구(3)에 수용된 수소(4) 및 산소(5)를 점화시키도록 배열된, 압력 용기(2) 내의 점화 수단(6); 압력 용기(2) 내의 또는 압력 용기 상의 물 재킷(7); 압력 하에서 물(9)을 수용하고 이를 물 재킷(7)에 공급하도록 배열되는 물 유입구(8); 압력 용기(2) 내의 스프레이 유출구(10); 및 압력 용기(2)로부터의 스팀(12)의 유출을 위한 스팀 유출구(11);를 포함한다. 사용시, 물 유입구(8)에 수용된 물(9)은, 압력 용기(2)의 냉각을 제공하기 위해 물 재킷(7)을 따라 통과하고, 물 스프레이(13)를 기화시키기 위해 점화된 수소 및 산소(14)와 혼합되는 물 스프레이(및/또는 막)(13)를 제공하기 위해 스프레이 유출구(10)에서 출력된다.

Description

스팀 발생기용 제어 장치

본 발명은 일반적으로 스팀 발생기의 분야에 관한 것이며, 특히 스팀의 일관된 공급을 생성하기 위해 물 공급부를 갖춘 수소 및 산소를 혼합하는 스팀 발생기의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 또한 일반적으로 스팀 발생기를 위한 제어 장치의 분야에 관한 것이다.

에너지를 절약하고, 재생 가능한 에너지 공급원을 찾는 것에 대한 지속적인 추진이 존재한다. 화석 연료는 고갈되기 전, 탄소 배출을 줄이기 위한 노력으로 점차 퇴출되고 있지만, 전 세계 에너지 수요는 증가하는 추세이다. 에너지는 산업 및 다양한 제조 공장 내에서 전기 생산, 공기 및 물의 가열 및 냉각, 운송, 및 기타 에너지 서비스를 위해 필요하다. 해법은, 자연적으로 보충되고 따라서 지속 가능한 재생 에너지 자원을 탐색하는 것이다. 이들 자원은 전형적으로 바람, 햇빛, 조수, 파도 및 지열을 이용한다. 그러나 이들 자원은 충분한 공급을 제공하지만 간헐적일 수 있으며, 에너지 요구 사항이 높을 때 용량이 항상 적절한 것은 아니다. 그것이 제공하는 에너지 공급이 항상 수요와 일치하는 것은 아니다. 기존의 재생 에너지 솔루션과 관련해서도 많은 문제점이 있다.

비록 풍력 터빈의 효율이 낮고 그 위치가 지리학에 의해 제한되지만, 전기 공급에서, 풍력 터빈을 통해 바람의 힘을 사용하는 것은 수요를 충족시키는데 성공적인 것으로 입증되었다. 수력 발전기는 유사한 지리적 문제를 제시하고, 그러한 발전 플랜트의 규모는 상당하다. 이러한 신재생 발전기의 산물로서 생성된 사용 가능 전기는 저장할 수 없으므로, 이를 위해 추가 장치가 필요하다.

연료 전지 또는 재충전 가능한 배터리를 사용하는 제안은, 재생 가능하지 않지만, 대체 에너지원을 제공한다. 리튬은 이러한 배터리에 사용되는 일반적인 금속이고, 비록 이 금속의 공급이 한정되어 있고 결국 고갈될 것이지만, 그것은 매우 재활용 가능한 자원을 제공한다. 상황은 에너지 저장 및 글로벌 배포가 어려운 다른 화학 배터리의 경우와 유사하다. 그러나, 이들 배터리 시스템은 독성 화학물질을 필요로 하고 생산에 상당한 에너지 소비가 필요하다. 수명이 다한 폐기물은 또한 물질의 독성 특성과 리튬과 같은 금속이 반응성이 높은 요소라는 사실로 인해 문제를 제기한다. 비용이 많이 들고 공급망은 지속 가능하지 않다.

점점 더 널리 사용되고 있는 또 다른 에너지 자원은 연료 전지이며, 종종 수소 연료 전지이다. 이러한 연료 전지는 연료 및 산소의 공급원이 공급되는 한 연속적으로 전기를 제공할 수 있다. 그러나, 이들 연료 전지의 생산은 전형적으로 상당한 에너지를 요구하며, 프로세스 비용은 극히 높을 수 있다. 비록 청정한 기술을 제공하지만, 이들 연료 전지는 요람에서 무덤까지 수많은 이슈를 제시한다. 수소 연료 전지는 특히 작동하기 위해 극히 고순도의 수소를 필요로 하며, 이는 제조 및 저장 문제를 나타낸다. 이들 연료 전지는 또한 지연된 시동 시간(delayed start up times)을 겪으며, 환경 조건, 움직임(movement)의 변화에 민감하고, 가변 전압을 전달하는 경향이 있다. 이들은 또한 냉각 시스템의 추가를 통하는 등의 온도 관리를 필요로 한다.

기후 변화와 지구 온난화에 대한 우려로 재생 에너지 자원 활용에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 진정한 재생가능하고 지속가능하며 일관된 해결책을 찾기 위해서는 기존의 재생 에너지원의 단점을 해결해야 한다. 배출이 0이고, 각각의 충전 사이클에서 성능 손실이 없으며, 시간에 따른 열화가 없는 지속가능한 에너지 발생기에 대한 요구가 있다. 쉽게 구할 수 있는 비전문가적인 재료를 활용하고 표준 제조 프로세스를 사용할 필요가 있다. 제품의 수명 주기의 시작시 에너지 소비를 해결해야 한다. 가능한 경우 이동 부품들의 수를 최소화하고, 따라서 고장의 위험을 감소시키기 위한 필요성이 존재한다. 손쉽게 서비스 가능한 구성 부품을 사용할 필요가 있다. 풍부하고 재생가능한 에너지 공급을 제공하고 지리적으로 제한적이지 않고 소음이 낮은 에너지 발생기를 전달할 필요가 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 현재 지속 가능한 에너지 발생기가 개발되고 있다. 목표는 이들 발생기가 사이클 효율을 최대화하고 시간에 따른 열화에 저항하는, 배출이 0인 발생기가 되는 것이다. 스팀 발생기와 같은 이러한 지속 가능한 에너지 발생기는 쉽게 이용 가능하고 전문적이지 않은 재료를 사용하며 많은 표준 제조 프로세스를 사용한다. 풍부하고 재생가능한 에너지 공급을 제공하고 지리적으로 제한적이지 않고 소음이 낮은 에너지 발생기를 전달할 필요가 있다.

이러한 지속 가능한 에너지 발생기들에서, 제어는 핵심적이다. 발생기의 고장을 모니터링하고 방지하면서, 에너지 공급 수요들이 충족되는 것을 보장하기 위해, 스팀 발생기들과 같은 에너지 발생기들을 제어하기 위한 효과적인 제어 시스템이 필요하다. 화재 또는 폭발과 같은 에너지 발생기와 관련된 위험을 제거하기 위한 임의의 제어 시스템이 필요하다. 스팀 발생기로 종래의 터빈을 구동하는 것은 역사적으로 비효율적이라고 간주되어 왔고, 비현실적인 접근법으로 간주되어 왔다. 전형적으로, 반응의 연소열은 손상 및 발전기 고장을 방지하기 위해 어떻게든 소산되어야 하는 바람직하지 않은 부산물로서 알려져 있다. 시스템 전체는 과도한 열을 소산하기 위해 손실되는 에너지의 양과 같은 상당한 에너지 손실을 방지하기 위해 미세하게 조정되어야 하며, 이는 일반적으로 허용할 수 없을 정도로 낮은 효율을 초래한다. 임의의 스팀 발생기 시스템 내의 압력, 온도 및 가스 유동을 제어 및 조절하고, 시스템이 시스템 내에서 보고된 임의의 비정상 상태에 직접 반응할 필요가 있다.

종래 기술은 다양한 방식으로 이러한 요구를 해결하려고 시도하는 다수의 장치들을 보여준다.

EP 2 912 374(Thyssenkrupp Marine Systems GMBH)는, 물을 추가하면서, 연소실에서 수소 및 산소의 연소를 통해 스팀을 생성하는 장치 및 방법을 개시한다. 이 문헌은 내부 온도가 극한 수준에 도달하여 전문 부품 및 재료가 필요하고 챔버의 외벽이 너무 뜨거워져 매우 다양한 환경에서 실용적이지 못한 기존 스팀 발생기의 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 단열 불꽃 온도는 수소 및 산소의 화학양론적 연소 도중에 비교적 높을 수 있어서, 스팀은 수소 및 산소로 해리된다. 결과적인 스팀은 해리된 수소 및 산소를 정화시키고 제거하기 위해 촉매적 연소 후 프로세스를 필요로 한다. 해결책은 연소 챔버의 외측벽 상에 적어도 하나의 냉각수 통로를 제공하는 것이다. 액체 물은 또한 연소 후 구역보다는 또는 연소 후 구역에 추가하여 챔버의 연소 구역에서 산소 공급과 함께 도입된다. 이는 반응 온도를 낮추어 스팀의 해리를 방지하여 최고 순도의 스팀을 발생시키게 된다. 그러나, 산소 공급과 함께 물을 추가하는 것은 수소 및 산소를 점화 및 혼합하기 전에 스팀의 온도를 감소시키고, 따라서 프로세스의 효율을 감소시킨다. 냉각수 통로는 연소실의 외벽들의 약간의 냉각을 제공하지만, 이것들이 배치된 곳에서만 그렇다.

