KR850001999Y1 - 초임계압력 관류증기 발생기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

초임계압력 관류증기 발생기

제1도는 증기 발생기의 일반적인 배치를 도시한 개략도.

제2도는 제1도의 로의 개략적인 단면도.

제3도는 강선이 형성된 로벽관의 부분 단면도.

제4도는 증기발생기의 부하작동 상태에 대한 압력을 도시한 그래프.

제5도는 관크기의 설정 한계치를 도시한 그래프.

제6도는 제어 사이클의 개략도.

제7도는 로벽입구 헤더내의 오리피스를 도시한 단면도.

본 고안은 관류증기 발생기(once-thrugh stam generator)에 관한 것으로, 특히 출력이 낮을때 아임계 압력하에서 작동되는 초임계 압력증기 발생기에 관한 것이다.

증기 동력 터어보 발전 설비는 220기압과 같은 초임계 압력에서 작동될때는 비교적 낮은 열소비율로 설계되어 작동된다. 터어빈은 터어빈 입구에 있어서의 설계 초임계 압력의 전증기유량을 통과시키도록 설계된다. 따라서, 증기 발생기는 초임계압력에서 증기를 발생하도록 설계해야 한다.

그러나, 발전 설비에서는 야간 또는 전력소모가 적은 주말에는 저부하에서 터어빈을 작동시킬 것이 요구되는 일이 많다. 터어빈이 초임계 압력을 필요로 하지 않을 만큼 충분히 낮은 부하에서는 높은 초임계 압력에서 작동되는 증기 발생기는 실제로 열 소비율을 증가시키는 터어빈 입구의 설게와는 무관하며, 이러한 작동상태에서는 고유의 효율손실이 존재하게 된다. 증기 발생기로부터 나오는 초임계 압력 증기는 적절한 터어빈 입구 압력까지 교축되어야 한다. 이와 같이 교축하면 온도 강하가 현저하게 발생되며, 어떤 터어빈 형태에서의 밸브점을 제외하고는 교축 손실이 존재하게 된다. 따라서, 저부하 운전중에는 증기 발생기를 저압에서 작동시키는 것이 유리하다.

고온 증기터어빈은 빠른 온도변화에 적응할 수 없다. 터어빈을 재시동하는 동안에는 증기 온도를 터어빈 금속온도에 조화시키는 것이 중요하다. 부하 변동이 급격한 경우에 터어빈 단(turbine stages)에 유입되는 증기온도는 터어빈에 대한 응력손상을 발생하지 않고는 변화하지 않는다. 일정한 증기 발생기의 출구온도 및 압력에서 부하가 감소되면, 터어빈 밸브의 교축 강하때문에 터어빈내에 온도 강하가 발생된다.

이렇게 변화하는 온도는 부하변동의 허용비율을 제한하게 된다. 만약 증기 발생기의 온도가 부하와 함께 감소된다면, 교축 압력강하는 발생되지 않는다. 따라서, 교축 온도 강하가 일어나지 않으므로 부하변화율에 대한 이러한 제한이 없어진다.

이러한 이유에서 증기 발생기는 순응압력(sliding pressure)하에서 작동된다. 이는 터어빈 교축 밸브위치를 거의 고정적으로 유지시키고, 증기 발생기의 압력을 변화시켜 부하를 변화시킴으로써 성취된다. 모든 교축 밸브를 완전히 개방한 상태에서는 전부하에서 250기압과 같은 초임계 압력이 요구된다. 요구되는 압력은 부하에 거의 비례하여 감소된다.

순응압력작동(sliding pressure operation)의 일반적인 형태는 전부하로부터 제1밸브 점(약 75 내지 80%부하)까지는 전압력 작동을 그 부하 이하에서는 순응압력을 사용하는 것이다. 이는 부분호형 터어빈의 터어빈 효율을 최대화하고 향상된 제어응답을 위한 에너지를 저장하게 된다.

이런 작동 상태가 초임계 및 아임계 압력을 포함하는 점에 있어서의 문제점중 하나는 초임계 압력과 아임계 압력에서의 물의 성질의 고유한 차이이다. 아임계 압력에서는 2상 혼합물이 같은 온도에 있어서의 물과 증기의 혼합중에 발생한다. 초임계 압력에서는 물이 증기로 변화되는 과정은 서서히 진행되고, 2상 현상을 일으키지 않으면서 점진적이고 균일하다.

이에 압력부의 설계, 특히, 로벽 순환회로에 있어서 어울리지 않는 조건을 발생한다. 2상(2 pbase)의 아임계 압력작동은 저엔탈피(enthalpy)의 물이 고엔탈피의 증기로부터 분리되어 물이 수냉벽(waterwall)을 통해 순환하기 위해 귀환된다는 장점을 갖고 있다. 그러나, 이러한 분리되는 능력은 2상의 혼합물을 한그룹의 관으로부터 다른 그룹의 관으로, 이어져 있는 다른 그룹의 관으로 들어가는 물과 증기의 분포가 약하다는 확률을 갖고 통과시켜야 할 때 문제점이 발생한다.

관류 보일러(once-through boiler)는 적은 양의 물이 수냉벽을 나가는 아임계 모우드에서 작동되어 왔다. 이때 이러한 물은 급수시스템으로 방출되어 귀환한다. 어떤 것은 물이 수냉벽안에서 모두 증발되어 건조 증기만이 수냉벽을 떠나도록 작동된다.

