KR20130132578A

KR20130132578A - 관류형 수평 증발기를 위한 기동 시스템

Info

Publication number: KR20130132578A
Application number: KR1020137021217A
Authority: KR
Inventors: 제프리 에프. 매기
Original assignee: 알스톰 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2013-12-04
Also published as: KR102049106B1; EP2834561B1; CN103717969B; KR101536989B1; MX363995B; MX358076B; CN103917825B; MX2013008025A; EP2805107B1; US10274192B2; WO2013108218A3; WO2013108218A2; US20130180471A1; EP2805109A2; CN103748414B; EP2805109B1; EP2834561A2; US20130180681A1; WO2013108216A2; MX348680B

Abstract

입구 매니폴드; 상기 입구 매니폴드와 유체 소통하는 하나 이상의 입구 헤더들; 하나 이상의 실질적으로 수평인 증발기 튜브들을 각각 포함하는 하나 이상의 튜브 스택들로서, 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하고, 상기 관류형 증발기의 기동을 위하여 사용되는 상기 하나 이상의 튜브 스택들; 상기 하나 이상의 튜브 스택들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들; 상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 분리기; 상기 분리기 및 기동을 위해 사용된 상기 튜브 스택들 중 적어도 하나와 유체 소통하는 제 1 유동 제어 디바이스; 상기 분리기 및 기동을 위해 사용된 상기 튜브 스택들 중 적어도 하나를 우회하도록 과열기와 유체 소통하는 제 2 유동 제어 디바이스; 및 상기 증발기의 파라미터에 응답하여 상기 제 1 및 제 2 유동 제어 디바이스들의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함하는 관류형 증발기가 본 명세서에 개시된다.

Description

관류형 수평 증발기를 위한 기동 시스템{START-UP SYSTEM FOR A ONCE-THROUGH HORIZONTAL EVAPORATOR}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 모두 본원에 통합되는, 2012년 1월 17일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/587,332호, 2012년 1월 17일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/587,428호, 2012년 1월 17일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/587,359호, 및 2012년 1월 17일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/587,402호에 대해 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 열회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG)에 관한 것이고, 특히 열교환을 위하여 실질적으로 수평 및/또는 수평으로 경사진 튜브들을 가지는 HRSG에 있는 기동 시스템에 관한 것이다.

열회수 증기 발생기(HRSG)는 고온 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 에너지 회수 열교환기이다. 열회수 증기 발생기는 프로세스(열병합 발전)에서 사용되거나 또는 증기 터빈(복합 사이클)을 구동하도록 사용될 수 있는 증기를 생산한다. 열회수 증기 발생기는 일반적으로 4개의 주요 구성요소들, 이코노마이저(economizer), 증발기, 과열기, 및 물 예열기를 포함한다. 특히, 자연순환 HRSG는 증발기 가열면, 드럼 뿐만 아니라 증발기 튜브에서의 적절한 순환 속도를 촉진하도록 배관을 포함한다. 관류형 HRSG는 자연순환 구성 요소들을 관류형 증발기로 대체하고, 이렇게 하여, 보다 높은 플랜트 효율로의 진출을 제공하며, 또한 두꺼운 벽의 드럼의 부재시에 HRSG 수명을 늘리는 것을 돕는다.

관류형 증발기 열회수 증기 발생기(HRSG)(100)의 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서, HRSG는 필요한 열을 흡수하도록 구성된 일련의 수직 평행 유동 경로/튜브(104 및 108, 덕트 벽(111)들 사이에 배치된)의 형태를 하는 수직 가열면들을 포함한다. HRSG(100)에서, 작업 유체(예를 들어, 물)는 소스(106)로부터 입구 매니폴드(105)로 운반된다. 작업 유체는 입구 매니폴드(105)로부터 입구 헤더(112)로, 그런 다음 제 1 열교환기(104)로 공급되며, 열교환기에서 수평 방향으로 유동하는, 노(도시되지 않음)로부터의 고온 가스에 의해 가열된다. 고온 가스는 덕트 벽(111)들 사이에 배치된 튜브 섹션(104 및 108)들을 가열한다. 가열된 작업 유체의 일부는 증기로 변환되고, 액체 및 증기상 작업 유체는 출구 헤더(113)를 통해 출구 매니폴드(103)로 운반되고, 출구 헤더로부터, 혼합기(102)로 운반되며, 혼합기에서, 증기와 액체는 다시 한번 혼합되고, 제 2 열교환기(108)로 분배된다. 액상 작업 유체로부터 증기의 분리는 이것이 온도 구배를 형성할 때 바람직하지 않으며, 이를 방지하는 노력이 착수되어야만 한다. 열교환기(104)로부터 증기와 유체가 잘 혼합되는 것을 보장하도록, 이것들은 혼합기(102)로 운반되고, 혼합기로부터, 2상 혼합물(증기와 액체)은 다른 제 2 열교환기(108)로 운반되고, 이 열교환기에서 이것들은 과열 상태로 된다. 제 2 열교환기(108)는 열역학 제한사항을 극복하도록 사용된다. 증기와 액체는 그런 다음 수집 용기(109)로 방출되고, 수집 용기로부터, 발전 설비(예를 들어, 터빈)에서 사용되기 전에 분리기(110)로 보내진다. 그러므로, 수직 가열면들의 사용은 다수의 디자인 제한사항을 가진다.

