초임계압 보일러에서 보일러 배기 가스 온도 제어를 위한 절탄기 물 재순환 시스템

초임계압 보일러에서 보일러 배기 가스 온도 제어를 위한 절탄기 물 재순환 시스템{ECONOMIZER WATER RECIRCULATION SYSTEM FOR BOILER EXIT GAS TEMPERATURE CONTROL IN SUPERCRITICAL PRESSURE BOILERS}

관련 출원의 상호 참조

본원은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본원에 통합되는 2009년 12월 29일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/290,752호, 및 또한 2009년 12월 21일자 출원된 동시 계류중인 미국 특허 가출원 제61,288,576호에 대해 우선권을 주장한다.

본 발명은 기존의 초임계압 보일러에 적용될 수 있는 시스템의 개관기재(general description)이며, 이에 의해, 가열된 보일러 수벽 출구 유체의 일부가 절탄기(economizer)의 입구로 다시 재순환된다. 특히, 본 발명은 초임계압 보일러의 절탄기의 출구에서, 보다 낮은 보일러 부하에서 보다 높은 배기 가스 온도를 유지하는 목적을 위한 유체 재순환 시스템, 및 절탄기 재순환 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것이다.

보일러는, 전형적으로 무수한 상호 연결된 헤더들, 파이프들, 및 튜브들에 의해 한정되고 제어된 조건 하에서 가열될 수 있는 유체를 수용하는 폐쇄된 고압 시스템이다. 유체가 특정 온도로 가열됨으로써, 유체는 에너지를 흡수한다. 이러한 유체는 그런 다음 일을 제공하도록 사용될 수 있거나, 또는 열원으로서 사용될 수 있다.

보일러에서 유체를 가열하도록 사용된 연료는 보일러의 노 부분에서 연소된다. 보일러에 수용된 유체로서 물을 채택하는 보일러에서, 수벽들이 노 주위에 위치되고 유체가 흐르는 튜브들을 포함한다. 전형적으로 탈기된(deaerated) 유체는 먼저 절탄기의 튜브들로 공급되고, 그런 다음 수벽에 있는 튜브들로 공급된다. 절탄기는 급수(feedwater)와 만들어진 증기로부터의 손실을 대체하는 보급수(makeup water)를 수용한다. 절탄기는 노에서 연료의 연소로 만들어지는 연도 가스로부터 열을 흡수하고, 급수와 보급수로 이러한 열을 전달한다.

초임계압 보일러에서, 절탄기로부터의 유체는 수벽에 있는 튜브들을 통과함으로써 증기로 변환된다. 증기는 공정(일을 만들거나 또는 열원으로서)에 직접 사용될 수 있다. 공정에 직접 사용되지 않으면, 증기는 증기가 더욱 가열되는 과열기로 보내질 수 있다. 과열된 증기는 과열된 증기가 공급되는 증기 터빈의 효율을 증가시킨다.

전형적으로, 절탄기를 떠나는 보일러 연도 가스의 온도는 보일러가 감소된 증기 흐름으로 동작할 때 더 낮다. 보일러가 연도 가스 배기에서 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템으로 동작할 때의 경우에, 촉매의 반응적 행동(reactiveness)은 촉매 반응기로 들어가는 연도 가스 온도에 의존한다. 따라서, 임계값 아래로의 연도 가스 온도에서의 감소는 덜 반응하는 촉매를 초래한다.

본원에 기술된 하나의 양태에 따라서, 보일러에서의 유체 재순환 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 시스템의 입구로부터 유체의 흐름을 수용하도록 위치된 유량 제어 밸브들의 설비(arrangement)를 포함한다. 시스템은 유량 제어 밸브들의 설비로부터 및 급수 스트림으로부터 유체의 흐름을 수용하도록 위치된 절탄기 입구 혼합 디바이스(economizer inlet mixing device)를 추가로 포함한다. 하나의 실시예에서, 급수 스트림(feedwater stream)은 유량 제어 밸브들의 설비로부터의 유체의 온도와 비교하면 온도에 있어서 더 차갑다. 절탄기 입구 혼합 디바이스로부터의 출구 스트림은 절탄기로 들어가는 유체의 흐름의 온도가 제어되는 것을 허용한다. 추가로, 절탄기를 빠져나가는 연도 가스의 온도는 최적값으로 증가되고 최적값으로 유지된다.

본원에 개시된 또 다른 양태에 따라서, 보일러에 있는 절탄기의 상류에 위치된 절탄기 입구 혼합 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는, 과열기로의 유체의 흐름의 적어도 일부가 수용되도록 통과하는 스파저 조립체(sparger assembly), 급수 스트림으로부터의 유체의 흐름이 수용되도록 통과하는 입구, 혼합된 유체를 위한 출구 스트레이너(outlet strainer), 및 절탄기 입구 혼합 디바이스로부터의 출구 스트림이 통과하여 보내지는 물결 받이 조립체(wave breaker assembly)를 포함한다. 출구 스트림은 스파저 조립체를 통한 유체의 흐름과 급수 스트림으로부터의 유체의 흐름의 결합을 포함한다.

