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KR100472111B1 - 가열 가스용 탈질소 장치를 포함하는 화석 연료 가열식증기 발생기 - Google Patents

가열 가스용 탈질소 장치를 포함하는 화석 연료 가열식증기 발생기 Download PDF

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KR100472111B1
KR100472111B1 KR10-2001-7016569A KR20017016569A KR100472111B1 KR 100472111 B1 KR100472111 B1 KR 100472111B1 KR 20017016569 A KR20017016569 A KR 20017016569A KR 100472111 B1 KR100472111 B1 KR 100472111B1
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KR
South Korea
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steam generator
combustion chamber
pipes
evaporator
heating gas
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Inventor
요제프 풀렉
루돌프 크랄
Original Assignee
지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 가열 가스(G)용 탈질소 장치 및 연소실(4)을 포함하는 증기 발생기(2)에 관한 것이다. 상기 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)는 가열 가스측에서 수평 가스 덕트(6) 및 수직 가스 덕트(8)를 통해 흐름 방향으로 볼 때 상기 연소실(4)의 하류에 연결된다. 본 발명의 목적은 특히 최소 공간을 필요로 하고 화석 연료(B)의 가열 가스(G)의 신뢰성있는 탈질소 작용을 보장하는 증기 발생기를 제공하는 것이다. 이러한 목적으로 상기 수평 가스 덕트(6)의 높이에 다수의 버너들(70)이 배치된다. 또한 가열 가스(G)의, 아래쪽으로부터 위쪽으로의 거의 수직 흐름을 위한 수직 가스 덕트(8) 및 위로부터 아래쪽으로의 거의 수직 흐름을 위한 탈질소 장치(54)가 설계된다.

Description

가열 가스용 탈질소 장치를 포함하는 화석 연료 가열식 증기 발생기{FOSSIL-FUEL HEATED STEAM GENERATOR, COMPRISING DENITRIFICATION DEVICE FOR HEATING GAS}
본 발명은 가열 가스용 탈질소 장치 및 연소실을 포함하는 증기 발생기에 관한 것으로서, 상기 가열 가스용 탈질소 장치는 흐름 방향으로 볼 때 가열 가스측에서 수평 가스 덕트 및 수직 가스 덕트를 통해 상기 연소실의 하류에 연결된다.
증기 발생기를 갖춘 발전소 설비의 경우 화석 연료의 연소시 발생하는 가열 가스는 증기 발생기 내 유동 매체를 증발시키는데 이용된다. 증기 발생기는 유동 매체의 증발을 위해 증발기 파이프를 구비하며, 가열 가스를 이용하여 상기 증발기 파이프가 가열됨으로써 상기 파이프를 통과하는 유동 매체가 증발된다. 증기 발생기를 통해 공급된 증기는 예컨대 후속하는 외부 프로세스 동안 또는 증기 터빈이 작동되는 동안 다시 제공될 수 있다. 증기에 의해 증기 터빈이 작동되면, 상기 증기 터빈의 터빈 샤프트에 의해 일반적으로 발전기 또는 작동 기계가 작동된다. 발전기의 경우 상기 발전기에 의해 발생한, 상호 연결망 및/또는 자가 발전 시스템으로 공급될 전류가 제공된다.
이러한 경우 상기 증기 발생기는 연속흐름 증기 발생기로서 형성될 수 있다. 연속흐름 증기 발생기(continuous flow gas generator)는 VGB 발전소 공학 73(1993), 제 4권, 352-360 p.에 공개된 J. Franke, W. Koehler 및 E. Wittchow의 논문, "Verdampferkonzepte fuer Benson-Dampferzeuger(벤슨-증기 발생기의 증발기 개념)"에 기술되어 있다. 연속흐름 증기 발생기에서는 증발기 파이프로서 제공된 증기 발생기 파이프가 가열됨으로써 상기 증기 발생기 파이프 내 유동 매체가 1회의 순환으로 증발된다.
증기 발생기에는 일반적으로 수직 구조의 연소실이 형성된다. 이는, 가열된 매체 또는 가열 가스의 관류를 위해 연소실이 거의 수직 방향으로 설계된다는 것을 의미한다. 이 때 가열 가스측에서 흐름 방향으로 볼 때 상기 연소실의 하류에 수평 가스 덕트가 연결되고, 가열 가스 흐름은 연소실로부터 수평 가스 덕트 내로 들어갈 때 거의 수평 유동 방향을 이루게 된다. 그러나 상기 방식의 연소실은 일반적으로 온도에 기인한 연소실의 길이 변동때문에, 상기 연소실을 매달기 위한 프레임을 필요로 한다. 이는 증기 발생기의 제조 및 조립시 상당한 기술 비용을 초래하며, 상기 비용은 증기 발생기의 전체 높이가 클수록 그만큼 더 높다.
증기 발생기의 가스 덕트 또는 연소실의 외부벽의 설계는 상기 가스 덕트나 연소실에서 발생하는 파이프 벽 온도 또는 재료 온도의 관점에서 특히 문제가 된다. 약 200 바아까지의 임계 이하의 압력 범위 내에서 연소실의 외부벽의 온도는 물의 포화 온도의 크기에 의해 결정된다. 이는 예컨대 내부면에 표면 구조물을 구비한 증발기 파이프를 사용함으로써 달성된다. 이를 위해 특히 내부 리브를 구비한 증발기 파이프가 사용되며, 연속순환 증기 발생기에 상기 증발기 파이프를 사용하는 것은 예컨대 위에서 인용한 논문에 공지되어 있다. 이러한 소위 리브 파이프, 즉 리브가 형성된 내부 표면을 가진 파이프는 파이프 내부벽으로부터 유동 매체로의 매우 우수한 열 전달 특성을 나타낸다.
화석 연료의 가열 가스의 산화 질소 감소를 위해 선택적 촉매 환원 공법, 소위 SCR-공법이 사용된다. SCR-공법에서는 예컨대 암모니아와 같은 환원제 및 촉매를 이용하여 산화 질소(NOx)를 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시킨다.
SCR-공법을 위해 설계된 증기 발생기의 경우 일반적으로 대류 덕트로서 형성된 가열 가스 채널 하류에 촉매 컨버터를 구비한 가열 가스용 탈질소 장치가 설치되고, 이 때 상기 가열 가스는 일반적으로 약 320 내지 400℃의 온도를 갖는다. 상기 가열 가스용 탈질소 장치의 촉매 컨버터는 가열 가스내에 주입된 환원제와 가열 가스의 산화 질소 사이의 반응을 유도 및/또는 유지하는데 사용된다. SCR-공법에 필요한 환원제는 일반적으로 운반체 흐름으로서의 공기와 함께 가스 덕트를 관류하는 가열 가스에 분사된다. 그러나 증기 발생기의 산화 질소 제거는 원칙적으로 연소된 화석 연료의 종류에 따라 좌우된다. 따라서 법으로 정해진 임계값을 준수하기 위해 일반적으로 사용된 화석 연료에 따라 분사될 환원제의 양이 변동된다.