US 9 617 840(World Energy Systems Inc)은 오일을 회수하기 위한 스팀 발생 시스템을 개시하고 있으며, 연소 슬리브를 위한 수냉식 라이너를 제안하고 있다. 라이너는, 가열된 스팀을 생성하기 위해, 연소 챔버 내로 유체의 무화된 액적을 분사하기 위한 유체 주입 스트럿(strut)을 포함할 수 있다. 그러나, 이 스팀 발생 시스템은 다운홀(downhole) 스팀 발생기로서 사용하기 위한 것이며, 재생가능한 에너지원으로서 사용하기 위한 것은 아니다.

US 5 644 911(Westinghouse Electric Corp)은 수소 및 산소를 화학양론적 비율로 주입 및 연소하는 스팀 터빈 전력 시스템 및 작동 방법을 개시한다. 이 세미-클로즈드(semi-closed) 스팀 터빈은, 과열 스팀과 함께, 물 이외의 부산물을 거의 생산하지 않는다. 스팀 압축기에 의해 생성된 고압 스팀의 일부는 스팀 터빈에 의해 수용되어 스팀 터빈의 냉각에 사용될 수 있다.

US 2010 314 878(Dewitt)은 시스템 내의 온도 및 압력 조건을 조절 및 제어하기 위한 수단을 포함하는, 스팀을 발생시키기 위한 수소 및 산소 연소 시스템을 개시한다. 수소와 산소 사이의 연소 반응에 의해 스팀이 직접 생성되고, 이러한 반응에 의해 생성된 과열 스팀의 바디 내로의 물 주입에 의해 온도가 조절된다. 시스템 온도는 조절된다. 시스템 압력은 스팀-발생 엔진의 연소 챔버 내로의 수소, 산소, 및 물의 총 유동을 제어함으로써 조절된다. 데이터는 중앙 제어 시스템으로 전송되며, 온도 데이터는 열전쌍 센서 어레이를 통해 획득되고 압력 데이터는 압력-트랜스듀서 센서 어레이로부터 전송된다. 이들 센서 어레이는 터빈 또는 대안적인 적용 장치의 스팀 흡입 포트에 바로 근접하여 위치되고, 따라서 스팀 발생 엔진과 유동 연통하여 연결된다. 컴퓨터화된 중앙 제어 시스템은 하나 또는 복수의 스팀 발생 엔진 시스템의 개별 수소 및 산소 가스 유량, 물 주입 유량, 및 전체 시스템 효율을 조절하여, 최적-조건의 스팀 구동 장치를 생산한다.

US 4 074 708(Combustion Eng)은 터빈으로 흐르는 스팀을 급속하게 과열시키는 장치를 개시하고 있어, 고온 재시동과 같이 단시간 정지 후에 신속하게 유닛을 재가동시킬 수 있다. 상기 장치는 터빈으로의 스팀 라인 내의 수소 및 산소를 직접 연소시키는 스팀 발생기를 포함한다. 운전시, 수소와 산소는 저장 탱크로부터 공급 라인을 통해, 버너를 포함하는 슈퍼 히터에 공급된다. 발생기의 정상 작동 동안, 작은 양의 전력이 정류되어 전해조를 작동시켜, 고온 재시동 동안과 같이, 과열기를 발화(firing)시키는데 필요한 수소 및 산소를 발생시킨다. 공급 라인 내의 제어 밸브는 출구 지점에서 온도를 유지하기 위해 과열기 내의 버너에 적절한 양의 수소 및 산소를 공급한다. 밸브들은 온도 감지 장치로부터 온도 신호를 수신하는 컨트롤러에 의해 제어된다. 유량계는 버너로 흐르는 수소와 산소의 양을 측정하는데 사용되며, 이들 신호는 화학양론적 비를 유지하도록 밸브를 위치시키기 위해 컨트롤러에 공급된다. 이 장치는 다양한 센서와 대화하는 제어 시스템을 제안하지만, 개시된 장치는 스팀을 발생시키지 않는다. 오히려, 스팀은 다른 곳에서 만들어지고, 초열(super heat)로 수소-산소 버너에 의해 간단히 온도가 상승된다. 소스에서 스팀의 발생에 대한 제어는 없다.

종래 기술의 제안들이 기존의 스팀 발생기들의 효율의 문제, 및 연소 챔버의 온도 조절을 다루는 것으로 보이지만, 이들은 연소열을 효율적으로 포획하고 이러한 열을 이용하는 문제를 다루지 않는다. 연소열을 제어하고 포함하는 것은 표준 재료가 표준 제조 방법을 통해 사용될 수 있게 한다. 이들은 또한 고순도의 공급 가스, 및 특히 수소 공급의 순도를 요구하는 문제를 해결하지 않는다. 고순도를 요구하는 것은 연소 전 또는 연소 후 프로세스 중 어느 하나를 포함한다. 종래 기술의 제안들이 또한 고장 및 최종 정지를 방지하기 위해 시스템 효율, 및 시스템 내의 온도 및 압력의 제어의 문제를 다루는 것으로 보이지만, 이들은 화재 및/또는 폭발을 방지하기 위해 압력 조건을 조절하면서, 에너지 출력을 최대화하도록 시스템을 미세하게 조정하는 수단을 제공하지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시형태들은 효율적인 온도 조절 및 열전달을 통해 가능한, 표준 재료로부터 그리고 공통 제조 프로세스를 통해 구성되는 스팀 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그것들은 또한 재생 가능한 소스로부터 에너지의 지속적인 공급을 제공하는 것을 목적으로 하며, 이는 상기 소스의 특별한 처리 및 환경에 의존하지 않는다. 이것들은 또한 용도에 따라 다양한 크기로 구성될 수 있으며 지리적이나 특정 환경 조건에 의해 한정되지 않는 스팀 발생 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 바람직한 실시형태들은, 발생기 고장의 위험을 제거하기 위해 압력을 모니터링하면서, 시스템 효율을 크게 향상시키기 위해, 온도 및 그에 따른 열전달을 모니터링 및 조절하기 위한 제어를 갖는 스팀 발생 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 스팀 발생기로서,

- 압력 용기;

- 압력 하에서 수소 및 산소를 수용하도록 배열된, 압력 용기에 대한 가스 유입구;

- 가스 유입구에 수용된 수소 및 산소를 점화시키도록 배열된, 압력 용기 내의 점화 수단;

- 압력 용기로부터 스팀의 유출을 위한 스팀 유출구;

- 압력 용기 내의 또는 압력 용기 상의 물 재킷;

- 압력 하에서 물을 수용하고 이를 물 재킷에 공급하도록 배열된 물 유입구; 및

- 가스 유입구와 스팀 유출구 사이에서 압력 용기 내에 위치되는 물 유출구

를 포함하며, 여기서, 사용 중: 물 유입구에서 수용된 물은, 압력 용기의 냉각을 제공하기 위해 상기 물 재킷을 따라 통과하고, 점화된 수소 및 산소와 혼합되는 물 스프레이 및/또는 막을 제공하여 물 스프레이 및/또는 막을 기화시키도록 물 유출구에서 배출되며, 물 유출구는 가스가 가스 유입구로부터 스팀 유출구로 유동할 때 그 주위에서 유동하는 본체를 포함하는 스팀 발생기를 제공한다.

바람직하게는, 압력 용기는 이중벽 구조를 포함하며, 그 사이에 물 재킷을 형성한다.

바람직하게는, 압력 용기는 점화 수단이 장착되는 연소 구역을 포함하고, 연소 구역은 가스 유입구로부터의 수소 및 산소를 수용하도록 그리고 연소 프로세스 동안 상기 가스들을 함께 혼합하도록 구성된다.

바람직하게는, 압력 용기는 물 유출구가 장착되는 물 유출 구역을 포함한다.

바람직하게는, 물 유출구는 불릿-형상 부분의 선단에 배열되고, 불릿-형상 부분은, 선단이 연소 구역을 향하는 상태로, 압력 용기의 중심축선을 따라 압력 용기 내에 동심으로 장착된다.

바람직하게는, 물 유출구는 노즐을 포함한다.

바람직하게는, 물 유출구는 물의 어레이를 생성하기 위한 복수의 채널을 포함한다.

바람직하게는, 어레이는 일반적으로 압력 용기의 주 축선의 반경방향으로 연장되는 반경방향 팬이다.

바람직하게는, 물 유출구는 몰리브덴을 포함한다.

바람직하게는, 점화 수단은 예열 플러그를 포함한다.

바람직하게는, 스팀 유출구는 압력 용기의 가스 유입구에 대향하는 단부에 있다.