보일러 설비를 위한 일반적인 디자인 고려는 플랜트가 일정 시간 기간에 걸쳐서 수용할 수 있는 차가운, 따뜻한, 및 고온 기동의 수이다. 이러한 조건들의 특정 조합은 이러한 격렬한 온도 변화를 받는 두꺼운 벽의 압력 용기 설비의 매일의 열 사이클링에서 고유한 역효과로 인한 설비 수명에 직접 관계된다. 때때로, 두꺼운 벽의 설비는 연장된 열 사이클의 결과로서 실패하기 시작한다. 이러한 실패를 방지하도록, 중요한 설비는 동작 수요가 만족될 수 있는 것을 보장하도록 증명되고 평가되어야만 한다. 이러한 평가는 추가의 검사, 유지를 필요로 하고, 시간 및 생산성의 손실을 초래한다.

전력 수요가 변함으로써, 이러한 발전 장치가 때때로 조업 정지되고 재시작되기 때문에, 조합된 사이클 발전 장치가 필요한 만큼 많은 동작 유연성을 가지는 것이 바람직하다. 태양열 및 풍력과 같은 재생 가능한 에너지원의 추가는 이러한 재생 가능한 자원으로부터 전력 출력에서의 변화로 인하여 조합된 사이클 발전 장치를 정지시키고 재시작할 필요성을 증가시킨다. 이러한 기동 동안 열과도현상(thermal transients)으로 인한 HRSG의 다양한 부품들에서의 응력은 열회수 증기 발전기가 그 동작 수명 전체에 걸쳐서 조업 정지되고 기동될 수 있는 총횟수를 제한할 수 있다. 그러므로, HRSG와 관련된 부품들에서의 온도과도 현상을 감소시키는 것이 필요하다.

관류형 증발기를 통하여 작업 유체를 방출하는 단계로서, 상기 관류형 증발기는: 입구 매니폴드; 상기 입구 매니폴드와 유체 소통하는 하나 이상의 입구 헤더들; 하나 이상의 실질적으로 수평인 증발기 튜브들을 각각 포함하는 하나 이상의 튜브 스택들로서, 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하고, 관류형 증발기의 기동을 위하여 사용되는, 상기 하나 이상의 튜브 스택들; 상기 하나 이상의 튜브 스택들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들; 상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 분리기; 상기 분리기 및 기동을 위해 사용된 상기 튜브 스택들 중 적어도 하나와 유체 소통하는 제 1 유동 제어 디바이스; 상기 분리기 및 기동을 위해 사용된 상기 튜브 스택들 중 적어도 하나를 우회하도록 과열기와 유체 소통하는 제 2 유동 제어 디바이스; 및 상기 증발기의 파라미터에 응답하여 상기 제 1 및 제 2 유동 제어 디바이스들의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함하는, 상기 작업 유체를 방출하는 단계; 상기 튜브 스택에 있는 상기 작업 유체의 온도를 측정하는 단계; 그리고 상기 튜브 스택에서의 상기 작업 유체의 온도에 기초하여 상기 제 1 유동 제어 디바이스 및/또는 상기 제 2 유동 제어 디바이스를 제어하고 개방하는 단계를 포함하는 방법이 역시 본 명세서에 개시된다.

도 1은 수직 열교환기 튜브를 가지는 종래의 열회수 증기 발생기의 개략도;
도 2는 개방 루프 제어 시스템에서 제어 밸브들을 사용하는 예시적인 관류형 증발기의 개략도;
도 3a는 8개의 튜브 스택을 포함하는 관류형 증발기를 도시하며, 튜브 스택에 대한 고온 가스의 유동을 도시하는 도면;
도 3b는 2개의 튜브 스택을 포함하고 각 튜브 스택에서 튜브를 지지하는 플레이트를 도시하는 관류형 증발기의 사시도;
도 4는 10개의 튜브 스택을 가지는 조립된 관류형 증발기의 사시도.

지금 예시적인 실시예들이며 동일한 요소들이 동일한 번호로 지시된 도면을 참조한다.

본 명세서에 개시된 것은 그 튜브들이 수평 및/또는 비수직(non-vertical)으로 배열되는 단일 열교환기 또는 다수의 열교환기를 포함하는 열회수 증기 발생기(HRSG)를 기동하기 위한 시스템 및 방법이다. 비수직에 관해서, 튜브들이 수직에 대해 일정 각도로 경사지는 것이 암시된다. "경사진"에 관해서, 개개의 튜브가 튜브를 가로질러 그려진 수직선에 대해 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 경사진다는 것이 암시된다. 한 실시예에서, 튜브들은 제 1 방향으로 수평일 수 있으며, 제 1 방향에 대해 직각인 제 2 방향으로 경사진다. 수평 튜브는 수직에 대해 90°± 2°로 경사진다.

상기된 바와 같이, 플랜트가 일정 시간 기간에 걸쳐 수용할 수 있는 차가운, 따뜻한, 고온 기동의 수에 대한 제한이 있다. 그러므로, 열회수 증기 발생기 및 관련 설비를 기동하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것에 의해 플랜트의 동작 수명 사이클을 증가시키는 것이 바람직하다.

한 실시예에서, 기동 방법은 초기 기동 위상 동안 예를 들어 과열기 분리기와 같은 필요한 부품(예를 들어, 급속한 온도 변화에 의해 악영향을 받는 부품)에 건조 증기를 제공하는 단계(통상 공급되는 양과 비교하여 감소된 양으로)를 포함한다. 건조 증기는 필요한 부품을 점차적으로 데우며, 그러므로 부품에 걸쳐서 온도 구배를 감소시키고 부품을 손상시키는 응력을 감소시킨다.

