(19)대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)

(51) 。Int. Cl.
F22B 21/34 (2006.01)
(45) 공고일자
(11) 등록번호
(24) 등록일자
2007년04월23일
10-0709794
2007년04월13일
(21) 출원번호 10-2001-7010404 (65) 공개번호 10-2001-0112269
(22) 출원일자 2001년08월16일 (43) 공개일자 2001년12월20일
심사청구일자 2005년03월18일
번역문 제출일자 2001년08월16일
(86) 국제출원번호 PCT/DE2000/000864 (87) 국제공개번호 WO 2000/60282
국제출원일자 2000년03월20일 국제공개일자 2000년10월12일
(81) 지정국 국내특허 : 캐나다, 중국, 일본, 대한민국, 미국, 러시아, 인도,
EP 유럽특허 : 오스트리아, 벨기에, 스위스, 독일, 덴마크, 스페인, 프랑스, 영국, 그리스, 아일
랜드, 이탈리아, 룩셈부르크, 모나코, 네덜란드, 포르투칼, 스웨덴, 핀란드, 사이프러스,
(30) 우선권주장 19914761.2 1999년03월31일 독일(DE)
(73) 특허권자 지멘스 악티엔게젤샤프트
독일 뮌헨 80333 비델스파허프라쯔 2
(72) 발명자 비트코브,에버하르트
독일데-91054에얼랑엔슈론펠트96
(74) 대리인 남상선
(56) 선행기술조사문헌
미국특허 제3527261호(1970.09.08) 미국특허 제3043279호(1962.07.10)
* 심사관에 의하여 인용된 문헌
심사관 : 이은주
전체 청구항 수 : 총 21 항
(54) 화석 연료로 가열되는 연속 증기 발생기
(57) 요약
본 발명에 따른 연속 증기 발생기(2)는, 연료-가스 측면에서 볼때 수평 가스 연도(6)를 거쳐 수직 가스 연도(8)가 그 뒤에
연결된, 화석 연료(B)용 증발기 관(10)을 갖춘 연소 챔버(4)를 포함한다. 상기 연속 증기 발생기의 작동시에는, 연소 챔버
(4)의 배출구 영역(34) 및 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32)을 포함하는 연결부 섹션(Z)내에서 온도차가 매우 작게 유
지되어야 한다. 이 목적을 위해, 유동 매체(S)가 병렬로 공급될 수 있는 다수의 증발기 관(10) 중에서 다수의 증발기 관(10)
은 상기 연결부 섹션(Z)내에서 루우프 형태로 가이드된다.
대표도
등록특허 10-0709794
- 1 -
도 5
특허청구의 범위
청구항 1.
연료-가스 측면에서 볼때 수평 가스 연도(6)를 거쳐 수직 가스 연도(8)가 그 뒤에 연결된, 화석 연료(B)용 연소 챔버(4)를
갖춘 연속 증기 발생기(2)로서,
상기 연소 챔버(4)는 수평 가스 연도(6)의 높이로 배치된 다수의 버너(58)를 포함하고, 상기 연소 챔버(4)의 외벽(9)은 기
밀 방식으로 서로 용접된, 수직으로 배치된 증발기 관들(10)로 구성되며,
다수의 증발기 관(10) 각각에 유동 매체(S)가 병렬로 공급될 수 있으며,
상기 연소 챔버(4)의 배출구 영역(34) 및 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32)을 포함하는 연결부 섹션(Z)내에서, 유동 매
체(S)가 병렬로 공급될 수 있는 다수의 증발기 관(10, 50, 52)이 루우프 형태로 가이드되도록 구성된,
연속 증기 발생기.
청구항 2.
제 1 항에 있어서,
상기 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)은, 기밀 방식으로 서로 용접되고 수직으로 배치되며 유동 매체(S)가 병렬로 공급될 수
있는 증기 발생기 관들(16)로 구성되는,
연속 증기 발생기.
청구항 3.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수직 가스 연도(8)의 측벽(14)은, 기밀 방식으로 서로 용접되고 수직으로 배치되며 유동 매체(S)가 병렬로 공급될 수
있는 증기 발생기 관들(17)로 구성되는,
연속 증기 발생기.
청구항 4.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
유동 매체(S)가 병렬로 공급될 수 있는 다수의 증발기 관(10) 앞에는 유동 매체측으로 공통의 유입 헤더 장치(18)가 제공
되고, 상기 증발기 관(10) 뒤에는 공통의 배출 헤더 장치(20)가 제공되는,
연속 증기 발생기.
청구항 5.
등록특허 10-0709794
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제 3 항에 있어서,
유동 매체(S)가 병렬로 공급될 수 있는 수평 가스 연도(6) 또는 수직 가스 연도(8)의 다수의 증기 발생기 관(16, 17) 앞에는
유동 매체측으로 공통의 유입 헤더 장치(21)가 제공되고, 상기 증기 발생기 관(16, 17) 뒤에는 공통의 배출 헤더 장치(22)
가 제공되는,
연속 증기 발생기.
청구항 6.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 연소 챔버(4)의 한 쪽 외벽(9)은 단부벽(11)이며, 상기 단부벽(11)의 증발기 관들(10)에는 유동 매체(S)가 병렬로 공
급될 수 있는,
연속 증기 발생기.
청구항 7.
제 6 항에 있어서,
상기 연소 챔버(4)의 단부벽(11)의 증발기 관(10)은 유동 매체측으로 연소 챔버(4)의 다른 외벽(9) 앞에 연결되는,
연속 증기 발생기.
청구항 8.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 연소 챔버(4)의 다수의 증발기 관(10)의 내부 직경(D)은 연소 챔버내에서의 증발기 관(10)의 각각의 위치에 따라 선
택되는,
연속 증기 발생기.
청구항 9.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다수의 증발기 관(10)의 각각의 내부면에는 다중 나사선을 형성하는 리브들(40)이 제공되는,
연속 증기 발생기.
청구항 10.
제 9 항에 있어서,
관축에 대해 수직인 평면(42)과 관 내부면에 배치된 리브(40)의 측면(44) 사이의 기울기 각(α)은 60°미만인,
등록특허 10-0709794
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연속 증기 발생기.
청구항 11.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다수의 증발기 관(10)은 스로틀 장치(throttle device)를 각각 하나씩 포함하는,
연속 증기 발생기.
청구항 12.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
유동 매체(S)를 연소 챔버(4)의 증발기 관(10) 내부에 공급하기 위한 라인 장치(19)가 제공되며, 상기 라인 장치(19)는 유
동 매체(S)의 관류를 감소시키기 위해 다수의 스로틀 장치를 포함하는,
연속 증기 발생기.
청구항 13.
제 3 항에 있어서,
이웃하는 증발기 관 및 증기 발생기 관(10, 16, 17)은 핀을 통해 기밀 방식으로 서로 용접되며, 상기 핀의 폭은 상기 연소
챔버(4) 내에서의 증발기 관, 증기 발생기 관(10, 16, 17), 수평 가스 연도(6) 및 수직 가스 연도(8) 중 하나 이상의 위치에
따라 선택되는,
연속 증기 발생기.
청구항 14.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수평 가스 연도(6)내에 다수의 과열기 가열 표면(23)이 서스펜션(suspension) 방식으로 배치되는,
연속 증기 발생기.
청구항 15.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수직 가스 연도(8)내에 다수의 대류 가열면(26)이 배치되는,
연속 증기 발생기.
청구항 16.
등록특허 10-0709794
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제 6 항에 있어서,
상기 연소 챔버(4)의 단부벽(11)에 버너(58)가 배치되는,
연속 증기 발생기.
청구항 17.
제 6 항에 있어서,
상기 연소 챔버(4)의 단부벽(11)으로부터 상기 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32)까지의 거리에 의해 규정되는 연소 챔
버(4)의 길이(L)는, 전 부하 모드에서의 연료(B)의 연소 길이와 적어도 같은,
연속 증기 발생기.
청구항 18.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 연소 챔버(4)의 길이(L)는 전 부하시의 증기 발생량(M), 연료(B) 불꽃(F)의 연소 시간(tA) 및 상기 연소 챔버(4)로부
터 배출되는 연료-가스(G)의 배출 온도(TBRK) 중 하나 이상의 함수로서, 하기의 함수(I) 및 (II)에 따라 선택되며,
C1 = 8 m/s이고,
C2 = 0.0057 m/kg이며,
C3 = -1.905·10-4 (m·s)/(kg℃)이고,
C4 = 0.286 (s·m)/kg이며,
C5 = 3·10-4 m/(℃)2이고,
C6 = -0.842 m/℃이며,
C7 = 603.41 m인 조건에서는,
L (M, tA) = (C1 C2·M)·tA (I)
및
L (M, TBRK) = (C3·TBRK C4)M C5(TBRK)2 C6·TBRK C7 (II)이며,
전 부하시 증기 발생량(M)이 미리 정해진 경우에는 상기 연소 챔버(4)의 길이(L) 중에서 각각 더 큰 값이 각각 적용되며,
상기 각각의 함수에 의해 결정된 값과 연소 챔버(4) 길이의 허용 편차가 20% 내지 -10% 범위에 있는,
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연속 증기 발생기.
