KR200311524Y1 - 가이드배인이나다공판이없이도유동을균일하게할수있는복합발전용배열회수보일러 - Google Patents

Abstract

본 고안은 가이드베인이나 다공판이 없이도 유동을 균일하게 할 수 있는 복합발전용 배열회수보일러에 관한 것으로, 가스터빈과 배열회수보일러 사이의 연결덕트를 통해 배가스가 유동하면서 팽창하여 온도분포층을 형성하는 등 불균일한 유동형태를 가지게 되어 효율과 기계수명에 영향을 끼치던 문제를 종래에는 가이드베인이나 다공판으로 균일한 유동형태로 유도하였으나 배가스가 팽창을 일으키는 점을 해결하지 못해 설치공간을 많이 점유하는 문제점이 있었으므로, 본 고안에서는 배가스가 확대단면적을 통해 팽창되는 직후에 전열관을 증기터빈의 운용목적에 부합되게 다양하게 배치하는 것으로 구성함으로서 배열회수보일러의 설치공간문제를 해결하고 전열관에서의 열응력발생문제를 개선하였으며, 별도의 유동균일화수단을 필요치 않으므로 경제적이고 또한 복합발전시스템의 열적효율개선에도 탁월한 효과가 있는 복합발전용 배열회수보일러에 관한 것이다.

Description

가이드베인이나 다공판이 없이도 유동을 균일하게 할 수 있는 복합발전용 배열회수보일러

본 고안은 가이드베인이나 다공판이 없이도 유동을 균일하게 할 수 있는 복합발전용 배열회수보일러에 관한 것으로, 가스터빈와 배열회수보일러를 연결하는 덕트 내에 별도의 유동균일화 모듈을 설치할 필요없이 배열회수 보일러의 전열관들 즉, 고압과열기, 고압증발기, 재열기 그리고 절탄기 등을 상기 연결덕트내에 직접 배치함으로써, 종래 유동균일화 수단인 가이드베인(8)이나 다공판(9) 설치에 동반되던 압력강하로 인한 불가피한 배열회수보일러의 크기확장문제를 해결하고 배열회수보일러의 출력향상은 물론 효율을 높이는 데에도 탁월한 효과가 있는, 가이드베인이나 다공판이 없이도 유동을 균일하게 할 수 있는 복합발전용 배열회수보일러에 관한 것이다.

일반적으로 복합발전시스템은 연료를 연소시켜 발생된 고압고온의 연소가스로 가스터빈을 구동하여 전기를 발생하는 가스터빈 시스템과, 이로서 배출되는 연소가스의 열을 회수하는 과열증기를 만드는 배열회수 보일러와, 과열증기를 이용하여 증기터빈을 구동하여 전기를 생성한 후 배출되는 증기를 응축시켜 배열회수보일러로 다시 보내는 증기터빈 시스템으로 구성된다.

상기 배열회수보일러 내부에는 다수의 전열관이 배치되는데, 각 전열관의 역할에 따라 가스터빈출구에서 가장 가까운 곳에서부터, 즉 가스흐름 방향으로 고압과열기, 재열기, 고압증발기, 절탄기가 차례로 배치되는데, 이것은 배열회수보일러의 각각의 단계에서의 배가스 열량의 흡수정도와도 관련이 있다.

여기서 상기 가스터빈의 배가스는 배열회수 보일러로 유입되기 전에 연결덕트를 거치게 되는데, 상기 연결덕트는 좁은 곳에서 넓은 곳으로 확장되는 형상을 띠고 있어, 이것이 그대로 배가스의 유동형태에 영향을 끼치게 된다.

구체적으로 보면, 상기 연결덕트로의 배가스 유입이 이루어지면서 연결덕트의 단면적이 늘어남에 따라 가스의 압력이 점점 강하하며 부피가 늘어가게 되고 유속이 둔화되며 가스흐름의 수직방향을 따라 온도차가 크게 되어 상부의 고온층과 하부의 저온층과 같은 온도분포를 띤 채 배열회수보일러 내로 유입된다.

이렇게 유입된 배가스는 배열회수보일러 내부의 전열관과 접촉하여 열교환하는 경우에, 전열관의 상부에는 상대적으로 많은 열이 전달되고 전열관의 하부에는 상대적으로 적은 열이 전달되어 열팽창의 차에 인해 전열관이 휘어지거나 또는 핀이 구부러지는 등, 전열관 국부에 열응력이 발생하여 핀튜브가 손상됨에 따라 배열회수보일러의 수명에도 영향을 끼치게 된다.

