증기관의 응축수 무방출 재활용 장치

증기관의 응축수 무방출 재활용 장치{Recycling device for steam pipes of condensed water}

본 발명은 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치에 관한 것이다.

증기 터빈을 이용한 발전은 연료를 연소하여 얻어지는 열에너지를 보일러에서 물에 전하여 고온 고압의 증기를 생성시키고, 이 증기가 터빈으로 이송되어 터빈을 회전시켜 열에너지를 기계적 에너지로, 터빈의 회전에너지를 이용해 발전하면서 기계적 에너지를 전기 에너지로 바꾸게 된다. 물을 증기로 바꿀 때 쓰는 에너지에 석탄, 석유, 가스 등의 화석 연료를 사용하면 화력발전, 원자력을 이용하면 원자력 발전으로 분류된다. 이런 원자력 발전에서 사용되는 증기는 발전 설비의 내부에서 증기관을 통해 이송되게 되는데, 이송 중의 열손실, 팽창 수축과정에서의 응축, 발전 중의 저온 저압화 등의 이유로 물의 형태인 응축수로 변하게 된다.

도 1은 증기응축수 재활용 시스템을 구비한 종래의 발전 시스템을 도시한 도면이다.

기존의 응축수 재활용 시스템은 고온 고압의 증기를 배출하는 보일러(10), 보일러(10)가 배출하는 증기에 의해 회전하는 터빈(20), 터빈(20)의 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전기(30), 터빈에서 배출되는 증기를 냉각-응축시키는 응축기(40), 상기 응축기(40)에 유입된 증기를 냉각시키기 위한 냉각수를 응축기(40)에 제공하는 냉각탑(50)을 구비하며, 냉각을 위한 다수의 튜브(41)를 구비한다. 이런 기존의 장치는 냉각탑과 응축기에 포함되는 다수의 튜브 등 복잡한 설비가 추가되는 단점이 있다.

이런 문제들을 해결하기 위해 대표적인 기존 발명인 한국공개특허 제2010-0120915호는 간접 냉각 대신 직접 접촉을 통한 냉각 방식을 통해 응축수를 처리함으로써 발전 효율의 증가를 도모하고 있다. 하지만, 냉각 방식만 효율화 됐을 뿐 강제로 냉각시킨 응축수를 다시 보일러로 공급하는 방식을 택함으로써, 기존의 대형설비 추가 문제점을 근본적으로 해결하지 못하였다. 또한, 직접 냉각 방식은 응축수의 오염 가능성이 있으며, 오염된 응축수로 인해 보일러, 터빈, 발전기 전체의 설비에 영향을 주는 문제점이 발생한다.

또한, 한국등록특허 제0284392호에서는 이런 응축수를 폐열을 이용해 재활용하는 기술을 통해 에너지 절감을 도모하고 있다. 하지만 한국공개특허 제2010-0120915호와 동일하게 응축수를 다시 보일러로 공급하는 방식을 택함으로써, 응축수의 재활용에 필요한 에너지를 줄였다는 장점 외에는, 폐열이용이나, 보일러까지 추가되는 배관 등의 설비 문제를 해결하지 못하였다.

특히, 이런 기존의 응축수 처리 시스템은 직접 혹은 간접의 열교환 방식을 통해 응축수를 처리하며, 처리한 응축수를 다시 보일러로 회송하게 되는데, 이는 열에너지의 손실이 크고, 관련된 배관이 지나치게 길어지며, 재급수를 위한 고압 펌프 등의 복잡한 설비 추가가 필요하다는 기존의 단점을 완벽하게 해결하지 못한다는 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 원자력 발전 시스템의 작동 중에 증기관에서 발생하는 응축수를 외부로 배출하지 않고 재활용하는 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치는 주증기관; 상기 주증기관에 연결되며, 주증기관에서 형성된 응축수를 주증기관으로부터 분리하는 응축수 포집관; 상기 응축수 포집관을 통해 포집된 응축수를 저장하는 드레인 포켓; 상기 드레인 포켓 내부 혹은 외부에 형성되는 재가열기; 및 상기 재가열기로 재가열된 증기를 상기 주증기관으로 이송하는 일단은 드레인 포켓 다른 일단을 주증기관과 연결된 증기 회수관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 드레인 포켓에는 온도 센서, 압력 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온도 및 압력 센서의 정보와 미리 설정된 온도 및 압력을 비교하여 재가열기를 컨트롤 하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 컨트롤러는 상기 드레인 포켓의 온도 혹은 압력이 설정된 값보다 낮을 때 재가열 증기 공급을 중단할 수 있는 증기회수관 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 재가열기는 유도가열기, 저항가열기, 또는 터빈에서 발생된 폐열을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주증기관의 증기 압력은 100 내지 300 Bar인 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치는 원자력 발전 시스템의 작동 중에 증기관에서 발생하는 응축수를 외부로 배출하지 않고 재활용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 증기응축수 재활용 시스템을 구비한 종래의 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 모식도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치의 동작과정을 개략적으로 도시한 도면
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 응축수 포집-재가열-증기회수 단계의 드레인 포켓의 작동을 개략적으로 설명하기 위한 도면