청구항 19.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 연소 챔버(4)의 하부 영역은 깔때기(5)로 형성되는,
연속 증기 발생기.
청구항 20.
제 9 항에 있어서,
관축에 대해 수직인 평면(42)과 관 내부면에 배치된 리브(40)의 측면(44) 사이의 기울기 각(α)은 55°미만인,
연속 증기 발생기.
청구항 21.
제 12 항에 있어서,
상기 스로틀 장치는 스로틀 어셈블리인,
연속 증기 발생기.
명세서
기술분야
본 발명은, 연료-가스 측면에서 볼때 수평 가스 연도를 거쳐 수직 가스 연도가 그 뒤에 연결된 화석 연료용 연소 챔버를 포
함하는 연속 증기 발생기에 관한 것이며, 상기 연소 챔버의 외벽(containment wall)은 기밀 방식으로 서로 용접되어 수직
으로 배치된 증발기 관으로 구성된다.
배경기술
증기 발생기를 갖춘 발전소 설비에서는, 증기 발생기내에 있는 유동 매체를 증발시키기 위해 연료의 에너지 함량이 이용된
다. 이 경우 유동 매체는 통상적으로 증발기 순환계내에서 가이드된다. 증기 발생기에 의해 제공되는 증기는 다시 예를 들
어 증기 터빈을 구동시키기 위해서 및/또는 연결된 외부 프로세스를 위해서 제공될 수 있다. 상기 증기가 증기 터빈을 구동
시키면, 증기 터빈의 터빈 샤프트를 통해 통상적으로 제너레이터 또는 작업 기계가 작동된다. 제너레이터의 경우 상기 제
너레이터에 의해 발생되는 전류는 연결 회로망 및/또는 고립 회로망(island network) 내부에 전력을 공급하기 위해 제공
될 수 있다.
증기 발생기는 연속 증기 발생기로 형성될 수 있다. 연속 증기 발생기는 VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), No. 4,
352-360p.에 공개된 J. Franke, W. Koehler 및 E. Wittchow의 논문 "Verdampferkonzepte fuer Benson-
Dampferzeuger(벤손 증기 발생기의 증발기 개념)"에 공지되어 있다. 연소 증기 발생기에서는 증발기 관으로서 제공된 증
기 발생기 관의 가열로부터 증기 발생기 관 내부에 있는 유동 매체의 증발까지 단 1회 순환으로 이루어진다.
등록특허 10-0709794
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연속 증기 발생기는 통상적으로 수직 구성 방식으로 형성된 연소 챔버로 구성된다. 이와 같은 구성은, 가열되는 매체 또는
연료-가스의 관류를 위한 연소 챔버가 거의 수직 방향으로 설계된다는 것을 의미한다. 이 경우 연료-가스 측면에서 볼때
연소 챔버 뒤에는 수평 가스 연도가 연결되며, 연료-가스 흐름이 거의 수평 유동 방향으로 전환되는 것은 연소 챔버로부터
수평 가스 연도로의 전환부에서 이루어진다. 그러나 상기 방식의 연소 챔버의 경우, 일반적으로 열에 의해 연소 챔버의 길
이가 변경될 수 있다는 이유로 연소 챔버가 매달려 있을 수 있는 골격 구조를 필요로 한다. 이와 같은 요구는 연속 증기 발
생기의 높이가 높아지는 만큼 크기가 더 커지는 연속 증기 발생기의 제조 및 조립시에 현저한 기술적 비용을 야기한다. 이
와 같은 사실은 특히 전 부하시 증기 발생량이 80 kg/s 이상이 되도록 설계된 연속 증기 발생기의 경우에 적용된다.
연속 증기 발생기는 압력 제한을 받지 않기 때문에, 액체와 유사한 매체와 증기와 유사한 매체간의 밀도차가 여전히 적은
장소에서만 생증기압이 물의 임계 압력(pkri = 221 bar)보다 훨씬 높을 수 있다. 높은 생증기압은 열효율을 높이는데 도움
이 되므로, 예를 들어 연료로서 석탄 또는 고체 형태의 갈탄을 사용하여 점화될 수 있는, 화석 연료로 가열되는 발전소의
CO2-방출이 낮아진다.
연속 증기 발생기의 가스 연도 또는 연소 챔버의 외벽을 상기 장소에서 발생되는 관 벽 온도 또는 재료 온도를 고려해서 설
계하는 것이 특히 문제가 된다. 증발기 관의 내부 표면의 습윤이 보장될 수 있는 경우, 대략 200 bar까지의 임계 압력 범위
아래에서는 연소 챔버의 외벽의 온도가 실제로 물의 포화 온도 레벨에 의해 결정된다. 이것은 예를 들어 내부면에 표면 구
조물을 갖는 증발기 관을 사용 함으로써 달성된다. 이 목적을 위해서는 특히 내부에 리브가 배치된 증발기 관이 고려되며,
상기 증발기 관을 연속 증기 발생기 내부에 사용하는 것은 예를 들어 전술한 논문에 공지되어 있다. 전술한 리브 관, 즉 리
브가 배치된 내부면을 갖는 관의 경우에는 관 내부벽으로부터 유동 매체까지의 열 전달이 매우 원활하게 이루어진다.
본 발명에 따르면, 관 벽들이 서로 용접되는 경우에는 연속 증기 발생기의 작동시 온도가 상이한 이웃하는 관 벽들 사이에
서 열 응력이 발생되는 상황을 피할 수 없다. 이와 같은 사실은 특히 연소 챔버와 상기 연소 챔버 뒤에 연결된 수평 가스 연
도를 연결시키는 연결 섹션에서, 즉 연소 챔버의 배출구 영역의 증발기 관과 수평 가스 연도의 유입구 영역의 증기 발생기
관 사이에서 적용된다. 상기 열 응력에 의해 연속 증기 발생기의 수명이 현저하게 단축될 수 있고, 극단적인 경우에는 심지
어 관이 파열될 수도 있다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 목적은, 특히 저렴한 제조 비용 및 조립 비용을 요구하는 동시에, 작동시 연소 챔버와 상기 연소 챔버 뒤에 연결
된 수평 가스 연도의 연결부에서 온도차가 작게 유지되도록 구성된, 화석 연료로 가열되는 전술한 방식의 연속 증기 발생
기를 제공하는 것이다. 이와 같은 목적은 특히 연소 챔버의 서로 직접적으로 이웃하거나 또는 간접적으로 이웃하는 증발기
관 및 연소 챔버 뒤에 연결된 수평 가스 연도의 증기 발생기 관에 적용된다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 연속 증기 발생기가 수평 가스 연도의 높이로 배치된 다수의 버너를 갖는 연소 챔버를 포함하
고, 다수의 증발기 관 각각에 유동 매체가 병렬로 공급될 수 있으며, 유동 매체를 병렬로 공급받을 수 있는 다수의 증발기
관이 연소 챔버의 배출구 영역 및 수평 가스 연도의 유입구 영역을 포함하는 연결 섹션내에서 루우프 형태로 가이드됨으로
써 달성된다.
본 발명은, 특히 적은 제조 비용 및 조립 비용으로 제조될 수 있는 연속 증기 발생기가 간단한 방법으로 실행될 수 있는 서
스펜션(suspension) 구조를 가져야 한다는 생각으로부터 출발한다. 연소 챔버를 매달기 위한, 비교적 적은 기술적 비용으
로 제조될 골격 구조는, 연속 증기 발생기의 특히 낮은 높이와 결부될 수 있다. 연속 증기 발생기의 특히 낮은 높이는 연소
챔버가 수평 구조 방식으로 구현됨으로써 달성될 수 있다. 이 목적을 위해 버너는 수평 가스 연도의 높이로 연소 챔버벽 내
부에 배치된다. 그럼으로써, 연속 증기 발생기의 작동시 연료-가스는 거의 수평의 주흐름 방향으로 연소 챔버를 관류하게
된다.
수평 연소 챔버를 갖춘 연속 증기 발생기의 작동시에는 또한, 열 응력의 결과로 재료가 조기에 피로해지는 것을 확실하게
방지하기 위해, 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결부에서 온도차가 특히 작아야 한다. 연소 챔버의 배출구 영역 및 수평
가스 연도의 유입구 영역에서 열 응력의 결과로 인한 재료의 피로가 매우 확실하게 저지되도록 하기 위해, 상기 온도차는
특히 연소 챔버의 서로 직접적으로 이웃하거나 또는 간접적으로 이웃하는 증발기 관과 수평 가스 연도의 증기 발생기 관
사이에서 특별히 작아야 한다.
