KR20050086420A - 증기 발생기용 관류 증발기 - Google Patents

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KR20050086420A
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Abstract

증기 발생기(A)는 액상의 물을 고온 증기가 흐르는 튜브(30)에서 증기로 변환시키는 관류 증발기(14)를 구비한다. 각 튜브는 비등에 의해 발생된 안개(mist)에 난류를 유도하도록 나선형 구조로 트위스트된 금속 테이프를 수용하며, 상기 난류로 인하여 안개는 튜브의 내측면을 적셔서, 튜브에 양호한 열전달 및 온화한 온도를 확실하게 발생시킨다.

Description

증기 발생기용 관류 증발기{ONCE-THROUGH EVAPORATOR FOR A STEAM GENERATOR}
기술분야
본 발명은 증기 발생기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 증기 발생기용 증발기와, 이러한 증발기용 튜브에 관한 것이다.
배경기술
증기는 산업계에 광범위하게 이용되고 있으며, 가장 중요한 용례는 아마도 전력을 발생시키는 것일 것이다. 통상적으로, 많은 경우에 연소에 발생되는 고온 가스는 물을 과열 증기로 변환시키는 증기 발생기를 통과한다. 이들 설비의 대표적인 예로는, 전기 발생기를 구동하는 가스 터빈에 의해 배출된 고온 가스로부터 열을 추출하는 데 사용되는 폐열 회수 증기 발생기(HRSGs)가 있다. 추출된 열은 증기를 발생시키고, 이 증기는 다른 전기 발생기에 전력을 공급하는 증기 터빈으로 통과한다.
통상의 증기 발생기는, 고온 가스가 통과하는 덕트는 별도로 하고, 가장 기본적인 형태로 3개의 추가 부품, 즉 과열기, 증발기, 및 절약기 또는 급수 가열기를 포함하며, 이들 부품은 덕트 내에서 가스의 유동과 관련하여 순서대로 배치되어 있다. 물은 반대 방향으로 흐르고, 절약기를 통과하여 가열되지만 여전히 액상으로 존재하며, 그 후 증발기를 통과하여 대부분 포화 증기로 변환되고, 이어서 과열기를 통과하여 포화 증기가 과열 증기로 된다.
증발기는 순환형과 관류형의 2가지 구조로 분류되며, 각각의 구조는 자체의 이점 및 단점을 갖고 있다. 양 구조는 고온 가스가 통과하는 덕트 내에 일련의 튜브를 구비한다.
순환형의 경우에, 튜브는 튜브의 위에 있는 증기 드럼과 함께 소정의 회로에 존재한다. 드럼은 물을 수용하고, 이 물은 드럼으로부터 하강 유로를 통하여 튜브로 유동하며, 상기 튜브에서 물의 일부가 증기로 변환되지만, 증기는 물 내에 기포로서 존재하며, 이어서 라이저를 통하여 증기 드럼으로 복귀한다. 여기서, 포화된 증기는 액상의 물로부터 분리되어, 과열기로 이동한다. 포화 증기는 드럼에 공급되는 급수로 교체된다. 순환형 증발기의 튜브는 항상 젖은 상태로 유지되는데, 즉 액상의 물이 전체 내부면에 대하여 존재한다. 이는 양호한 열전달을 향상시킨다. 또한, 이는 튜브를 비교적 온화한 온도로 유지하며, 이에 따라 튜브에 고온 합금을 사용할 필요성이 제거된다.
순환형 증발기는 자체의 단점이 있다. 아마도 가장 큰 단점은 증기 드럼, 대형의 하강 유로, 및 물을 튜브에 공급하는 헤더에 소요되는 비용일 것이다. 또한, 상기 부품들에 저장되어 있는 물은 비등점에 이르기까지 시간을 필요로 하며, 이에 따라 순환형 증발기에 있어서는 시동 시간이 증가한다.