그러나 배출측에서 대류 덕트 하류에 배치되는 가열 가스용 탈질소 장치는 각각의 증기 발생기를 위해 상당한 구성 비용 및 제조 비용을 필요로 한다. 왜냐하면 상기 탈질소 장치는 증기 발생기 내에서, 증기 발생기의 모든 작동 상태에서 가열 가스를 매우 잘 정화할 수 있는 장소에 설치되어야 하기 때문이다. 이는 가열 가스가 약 320 내지 400℃의 범위 내에 있는 온도를 갖는 경우이다. 또한 증기 발생기가 일반 부품 외에 추가로 탈질소 장치를 구비하는 경우에는 상기 증기 발생기의 제조 비용이 상승한다.
도 1은 두개의 덕트(two ducts) 구조로 이루어진 화석 연료 가열 방식 증기 발생기의 개략적 측면도이다.
도 2는 개별 증발기 파이프의 개략적 종단면도이다.
도 3은 곡선(K1 내지 K6)을 갖는 좌표계이다.
서로 일치하는 부품은 모든 도면에서 동일한 도면 부호로 표시되어있다.
본 발명의 목적은 구성 비용 및 제조 비용이 매우 적게 들고, 화석 연료의 가열 가스가 증기 발생기의 배출측을 벗어나기 전에 매우 신뢰성있게 정화되는 것을 보장하는, 전술한 방식의 화석 연료 가열 방식 증기 발생기를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 증기 발생기의 연소실이 수평 가스 덕트의 높이에 배치된 다수의 버너를 포함하고, 가열 가스가 아래쪽에서 위쪽으로 거의 수직 으로 흐르도록 하기 위해 수직 가스 덕트가, 그리고 위쪽에서 아래쪽으로 거의 수직으로 흐르도록 하기 위해 탈질소 장치가 설계됨으로써 달성된다.
본 발명의 기본 사상은, 매우 적은 제조 비용 및 조립 비용으로 제어될 수 있는 증기 발생기가 간단한 방법으로 구현될 수 있는 오버헤드 구조를 갖는다는 것이다. 이 경우 비교적 적은 기술 비용으로 제어되는, 연소실 고정용 프레임은 증기 발생기의 매우 낮은 전체 높이와 관련될 수 있다. 증기 발생기의 매우 낮은 전체 높이는 연소실이 수평 구조로 형성됨으로써 달성될 수 있다. 이를 위해 연소실은 연소실 벽 내 수평 가스 덕트의 높이에 설치된다. 따라서 증기 발생기의 작동시 가열 가스는 연소실에서 거의 수평 방향으로 관류한다.
화석 연료의 가열 가스의 매우 신뢰성있는 정화를 위해 가열 가스용 탈질소 장치는 배출측에서 수직 가스 덕트 하류에 배치되어야 한다. 즉, 가열 가스는 수직 가스 덕트 하류의 배출측에서 상기 가열 가스가 적은 기술 비용으로도 매우 효과적으로 정화되는 온도를 갖는다. 이 때 증기 발생기의 전체 높이가 매우 낮도록 하기 위해, 가열 가스용 탈질소 장치는 가열 가스가 위쪽에서 아래쪽으로 거의 수직으로 흐르도록 설계되어야 한다는 점에 주의한다. 이를 통해 SCR-공법에서 필요한 암모니아를 함유한 액체가 가열 가스의 주 흐름 방향을 따라 분사되는 것이 가능하고, 그로 인해 탈질소 장치는 특별하게 작은 수직 높이를 갖게 된다.
가열 가스가 거의 수평의 주 흐름 방향으로 관류될 수 있는 연소실을 구비한 증기 발생기의 경우, 가열 가스는 수평 가스 덕트에서 배출된 후 수직 가스 덕트에서는 아래쪽으로 흐른다. 이제 가열 가스용 탈질소 장치 내에서 가열 가스가 위쪽에서 아래쪽으로 거의 수직으로 흐를 수 있게 하기 위해 가열 가스용 채널이 필요하며, 상기 채널 내에서는 상기 가열 가스가 수직 가스 덕트 하류의 배출측에서 아래쪽에서 위쪽으로 공급된 하류, 위쪽에서 아래쪽으로 관류될 수 있는 가열 가스용 탈질소 장치에 도달된다. 가열 가스가 아래쪽에서 위쪽으로 거의 수직으로 흐르도록 하기 위해 수직 가스 덕트가 설계되고, 가열 가스가 위쪽에서 아래쪽으로 거의 수직으로 흐르도록 하기 위해 탈질소 장치가 설계되는 경우에는 이러한 추가 채널이 필요하지 않다.
바람직하게는 상기 가열 가스용 탈질소 장치에서 배출되는 정화된 가열 가스는 예열기 내에서 공기의 예열에 사용될 수 있다. 이 때 공기 예열기는 공간 절약 방식으로 가열 가스용 탈질소 장치 하류에 직접 설치된다. 예열된 공기는 화석 연료의 연소를 위해 증기 발생기의 버너에 공급된다. 화석 연료의 연소시 공급되는 찬 공기와 달리, 버너에 따뜻한 공기가 공급되면 증기 발생기의 전체 효율이 상승한다.
가열 가스용 탈질소 장치는 바람직하게는 DeNOx-촉매 컨버터를 포함한다. 그러면 증기 발생기에서 배출되는 가열 가스의 산화 질소 제거가 예컨대 선택적 촉매 환원 방법을 통해 매우 간단하게 수행될 수 있기 때문이다.
연소실의 외부벽들은 바람직하게는 서로 기밀 방식으로 용접되어 수직 배치된 증발기 파이프로부터 형성되며, 상기 증발기 파이프들에는 각각의 경우 유동 매체가 평행하게 공급될 수 있다.
바람직하게는 연소실의 하나의 외부벽은 단부벽이고, 2 개의 외부벽은 연소실의 측면벽이며, 각각의 경우 상기 측면벽은 각각 증발기 파이프의 제 1 그룹 및 제 2 그룹으로 분할되고, 상기 단부벽 및 상기 증발기 파이프의 제 1 그룹에 유동 매체가 동시에 공급될 수 있으며, 상기 단부벽 및 상기 증발기 파이프의 제 1 그룹은 흐름 방향으로 볼 때, 유동 매체 측에서 유동 매체가 동시에 공급될 수 있는 증발기 파이프의 제 2 그룹의 상류에 설치된다. 이를 통해 단부벽의 매우 바람직한 냉각이 보장된다.
바람직하게는 흐름 방향으로 볼 때, 각각 유동 매체가 동시에 공급될 수 있는 증발기 파이프의 상류에는 유동 매체측에서 공통 유입구 매니폴드 장치가 연결되고, 하류에는 공통 배출구 매니폴드 장치가 연결된다. 이러한 형태로 형성된 증기 발생기는 평행하게 접속된 증발기 파이프들간의 신뢰성있는 압력 보상을 가능하게 하고, 그에 따라 증발기 파이프의 관류시 유동 매체가 매우 바람직하게 분포될 수 있도록 한다.
또 다른 바람직한 실시예에서는 연소실의 다수의 증발기 파이프의 파이프 내부 직경이 연소실 내 증발기 파이프의 각각의 위치에 따라 선택된다. 이러한 방식으로 연소실 내 증발기 파이프들은 가스측에서 미리 설정될 수 있는 가열 프로필에 매칭될 수 있다. 이에 따라 증발기 파이프의 관류시 나타나는 영향때문에, 연소실의 증발기 파이프의 배출구에서의 온도차가 확실히 낮게 유지된다.