등록특허 10-0709794
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그러나 연속 증기 발생기의 작동시 유동 매체가 공급되는 증발기 관의 유입구 섹션은 연소 챔버 뒤에 연결된 수평 가스 연
도의 증기 발생기 관의 유입구 섹션보다 비교적 더 낮은 온도를 갖는다. 즉, 증발기 관 내부에서는, 수평 가스 연도의 증기
발생기 관 내부로 유입되는 뜨거운 유동 매체와 달리 비교적 차가운 유동 매체가 발생된다. 다시 말해서, 연속 증기 발생기
의 작동시 유입구 섹션에 있는 증발기 관은 수평 가스 연도의 유입구 섹션에 있는 증기 발생기 관보다 더 차갑다. 따라서,
연소 챔버와 수평 가스 연도 사이의 연결부에서는 열 응력의 결과로 재료의 피로가 예상될 수 있다.
그러나 연소 챔버의 증발기 관의 유입구 섹션내에서 차가운 유동 매체가 아니라 예열된 유동 매체가 발생되면, 증발기 관
의 유입구 섹션과 증기 발생기 관의 유입구 섹션 사이의 온도차도 또한 차가운 유동 매체가 증발기 관 내부로 유입될 때의
경우와 같이 더 이상 크게 나타나지는 않는다. 다시 말해서, 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결부로부터 제 2 증발기 관보
다 더 멀리 떨어져 배치되어 상기 제 2 증발기 관 내부로 유도되는 제 1 증발기 관 내부에서 비로소 유동 매체가 가이드되
면, 연속 증기 발생기의 작동시에는 가열에 의해 예열된 유동 매체가 제 2 증발기 관 내부로 유입된다. 증발기 관이 연소 챔
버의 외벽 한가운데 유동 매체용 유입구를 가지게 되면, 제 1 증발기 관과 제 2 증발기 관 사이의 복잡한 연결이 생략될 수
있다. 따라서 연속 증기 발생기의 작동시에는, 유동 매체가 연소 챔버의 하부 영역에 있는 소위 증발기 관의 유입구 섹션
내부로 유입되기 전에, 증발기 관의 상부로부터 하부로 뻗는 섹션내에서 가열에 의해 유동 매체의 예열이 이루어진다. 이
경우에는 유동 매체를 병렬로 공급받을 수 있는 다수의 증발기 관이 연소 챔버의 개별 외벽 내부에서 루우프 형태로 가이
드되는 것이 특히 유리한 것으로 증명되었다.
수평 가스 연도 및/또는 수직 가스 연도의 측벽은 바람직하게 기밀 방식으로 서로 용접되고 수직으로 배치된, 각각 병렬로
유동 매체를 공급받을 수 있는 증기 발생기 관으로 구성된다.
바람직하게, 연소 챔버의 병렬 연결된 다수의 증발기 관 앞에는 공통의 유입 헤더(inlet header) 장치가 각각 연결되고, 관
뒤에는 유동 매체를 위한 공통의 배출 헤더(outlet header) 장치가 연결된다. 이와 같이 형성된 연속 증기 발생기는 말하자
면 유동 매체가 병렬로 공급될 수 있는 다수의 증발기 관 사이에서의 신뢰할만한 압력 보상을 가능하게 하며, 그럼으로써
병렬로 연결된 모든 증발기 관은 각각 유입 헤더 장치와 배출 헤더 장치 사이에서 동일한 전체 압력 손실을 갖게 된다. 이
것은, 증발기 관이 적게 가열되는 경우에 비해 증발기 관이 많이 가열되는 경우에 유동률이 상승될 수밖에 없다는 것을 의
미한다. 이와 같은 사실은 병렬로 유동 매체를 공급받을 수 있는 수평 가스 연도 또는 수직 가스 연도의 증기 발생기 관에
도 적용되는데, 상기 관의 앞에는 바람직하게 유동 매체를 위한 공통의 유입 헤더 장치가 연결되고, 상기 관 뒤에는 유동
매체를 위한 공통의 배출 헤더 장치가 연결된다.
연소 챔버의 단부벽(end wall)의 증발기 관에는 바람직하게 병렬로 유동 매체가 공급될 수 있고, 상기 증발기 관은 연소 챔
버의 측벽을 형성하는 외벽의 증발기 관 앞에 유동 매체측으로 연결된다. 그럼으로써, 연소 챔버의 강하게 가열된 단부벽
의 매우 유리한 냉각이 보장된다.
본 발명의 바람직한 추가 형성예에서는, 연소 챔버의 다수의 증발기 관의 내부 직경이 연소 챔버 내부에서의 상기 증발기
관의 개별 위치에 따라 선택된다. 이와 같은 방식으로, 연소 챔버내에 있는 증발기 관은 연료-가스측에 미리 제공될 수 있
는 가열 프로파일에 매칭될 수 있다. 그에 의해 야기되는 증발기 관의 관류에 미치는 영향으로 인해, 연소 챔버의 증발기
관 배출구에서의 유동 매체의 온도차가 매우 확실하게, 특히 작게 유지된다.
연소 챔버의 열이 증발기 관 내부에서 가이드되는 유동 매체로 매우 우수하게 전달되도록 하기 위해서는 바람직하게, 다수
의 증발기 관이 내부면에 각각 다중 나사선을 형성하는 리브들을 포함한다. 이 경우에는 바람직하게 관축에 대해 수직인
평면과 관 내부면에 배치된 리브의 측면 사이의 경사각(α)이 60°미만, 바람직하게는 55°미만이다.
말하자면, 내부에 리브가 배치되지 않은 증발기 관, 소위 평활관(smooth tube)으로 구현된 가열된 증발기 관 내부에서는,
매우 우수한 열 전달에 필요한 관 벽의 습윤시에 요구되는 소정의 증기 함량이 더이상 유지될 수 없다. 습윤을 하지 않는
경우에는 국부적으로 건조한 관 벽이 존재할 수 있다. 상기와 같이 건조한 관 벽으로 넘어가는 전이부가 소위 악화된 열 전
달 특성을 갖는 열 전달 위기를 야기함으로써, 일반적으로 상기 장소에서 관 벽 온도는 매우 강하게 상승된다. 그러나 내부
에 리브가 배치된 증발기 관 내부에서는 단부가 평탄한 관에 비해 상기와 같은 열 전달 위기가 증기 질량 함량 > 0.9인 경
우에만, 즉 증발이 종료되기 직전에 나타난다. 이것은 유동시에 나선형 리브에 의해 나타나는 와류에서 기인한다. 상이한
원심력으로 인해 물 부분이 증기 부분으로부터 분리되어 관 벽으로 이송된다. 그럼으로써, 높은 증기 함량에 도달할 때까
지 관 벽의 습윤 작용이 유지되고, 그 결과 열 전달 위기의 장소에서 이미 높은 유동 속도가 나타난다. 이와 같은 특성은 열
전달 위기에도 불구하고 비교적 우수한 열 전달을 야기하고, 그 결과로 관 벽 온도는 낮아진다.
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연소 챔버의 다수의 증발기 관은 바람직하게 유동 매체의 관류를 줄이기 위한 수단을 포함한다. 이 경우에는, 상기 수단이
스로틀 장치(throttle device)로 형성되는 것이 특히 바람직한 것으로 나타났다. 스로틀 장치는 예를 들어, 개별 증발기 관
의 내부 중 한 장소에서 관의 내부 직경을 축소시키는 증발기 관에 내장되는 부품일 수 있다. 이 경우에는, 다수의 병렬 라
인을 포함하며 연소 챔버의 증발기 관으로 유동 매체를 공급할 수 있는 라인 장치내에서의 관류를 줄이기 위한 수단도 바
람직한 것으로 나타났다. 상기 라인 장치는 또한 유동 매체를 병렬로 공급받을 수 있는 증발기 관의 유입 헤더 장치 앞에
연결될 수도 있다. 예를 들어 라인 장치의 하나의 라인내에 또는 다수의 라인내에 스로틀 어셈블리가 제공될 수 있다. 증발
기 관을 관류하는 유동 매체의 흐름을 감소시키기 위한 상기 수단에 의해서, 개별 증발기 관을 통과하는 유동 매체의 유동
율이 연소 챔버내에서의 개별 가열에 매칭될 수 있게 된다. 그럼으로써, 증발기 관의 배출구에서의 유동 매체의 온도차가
추가적으로 매우 확실하게, 특히 작게 유지된다.