관류형 증발기는 하강 유로 또는 드럼을 필요로 하지 않고, 제조 비용도 저렴하다. 또한, 상기 하강 유로 또는 드럼에 저장되었던 물이 튜브 자체와, 튜브가 연장되는 공급 헤더에 머무르게 된다. 이로 인하여, 관류형 증발기는 통상의 순환형 증발기보다 더 신속하게 작동 상태로 될 수 있다. 그러나, 관류형 증발기는 물을 증기로 완전히 변환시켜야만 하므로, 단지 증기만이 그것의 튜브로부터 빠져나가 과열기로 흐른다. 액상의 물은 증발기를 떠나서는 안된다. 증발기는 물 회로의 상류에 위치된 급수 펌프에 의존하여 물을 제어된 비율, 즉 정확한 경우에는 증기가 포화 상태 또는 약간 과열된 상태로 떠날 수 있게 하는 비율로 순환시킨다.
따라서, 관류형 증발기에 있어서는, 물 입구에 가장 인접한 튜브 벽은 순환형 증발기에서와 같이 젖은 상태로 뻗어 있는데, 그 이유는 튜브의 이들 단부가 단지 액상의 물만을 인식할 수 있기 때문이다. 그러나, 그 튜브에서는 물이 안개로, 그 후 포화 증기로 변환된다. 안개 유동 상황에 있어서, 물은 튜브 벽의 내부면으로부터 벗어나므로, 안개는 튜브의 중심을 통하여 연장되는 코어에 존재하게 된다. 이들 코어 둘레의 벽은 건조 상태로 뻗어 있다. 이는 튜브 벽의 온도를 보다 고온으로 되게 하므로, 열전달 효율이 저조하게 된다. 온도가 높을수록, 상기 고온을 보다 잘 견딜 수 있는 금속, 달리 말하면 고가의 고합금강이 필요하다.
도면들의 간단한 설명
도 1은 본 발명에 따라 구성되어 본 발명을 구체화하는 관류형 증발기를 구비한 증기 발생기의 개략적인 단면도이고;
도 2는 증발기의 사시도이고;
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취한 단면도이고;
도 4는 트위스트된 테이프가 튜브에 고정되어 있는 상태를 보여주는 증발기 튜브 중 하나의 단부의 부분 단면도이고;
도 5는 도 4와 유사하지만 90° 회전되어 있는 부분 단면도이고; 및
도 6은 증발기에서의 유동을 보여주도록 증발기 튜브 중 하나를 절결하여 단면으로 도시한 단편도이다.
본 발명의 실시하기 위한 최선의 모드
이하, 도면을 참고하면, 증기 발생기(A; 도 1 참조)는 기본적으로 유입 단부(4)와 배출 단부(6)를 갖는 덕트(2)를 구비한다. 유입 단부(4)는 가스 터빈 또는 소각로와 같은 고온 가스 공급원에 연결되어 있고, 이들 고온 가스는 덕트(12)를 통하여 흐르고, 배출 단부(6)에서 덕트를 나간다. 또한, 증기 발생기(A)는 과열기(12), 증발기(14), 및 급수 가열기 또는 절약기(16)를 구비하며, 이들 구성 요소는 유입 단부(4)로부터 유출 단부(6)로 순서대로 덕트(2)에 배치되어 있다. 따라서, 고온 가스는 먼저 과열기(12)를 통하여 흐르고, 그 후 증발기(14)를 통과하고, 마지막으로 절약기(16)를 통과한다. 물은 반대 방향으로 흐른다. 이를 위하여, 절약기(16)는 급수를 절약기(16)로 이송하는 급수 펌프(18)에 연결되어 있다. 절약기는 고온 가스로부터 열을 추출하고, 그 열을 절약기를 통하여 흐르는 액상의 물에 전달하며, 이로써 물의 온도를 상승시키지만, 물은 여전히 액상으로 유지된다. 절약기(16)를 나간 후에, 액상의 물은 증발기(14)로 흐르고, 그 증발기를 통과한다. 증발기(14)는 물을 증기, 대부분 포화 증기로 변환시킨다. 증기는 과열기(12)로 흐르고, 이 과열기는 증기의 온도를 상승시켜, 증기를 터빈 또는 일부 산업 공정으로 전력을 공급하거나 빌딩을 난방하는 데 사용될 수 있는 과열 증기로 변환시킨다. 과열기(12), 증발기(14) 및 절약기(16)는 기본적으로 튜브 뱅크이다. 증발기(14)는 관류 원리에 따라 작동한다. 실제로, 증기 발생기(A)는 하나 이상의 증발기(14)를 구비할 수 있다.