전부하 작동시에는 사용되는 점화장치의 설계와 함수가 되는 특수한 열분포 형태가 로내에서 발생되며, 벽에는 슬래그 형태가 발생된다. 이러한 열흡 수 형태 또는 흡수 형태는 상당한 정확성을 갖고 예견할 수 있다. 그러나, 저부하 작동시에는 이런 증기 발생기의 열분포 형태가 변화한다. 따라서 전부하에서의 예견된 열분포는 저부하에 있어서 온도가 불균형하게 분포되는 문제점을 발생한다.

온도가 불균형하게 분포하는 문제는 증기 발생기에 있어서, 특정관에 할당된 유량에 비례하여 열을 흡수하는 관내의 과잉온도레벨로 나타난다. 이러한 과잉온도 레벨은 또한 로벽구조에 있어서의 여러가지 관사이에 큰 온도차에 의해 일어나는 과대한 응력을 발생한다. 종래에는 이러한 문제점을 극복하기 위해 몇 가지 방법이 사용되어 왔다. 그 한 방법은 로벽관을 나선형으로 배열하여 로 주위면에 일정한 각을 갖고 통과하고 평균화된 열흡수를 이루도록 하는 것이었다. 이는 구조적인 어려움, 특히 벽 지지부 및 버너의 개구부등의 구조에 어려운 문제를 발생하게 된다.

로벽관에 직렬로 통과하는 복수개의 유체통로를 설치한 것이 각 통로에 있어서 흡수되는 열량을 감소하고, 따라서 각통로에 발생하는 온도불균형을 제한하기 위해 사용되었다. 이 유체통로는 복수개의 강수관(downcommer)이 요구되며 이는 또한 구조적인 어려움과 함께 다른 여러 통로사이에 2상의 혼합물을 분포하는데 문제점이 발생된다.

또 다른 방법은 로 높이 전체에 걸쳐 하나 또는 그 이상의 위치에 혼합레더(mixing header)를 위치시키고 이를 통과하는 물이 다음 구간에 유입되기 전에 평균열량을 갖도록 혼합시킴으로써 온도불균형을 제거하는 것이었다. 이는 또한 비용이 많이들고, 역시 2상의 혼합물을 분포하는데 있어서의 문제점은 여전히 갖고 있다.

로벽관은 외부에 있어서는 로온도에 내부에 있어서는 유체 온도에 영향을 받는다. 실제의 관벽의 금속온도는 관금속과 관을 통과하는 유체사이의 열전달율의 함수이다. 이 열전달율은 일반적으로 유체의 유량의 함수이고 핵비등이 발생될때 매우 크다. 이는 초임계 유체일 경우에 유리하다. 막상 비등이 평관에서 발생될때는 열전달율이 매우 낮다. 내부에 리브(rib)를 부착한 관설비 같은 내부 흐름 교란기는 막상의 비등이 발생되는 곳에서의 이러한 열전달율을 크게 개선시킨다.

증기 발생기의 초기 시동시에는 로벽관을 통과하는 어느 정도의 유량이 있어야 한다. 이는 구조물이 균일하게 가열되게 하고, 국부 과열을 피할 수 있도록 국부점에서 충분히 열전달이 이루어지게 하기 때문이다. 드럼형 증기 발생기에서는 이러한 목적으로 항상 순환을 시켜야 한다. 관류증기 발생기에서는 최소유량(보통 전부하 유량의 30%정도)을 부여하고 그 이상의 유량은 급수원으로 귀환되는 증기로 변환시켜도 좋다. 다른 방법은 로의 관을 통과하는 물을 펌프로 순환하는 것이다.

순응압력, 즉 변압작동이 필요하다는 사실은 오랫동안 알려져 왔다. 헤더 또는 복수개의 유체통로를 혼합하지 않고 수직관을 사용하여 로구조물을 제조하거나 조림을 간단히 하는 것은 꽤 바람직하다. 그런데도 초임계 작동을 위한 변압식 관류증기발생기는 복합로관 설비를 사용하고 있었다.

본 고안의 초임계 압력 증기 발생장치는 저하부에 있어서 아임계 압력으로 순응시키기 위해, 로벽에 내장 되고로벽의 전 높이에 걸쳐 연장되는 수직관을 갖고 있다. 관은 거의 전체인 가열된 길이에 걸쳐 그 내부에 나선 돌조가 형성된 내부 유동 교란수단을 갖고 있다. 모든 관은 평행류를 형성하도록 되어있고 오리피스는 전부하예상 열 흡수량에 따라 여러 수직관을 통과하는 흐름을 분배하도록 설치되어 있다.

증기발생기는 수냉벽으로부터 유출물을 유입하고 펌프는 분리기로 부터 로벽관을 통하여 물을 순환시키도록 작동된다. 펌프는 증기발생기의 전부하유량의 50% 이하를 순환시키는 치수로 설계된다.

관과 수냉백의 관 사이의 간격은 관의 내부 직경(d)의 단위를 mm, 유량(W)의 단위를 kg/sec/m²할때 유량부하(W)가이하가 되도록 설계되어 있다. 이는 펌프에 의해 순환하지 않고도 전부하의 약 30%이하에서의 운전을 가능하게 한다.