이웃하는 증발기 관 또는 증기 발생기 관의 종방향 측면은 바람직하게 금속 스트립, 소위 핀을 통해 기밀 방식으로 서로 용
접된다. 상기 핀은 관 제조 프로세스 중에 이미 관에 고정 결합될 수 있어서, 관과 함께 하나의 유니트를 형성한다. 관 및 핀
으로 구성된 상기 유니트는 핀형 관(finned tube)으로도 표기된다. 핀의 폭은 증발기 관 또는 증기 발생기 관 내부로 유입
되는 열에 영향을 미친다. 따라서, 핀의 폭은 바람직하게 연속 증기 발생기 내부에서의 개별 증발기 관 또는 증기 발생기
관의 위치에 따라 연료-가스측에 미리 제공될 수 있는 가열 프로파일에 매칭된다. 이 경우 가열 프로파일로는, 실험값으로
부터 검출된 통상적인 가열 프로파일 또는 예컨대 계단 형태의 가열 프로파일과 같은 어림 추정에 의한 가열 프로파일도
제공될 수 있다. 핀의 폭을 적절하게 선택함으로써, 다양한 증발기 관 및 증기 발생기 관을 매우 상이하게 가열하는 경우에
도, 증발기 관 및 증기 발생기 관의 배출구에서의 유동 매체의 온도차가 매우 작게 유지되는 방식으로 모든 증발기 관 및
증기 발생기 관 내부에 열이 전달될 수 있게 된다. 이와 같은 방식으로, 열 응력으로 인한 재료의 조기 피로가 확실하게 방
지된다. 그럼으로써, 연속 증기 발생기의 수명이 매우 길어진다.
수평 가스 연도내에는 바람직하게 다수의 과열기 가열면이 배치되는데, 상기 가열면은 연료-가스의 주흐름 방향에 대해
거의 수직으로 배치되고, 상기 가열면 앞에는 유동 매체가 관류하기 위한 관이 병렬 연결된다. 이와 같이 서스펜션 구성 방
식으로 배치되고 격벽 가열면으로도 표기되는 과열기 가열면은 주로 대류 방식으로 가열되고, 유동 매체측으로 연소 챔버
의 증발기 관 뒤에 연결된다. 그럼으로써, 연료-가스의 열이 매우 유리하게 활용될 수 있다.
수직 가스 연도는 바람직하게, 연료-가스의 주흐름 방향에 대해 거의 수직으로 배치된 관으로 구성된 다수의 대류 가열면
을 포함한다. 상기 대류 가열면의 관은 유동 매체의 관류를 위해 병렬로 연결된다. 상기 대류 가열면도 또한 주로 대류 방
식으로 가열된다.
또한 연료-가스의 열을 완전하게 활용하기 위해서, 바람직하게 수직 가스 연도가 이코노마이저를 포함한다.
버너는 바람직하게 연소 챔버의 단부벽에, 즉 수평 가스 연도 쪽으로 배출 개구와 마주보도록 배치된 연소 챔버의 측벽에
배치된다. 상기 방식으로 형성된 연속 증기 발생기는 매우 간단한 방식으로 화석 연료의 연소 길이에 매칭될 수 있다. 화석
연료의 연소 길이는, 화석 연료의 불꽃 연소 시간(tA)과 소정의 평균 연료-가스 온도에서 수평 방향으로 진행하는 연료-가
스의 속도를 곱한 것이다. 이 경우 개별 연속 증기 발생기의 최대 연소 길이는 연속 증기 발생기의 전 부하시, 소위 전 부하
모드에서의 증기 발생량(M)으로부터 산출된다. 화석 연료 불꽃의 연소 시간(tA)은 또한 예를 들어 평균 크기의 탄소 입자
를 소정의 평균 연료-가스 온도에서 완전 연소시키기 위해 필요한 시간이기도 하다.
연소 챔버의 하부 영역은 바람직하게 깔때기로 형성된다. 이와 같은 형성에 의해, 연속 증기 발생기의 작동 동안 화석 연료
의 연소시 생성되는 재는 예를 들어 상기 깔때기 아래에 배치된 재 제거 장치 내부로 매우 간단하게 방출될 수 있다. 화석
연료로서는 고체 형태의 석탄이 사용될 수 있다.
재료 손상 및 예를 들어 고온 용융 재의 유입에 의해 야기되는 수평 가스 연도의 오염을 최소화하기 위해서, 단부벽으로부
터 수평 가스 연도의 유입구 영역까지의 간격에 의해 결정된 연소 챔버의 길이는 바람직하게 연속 증기 발생기의 전 부하
모드에서의 화석 연료의 연소 길이와 적어도 동일하다. 연소 챔버의 상기 수평 길이는 일반적으로, 연소 챔버의 하부 영역
이 깔때기 형태로 형성된 경우에 상기 깔때기의 상부 에지로부터 연소 챔버의 커버까지 측정된 연소 챔버 높이의 적어도
80%에 달한다.
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연소 챔버의 길이(m로 표시됨)는 화석 연료의 연소 열의 매우 유리한 활용을 위해서 바람직하게 전 부하시 연속 증기 발생
기의 증기 발생량(M)(kg/s로 표시됨), 화석 연료의 불꽃 연소 시간(tA)(s로 표시됨) 및 연소 챔버로부터 배출되는 연료-가
스의 배출 온도(TBRK)(℃로 표시됨)의 함수로 선택된다. 전 부하시 연속 증기 발생기의 증기 발생량(M)이 주어진 경우에,
연소 챔버의 길이(L)에 대해서는 하기의 2개 함수 (I) 및 (II) 중에서 대략 더 큰 값이 적용된다:
C1 = 8 m/s이고,
C2 = 0.0057 m/kg이며,
C3 = -1.905·10-4 (m·s)/(kg℃)이고,
C4 = 0.286 (s·m)/kg이며,
C5 = 3·10-4 m/(℃)2이고,
C6 = -0.842 m/℃이며,
C7 = 603.41 m인 조건에서,
L (M, tA) = (C1 C2·M)tA (I)
및
L (M, TBRK) = (C3·TBRK C4)M C5(TBRK )2 C6·TBRK C7 (II).
여기서 "대략"이란, 각각의 함수에 의해 결정된 값과 연소 챔버 길이(L)의 허용 편차가 약 20%/-10% 정도라는 의미이
다.
본 발명에 의해 달성되는 장점은 특히, 연소 챔버의 외벽 내부에서는 일부 증발기 관이 루우프 형태로 가이드되고, 연속 증
기 발생기의 작동시 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결부 바로 옆의 인접 지점에서 온도차가 매우 작게 나타난다는 점이
다. 따라서, 연속 증기 발생기의 작동시 연소 챔버의 직접 이웃하는 증발기 관과 수평 가스 연도의 증기 발생기 관 사이의
온도차에 의해 야기되는, 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결부에서의 열 응력은 예를 들어 관 파열의 위험이 발생될 수 있
는 값보다 훨씬 낮아진다. 그럼으로써 수명이 비교적 긴 연속 증기 발생기내에 수평 연소 챔버를 사용하는 것도 가능해진
다. 또한, 연료-가스의 주흐름 방향이 거의 수평이 되도록 연소 챔버를 설계함으로써 연속 증기 발생기의 매우 콤팩트한
구성이 이루어진다. 이와 같은 특성에 의해, 증기 터빈을 갖춘 발전소내에 연속 증기 발생기가 통합되는 경우에 연속 증기
발생기로부터 증기 터빈까지 이르는 연결 관이 매우 짧아진다.
실시예
모든 도면에서 대응되는 부품에는 동일한 도면 부호를 기재하였다.
도 1에 따른 화석 연료로 가열될 수 있는 연속 증기 발생기(2)는, 증기 터빈 장치도 포함하고 있는 (자세히 도시되지 않은)
발전소 설비에 속한다. 연속 증기 발생기(2)는 전 부하에서의 증기 발생량이 적어도 80 kg/s가 되도록 설계되었다. 연속
증기 발생기(2)내에서 발생되는 증기는 증기 터빈을 구동시키기 위해 이용되며, 상기 증기 터빈은 재차 전류를 발생시키기
위한 제너레이터를 구동시킨다. 상기 제너레이터에 의해 발생한 전류는 연결망 또는 고립망으로 공급되기 위한 것이다.