바람직하게는, 스팀 유출구에는 밸브 제어 수단이 통합된다.

바람직하게는, 상기 밸브 제어 수단은 드 라발 노즐이다.

가스 유입구는 가스들이 통과함에 따라 이들을 혼합하기 위한 가스 혼합 노즐을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 가스 혼합 노즐은 가스들을 혼합하기 위한 복수의 길이방향 홈들을 포함한다.

가스 유입구는, 2개의 분리된 경로 즉 수소를 위한 경로와 산소를 위한 경로를 포함하여, 수소와 산소가 가스 유입구로부터 배출될 때 압력 용기 내에서 혼합되도록 배열된다.

바람직하게는, 압력 용기는 실질적으로 원통형이다.

바람직하게는, 압력 용기는 사용시 용기 내의 가스가 혼합되는 공간을 제공하는 혼합 구역을 포함한다.

바람직하게는, 물 유출구는 연소 구역과 혼합 구역 사이에 위치된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 스팀 발생 시스템으로서, 스팀 발생기, 발생기를 위한 가스 공급 시스템, 발생기를 위한 물 공급 시스템, 및 스팀 발생 시스템을 위한 컨트롤러를 포함하며, 여기서:

스팀 발생기는:

수소 가스, 산소 가스, 퍼지 가스, 및 물을 위한 입력부들;

발생기 내의 수소와 산소를 점화시키도록 배열되는 점화기; 및

발생기 내의 수소 및 산소의 점화에 의해 생성된 가압 스팀을 위한 출력부; 를 포함하며,

가스 공급 시스템은 제1, 고압 스테이지 및 제2, 저압 스테이지를 포함하고, 여기서:

제1, 고압 스테이지는 압력 하에서 수소, 산소, 및 퍼지 가스를 수용하고 감압 하에서 제2, 저압 스테이지로 이들 가스를 공급하도록 배열되고;

제2, 저압 스테이지는 감압 하에서 제1, 고압 스테이지로부터 가스들을 수용하고 이들 가스를 스팀 발생기에 공급하도록 배열되며:

물 공급 시스템은 스팀 발생기에 압력 하에서 물을 공급하도록 배열되며; 그리고

컨트롤러는 프라임, 실행, 및 정지 단계에서 스팀 발생 시스템의 작동을 제어하도록 배열되고, 여기서:

프라임 단계에서, 수소 가스 및 산소 가스는 제1, 고압 스테이지로 도입되고 수소 및 산소의 압력은 제1, 고압 스테이지에서 축적되도록 허용되고;

실행 단계에서, 수소 가스 및 산소 가스는 제1, 고압 스테이지에서 지배적인 압력보다 낮은 압력으로 제2, 저압 스테이지로 도입되고; 이어서 수소 및 산소 가스는 스팀 발생기로 공급되고 여기서 이들은 점화기에 의해 점화되고; 물은 점화된 가스들과 혼합되도록 스팀 발생기 내로 공급되고; 그리고

정지 단계에서, 스팀 발생기로의 수소 및 산소 가스의 공급이 중단되고, 스팀 발생기로의 물의 공급이 중단되고, 퍼지 가스가 가스 공급 시스템 및 스팀 발생기에 공급되어 가스 공급 시스템 및 스팀 발생기의 수소 및 산소 가스를 퍼징하는 스팀 발생 시스템이 제공된다.

본 명세서의 맥락에서, 참조의 용이함을 위하여, '고압' 및 '저압'이라는 용어들은, 가스 공급 시스템의 제1 및 제2 스테이지들에서 획득될 수 있는 바와 같이, 서로에 대해 높은 압력 및 낮은 압력을 나타내기 위해 사용된다.

바람직하게는, 프라임 단계에서, 각각의 저-유량 밸브들이 초기에 개방되어 수소 및 산소의 압력이 점진적으로 축적되도록 허용하고; 이어서, 각각의 고-유량 밸브들이 개방되어 수소 및 산소의 압력이 보다 신속하게 축적되도록 허용한다.

바람직하게는, 실행 단계에서, 컨트롤러는 수소 및 산소의 질량 유량, 온도, 및 압력의 측정으로, 산소 대 수소의 화학양론적 질량비를 계산하고; 시스템에서 밸브들을 제어하여 화학양론적 질량비를 소망하는 수준으로 유지한다.

바람직하게는, 실행 단계에서, 컨트롤러는 물 질량 유량과 수소 또는 산소 질량 유량을 모니터링하고; 이들 질량 유량을 조정하여 스팀 발생기를 통한 소망하는 전체 질량 유량을 달성하도록 한다.

바람직하게는, 스팀 발생 시스템의 동작은 시작 버튼 및 정지 버튼의 사용자 작동에 의해 제어된다.

바람직하게는, 사용시, 프라임 단계는 시작 버튼의 제1 작동에 의해 시작된다.

바람직하게는, 사용시, 실행 단계는 프라임 단계의 완료 후에 시작 버튼의 작동에 의해 시작된다.

바람직하게는, 사용시, 스팀 발생 시스템은 실행 단계 동안의 시작 버튼의 작동시 대기 상태에 들어간다.

바람직하게는, 본 발명의 이전 양태들 중 어느 하나에 따른 스팀 발생 시스템은, 프라임 단계의 성공적인 완료; 실행 단계의 성공적인 작동; 및 고장 상태 중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 표시기를 포함한다.

바람직하게는, 컨트롤러는 미리 결정된 시간에 또는 미리 결정된 시간 내에 다음 중 하나 이상을 포함하는 고장 상태를 검출하도록 동작한다:

시스템 내의 압력이 미리 결정된 한계를 벗어나는 것;

시스템 내의 유량이 미리 결정된 한계를 벗어나는 것;

시스템 내의 온도가 미리 결정된 한계를 벗어나는 것; 및

스팀 발생기로 공급되는 전기 점화 전류가 미리 결정된 한계를 벗어나는 것.

바람직하게는, 컨트롤러는 고장 상태가 검출될 때 정지 단계를 개시하도록 작동한다.

본 발명의 이전 양태들 중 어느 하나에 따른 스팀 발생 시스템은, 본 발명의 이전 양태들 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 스팀 발생기를 통합할 수 있다.

본 발명은 본 발명의 이전 양태들 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 스팀 발생기 또는 스팀 발생 시스템을 통합하는 터빈 발전기에까지 확장된다.

본 발명의 더 나은 이해를 위해 그리고 동일한 실시형태들이 어떻게 실시될 수 있는지를 보여주기 위해, 이제, 예로서, 첨부된 도식 도면들을 참조할 것이며, 여기서:
도 1은 이중벽 압력 용기를 보여주는 스팀 발생기의 일 실시형태를 도시하는 단면도;
도 2는, 도 1과 유사하지만 주 축선을 중심으로 90도 회전한 도면으로서, 스팀 발생기 및 가스 혼합 구역들을 통한 가스의 유동 경로를 도시하는 도면;
도 3은, 도 1과 유사하며, 스팀 발생기를 통한 물의 흐름을 도시하는 도면;
도 4는 가스 유입구의 일 실시형태를 도시하는 도면;
도 5a는 스프레이 유출구의 일 실시형태를 도시하는 등측도(isometric view);
도 5b는 도 5a의 스프레이 유출구를 도시하는 분해도;
도 6은 나란히 장착되어, 터빈에 작동가능하게 연결된 한 쌍의 스팀 발생기를 도시하는 도면;
도 7은 스팀 발생기를 사용하여 스팀을 발생시키는 방법의 도식적 표현을 도시하는 도면;
도 8은 가스 공급 시스템의 제1, 고압 스테이지를 도시하는, 스팀 발생 시스템의 일 실시형태의 개략도;
도 9는 도 8의 가스 공급 시스템의 제2, 저압 스테이지 및 제어 패널을 도시하는 개략도로서, 제2, 저압 스테이지는 A-A에서 도 8의 제1, 고압 스테이지에 연결되는 도면; 그리고
도 10은 도 8과 도 9의 스팀 발생 시스템의 컨트롤러의 제어 패널을 도시하는 도면이다.

도면에서 유사한 참조부호는 유사한 또는 대응하는 부분을 나타낸다.

아래에서 설명되고 그리고/또는 도면들에 예시된 다양한 특징들은 바람직하지만 필수적인 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 설명 및/또는 예시된 특징들의 조합은 유일한 가능 조합인 것으로 간주되지 않는다. 달리 언급되지 않는 한, 개별 특징은 실용적인 경우 생략되거나, 변경되거나, 상이한 조합으로 결합될 수 있다.