이러한 부품들을 점차적으로 가열하도록 소량의 건조 증기를 사용하는 것에 의한 문제들 중 하나는 질량 유동 침체(turndown)를 수반한다. 관류형 증발기들은 허용되는 질량유동 침체를 취급할 수 있다. 적절하게 디자인된 드럼형 증발기는 규제없이 매우 낮은 플랜트 부하(대략 8%)로 증기를 발생시킬 수 있지만, 관류형 증발기는 관류 섹션의 적절한 동작 및 보호를 보장하기 위하여 전형적으로 보일러 설계자에 의해 지정된 최소 유동 설정을 필요로 한다. 특정의 최소 유동 설정은 차례로 지연된 증기 발생을 유발하고, 관류 동작 모드를 상쇄하고, 상기 하류측 설비로 증기의 공급을 축소시킨다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 하류측 설비에 보다 신속하게 증기를 제공하고, 그러므로 설비 수명을 증가시키도록 최소 유동값의 추가의 감소를 허용하기 위한 시스템이 제공된다. 또한, 이러한 증기는 증기 터빈의 따뜻해지는 것이 또한 보다 신속하게 시작될 수 있으므로 보다 빠른 플랜트 경사율(plant ramp rate)을 촉진할 수 있다.

도 2는 실질적으로 수평의 튜브를 포함하는 튜브 스택 (210(n))을 가지는 관류형 증발기(200)를 위한 "기동" 시스템을 도시한다. 상기된 바와 같이, 튜브들은 제 1 방향과 제 2 방향으로 또한 경사질 수 있으며, 제 2 방향은 제 1 방향에 직각이다. 도 2의 관류형 증발기(이후에, "증발기")는 노 또는 보일러로부터 나오는 가열된 가스의 유동의 방향에 직각인 방향으로 수평으로 배치된 평행 튜브들을 포함한다.

도 3a, 도 3b, 및 도 4는 관류형 증발기(200)의 조립된 도면을 도시한다. 제어 시스템(400)은 이 도면들에 도시되지 않았으며, 이 도면들은 전체적인 관류형 증발기 및 증발기에 대하여 고온 가스의 유동을 독자에게 보이기 위한 목적을 위해 의도된다.

도 3a는 그 사이에 배치되는 통로(239)를 가지는 다수의 수직으로 정렬된 튜브 스택(210(n))을 도시한다. 배플 시스템(240)은 상부 및/또는 하부 튜브 스택 내로 유입 고온 가스를 편향시키도록 통로(239)에 배치된다. 경사진 튜브의 사용은 관류형 증발기에 비점유 공간(270)을 제공한다. 이러한 비점유 공간(270)은 단편적인 튜브 스택, 제어 시스템, 기동 시스템, 또는 배플 시스템을 수용하도록 사용될 수 있다. 도 3b는 다수의 플레이트(250)에 의해 지지되는 다수의 튜브를 가지는 2개의 수직 정렬 튜브 섹션(210(n))을 도시한다. 각각의 튜브 섹션은 입구 헤더(204(n)) 및 출구 헤더(206(n))와 유체 소통한다. 작업 유체는 입구 헤더(204(n))로부터 각각의 튜브 스택(210(n))을 통하여 출구 헤더(206(n))로 진행한다. 도 3b로부터 알 수 있는 바와 같이, 고온 가스 유동은 실질적으로 수평이며 튜브 스택에 있는 유체의 유동에 대해 직각이다.

도 4는 다른 조립된 관류형 증발기를 도시한다. 도 4는 튜브들을 수용하는 10개의 수직으로 정렬된 튜브 스택(210(n))들을 가지는 관류형 증발기를 도시하며, 고온 가스는 작업 유체에 그 열을 전달하도록 튜브들을 통과할 수 있다. 튜브 스택들은 2개의 평행 수직 지지 바(302)와 2개의 수평 지지 바(304)를 포함하는 프레임(300)에 장착된다. 지지 바(302, 304)들은 용접, 볼트, 리벳, 스크루 나사 및 너트 등에 의해 서로 고정 부착되거나 또는 분리 가능하게 부착된다.

플레이트(250)를 접촉하는 로드(306)들은 관류형 증발기의 상부면에 배치된다. 각 로드(306)는 플레이트를 지지하고, 플레이트들은 로드(306)에 매달린다(즉, 이것들은 현수된다). (상기된 바와 같은) 플레이트(250)들은 클레비스 플레이트(clevis plate)들을 사용하여 적소에 록킹된다. 플레이트(250)들은 또한 각각의 튜브 스택(210(n))을 적소에서 지지하고 유지한다. 도 4에서, 각 튜브 스택(210(n))의 단지 최상의 튜브와 최하의 튜브만이 튜브 스택의 부분으로서 도시된다. 각 튜브 스택에 있는 다른 튜브들은 독자의 편의 및 명료성을 위하여 생략된다.

