KR20240067726A - 수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러 - Google Patents

수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전열관이, 내부 유동방향이 메인가스 유동방향과 반대인 제1전열부 및, 내부 유동방향이 메인가스 유동방향과 같은 제2전열부를 포함하는 수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러는 전열관이, 내부 유동방향이 메인가스 유동방향과 반대인 제1전열부 및, 내부 유동방향이 메인가스 유동방향과 같은 제2전열부를 포함하여 정적 불안정 현상을 방지할 수 있다.　
　

Description

수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러 {Once-through evaporator of vertical heat recovery steam generator and heat recovery steam generator including the same}
본 발명은 수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전열관이, 내부 유동방향이 메인가스 유동방향과 반대인 제1전열부 및, 내부 유동방향이 메인가스 유동방향과 같은 제2전열부를 포함하는 수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러에 관한 것이다.
복합화력발전이란 1차 발전설비와 2차 발전설비를 조합한 발전 방식이다. 일반적으로 복합화력발전은, 가스터빈 내부에서 연료를 태워 고온의 연소가스를 만들고 이 연소가스로 가스터빈을 돌려 1차로 발전하고, 1차 발전과정에서 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 생산된 고온고압의 증기로 증기터빈이 구동되어 2차로 발전하는 방식을 이용한다. 이러한 복합화력발전은 연료의 연소열을 가스터빈에서 1차로 이용하고 이를 배열회수보일러에서 다시 이용하는 방식으로 에너지 이용 효율성이 높으며, 운전을 시작하면서부터 전기를 생산하는데까지 걸리는 시간이 짧다는 장점이 있다. 또한, 청정연료를 사용할 수 있어 친환경적이다.
고온고압의 증기를 생산하기 위한 배기가스의 열은 열교환장치의 일종인 폐열회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)에 의해서 회수될 수 있다.
폐열회수보일러는 배기가스의 유동 방향에 따라 크게 수평형 방식과 수직형 방식으로 구분될 수 있다. 수평형 방식은 배기가스의 유동방향이 수평 방향으로 유동하는 방식이고, 수직형 방식은 배기가스의 유동 방향이 수직 방향으로 유동하는 방식이다. 수직형 방식은 수평형 방식에 비해 설치 면적이 작다는 장점이 있다.
또한, 폐열회수보일러는 보일러 내부의 순환 방식에 따라 크게 자연순환 방식과 강제순환 방식으로 구분될 수 있다. 자연순환 방식은 유동이 밀도 차에 의해서 형성되는 방식이고, 강제순환 방식은 보일러 내부의 물 또는 증기의 순환이 별도로 구비된 순환 펌프에 의해서 이루어지는 방식이다.
이러한 강제순환 방식 및 수직형 방식의 폐열회수보일러 내부의 증발기에서는 이상유동(two phase flow)으로 인해서, 정적 불안정(static instability)(또는 레디네그 불안정(ledinegg instability)) 현상이 발생할 수 있다. 정적 불안정은 증발기 내부의 압력강하 곡선과 증발기 외부헤드(펌프 등)의 압력강하 곡선 간의 교점이 복수 개가 형성됨에 따라 발생한다. 이러한 정적 불안정은 증발기 내부의 실제 질량 유량이 기설계된 질량 유량과 달라질 수 있다는 문제를 야기시킬 수 있다.
상기와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명에 따른 수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러는 정적 불안정 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관류형 증발기는, 수직형 폐열회수보일러에 적용되는 관류형 증발기에 있어서, 내부로 유입된 물이 유동하면서 메인가스 유동과 열교환하여 증발되어 배출되는 전열관을 포함하고, 전열관은, 내부의 유동방향이 메인가스 유동방향과 반대로 형성된 제1전열부, 및 내부의 유동방향이 메인가스 유동방향과 같은 방향으로 형성된 제2전열부를 포함한다.
또한, 제1전열부는 상대적으로 메인가스 유동의 하류에 배치되고, 제2전열부는 상대적으로 메인가스 유동의 상류에 배치될 수 있다.
또한, 제2전열부의 출구는 제1전열부와 상대적으로 가까운 위치에 배치되고, 제2전열부의 입구는 제1전열부와 상대적으로 먼 위치에 배치될 수 있다.