도 1 내지 도 3은 일반적으로 원통형인 압력 용기(2)를 포함하는 스팀 발생기(1)의 일 실시형태를 도시한다. 압력 용기(2)는 일 단부에 적어도 하나의 가스 유입구(3)를 포함한다. 가스 유입구(3)는 기체 연료로서 수소(4)와 산소(5)를 압력 용기(2) 내로 공급한다. 이들 기체 연료는 넓은 범위의 순도(purity)를 가질 수 있다. 이들 기체 연료는 압력 용기(2)에 진입하기 전에 가압되었을 수 있다. 그러므로, 본 예에서, 압력 용기(2)에는 가압된 수소(4) 및 가압된 산소(5)가 공급된다. 가압된 수소(4) 및 가압된 산소(5)는 하나 이상의 가스 유입구(3)를 통해 연소 구역(14) 내로 진입하며, 압력 용기(2)에 진입할 때 이들이 혼합되기 시작하도록 구성된다. 점화 수단(6)은 화염을 발생시켜 수소(4) 및 산소(5) 혼합물을 점화시키도록 위치되며, 이는 스팀(12)을 발생시킨다. 스팀(12)은 수소(4) 및 산소(5)를 연소시킴으로써 발생되는 것으로 일반적으로 알려져 있다.

점화 수단(6)은 예열 플러그(glow plug)를 포함할 수 있다. 전형적으로, 예열 플러그는 선단에 가열 요소를 갖춘 연필-형상의 금속 조각이다. 이 가열 요소는 전기가 공급될 때 전기 저항으로 인해 발열하여, 가시광선 영역의 빛을 방출하기 시작한다. 예열 플러그를 구성하는 필라멘트는 바람직하게는 고온에서 산화에 저항하는 재료인 백금 또는 이리듐으로 만들어진다. 점화 수단(6)은 또한 스파크 플러그, 레이저, 또는 다른 대안적인 점화 수단과 같은, 조건에 맞는 대안적인 가열 요소를 포함할 수 있다.

추가적인 스팀(12)을 발생시키기 위해, 물(9)이 압력 용기(2) 내로 도입되어야 한다는 것이 또한 잘 알려져 있다. 물(9)은 압력 용기(2) 내로, 즉 물 재킷(7)을 경유하고, 스프레이 유출구(10)를 통해, 일반적으로 연소 구역(14) 다음에 위치되는 물 스프레이 구역(13) 내로 주입된다. 물은 또한 혼합 구역(15) 내로 스프레이될 수 있다. 물은, 스프레이에 대한 대안으로서 또는 스프레이에 더하여, 막(film)으로서 유출구(10)로부터 배출될 수 있다.

가압된 수소(4)는 가압된 산소(5)로부터 공간적으로 분리된 방식으로 압력 용기(2) 내로 도입될 수 있다. 압력 용기(2) 내로의 물(9)의 도입은 압력 용기(2) 내의 단열 화염 온도가 국부적으로 낮아지는 것을 초래한다. 압력 용기(2)의 내부 벽 및 스팀 발생기(1)를 구성하는 또 다른 구성요소들은 물(9)의 주입으로 인해 상당히 낮은 열 부하를 받는다.

압력 용기(2)의 외벽에서의 열부하를 더욱 감소시키기 위해, 물 재킷(7)은 적어도 연소 구역(14)의 케이싱 및 혼합 구역(15)의 케이싱을 둘러싼다. 물 재킷(7)을 통한 이러한 물 통로는 압력 용기(2)를 냉각시킨다. 비록 압력 용기(2) 내로 주입되는 물(9)은 압력 용기(2)의 외벽을 냉각시킴으로써 반응 온도가 비교적 낮아질 수 있음을 보장하지만, 열에너지는 시스템 내에 유지된다. 외벽의 내측은 시스템 내에 열을 더 유지하기 위해 단열될 수 있다. 압력 용기(2) 내에 주입되는 물(9)은 케이싱을 둘러싼 물 재킷(7)으로부터 공급된다. 스팀 발생기(1)의 압력 용기(2)를 둘러싸는 이러한 물(9)은 스프레이 및/또는 막으로서 공통 유동(common flow)으로 압력 용기(2) 내로 지향된다. 그러므로 이러한 물 스프레이 및/또는 필름은 유리하게 예열되고 있다.

물 스프레이 구역(13) 내로 추가되는 물(9)은 스팀 유출구(11)를 통해 공급되는 결과적인 스팀(12)의 체적 및 온도를 조절한다. 그러므로, 스팀(12)의 온도를 제어하기 위해, 이러한 연소 이후 단계(post combustion phase) 동안에 스팀 발생기(1)에 추가되는 물(9)의 체적도 제어되어야 한다. 이러한 물(9)은 혼합 구역(15)에 존재하는 발생된 스팀(12)의 온도로 인해 증발(플래시)된다. 스팀(12)은 스팀 유출구(11)에서 압력 용기(2)의 외부로 방출된다. 이러한 스팀 유출구(11)는 본 실시형태에서 가스 유입구(3)에 대해 압력 용기(2)의 대향 단부에 있도록 구성된다. 스팀 유출구(11)에는 밸브 제어 수단이 통합될 수 있다. 이러한 밸브 제어 수단은 모래시계 형상을 포함하는 드 라발(De Laval) 노즐, 또는 중간에 끼워지는(pinched) 튜브를 포함할 수 있다. 이러한 형상은 통과하는 스팀(12)을 가속시킨다.

도 2는 스팀 발생기(1)를 통한, 가압된 수소 가스(4), 가압된 산소 가스(5), 및 발생된 스팀(12)의 통과를 도시한다. 연소 구역(14)은 연소 프로세스 동안에 함께 혼합되는 가스들을 도시한다. 연소 프로세스로부터 생성된 과열 스팀은 혼합 구역(15)에 도시되어 있고, 생성된 스팀(12)은 스팀 유출구(11)를 통해 빠져나가는 것으로 도시되어 있다. 도 2는 압력 용기(2) 전체에 걸친 가스 혼합 구역의 일 구성을 도시한다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 물 유출구(10)는, 가스 유입구(3)로부터 스팀 유출구(11)로 가스가 유동할 때, 그 주위에서 가스가 유동하는 몸체를 포함한다.

도 3은 스팀 발생기(1)를 통한 물(9)의 통로를 도시한다. 물(9)은 적어도 하나의 물 유입구(8)를 통해 스팀 발생기(1)에 진입하고, 여기서 물은 이중벽 압력 용기(2)의 벽들 사이의 물 재킷(7)을 충전하여, 압력 용기(2)를 둘러싸는 물 재킷(7)을 형성한다. 이러한 물(9)은, 연소 프로세스의 결과로서, 압력 용기(2)의 내벽에 의해 가열된다. 예열된 물(17)은 물 전달 튜브(16)를 따라 통과하여 물(9)을 스프레이 유출구(10)로 공급되고, 여기서 물은 수소 산소 화염 부근으로 스프레이된다. 이러한 물 스프레이는 점화 수단(6)에 부딪히지는 것을 회피하는 방식으로 구성된다. 스프레이 유출구(10)는 공급되는 물(9)이 미립화되도록 하는 구성된다. 그러므로, 스프레이 유출구(10)는 유리하게는 노즐이고, 스프레이 유출구(10)는 불릿 형상 부분(bullet shaped portion)의 선단에 구성되고, 이에 의해 불릿 형상 부분은 압력 용기(2) 내에 동심으로 장착되며, 여기서 노즐 즉 스프레이 유출구(10)는 압력 용기(2)의 연소 구역(14)을 향하는 상태이다. 언급한 바와 같이, 물(9)은 추가로 또는 대안적으로 유출구(10)로부터 막으로서 방출될 수 있다.

스프레이 유출구(10)는 상당히 높은 온도에 대응할 수 있는 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 스프레이 유출구(10)에 대한 적합한 물질의 한 예는 몰리브덴이다.

도 4는 가스 유입구(3)의 일 실시형태를 도시하며, 여기서 수소(4)는 하나의 유입구에서 진입하고, 산소(5)는 이 산소(5)가 예열 플러그(6)에 인접한 압력 용기(2)에 진입할 때까지 그 직경이 단계적으로 감소하는 중앙 가스 노즐을 통과한다. 수소(4)는 중앙 가스 노즐 주위에 동심으로 배열된 길이방향 구멍들에 진입하고, 이 수소가 예열 플러그(6)에 인접한 압력 용기(2)에 진입할 때까지 이 구멍들을 통과한다. 따라서, 본 예에서, 수소(4) 및 산소(5)는, 이들 모두가 표면 혼합(surface mix)의 방식으로, 각자의 유동 경로들을 경유하여, 유입구(3)로부터 압력 용기(2)에 진입함에 따라, 혼합된다. 중앙 가스 노즐 및 길이방향 구멍들의 직경들이 가스의 속도를 결정한다. 예열 플러그(6)는 전술한 바와 같이 가스를 점화한다.

대안적인 구성에서, 유입구(3)는 수소(4) 및 산소(5) 양쪽 모두를 수용하고 이들이 통과함에 따라 이들을 함께 혼합하는 프리믹스 가스 혼합 노즐로서 구성될 수 있다. 노즐 내의 길이방향 홈들은 가스의 혼합을 제공한다. 노즐의 직경은 혼합된 가스의 속도를 결정한다.