그 대신에 전부하에서 수직로 벽관을 통한 마찰 압력손실은 전부하에서의 이들 관내에 존재하는 유체의 정적수두의 4배 보다 작다. 로벽관의 내부 나선돌조는 증기방생기가 조임계 압력에서 작동할때는 거의 작용하지 않는다. 그러나 이것은 아임계 작동에 있어서의 막상 비등시의 열전달율을 증가시키므로써 수직관을 통하여 로벽관을 흘러 통과하는 유체에 의해 로관벽을 충분히 냉각할 수 있게 된다. 이는 아임계 압력에서 다른 방법보다도 적은 유량을 사용할 수 있게 한다.

오리피스를 선택하는 것은 증기발생기상의 고부하에서의 열흡수에 따라 유량을 분배하도록 하는 것이다. 부하가 감소되었을 때는 로내의 열분포가 변화되며, 오리피스의 선택에 의해 정해진 유량의 설정은 부적절하게 된다. 그러나, 전부하에서의 유량, 관의 크기 및 또는 압력강하를 선택하여 결정하면, 저부하시에는 오리피스의 효과가 상대적으로 없어지고, 자연순환 형태의 효과가 발생하며 이에 따라 증기발생기가 다른 열흡수 형태에도 적절하게 작동되게 된다.

이제부터 본 고안을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

증기 발생기(10)는 내부가 수직관(14)으로 둘러싸인 벽과 연료 점화장치(11)를 갖고 있는 로(12)를 포함한다. 수직관은 제3도에 도시된 바와 같은 나선돌조(16)를 가지며, 돌조의 뿌리부의 직경인 내경(I.D.)을 갖고 있다. 전형적인 튜브는 외경(O.D.)이 25.5mm, 내경(I.D.)이 15.3mm이다. 나선 돌조의 리브는 폭이 3.2mm. 높이가 0.5mm이며, 리이드 각(lead angle)이 30。이다. 이러한 수직관은 로(12)의 전높이에 걸쳐 단일 통로로써 연장된다. 헤더(18)를 통하여 유입되는 공급수는 절탄기(20)를 통과하고 급수 관(22)에 의해 혼합헤더(24)로 운반된다. 아임계 순환작동중에는 순환된 보일러수도 기수 분리기(26)로 부터 강수관(28)과 역지밸브(check valve. 30)를 통하여 혼합헤더(24)에 유입된다.

이 혼합물은 혼합류 강수관(mixed flow downcommer 32)을 통하여, 순환펌프(34)에 의해 순환하는 동안에는 순환펌프(34)와 이에 결합된 흡입밸브(36) 및 방출밸브(38)를 통과한다. 물은 방출도관(40)을 통해 분배 메니폴드(42)로 흐른다. 수냉벽 입구헤더(44, 45,46)는 수냉벽 수직관(14)의 하단에 연결되어 있다. 오리피스(47)는 각 로벽의 수직 관(14) 입구에 부착되어 있다.

각헤더는 격벽(48)에 의해 여러개의 실(50)로 분리되어 있어서 각 실은 적어도 하나의 공급관(52)에 의해 급수되고 있다. 오리피스(54)는 각 공급관의 입구에 배치해도 좋다. 이 오리피스(54)는 오리피스(47)와 조합하여 전부하에서 각 관을 통과하는 유량을 그 관의 예정된 열흡수에 비례하게 할 수 있는 크기로 되어있다.

오리피스는 유량분배용 고정수단으로 생각할 수 있다. 왜냐하면 이들 오리피스는 매일매일 작업중에 교환하는 일이 없기 때문이다. 물론, 오리피스는 전부 하유량의 분배가 잘못되었을 때 이를 수정하기 위해 정지하는 동안에 교환 할 수 있다. 이 오리피스 대신에 전부하에서의 실험에 의해 조정되며 고정위치에 설치된 상태로 유지되는 밸브를 사용하여도 좋다.

수냉벽 수직관(14)을 떠나는 유체는 수냉벽 출구헤더(56, 57, 58)에서 집수되어 승수관(60)을 통과하여 가수분리기(26)로 통과한다. 이 경우에 물이 분리되어 순환 또는 방출되기 위해 귀환한다. 증기는 증기 출구관(62)을 통과하지만 증기 출구관(62)에 있어서는 여러 유로에 의해 증기는 증기발생기의 상부를 구성하는 관(64)과, 증기 발생기의 후방 가스통로의 벽을 구성하는 관(66)을 통과한다. 이후 증기는 과열기판넬(68)과 연결링크(도시되지 않음)를 통과하는 최종 과열기 구간(70)을 통과하며 또 그후 주증기 관(도시되지 않음)을 통해 증기 터어빈으로 통과한다.

터어빈으로부터의 재열증기는 저온 재열기(72)와 고온 재열기(74)를 직렬로 통과하고 그후 증기 터어빈으로 귀환된다. 연결링크와 증기관은 도시되어 있지 않다. 순환펌프(34)가 가동되지 않으면 급수관(22)으로부터 나오는 공급수만이 강수관(32)을 통과한다. 작동 유체는 펌프를 통과하거나 또는 우회도관(80)과 고정 역지밸브(82)를 통해 펌프를 우회할 수도 있다.