또한, 메인가스는 하측으로부터 상측을 향하는 방향으로 유동하고, 제2전열부는 제1전열부의 하측에 배치되며, 제2전열부에서, 제2전열부의 입구는 하측에 배치되고, 제2전열부의 출구는 상측에 배치될 수 있다.
또한, 제1전열부의 출구 및 제2전열부의 입구 사이에는 연결배관이 연결될 수 있다.
또한, 연결배관은, 메인가스 유동방향과 나란하게 연장되어 형성되고, 연결배관의 내부에 형성된 유동방향은, 메인가스 유동방향과 반대 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 제2전열부의 입구 측에는, 물이 배출될 수 있는 드레인배관 및 드레인밸브가 배치될 수 있다.
또한, 드레인배관은 하측으로 볼록하게 형성되고, 드레인밸브는 드레인배관의 최하측 부분에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수직형 폐열회수보일러는, 외형을 형성하는 케이싱, 케이싱과 가스터빈을 연결하고, 가스터빈으로부터 메인가스가 공급되는 덕트, 및 케이싱 내부에 배치되는 관류형 증발기를 포함하고, 증발기는, 내부로 유입된 물이 유동하면서 메인가스 유동과 열교환하여 증발되어 배출되는　전열관을 포함하고, 전열관은, 내부의 유동방향이 메인가스 유동방향과 반대로 형성된　제1전열부, 및 내부의 유동방향이 메인가스 유동방향과 같은 방향으로 형성된　제2전열부를 포함한다.
또한, 제1전열부는 상대적으로 메인가스 유동의 하류에 배치되고, 제2전열부는 상대적으로 메인가스 유동의 상류에 배치될 수 있다.
또한, 제2전열부의 출구는 제1전열부와 상대적으로 가까운 위치에 배치되고, 제2전열부의 입구는 제1전열부와 상대적으로 먼 위치에 배치될 수 있다.
또한, 메인가스는 하측으로부터 상측을 향하는 방향으로 유동하고, 제2전열부는 제1전열부의 하측에 배치되며, 제2전열부에서, 제2전열부의 입구는 하측에 배치되고, 제2전열부의 출구는 상측에 배치될 수 있다.
또한, 제1전열부의 출구 및 제2전열부의 입구 사이에는　연결배관이 연결될 수 있다.
또한, 연결배관은, 메인가스 유동방향과 나란하게 연장되어 형성되고, 연결배관의 내부에 형성된 유동방향은, 메인가스 유동방향과 반대 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 제2전열부의 입구 측에는, 물이 배출될 수 있는　드레인배관　및　드레인밸브가 배치될 수 있다.
또한, 드레인배관은 하측으로 볼록하게 형성되고, 드레인밸브는 드레인배관의 최하측 부분에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러는 전열관이, 내부 유동방향이 메인가스 유동방향과 반대인 제1전열부 및, 내부 유동방향이 메인가스 유동방향과 같은 제2전열부를 포함하여 정적 불안정 현상을 방지할 수 있다.　
도 1은 본 발명에 따른 수직형 폐열회수보일러가 적용되는 복합화력발전 계통의 일부를 나타낸 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수직형 폐열회수보일러를 절개하여 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 폐열회수보일러의 관류형 증발기를 절개하여 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예의 변형례에 따른 폐열회수보일러의 관류형 증발기를 절개하여 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예의 다른 변형례에 따른 폐열회수보일러의 관류형 증발기를 절개하여 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 폐열회수보일러의 압력강하 특성곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 폐열회수보일러의 관류형 증발기를 절개하여 나타낸 개념도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
　
이하, 처뭅된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 수직형 폐열회수보일러의 관류형 증발기 및 이를 포함하는 폐열회수보일러를 상세히 설명한다.
　
도 1은 본 발명에 따른 수직형 폐열회수보일러가 적용되는 복합화력발전 계통의 일부를 나타낸 계통도이고, 도 2는 본 발명에 따른 수직형 폐열회수보일러를 절개하여 나타낸 개념도이다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 폐열회수보일러(1000)가 적용되는 복합화력발전 사이클의 전체적인 과정에 대하여 상세히 설명한다. 복합화력발전 사이클은 가스터빈(100), 스팀터빈(200), 복수기(300), 순환펌프(400), 폐열회수보일러(1000)를 포함한다.