도 5a 및 도 5b는 물(9)을 물 스프레이 어레이로 재지향(redirect)시키는 다수의 채널들을 나타내는 스프레이 유출구(10)의 일 실시형태를 도시한다. 결과적인 하나의 물 스프레이 패턴은, 물 스프레이가 점화 수단(6)과 직접 접촉하는 것을 회피하도록, 반경방향 팬(즉, 압력 용기(2)의 일반적인 축선의 반경방향으로 연장됨)일 수 있다. 이러한 스프레이 유출구(10)는 구성에 있어서 실질적으로 불릿 형상(bullet-shaped)이고, 스프레이 유출구(10)가 압력 용기(2)의 축선을 따르도록 브래킷 내에 장착된다. 이러한 불릿-형상 구성요소는 압력 용기(2)의 전방에 있는 연소 구역(14)과 압력 용기(2)의 후방에 있는 혼합 구역(15)과의 사이에서 나뉨(divide)을 생성한다. 유출구(10)는, 스프레이에 더하여 또는 그에 대한 대안으로서, 막으로서 물을 출력하도록 구성될 수 있다.

혼합 구역(15)의 목적은 압력 용기(2) 내에서 균질한 혼합을 제공하는 것이다. 가스 유입구(3)로부터 통과하는 수소(4) 산소(5) 혼합물은 점화 수단(6)에 의해 점화되고, 여기서 연소된다. 이러한 수소-산소 혼합물의 연소는 수소-산소 화염을 형성하고, 생성 가스는 순수 수증기 또는 스팀(12)을 포함하는 것을 초래한다. 산소(5)와 수소(4)의 연소 동안에, 연소 구역(14)은 압력 용기(2)의 외벽을 둘러싸는 물(9)에 의해 냉각된다. 이러한 물(9)은 또한 스프레이 유출구(10)를 통해 공급되어, 물 스프레이 구역(13) 내로 스프레이되는 물 스프레이를 구성한다. 이러한 물(9)은 증발하여 추가적인 수증기 또는 스팀(12)을 형성한다. 스팀(12)은 다양한 응용을 위해 이용될 수 있는 스팀 유출구(11)를 통해 스팀 발생기(1)를 떠난다.

도 6은 나란히 장착되어 터빈(18)을 구동하기 위해 스팀 유출구(11)를 통해 스팀(12)을 방출하도록 구성되는 한 쌍의 스팀 발생기(1)를 도시한다. 추가 구성은 유압 동력이나 기계적 샤프트 동력을 공급하기 위한 장치, 또는 다른 장치에 있어서의 발전(electricity generation)을 포함할 수 있다. 도 6에서, 튜브(16)들은 도 1 및 도 3에 도시된 것과 상이한 구성을 갖는다.

도 7은 스팀 발생기(1)를 이용한 스팀 발생 프로세스를 도식화한 것으로 매우 자명한 것이다. 스팀 발생기(1)는 가압된 수소(4) 및 산소(5)의 제어된 연소 및 가압된 물(9)의 제어된 추가로 스팀(12)을 발생시키도록 구성된다. 압력 용기(1)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 물 재킷(7)은 압력 용기(2) 내의 온도를 조절한다. 이는 표준 재료가 사용될 수 있도록 하는 온도 조절이며, 따라서 표준 제조 기술이 사용될 수 있다. 이는 또한 스팀 발생기(1)의 유지 보수가 어느 정도 비전문적이라는 것을 보장한다. 도 7의 예에서, 발생된 스팀(12)은 터빈을 구동하는데 사용되고, 계속해서 터빈은 발전기를 구동하여 전기를 생산한다. 퍼지 가스로서 질소가 도입될 수 있다.

스팀 발생기(1)는 연소 열의 효율적인 포획을 보장하고, 프로세스의 일부로서 이 열을 사용한다. 수소(4) 및 산소(5)의 연소는 섭씨 약 2,500도의 온도이다. 이러한 온도는, 물 재킷(7)에서 예열되고 혼합 구역(14)으로 스프레이되는, 가압되고 예열된 물(17)에 의해 낮춰진다.

2500℃에서 연소된 수소 산소 혼합물에 스프레이로서 물(9)을 추가함으로써, 스프레이로서 추가된 물(9)은 과열 스팀으로 플래시되고, 이러한 방식으로 열 에너지는 질량 유량 및 압력으로 변환된다. 물(9)을 작은 물방울로 세분화하여 넓은 표면적을 제공함으로써 시스템 유효성이 향상되며, 플래싱-오프(flashing-off) 프로세스를 더욱 효과적으로 만들 수 있다. 물(9)은 더 많은 스팀(12)을 생성하기 위해 연소된 가스에 의해 가열되고; 이것의 이점은 연소된 가스가 이것을 하기 위해 열을 포기하고 그들 자체가 유용한 스팀(12)이 되므로 훨씬 더 많은 스팀(12)이 발생된다는 것이다. 이는 스프레이가 스프레이 유출구(10)에서 스팀 발생기(1)의 스팀 유출구(11)로 도입되는 지점으로부터 발생한다.

따라서, 더 많은 물(9)을 추가하고 물의 가압된 무화(atomised) 스프레이와 이러한 물(9)을 효과적으로 혼합함으로써, 스팀 질량 유량이 증가되고, 벌크 스팀의 온도가 감소된다. 400℃의 출력 온도 및 40bar의 출력 압력은, 이들이 표준 물질에 의해 취급될 수 있는 에너지 밀집 스팀(energy dense steam)을 제공하기 때문에 바람직한 예로서 선택되었다.

도 8 및 도 9는 스팀 발생기, 발생기용 가스 공급 시스템, 발생기용 물 공급 시스템, 및 스팀 발생 시스템용 컨트롤러를 포함하는 스팀 발생 시스템을 도시한다. 스팀 발생기는 예를 들어, 에시된 그리고 전술한 바와 같은 스팀 발생기일 수 있다. 스팀 발생 시스템의 부분의 명칭은 도 8 및 도 9에서 확인할 수 있다. 컨트롤 패널은 도 10에 도시된다.

도시된 시스템은 스팀 발생기가 제어 패널에 제공된 2개의 버튼들, 즉 시작 버튼 및 정지 버튼으로 작동될 수 있도록 설계된다. 스로틀링(throttling) 및 대기(standby) 모드는 선택적으로 시스템에 포함되고, 사용자의 재량에 따라 사용된다. 버튼들은 물리적 버튼 또는 터치-감지 요소일 수 있다.

컨트롤러는 프라임(Prime), 실행(Run), 및 정지(Shutdown)라는 세 단계로 동작하며, 이에 대해서는 후술한다. 시작시, 시작 버튼을 처음 누르면 시스템의 프라이밍(priming)이 개시된다. 그 후에, 시작 버튼을 누르는 것은, 시스템이 중지되어 있다면 시스템을 시작시킬 것이고; 시스템이 실행 중이면 시스템을 중지시킬 것이다. 정지 버튼을 누를 때까지 시스템은 프라임 상태로 유지될 것이다.

도 8 및 도 9에서 볼 수 있듯이, 시스템은 두 단계로 나뉘며, 수직의 점선으로 표시되고 도 8에서 도 9까지 이어지는 화살표 A-A로 연결된다. 도 8은 100bar 이상의 압력이 우세할 수 있는 비교적 고압 단계를 도시한다. 도 9는 비교적 저압 단계를 도시하며, 여기서 55bar까지의 압력이 우세할 수 있다.

도 8 및 도 9는 다수의 솔레노이드로-작동식 밸브들 및 센서들을 도시한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 각각의 솔레노이드-작동식 밸브를 솔레노이드로 지칭한다. 모든 솔레노이드는, 통상적으로 개방되어 있는 벤트 솔레노이드를 제외하고, 통상-폐쇄형(normally-closed type)이다. 통상-폐쇄라는 것은 솔레노이드가 여자될 때만 개방된다는 것을 의미하고, 통상-개방이라는 것은 솔레노이드가 여자될 때만 폐쇄된다는 것을 의미한다. 제어 시스템이 처음 켜지면, 모든 솔레노이드는 비-여자된 상태로 유지된다.

바람직하게, 센서들은 모두 또는 대부분 스팀 발생 시스템의 상이한 별개의 위치에 분포된다. 이는 설계의 유연성을 허용한다.

프라임(Prime)

시작 시 시작 버튼을 누르면, 다음과 같은 일련의 단계가 시작된다.

1. 압력 센서 #3 내지 #8은 시스템 내의 압력을 체크한다. 필요한 압력 수준 이상인 경우, 시스템은 컨트롤 패널의 LCD 디스플레이 스크린에 고장을 표시하고 시스템은 더 이상 진행되지 않는다.

2. 압력 센서 #1, #2, #5가 체크된다. 필요한 한계 미만인 경우, 수동 차단 밸브를 개방시키고 밸브가 개방되면 다시 시작 버튼을 누르라는 요청이 LCD 디스플레이에 표시된다. 시작 버튼을 두 번째로 누르고 압력 센서 #1, #2 및 #5 중 하나가 여전히 필요한 한계 미만으로 등록되면, 시스템은 LCD 스크린에 고장을 표시하고 더 이상 진행하지 않는다.