화석 연료로 가열되는 연속 증기 발생기(2)는 수평 구성 방식으로 구현된 연소 챔버(4)를 포함하며, 연료-가스 측면에서
볼때 상기 연소 챔버 뒤에는 수평 가스 연도(6)를 거쳐 수직 가스 연도(8)가 연결된다. 연소 챔버(4)의 하부 영역은 끝점 X
및 Y로 표시된 보조선과 일치하는 상부 에지를 갖는 깔때기(5)로 형성된다. 깔때기(5)를 통해, 순환 증기 발생기(2)의 작동
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시 화석 연료(B)의 재가 그 아래에 배치된 재 제거 장치(7) 내부로 방출될 수 있다. 연소 챔버(4)의 외벽(9)은 기밀 방식으
로 서로 용접되고 수직으로 배치된 증발기 관(10)으로 구성되며, 상기 관들 중에서 N개의 관에는 유동 매체(S)가 병렬로
공급될 수 있다. 이 경우 연소 챔버(4)의 1개의 외벽(9)이 단부벽(11)이 된다. 추가로, 수직 가스 연도(8)의 측벽(14) 및 수
평 가스 연도(6)의 측벽(12)도 기밀 방식으로 서로 용접되고 수직으로 배치된 증발기 관(16 및 17)으로 구성된다. 이 경우
다수의 증발기 관(16 및 17) 각각에는 유동 매체(S)가 각각 병렬로 공급될 수 있다.
유동 매체의 측면에서 볼때, 연소 챔버(4)의 다수의 증발기 관(10) 앞에는 유동 매체(S)를 위한 유입 헤더 장치(18)가 연결
되고, 상기 증발기 관(10) 뒤에는 배출 헤더 장치(20)가 연결된다. 유입 헤더 장치(18)는 다수의 평행한 유입 헤더를 포함
한다. 이때 유동 매체(S)를 증발기 관(10)의 유입 헤더 장치(18) 내부로 공급하기 위해 라인 장치(19)가 제공된다. 라인 장
치(19)는 병렬 연결된 다수의 라인을 포함하며, 상기 라인은 유입 헤더 장치(18)의 유입 헤더들 중에서 하나와 각각 연결된
다.
동일한 방식으로, 유동 매체(S)가 병렬식으로 공급될 수 있는 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)의 증발기 관(16) 앞에는 공통
의 유입 헤더 장치(21)가 연결되고, 상기 증발기 관(16) 뒤에는 공통의 배출 헤더 장치(22)가 연결된다. 이때 유동 매체(S)
를 증발기 관(16)의 유입 헤더 장치(21) 내부로 공급하기 위해 마찬가지로 라인 장치(19)가 제공된다. 이 경우에도 라인 장
치(19)는 병렬 연결된 다수의 라인을 포함하며, 상기 라인은 유입 헤더 장치(21)의 유입 헤더들 중에서 하나와 각각 연결된
다.
유입 헤더 장치(18, 21) 및 배출 헤더 장치(20, 22)를 갖춘 연속 증기 발생기(2)를 상기와 같이 형성함으로써, 병렬 연결된
모든 증발기 관(10) 및 증기 발생기 관(16)이 동일한 전체 압력 손실을 갖는 방식으로, 병렬 연결된 연소 챔버(4)의 증발기
관들(10)과 병렬 연결된 수평 가스 연도(6)의 증기 발생기 관들(16) 사이에 매우 신뢰할만한 압력 보상이 가능해진다. 이
와 같은 사실이 의미하는 것은, 증발기 관(10) 및 증기 발생기 관(16)을 상대적으로 약하게 가열하는 경우에 비해 증발기
관(10) 및 증기 발생기 관(16)을 상대적으로 강하게 가열하는 경우에 유동률이 상승할 수밖에 없다는 것이다.
증발기 관(10)은 - 도 2에 도시된 바와 같이 - 관 내부 직경(D)을 가지며, 그 내부면에 다중 나사선 방식으로 형성되고 높
이(C)를 갖는 리브(40)를 포함한다. 이 경우 관 축에 대해 수직인 평면(42)과 관 내부면에 배치된 리브(40)의 측면(44) 사
이의 기울기 각(α)은 55°보다 작다. 그럼으로써, 증발기 관(10)의 내부벽으로부터 증발기 관(10) 내부로 유입되는 유동 매
체(S)로의 매우 높은 열 전달이 이루어지는 동시에 관 벽은 매우 낮은 온도에 도달하게 된다.
연소 챔버(4)의 증발기 관(10)의 내부 직경(D)은 연소 챔버(4)내에서의 증발기 관(10)의 각각의 위치에 따라 선택된다. 이
와 같은 방식으로 연속 증기 발생기(2)는 증발기 관(10)의 상이한 강도의 가열에 매칭된다. 연소 챔버(4)의 증발기 관(10)
을 상기와 같이 설계함으로써, 유동 매체(S)가 증발기 관(10)으로부터 배출될 때 상기 유동 매체의 온도차가 매우 작게 유
지될 수 있다.
유동 매체(S)의 유동을 감소시키기 위한 수단으로서, 도면에 자세하게 도시되지 않은 스로틀 장치가 증발기 관(10)의 일부
에 설치된다. 상기 스로틀 장치가 임의의 지점에서 관의 내부 직경(D)을 축소하는 다공판(perforated plate)로서 구현되어
연속 증기 발생기(2)의 작동시 약하게 가열된 증발기 관(10) 내부에서의 유동 매체(S)의 유동률을 감소시킴으로써, 유동
매체(S)의 유동률이 가열에 매칭된다.
또한, 증발기 관(10) 내부에서의 유동 매체(S)의 유동률을 감소시키기 위한 수단으로서, 라인 장치(19)의 (자세히 도시되
지 않은) 하나 또는 다수의 라인에 스로틀 장치, 특히 스로틀 어셈블리가 설치된다.
이웃하는 증발기 관들 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)은 도면에 자세하게 도시되지 않은 방식으로 그들의 종방향 측면에
서 핀을 통해 기밀 방식으로 서로 용접된다. 말하자면 핀의 폭을 적절하게 선택함으로써 증발기 관 또는 증기 발생기 관
(10, 16, 17)의 가열이 영향을 받을 수 있다. 따라서 개별 핀의 폭은 연료-가스측에서 미리 정해질 수 있는 가열 프로파일
에 매칭되며, 상기 가열 프로파일은 연속 증기 발생기(2) 내부에서의 각각의 증발기 관 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)의
위치에 따라 다르다. 이 경우 상기 가열 프로파일은 실험값으로부터 검출된 통상의 가열 프로파일이거나 또는 어림 추정에
의한 가열 프로파일일 수도 있다. 그럼으로써, 증발기 관 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)의 배출구에서의 온도차는 상기
증발기 관 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)이 매우 상이하게 가열되는 경우에도 매우 작게 유지된다. 상기와 같은 방식으
로 열 응력으로 인한 재료의 피로가 확실하게 저지되며, 이와 같은 작용은 연속 증기 발생기(2)의 긴 수명을 보장해준다.
수평 연소 챔버(4)에 관을 배치할 때에는, 연속 증기 발생기(2)의 작동시 기밀 방식으로 서로 용접된 개별 증발기 관(10)의
가열 정도가 매우 상이하다는 사실을 고려해야 한다. 그렇기 때문에 증발기 관(10)의 레이아웃은, 내부에 리브를 설치하는
동작, 이웃하는 증발기 관(10)에 핀을 연결하는 동작 및 관 내부 직경(D)을 고려하여, 모든 증발기 관(10)의 가열 정도가
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상이하여도 유동 매체(S) 배출 온도는 거의 동일하도록, 그리고 연속 증기 발생기(2)의 모든 작동 상태에 대해 모든 증발기
관(10)의 충분한 냉각이 보장되도록 선택된다. 스로틀 장치를 설치할때 연속 증기 발생기(2)의 작동시 일부 증발기 관(10)
을 약하게 가열하는 것이 추가로 고려된다.
연소 챔버(4) 내부에 있는 증발기 관(10)의 내부 직경(D)은 연소 챔버(4)내에서의 상기 관들의 각각의 위치에 따라 선택된
다. 이 경우, 연속 증기 발생기(2)의 작동시 더 강하게 가열되는 증발기 관(10)은 연속 증기 발생기(2)의 작동시 더 약하게
가열되는 증발기 관(10)보다 더 큰 관 내부 직경(D)을 갖는다. 따라서 관 내부 직경이 동일한 경우보다, 내부 직경(D)이 더
큰 증발기 관(10)에서의 유동 매체(S)의 유동률이 상승되고, 그럼으로써 상이한 가열로 인한 증발기 관(10)의 배출구에서
의 온도차가 감소된다. 증발기 관(10)을 관류하는 유동 매체(S)의 관류 동작을 가열에 매칭시키기 위한 추가의 조치는 증
발기 관(10)의 일부 및/또는 유동 매체(S)를 공급하기 위해 제공된 라인 장치(19)내에 스로틀 장치를 내장하는 것이다. 그
와 반대로 증발기 관(10)을 관류하는 유동 매체(S)의 유동률에 가열을 매칭시키기 위해서, 연소 챔버(4)내에서의 증발기
관(10)의 위치에 따라 핀의 폭이 선택될 수 있다. 언급한 모든 조치들에 의해서, 개별 증발기 관들(10)이 서로 매우 상이하
게 가열됨에도 불구하고 연속 증기 발생기(2)의 작동시 증발기 관(10) 내부로 유도되는 유동 매체(S)의 비열 흡수가 거의
동일해짐으로써, 유동 매체(S)의 배출구에서 유동 매체(S)의 온도차가 작아진다. 증발기 관(10) 내부에 리브를 설치하는
경우에는, 연속 증기 발생기(2)의 모든 부하 상태에서 가열 정도 및 유동 매체(S)의 관류 정도가 상이하여도 증발기 관(10)
의 냉각이 확실하게 보장되도록 해야 한다.