각 로드(306)가 플레이트(250)를 유지하거나 또는 지지하기 때문에, 그러므로, 로드(306)의 수는 플레이트(250)의 수와 같다. 한 실시예에서, 완전한 관류형 증발기는 수평 로드(304)를 접촉하는 로드(306)에 의해 지지되고 유지된다. 한 실시예에서, 로드(306)들은, 각각의 평행 수평 로드(304)를 접촉하고 튜브 스택의 전체 중량을 지지하는 타이 로드(tie-rod)들일 수 있다. 그러므로, 관류형 증발기의 중량은 로드(306)들에 의해 지지된다.

각 섹션은 각각의 플레이트 상에 장착되고, 각각의 플레이트는 그런 다음 완전한 튜브 스택의 주변에서 타이 로드(300)에 의해 서로 유지된다. 다수의 수직 플레이트는 이러한 수평 열교환기를 지지한다. 이러한 플레이트들은 모듈을 위한 구조적 지지체로서 설계되고, 편향을 제한하도록 튜브들에 대한 지지를 제공한다. 수평 열교환기는 모듈로 조립되고 현장으로 운반된다. 수평 열교환기의플레이트들은 현장에서 서로 연결된다.

지금 도 2를 다시 한번 참조하여, 증발기(200)는 이코노마이저(도시되지 않음)으로부터 작업 유체를 수용하고 다수의 입구 헤더(204(n))로 유체를 운반하는 입구 매니폴드(202)를 포함하며, 각각의 입구 헤더는 실질적으로 수평인 하나 이상의 튜브를 포함하는 수직으로 정렬된 튜브 스택(210(n))들과 유체 소통한다. 유체는 입구 헤더(204(n))로부터 다수의 튜브 스택(210(n))으로 운반된다. 간략화의 목적을 위하여, 본 명세서에서, 도면에 도시된 다수의 입구 헤더(204(n), 204(n+1) ….. and 204(n+n'))들은 총칭하여 204(n)으로 지칭된다. 유사하게, 다수의 튜브 스택(210(n), 210(n+1), 210(n+2)…. and 210(n+n'))들은 총칭하여 210(n)으로 지칭되고, 다수의 출구 헤더(206(n), 206(n+1), 206(n+2)….….. and 206(n+n'))들은 총칭하여 206(n)으로 지칭된다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 다수의 입구 튜브 스택(210(n))들은 다수의 입구 헤더(204(n))와 출구 헤더(206(n)) 사이에서 수직으로 정렬된다. 튜브 스택(210(n))의 각 튜브는 플레이트(도시되지 않음)에 의해 적소에서 지지된다. 튜브 스택(210(n))을 가로지르는 작업 유체는 분리기(208)로 방출되고, 분리기로부터 과열기로 방출된다. 입구 매니폴드(202)와 분리기(208)는 관류형 증발기를 위한 공간 필요조건에 의존하여 수평으로 배치되거나 또는 수직으로 배치될 수 있다. 도 2는 수직 입구 매니폴드를 도시한다.

노 또는 보일러(도시되지 않음)로부터 고온 가스는 튜브(210)에 있는 작업 유체의 유동의 방향에 직각으로 진행한다. 고온 가스는 독자를 향하여 또는 독자로부터 멀리 각각의 튜브 스택(210(n))을 통하여 도면의 평면 내로 유동한다. 관류형 증발기(이후에, "증발기")는 노 또는 보일러로부터 나오는 가열된 가스의 유동의 방향에 직각인 방향으로 수평으로 배치되는 평행한 튜브들을 포함한다. 평행 튜브들은 구불구불한 형상이며, 작업 유체는 서로 평행하지만 유동이 반대인 인접한 튜브들에서 방향들로 입구 헤더로부터 출구 헤더로 진행한다. 즉, 작업 유체는 튜브의 제 1 섹션에서 한쪽 방향으로 진행하고, 그런 다음 제 1 섹션에 인접하고 평행하지만 이에 연결되는 튜브의 제 2 섹션에서 반대 방향으로 진행한다. 이러한 유동 배열은 유체가 동일 튜브의 다른 섹션에서 반대 방향으로 유동하기 때문에 반류로 칭해진다.

작업 유체의 온도를 증가시키고 작업 유체의 일부 또는 전부를 액체로부터 증기로 가능하게 변환시키도록 열은 고온 가스로부터 작업 유체로 전달된다. 관류형 증발기의 각각의 부품의 상세한 설명은 다음에 제공된다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 입구 헤더는 하나 이상의 입구 헤더(204(n), 204(n+1) ….. 및 (204(n))(이후에, 용어 "204(n)"으로 총칭하여 지칭된다)을 포함하며, 각각의 입구 헤더는 입구 매니폴드(202)와 동작 소통한다. 한 실시예에서, 각각의 하나 이상의 입구 헤더(204(n))는 입구 매니폴드(202)와 유체 소통한다. 입구 헤더(204(n))는 다수의 수평 튜브 스택(210(n), 210(n+1), 210(n'+2)…. 및 210(n))(이후에, 용어 "210(n)"으로 총칭하여 지칭된다)과 유체 소통한다. 각 튜브 스택(210(n))은 출구 헤더(206(n))와 유체 소통한다. 그러므로, 출구 헤더는 다수의 출구 헤더(206(n), 206(n+1), 206(n+2)…... 및 206(n))를 포함하며, 각각의 출구 헤더는 튜브 스택(210(n), 210(n+1), 210(n+2)…. 및 210(n))들 및 입구 헤더(204(n), 204(n+1), 204(n+2) ….. 및 (204(n))들과 각각 유체 소통한다.