3. 단계 1 및 2의 조건이 충족되면, 시스템은 벤트 솔레노이드에 전력을 공급하여, 이들이 폐쇄되게 한다. 시스템은 솔레노이드들(저 유량) 및 이 솔레노이드들(저 유량) 사이의 파이프워크(pipework) 모두를 개방하고, 감압 밸브들은 가압하기 시작한다. 가압 속도는 솔레노이드(저 유량) 상류의 유동 제한기(flow restrictor)에 의해 좌우된다. 이는 파이프워크 내에서 고장이나 화재를 일으킬 수 있는 단열 가열의 위험을 제거하는 점진적인 가압을 제공한다.

4. 시스템이 가압됨에 따라, 시스템은 압력 센서 #3 및 #4를 모니터링하고 이들을 압력 센서 #1 및 #2와 각각 비교한다. #1 및 #2와 #3 및 #4 사이의 차이가 3bar 미만이면, 시스템은 솔레노이드(저 유량)를 폐쇄하고 솔레노이드(고 유량) #1 및 #2를 개방한다. 이러한 프로세스 전체에 걸쳐 시스템은 유량 센서 #1 및 #2를 모니터링한다. 흐름이 검출되면, 프로세스는 멈춰지며, 솔레노이드(저 유량)와 솔레노이드(고 유량) #1 및 #2는 폐쇄되고, 벤트 솔레노이드는 개방되고 솔레노이드(고 유량) #3은 2초 동안 개방되며; 시스템은 LCD 디스플레이에 고장을 표시하고 더 이상 진행하지 않는다. 솔레노이드(고 유량) 밸브 #3을 2초 동안 개방하는 목적은, 잠재적으로 위험한 가스를 시스템으로부터 퍼징하려는 것이다. 그 다음 LCD 디스플레이를 경유하여 정지 버튼을 누르도록 요청한다.

5. 단계 1 내지 4가 성공적으로 완료되면, 프라이밍 프로세스가 완료된다. 그리고 '프라임 LED(프라임 LED)'가 점등되고 스팀 발생기가 시작할 준비가 된다. 이 시점에서, 시스템은 시작으로 곧바로 진행하도록 또는 대기 모드로 진행하도록 설정되어, 시작을 위해 시작 버튼의 추가 누름을 기다린다. 압력 센서 #1 내지 #4 중 하나가 고압 또는 저압에 대해 미리 결정된 한계를 초과하는 경우, 시스템은 LCD 스크린에 고장을 보고하고 정지로 진행하며 '프라임 LED'는 소등된다.

실행(Run)

프라이밍 직후 시작 버튼이 눌러지면, 실행 프로세스가 시작되고 시스템은 목표 스팀 온도, 스팀 압력 및 스팀 질량 유량을 달성한 다음, 실행 모드에 있는 동안 이를 유지하려고 한다.

1. 언제라도 시스템이 어떤 종류의 고장을 나타내면, 시스템은 정지로 진행하며, 모든 솔레노이드 밸브는 폐쇄되고, 벤트는 개방되고, '프라임 LED'는 소등된다. 이러한 방식으로 시스템은 안전 상태로 복귀된다.

2. 시스템은 압력 센서 #3 및 #4를 체크한다. 어느 하나라도 시작 압력 범위 밖에 있으면, 시스템은 LCD 스크린에 고장을 표시한 후 정지로 이동하고 '프라임 LED'는 소등된다. 그 다음 밸브 위치 센서 #1 및 #2를 체크하여 각각의 감압 밸브가 버너 시동을 위한 정확한 위치에 있는지 확인한다. 이러한 위치는 초기 가스 전달 압력이 스팀 발생기의 버너를 시동하기 위해 정확한 가스 질량 유량을 제공할 것을 보장한다. 시동을 위한 가스 질량 유량의 비율 및 크기는 스팀 발생기 내의 초기 조건들에 따라 가변적이고; 이는 핫 스타트(hot start)와 콜드 스타트(cold start)에 따라 다르다. 콜드 스타트는 발생기가 초기에 시동되고 발생기의 모든 부분이 주위 온도에 있을 때이다. 핫 스타트는 발생기가 정지된 후 짧은 시간에 재시동되어 발생기의 부품들이 상당한 열을 유지할 때이다.

3. 단계 2의 조건이 충족되면, 시스템은 스팀 발생기의 예열 플러그 점화기를 켜고 그 전류를 모니터링한다. 예열 플러그의 초기 전류가 필요한 값에 도달하지 않으면 시스템이 LCD 스크린에 고장을 보고하고 정지로 진행하며 '프라임 LED'는 소등된다.

4. 단계 3의 조건이 충족되면, 시스템은 예열 플러그 전류를 계속 모니터링하고, 예열 플러그가 가열됨에 따라, 전류는 가열 프로세스에 의해 야기되는 증가된 저항으로 인해 하강한다. 주어진 전류 레벨에서, 컨트롤러는 예열 플러그가 가스 점화를 개시하기에 충분히 뜨거운 것으로 간주한다.

5. 단계 4의 조건이 충족되면 컨트롤러는 물 펌프를 시작한다. 컨트롤러는 유량 센서 #3으로부터의 출력을 미리 결정된 유량 수요와 비교한다. 이들 2개의 숫자의 차이는 요구된 유량과 실제 유량 사이의 오차를 나타낸다. 미리 결정된 유량 수요가 유량 센서 #3에 의해 측정된 유량보다 크면, 오차는 양수이고 컨트롤러는 펌프의 속도를 증가시킨다. 미리 결정된 유량 수요가 유량 센서 #3에 의해 측정된 유량보다 작으면, 오차는 음수이고 컨트롤러는 펌프의 속도를 감소시킨다. 유량 센서 출력이 측정되고 펌프 속도는 대략 1/10초마다 시스템의 소프트웨어 내의 루프 상에서 조정되며; 이것은 에러 루프로서 알려져 있다. 미리 결정된 시간 이후에 유량 센서 #3의 출력이 미리 결정된 유량 수요에 합치될 수 없으면, 컨트롤러는 LCD 스크린 상에 고장을 표시하고 정지로 진행하며 '프라임 LED'는 소등된다.

6. 미리 결정된 유량 수요가 유량 센서(#3)로부터의 출력과 일치할 때, 컨트롤러는 솔레노이드(고 유량) #4 및 #5를 개방한다. 가스는 스팀 발생기로 진입하고 예열 플러그에 의해 점화되어 스팀의 생산이 시작된다. 미리 결정된 시간 이후에 온도 센서 #3가 미리 결정된 레벨 이상의 온도 상승을 검출하지 않으면, 컨트롤러는 LCD 스크린에 고장을 표시하고 정지로 진행하며, '프라임 LED'는 소등된다. 온도가 상승하지 않으면, 이것은 가스가 점화되지 않았음을 나타낸다.

7. 고장이 없으면, 온도 센서 #3 및 압력 센서 #8을 모니터링한다. 미리 결정된 시간 내에 온도와 압력이 미리 결정된 값에 도달하면, 스팀 발생기는 불이 붙고 '워밍업(warmed up)'된 것으로 간주된다. 미리 결정된 압력 및 온도가 달성되지 않고 미리 결정된 시간이 초과되면, 컨트롤러는 LCD 스크린 상에 고장을 표시하고 정지로 진행하며 '프라임 LED'는 소등된다.

8. 단계 7의 조건이 충족되면, 시스템은 현재 전체 실행 모드이며 실행 LED가 점등될 것이다. 이어서, 시스템은 목표 온도, 압력 및 질량 유량을 달성하려고 시도할 것이다. 이를 수행하는 동안, 시스템은 또한 산소 대 수소의 화학양론적 질량비 8을 유지해야 한다. 온도 센서 #1, 압력 센서 #6 및 유량 센서 #1을 이용하여, 컨트롤러는 수소 질량 유량을 계산한다. 유사하게, 온도 센서 #2, 압력 센서 #7 및 유량 센서 #2를 사용하여, 컨트롤러는 산소 질량 유량을 계산한다. 이들 값으로부터, 소프트웨어는 산소에 대한 수소의 실제 질량비를 결정한다. 컨트롤러는 이어서 화학양론적 비로부터 실제 질량비를 감산하고, 따라서 질량비에서의 임의의 오차를 결정한다. 이 오차가 양수이면, 산소가 너무 많은 것이고 산소 감압 밸브가 다운(down)된다. 만약 오차가 음수이면, 산소 감압 밸브는 업(up)된다. 이러한 프로세스는 실행 단계 동안에 가스 혼합물 에러 루프로서 계속된다.