수평 가스 연도(6)는 격벽 가열면으로 형성된 다수의 과열기 가열면(23)을 포함하며, 상기 과열기 가열면은 연료-가스(G)
의 주흐름 방향(24)에 대해 거의 수직으로 매달리는 방식으로 설치되고, 상기 가열면의 관들은 유동 매체(S)의 관류를 위
해 각각 병렬로 연결되어 있다. 과열기 가열면(23)은 주로 대류 방식으로 가열되고, 유동 매체의 측면에서 볼때 연소 챔버
(4)의 증발기 관(10) 뒤에 연결된다.
수직 가스 연도(8)는 주로 대류 방식으로 가열될 수 있는 다수의 대류 가열면(26)을 포함하며, 상기 대류 가열면은 연료-
가스(G)의 주흐름 방향(24)에 대해 거의 수직으로 배치된 관들로 구성된다. 상기 관들은 유동 매체(S)의 관류를 위해 병렬
로 각각 연결되어 있다. 그밖에 수직 가스 연도(8) 내부에는 이코노마이저(28)가 배치된다. 수직 가스 연도(8)는 배출구측
으로 추가의 열교환기, 예를 들어 공기 예열로 연결되고, 그곳으로부터 먼지 필터를 거쳐 굴뚝으로 연결된다. 수직 가스 연
도(8) 뒤에 연결된 부품들은 도면에 자세하게 도시되지 않았다.
연속 증기 발생기(2)는 높이가 매우 낮은 수평 연소 챔버(4)로 구성되기 때문에 매우 적은 제조 비용 및 조립 비용으로 구
현될 수 있다. 이 목적을 위해 연속 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4)는 화석 연료(B)를 위한 다수의 버너(30)를 포함하며, 상
기 버너는 연소 챔버(4)의 단부벽(11)에 수평 가스 연도(6)의 높이로 배치된다. 이 경우 화석 연료(B)로서는 고체 연료, 특
히 석탄이 이용될 수 있다.
매우 높은 효율을 얻기 위해 화석 연료(B), 특히 고체 상태의 석탄을 완전 연소시키기 위해서, 그리고 연료-가스측에서 볼
때 수평 가스 연도(6)의 제 1 과열기 가열면(23)의 재료 손상 및 예를 들어 고온 용융 재의 유입에 의해 야기되는 상기 과열
기 가열면의 오염을 매우 확실하게 저지하기 위해서, 연소 챔버(4)의 길이(L)는 연속 증기 발생기(2)의 전 부하 작동시 화
석 연료(B)의 완전 연소 길이를 초과하도록 선택된다. 이 경우 상기 길이(L)는 연소 챔버(4)의 단부벽(11)으로부터 수평 가
스 연도(6)의 유입구 영역(32)까지의 거리이다. 화석 연료(B)의 완전 연소 길이는 화석 연료(B)의 불꽃(F)이 연소되는 시
간(tA)과 소정의 평균 연료-가스 온도에서 나타나는 연료-가스의 수평 방향 이동 속도의 곱으로 규정된다. 개별 연속 증기
발생기(2)의 최대 완전 연소 길이는 개별 연속 증기 발생기(2)의 전 부하 모드에서 얻어진다. 또한, 연료(B)의 불꽃(F)이
소화되는 시간(tA)은 예를 들어 평균 크기의 석탄 먼지 입자가 소정의 평균 연료-가스 온도에서 완전 연소되는데 필요한
시간이다.
화석 연료(B)의 연소열을 매우 유리하게 활용하기 위해, 연소 챔버(4)의 길이(L)(m으로 표시됨)는 연소 챔버(4)로부터 배
출되는 연료-가스(G)의 배출 온도(TBRK)(℃로 표시됨), 화석 연료(B)의 불꽃(F)의 연소 시간(tA)(s로 표시됨) 및 전 부하
시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)(kg/s로 표시됨)의 함수로서 적절하게 선택된다. 이 경우 연소 챔버(4)의 수평
길이(L)는 연소 챔버(4)의 높이(H)의 적어도 80%에 달한다. 상기 높이(H)는 도 1에서 끝점 X 및 Y를 갖는 보조선으로 표
시된 연소 챔버(4)의 깔때기(5)의 상부 에지로부터 연소 챔버 덮개까지 잰 것이다. 연소 챔버(4)의 길이(L)는 하기의 함수
(I) 및 (II)를 통해 대략적으로 결정된다.
C1 = 8 m/s이고,
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C2 = 0.0057 m/kg이며,
C3 = -1.905·10-4 (m·s)/(kg℃)이고,
C4 = 0.286 (s·m)/kg이며,
C5 = 3·10-4 m/(℃)2이고,
C6 = -0.842 m/℃이며,
C7 = 603.41 m인 조건에서는,
L (M, tA) = (C1 C2·M)·tA (I)
및
L (M, TBRK) = (C3·TBRK C4)M C5(TBRK )2 C6·TBRK C7 (II).
여기서 "대략"이란, 각각의 함수에 의해 결정된 값과 연소 챔버(4) 길이의 허용 편차가 약 20%/-10% 정도라는 의미이
다. 전 부하시 증기 발생량이 사전 설정되도록 연속 증기 발생기(2)를 설계하는 경우에는, 상기 함수 (I) 및 (II)로부터 얻어
지는 연소 챔버(4)의 길이(L) 중에서 더 큰 값이 적용된다.
연속 증기 발생기(2)의 가능한 설계 중의 한 예로서, 전 부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)을 함수로 한 연소
챔버(4)의 몇몇 길이(L)에 대해, 도 3에 따른 좌표계에 6개의 곡선(K1 내지 K6)이 표시된다. 상기 좌표계의 곡선에는 각각
하기의 파라미터들이 할당된다:
(I)에 따라 K1: tA = 3s이며,
(I)에 따라 K2: tA = 2.5s이고,
(I)에 따라 K3: tA = 2s이며,
(II)에 따라 K4: TBRK = 1200℃이고,
(II)에 따라 K5: TBRK = 1300℃이며,
(II)에 따라 K6: TBRK = 1400℃이다.
연소 챔버(4)의 길이(L)를 결정하기 위해, 예를 들어 화석 연료(B)의 불꽃(F)이 연소되는 시간(tA)이 3s이고, 연소 챔버(4)
로부터 배출되는 연료-가스(G)의 배출 온도(TBRK)가 1200℃인 경우 곡선 K1 및 K4가 이용될 수 있다. 전 부하시 연속 증
기 발생기(2)의 증기 발생량(M)이 사전에 정해진 경우에는 하기의 결과가 얻어진다:
M = 80 kg/s일 때 K4에 따른 길이 L = 29 m이고,
M = 160 kg/s일 때 K4에 따른 길이 L = 34 m이며,
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M = 560 kg/s일 때 K4에 따른 길이 L = 57 m이다.
즉, 항상 실선으로 표시된 곡선 K4가 적용된다.
화석 연료(B) 불꽃(F)의 연소 시간(tA)이 2.5s이고, 연소 챔버(4)로부터 배출되는 연료-가스(G)의 배출 온도(TBRK)가
1300℃인 경우에는 곡선 K2 및 K5가 이용될 수 있다. 전 부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)이 사전에 정해진
경우에는 하기의 결과가 얻어진다:
M = 80 kg/s일 때 K2에 따른 길이 L = 21 m이고,
M = 180 kg/s일 때 K2 및 K5에 따른 길이 L = 23 m이며,
M = 560 kg/s일 때 K5에 따른 길이 L = 37 m이다.
즉, M = 180 kg/s까지는 실선으로 표시된 곡선(K2)의 부분이 적용되고, 상기 M의 값 범위에서 파선으로 표시된 곡선(K5)
은 적용되지 않는다. 180 kg/s보다 더 큰 M의 값에 대해서는, 실선으로 표시된 곡선(K5)의 부분이 적용되고 상기 M의 값
범위에서 파선으로 표시된 곡선(K2)은 적용되지 않는다.