제4도는 통상적인 초임계 증기발생기의 순응압력작동에 따르는 부하 범위에 대한 증기발생기의 압력수준을 도시하고 있다. 곡선(90)은 터어빈을 교축할때 존재하는 압력, 곡선(92)은 과열기 출구에 존재하는 압력, 곡선(94)은 로벽출구에 존재하는 압력을 각각 표시한다. 상기 곡선사이의 차이는 배관계통을 통한 압력강하를 나타낸다. 또, 압력에 대한 기준은 로벽 출구의 압력에 관한 것이며, 다른 압력은 약간 낮은 것으로 되어있으나 이 크기는 도관을 통과하는 증기의 유량과 비체적에 관계되는 것이다.

전부하 작동점 근처에서는 압력이 일정한 부분이 존재하는 것에 주의하여야 한다. 이런 범위에서 일정한 압력으로 작동되는가 안되는 가 하는 것 것은 선택의 문제이다. 일정 압력범위는 전부하의 75%로 부터 거의 전부하까지의 범위이다. 필요하다면 압력을 최소부하로부터 100%부하까지 전부하 범위에 걸쳐 순응시킬 수도 있다. 그러나, 압력이 평탄한 부분을 사용한다는 것은 터어빈 교축밸브중 하나를 적어도 부분적으로 폐쇄시키는 것이며, 부분 호형 유입 터어빈에 있어서 통상적으로 선택되는 차단점(break point)은 제1밸브가 완전히 폐쇄된 위치이다. 이는 터어빈 효율을 최대로 하며 보일러에 약간의 에너지를 축적하게 하므로 부하를 증가시킬 필요가 있을때 즉시 밸브를 개방하여 이에 대처할 수 있다. 어떤 경우라도 30 내지 50% 사이의 부하 범위에서는 로벽 압력은 80 내지 140기압정도이다. 시동중과 극히 낮은 부하에서 작동할때는 증기 발생기는 아임계 압력에서 순환하면서 작동된다. 절탄기(20)를 통해 유입되는 공급수는 기수 분리기(26) 내에서 수위(84)를 유지하도록 제어된다. 물은 순환펌프(34)를 통하여 수냉벽의 수직관(14)을 상방으로 통과하여 혼합헤더(24)안의 순환수와 혼합된다. 증기와 물의 혼합물은 로벽관을 떠나며 순환되고 있는 모든 증발되지 않은 물과 함께 기수분리기(26)로 운반된다.

정상의 저부하 작동중에 증기 발생기는 아임계 압력의 관류 계통으로서 작동된다. 절단기(20)를 통해 유입되는 공급수는 순환펌프(34)를 통과하거나 또는 그 주변을 우회하며 로벽의 수직관(14)을 통해 상방으로 통과된다. 흐름은 로벽수직관을 떠나 기수 분리기(26)쪽으로 흐르고 과열기를 통과하여 약간씩 과열되게된다. 혹은, 조금이라도 물이 부주의에 의해 기수 분리기로 방출된다면 이는 블로우다운도관(blowdown line. 86)을 통해 급수관 배열증의 적당한 장소로 제거된다.

이러한 작동중에 로벽의 수직관내의 유체는 입구에서의 반냉각된 물로부터 포화수로 변화하며, 이로부터 전체 증발범위를 통해 건조 증기로 변화하고 계속해서 약간씩만 과열된다. 이때에는 매우 양질의 증기 존재하에서 일부분의 증발이 일어나서 핵비등에 의한 이탈이 일어나기 쉽다는 것은 명백하다. 이 범위에서는 관내부에 나선 돌조같은 내부 유동 교란수단이 유효하게 작동하여 비교적 적은 유량에서 적당한 열전달이 성취된다.

나선돌조는 수직관(14)의 전 가열길이에 걸쳐 연장된다. 이것은 반냉각된 물과 저질증기말 발생되는 수직관의 하부에서는 형성하지 않아도 좋다. 관의 상부에서의 열흡수열이 항상 낮고 동시에 양질의 증기가 발생될때는 꼭대기 근처에서도 나선돌조를 형성하지 않아도 된다.

고부하에서는 증기 발생기가 계임계 압력에서 관류모오드로 작동된다. 유로는 아임계 관류 모오드에서 기술한 바와 동일하다. 분리기(26)에서 물-증기 분리가 불가능하기 때문에, 블로우 다운 도관(86)은 이때 사용되지 않는다. 이때에는 로벽의 수직관은 온도가 섭씨 약 425도로 가열된 초임계 유체만을 포함한다.

저부하 아임계 작동중에는 증기 발생기가 펌프 순환되거나, 또는 순환되지 않고 작동될 수 있다. 이것은 이 범위에서 일어나는 미소 부하 변동에 따라 시동하고 정지하는 등의 문제를 피할 수 있다.

700MW의 석탄연소 증기발생기는 2.3×10kg/hr의 전부하출력에 대해 설계되었다. 연료연소조건을 기초로하여 선택된 로는 크기를 최종 깊이 26.2m 폭을 13.1m로 하고, 중앙벽은 로를 반으로 나나도록 되어 있다. 외경이 25.5mm인 수직관은 그 중심거리를 41.3mm로 선택한다. 결국, 주변에 1900개의 관이, 그리고 거기에 중앙벽을 형성하는 외경 38mm인 184개의 관이 부가된다.