바람직하게는 연소실의 열을 증발기 파이프에 도달하는 유동 매체에 매우 효과적으로 전달하기 위해 다수의 증발기 파이프의 내부면에는 각각 여러줄 나사(multiple thread)를 형성하는 리브(rib)가 구비된다. 이 때 바람직하게는 파이프 축에 수직인 평면과 파이프 내부면에 배치된 상기 리브의 에지 사이의 리드각()이 60°보다 작고, 바람직하게는 55°보다 작다.
즉, 내부 리브가 없는 증발기 파이프로서, 소위 베어 파이프(bare pipe)로서 형성된 가열된 증발기 파이프에서는 매우 우수한 열 전달에 필요한 파이프 벽의 습윤에 있어서 정해진 증기 함량 이상이 더 이상 유지될 수 없다. 습윤이 되지 않으면 곳곳에 건조한 파이프 벽이 존재할 수 있다. 이러한 건조한 파이프 벽으로의 전이는 악화된 열전달 특성을 갖는 일종의 열 전달 부진 상태를 초래하고, 일반적으로 이러한 장소에서는 파이프 벽 온도가 급격히 상승한다. 그러나 내부 리브를 구비한 파이프에서는, 베어 파이프에 비해, 증기 함량이 0.9보다 큰 경우에만, 즉 증발 완료 직전에만 이러한 열 전달 부진 상태가 나타난다. 이는 나선형 리브를 통해 흐름이 선회되는 것에 그 원인이 있다. 상이한 원심력에 따라 물 부분이 증기 부분으로부터 분리되어 파이프 벽에 부딪힌다. 그로 인해 파이프 벽의 습윤이 높은 증기 함량까지 지속됨으로써 열 전달 부진이 나타나는 장소에서조차 이미 높은 유동 속도가 나타나게 된다. 이로써 열 전달 부진에도 불구하고 원활한 열 전달이 이루어지며, 그 결과 파이프 벽 온도가 낮아진다.
연소실의 다수의 증발기 파이프들은 바람직하게는 유동 매체의 관류를 감소시키기 위한 수단을 포함한다. 이 때 상기 수단은 스로틀 장치로서 형성되는 것이 바람직하다. 스로틀 장치는 예컨대 각각의 증발기 파이프 내부의 한 장소에서 파이프 내부 직경을 축소시키는, 증발기 파이프 안에 내장된 부품일 수 있다.
또한 평행한 다수의 라인들을 포함하는 라인 장치 내에서의 관류를 감소시키기 위한 수단을 구비하는 것이 바람직하며, 상기 라인 장치를 통해 연소실의 증발기 파이프에 유동 매체가 공급될 수 있다. 이 때 상기 라인 장치는 유동 매체가 공급될 수 있는 평행한 증발기 파이프의 유입구 매니폴드 장치에도 연결될 수 있다. 라인 장치의 하나 또는 다수의 라인에는 예컨대 스로틀 밸브가 제공될 수 있다. 증발기 파이프를 통과하는 유동 매체의 관류를 감소시키기 위한 이러한 수단에 의해, 각각의 증발기 파이프를 통과하는 유동 매체의 유동량이 연소실 내 상기 증발기 파이프의 각각의 가열에 매칭될 수 있다. 그로 인해 부가적으로 증발기 파이프의 배출구에서의 유동 매체의 온도차가 매우 신뢰성있도록 낮게 유지된다.
수평 가스 덕트 및/또는 수직 가스 덕트의 측면벽은 바람직하게는 서로 기밀 방식으로 용접되어 수직 배치된 증기 발생기 파이프로부터 형성되고, 상기 증기 발생기 파이프들 중 다수에는 각각의 경우 동시에 유동 매체가 평행하게 공급될 수 있다.
인접한 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프는 금속 밴드, 소위 핀(fin)을 통해 기밀 방식으로 서로 용접된다. 핀 폭은 증기 발생기 파이프 내로의 열 전달에 영향을 미친다. 따라서 각각의 핀 폭은 바람직하게는 증기 발생기 내 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프의 각각의 위치에 따라 가스측에서 사전 설정될 수 있는 가열 프로필에 매칭된다. 이 때 상기 가열 프로필 및/또는 온도 프로필은 실험값으로부터 검출된 유형의 가열 프로필 및/또는 온도 프로필이 제공되거나, 또는 예컨대 계단 형태의 가열 프로필 및/또는 온도 프로필과 같이 어림 추정(rough estimation)된 것이 제공될 수 있다. 핀 폭의 적절한 선택을 통해, 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프가 매우 상이하게 가열되는 경우에도 모든 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프에서의 열 도입은 상기 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프의 배출구에서의 온도차가 매우 작게 유지되는 방식으로 구현될 수 있다. 이러한 방식으로 재료의 피로가 확실히 저지된다. 그로 인해 증기 발생기는 매우 긴 수명을 갖게 된다.
수평 가스 덕트 내에 바람직하게는 다수의 과열기 가열 표면이 배치되고, 상기 과열기 가열 표면의 파이프는 가열 가스의 주 흐름 방향에 대해 거의 수직으로 배치되며, 유동 매체의 관류를 위해 각각 평행하게 접속된다. 오버헤드 구조로 배치되고, 격벽 가열 표면(bulkhead heating surface)으로도 표기되는 상기 과열기 가열 표면은 주로 대류에 의해 가열되며, 유동 매체측에서 흐름 방향으로 볼 때 연소실의 증발기 파이프(10)의 하류에 연결된다. 그로 인해 가열 가스 열의 매우 바람직한 활용이 보장된다.
바람직하게는 수직 가스 덕트가 다수의 대류 가열 표면을 포함하며, 상기 대류 가열 표면은 가열 가스의 주 흐름 방향에 대해 거의 횡으로 배치된 파이프들로 형성된다. 대류 가열 표면의 파이프들은 유동 매체의 관류를 위해 평행하게 접속된다. 또한 상기 대류 가열 표면은 주로 대류에 의해 가열된다.
가열 가스 열의 완전 활용을 보장하기 위해, 상기 수직 가스 덕트가 바람직하게는 이코노마이저(economizer)를 포함한다.
바람직하게는 연소실의 단부벽, 즉 수평 가스 덕트용 배출 개구의 반대편에 놓인 연소실의 외부벽에 버너가 배치된다. 상기 방식으로 형성된 증기 발생기는 연료의 연소 길이에 매우 간단하게 매칭될 수 있다. 화석 연료의 연소 길이라 함은 규정 평균 가열 가스 온도에서 수평 방향으로의 가열 가스 속도와 화석 연료의 연소 시간(tA)의 곱을 의미한다. 각각의 증기 발생기의 경우 최대 연소 길이는 전부하에서 증기 발생기의 증기 발생 용량, 소위 증기 발생기의 전부하 작동시 제공된다. 연소 시간(tA)은 예컨대 석탄 가루가 규정 평균 가열 가스 온도에서 완전히 연소되기 위해 필요한 시간이다.