9. 산소 및 수소 질량 유량이 연관되어 있기 때문에, 시스템은 이제 2개의 제어 요소, 즉 수소 질량 유량 및 물 질량 유량에만 관심을 가질 필요가 있다. 목표 수소 질량 유량 및 물 질량 유량은 컨트롤러 소프트웨어에서 또는 사용자에 의해 설정된다. 목표 물 질량 유량 및 수소 질량 유량은 전체 질량 유량을 제어하도록 조정될 수 있고, 따라서 발생기를 스로틀링하기 위해, 즉 발생기로부터 출력되는 전체 스팀 질량 유량을 조정하기 위해 이용될 수 있다. 스로틀링에 이용될 때, 전체 질량 유량 및 수소 질량 유량은 미리 맵핑될 것이고, 스로틀 위치는 물 질량 유량 및 수소 질량 유량 타겟에 대해 맵핑될 것이다. 따라서, 스로틀 변화가 발생할 때, 새로운 타겟 값들은 맵핑된 값들로부터 취해진다. 이들 목표 질량 유량은 온도 센서 #3 및 압력 센서 #8에서 관찰됨으로써 조정된다. 산소 질량 유량에 대해 생성된 것과 매우 비슷한 에러 제어 루프가 수소 질량 유량 및 물 질량 유량에 대해 생성된다. 에러는 목표 수소 질량 유량과 실제 수소 질량 유량 및 목표 물 질량 유량과 실제 물 질량 유량에서 형성된다. 전체 질량 유량이 목표인 반면에, 산소 질량 유량과 수소 질량 유량에 있어서의 변화는 전체 질량 유량에 대해 작은 변화만을 가져온다. 그러나, 수소 질량 유량을 변경할지 또는 물 질량 유량을 변경할지를 결정할 때, 전체 질량 유량의 현재 상태를 고려한다. 예를 들어, 온도가 필요한 것보다 높고 질량 유량이 필요한 것보다 낮으면, 물 유량이 증가되고; 이는 온도를 감소시키기도 하지만 질량 유량을 증가시키기도 한다. 그러나 온도가 필요한 것보다 높고 질량 유량도 필요한 것보다 높으면, 수소 유량이 감소하여 온도를 낮추고 질량 유량을 감소시킨다.

10. 시스템이 매우 낮은 주파수 응답을 갖는 경향이 있을 것이므로, 온도 및 압력이 이동하는 방향이 또한 고려된다. 예를 들어, 온도 및 압력이 요구보다 높지만 떨어지고 있는 경우, 컨트롤러는 목표 값들을 변경하지 않을 것이다. 동등하게, 그것들이 요구보다 높고 상승하고 있다면, 응답의 크기는 증가될 것이다. 이 모든 것은 수소 질량 유량과 물 질량 유량에 대한 시스템 목표값을 결정하는 룩-업 테이블(look-up table)로 이어진다. 또한 이 테이블은 언제든지 하나의 에러 루프만 실행되므로 컨트롤러가 변경된 목표 값에 대한 에러 루프만 실행하는 것을 보장하며; 또 다른 에러 루프는 유예된다. 옵션이 '아무 것도 하지 않음'이면 루프는 실행되지 않는다. 이러한 방식으로 시스템은 필요할 때만 자체 수정한다. 시스템은 정지가 요청될 때까지 이 상태를 유지한다. 룩-업 테이블은 다음과 같다:

11. 시작 버튼을 다시 누르면, 시스템은 솔레노이드(고 유량) #4 및 #5를 폐쇄함으로써 스팀 생성을 중단하고, 예열 플러그는 꺼지고 실행 LED는 소등된다.

12. 온도 센서 #3 및 압력 센서 #8이 모니터링되고; 압력이 1bar 미만이고 온도가 100℃ 미만이면, 물 펌프는 꺼진다.

13. 시작 버튼을 다시 누르면, 컨트롤러는 실행의 단계 1에서 실행 프로세스를 재시작한다.

정지(Shutdown)

정지는 모든 파이프워크가 감압되고 수소 및 산소가 제거되며, 물 펌프가 꺼지고, 예열 플러그 점화기가 꺼지고, 수동 밸브가 폐쇄되어, 시스템을 불활성으로 만들고 따라서 안전하다.

1. 시스템이 스팀을 생산하고 있으면, 시스템은 솔레노이드(고 유량) #4 및 #5를 폐쇄함으로써 스팀 생산을 중단하고, 예열 플러그는 꺼지고 실행 LED는 소등된다.

2. 온도 센서 #3 및 압력 센서 #8이 모니터링되며; 압력이 1bar 미만이고 온도가 100℃ 미만이면 물 펌프는 꺼진다.

3. 단계 2의 기준이 충족되면, 솔레노이드(고 유량) #1 및 #2는 폐쇄되고 벤트 솔레노이드는 개방된다.

4. 압력 센서 #3 및 #4가 1bar 미만으로 떨어지면, 벤트 솔레노이드는 폐쇄되고 솔레노이드(고 유량) #4 및 #5는 개방되고 솔레노이드(고 유량) #3은 3 내지 5초 동안 개방된다.

5. 압력 센서 #3, #4, #5, #6, 및 #7이 1bar 미만의 압력을 보이면, 벤트 솔레노이드는 개방되고 솔레노이드(고 유량) #4 및 #5는 폐쇄된다. 이어서, 시스템은 퍼징되고 솔레노이드(고 유량) #1 및 #2의 하류에서 압력이 없는 것으로 간주된다.

6. 이제 컨트롤러는 LCD 스크린을 통해 수동 차단 밸브를 폐쇄하고 그것들이 폐쇄되면 정지 버튼을 누르도록 요청한다.

7. 단계 6의 기준을 충족하고 요청에 따라 정지 버튼이 눌러지면, 솔레노이드(고 유량) 밸브 #1 및 #2가 개방된다.

8. 압력 센서 #1 및 #2가 5초 후에 여전히 1bar 이상의 압력을 검출하면, 솔레노이드(고 유량) #1 및 #2는 폐쇄되고 컨트롤러는 LCD 스크린을 통해 수소 또는 산소 수동 밸브가 적절하게 폐쇄되지 않았거나 고장이고 체크될 필요가 있다고 보고한다.

9. 압력 센서 #1 및 #2가 5초 내에 1bar 미만의 압력을 검출하면, 솔레노이드(고 유량) #3이 개방되어 최종 질소 퍼지를 제공한다.

10. 압력 센서 #5가 5초 후에 여전히 1bar 이상의 압력을 검출하면, 솔레노이드(고 유량) #3은 폐쇄되고 컨트롤러는 LCD 스크린을 통해 질소 수동 밸브가 적절하게 폐쇄되지 않았거나 고장이고 체크될 필요가 있다고 보고한다.

11. 압력 센서 #5가 5초 내에 1bar 미만의 압력을 검출하면, 솔레노이드(고 유량) 밸브 #3은 폐쇄되고 프라임 LED는 소등된다. 이제 시스템은 완전히 퍼징되고 완전히 비활성인 것으로 간주된다.

본 명세서에서, 동사 "포함하다(comprise)"는 통상적 사전적 의미를 가지며, 비-배타적인 포함을 의미한다. 즉, 하나 이상의 특징을 포함하기 위한 단어 "포함한다"(또는 임의의 그 파생형)의 사용은, 또한 추가 특징들을 포함할 가능성을 배제하지 않는다. 단어 "바람직하다(preferable)"(또는 임의의 그 파생형)는 바람직하지만 필수적인 것은 아닌 하나 이상의 특징을 나타낸다.

본 명세서(임의의 첨부된 청구항, 요약 및 도면을 포함함)에 개시된 모든 또는 임의의 특징들, 및/또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 모든 또는 임의의 단계들은, 그러한 특징들 및/또는 단계들 중 적어도 일부가 상호 배타적인 조합들을 제외하고, 임의의 조합으로 결합될 수 있다.

본 명세서(임의의 첨부된 청구항, 요약 및 도면을 포함함)에 개시된 각각의 특징은, 달리 명시되지 않는 한, 동일하거나 동등하거나 유사한 목적을 제공하는 대안적인 특징들로 대체될 수 있다. 따라서, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 개시된 각각의 특징은 단지 동등한 또는 유사한 특징들의 일반적인 시리즈의 일례이다.

본 발명은 전술한 실시형태(들)의 세부사항들에 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(임의의 첨부된 청구항, 요약 및 도면을 포함함)에 개시된 특징들의 임의의 신규한 하나 또는 임의의 신규한 조합으로, 또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계들의 임의의 신규한 하나 또는 임의의 신규한 조합으로 확장된다.