증기 발생기의 중앙벽과 모든 외부로벽은 평행류를 형성하도록 되어 로벽을 통해 상승하는 유체의 단일통로로 된다. 외부벽의 수직관은 15.3mm의 공칭 내경을 갖고 최소벽두께는 4.57mm이다. 중앙벽의 관은 공칭내경이 22.35mm, 최소 벽두께가 7.16mm로 선택되었다.

전부하 및 초임계 압력에서 수냉벽의 입구온도는 349℃이고, 평균 출구온도는 415℃였다. 유체의 비체적은 입구에서 1.6×10^-3m³/kg, 출구에서 6.2×10^-3으로 변화하였다. 전방, 측방 및 후방 벽관의 여러형상때문에 관자체의 압력강하는 235KPa에서 509KPa로 변화하였다. 각 순환회로의 각 정적 수두는 205에서 196KPa로 변화하였다. 오리피스(54)는 여러관의 유량분포를 이관의 열흡수에 비례하여 제공하도록 선택되었다. 분배 매니폴드(42)로부터 기수 분리기(26)까지의 전체압력강하는 1310KPa이었다.

이 선택은 104기압에서 전부하의 약 30%에서 조사하였다. 그 조사는 순환펌프를 작동하지 않고 행해졌으며, 따라서 증기발생기는 순수한 관류조건에서 작동되었다.

수냉벽의 관에 유입되면 물은 293℃로 되지만이는 포화온도보다 22℃낮다. 비체적은 1.3×10m/kg이었다. 평균출구 온도는 329℃ 평균비체적은 14.4×10m/kg이었다.

저부하에서의 조사는 예정된 저부하 열흡수 분포와 함께 발생되는 유체유량 및 온도의 최초설정을 포함한다. 이것은 예정된 흡수로부터 일어날수 있는 편차를 기초로하여 계산에 의해 구해진다.

특수한 비체적의 변화와 함께 평행류로 가열된 유로의 작동을 검토할 필요가 있다. 로벽수지관(14)을 통과하는 전체유량의 합은, 통로의 통과 유량과 같아야하고 여기에는 여러관사이의 유량이 관계된다. 분배 매니폴드(42)로부터 공급관(52)로벽헤더, 로벽의 수직관(14) 및 승수관(60)을 통하여 분리기(26)까지의 유체회로만을 고려하면 된다.

모든 로벽의 관은 평행류가 되도로 배치되어 있다. 따라서 (분배 매니폴드(42)와 기수 분리기(26) 사이의) 공통점 사이의 각 관의 회로를 통한 압력 강하는 당연히 같아야 한다. 이 압력강하는 두개의 성분, 즉, 마찰 압력강하와 정적 수두 압력강하로 이루어진다.

분배 매니폴드(42)와 기수분리기(26)사이의 총압력 강하는 세구간으로 고려할 수 있다. 분배 매니폴드(42)로부터 입구헤더(45) 및 오리피스(47)까지의 최초 구간은 주어진 작동조건에서 일정한 비체적을 발생한다. 그러므로, 이 구간에서의 마찰압력강하는 유량의 제곱에 따라 변화할 뿐이지만 정적수두 압력강하는 일정하다. 일정한 정적수두 압력강하를 제외한다면 전구간(오리피스를 포함한)은 대응하는 로벽관 또는 관의 그룹에 관련된 단일 오리피스로 생각하거나 나타내어도 좋다. 이러한 압력강하는 하기에 기술하는 바와 같이 저부하에서는 작게된다.

로벽의 수식관 출구헤더(57)로부터 기수분리기(26)까지의 최종 구간은 여러개의 수직관(14)을 떠나는 혼합유체의 비체적을 고려한다. 유체를 이송시키는 승수관(60)은 통상적으로 크기를 제한하지 않으며, 또 비체적이 크기 때문에, 정적 수두 압력강하는 작다. 이 구간에서의 마찰압력강하는 설명을 간단히 하기위해 무시할 수 있다.

가열된 수직관(14)안에서의 현상은 입구헤드(45)로부터 출구헤더(57)까지의 유량이 변화함에 따라 비체적이 변화하기 때물에 더 복잡하다. 전압력 강하중 마찰 압력강하 성분은 중량 유량의 제곱과, 비체적의 함수이며, 또 관 내경의 역의 함수이다. 이와는 반대로 압력강하의 제2성분은 관내의 유체의 정적수두 압력강하이며, 이 정적수두 압력강하는 높이의 차이와 비체적의 역의 함수이다. 물론, 이들 각 인자는 관의 전 길이에 걸쳐 적분되어야 한다.

일어나는 현상은 다른 가열된 관과 병렬로 작동하는 단일의 가열된 관에서의 현상을 생각하면 알수 있다. 압력강하의 마찰 및 정적수두 성분은 독립적으로 해석하여 이를 조합한다.

개념적으로, 특수한 관에서는 유량이 일정하고 열흡수가 변동한다고 가정할 수 있다. 비체적의 합성변화는 압력강하는 증가 또는 감소시킨다. 관은 다른 관과서로 병렬로 연결되어 있기 때문에 전체 압력강하는 일정하게 유지되어야 한다.

유량을 증가 또는 감소시켜 회로를 평행으로 해야한다. 실제 계간에 있어서는, 유량변화에 의한 비체적의 부가적인 변화도 고려해야 한다.