가스터빈(100)에서는 연료와 공기가 혼합된 뒤 연소되어 고온의 연소가스를 생성하고, 고온의 연소가스에 의해서 발생한 동력은 가스터빈(100)에 연결된 발전기를 구동시킨다. 스팀터빈(200)에는 고온 고압의 증기가 공급된다. 스팀터빈(200)으로 공급되는 고온 고압의 증기는 스팀터빈(200)에 연결된 발전기에 구동력을 제공하여, 발전기를 구동시킨다. 스팀터빈(200)에서 증기는 발전기를 구동시키는 동력을 제공한 뒤 복수기(300)로 공급된다. 복수기(300)에서 증기는 냉각되어 복수로 전환된다. 복수기(300)에서는 외부에서 공급되는 냉각수와 같은 냉각수단에 의해 증기가 냉각되어 복수로 전활될 수 포함할 수 있다.
가스터빈(100)과 스팀터빈(200)의 사이에는 폐열회수보일러(1000)가 배치된다. 폐열회수보일러(1000)에는 가스터빈(100)에서 배출되는 연소가스인 배기가스가 공급되고, 또한, 복수기(300)에서 공급되는 복수 내지 급수인 물이 공급된다. 복수기(300)로 공급되는 물은 순환펌프(400)에 의해서 유동력을 제공받을 수 있다. 순환펌프(400)는 복수기(300)와 폐열회수보일러(1000) 사이에 배치될 수 있다.
폐열회수보일러(1000)에서는 배기가스와 물이 서로 열교환하게 된다. 폐열회수보일러(1000)로 공급된 물은 뜨거운 배기가스에 의해 가열되어 증기로 증발되게 된다. 폐열회수보일러(1000)에서 증발되어 생성된 증기는 스팀터빈(200)으로 공급되게 된다. 여기서 폐열회수보일러(1000)에서 생성된 증기는 스팀터빈(200)으로 공급되기 전에 과열기를 추가적으로 통과하여 과열될 수 있다. 이라, 가스터빈(100)에서 배출되는 배기가스의 유동을 메인가스유동(MF)이라 한다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 폐열회수보일러(1000)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 폐열회수보일러(1000)는 수직형 폐열회수보일러(1000)이다. 수직형 폐열회수보일러(1000)는 메인가스유동(MF)의 유동 방향이 수직인 폐열회수보일러(1000)이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수보일러(1000)는 케이싱(1100) 및 증발기(1200)를 포함한다.
케이싱(1100)은 폐열회수보일러(1000)의 외형을 형성한다. 케이싱(1100)은 수직 방향으로 길게 연장되어 형성될 수 있다. 케이싱(1100)의 하측에는 케이싱(1100)과 가스터빈(100)을 연결하는 덕트(1110)가 배치될 수 있다. 덕트(1110)에서는 가스터빈(100)의 메인가스유동(MF)이 공급되고, 덕트(1110)의 단면적은 메인가스유동(MF)의 유동 방향을 따라서 확장될 수 있다. 덕트(1110)에서는 메인가스유동(MF)이 수평 방향으로 유동하다가 수직 방향으로 전환될 수 있다. 한편, 케이싱(1100)의 상측에는 메인가스유동(MF)이 배출되는 스택(1120)이 배치될 수 있다.
케이싱(1100)의 내부에는 증발기(1200)가 배치된다. 증발기(1200)에서는 물이 유입되고 물이 증발되어 증기로 배출될 수 있다. 물은 증발기(1200)의 입구헤더(1210)로 유입될 수 있다. 증발된 증기는 증발기(1200)의 출구헤더(1220)에서 배출될 수 있다. 증발기(1200)는 복수 번 절곡된 지그재그 형상의 배관구조로 형성될 수 있고, 절곡된 부분을 제외하고는 각각의 배관이 수평 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 증발기(1200)는 수평형으로 형성된 관류형 증발기(1200)일 수 있다.