수평 가스 덕트의 재료 손상 및 오염이 예컨대 고온의 용해성 재를 주입함으로써 매우 적게 유지되도록 하기 위해, 연소실의 단부벽과 수평 가스 덕트의 유입구 영역 사이의 거리로 규정되는 상기 연소실의 길이(L)는 증기 발생기의 전부하 작동시 연료의 연소 잔여물 길이와 최소한 동일하다. 연소실의 길이(L)는 보통 깔때기 상류 에지로부터 연소실 덮개까지의 거리로부터 측정된 연소실의 높이보다 더 길다.
화석 연료의 연소열의 매우 바람직한 활용을 보장하기 위해, 연소실의 길이(L, 단위: m)는 상기 연소실로부터의 가열 가스의 배출 온도(TBRK, 단위:℃), 연소실의 연소 시간(TA, 단위: s) 및 증기 발생기의 BMCR-값(W, 단위: kg/s)에 따라 적절하게 선택된다. 여기서 BMCR은 보일러의 최대 연속 정격 유량(Boiler maximum continuous rating)을 나타내며, 증기 발생기의 최대 연속 출력에 대해 국제적으로 통용되고있는 개념이다. 상기 BMCR-값(W)은 설계 출력, 즉 증기 발생기의 전부하 작동시 출력에도 상응한다. 이 때 증기 발생기의 BMCR-값(W)이 주어진 경우 연소실의 길이(L)는 하류 2 개의 함수((I) 및 (II)) 중 더 큰 값이 근사치로 적용된다. :
L (W, tA) = (C1 + C2ㆍW)ㆍtA (I)
L (W, TBRK) = (C3ㆍTBRK + C4)W + C3(TBRK )2 + C6ㆍTBRK + C7 (II)
(여기서
C1 = 8 m/s,
C2 = 0.057 m/kg,
C3 = -1.905ㆍ10-4 (mㆍs)/(kg℃),
C4 = 0.286 (sㆍm)/kg,
C5 = 3ㆍ10-4 m/(℃)2,
C6 = -0.842 m/℃,
C7 = 603.41 m 이다.)
여기서 "근사치"는 각각의 함수에 의해 정해진 값에서 +20%/-10% 정도의 허용 편차를 의미한다.
본 발명에 의해 달성되는 장점은 특히, 수평 연소실에 의해, 그리고 가열 가스의 유동 방향이 아래쪽에서 위쪽으로 거의 수직이 되도록 설계된 수직 가스 덕트에 의해 증기 발생기가 매우 적은 공간을 필요로 한다는 것이다. 증기 발생기의 이러한 매우 컴팩트한 구조로 인해 증기 발생기가 증기 터빈 설비에 연결될 때 증기 발생기로부터 증기 터빈까지의 연결 파이프가 매우 짧을 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면을 참고로 더 자세히 설명된다.
도 1에 따른 증기 발생기(2)는 자세히 도시되지 않은 발전소 설비에 할당되며, 상기 발전소 설비는 증기 터빈 시설도 포함한다. 상기 증기 발생기(2) 내에서 발생한 증기는 증기 터빈의 작동을 위해 사용되며, 상기 증기 터빈은 전류를 발생시키기 위해 다시 발전기를 작동시킨다. 발전기에 의해 발생한 전류는 상호 연결망 및/또는 자가 발전 시스템으로 공급되기 위해 제공된다. 또한 증기 터빈 시설로 이어지는 외부 프로세스에 공급하기 위해 상기 증기의 일부가 분기된다. 상기 외부 프로세스의 예로는 가열 프로세스를 들 수 있다.
화석 연료 가열 방식 증기 발생기(2)는 바람직하게는 연속흐름 증기 발생기로서 형성된다. 상기 증기 발생기(2)는 수평 구조로 형성된 연소실(4)을 포함하며, 가열 가스측에서 흐름 방향으로 볼 때 상기 연소실(4)의 하류에는 수평 가스 덕트(6)를 통해 수직 가스 덕트(8)가 연결된다. 상기 연소실(4)의 하위 지역에는 끝점(X 및 Y)을 가진 보조선에 상응하는 상류 에지 깔때기(funnel, 5)가 형성된다. 상기 깔때기에 의해 증기 발생기(2)의 작동시 화석 연료(B)의 재가 상기 깔때기 밑에 배치된 재 방출기(7)로 배출될 수 있다. 연소실(4)의 외부벽들(9)은, 서로 기밀 방식으로 용접되어 수직 배치된 증발기 파이프(10)로 형성된다. 이 때 하나의 외부벽(9)은 단부벽(9A)이고, 2 개의 외부벽(9)은 증기 발생기(2)의 연소실(4)의 측면벽(9B)이다. 도 1에 도시된 증기 발생기(2)의 측면도에서는 상기 두 측면벽들(9B) 중 하나만 볼 수 있다. 연소실(4)의 측면벽(9B)의 증발기 파이프(10)는 제 1 그룹(11A) 및 제 2 그룹(11B)으로 나뉜다. 단부벽(9A)의 증발기 파이프(10) 및 상기 증발기 파이프(10)의 제 1 그룹(11A)은 유동 매체(S)를 동시에 공급받을 수 있다. 증발기 파이프(10)의 제 2 그룹(11B)도 유동 매체(S)를 동시에 공급받을 수 있다. 연소실(4)의 외부벽(9)을 통한 유동 매체(S)의 매우 유리한 관류 특성 및 그에 따른 화석 연료(B)의 연소열의 매우 효과적인 활용을 달성하기 위해, 상기 단부벽(9A) 및 제 1 그룹(11A)의 증발기 파이프(10)가 유동 매체측에서 흐름 방향으로 볼 때 제 2 그룹(11B)의 증발기 파이프(10)의 상류에 연결된다.
수평 가스 덕트(6)의 측면벽(12) 및/또는 수직 가스 덕트(8)의 측면벽(14)도, 기밀 방식으로 서로 용접되어 수직 배치된 증기 발생기 파이프(16 및 17)로 형성된다. 이 때 상기 증기 발생기 파이프들(16, 17) 각각에 동시에 유동 매체(S)가 공급될 수 있다.
유동 매체측에서 흐름 방향으로 볼 때 연소실(4)의 증발기 파이프(10)의 단부면(9A) 및 제 1 그룹(11A)은, 상류에는 유동 매체(S)용 공통 유입구 매니폴드 장치(18A)가, 하류에는 배출구 매니폴드 장치(20A)가 연결된다. 마찬가지로 유동 매체측에서 흐름 방향으로 볼 때 상기 증발기 파이프(10)의 측면벽(9B)의 제 2 그룹(11B)의 상류에는 유동 매체(S)용 공통 유입구 매니폴드 장치(18B)가 연결되고, 하류에는 배출구 매니폴드 장치(20B)가 연결된다. 상기 유입구 매니폴드 장치(18A 및 18B)는 각각 다수의 평행 유입구 매니폴드를 포함한다.
연소실(4)의 단부면(9A) 및 연소실(4)의 측면벽(9B)의 증발기 파이프(10)의 유입구 매니폴드 장치(18A) 내로 유동 매체(S)를 전달하기 위해 라인 장치(19A)가 제공된다. 상기 라인 장치(19A)는 평행하게 연결된 다수의 라인들을 포함하고, 상기 라인들은 각각 유입구 매니폴드 장치(18A)의 유입구 매니폴드 중 하나와 연결된다. 배출구 매니폴드 장치(20A)의 배출측은, 연소실(4)의 측면벽(9B)의 증발기 파이프(10)의 제 2 그룹(11B)의 유입구 매니폴드 장치(18B)의 유입구 매니폴드 내로 유동 매체를 전달하기 위해 제공된 라인 장치(19B)로 연결된다.