도 1은 유동균일화수단으로서 가이드베인이 설치된 종래의 복합발전용 배열회수보일러의 개략측단면도를 도시하며, 도 2는 유동균일화수단으로서 다공판이 설치된 종래의 복합발전용 배열회수보일러의 개략측단면도를 도시한다.

도 1 및 도 2에 도시되는 종래의 복합발전용 배열회수보일러는 일반적으로 가스터빈(도시되지 않음)과 연결덕트(1)로 연결되어 가스터빈으로부터의 배출가스 열량을 회수함으로써 고온고압증기를 발생시켜 이를 증기터빈(도시되지 않음)에 제공하는 역할을 하는 것으로, 급수펌프에 의해 유입된 저온의 물을 가열시키는 절탄기(6)와, 상기 절탄기(6)로부터 유입되는 가열된 포화수를 저장하는 고압증발기드럼(7)과, 상기 고압증발기드럼(7)으로부터 유입되는 포화수를 증기로 발생시켜 다시 고압증발기드럼(7)으로 순환시키는 고압증발기(5)와, 상기 고압증발기드럼(7)으로부터 유입되는 증기를 가열시키는 고압과열기(3)와, 상기 고압과열기(3)에서 과열된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동한 후에 에너지가 소비된 그 증기를 다시 가열하는 재열기(4)와, 이들이 설치되는 케이싱(2)을 포함한다.

이와 같은 종래의 복합발전용 배열회수보일러에서는 상술한 문제를 해결하기 위해 도 1에 도시되는 바와 같이 가이드베인(8)을 연결덕트(1)의 확장영역 상에 설치하거나, 또는 도 2에 도시되는 바와 같이 다공판(9)을 연결덕트(1)의 확장영역 상에 설치하였다.

도 1에 도시되는 가이드베인(8)은 확산되는 고온고압 배가스의 유동방향을 강제적으로 확산하는 형태로 유도하여 유동을 균일하게 하는 역할을 하지만, 상기 가이드베인(8)은 고온의 유체흐름 내에 위치하고 있으므로 값비싼 내식내열 강재를 사용해야 하는 문제점이 있고, 또한 배가스가 열에너지를 전달하기 전에 단면적 증가와 함께 압력이 강하되면서 이에 따른 부피팽창을 일으키므로 배열회수보일러의 크기를 해야 하는 문제점이 있다.

그리고, 도 2에 도시되는 다공판(9)은 배가스 유동에 어느 정도 저항요소로 작용하여 다공판(9)에서 반사된 배가스 입자가 뒤이어 오는 다른 입자와 충돌을 일으켜 난류가 형성되고 이것에 의해 골고루 섞이는 과정에서 수직방향으로의 온도차를 개선시키는 역할을 하지만, 이것 역시 상기 가이드베인(8)과 마찬가지로, 우선 내식내열성을 갖춘 값비싼 강재를 사용하여야 하고, 배가스의 압력강하와 팽창이일어나므로 종래의 문제점이 개선되지 않는다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 고안은, 배열회수 보일러를 이루는 각종 전열관을 전진배치함으로써 배가스가 압력강하로 인한 팽창을 일으키기 전에 열전달로 열량을 잃도록 하여 배열회수보일러의 크기를 확장시킬 필요가 없고 온도차에 따른 수직분포가 형성되기 전에 전열관과의 접촉이 이루어지도록 하여 전열관 상에 열응력이 일어나는 것을 미연에 방지하며, 제작비용을 줄이고 설비의 설치공간을 줄이며 부수적으로 배열회수보일러의 효율도 높일 수 있는, 가이드 베인이나 다공판이 없이도 유동을 균일하게 할 수 있는 복합발전용 배열회수보일러의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적은, 증기터빈을 구동하는데 높은 증기압이 요구되는 경우에는, 고압의 과열증기를 생성하기 위하여, 연결덕트의 확장영역 상에는 고압과열기, 재열기가 가스흐름 방향으로 차례로 배열되는 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러, 및 증기터빈을 구동하는데 증기의 많은 증발량이 요구되는 경우에는 다량의 과열증기를 생성하기 위하여, 연결덕트의 확장영역 상에는 제 2 고압증발기, 고압과열기가 가스흐름 방향으로 차례로 배열되는, 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러에 의해 달성된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러를 상세히 설명한다.

도 1은 유동균일화수단으로서 가이드베인이 설치된 종래의 복합발전용 배열회수보일러의 개략측단면도.

도 2는 유동균일화수단인 다공판이 설치된 종래의 복합발전용 배열회수보일러의 개략측단면도.

도 3은 유동규일화모듈 중 고압과열기를 우선한 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러의 개략측단면도.