Claims (33)

1. 스팀 발생기로서,
   - 압력 용기;
   - 압력 하에서 수소 및 산소를 수용하도록 배열된, 상기 압력 용기에 대한 가스 유입구;
   - 상기 가스 유입구에 수용된 수소 및 산소를 점화시키도록 배열된, 상기 압력 용기 내의 점화 수단;
   - 상기 압력 용기로부터 스팀의 유출을 위한 스팀 유출구;
   - 상기 압력 용기 내의 또는 상기 압력 용기 상의 물 재킷;
   - 압력 하에서 물을 수용하고 이를 상기 물 재킷에 공급하도록 배열된 물 유입구; 및
   - 상기 가스 유입구와 상기 스팀 유출구 사이에서 상기 압력 용기 내에 위치되는 물 유출구;
   를 포함하며,
   사용 중: 상기 물 유입구에서 수용된 물은, 상기 압력 용기의 냉각을 제공하기 위해 상기 물 재킷을 따라 통과하고, 점화된 수소 및 산소와 혼합되는 물 스프레이 및/또는 막을 제공하여 상기 물 스프레이 및/또는 막을 기화시키도록 상기 물 유출구에서 배출되며, 상기 물 유출구는 가스가 상기 가스 유입구로부터 상기 스팀 유출구로 유동할 때 그 주위에서 유동하는 본체를 포함하는,
   스팀 발생기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 압력 용기는 이중벽 구조를 포함하며, 그 사이에 상기 물 재킷을 형성하는, 스팀 발생기.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 압력 용기는 상기 점화 수단이 장착되는 연소 구역을 포함하고, 상기 연소 구역은 상기 가스 유입구로부터의 수소 및 산소를 수용하도록 그리고 연소 프로세스 동안 상기 가스들을 함께 혼합하도록 구성되는, 스팀 발생기.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압력 용기는 상기 물 유출구가 장착되는 물 유출 구역을 포함하는, 스팀 발생기.
5. 청구항 3 및 4에 있어서,
   상기 물 유출구는 불릿-형상 부분(bullet-shaped portion)의 선단에 배열되고, 상기 불릿-형상 부분은, 상기 선단이 상기 연소 구역을 향하는 상태로, 상기 압력 용기의 중심축선을 따라 상기 압력 용기 내에 동심으로 장착되는, 스팀 발생기.
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 물 유출구는 노즐을 포함하는, 스팀 발생기.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 물 유출구는 물의 어레이(array)를 생성하기 위한 복수의 채널을 포함하는, 스팀 발생기.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 어레이는 일반적으로 상기 압력 용기의 주 축선(principal axis)의 반경방향으로 연장되는 반경방향 팬(radial fan)인, 스팀 발생기.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 물 유출구는 몰리브덴을 포함하는, 스팀 발생기.
10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 점화 수단은 예열 플러그를 포함하는, 스팀 발생기.
11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스팀 유출구는 상기 압력 용기의 상기 가스 유입구에 대향하는 단부에 있는, 스팀 발생기.
12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스팀 유출구에는 밸브 제어 수단이 통합되는, 스팀 발생기.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 밸브 제어 수단은 드 라발(De Laval) 노즐인, 스팀 발생기.
14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유입구는 가스들이 통과함에 따라 가스들을 혼합하기 위한 가스 혼합 노즐을 포함하는, 스팀 발생기.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 가스 혼합 노즐은 상기 가스들을 혼합하기 위한 복수의 길이방향 홈들을 포함하는, 스팀 발생기.
16. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유입구는, 2개의 분리된 경로인 수소를 위한 경로와 산소를 위한 경로를 포함하여, 수소와 산소가 상기 가스 유입구로부터 배출될 때 상기 압력 용기 내에서 혼합되도록 배열되는, 스팀 발생기.
17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 용기는 실질적으로 원통형인, 스팀 발생기.
18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 용기는, 사용시, 용기 내의 가스들이 혼합되는 공간을 제공하는 혼합 구역을 포함하는, 스팀 발생기.
19. 청구항 3 및 18에 있어서,
    상기 물 유출구는 상기 연소 구역과 상기 혼합 구역 사이에 위치되는, 스팀 발생기.
20. 스팀 발생 시스템으로서,
    스팀 발생기, 상기 발생기를 위한 가스 공급 시스템, 상기 발생기를 위한 물 공급 시스템, 및 상기 스팀 발생 시스템을 위한 컨트롤러를 포함하며,
    상기 스팀 발생기는:
    수소 가스, 산소 가스, 퍼지 가스, 및 물을 위한 입력부들;
    상기 발생기 내의 수소와 산소를 점화시키도록 배열되는 점화기; 및
    상기 발생기 내의 수소 및 산소의 점화에 의해 생성된 가압 스팀을 위한 출력부; 를 포함하며,
    상기 가스 공급 시스템은 제1, 고압 스테이지 및 제2, 저압 스테이지를 포함하고,
    상기 제1, 고압 스테이지는 압력 하에서 수소, 산소, 및 퍼지 가스를 수용하고 감압 하에서 제2, 저압 스테이지로 이들 가스를 공급하도록 배열되고;
    제2, 저압 스테이지는 감압 하에서 제1, 고압 스테이지로부터 가스들을 수용하고 이들 가스를 상기 스팀 발생기에 공급하도록 배열되며:
    상기 물 공급 시스템은 상기 스팀 발생기에 압력 하에서 물을 공급하도록 배열되며; 그리고
    상기 컨트롤러는 프라임(Prime), 실행(Run), 및 정지(Shutdown) 단계에서 상기 스팀 발생 시스템의 작동을 제어하도록 배열되고,
    프라임 단계에서, 수소 가스 및 산소 가스는 제1, 고압 스테이지로 도입되고 수소 및 산소의 압력은 제1, 고압 스테이지에서 축적되도록 허용되고;
    실행 단계에서, 수소 가스 및 산소 가스는 제1, 고압 스테이지에서 지배적인(prevailing) 압력보다 낮은 압력으로 제2, 저압 스테이지로 도입되고; 이어서 수소 및 산소 가스는 상기 스팀 발생기로 공급되고 여기서 이들은 상기 점화기에 의해 점화되고; 물은 점화된 가스들과 혼합되도록 상기 스팀 발생기 내로 공급되고; 그리고
    정지 단계에서, 상기 스팀 발생기로의 수소 및 산소 가스의 공급이 중단되고, 상기 스팀 발생기로의 물의 공급이 중단되고, 퍼지 가스가 상기 가스 공급 시스템 및 상기 스팀 발생기에 공급되어 상기 가스 공급 시스템 및 상기 스팀 발생기의 수소 및 산소 가스를 퍼징하는,
    스팀 발생 시스템.
21. 청구항 20에 있어서,
    상기 프라임 단계에서, 각각의 저-유량 밸브들이 초기에 개방되어 수소 및 산소의 압력이 점진적으로 축적되도록 허용하고; 이어서, 각각의 고-유량 밸브들이 개방되어 수소 및 산소의 압력이 보다 신속하게 축적되도록 허용하는, 스팀 발생 시스템.
22. 청구항 20 또는 21에 있어서,
    상기 실행 단계에서, 상기 컨트롤러는 수소 및 산소의 질량 유량, 온도, 및 압력의 측정으로, 산소 대 수소의 화학양론적 질량비를 계산하고; 시스템에서 밸브들을 제어하여 상기 화학양론적 질량비를 소망하는 수준으로 유지하는, 스팀 발생 시스템.
23. 청구항 22에 있어서,
    상기 실행 단계에서, 상기 컨트롤러는 물 질량 유량과 수소 또는 산소 질량 유량을 모니터링하고; 이들 질량 유량을 조정하여 상기 스팀 발생기를 통한 소망하는 전체 질량 유량을 달성하도록 하는, 스팀 발생 시스템.
24. 청구항 20 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스팀 발생 시스템의 동작은 시작 버튼 및 정지 버튼의 사용자 작동에 의해 제어되는, 스팀 발생 시스템.
25. 청구항 24에 있어서,
    사용시, 상기 프라임 단계는 상기 시작 버튼의 제1 작동에 의해 시작되는, 스팀 발생 시스템.
26. 청구항 24 또는 25에 있어서,
    사용시, 상기 실행 단계는 상기 프라임 단계의 완료 후에 상기 시작 버튼의 작동에 의해 시작되는, 스팀 발생 시스템.
27. 청구항 24 또는 25 또는 26에 있어서,
    사용시, 스팀 발생 시스템은 실행 단계 동안의 상기 시작 버튼의 작동시 대기 상태에 들어가는, 스팀 발생 시스템.
28. 청구항 20 내지 27 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프라임 단계의 성공적인 완료; 상기 실행 단계의 성공적인 작동; 및 고장 상태 중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 표시기를 포함하는, 스팀 발생 시스템.
29. 청구항 20 내지 28 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 미리 결정된 시간에 또는 미리 결정된 시간 내에 다음 중 하나 이상을 포함하는 고장 상태를 검출하도록 동작하는, 스팀 발생 시스템:
    시스템 내의 압력이 미리 결정된 한계를 벗어나는 것;
    시스템 내의 유량이 미리 결정된 한계를 벗어나는 것;
    시스템 내의 온도가 미리 결정된 한계를 벗어나는 것; 및
    상기 스팀 발생기로 공급되는 전기 점화 전류가 미리 결정된 한계를 벗어나는 것.
30. 청구항 20 내지 29 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 고장 상태가 검출될 때 상기 정지 단계를 개시하도록 작동하는, 스팀 발생 시스템.
31. 청구항 20 내지 30 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스팀 발생기는 청구항 1 내지 19 중 어느 한 항에 따르는, 스팀 발생 시스템.
32. 첨부된 도면을 참조하여 실질적으로 전술된 바와 같은 스팀 발생기 또는 스팀 발생 시스템.
33. 청구항 1 내지 32 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 스팀 발생기 또는 스팀 발생 시스템이 통합된 터빈 발전기.

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