동일한 방식으로 유동 매체(S)가 동시에 공급될 수 있는, 수평 가스 덕트(6)의 측면벽(12)의 증기 발생기 파이프(16)에는 흐름 방향으로 볼 때 상류에 공통 유입구 매니폴드 장치(21)가, 하류에 공통 배출구 매니폴드 장치(22)가 연결된다. 이 경우 상기 증발기 파이프(16)의 유입구 매니폴드 장치(21) 내로 유동 매체(S)를 전달하기 위해 라인 장치 (25)가 제공된다. 이 경우에도 상기 라인 장치(25)는 평행 연결된 다수의 라인들을 포함하며, 상기 라인들은 각각 유입구 매니폴드 장치(21)의 유입구 매니폴드 중 하나에 연결된다. 유입측에서는 상기 라인 장치(25)가 연소실(4)의 측면벽(9A)의 증발기 파이프(10)의 제 2 그룹(11B)의 배출구 매니폴드 장치(20B)에 연결된다. 즉, 연소실(4)에서 배출되는 가열된 유동 매체(S)는 수평 가스 덕트(6)의 측면벽(12)으로 전달된다.
유입구 매니폴드 장치(18A, 18B) 및 배출구 매니폴드 장치(20A, 20B 및 22)를 갖춘 연속흐름 증기 발생기(2)의 이러한 형태에 의해 연소실(4)의 평행 접속된 증발기 파이프(10) 또는 수평 가스 덕트(6)의 평행 접속된 증기 발생기 파이프(16) 사이의 매우 확실한 압력 보상이 가능하며, 상기 압력 보상은 평행 접속된 모든 증발기 파이프(10) 또는 증기 발생기 파이프(16)가 각각 동일한 전체 압력 손실을 갖는 방식으로 이루어진다. 이는 더 가열된 증발기 파이프(10) 또는 증기 발생기 파이프(16)의 경우 덜 가열된 증발기 파이프(10) 또는 증기 발생기 파이프(16)에 비해 증기 유동량이 더 많아야 한다는 것을 의미한다.
증발기 파이프(10)는 -도 2에 도시된 바와 같이- 그의 내부면에 여러줄 나사의 구조를 형성하고 리브 높이(R)를 가진 리브(40)를 구비하고 있다. 파이프 축에 대해 수직인 한 평면(42)과 파이프 내부면 상에 배치된 상기 리브(40)의 에지(44) 사이의 리드각()은 55°보다 작다. 그로 인해 파이프 벽의 온도가 매우 낮은 경우에도, 증발기 파이프의 내부벽으로부터 증발기 파이프(10) 내로 이르는 유동 매체로 매우 높은 열 전달이 달성된다.
연소실(4)의 증발기 파이프(10)의 파이프 내부 직경(D)은 연소실(4) 내 증발기 파이프(10)의 각각의 위치에 따라 선택된다. 이러한 방식으로 증기 발생기(2)는 증발기 파이프(10)의 서로 다른 양의 가열에 매칭된다. 연소실(4)의 증발기 파이프(10)가 이와 같이 설계됨으로써 상기 증발기 파이프(10)의 배출구에서의 온도차가 매우 작게 유지된다.
인접한 증발기 파이프(10) 또는 증기 발생기 파이프(16, 17)는 자세히 도시되지 않은 방식으로 핀(fin)을 통해 기밀 방식으로 서로 용접된다. 핀 폭의 적절한 선택을 통해 증발기 파이프(10) 또는 증기 발생기 파이프(16, 17)의 가열이 영향을 받을 수 있다. 따라서 각각의 핀 폭은 가스측에서 사전 설정될 수 있는 가열 프로필에 매칭되며, 상기 가열 프로필은 증기 발생기 내 증발기 파이프(10) 또는 증기 발생기 파이프(16, 17)의 각각의 위치에 따라 좌우된다. 이 때 상기 가열 프로필은 실험값으로부터 검출된 유형의 가열 프로필이거나, 또는 어림 추정(rough estimation)된 것일 수 있다. 그로 인해 증발기 파이프(10) 또는 증기 발생기 파이프(16, 17)가 매우 상이하게 가열되는 경우에도 상기 증발기 파이프(10) 또는 증기 발생기 파이프(16, 17)의 배출구에서의 온도차가 매우 작게 유지된다. 그 결과 재료의 피로가 확실히 저지되고, 이는 증기 발생기(2)의 오랜 수명을 보장한다.
유동 매체(S)의 관류를 감소시키기 위한 수단으로서 증발기 파이프(10)의 일부에 도면에는 자세히 도시되지 않은 스로틀 장치가 장착되어있다. 상기 스로틀 장치는 파이프 내부 직경(D)을 축소시키는 구경 다이어프램(aperture diaphram)으로서 형성되고, 증기 발생기(20)의 작동시 덜 가열된 증발기 파이프(10) 내에서의 유동 매체(S)의 유동량을 감소시키며, 그로 인해 유동 매체(S)의 유동량이 가열 정도에 따라 매칭된다. 또한 유동 매체(S)의 유동량을 감소시키기 위한 수단으로서 연소실(4)의 증발기 파이프(10) 내에는 스로틀 장치, 특히 스로틀 밸브를 포함하는 라인 장치(19 또는 25)의 하나 이상의 라인들이 설치되고, 이는 도면에는 자세히 도시되어 있지 않다.
연소실(4)의 배관시에는, 증기 발생기(2)의 작동시 서로 기밀 방식으로 용접된 개별 증발기 파이프들(10)이 서로 매우 상이한 정도로 가열된다는 사실이 고려된다. 그러므로 증발기 파이프(10)의 설계는 그의 내부 리브, 인접한 증발기 파이프(10)로의 핀 연결부 및 파이프 내부 직경(D)을 고려하여 선택되고, 따라서 모든 증발기 파이프(10)는 상이하게 가열됨에도 불구하고 거의 동일한 유동 매체(S) 배출구 온도를 가지며, 증기 발생기(2)의 모든 작동 상태에서 모든 증발기 파이프(10)가 충분히 냉각되는 것이 보장된다.
증기 발생기의 이러한 특성들은 특히 상기 증기 발생기(2)에 있어 증발기 파이프(10)를 관류하는 유동 매체(S)가 비교적 낮은 유동 밀도를 갖도록 설계되는 경우에 보장된다. 또한 핀 연결부 및 파이프 내부 직경(D)의 적절한 선택을 통해, 전체 압력 손실에서 마찰 압력 손실의 비율을 낮게 함으로써 하류과 같은 자연 대류 특성이 조절될 수 있다. : 더 강하게 가열된 증발기 파이프(10)가 더 약하게 가열된 증발기 파이프(10)보다 더 강하게 관류된다. 그럼으로써 비교적 강하게 가열된, 버너 가까이에 놓인 증발기 파이프(10)가 - 유동과 관련하여 - 상기 증발기 파이프(10)에 비해 연소실 단부에 더 가까이 배치된, 비교적 약하게 가열된 증발기 파이프(10)와 거의 같은 정도의 많은 열을 수용하는 것도 가능하다. 연소실(4)의 증발기 파이프(10)의 관류를 가열에 매칭시키기 위한 또 다른 조치는 상기 증발기 파이프(10)의 일부 또는 라인 장치(19)의 라인 중 일부 내에 스로틀을 삽입하는 것이다. 이 경우 내부 리브는 증발기 파이프 벽이 충분한 냉각되도록 설계된다. 따라서 전술한 조치들에 의해 모든 증발기 파이프들(10)이 거의 동일한 유동 매체 배출 온도를 나타낸다.