곡선 K3 및 K6는 화석 연료(B)의 불꽃(F)의 연소 시간(tA)이 2s이고, 연소 챔버(4)로부터 배출되는 연료-가스(G)의 배출
온도(TBRK)가 1400℃인 경우에 해당된다. 전 부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)이 사전에 정해진 경우에는
하기의 결과가 얻어진다:
M = 80 kg/s일 때 K3에 따른 길이 L = 18 m이고,
M = 465 kg/s일 때 K3 및 K6에 따른 길이 L = 21 m이며,
M = 560 kg/s일 때 K6에 따른 길이 L = 23 m이다.
따라서, 465 kg/s까지의 M의 값에 대해서는, 상기 범위에서 실선으로 표시된 곡선(K3)이 적용되고, 상기 범위에서 파선으
로 표시된 곡선(K6)은 적용되지 않는다. 465 kg/s보다 더 큰 M의 값에 대해서는, 실선으로 표시된 곡선(K6)의 부분이 적
용되고 파선으로 표시된 곡선(K3)의 부분은 적용되지 않는다.
연속 증기 발생기(2)의 작동시 연소 챔버(4)의 배출구 영역(34)과 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32) 사이에서 비교적
작은 온도차가 나타나도록 하기 위해, 증발기 관(50 및 52)이 도 1에 표시된 연결 섹션(Z)에서 특별한 방식으로 가이드된
다. 상기 연결 섹션(Z)은 도 4 및 도 5의 대안적인 실시예에서 자세하게 도시되고, 연소 챔버(4)의 배출구 영역(34) 및 수평
가스 연도(6)의 유입구 영역(32)을 포함한다. 이 경우 증발기 관(50)은 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)과 직접 용접된 연소
챔버(4)의 외벽(9)의 증발기 관(10)이고, 증발기 관(52)은 상기 관(52)에 직접 이웃하는 연소 챔버(4)의 외벽(9)의 증발기
관(10)이다. 증기 발생기 관(54)은 연소 챔버(4)의 외벽(9)과 직접 용접된 수평 가스 연도(6)의 증기 발생기 관(16)이고,
증기 발생기 관(56)은 상기 관(56)에 직접 이웃하는 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)의 증기 발생기 관(10)이다.
상기 증발기 관(50)은 도 4에 상응하게 연소 챔버(4)의 외벽(9)의 유입구 섹션(E) 상부에서 비로소 상기 외벽(9)으로 진입
한다. 이 경우 증발기 관(50)의 유입구 측은 라인 장치(19)를 통해 이코노마이저(26)와 연결된다. 그럼으로써 연속 증기 발
생기(2)의 스타트 전에 증발기 관(50)의 배기 동작이 이루어지고, 그에 따라 증발기 관을 통한 관류 동작이 매우 신뢰성있
게 이루어진다. 증발기 관(50)은 먼저 유동 매체(S)를 위로부터 아래로 가이드하기 위해 제공된다. 그 다음에 증발기 관
(50)의 가이드 방향이 유입 헤더 장치(18)의 바로 근처에서 180°로 변경됨으로써, 증발기 관(50) 내부에서의 유동 매체(S)
의 흐름이 아래로부터 위로 이루어질 수 있게 된다. 증발기 관(50)이 연소 챔버(4)의 외벽(9) 내부로 진입하는 지점 위에서
는, 증발기 관(50)이 - 버너(30)의 방향으로 - 관 하나만큼 측면으로 변위되어 외벽(9) 내부에서 위로 가이드된다. 즉, 증
발기 관(50)이 마지막 섹션에서는 상기 증발기 관(50)의 제 1 섹션과 수직으로 정렬되어 가이드된다.
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수평 가스 연도(6)의 측벽(12)의 증기 발생기 관(54)은 유입 헤더 장치(21)를 벗어난 후에 비로소 수평 가스 연도(6)의 측
벽(12) 외부로 가이드된다. 증발기 관(50)이 측면으로 변위되어 계속 가이드되는 지점 위에서 비로소 증기 발생기 관(54)
이 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)으로 진입한다. 즉, 연소 챔버(4)의 외벽(9)과 수평 가스 연도(6)의 측벽(12) 사이에 있는
연결부(36)의 하부는 연소 챔버(4)의 외벽(9)에 속하고, 상부는 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)에 속한다. 증발기 관(52) 또
는 증기 발생기 관(56)은 다른 증발기 관(50) 또는 증기 발생기 관(16)과 마찬가지로 연소 챔버(4)의 외벽(9) 내부에서 또
는 수평 가스 연도(6)의 측벽(12) 내부에서 수직으로 뻗으며, 상기 관의 유입구는 유입 헤더 장치(18 또는 21)와 연결되고,
배출구는 배출 헤더 장치(20 또는 22)와 연결된다.
수평 가스 연도(6)의 측벽(12)과 연소 챔버(4)의 외벽(9)을 연결하는 연결 섹션(Z)에 대한 가능한 다른 한 실시예가 도 5에
도시되어 있다. 도 5에서, 유입구가 라인 장치(19)를 통해 이코노마이저(26)와 연결된 증발기 관(50)은 관 하나만큼 측면
으로 변위되어 유입구 섹션(E) 상부에서 연소 챔버(4)의 외벽(9)으로 진입한다. 관 하나만큼 측면으로 변위된다는 것은,
연소 챔버(4)의 외벽(9)으로의 증발기 관(50)의 진입이 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)로부터 관 하나의
위치만큼 이격되어 이루어진다는 것을 의미한다. 증발기 관(50)의 가이드는 유입 헤더 장치(18) 바로 근처에서 90°만큼 변
경되고, 연소 챔버(4)의 외벽(9) 외부에서는 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)의 방향으로 이루어진다. 증발기 관(50)의 가이
드는 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)으로 진입하기 전에 다시 배출 헤더 장치(22) 방향으로 90°만큼 변경된다. 이 때 증발기
관(50)은 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)로부터 관 하나의 위치만큼 이격되어 수평 가스 연도(6)의 측벽
(12) 내부에서 수직으로 뻗는다. 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)에서는 다시 - 연소 챔버(4)의 외벽(9)으로 진입하는 증발
기 관(50)의 유입구 아래에서 - 수직 방향으로의 증발기 관(50)의 방향 변동이 관 하나의 위치만큼 측면으로 변위되어 이
루어짐으로써, 증발기 관(50)이 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)에 직접 접하게 된다. 증발기 관(50)이 연
소 챔버(4)의 외벽(9)으로 진입하는 유입구의 높이 위에서 다시 증발기 관(50)의 가이드 방향이, 정확하게는 수평 가스 연
도(6)의 측벽(12)으로부터 연소 챔버(4)의 외벽(9)으로 변경된다. 이때 연소 챔버(4)의 외벽(9) 내부에서는 증발기 관(50)
의 마지막 섹션이 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부를 따라 수직으로 배출 헤더 장치(20)를 향해 가이드된다.
증발기 관(52)의 가이드 경로는 증발기 관(50)의 가이드 경로와 일치된다. 증발기 관(52)은 증발기 관(50)의 유입구 아래
에서 연소 챔버(4)의 외벽(9)으로 진입하고, 상기 관(52)의 유입구는 라인 장치(19)를 통해 이코노마이저(28)와 연결된다.
이 경우 증발기 관(52)의 진입은 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)에 접하는 관 위치에서 이루어진다. 증발
기 관(52)이 연소 챔버(4)의 외벽(9)으로 진입한 후에는, 상기 증발기 관(52)이 위로부터 아래로 수직으로 뻗는다. 유입 헤
더 장치(18) 바로 근처에서는 증발기 관(52)의 가이드 경로가 수평 가스 연도(6)의 측벽(12) 방향으로 90°만큼 변경된다.
관(52)의 방향이 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)에 접하는 처음 관 위치의 높이에서 다시 90°만큼 변경되
어, 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)으로 진입한다. 상기 높이에서부터 증발기 관(52)은 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)에서
수직으로 뻗는다. 따라서, 연소 챔버(4)의 외벽(9)에 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)을 연결하는 관이 형성된다. 증발기 관
(52)의 유입구 위에서 및 연소 챔버(4)의 외벽(9)에서 상기 관이 수직 방향으로 뻗도록 하기 위해, 특히 증발기 관(52)의
유입구와 수직으로 정렬되도록 하기 위해, 상기 증발기 관(52)은 이 관(52)이 연소 챔버(4)의 외벽(9) 으로 진입하는 높이
위에서 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)을 벗어난다. 그 다음에 상기 관(52)이 증발기 관(50)의 처음 섹션과 수직으로 정렬되
어 연소 챔버(4)의 외벽(9)에서 수직으로 뻗도록 하기 위해, 연소 챔버(4)의 외벽(9)으로 진입하는 증발기 관(50)의 유입구
위에서 증발기 관(52)의 가이드 경로가 다시 변경된다. 따라서 증발기 관(52)의 마지막 섹션은 증발기 관(50)의 처음 섹션
과 수직으로 정렬되어 가이드 된다. 증발기 관(50)뿐만 아니라 증발기 관(52)도 또한 유입측에서는 이코노마이저(28)와 유
입 헤더 장치(18) 사이에 있는 라인 장치(19)와 연결되고, 배출측에서는 배출 헤더 장치(20)와 연결된다.