증발기(14)는 공급 헤더(26), 배출 헤더(28) 및 이들 두 헤더(26, 28) 사이에서 연장되는 튜브(30)를 구비한다(도 2 참조). 공급 헤더(26)는 절약기(16)에 연결되어 절약기(16)로부터 가열된 물을 수용하는 입구 포트(32)를 구비하는데, 실제로는 물은 펌프(18)에 의해 발생된 수두(head)하에서 입구 포트로 이송된다. 배출 헤더(26)는 과열기(12)에 연결되어 있는 출구 포트(34)를 구비하고, 이 출구 포트를 통하여 포화 상태 또는 약간 과열 상태인 증기가 과열기(12)로 안내된다. 튜브(30)는 덕트(2)를 통하여 흐르는 가스로부터 열을 용이하게 추출하도록 하기 위하여 핀(36)을 구비한다.
튜브(30) 내에서, 공급 헤더(26)로부터의 가열된 물은 증기로 변환되고, 이 증기는 배출 헤더(28)에 모인 후에, 과열기(12)로 이동한다. 따라서, 공급 헤더(20)에 가장 인접한 각 튜브(30)의 부분은 액상의 물을 수용하는 반면에, 배출 헤더(28)에 가장 인접한 부분은 포화되었거나 아마도 약간 과열된 상태의 증기를 수용한다. 각 튜브(30)의 중간 부분에서, 액상의 물은 위상 변경을 겪어서 증기로 된다. 여기서, 물은 끓어서, 안개 또는 물과 포화 증기의 혼합물로 된다. 그 후에, 안개는 더욱 포화 증기로 되며, 마지막으로 포화 증기는 약간 과열된 상태일지라도 과열 증기로 될 수 있다. 과열 증기가 실제로 있는 경우에, 튜브(30)의 과열 영역은 상당히 짧다. 튜브(30)는 탄소강 또는 크롬-몰리브덴 강으로 형성된다.
각각의 튜브(30)는 튜브의 입구로부터 연장되는 나선형 테이프(40; 도 3 내지 도 5 참조)를 수용하는데, 상기 입구는 안개가 존재하는 영역을 통하여 공급 헤더(26)에 연결된 튜브의 단부이다. 각 테이프(40)의 폭은 그것이 연장되는 튜브(30)의 내경보다 약간 작으므로, 테이프(40)는 튜브(30) 자체와 간섭하지 않으면서 튜브(30) 내로 삽입되거나 튜브로부터 인출될 수 있다. 바람직하게는, 각 테이프(40)의 폭은, 적어도 내경이 2 인치인 튜브에 대해서는 튜브의 내경보다 약 1/16 인치만큼 작다. 테이프(40)는 양 단부 사이에서 복수회 트위스트되므로, 테이프의 에지는 나선을 형성하고, 이 나선은 튜브(30)의 내측면을 따라 놓여 있다. 실제로, 테이프(40)의 전체 360° 트위스트는 길이 대 직경이 5 대 25에 이르는 거리 내에서 일어나야 한다. 예컨대, 내경이 2인치이고 테이프(40)의 트위스트에 대하여 길이 대 직경의 비율이 5인 튜브(30)의 경우에, 테이프(40)의 전체 360° 트위스트는 테이프(40)의 10인치 이내에서 일어날 것이다. 튜브(30)의 입구에 머무르는 테이프(40)의 단부에는 튜브(32)의 유입 단부를 가로질러 횡방향으로 연장되는 앵커 바(42)가 설치되어 있다. 앵커 바(42)는 튜브(30)의 단부 및 테이프(40)에 용접되고, 이에 따라 테이프(40)를 튜브(30)와 고정한다. 테이프(40)는 약간 과열된 증기와 관련한 온도를 견딜 수 있는 금속으로 형성되며, 이 금속은 전해질 반응을 최소화한다는 의미에서 튜브(30)의 금속과 양립될 수 있는 것이다. 튜브(30)가 탄소강인 경우에는 스테인리스 강이 적합하다.