용어 'n"은 정수값인 한편, "n'"은 정수값 또는 분수값(fractional value)일 수 있다. n'은 1/2, 1/3 등과 같은 분수값일 수 있다. 그러므로, 예를 들어, 하나 이상의 단편의 입구 헤더, 튜브 스택 또는 출구 헤더가 있을 수 있다. 즉, 그 크기가 다른 입구 헤더 및/또는 출구 헤더의 단편인 하나 이상의 입구 헤더 및 출구 헤더가 있을 수 있다. 유사하게, 다른 스택에 포함되는 튜브들의 수의 분수값을 포함하는 튜브 스택이 있을 수 있다. 기준 숫자 n'를 가지는 밸브들과 제어 시스템이 실제로 분수 형태로 존재하지 않지만, 단편적인 증발기 섹션들에 의해 취급되는 보다 작은 용적을 수용하도록 필요하면 다운사이징될 수 있다는 것을 유념하여야 한다.

서로 및 입구 매니폴드 및 분리기와 유체 소통하는 튜브 스택, 입구 헤더 및 출구 헤더의 수에 대한 제한이 없다. 각 튜브 스택은 또한 구역(zone)으로 지칭된다.

기동 시스템(400)은 공통의 매니폴드로부터 나오는 각각의 공급 라인에서 유동 제어 디바이스(212(n))를 사용한다. 도 2에서, 입구 매니폴드(202)와 입구 헤더(204(n)) 사이의 각 유체 공급 라인(214(n))은 유동 제어 디바이스((212(n))를 구비한다. 한 실시예에서, 유동 제어 디바이스는 제어 밸브이다. 제어 밸브는 "설정값"을 그 값이 이러한 조건에서 변화를 모니터하는 센서들에 의해 제공되는 "프로세스 변수"에 비교하는 제어기로부터 수신된 신호에 응답하여 완전히 또는 부분적으로 개방 또는 폐쇄에 의하여 유동, 압력, 온도 및 액체 레벨과 같은 조건들을 제어하도록 사용되는 밸브들이다. 제어 밸브의 개방 또는 폐쇄는 전기, 유압 또는 공압 액튜에이터(도시되지 않음)에 의해 통상 자동으로 행해진다. 포지셔너(positioner)들은 전기 또는 공압 신호에 기초하여 액튜에이터의 개방 또는 폐쇄를 제어하도록 사용될 수 있다.

그러므로, 이러한 제어 밸브들은 가변 오리피스로서 기능하고, 특정 증발기 섹션 상의 부하가 프로세스 가변 곡선 상의 주어진 설정값으로부터 변할 때, 밸브는 증발기 섹션 내로 보다 많거나 적은 작업 유체를 각각 허용하도록 개방하거나 또는 폐쇄한다. 이러한 것에 의해, 보다 큰 밸런스가 특정 증발기 섹션에서 유지된다. 밸브들은 볼 밸브, 슬루스 밸브(sluice valve), 게이트 밸브, 글로브 밸브(globe valve), 다이아프램 밸브, 로터리 밸브, 피스톤 밸브 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 하나 이상의 밸브들은 필요하면 단일 라인에서 사용될 수 있다. 상기된 바와 같이, 각 밸브는 액튜에이터가 끼워진다. 대안적으로, 초킹 디바이스 어레이(choking device array)(도시되지 않음)는 동작 조건에서 적절한 유동 분포 및 변화에 대한 보상을 촉진하도록 각 공급 파이프에 설치될 수 있다.

기동 시스템(400)은, 튜브 스택(210(n))의 적어도 하나와 유체 소통하고 튜브 스택(210(n))의 적어도 하나 상의 출구에 설치되는 적어도 2개의 유동 제어 디바이스(224 및 226)을 포함한다. 상기된 바와 같이, 기동 시스템(400)은, 동일한 튜브 스택(210(n))과 유체 소통하지만 튜브 스택(210(n))의 상류에 위치되는 적어도 하나의 유동 제어 디바이스((212(n))를 또한 포함한다. 한 실시예에서, 기동 시스템(400)은 튜브 스택(210(n))의 적어도 하나의 출구에 설치되는 2개 이상의 튜브 스택(210(n))과 유체 소통할 수 있다. 기동 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 최외측 튜브 스택과 유체 소통하지 않아야 하지만, 하나 이상의 중간 스택과 유체 소통할 수 있다. 유동 제어 디바이스((212(n))가 각 유동 라인(214(n))에 설치된 것으로서 도시되었지만, 유동 제어 디바이스((212(n))를 포함하지 않는 유동 라인에 있을 수 있다.

유동 제어 디바이스(226)는 분리기(208)와 유체 소통하는 라인(229) 상에 설치되는 한편, 유동 제어 디바이스(224)는 분리기 우회 라인(230) 상에 설치된다. 유동 제어 디바이스(224 및 226)들은 블록 밸브이다. 블록 밸브는 기술적으로 하나 이상의 방향으로 움직임을 차단하는 능력을 가지는 임의의 밸브이다. 가장 일반적인 형태의 블록 밸브는 수백가지의 상이한 변형이 있을지라도 간단한 게이트 밸브이다. 블록 밸브들은 임의의 필요한 값으로 유체의 유동을 조정하도록 개방 또는 폐쇄할 수 있다. 부가적으로, 대응하는 기동 분리기는 또한 직접 우회 시스템 대신에 또한 적용 가능하다. 그러므로, 유동 제어 디바이스(226)가 완전히 개방될 때, 작업 유체는 분리기(208)로 유동하는 한편, 유동 제어 디바이스(224)가 개방될 때, 작업 유체는 분리기(208)를 우회한다. 유동의 일부가 분리기(208) 및 우회 라인에 공급되는 중간 조건이 또한 존재할 수 있다.