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 모식도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치는 증기를 이송하는 역할을 하는 주증기관(100)에 설치된다. 주증기관(100)의 위치는 발전시스템의 어떤 부분에도 적용될 수 있으며, 보일러와 터빈, 터빈과 발전기 사이 등 어떤 위치에도 적용이 가능하다. 주증기관(100)의 하부에 주증기관(100)에서 발생된 응축수를 포집하여 응축수를 드레인 포켓(300)으로 이송하는 역할을 하는 응축수 포집관(200)이 연결되며, 응축수를 펌프와 같은 추가설비 없이 드레인 포켓(300)으로 흘러들어갈 수 있게, 주증기관(100)에 약간의 경사를 만들어, 응축수가 중력에 의해 응축수 포집관(200)으로 흘러들어 갈 수 있게 하는 것이 바람직하다. 응축수 포집관(200)을 통해 드레인 포켓(300)에 모인 응축수는 상기 드레인 포켓(300)에 형성된 압력센서(320) 및 온도센서(330)를 통해 컨트롤러(500)에 미리 설정된 온도 및 압력으로 재가열하는 재가열기(310)에 의해 다시 증기로 재가열된다. 재가열된 증기를 주증기관(100)으로 이송하는 역할을 하는 증기회수관(400)은 드레인 포켓(300)과 주증기관(100)을 연결하는 형태로 이루어진다. 주 증기관의 압력은 통상적인 원자력 발전 시스템의 증기관 압력인 100 내지 300 Bar인 것이 일반적이다.

증축수 회수 및 재활용을 위해 응축수 포집관(200)에는 응축수 포집관밸브(210)가, 증기회수관(400)에는 증기회수관 밸브(410)이 구비되어 있으며, 상기 밸브들은 컨트롤러(500)에 의해 개폐가 결정된다.

컨트롤러(500)는 미리 저장된 온도 및 압력으로 드레인 포켓(300)의 온도를 조절해 필요한 압력의 증기로 주증기관(100)으로 증기를 공급하는 역할을 하는데, 이를 위해 드레인 포켓의 외주면에는 히터 역할을 하는 재가열기(310)가 구비되어 있으며, 컨트롤러(500)는 재가열기(310)의 전력을 조정함으로써 응축수의 온도를 조절할 수 있으며, 응축수 온도는 드레인 포켓(300)에 설치된 온도센서(330)를 통해 컨트롤러(500)에 전해진다. 또한, 드레인 포켓(300)에는 컨트롤러(500)와 연결된 압력센서를 구비하며, 드레인 포켓(300)의 압력이 미리 설정된 주증기관(100)으로 공급할 수 있는 수치가 되면 컨트롤러(500)의 명령으로 증기회수관(400)에 위치하는 증기회수관밸브(410)가 열리면서 드레인 포켓(300) 내부의 재가열된 증기가 주증기관(100)으로 돌아가게 된다. 이때 드레인 포켓(300) 내부의 압력은 주증기관(100)의 압력보다 높은 것이 바람직하며, 증기압차로 추가적인 펌프나 분사기 없이 드레인 포켓(300)의 응축수를 재가열해 형성된 증기를 주증기관(100)으로 돌려보낼 수 있다.

이때 응축수 포집관(200)에 위치하는 응축수포집관밸브(210)를 닫아 증기회수를 원활하게 하면서 응축수의 역류를 막는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 두 밸브를 모두 열어 증기를 주증기관(100)에 공급할 수 있다. 이런 밸브의 작동 방법은 컨트롤러(500)에 프로그램 될 수 있다.

응축수를 재가열하는 재가열기(310)는 다양한 가열방식을 이용할 수 있으며, 설비의 크기나 목적에 따라 선택할 수 있다. 바람직하게는 저항가열, 고주파 유도가열을 사용할 수 있으며, 터빈에서 발생하는 폐열을 이용하는 방식도 사용할 수 있다. 저항가열의 경우 전원 및 전원을 조절하는 컨트롤러(500)만 필요하기 때문에 비교적 간단한 설비만 추가되며, 그에 따라 차지하는 공간을 절약할 수 있다는 장점이 있다. 고주파 유도가열의 경우 저항가열에 비해 큰 전력이 필요하므로 상대적으로 설비 크기가 크고, 고가의 장비가 필요하다는 단점이 있지만 저항가열에 비해 빠른 속도로 재가열이 가능하다는 장점이 있다. 폐열의 경우 주로 터빈 혹은 연소실의 잔열을 이용하게 되는데, 추가적인 에너지를 투입할 필요가 없다는 장점이 있지만 복잡한 배관을 필요로 하는 등 설비 추가가 많다는 단점이 있다.