케이싱(1100)의 내부에 배치된 증발기(1200)에서는 메인가스유동(MF)이 통과하게 된다. 메인가스유동(MF)이 증발기(1200)를 통과하는 과정에서 증발기(1200) 내부에 유동하는 물과 열교환을 하게 되고, 이 과정에서 증발기(1200) 내부에서 유동하는 물은 증기로 상변환하게 된다.
증발기(1200)의 입구헤더(1210)와 복수기(300) 사이에는 순환펌프(400)가 배치될 수 있고, 순환펌프(400)는 복수기(300)로부터 제공되는 물을 증발기(1200)의 입구헤더(1210)에 공급할 수 있다. 증발기(1200)의 출구헤더(1220)에서 배출되는 증기는 스팀터빈(200)으로 공급될 수 있다. 또는 증발기(1200)의 출구헤더(1220)에서 배출되는 증기는 스팀터빈(200)으로 공급되기 전에 과열기를 거친 뒤에 스팀터빈(200)으로 공급될 수도 있다.
　
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 폐열회수보일러의 관류형 증발기를 절개하여 나타낸 개념도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예의 변형례에 따른 폐열회수보일러의 관류형 증발기를 절개하여 나타낸 개념도이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예의 다른 변형례에 따른 폐열회수보일러의 관류형 증발기를 절개하여 나타낸 개념도이고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 폐열회수보일러의 압력강하 특성곡선을 나타낸 그래프이다.
이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 관류형 증발기(1200) 및 이를 포함하는 폐열회수보일러(1000)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 관류형 증발기(1200)는 전열관(1300)을 포함하고, 전열관(1300)은 제1전열부(1310)와 제2전열부(1320)를 포함한다.
전열관(1300)의 내부에는 물이 유입되어 유동한다. 전열관(1300)은 전단에서 물이 유입되고, 후단에서 증기가 배출되는 배관이다. 전열관(1300)의 전단에는 물이 유입되는 입구헤더(1210)가 배치될 수 있다. 전열관(1300)의 후단에는 증기가 배출되는 출구헤더(1220)가 배치될 수 있다.　전열관(1300)의 입구헤더(1210)에서는　복수기(300)로부터 생성된 물이 순환펀프(400)에 의해서 공급될 수 있다. 전열관(1300)의 입구헤더(1210) 측 부분에는 다른 부분보다 내경이 가느다란 세관이 배치될 수 있다.
전열관(1300)의 출구헤더(1220)에서는 증기가 배출될 수 있고, 배출된 증기는 스팀터빈(200)으로 공급되거나, 스팀터빈(200)으로 공급되기 전에 과열기로 공급될 수 있다. 전열관(1300)의 내부에서 유동하는 물은 전단에서 후단으로 유동하는 동안 메인가스유동(MF)과 열교환하여 증발되게 된다.
전열관(1300)의 제1전열부(1310)는 내부의 유동 방향이 메인가스유동(MF)의 유동 방향과 반대 방향으로 형성된 전열관(1300)이다. 제1전열부(1310)의 내부에 형성된 유동 방향은 메인가스유동(MF)의 상류에서 하류로 향하는 방향과 일치한다. 예를 들어, 메인가스유동(MF)의 유동 방향이 하측에서 상측으로 향하는 방향인 경우, 제1전열부(1310)의 내부에 형성된 유동 방향은 상측에서 하측으로 향하는 방향으로 형성된다. 즉, 제1전열부(1310)의 내부에서는 메인가스유동(MF)을 기준으로 대향류(counter flow)로 유동하게 된다.
전열관(1300)의 제2전열부(1320)는 내부의 유동 방향이 메인가스유동(MF)의 유동 방향과 같은 방향으로 형성된 전열관(1300)이다. 제2전열부(1320)의 내부에 형성된 유동 방향은 메인가스유동(MF)의 하류에서 상류로 향하는 방향과 일치한다. 예를 들어, 메인가스유동(MF)의 유동 방향이 하측에서 상측으로 향하는 방향인 경우, 제2전열부(1320)의 내부에 형성된 유동 방향은 하측에서 상측으로 향하는 방향으로 형성된다. 즉, 제2전열부(1320)의 내부에서는 메인가스유동(MF)을 기준으로 평행류(parallel flow)로 유동하게 된다.