수평 가스 덕트(6)는 격벽 가열 표면으로 형성된 다수의 과열기 가열 표면(23)을 포함하며, 상기 과열기 가열 표면(23)은 오버헤드 구조로 가열 가스(G)의 주 흐름 방향(24)에 대해 거의 수직으로 배치되고, 상기 수평 가스 덕트(6)의 파이프는 유동 매체(S)의 관류를 위해 각각 평행하게 접속된다. 상기 과열기 가열 표면(23)은 주로 대류에 의해 가열되고, 유동 매체측에서 흐름 방향으로 볼 때 연소실(4)의 증발기 파이프(10)의 하류에 연결된다.
가열 가스(S)가 밑에서 위로 관류될 수 있는 수직 가스 덕트(8)는 주로 대류에 의해 가열될 수 있는 다수의 대류 가열 표면(26)을 포함하며, 상기 대류 가열 표면(26)은 가열 가스(G)의 주 흐름 방향(24)에 대해 거의 수직으로 배치된 파이프들로 형성된다. 상기 파이프들은 유동 매체(S)의 관류를 위해 각각 평행하게 접속되고, 도면에는 자세히 도시되지 않은 유동 매체(S)의 경로 내에 통합된다. 또한 수직 가스 덕트(8) 내 대류 가열 표면(26)의 상류에는 이코노마이저(28)가 설치된다. 상기 이코노마이저(28)는 배출측에서 라인 장치(19)를 통해 증발기 파이프(10)에 할당된 유입구 매니폴드-장치(18)에 연결된다. 이 때 도면에는 자세히 도시되지 않은 라인 장치(54)의 하나 이상의 라인들은 유동 매체(S)의 유동량을 감소시키기 위한 스로틀 밸브를 갖추고 있다.
거의 수직인 주 흐름 방향(24)으로 볼 때 밑에서 위로 가열 가스(G)가 관류될 수 있는 수직 가스 덕트(8)의 하류에 배출측에서 짧은 연결 채널(50)이 연결된다. 상기 연결 채널(50)은 수직 가스 덕트(8)를 하우징(52)에 연결한다. 하우징(52) 안의 유입측에는 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)가 설치된다. 상기 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)는 공급 라인(56)을 통해 공기 예열기(60)에 연결된다. 상기 공기 예열기(60)는 다시 연도 가스 채널(52)을 통해 전자 필터(62)에 연결된다.
가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)는 선택적 촉매 환원 방법, 소위 SCR-공법에 따라 작동된다. SCR-공법에 따라 증기 발생기(2)의 가열 가스(G)를 촉매를 이용하여 세척하면 산화 질소(NOx)가 예컨대 암모니아와 같은 촉매 및 환원제에 의해 질소(N2)와 물(H2O)로 환원된다.
SCR-공법을 실행하기 위해서 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)는 DeNOx-촉매 컨버터(64)로서 형성된 촉매 컨버터를 포함한다. 상기 DeNOx-촉매 컨버터는 가열 가스(G)의 유동 범위 내에 설치된다. 상기 가열 가스(G) 내에 환원제(M)로서 암모니아수를 주입하기 위해 탈질소 장치(54)에 계량 공급 장치(66)가 제공된다. 이 경우 상기 계량 공급 장치(66)는 암모니아수용 저장 용기(68) 및 압축 공기 장치(69)를 구비하여야 한다. 상기 계량 공급 장치(66)는 탈질소 장치(54) 내 DeNOx-촉매 컨버터(64)의 상류에 설치된다.
증기 발생기(2)는 전체 높이가 매우 낮은 수평 연소실(4)을 갖도록 구현됨으로써 매우 적은 제조 비용 및 조립 비용이 달성될 수 있다. 이를 위해 증기 발생기(2)의 연소실(4)은 화석 연료(B)를 위한 다수의 버너(70)를 포함하며, 상기 버너들(70)은 연소실(4)의 단부벽(11)에 수평 가스 덕트(6)의 높이에 설치된다.
매우 높은 효율을 달성하기 위해 화석 연료(B), 예컨대 고체 상태의 석탄을 완전히 연소시키고, 가열 가스측에서 볼 때 수평 가스 덕트(6)의 제 1 과열기 표면(23)의 재료 손상 및 오염이 예컨대 고온의 용해성 재를 주입함으로써 확실하게 저지되도록 하기 위해, 상기 연소실(4)의 길이는 증기 발생기(2)의 전부하 작동시 연료(B)의 연소 길이를 초과하도록 선택된다. 이 때 상기 길이(L)는 연소실(4)의 단부벽(9A)으로부터 수평 가스 덕트(6)의 유입구 영역(72)까지의 거리이다. 연료(B)의 연소 길이는 규정 평균 가열 가스 온도에서 수평 방향으로의 가열 가스 속도로서 정의되며, 화석 연료(B)의 연소 시간(tA)과 곱해진다. 각각의 증기 발생기(2)의 경우 최대 연소 길이는 증기 발생기(2)의 전부하 작동시 주어진다. 연료(B)의 연소 시간(tA)은 예컨대 규정 평균 가열 가스 온도에서의 완전 연소를 위해 평균 크기의 석탄 가루를 필요로 하는 시간이다.
화석 연료(B)의 연소열의 매우 바람직한 활용을 보장하기 위해, 연소실(4)의 길이(L, 단위: m)는 상기 연소실(4)의 가열 가스(G)의 배출 온도(TBRK, 단위:℃), 연소실(B)의 연소 시간(TA, 단위: s) 및 증기 발생기(2)의 BMCR-값(W, 단위: kg/s)에 따라 적절하게 선택된다. 여기서 BMCR은 보일러의 최대 연속 정격 유량(Boiler maximum continuous rating)을 나타낸다. BMCR-값(W)은 증기 발생기의 최대 연속 출력에 대해 국제적으로 통용되는 개념이다. 상기 BMCR-값(W)은 설계 출력, 즉 증기 발생기의 전부하 작동시 출력에도 상응한다. 이 경우 연소실(4)의 수평 길이(L)는 연소실(4)의 높이(H)보다 더 크다. 높이(H)는, 도 1에서 끝점(X 및 Y)을 가진 보조선으로 표시된, 연소실(4)의 깔때기 상류 에지로부터 연소실 커버까지의 거리이다. 이 때 연소실(4)의 길이(L)는 하류 2 개의 함수((I) 및 (II)),
L (W, tA) = (C1 + C2ㆍW)ㆍtA (I)
L (W, TBRK) = (C3ㆍTBRK + C4)W + C3(TBRK )2 + C6ㆍTBRK + C7 (II)
(여기서
C1 = 8 m/s,
C2 = 0.057 m/kg,
C3 = -1.905ㆍ10-4 (mㆍs)/(kg℃),
C4 = 0.286 (sㆍm)/kg,
C5 = 3ㆍ10-4 m/(℃)2,
C6 = -0.842 m/℃,
C7 = 603.41 m 이다.)를 통해 근사치로 정해진다.