증기 발생기(A)의 작동 시에, 덕트(2)를 통하여 흐르는 고온 가스는 과열기(12), 증발기(14) 및 절약기(16)의 튜브를 순서대로 통과하고, 각 구성 요소를 통과할 때마다 온도가 저하된다. 급수 펌프(18)는 물을 절약기(16) 내로 강제로 펌핑하고, 절약기에서 물은 절약기(16)의 튜브 위로 흐르는 가스로부터 열을 추출한다. 물의 온도가 증가하지만, 물은 여전히 액상으로 유지된다. 펌프(18)에 의해 발생된 수두하에서, 물은 절약기(16)로부터 증발기(14)의 공급 헤더(26)로 흐르고, 그 후 증발기(14)의 튜브(30)로 흐른다. 튜브(30) 내에서, 물은 덕트(2)를 통과하는 가스로부터 유도된 훨씬 높은 온도를 겪게 된다. 실제로, 증발기(14)를 통과하는 가스는 튜브(30) 내의 물을 증기로 변환시키기에 충분한 높은 온도로 튜브(30)의 온도를 상승시킨다. 물은 초기에 튜브(30) 내로 유입될 때에는 액상으로 유지되지만, 튜브를 통과함에 따라 끓기 시작하여 안개를 생성한다. 테이프(40)는 안개 유동의 영역을 통하여 연장되고, 안개가 배출 헤더(28)를 향하여 흐를 때에 안개에 난류를 유도하는 양호한 조처를 발생시킨다. 난류는 안개, 즉 물 입자를 튜브(30)의 내면에 맞닿게 하며(도 6 참조), 이로써 튜브(30) 위로 흐르는 가스와 튜브(30) 내의 안개 사이에 보다 양호하고 효과적인 열전달이 이루어지게 된다. 이는 또한 튜브(30)가 과열되는 것을 방지한다. 테이프(40)가 없다면, 안개는 튜브(30)의 중앙에 유지되기 쉽고, 튜브(30)의 내부면을 따라 포화 증기 또는 과열 증기로 둘러싸이게 되므로, 안개의 영역에서 튜브(30)는 보다 고온에서 작동하게 된다. 튜브(30) 내의 안개가 배출 헤더(28)에 접근함에 따라, 안개는 포화 증기로 변환되고, 심지어는 약간 과열 상태일지라도 과열 증기로 변환될 수도 있다. 그러나, 단지 과열 증기만을 추구하는 튜브(30)의 영역은 짧으며, 이들 영역으로부터 안개와 액상의 물이 점유하는 영역으로 열이 전도되기 때문에 비교적 온화한 온도로 유지된다.
공급 헤더(26)에서 테이프(40)를 튜브(30)에 고정하는 대신에, 테이프는 배출 헤더(28)에 고정될 수도 있고, 이 경우에 테이프는 공급 헤더(26)를 향하여 연장될 것이다. 테이프는 그들이 통과하는 튜브(30)의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수도 있고, 안개 유동의 영역만을 통과할 수도 있다. 단일의 뱅크로 배치된 튜브(30)를 구비하는 대신에, 증발기(14)는 복수의 뱅크로 구성된 튜브를 구비할 수도 있다.

Claims (18)

  1. 증기 발생기용 관류 증발기로서,
    액상의 물을 수용하는 공급 헤더;
    상기 공급 헤더로부터 간격을 두고 배치되어 증기를 수용하는 배출 헤더;
    상기 공급 헤더와 상기 배출 헤더 사이에서 연장되어 접속되는 튜브들로서, 물이 상기 공급 헤더로부터 상기 배출 헤더를 향하여 흐를 수 있고 상기 튜브들에 가해지는 열에 의해 증기로 변환될 수 있도록 하는, 상기 튜브들; 및
    물이 그러한 튜브들에서 증기로 변환될 때에 그러한 튜브들에 생성되는 안개에 난류를 유도하도록 상기 튜브들의 적어도 일부에 있는 테이프들
    를 포함하는, 증기 발생기용 관류 증발기.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 테이프는 그 테이프의 에지들이 나선들을 형성하도록 트위스트되어 있으며, 상기 나선들은 상기 테이프들이 놓이는 튜브들의 내부면들을 따라 놓이는, 증기 발생기용 관류 증발기.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 테이프는 360°의 트위스트에 대하여 길이 대 직경이 약 5 대 25인, 증기 발생기용 관류 증발기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 테이프는 상기 튜브의 일 단부에 고정되고(anchored) 이 튜브를 통하여 연장하는, 증기 발생기용 관류 증발기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 테이프가 고정되는 튜브의 단부에서 테이프를 수용하는 각각의 튜브를 가로질러 횡방향으로 연장하는 바를 더 포함하고, 상기 바는 상기 튜브에 부착되고 이 튜브를 가로질러 연장하며, 상기 튜브용 테이프는 상기 바에 고정되는, 증기 발생기용 관류 증발기.