대향류의 경우, 열전달 효율이 증가한다는 장점이 있으나, 유동 불안정성이 높을 수 있고, 후단에서 유체의 과열이 발생할 수 있다는 단점이 있을 수 있다. 평행류의 경우, 유동 불안정성이 낮고, 후단에서의 유체의 과열을 방지할 수 있다는 장점이 있으나, 열전달 효율이 떨어질 수 있다는 단점이 있을 수 있다. 본 발명의 제1실시예에 따른 관류형 증발기(1200)는, 전열관(1300)이 대향류인 제1전열부(1310)와 평행류인 제2전열부(1320)를 모두 포함하도록 구성되어, 상기와 같이 대향류 또는 평행류만을 이용할 때 발생할 수 있는 단점들이 효과적으로 개선될 수 있다.
제1전열부(1310)는 상대적으로 메인가스유동(MF)의 하류에 배치되고, 제2전열부(1320)는 상대적으로 메인가스유동(MF)의 상류에 배치될 수 있다. 이 경우, 제1전열부(1310)의 내부 유동은　메인가스유동(MF)의 하류의 영역에서, 메인가스유동(MF)의 상류를 향하는 방향으로 대향류로 유동하게 되고, 제2전열부(1320)의 내부 유동은 메인가스유동(MF)의 상류의 영역에서, 메인가스유동(MF)의 하류를 향하는 방향으로 평행류로 유동하게 된다.
제2전열부(1320)의 출구는 제1전열부(1310)와 상대적으로 가까운 위치에 배치될 수 있고, 제2전열부(1320)의 입구는 제1전열부(1310)와 상대적으로 먼 위치에 배치될 수 있다. 제1전열부(1310)의 입구와 출구를 제1입구(1311) 및 제1출구(1312)라 하고, 제2전열부(1320)의 입구와 출구를 제2입구(1321) 및 제2출구(1322)라고 할 때, 제2전열부(1320)의 제2출구(1322)는 제1전열부(1310)와 상대적으로 가까운 위치에 배치될 수 있고, 제2전열부(1320)의 제2입구(1321)는 제1전열부(1310)와 상대적으로 먼 위치에 배치될 수 있다. 또한, 제1전열부(1310)의 제1출구(1312)는 제2전열부(1320)와 상대적으로 가까운 위치에 배치될 수 있고, 제1전열부(1310)의 제1입구(1311)는 제2전열부(1320)와 상대적으로 먼 위치에 배치될 수 있다. 그 결과, 제1전열부(1310)의 제1출구(1312)와 제2전열부(1320)의 제2입구(1321)는 서로 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 제2전열부(1320)의 제2출구(1322)는 제1전열부(1310)와 제2전열부(1320)의 사이에 배치될 수 있고, 또한, 증발기(1200)의 출구헤더(1220)와 연결된 배관 또한 제1전열부(1310)와 제2전열부(1320)의 사이에 배치될 수 있다.
메인가스유동(MF)은 하측으로부터 상측을 향하는 방향으로 유동할 수 있다. 이 경우, 제2전열부(1320)는 제1전열부(1310)의 하측에 배치되고, 제1전열부(1310)는 제2전열부(1320)의 상측에 배치될 수 있다. 이 때, 제2전열부(1320)에서 제2전열부(1320)의 제2입구(1321)는 하측에 배치되고, 제2출구(1322)는 상측에 배치될 수 있다. 또한, 제1전열부(1310)에서 제1전열부(1310)의 제1입구(1311)는 상측에 배치되고, 제1전열부(1310)의 제1출구(1312)는 하측에 배치될 수 있다. 전열관(1300) 내부의 유동은, 제1전열부(1310) 내부의 유동이 하측을 향해서 유동할 수 있고, 제2전열부(1320) 내부의 유동이 상측을 향해서 유동할 수 있다.
제1전열부(1310)와 제2전열부(1320)의 사이에는 연결배관(1330)이 연결될 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 제1전열부(1310)의 제1출구(1312)와 제2전열부(1320)의 제2입구(1321)는 서로 이격되어 배치될 수 있고, 연결배관(1330)은 이러한 제1출구(1312)와 제2입구(1321)를 서로 연결할 수 있다. 연결배관(1330)은 제1전열부(1310)의 제1출구(1312)로부터 제2전열부(1320)의 제2입구(1321)까지 제2전열부(1320)를 가로질러 연장되어 배치될 수 있다.