유동 제어 디바이스(224 및 226)와 적어도 하나의 제어 밸브(212(n))는 제어기(228)와 동작 소통한다. 예시적인 실시예에서, 제어기(228)는 열 제어기이다. 대안적으로, 열 제어기는 별도의 제어기와 통신하는 열 센서에 의해 대체될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 유동 제어 디바이스(224 및 226)와 적어도 하나의 제어 밸브(212(n))는 제어기(228)와 전기 소통한다. 제어기(228)는 유동 제어 디바이스와 제어 밸브를 제어하도록 압력(압력 센서를 통하여), 질량 유량(질량 유량 센서를 통하여), 용적 유량(용적 유량 센서를 통하여) 등을 또한 사용할 수 있다. 본 명세서에 개시된 기동 시스템은 개방 루프 시스템과 함께 또한 사용될 수 있다.

한 실시예에서, 제어기(228)는 튜브 스택(210(n))의 온도를 측정하고, 기동시에 사용되는 튜브 스택(210(n)) 내로 도입되는 작업 유체의 양을 조정하도록 제어 밸브(212(n))에 정보를 제공한다. 그러므로, 튜브 스택(210(n))으로 들어가는 작업 유체의 양은 제어기(228)에 의해 제공되는 정보의 함수이다.

대안적인 실시예에서, 유동 제어 디바이스(224 및 226)와 제어 밸브(212(n))는 다수의 센서들에 의해 교번적으로 작동 및/또는 제어되며, 다수의 센서들은 작업 유체의 압력, 온도, 질량 유량, 상 분리와 같은 파라미터로부터 그 입력을 얻는다. 한 실시예에서, 센서는 압력 센서이다. 또 다른 실시예에서, 센서는 온도 센서일 수 있다. 질량 및/또는 용적 유동 제어기, 위상차 등을 측정하는 광 디바이스는 제어기에 입력을 제공하도록 또한 사용될 수 있다. 도 2에 있는 제어 시스템(400)이 단지 튜브 스택(210(n+n'))과 유체 소통하지만, 필요하면 하나 이상의 튜브 스택과 유체 소통할 수 있다는 것을 유념하여야 한다.

한 실시예에서, 기동 시스템(400)을 동작시키는 하나의 방법에서, 매우 낮은 부하가 있을 때, 제어 밸브(212(n))들은 튜브 스택(210(n))으로 유동을 제한하도록 기여할 수 있다. 작업 유체는 각각의 튜브 스택(210(n))에서 가열된다. 제어 시스템(400)과 소통하는 튜브 스택(210(n+n'))에서 발생된 적은 양의 증기는 유동 제어 디바이스(226)를 통해 분리기(208)로 방출되는 한편, 유동 제어 디바이스(224)는 폐쇄된다. 그러므로, 튜브 스택(210(n+n'))으로 제한된 유동의 결과로서 발생된 적은 양의 증기는 분리기(208)를 통해 하류측 설비(즉, 과열기)로 보내지고, 설비에 대한 열 충격과 후속의 손상이 방지되도록 온도가 점차적으로 상승되는 것을 허용한다. 분리기(208)는 튜브 스택에서 발생된 증기에서 증기를 물로부터 분리하도록 동작한다.

저품질 증기가 관류형 증발기(200)의 기동 동안 발생될 때 폐쇄되는 유동 제어 디바이스(224)를 가지는 것이 대체로 바람직하지만, 유동 제어 디바이스(224)와 유동 제어 디바이스(226)가 기동 동안 개방을 유지할 수 있는 특정 상황이 있을 수 있다는 것을 유념하여야 한다. 한 실시예에서, 유회 유동 제어 디바이스(224)는 기동 동안 점차적으로 개방될 수 있지만, 유동 제어 디바이스(226)는 완전히 개방된다.

저품질 증기(즉, 많은 비율의 습기를 포함하는 저온 증기)가 발생될 때, 이는 유동 제어 디바이스(226)를 통해 분리기(208)로 운반된다. 분리기(208)는 저품질 증기가 기동 동안 발생될 때 보다 큰 비율의 물을 수용한다. 기동의 이러한 스테이지 동안, 다른 튜브 스택(예를 들어, 210(n), 210(n+1), 210(n+2) 등)에서 발생된 저온 증기는 분리기(208)에 있는 액체 레벨보다 높은 지점에서 분리기(208)로 방출된다. 분리기(208)는 고품질 증기로부터 저품질 증기를 분리한다.

튜브 스택(210(n))의 각각의 튜브의 출구 단부에서의 유체 온도 신호는 필요한 온도를 조정하도록 사용될 수 있다. 유사하게, 압력차(또는 다른 피드백 신호)는 동일한 최종 결과를 달성하도록 또한 사용될 수 있다.

충분한 증기(즉, 고품질 증기)가 튜브 스택(210(n+n'))에서 또는 전체 튜브 스택(210(n))에서 발생되면, 분리기 우회 유동 제어 디바이스(224)는 분리기의 하류에 놓인 과열기 설비로 증기를 제공하도록 개방되는 한편, 동시에, 유동 제어 디바이스(226)를 폐쇄한다. 이러한 것은 혼합 챔버(도시되지 않음)에서 물 및/또는 부분 품질의 유체와 과열된 증기의 재혼합을 방지하고, 그러므로 튜브 스택(210(n))의 하류에 놓인 설비에 보다 순수한 증기를 제공할 수 있다.