  6. 제4항에 있어서, 각각의 테이프는 상기 튜브에 고정되며 이 튜브를 통하여 상기 공급 헤더에 있는 튜브의 그 단부에서 연장하는, 증기 발생기용 관류 증발기.
  7. 제2항에 있어서, 각 테이프의 폭은 상기 튜브의 내경보다 적으며 각 테이프는 이 튜브를 통하여 연장하는, 증기 발생기용 관류 증발기.
  8. 고온 가스들이 통과하는 덕트와, 그 덕트 내에 위치된 절약기와, 상기 가스들의 유동(flow)과 관련하여 상기 절약기의 상류에 위치된 과열기와, 액상의 물을 상기 절약기로 이송하기 위한 펌프를 구비하는 증기 발생기에서,
    개선된 관류 증발기로서, 상기 과열기와 증발기 사이의 덕트에 위치되고, 상기 절약기 및 과열기에 연결되어, 상기 절약기로부터의 물은 상기 증발기로 흐르고, 이 증발기에서 안개 유동으로 변환된 후에 증기로 변환되며, 이 증기는 상기 과열기로 안내되어, 과열 증기로서 그 과열기를 나가는, 상기 관류 증발기에 있어서,
    상기 덕트내에 놓이는 튜브들로서, 이 튜브들 위로 상기 고온 가스들이 통과하는, 상기 덕트내에 놓이는 튜브들; 및
    상기 안개 유동의 영역에서 각 튜브 내에 위치되는 트위스트된 테이프
    를 포함하는, 관류 증발기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 테이프는 그 에지가 나선을 형성하도록 트위스트되고, 상기 나선은 튜브의 내측면을 따라 놓여 있는 것인 조합체.
  10. 제8항에 있어서, 각각의 테이프는 그 테이프가 연장되는 튜브의 일단에 고정되어 있는 것인 조합체.
  11. 제10항에 있어서, 가로질러 연장되는 바를 더 구비하고, 이 바는 테이프가 고정되는 단부에서 각각의 튜브에 고정되어 있고,
    상기 튜브 내의 트위스트된 테이프는 상기 바에 부착되는 것인 조합체.
  12. 제8항에 있어서, 각 튜브 내의 액상의 물은 안개로 변환된 후, 포화 증기로 변환되고,
    상기 튜브용 테이프는 적어도 안개의 영역에 놓이는 것인 조합체.
  13. 제12항에 있어서, 각 튜브 내의 트위스트된 테이프는 입구로부터 연장되어, 적어도 안개가 존재하는 튜브의 영역을 통하여 연장되는 것인 조합체.
  14. 관류 증발기에 사용되는 조합체로서,
    유입 단부와 유출 단부를 갖는 튜브와,
    튜브 내에 위치되고 튜브의 내측면을 따라 놓이는 나선형 에지를 구비하는 트위스트된 테이프를 구비하는 것인 조합체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 테이프는 튜브의 일단에서 튜브에 고정되는 것인 조합체.
  16. 제14항에 있어서, 상기 테이프는 전체 360°의 트위스트에 대하여 길이 대 직경의 비율이 약 5 대 25인 것인 조합체.
  17. 제14항에 있어서, 각 튜브용 테이프의 폭은 튜브의 내경보다 약간 작은 것인 조합체.
  18. 제14항에 있어서, 튜브의 일단 내에 있는 물과, 타단에 있는 증기와, 물과 증기 사이에 있는 안개 유동 영역을 더 구비하며, 상기 테이프는 안개 유동 영역 내에 놓이는 것인 조합체.
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