연결배관(1330)은 제1전열부(1310)의 제1출구(1312)로부터 제2전열부(1320)의 제2입구(1321)까지 메인가스유동(MF)의 유동 방향과 나란하게 연장되어 형성될 수 있고, 이 경우, 연결배관(1330)은 제2전열부(1320)의 외측에 배치될 수 있다. 이 때, 연결배관(1330) 내부에서의 유동 방향은 메인가스유동(MF)의 유동 방향과는 반대 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 관류형 증발기(1200)의 전열관(1300)은, 제1전열부(1310)가 차지하는 영역의 크기가 제2전열부(1320)가 차지하는 영역의 크기보다 더 크게 형성될 수 있다. 이 경우, 제2전열부(1320)의 제2출구(1322)는 상대적으로 메인가스유동(MF)의 하류 측에 더 가깝게 위치하게 되고, 제2전열부(1320)의 내부 유동에서 증기가 지나치게 과열되는 것을 방지할 수 있다.
이와는 달리, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 관류형 증발기(1200)의 전열관(1300)은, 제1전열부(1310)가 차지하는 영역의 크기가 제2전열부(1320)가 차지하는 영역의 크기보다 더 작게 형성될 수 있다. 이 경우, 제1전열부(1310)의 제1출구(1312)는 상대적으로 메인가스유동(MF)의 상류 측에 더 가깝게 위치하게 되고, 제1전열부(1310)의 내부 유동에서 물 또는 증기의 열전달 효율이 증가할 수 있다.
전열관(1300)에서, 제1전열부(1310)가 차지하는 영역과 제2전열부(1320)가 차지하는 영역의 비율은 증발기(1200)의 운전 조건이나 환경에 따라서 달리 설계될 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 관류형 증발기(1200)의 유동 안정성에 대하여 상세히 설명한다.
증발기(1200)의 전단에서의 유동과 후단에서의 유동 간에는 압력 차이가 발생하고, 이러한 압력차이를 시스템 압력강하(system pressure drop)이라 한다. 시스템 압력강하는 유동의 질량 유속에 따라서 변화하게 된다. 증발기(1200)의 내부에서는 물이 증발하기 때문에, 물과 증기가 함께 유동하는 이상유동(two phase flow) 현상이 발생한다. 기상인 증기의 압력강하 변화는 액상인 물의 압력강하의 변화보다 더 크게 형성된다. 이에 따라, 이상유동 상태인 증발기(1200)의 시스템 압력강하 곡선(가로축이 질량 유속(mass velocity)이고, 세로축이 압력강하(pressure drop)인 곡선)은 기울기가 양값이었다가 음값으로 변한 후 다시 양값으로 변하는 마루와 골을 갖는 형태로 형성된다(도 6의 얇은 실선 참조).
한편, 증발기(1200) 내부의 유량은 증발기 외부헤드의 압력강하 곡선에 의해서 결정된다. 여기서, 외부헤드는 유동력(driving force)을 제공하는 헤드(head)로서, 입구헤더(1210) 및 출구헤더(1220) 사이의 높이 차 또는 순환펌프(400) 등에 의해서 결정될 수 있다(도 6의 A 점선 참조). 보다 구체적으로, 증발기(1200) 내부의 유량은 시스템 압력강하 곡선과 외부헤드의 압력강하 곡선 간의 교점에서 결정된다. 이상유동 상태에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기의 교점이 1, 2 및 3으로 3개가 형성될 수 있다. 이 경우, 증발기(1200) 내부의 유량은 1 내지 3의 교점 중 어느 하나로 결정될 수 있다. 증발기(1200)가 만약 복수 개가 병렬로 배치되는 경우, 증발기(1200) 내부의 유량은 어느 하나로 결정되는 것이 아닌 1 내지 3의 교점 중 어느 하나가 임의적으로 결정될 수 있다. 이에 따라, 최초 설계 유량(교점 1)과 다른 질량 유량이 증발기(1200) 내부에서 흐를 수 있게 된다. 이러한 유동의 불안정은 정적 불안정(static instability)(또는 레디네그 불안정(ledinegg instability))이라고 한다. 만약, 유량이 최초 설계 유량보다 적을 경우, 증발기(1200)의 후단에서 증기가 지나치게 과열될 수 있다는 문제가 발생할 수도 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 관류형 증발기(1200)는 전열관(1300)이, 내부 유동이 대향류로 유동하는 제1전열부(1310)와 내부 유동이 평행류로 유동하는 제2전열부(1320)로 구성되기 때문에, 시스템 압력강하 곡선이 보다 완만하게 형성될 수 있다(도 6의 굵은 실선 참조). 이 경우, 시스템 압력강하 곡선과 외부헤드의 압력강하 곡선 간의 교점이 1개(교점 1)만 형성되어, 정적 불안정 현상이 방지될 수 있다. 또한, 증발기(1200)의 출구 부분이 메인가스유동(MF)의 상류와 하류의 사이에 위치하기 때분에, 출구 부분에서 발생할 수 있는 증기의 과열 현상을 방지할 수 있게 된다.