보다 고품질의 증기가 모든 다른 튜브 스택(예를 들어, 210(n), 210(n+1), 210(n+2) 등)에서 점차적으로 발생됨으로써, 증기는 우회를 통해 하류 설비로 진행한다. 물은 분리 방출 밸브(도시되지 않음)에 의해 분리기(208)로부터 드레인될 수 있다.

관류 기동 섹션 입구 제어 밸브(212(n))는 부하 변동이 발생함으로써 수용 가능한 동작 범위 내에서 유체 온도를 유지하도록 또한 조정될 수 있다. 즉, 분리기, 과열기 등과 같은 튜브 스택(210(n))의 하류 디바이스들이 필요한 가열 프로파일에 따라서 그 필요한 온도에 도달되었으면, 디바이스 상의 밸브(212(n))들은 관류형 증발기의 필요조건에 따라서 정상 동작 범위로 개방될 수 있다. 관류 섹션(설비와 관계된 비기동 시스템)들은 관련된 설비 필요조건으로 유지하는 것으로 관류 모드에 도달한다.

본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 모두 통합되는 Alstom 대리인 관리 번호 W11/122-1, W12/001-0, W11/123-1, W12/093-0, W11/120-1, W11/121-0 및 W12/110-0를 가지는 특허출원과 공동 출원되는 것을 유념하여야 한다.

본 발명은 본 명세서에 기술된 동적으로 제어되는 유동 제어 디바이스들이 그 전체에 있어서 참조에 의해 본원에 통합되는 ALSTOM 대리인 관리 번호 W11/120-0를 가진, 본 특허 출원과 동시에 출원된, 대응하는 미국 특허 가출원에 기술된 바와 같은 정적 유동 초킹 디바이스와 결합되는 것을 또한 고려한다.

"최대 연속 부하"는 발전 플랜트의 정격 완전 부하 조건을 인용한다.

보일러의 "관류형 증발기 섹션"은 최대 연속 부하(MCR)의 다양한 비율에서 물을 증기로 변환시키도록 사용된다.

"대략 수평의 튜브"는 사실상 수평으로 정위된 튜브이다. "경사진 튜브"는 수평 위치도 수직 위치도 아니지만, 도시된 입구 헤더와 출구 헤더에 대하여 그 사이에 일정 각도로 배치되는 튜브이다.

비록 용어 "제 1", "제 2", "제 3" 등이 다양한 요소, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션을 기술하도록 본 명세서에서 사용되었을지라도, 이러한 요소, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션은 이러한 용어에 의해 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 용어들은 다른 요소, 부품, 영역, 층 또는 섹션으로부터 하나의 요소, 부품, 영역, 층 또는 섹션을 단지 구별하도록 사용된다. 그러므로, 아래에 기술된 "제 1 요소", "부품", "영역", "층" 또는 "섹션"은 본 발명의 기술로부터 벗어남이 없이 제 2 요소, 부품, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예를 기술하는 목적을 위한 것이며 제한이도록 의도되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 단수 형태는 달리 명확히 지시되지 않으면 복수 형태도 마찬가지로 포함하도록 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어 "포함하다" 및/또는 "포함하는" 또는 "구비하다" 및/또는 "구비하는"은 기술된 특징, 지역, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 부품의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 지역, 정수, 단계, 동작, 요소, 부품, 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 또한 이해되어야 한다.

또한, "하부" 또는 "저부" 및 "상부" 또는 "정상부"와 같은 상대적인 용어는 도면에 도시된 바와 같은 다른 요소에 대한 하나의 요소의 관계를 기술하도록 사용될 수 있다. 상대적인 용어는 도면에 도시된 정위에 추가하여 디바이스의 다른 정위를 포용하도록 의도된다는 것을 이해할 수 있다. 예를 들어, 도면 중 하나에 있는 디바이스가, 뒤집히면, 다른 요소의 "하부"측에 있는 것으로서 기술된 요소들은 다른 요소의 "상부"측에 정위되게 된다. 그러므로, 예시적인 용어 "하부"는 도면의 특정 정위에 따라서 "하부" 및 "상부"의 정위 모두를 포용한다. 유사하게, 도면 중 하나에 있는 디바이스가 뒤집히면, 다른 요소의 "밑에 있는" 또는 "아래의"로서 기술된 요소들은 다른 요소 "위"로 정위될 것이다. 그러므로, 예시적인 용어 "밑에 있는" 또는 "아래의"는 위 및 아래의 정위 모두를 포용한다.

달리 한정되지 않으면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학 용어를 포함하는)는 본 발명이 속하는 당업자에 의해 통상 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 통상적으로 사용되는 사전류에서 정의된 것과 같은 용어들은 관련 기술 및 본 발명의 맥락에서 그 의미가 일치하며, 본 명세서에서 그렇게 설명으로 정의되지 않으면 이상화되거나 또는 대단히 정중한 의미로 해석되지 않게 되는 것으로 또한 이해되어야 한다.