이런 하나의 가열된 관은 비체적이 낮은 상태에서 유입되어 관의 전 길이를 통해 발생되는 열흡수에 따라 비체적이 높아진 상태로 유출되는 유체를 통과시키는 예정된 내경을 갖는다. 이때에 관계되는 것은 로내의 열분포의 변화에 의한 이런 특수한 관으로 의 열흡수 흐름 및 출구온도에 대한 작용이다. 먼저, 열흡수가 20% 증가한다고 가정하면, 관의 길이에 걸쳐 엔탈피상승이 20% 증가하고 합성온도 및 비체적이 증가한다. 마찰성분을 살펴보면, 비체적이 이렇게 증가하면 마찰압력 강하가 증가하게 되며 따라서 회로를 평행상태로 유지시키려면 유량을 감소시켜야 된다.

이와는 반대로 정적수두 성분을 살펴보면, 비체적이 함께 증가하면 정적수두에 의한 압력 강하성분이 감소되려하고, 따라서 회로를 평행 상태로 유지하기 위해서는 유량을 증가시켜야 된다. 편의상 증가된 열흡수에 의해 유량을 증가시켜야하는 상태는 자연순환 특성으로 불려지며, 그 반면에 증가된 열흡수 때문에 유량을 감소시켜야 하는 상태는 강제흐름 특성으로 불려진다. 상방으로 흐르는 가열회로에서는, 증가된 열흡수유량에 대한 실제효과는 자연순환특성이 우세한가 또는 강제유량특성이 우세한가에 달려있다. 상술된 바와 같이 열흡수가 20% 증가하면 유량에 변화가 없을때는 엔탈피 상승 및 최종온도증가가 20%로 된다. 이 온도 증가는 강제흐름 특성과 유량감소가 있을때 악화되지만 자연순환 특성과 유량증가가 있을때는 소멸된다.

강제흐름 특성은 유량이 크고, 내경이 작고, 높이에 비해 긴회로일때 발생된다. 강제흐름 특성 경향은 회로를 통한 정적수두 압력강하에 비해 마찰압력 강하가 클때 증가한다.

순환회로와 결합된 오리피스는 유량감소를 유량증가로 변화시킬 수는 없으나, 단지 다른 방향의 유량변화량을 줄이도록 작동한다. 이것은 회로를 통과하는 유량이 감소할때부터 일어나며, 유량도 특정한 회로에 설치된 오리피스를 통해 감소된다. 따라서, 오리피스 압력강하는 감소되며 오리피스 압력의 이러한 변화는 회로의 가열관 부분을 통과하는 흐름을 형성시키는데 이용할 수 있다. 회로를 통한 전체압력 강하는 동일하다. 왜냐하면 사실상 전체에 걸친압력강하를 고정하는 다수의 관을 병렬로 설치한 제수 그룹의 관이나 특정한 관을 고려하였기 때문이다.

증기발생기는 초임계 압력범위와 아임계 압력범위 사이에서 작동하기 때문에, 로벽관으로 유입되는 유체(반냉각구)의 비체적은 비교적 적은 양밖에 변화되지 않는다. 따라서, 유량이 감소되면 압력은 유량의 제곱에 비례하기 때문에 공급관과 오리피스를 통하여 압력강하가 현저하게 나타난다.

반대로, 관에서의 마찰 압력강하와 가열회로에서의 정적수두변화 효과는, 관에 형성되는 아임계증기의 비체저깅 매우 크기 때문에 대체로 크게유지된다. 따라서 관에 대한 오리피스의 효과는 아임계, 저부하에서 소멸되게 된다. 전부하 유량과 관련하여 판을 선택하여 자연순환 특성이 저부하에서 발생되도록 하면 이들 부하에서는 순환하지 않는 아임계 압력에서 상기증기 발생기를 만족스럽게 작동할 수 있다. 이렇게 하면 저부하에서 자연순환효과가 발생되며, 그것에 의해서 나선형벽, 혼합헤더, 혹은 수냉벽을 통과하는 다수의 통로의 필요성을 배제한다.

이러한 실험은 104 기압의 압력에서 건부하의 27%에서 수행되었다. 그렇지 않으면 내경이 12.2mm 외경 22.2mm인 관을 선택한다. 전부하에서의 유량은 2.336×10³kg/sec/m²이었다. 열소비율이 감소된 회로에서의 입구 온도는 239℃이고 입구 엔탈피는 312kcal/kg이었다. 공칭출구 엔탈피는 671kcal/kg이었으며 또한 공칭 출구온도는 329℃였다. 이 회로에서 열흡수를 20% 증가시켰더니 기준치의 92%까지 유량감소를 일으켰다. 대응출구 온도는 520℃로 상승하였다. 열흡수를 30% 증가하였더니 기준치의 82% 유량감소를 발생하였고 출구온도는 815℃로 되었다.

처음에 서술한 바와 같이 외경 25.5mm의 관을 선택하는 것은 1.489kg/sec/m²의 전부하 유량에 대하여 고려된 것이다. 물론, 이러한 회로는 동일한 공칭입구 및 출구 조건을 갖는다. 이 경우에 있어서 열흡수를 20% 증가하였더니 2%의 유량증가가 일어나고 출구온도는 375℃로 되었다. 또한 열흡수를 30% 증가하였더니 2%의 유량증가와 415℃의 출구 온도로 되었다.