　
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 폐열회수보일러의 관류형 증발기를 절개하여 나타낸 개념도이다.
이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 관류형 증발기(1200) 및 이를 포함하는 폐열회수보일러(1000)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 관류형 증발기(1200)는 제1실시예와 드레인장치(1400)에서 차이가 있다. 이하, 설명의 편의상, 본 발명의 제1실시예에 따른 폐열회수보일러(1000)와 중복되는 설명에 대하여는 생략한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 관류형 증발기(1200)는 드레인장치(1400)를 더 포함한다. 드레인장치(1400)는 제2전열부(1320)의 하부에 위치한 배관에서 물을 외부로 배수하는 장치이다. 드레인장치(1400)가 구비됨에 따라서, 연결배관(1330)에서 물과 증기가 유동할 때, 물은 드레인장치(1400)에 의해 외부로 배수되게 되고, 제2전열부(1320)에서는 증기만이 유동할 수 있게 된다. 이에 따라, 제2전열부(1320)의 제2출구(1322)에서도 증기만이 확실하게 토출될 수 있게 된다.
드레인장치(1400)는 드레인배관(1410)과 드레인밸브(1420)를 포함한다. 드레인배관(1410)은 적어도 일부가 굴곡지게 형성될 수 있으며, 굴곡진 부분은 하측으로 볼록하게 형성될 수 있다. 이 경우, 드레인배관(1410)에서 하측으로 볼록한 부분으로 물이 고이게 될 수 있다. 드레인밸브(1420)는 드레인배관(1410)의 배수를 조절하는 장치이다. 드레인밸브(1420)는 드레인배관(1410)에 배치되고, 드레인배관(1410)의 최하측에 배치될 수 있다. 예를들어, 드레인밸브(1420)는 드레인배관(1410)의 하측으로 볼록한 부분의 골 부분에서 배치될 수 있다.
　
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시 형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 실시 형태를 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
100 : 가스터빈
200 : 스팀터빈
300 : 복수기
400 : 순환펀프
1000 : 폐열회수보일러
1100 : 케이싱
1110 : 덕트
1120 : 스택
1200 : 증발기
1210 : 입구헤더
1220 : 출구헤더
1300 : 전열관
1310 : 제1전열부
1311 : 제1입구
1312 : 제1출구
1320 : 제2전열부
1321 : 제2입구
1322 : 제2출구
1330 : 연결배관
1331 : 제3입구
1332 : 제3출구
1400 : 드레인장치
1410 : 드레인배관
1411 : 굴곡부
1420 : 드레인밸브
MF : 메인가스유동

Claims (16)

  1. 수직형 폐열회수보일러에 적용되는 관류형 증발기에 있어서,
    내부로 유입된 물이 유동하면서 메인가스 유동과 열교환하여 증발되어 배출되는 전열관을 포함하고,　
    상기 전열관은,
    내부의 유동방향이 메인가스 유동방향과 반대로 형성된 제1전열부; 및
    내부의 유동방향이 메인가스 유동방향과 같은 방향으로 형성된 제2전열부를 포함하는 관류형 증발기.