여기서 근사치는 각각의 함수에 의해 정해진 값에서 +20%/-10% 정도의 허용 편차를 의미한다. 이 때 증기 발생기의 임의의, 그러나 고정된 BMCR-값(W)의 경우 연소실(4)의 길이(L)로는 항상 상기 함수 (I) 및 (II)에서 더 큰 값이 적용된다.
증기 발생기(2)의 BMCR-값(W)에 따라 연소실(4)의 길이(L)를 산정하는 예로서 도 3의 좌표계에 6 개의 곡선(K1 내지 K6)이 기입되어있다. 여기서 곡선들에 각각 하류과 같은 파라미터가 할당된다. :
K1: tA= 3s (I)에 따라,
K2: tA= 2.5s (I)에 따라,
K3: tA = 2s (I)에 따라,
K4: TBRK = 1200℃ (II)에 따라,
K5: TBRK = 1300℃ (II)에 따라,
K4: TBRK = 1400℃ (II)에 따라.
따라서 연소실(4)의 길이(L)를 정하기 위해서는, 예컨대 연소 시간(tA) = 3s이고, 연소실(4)로부터의 가열 가스(G)의 배출 온도(TBRK)= 1200℃인 경우, 곡선 K1 및 K4가 고려된다. 이로부터, 증기 발생기(2)의 BMCR-값(W)이 각각 W= 80 kg/s, 160 kg/s 및 560 kg/s로 사전설정된 경우, 연소실(4)의 길이(L)는 K4에 따라 각각 29 m, 34 m 및 57 m로 정해진다.
연소시간(tA) = 2.5s이고, 연소실로부터의 가열 가스(G)의 배출 온도(TBRK)= 1300℃인 경우에는, 곡선 K2 및 K5가 고려된다. 이로부터, 증기 발생기(2)의 BMCR-값(W)이 각각 W= 80 kg/s, 180 kg/s 및 560 kg/s로 사전설정된 경우, 연소실(4)의 길이(L)는 각각 K2에 따라 21 m, K2 및 K5에 따라 23 m, 그리고 K5 에 따라 37 m로 정해진다.
연소시간(tA) = 2s이고, 연소실로부터의 가열 가스(G)의 배출 온도(TBRK)= 1400℃인 경우에는, 곡선 K3 및 K6가 고려된다. 이로부터, 증기 발생기(2)의 BMCR-값(W)이 각각 W= 80 kg/s, 465 kg/s 및 560 kg/s로 사전설정된 경우, 연소실(4)의 길이(L)는 각각 K3에 따라 18 m, K3 및 K6에 따라 21 m, 그리고 K6에 따라 23 m로 정해진다.
증기 발생기(2)의 작동시 버너(70)에는 화석 연료(B)와 공기가 공급된다. 이 때 공기는 가열 가스(G)의 잔열을 이용한 공기 예열기 내에서 예열된 하류(도면에는 자세히 도시되어있지 않음), 압축되어 버너(70)로 공급된다. 버너(70)의 불꽃(F)은 수평으로 정렬된다. 연소실(4)의 구조에 의해 연소시 발생하는 가열 가스(G)의 흐름이 거의 수평인 주 흐름 방향(24)으로 발생한다.
가열 가스(G)는 수평 가스 덕트(6)를 통해 상기 가열 가스(G)가 밑에서 위로 관류할 수 있는 수직 가스 덕트(8)에 도달한다. 배출측에서 상기 수직 가스 덕트(8) 하류에는 가열 가스(G)가 연결 채널(50)을 통해 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)에 도달한다. 상기 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)를 통해 증기 발생기(2)를 작동하는 연료(B)의 종류에 따라 정해진 양의 암모니아수가 환원제(M)로서 압축 공기의 도움으로 가열 가스(G) 내에 분사된다. 이는 산화 질소(NOx)의 분리도가 증기 발생기(2)를 작동하는 화석 연료(B)의 종류에 따라 좌우되기 때문에 필요하다. 상기 방식으로 매우 증기 발생기(2)의 모든 작동 상태에서 가열 가스(G)의 매우 신뢰성있는 탈질소가 보장된다.
정화된 가열 가스(G1)는 가열 가스(G)용 탈질소 장치를 빠져나와 공급 라인(56)을 통해 공기 예열기(58)에 이른다. 공기 예열기(58) 내에서는 화석 연료(B)의 연소를 위해 버너(70)에 공급될 공기의 예열이 실시된다. 가열 가스(G)는 상기 공기 예열기(58)를 빠져나와 연도 가스 채널(60)을 지나 전자 필터(62)를 통해 외부로 배출된다.
이코노마이저(28) 내에 유입된 유동 매체(S)는 라인 장치(19A)를 통해 배출구 매니폴드 장치(18A)에 도달하고, 상기 장치(18A)는 증기 발생기(2)의 연소실(4)의 측면벽(9B)의 제 1 그룹(11A)의 증발기 파이프(10) 및 단부벽(9A)에 할당된다. 증기 발생기(2)의 연소실(4)의 수직 배치된, 서로 기밀 방식으로 용접된 증발기 파이프(10) 내에서 발생하는 증기 또는 물-증기-혼합물이 유동 매체(S)용 배출구 매니폴드 장치(20A) 내에 집결된다. 그곳으로부터 상기 증기 또는 물-증기-혼합물이 라인 장치(19B)를 통해, 연소실(4)의 측면벽(9B)의 증발기 파이프(10)의 제 2 그룹(11B)에 할당된 유입구 매니폴드 장치(18B)에 이른다. 증기 발생기(2)의 연소실(4)의 수직 배치된, 서로 기밀 방식으로 용접된 증발기 파이프(10) 내에서 발생하는 증기 또는 물-증기-혼합물은 유동 매체(S)용 배출구 매니폴드 장치(20B) 내에 집결된다. 그곳으로부터 상기 증기 또는 물-증기-혼합물이 라인 장치(19B)를 통해, 수평 가스 덕트의 측면벽(12)의 증기 발생기 파이프(16)에 할당된 유입구 매니폴드 장치(21)에 이른다. 증발기 파이프(16) 내에서 발생하는 증기 또는 물-증기-혼합물은 배출구 매니폴드 장치(22)를 통해 수직 가스 덕트(8)의 벽에 도달하고, 그곳으로부터 다시 수평 가스 덕트(6)의 과열기 가열 표면(23)에 이른다. 상기 과열기 가열 표면(23)에서는 예컨대 증기 터빈의 작동시 사용된 다음 공급되는 증기의 추가 과열이 실시된다.