증기 발생기 관(54)은 유입측에서 유입 헤더 장치(21)와 연결된다. 증기 발생기 관(54)이 유입 헤더 장치(21)를 벗어난 후
에는, 상기 증기 발생기 관(54)이 수평 가스 연도(6) 외부로 가이드 된다. 증발기 관(50)의 가이드 경로가 수평 가스 연도
(6)의 측벽(12)으로부터 연소 챔버(4)의 외벽(9)으로 변경되는 지점 위에서는 증기 발생기 관(54)이 수평 가스 연도(6)의
측벽(12)으로 진입한다. 이 때 수평 가스 연도(6)의 측벽(12) 내부에서 가이드되는 증기 발생기 관(54)의 마지막 섹션은 수
평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)를 따라 가이드된다. 따라서 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)은 증발기 관(50)
의 하부 및 증기 발생기 관(54)의 상부에 있는 연결부(36)에서 형성된다.
증기 발생기 관(56)의 유입측도 역시 도 5에서 유입 헤더 장치(21)와 연결된다. 증기 발생기 관(56)은 먼저 수평 가스 연도
(6)의 외부에서 가이드된다. 증기 발생기 관(56)은, 증발기 관(50)의 가이드 경로가 관 하나의 위치만큼 연결부(36) 쪽으로
변위된 상태로부터 상기 연결부(36)에 직접 접하는 가이드 경로로 변경되는 지점에서 비로소 수평 가스 연도(6)의 측벽
(12)으로 진입한. 증기 발생기 관(54 및 56)은 각각 출력측으로 배출 헤더 장치(22)와 연결된다.
증발기 관(50 및 52) 및 증기 발생기 관(54 및 56)이 특별하게 가이드 됨으로써, 연속 증기 발생기(3)의 작동시 연소 챔버
(4)와 수평 가스 연도(6) 사이의 연결부(36)에서 온도차가 매우 확실하게 작게 유지된다. 유동 매체(S) 및 그와 더불어 증
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발기 관(50 또는 52)도 또한 진입 섹션(E)의 상부에서 연소 챔버(4)의 외벽(9)으로 진입한다. 증발기 관(50 및 52) 및 증기
발생기 관(54 및 56)은 계속해서, 증기 발생기 관(54, 56)과 수평 가스 연도(6)의 측벽(12)의 추가 증기 발생기 관(16)이
직접 연결되기 전에, 연속 증기 발생기(2)의 작동시 증발기 관(50 및 52) 및 그와 더불어 상기 관 내부에서 가이드되는 유
동 매체(S)가 가열에 의해 예열되는 방식으로 가이드된다. 그럼으로써, 연속 증기 발생기(2)의 작동시 연결부(36)에서 증
발기 관(50 및 52)이 상기 관에 직접 인접한 연소 챔버(4)의 외벽(9)의 증발기 관(10)보다 비교적 더 높은 온도를 갖는다.
연소 챔버(4)의 증발기 관(10)내에서 그리고 수평 가스 연도(6)의 증기 발생기 관(16)내에서 유동 매체(S)의 가능한 온도
(TS)에 대한 예로서, 도 5에 따른 실시예에 대해 도 6에 따른 좌표계에 증발기 관(10, 50, 52) 및 증기 발생기 관(54, 56)의
아래로부터 위로 관류되는 부분의 상대적인 관 길이(R, %로 표시)와 온도(TS, ℃로 표시)의 관계가 곡선(U1 내지 U4)으로
표시되어 있다. 상기 좌표의 도시된 곡선에서 수평으로 가이드되는 영역, 즉 단은 고려되지 않는다. 좌표에서 곡선 U1은 수
평 가스 연도(6)의 증기 발생기 관(16)의 온도 변동을 나타낸다. 그와 달리 곡선 U2는 증발기 관(10)의 상대적인 관 길이
(R)를 따라 진행되는 상기 증발기 관(10)의 온도 변동을 나타낸다. U3는 특별하게 가이드되는 증발기 관(50)의 아래로부
터 위로 관류하는 부분의 온도 변동을 나타내고, U4는 연소 챔버(4)의 외벽(9)의 증발기 관(52)의 아래로부터 위로 관류하
는 부분의 온도 변동을 나타낸다. 표시된 곡선을 참조하면, 증발기 관(50 및 52)이 연소 챔버(4)의 외벽(9) 내 증발기 관
(10)의 진입 섹션(E)에서 특별하게 가이드됨으로써, 수평 가스 연도의 외벽(12)의 증기 발생기 관(16)과의 온도차가 현저
하게 감소될 수 있다는 사실이 명백해진다. 예를 들어 증발기 관(50 및 52)의 유입구 섹션(E)에서는 증발기 관(50 및 52)
의 온도가 45 켈빈만큼 상승된다. 그럼으로써, 연속 증기 발생기(2)의 작동시 증발기 관(50 및 52)의 진입 섹션(E)과 연소
챔버(4)와 수평 가스 연도(6) 사이의 연결부(36)에 있는 수평 가스 연도(6)의 증발기 관(16)의 온도차가 작게 유지된다.
연속 증기 발생기(2)의 작동시에는 화석 연료(B), 바람직하게는 고체 형태의 석탄이 버너(30)에 제공된다. 이 때 버너(30)
의 불꽃(F)은 수평으로 정렬된다. 연소 챔버(4)의 상기와 같은 구성 방식으로 인해, 연소시 형성되는 연료-가스(G)의 주흐
름은 거의 수평 방향(24)으로 이루어진다. 상기 연료-가스(G)는 수평 가스 연도(6)를 거쳐 거의 바닥쪽으로 향해 있는 수
직 가스 연도(8) 내부에 도달한 다음, 자세하게 도시되지 않은 굴뚝의 방향으로 상기 수직 가스 연도를 벗어난다.
이코노마이저(28) 내부로 유입되는 유동 매체(S)는 연속 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4)의 증발기 관(10)의 유입 헤더 장
치(18) 내부에 도달한다. 수직으로 배치되고 기밀 방식으로 서로 용접된, 연속 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4)의 증발기 관
(10) 내부에서는 증발 및 경우에 따라서 유동 매체(S)의 부분적인 과열이 이루어진다. 이 때 형성되는 증기 또는 물-증기-
혼합물은 유동 매체(S)용 배출 헤더 장치(20)내에 수집된다. 증기 또는 물-증기-혼합물은 상기 수집기 장치로부터 수평
가스 연도(6) 및 수직 가스 연도(8)의 벽을 거쳐 수평 가스 연도(6)의 과열기 가열 표면(23) 내부에 이르게 된다. 과열기 가
열 표면(23) 내부에서 증기의 추가 과열이 이루어진 다음에, 상기 증기는 예를 들어 증기 터빈의 구동기로 공급된다.
증발기 관(50 및 52)이 특별하게 가이드됨으로써, 연속 증기 발생기의 작동시 연소 챔버(4)의 배출구 영역(34)과 수평 가
스 연도(36)의 유입구 영역(32) 사이의 온도차가 매우 작게 나타난다. 이 경우에는 전 부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기
발생량(M)에 따라 연소 챔버(4)의 길이(L)를 선택함으로써, 화석 연료(B)의 연소열의 매우 유용한 활용이 보장된다. 또한
연속 증기 발생기(2)의 높이를 낮추고 상기 발생기를 콤팩트하게 형성함으로써, 상기 연속 증기 발생기는 매우 적은 제조
비용 및 조립 비용으로 구성될 수 있다. 이 경우에는 비교적 낮은 기술 비용으로 제조될 수 있는 골격 구조가 제공될 수 있
다. 또한, 증기 터빈 및 상기와 같이 높이가 낮은 연속 증기 발생기(2)를 갖춘 발전소 설비의 경우에는 또한, 연속 증기 발
생기로부터 증기 터빈까지 연결된 연결 관이 매우 짧게 설계될 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 2개 연도 구성 방식으로 구성되고 화석 연료로 가열되는 연속 증기 발생기의 개략적인 측면도이며,
도 2는 개별 증발기 관의 개략적인 종단면도이고,
도 3은 곡선 K1 내지 K6의 좌표계이며,
도 4는 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결 섹션을 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 5는 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결 섹션을 개략적으로 도시한 개략도이며,
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도 6은 곡선 U1 내지 U4의 좌표계이다.
도면
도면1
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도면2
도면3
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도면4
도면5
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도면6
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