도 4는 유동균일화모듈 중 고압증발기를 우선한 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러의 개략측단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 연결덕트 2: 케이싱

3: 고압과열기 4: 재열기

5: 고압증발기 6: 절탄기

7: 고압증발기드럼 8: 가이드베인

9: 다공판

도 3은 유동규일화모듈 중 고압과열기를 우선한 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러의 개략측단면도를 도시하며, 도 4는 유동균일화모듈 중 고압증발기를 우선한 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러의 개략측단면도를 도시한다.

본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러는, 가스터빈(도시되지 않음)과 연결덕트(1)로 연결되어 가스터빈으로부터의 배출가스 열량을 회수함으로써 고온고압증기를 발생시켜 이를 증기터빈(도시되지 않음)에 제공하는 역할을 하는 것으로, 급수펌프에 의해 유입된 저온의 물을 가열시키는 절탄기(6)와, 상기 절탄기(6)로부터 유입되는 가열된 포화수를 저장하는 고압증발기드럼(7)과, 상기 고압증발기드럼 (7)으로부터 유입되는 포화수를 증기로 발생시켜 다시 고압증발기드럼(7)으로 순환시키는 고압증발기(5)와, 상기 고압증발기드럼(7)으로부터 유입되는 증기를 가열시키는 고압과열기(3)와, 상기 고압과열기(3)에서 과열된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동한 후에 에너지가 소비된 그 증기를 다시 가열하는 재열기(4)와, 이들이 설치되는 케이싱(2)을 포함한다.

여기서, 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러는 증기터빈을 구동하는데 높은 증기압이 요구되는 경우에는, 고압의 과열증기를 생성하기 위하여, 상기 연결덕트(1)의 확장영역 상에는 고압과열기(3), 재열기(4)가 가스흐름 방향으로 차례로 배열되고, 상기 케이싱(2)에는 고압증발기(5), 절탄기(6)가 가스흐름 방향으로 차례로 배열된다.

또한, 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러는 증기터빈을 구동하는데 증기의 많은 증발량이 요구되는 경우에는, 다량의 과열증기를 생성하기 위하여, 상기 연결덕트(1)의 확장영역 상에는 제 2 고압증발기(5'), 고압과열기(3)가 가스흐름 방향으로 차례로 배열되고, 상기 케이싱(2)에는 고압증발기(5), 절탄기(6)가 가스흐름 방향으로 차례로 배열된다.

이하, 본 고안에 작용에 관해 설명한다.

본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러는, 고압과열기(3), 재열기(4), 고압증발기(5), 그리고, 절탄기(6)로 이루어진 배열회수보일러의 전열관의 일부를 가스터빈과 배열회수보일러를 연결하는 연결덕트(1)의 확장영역 상에 설치하는 것으로 하는 유동균일화 모듈로, 추가적인 유동균일화 수단 즉, 가이드베인이나 다공판은 포함하지 않는다.

상기 연결덕트(1)의 확장영역은 작은 가스터빈 출구와, 넓은 전열면적을 필요로 하는 배열회수보일러를 연결하는데 있어 불가피한 요소이지만, 고온고압의 배가스가 상기 덕트(1)를 거치는 과정에서 생기는 배가스의 물성치변화는 무시할 수 없을 정도로 배열회수보일러에 영향을 미친다.

이것은 당초 고온에서 높은 압력을 가졌던 배가스가 단면적이 커지는 유동통로를 지나면서 압력이 떨어지고 부피가 커지며, 유속이 둔화되면서 온도층이 형성되는 등의 변화를 일으키면서 배열회수보일러의 출력과 복합발전시스템 전체의 열적효율에 지대한 영향을 미침을 의미한다.

따라서, 본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러는 배가스의 물성에 큰 변화가 일어나기 전에 배가스가 지니고 있는 열량을 회수하고 유동불균일로 인해 배열회수보일러의 구성요소에 미칠 영향을 줄이도록 하고 또한, 배가스가 고압과열기(2), 재열기(4), 고압증발기(5), 절탄기(6)의 순으로 지나가면서 열량을 잃어가는 점을 이용하여 그 배치순서를 바꾸는 것으로 증기터빈의 용도에 맞는 출력을 얻도록 하였다.

배열회수보일러에서의 과열증기의 작업과정은, 고압증발기(5)에서 물을 비등시켜 이를 고압과열기(3)에 공급하여 고압의 과열증기로 만들고, 저압의 증기는 재열기(4)를 통해 저압의 과열증기로 되며, 고압과 저압의 과열증기가 각각 팽창하면서 고압증기터빈 및 저압증기터빈을 구동시킨 다음, 응축기(도시되지 않음)를 거치고 절탄기(6)를 거쳐 다시 고압증발기(5)로 유입된다.