본 발명에 따른 증기 발생기(2)에서는 증기 발생기(2)의 BMCR-값(W)에 따라 연소실(4)의 길이가 선택됨으로써 화석 연료(B)의 연소열이 매우 신뢰성있게 활용되는 것이 보장된다. 또한 본 발명에 따른 증기 발생기(2)는 그의 수평 연소실(4) 및 수직 가스 덕트(8)의 하류에 직접 연결될 수 있는 탈질소 장치(54)를 통해 매우 적은 공간을 필요로 한다. 이 경우 증기 발생기(2)의 모든 작동 상태에서 매우 간단한 방법으로 가열 가스(G)의 매우 신뢰성있는 탈질소가 보장된다.

Claims (20)

  1. 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54) 및 연소실(4)을 포함하는 증기 발생기(2)로서, 상기 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)는 가열 가스 흐름방향으로 볼때 수평 가스 덕트(6) 및 수직 가스 덕트(8)를 통해 상기 연소실(4)의 하류에 연결되고, 상기 연소실(4)은 상기 수평 가스 덕트(6)의 높이에 배치된 다수의 버너들(70)을 포함하며, 상기 수직 가스 덕트(8)는 상기 가열 가스(G)가 아래쪽으로부터 위쪽으로 수직으로 흐르도록 설계되고, 상기 탈질소 장치(54)는 상기 가열 가스(G)가 위로부터 아래쪽으로 수직으로 흐르도록 설계되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  2. 제 1항에 있어서,
    공기 예열기(58)를 더 포함하고, 상기 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)에서 배출되는 정화된 가열 가스(G1)가 공기를 가열하도록 상기 공기 예열기로 유입되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 가열 가스(G)용 탈질소 장치(54)가 DeNOx-촉매 컨버터(64)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연소실(4)의 외부벽들(9)은, 서로 기밀 방식으로 용접되어 수직 배치된 증발기 파이프들(10)로 형성되고, 각각의 상기 증발기 파이프들(10)에는 유동 매체(S)가 동시에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연소실(4)의 외부벽들(9) 중 하나는 단부벽(9A)이고, 상기 외부벽들(9) 중 둘은 연소실(4)의 측면벽들(9B)이며, 상기 측면벽들(9B)은 각각 증발기 파이프들(10)의 제 1 그룹(11A) 및 제 2 그룹(11B)으로 분할되고, 상기 단부벽(9A) 및 상기 증발기 파이프들(10)의 제 1 그룹(11A)에 유동 매체(S)가 동시에 공급될 수 있으며, 상기 단부벽(9A) 및 상기 증발기 파이프들(10)의 제 1 그룹(11A)은 흐름 방향으로 볼 때, 유동 매체측에서 상기 증발기 파이프들(10)의 제 2 그룹(11B)의 상류에 연결되고, 상기 증발기 파이프들(10)의 제 2 그룹(11B)에는 유동 매체(S)가 동시에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  6. 제 4항 또는 5항에 있어서,
    상기 증발기 파이프들(10)에는 각각 유동 매체(S)가 동시에 공급될 수 있으며, 흐름 방향으로 볼 때, 유동 매체측에서 상기 증발기 파이프들(10)의 상류에는 공통 유입구 매니폴드 장치(18A, 18B)가 연결되고, 상기 증발기 파이프들(10)의 하류에는 공통 배출구 매니폴드 장치(20A, 20B)가 연결되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  7. 제 4항 또는 5항에 있어서,
    상기 연소실(4)의 다수의 증발기 파이프들(10)의 파이프 내부 직경(D)은 연소실(4) 내 증발기 파이프들(10)의 각각의 위치에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  8. 제 4항 또는 5항에 있어서,
    상기 다수의 증발기 파이프들(10)의 내부면에는 각각 여러줄 나사(multiple thread)로 이루어진 리브(rib, 40)가 형성되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 다수의 증발기 파이프들(10)의 축에 수직인 한 평면(42)과 상기 증발기 파이프들의 내부면에 형성된 상기 리브(40)의 에지(44) 사이 리드각()이 60°보다 작은 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  10. 제 4항 또는 5항에 있어서,
    상기 다수의 증발기 파이프들(10)은 각각 스로틀 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  11. 제 4항 또는 5항에 있어서,
    상기 연소실(4)의 증발기 파이프들(10)로 유동 매체를 공급하기 위한 라인 장치(19A, 19B)가 제공되고, 상기 라인 장치(19A, 19B)는 상기 유동 매체(S)의 유량을 감소시키기 위해 다수의 스로틀 장치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 수평 가스 덕트(6)의 측면벽(12)은, 서로 기밀 방식으로 용접되어 수직 배치된 증기 발생기 파이프들(16)로 형성되며, 상기 증기 발생기 파이프들(16) 각각에는 유동 매체(S)가 동시에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 수직 가스 덕트(8)의 측면벽(14)은, 서로 기밀 방식으로 용접되어 수직 배치된 증기 발생기 파이프들(17)로 형성되며, 상기 증기 발생기 파이프들(17) 각각에는 유동 매체(S)가 동시에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  14. 제 4항, 5항, 12항 및 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기 파이프들(10) 중 인접하는 증발기 파이프들 또는 증기 발생기 파이프들(16, 17)은 핀(fin)에 의해 서로 기밀 방식으로 용접되고, 상기 핀 폭은 연소실(4) 내 증발기 파이프들(10) 및 수평 가스 덕트(6) 또는 수직 가스 덕트(8)의 증기 발생기 파이프들(16, 17)의 각각의 위치에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  15. 제 1항 또는 12항에 있어서,
    상기 수평 가스 덕트(6) 내에는 오버헤드 구조의 다수의 과열기 가열 표면(23)이 설치되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  16. 제 1항 또는 13항에 있어서,
    상기 수직 가스 덕트(8) 내에는 다수의 대류 가열 표면(26)이 설치되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  17. 제 1항 또는 13항에 있어서,
    상기 수직 가스 덕트(8) 내에는 하나의 이코노마이저(economizer, 28)가 설치되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  18. 제 1항, 4항, 5항, 12항 및 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버너들(70)은 상기 연소실(4)의 측면벽(9A)에 설치되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 연소실(4)의 측면벽(9A)으로부터 상기 수평 가스 덕트(6)의 유입구 영역(72)까지의 거리에 의해 정해진 연소실(4) 길이가 상기 증기 발생기(2)의 전부하 작동시 연료(B)의 연소 길이와 적어도 동일한 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 연소실(4) 길이(L)는 BMCR-값(W), 상기 버너들(70)의 연소 시간(tA) 또는 상기 연소실(4)의 가열 가스(H)의 배출구 온도(TBRK)의 함수로서, 다음 2 개의 함수((I) 및 (II)),
    L (W, tA) = (C1 + C2ㆍW)ㆍtA (I)
    L (W, TBRK) = (C3ㆍTBRK + C4)W + C3(TBRK)2 + C6ㆍTBRK + C7 (II)
    (여기서
    C1 = 8 m/s,
    C2 = 0.057 m/kg,
    C3 = -1.905ㆍ10-4 (mㆍs)/(kg℃),
    C4 = 0.286 (sㆍm)/kg,
    C5 = 3ㆍ10-4 m/(℃)2,
    C6 = -0.842 m/℃,
    C7 = 603.41 m 이다.)
    에 따라 선택되고, 상기 BMCR-값(W)은 상기 연소실(4) 길이(L) 중 각각 더 큰 값이 적용되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기(2).
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