직경이 작은 관은 저부하 운전에 대해 만족스럽지 않다. 왜냐하면 온도치뿐 아니라 여러 관의 온도차이는 적정한 설계치를 넘어서기 때문이다. 이에 반하여 직경이 큰 관은 허용가능한 온도 한계안에 있게 된다. 전부하에서 바람직하게 분배된 유량분포와 저부하에서의 자연순환 특성을 얻기 위해서는 다음과 같은 특수한 연구가 행하여진다. 압력수준의 유량에 대한 상대적으로 표준화된 순응압력 특성에 대해서는 저부하에서 얻어지는 비체적과 전부하 조건에서 얻어지는 비체적과의 사이에 특정한 관게가 있다. 물론, 유량은 증기 발생기 상의 실제부하에 비례한다. 따라서, 설계특성은 전부하 설계조건으로 결정해도 좋다. 만일전부하 보다 약간 작은 고부하(유량분포가 전부하에 있어서도 적당하다고 가정한다)에 대해서 설계하려면 이것은 실제설계점에 대해 선택되는 것이다.

가열회로를 통한 마찰압력강하가 그 회로에 있어서의 정적수두 압력강하의 4배를 넘지 않을때는 관이 약 30%의 저부하에서도 적절한 자연 순환 특성을 유지하는 것이 발견되었다. 또한 로벽을 따라 상향연장되는 수직관을 사용하는 증기 발생기장치에서의 통상적인 배관설계를 가정한다면 적절한 특성을 얻기위해 필요한 조건은 내경과, 전부하에서의 관을 통과하는 유량에 의하여 결정해도 좋다. 이 연구결과는 제5도에 선으로 도시되어 있는데, 선(95)은 내경을 12.5W×10^-3-5로써 나타낸 것이며 여기서 내경(I.D.)의 단위는 mm이고, 유량(W)의 단위는 kg/sec/m²이다. 증기 발생기에 있어서의 전부하에서 측정되어 부여된 유량에 대하여 직선(95)은 허용가능한 최소내경을 나타내며 이것은 거의 30%의 저부하에서 자연순환 특성을 부여한다. 이 직선(95)보다 윗쪽으로는 내경을 설정할 수 있다.

선(97)은 1,000kg/sec/m²의 최소 유량을 나타낸다. 이 값의 이하로 설정하는 것을 바람직한 자연 유량 특성을 갖는 반면에, 저부에서는 관에나선돌조를 형성하도라도 부적당한 유량을 갖게된다. 이러한 수준이하의 선택은 순환펌프가 매우 낮은 열소비율에서도 계속해서 작동된다고 생각될때만 사용해야 한다.

증기 발생기는 펌프 순환력없이도 30%와 같은 저부하에서 안전하게 작동할 수 있는 능력을 갖는 것이 바람직하다. 이것은 펌프의 크기를 최소화하며, 또 펌프에 의한 동력소비를 회피할 수 있다. 이것은 또한 수위를 유지하거나 펌프를 시동할 필요 없이 전부하로부터 30%부하까지의 순응을 가능케 한다. 상기의 기준치 범위이외에서의 선택은 온도불균형 문제를 제거하기 위해 고부하에의 순환력이 필요하다.

제6도는 제어장치를 포함한 전체 설비의 사이클을 간단히 도시한 개략도이다. 제1도에 도시된 성분에부가하여, 제어기(106)를 갖춘 분사제어 밸브(104)를 갖는 과열 분사관(102)이 도시되어 있다. 이 분사관은 기수분리기(26)안에 수위가 존재할때 증기온도를 제어하기 위해 사용되며 또 다른 작동기간중에 온도반응시간을 감소하는데 사용될 수 있다.

주증기도관(108)은 증기를 증기발생기로부터 고압터어빈(110)으로 운반한다. 터어빈 교축밸브(112)도 그 작동기(114)와 함께 포함된다. 고압터어빈으로부터의 증기는 저온 재열도관(116)을 통해저온 재열기(72)로 흐르며 또 고온 재열도관(120)을 통해 저압터어빈(118)으로 귀환한다. 저압터어빈으로부터의 증기는 복수기(122)에서 응축되며, 또 물은 복수펌프(126)에 의해 고온저장소(124)로부터 제거된다. 저압 가열기(128)를 통과한 후 물은 급수펌프(130)에 의하여 고압으로 상승되며 또 고압가열기(132)를 통과한다. 증기발생기로 유입되는 공급수유량은 작동기(136)를 구비한 급수밸브(134)에 의해 조절된다.

증기발생기의 최근의 제어 계통은 보통 통합형이며 이는 다수의 전체설비의 사이클 입력이 다수의 출력을 각각 제어하도록 변환된다. 특정한 입력을 조절함으로써 각 출력을 각각 1개씩 제어하는 것은 가능하지만 그런 제어 시스템은 반응시간이 부적당하다. 따라서 제어계통 논리회로(140)는 종래의 형태로 해도 좋다.

발전기(142)는 메가와트 감지기(144)에 의해 그 출력이 감시되는 증기 터어빈에 직접 연결되어 있다. 메가와트 출력을 나타내는 제어신호는 제어선(146)을 통해 제어 계통 논리회로(140)로 보내진다. 유사한 방법으로 주증기도관안의 온도는 온도 감지기(148)을 통해 감지되고 신호는 선(150)을 통해 보내진다. 주증기 도관안의 압력은 압력감지기(152)를 통해 감지되고 그 압력을 나타내는 신호는 제어선(54)을 통해 보내진다.