    　
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1전열부는 상대적으로 메인가스 유동의 하류에 배치되고, 상기 제2전열부는 상대적으로 메인가스 유동의 상류에 배치되는　관류형 증발기.
    　
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2전열부의 출구는 상기 제1전열부와 상대적으로 가까운 위치에 배치되고,　
    상기 제2전열부의 입구는 상기 제1전열부와 상대적으로 먼 위치에 배치되는　관류형 증발기.
    　
  4. 제3 항에 있어서,
    메인가스는 하측으로부터 상측을 향하는 방향으로 유동하고,
    상기 제2전열부는 상기 제1전열부의 하측에 배치되며,
    상기 제2전열부에서,
    상기 제2전열부의 입구는 하측에 배치되고, 상기 제2전열부의 출구는 상측에 배치되는　관류형 증발기.
    　
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제1전열부의 출구 및 상기 제2전열부의 입구 사이에는 연결배관이 연결되는　관류형 증발기.
    　
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 연결배관은,
    메인가스 유동방향과 나란하게 연장되어 형성되고,
    상기 연결배관의 내부에 형성된 유동방향은, 메인가스 유동방향과 반대 방향으로 형성된　관류형 증발기.
    　
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2전열부의 입구 측에는,
    물이 배출될 수 있는 드레인배관 및 드레인밸브가 배치되는　관류형 증발기.
    　
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 드레인배관은 하측으로 볼록하게 형성되고,
    상기 드레인밸브는 상기 드레인배관의 최하측 부분에 배치되는 관류형 증발기.
    　
  9. 외형을 형성하는 케이싱;
    상기 케이싱과 가스터빈을 연결하고, 상기 가스터빈으로부터 메인가스가 공급되는 덕트; 및
    상기 케이싱 내부에 배치되는 관류형 증발기를 포함하고,
    상기 증발기는,
    내부로 유입된 물이 유동하면서 메인가스 유동과 열교환하여 증발되어 배출되는　전열관을 포함하고,　
    상기　전열관은,
    내부의 유동방향이 메인가스 유동방향과 반대로 형성된　제1전열부; 및
    내부의 유동방향이 메인가스 유동방향과 같은 방향으로 형성된　제2전열부를 포함하는 수직형 폐열회수보일러.
    　
  10. 제9 항에 있어서,
    상기　제1전열부는 상대적으로 메인가스 유동의 하류에 배치되고, 상기　제2전열부는 상대적으로 메인가스 유동의 상류에 배치되는　수직형 폐열회수보일러.
    　
  11. 제9 항에 있어서,
    상기　제2전열부의 출구는 상기　제1전열부와 상대적으로 가까운 위치에 배치되고,　
    상기　제2전열부의 입구는 상기　제1전열부와 상대적으로 먼 위치에 배치되는　수직형 폐열회수보일러.
    　
  12. 제11 항에 있어서,
    메인가스는 하측으로부터 상측을 향하는 방향으로 유동하고,
    상기　제2전열부는 상기　제1전열부의 하측에 배치되며,
    상기　제2전열부에서,
    상기　제2전열부의 입구는 하측에 배치되고, 상기　제2전열부의 출구는 상측에 배치되는 수직형 폐열회수보일러.
    　
  13. 제10 항에 있어서,
    상기　제1전열부의 출구 및 상기　제2전열부의 입구 사이에는　연결배관이 연결되는 수직형 폐열회수보일러.
    　
  14. 제13 항에 있어서,
    상기　연결배관은,
    메인가스 유동방향과 나란하게 연장되어 형성되고,
    상기　연결배관의 내부에 형성된 유동방향은, 메인가스 유동방향과 반대 방향으로 형성된　수직형 폐열회수보일러.
    　
  15. 제9 항에 있어서,
    상기　제2전열부의 입구 측에는,
    물이 배출될 수 있는　드레인배관　및　드레인밸브가 배치되는　수직형 폐열회수보일러.
    　
  16. 제15 항에 있어서,
    상기　드레인배관은 하측으로 볼록하게 형성되고,
    상기　드레인밸브는 상기　드레인배관의 최하측 부분에 배치되는　수직형 폐열회수보일러.
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