따라서, 가스터빈으로부터 바로 배출되어 팽창되기 직전 배가스를 고압과열기(3)에 노출시키면 고압과열기(3)에서는 보다 높은 압력의 과열증기를 얻을 수 있어, 적은 증기량으로도 증기터빈에서 높은 출력을 얻을 수 있으며, 상기 고압증발기(5)를 가스터빈출구에서 가장 가까운 위치에 설치하면 이번에는 보다 많은 양의 증기가 생성되어 다른 형태로 증기터빈의 출력을 높일 수 있다.

본 고안에 따른 복합발전용 배열회수보일러에서는 배가스가 팽창을 시작한 직후 많은 열량이 고압과열기(3) 또는 고압증발기(5)로 흡수되기 때문에 배열회수보일러의 케이싱(2)을 기체의 팽창율에 응해 크게 제작할 필요가 없으며, 열전달 과정에서 상당히 압력이 줄어들게 된다.

배가스의 기체팽창에 따른 열분포층의 형성이 일어나기 전에 전열관과 접하게 되므로, 각각의 전열관상에 온도상승차에 의한 열응력이 발생하지 않으므로 전열관치 수명이 단축되는 일이 없다.

상기 연결덕트(1)를 없애고 대신에 배열회수보일러의 케이싱(2) 구조를 변경하여 전반부가 확대형상이 되도록 하여 가스터빈과 연결되도록 할 수도 있다.

본 고안은 가스터빈의 출구와 배열회수보일러를 연결하는 연결덕트 내에 배열회수보일러의 구성요소 일부를 배치하여 불균일한 가스유동에 의한 열응력 발생을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있으며, 또한 배열회수보일러의 크기를 종래의 것에 비해 작게 할수 있어 설치공간이 절약되는 효과가 있고, 종래의 가이드베인 또는 다공판 등과 같은 유동균일화수단이 별도로 없이도 그 이상의 효율개선효과와 아울러 경제적인 효과가 있다.

Claims (2)

1. 가스터빈과 연결덕트(1)로 연결되어 가스터빈으로부터의 배출가스 열량을 회수함으로써 고온고압증기를 발생시켜 이를 증기터빈에 제공하며, 급수펌프에 의해 유입된 저온의 물을 가열시키는 절탄기(6)와, 상기 절탄기(6)로부터 유입되는 가열된 포화수를 저장하는 고압증발기드럼(7)과, 상기 고압증발기드럼(7)으로부터 유입되는 포화수를 증기로 발생시켜 다시 고압증발기드럼(7)으로 순환시키는 고압증발기(5)와, 상기 고압증발기드럼(7)으로부터 유입되는 증기를 가열시키는 고압과열기 (3)와, 상기 고압과열기(3)에서 과열된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동한 후에 에너지가 소비된 그 증기를 다시 가열하는 재열기(4)와, 이들이 설치되는 케이싱 (2)을 포함하는 통상의 복합발전용 배열회수보일러에 있어서,

   고압의 과열증기를 생성하기 위하여, 상기 연결덕트(1)의 확장영역 상에는 고압과열기(3), 재열기(4)가 가스흐름 방향으로 차례로 배열되는 것을 특징으로 하는, 가이드베인이나 다공판이 없이도 유동을 균일하게 할 수 있는 복합발전용 배열회수보일러.
2. 가스터빈과 연결덕트(1)로 연결되어 가스터빈으로부터의 배출가스 열량을 회수함으로써 고온고압증기플 발생시켜 이를 증기터빈에 제공하며, 급수펌프에 의해 유인된 저온의 물을 가열시키는 절탄기(6)와, 상기 절탄기(6)로부터 유입되는 가열된 포화수를 저장하는 고압증발기드럼(7)과, 상기 고압증발기드럼(7)으로부터 유입되는 포화수를 증기로 발생시켜 다시 고압증발기드럼(7)으로 순환시키는 고압증발기(5)와, 상기 고압증발기드럼(7)으로부터 유입되는 증기를 가열시키는 고압과열기 (3)와, 상기 고압과열기(3)에서 과열된 증기를 이용하여 증기터빈을 구동한 후에 에너지가 소비된 그 증기를 다시 가열하는 재열기(4)와, 이들이 설치되는 케이싱 (2)을 포함하는 통상의 복합발전용 배열회수보일러에 있어서,

   다량의 과열증기를 생성하기 위하여, 상기 연결덕트(1)의 확장영역 상에는 제 2 고압증발기(5'), 고압과열기(3)가 가스흐름 방향으로 차례로 배열되는 것을 특정으로 하는, 가이드베인이나 다공판이 없이도 유동을 균일하게 할 수 있는 복합발전용 배열회수보일러.