기수분리기(26)안에 수위가 존재할때는 제어선(158)를 통해 수위 지시기(156)로부터 신호가 보내지는데 이는 감지된 수위를 표시한다. 재열 증기온도나 중간증기온도 같은 다른 제어변수들은 제어 계통내에 포함되어 있다.

증기 발생기를 자동제어하기 위해서는, 온도신호(160), 메가와트신호(162), 압력신호(164) 및 수위신호(166)의 에정치를 나타내는 설정치가 부여된다. 이러한 신호는 각각 제어될예정 출력을 나타낸다.

전체 또는 부분적인 수동제어를 가능하게 하기 위하여 터어빈 교축신호(168), 연료유량신호(170), 분사신호(172) 및 급수유량신호(174)에 대한 입력신호를 부여한다.

제어계통 논리회로(140) 내에 포함된 논리회로에 관계없이, 제어신호출력은 제어선(176) 내지 (182)을 통하여 보내진다. 제어선(176)을 통한 신호는 필요한 급수 유량을 나타내며 또 급수밸브(134)를 제어하는 제어기(136)로 통과한다. 제어선(178)을 통한 제어신호는 연료 조절장치(186)를 가동하는 제어기(184)로 통과한다. 연료조절장치(186)는 석탄미분기로 공급하는 공급장치라도 좋다. 이것은 버너(11)를 통해 로속으로 유입되는 점화된 연료량을 조절한다.

제어선(180)을 통과하는 제어신호는 필요한 과열기 분사유량을 나타내며 또 분사 제어밸브(104)를 가동하는 제어기(106)를 통과한다. 제어선(182)을 통과하는 제어신호는 터어빈 교축밸브의 제어기(114)를 통과하고 또 터어빈 교축 밸브(112)의 개방을 변화하도록 작동된다.

필요한 변압작동을 행하기 위해서는, 압력수준 설정치는 메가와트에 관하여 프로그램화 되어있어, 제4도에 도시된 바와 같은 부하범위에 결쳐가 변압력치를 얻을 수 있도록 한다. 제어신호의 조합과 통상의 실제적인 증기발생기 제어방법에 따른 미분 및 적분동작을 포함하여 사용한다.

유량을 예정대로 선택하고 관의 크기 및 전부하에서의 압력 강하의 선택은, 저부하에서 발생되는 자연순환특성이 허용되지 않는 온도변화를 회피하는 증기발생기를 제공하게 된다. 따라서, 종래 기술에서의 나선형 로벽, 혼합헤더와 더중 통로를 필요로 하지 않으며, 하나의 통로벽을 통하여 수직으로 통과하는 관의 손쉬운 설계가 가능하다. 그러나, 이는 비교적 적은 유량을 필요로하는 내부용량 분배장치가 아임계 작동상 발생하는 저부하에서의 이러한 저유량을 사용하는 것을 허용가능하게 한다. 순환펌프는 시동중에 로벽을 통해 물을 순환하는 장치를 제공한다. 또 펌프는 관의 과열에 대해 허용도를 증가시킬 수 있도록 예정 저부하에서 작동된다.

각 관의 입구에 위치된 오리피스 외에도, 각 그룹의 관에 마련된 매니폴드에도 오리피스가 배치되어 있다. 관의 입구의 오리피스각 유량조절면에서 우수하므로 매우 양호하다. 각관의 입구에 이렇게 배치하는 것은 차단에 대해 영향을 받기 쉬운 작은 구멍을 가진 오리피스를 선택할 수 있게한다.

Claims (1)

1. 저부하에서는 아임계압력으로, 고부하에서는 초임계압력으로 증기발생기를 작동시키기 위한 제어기106, 114, 136, 184)와, 로(12)와, 주변에 로벽을 형성하며 내부에서는 유체가 평행류를 이루고 거의 전 가열길이에 걸쳐 내부 유동 교란수단(16)을 갖는 수직관(14)과, 상기 수직관을 떠나는 유체를 과열기(68, 70)로 운반하는 승수관(60)과, 과열기(68, 70)와, 증기를 기수분리기(26)로부터 과열기(68, 70)로 운반하는 도관(62, 64)과, 상기 과열기(68, 70)를 통하여 상기 수직관(14)을 떠나는 유체의 전체 유량의 거의 선택적으로 안내하는 장치(30, (34, 38)와, 급수헤더(18)와, 급수를 상기 수직관(14)으운 로반하는 급수관(22)과, 상기 증기발생기가 매우 낮은 부하에서 작동될때 상기 과열기(68, 70)를 통과하는 유량보다 많은 유량을 상기 수직관(14)을 통하여 통과시키는 강수관(32)으로 구성되어 저부하에서 아임계 압력으로 자연순환시키기위한 초임계입력 관류 증기 발생기에 있어서, 로(12) 전체 높이에 걸쳐 수직으로 연장된 수직관(14)의 예정된 전부하 열흡수에 비례하여 상기 수직관(14)에 유량을 분배하는 오리피스(47, 54)를 포함하며, 전부하에서 상기 수직관(14) 내에 발생하는 마찰압력 강하를 상기 수직관내의 정적 수두 압력강하의 4배보다 작게 한 것을 특징으로 하는 초임계압력 관류 증기 발생기.