각 가열방식에 대한 자세한 도시나 설명은 피하도록 하나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

또한, 상기 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치는 증기가 이송되는 증기관이라면 발전시스템의 어떤 부분에도 적용될 수 있으며, 보일러와 터빈, 터빈과 발전기 사이 등에 적용이 가능하다. 이를 통해 발전 설비 전체에서 응축수가 발생되는 일 없이, 고효율로 운전을 가능하게 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치의 동작과정을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, S610단계에서 발전 시작단계로 보일러와 터빈이 동작하게 되고, 이에 따라 S620단계에서 주증기관에서 응축수가 발생하게 되는데, S630단계에서 이 응축수는 응축수 포집관을 통해 포집되게 되며, S640단계에서 드레인 포켓으로 이송되게 된다. S650단계에서 드레인 포켓으로 이송된 응축수는 재가열되게 되는데, 설비의 목적에 따라 저항가열, 유도가열, 폐열을 이용한 가열방식을 사용할 수 있다. 이렇게 재가열되어 응축수에서 발생된 증기는 S660단계에서 증기회수관을 통해 주증기관으로 이송되게 되며, 이 모든 과정은 컨트롤러에 의해 순차적으로 이루어지며, 터빈의 동작이 끝날 때까지 반복되면서 주증기관에서 발생되는 응축수를 모두 재활용하게 된다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 응축수 포집-재가열-증기회수 단계의 드레인 포켓의 작동을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 먼저 주증기관의 작동에 따라 발생된 응축수가 응축수 포집관을 통해 드레인포켓에 포집되고 있다.

이때, 컨트롤러는 응축수포집관밸브(210)을 열고 증기회수관밸브(410)을 닫아서 응축수를 포집한다. 경우에 따라서는 빠른 응축수 포집과 압력차로 인한 응축수 역류를 막기 위해 상기 응축수포집관밸브(210) 및 증기회수관밸브(410) 모두를 여는 것도 가능하다. 재가열 전의 드레인포켓(300) 온도는 컨트롤러에 설정된 온도에 따르게 되며 빠른 재가열을 위해 발전 설비의 운전 중에는 목표 온도의 70 내지 90%로 항상 유지되는게 바람직하며, 그 값은 필요로 하는 재가열 시간 및 에너지 효율에 따라 결정된다.

비교적 빠른 증기회수가 필요한 대형 증기관에는 드레인포켓(300) 온도는 설정 온도의 90%에 가깝게 유지하는 것이 유리하고, 증기회수 속도가 중요하지 않은 소형 증기관에는 70%에 가까운 온도로 유지하는 것이 바람직하나, 투입되는 에너지는 설정 온도에 가까울수록 많아지게 된다. 이런 드레인포켓(300)의 온도설정으로 인해 포집된 응축수는 재가열 전에도 일정온도 이상을 유지함으로써 재가열 시간을 단축할 수 있다.

도 4b를 참조하면, 응축수가 드레인 포켓의 일정량 채워지게 되면 수위센서(미도시)를 통해 컨트롤러는 재가열 단계에 들어간다. 이때 응축수포집관밸브(210) 및 증기회수관밸브(410)는 닫히게 되며, 미리 설정된 온도 및 압력으로 응축수를 재가열한다. 이때의 가열 방식은 저항가열, 유도가열, 폐열을 이용한 가열방식을 사용할 수 있으며, 가열속도 및 투입되는 전력은 컨트롤러가 미리 입력된 값에 따라 결정한다. 신속한 증기 재회수가 필요한 설비의 경우 유도가열 방식을 이용하는 것이 유리하며, 추가설비가 작은 것이 유리할 경우 저항가열 방식이 유리하다. 설비의 제약은 받지 않으나, 응축수 재활용시스템에 추가적으로 투입되는 에너지를 줄이는 것이 유리할 경우에는 폐열을 이용할 수 있으나, 이때에는 비교적 많은 설비의 추가가 뒤따른다.

재가열을 통해 드레인포켓 내부의 응축수는 증발하여 증기화되고 일정 압력에 도달하면 압력센서(32)를 통해 컨트롤러는 재가열 완료를 결정하게 된다. 이때의 압력은 주증기관의 압력보다 높은 것이 바람직하며, 압력 차이를 통해 드레인포켓의 증기가 원활하게 주증기관으로 공급될 수 있다.

도 4c를 참조하면, 재가열이 완료된 후 증기회수관밸브(410)를 열어 주증기관에 증기를 공급하는 것을 나타내고 있다. 주증기관으로의 증기공급이 끝나면 재가열기에 투입되는 파워는 다시 목표 온도의 70 내지 90% 정도가 유지될 정도로 낮추게 되며, 압력센서를 통해 컨트롤러가 주증기관과 드레인포켓의 압력이 같아졌다고 판단되면 다시 응축수포집관밸브(210)를 열어 응축수를 포집하는 단계로 돌아가게 된다. 상기 단계들을 반복하면서, 본 발명의 증기관의 응축수 무방출 재활용 장치는 증기관에서 형성되는 응축수를 방류하거나 보일러로 돌려보내는 일 없이 재활용하게 된다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서의 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 보일러
20 : 터빈
30 : 발전기
40 : 응축기
41 : 튜브
50 : 냉각탑
100 : 주증기관
200 : 응축수포집관
210 : 응축수포집관밸브
300 : 드레인포켓
310 : 재가열기
320 : 압력센서
330 : 온도센서
400 : 기회수관
410 : 증기회수관 밸브
500 : 컨트롤러