예시적인 실시예들은 이상화된 실시예의 개략적인 예시인 단면 예시를 참조하여 본 명세서에 기술된다. 그리하여, 예를 들어 제조 기술 및/또는 허용값의 결과로서 상기 예시의 형상으로부터의 변화가 예상된다. 그러므로, 본 명세서에 기술된 실시예는 본 명세서에서 예시된 바와 같은 영역의 특정 형상으로 제한되는 것으로서 고려되지 않지만 예를 들어 제조로부터 따르는 형상에서의 일탈을 포함하도록 해석되어야 한다. 예를 들어, 평탄한 것으로서 예시되거나 또는 기술된 영역은 전형적으로 고르지 않은 및/또는 비선형 특징을 가질 수 있다. 또한, 예시되 예각은 둥글게 될 수 있다. 그러므로, 도면에 도시된 영역은 사실상 개략적이며, 그 형상은 영역의 정밀한 형상을 예시하도록 의도되지 않으며 청구항의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.

용어 "및/또는"은 "및"뿐만 아니라 "또는" 모두를 의미하도록 본 명세서에서 사용된다. 예를 들어, "A 및/또는 B"는 A, B 또는 A 및 B를 의미하도록 해석된다. 이행 용어 "포함하는"은 이행 용어 "본질적으로 이루어진" 및 "이루어진"을 포함하며, "포함하는"으로 교환될 수 있다.

본 발명에 다양한 예시적인 실시예를 참조하여 기술되었지만, 다양한 변형들이 만들어지고 등가물이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 그 요소를 대체할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 부가하여, 많은 변경들이 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위하여 예상되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예로 제한되지 않고, 본 발명이 첨부된 청구항들의 범위에 놓이는 모든 실시예들을 포함하도록 의도된다.

Claims

관류형 증발기로서,
입구 매니폴드;
상기 입구 매니폴드와 유체 소통하는 하나 이상의 입구 헤더들;
하나 이상의 실질적으로 수평인 증발기 튜브들을 각각 포함하는 하나 이상의 튜브 스택들로서, 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하고, 상기 관류형 증발기의 기동을 위하여 사용되는 상기 하나 이상의 튜브 스택들;
상기 하나 이상의 튜브 스택들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들;
상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 분리기;
상기 분리기 및 기동을 위해 사용된 상기 튜브 스택들 중 적어도 하나와 유체 소통하는 제 1 유동 제어 디바이스;
상기 분리기 및 기동을 위해 사용된 상기 튜브 스택들 중 적어도 하나를 우회하도록 과열기와 유체 소통하는 제 2 유동 제어 디바이스; 및
상기 증발기의 파라미터에 응답하여 상기 제 1 및 제 2 유동 제어 디바이스들의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함하는, 관류형 증발기.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 기동을 위하여 사용된 상기 적어도 하나의 튜브 스택의 출력 온도를 지시하는 신호를 제공하는 열 제어기인, 관류형 증발기.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기에 의해 제공된 신호에 응답하여 그 사이의 유체 유동을 제어하도록 상기 입구 매니폴드와 상기 튜브 스택과 유체 소통하는 제어 밸브를 추가로 포함하는, 관류형 증발기.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 압력 제어기, 질량 또는 용적 유량 제어기, 상 변화 제어 디바이스, 또는 그 조합인, 관류형 증발기.
제 1 항에 있어서,
단일 튜브 스택이 상기 기동시에 사용되는, 관류형 증발기.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 유동 제어 디바이스는 블록 밸브인, 관류형 증발기.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 유동 제어 디바이스는 블록 밸브인, 관류형 증발기.
관류형 증발기를 통하여 작업 유체를 방출하는 단계로서, 상기 관류형 증발기는:
입구 매니폴드;
상기 입구 매니폴드와 유체 소통하는 하나 이상의 입구 헤더들;
하나 이상의 실질적으로 수평인 증발기 튜브들을 각각 포함하는 하나 이상의 튜브 스택들로서, 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하고, 관류형 증발기의 기동을 위하여 사용되는, 상기 하나 이상의 튜브 스택들;
상기 하나 이상의 튜브 스택들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들;
상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 분리기;
상기 분리기 및 기동을 위해 사용된 상기 튜브 스택들 중 적어도 하나와 유체 소통하는 제 1 유동 제어 디바이스;
상기 분리기 및 기동을 위해 사용된 상기 튜브 스택들 중 적어도 하나를 우회하도록 과열기와 유체 소통하는 제 2 유동 제어 디바이스; 및
상기 증발기의 파라미터에 응답하여 상기 제 1 및 제 2 유동 제어 디바이스들의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함하는, 상기 작업 유체를 방출하는 단계;
상기 튜브 스택에 있는 상기 작업 유체의 온도를 측정하는 단계; 그리고
상기 튜브 스택에서의 상기 작업 유체의 온도에 기초하여 상기 제 1 유동 제어 디바이스 및/또는 상기 제 2 유동 제어 디바이스를 제어하고 개방하는 단계를 포함하는 방법.
제 8 항에 있어서,
낮은 부하들에서 상기 제 1 유동 제어 디바이스와 상기 제 2 유동 제어 디바이스를 개방하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 작업 유체가 과열함으로써 상기 제 1 유동 제어 디바이스를 폐쇄하고 상기 제 2 유동 제어 디바이스를 개방하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 작업 유체가 과열함으로써 상기 제 2 유동 제어 디바이스를 폐쇄하고 상기 제 1 유동 제어 디바이스를 개방하는 단계를 추가로 포함하는 방법.