여전히 또 다른 양태에 따라서, 보일러에 있는 절탄기를 빠져나가는 연도 가스의 온도를 증가시키는 방법은 노로부터 과열기로의 유체 스트림으로부터의 유체 흐름의 적어도 일부를 수용하는 단계, 상기 수용된 유체 흐름의 적어도 일부를 급수 스트림과 결합시키는 단계, 및 수용된 유체 흐름과 급수 스트림의 결합물을 절탄기로 보내는 단계를 포함한다. 절탄기로의 수용된 유체 흐름과 급수 스트림의 결합물의 온도는 절탄기에서의 열 흡수를 감소시키도록 제어되고, 이에 의해, 절탄기를 빠져나가는 연도 가스의 온도가 증가하고, 연도 가스가 유동하는 선택적 촉매 반응기가 최적의 설계 온도로 동작하는 것을 가능하게 한다.

예시적인 실시예를 도시하고 유사한 구성 요소가 동일한 도면부호로 지시되는 도면을 지금 참조한다.
도 1은 절탄기 물 재순환 시스템이 채택되는 초임계압 보일러의 개략도.
도 2는 절탄기 물 재순환 시스템 및 상기 시스템으로부터 및 상기 시스템으로의 급수 스트림의 개략도.
도 3은 절탄기 물 재순환 시스템과 함께 사용하기 위한 절탄기 입구 혼합 디바이스의 정면도.
도 4는 도 3의 절탄기 입구 혼합 디바이스의 평면도.

도 1을 참조하여, 절탄기 물 재순환 시스템이 채택되는 보일러의 하나의 예시적인 실시예가 도면부호 10으로 일반적으로 지시된다. 하나의 실시예에서, 보일러(10)는 초임계압 보일러이다. 연료는 보일러(10)에서 연소되고, 보일러에서의 화학 에너지는 열 에너지로 변환되고, 터빈 등을 구동하도록 사용될 수 있는 증기를 만들기 위해 보일러 내에 있는 액체를 가열하도록 사용된다. 상기 액체는 이후에 물로 지칭되고, 증기(vapor)는 이후에 스팀(steam)으로 지칭된다.

보일러(10)에서, 연료와 산화제는 수벽(14)들을 가지는 노(12) 내로 도입된다. 연료의 연소로, 연도 가스(16)가 발생되고, 과열기(20)로, 그리고 절탄기(22)를 통해 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템(24, 이후에는 "SCR (24)"로 지칭된다) 내로 보내진다.

도면부호 28로 지시되는 스팀을 만들도록, 급수는 절탄기 물 재순환 시스템(30, 이후에는 "재순환 시스템(30)"으로 지칭된다)을 통해 절탄기(22)로 공급된다. 재순환 시스템(30)으로부터의 물 스트림(34)은 절탄기(22)로 보내진다. 열은 절탄기를 통과하는 연도 가스(16)로부터 물 스트림으로 전달된다. 절탄기(22)로부터의 물 스트림(36)은 그런 다음 스트림(37)으로서 과열기(20)로 보내지기 전에 수벽(14)들을 통과한다. 재순환 유체 흐름(38)은 수벽들을 통과한 후에 스트림(37)으로부터 취해지며, 재순환 시스템(30)으로 다시 공급된다. 이와 같이 하여, 절탄기(22)로 들어가는 물의 온도는 제어된 방식으로 증가된다. 이러한 것은 연도 가스와 절탄기에서의 물 사이의 온도차를 감소시키는 것에 의해 절탄기 열 흡수를 감소시킨다. 그 결과, 절탄기(22)를 빠져나가는 연도 가스(16)의 온도가 증가한다.

이제 도 2를 참조하면, 재순환 시스템(30)은 2개의 별개의 스트림들, 즉, 급수 스트림(40)과 재순환 유체 흐름(38)을 수용한다. 급수 스트림(40)을 수용하는데 있어서, 급수 스트림은 시동(startup) 물 스트림을 통하여 공급되고, 시동 물 스트림은 낮은 급수 흐름의 상태 동안 급수를 공급하는 시동 밸브의 출구로부터 또는 주 급수 밸브로부터 수용된다. 재순환 시스템(30)을 빠져나가는 물 스트림(34)은 절탄기(22)로 보내진다. 상기된 바와 같이, 물 스트림(36)은 그런 다음 절탄기를 빠져나간다.

체크 밸브(46)와 보일러 혼합 챔버(48) 사이의 온수 라인(44)으로부터의 유체의 최소 흐름은 배관을 균일한 온도로 유지한다.

도시된 바와 같이, 재순환 시스템(30)은 재순환 유체 흐름(38)이 수용되도록 통과하는 재순환 체크 밸브(46), 재순환 유체 흐름(38)을 수용하는 유량 제어 밸브 설비(50), 유량 제어 밸브 설비(50)를 통한 급수 흐름과 재순환 흐름을 수용하는 절탄기 입구 혼합 디바이스(54), 및 절탄기 입구 혼합 디바이스(54)로부터 출구 유체 스트림을 수용하는 재순환 펌프/밸브 설비(56)를 포함한다. 급수 스트림(40)과 시동 스트림의 결합물은 절탄기 입구 혼합 디바이스(54)를 통해 재순환 시스템(30) 내로 수용된다.

예시된 실시예에서, 유량 제어 밸브 설비(50)는 공압식 또는 모터 작동식 온도 제어 밸브(60)를 포함하고, 온도 제어 밸브는 그 상류 및 하류에 위치된 게이트 밸브(62)들을 사용하여 격리될 수 있다. 공압식 또는 모터 작동식 온도 제어 밸브(60) 및 인접하여 위치된 게이트 밸브(62)들은 바이패스 글로브 밸브(65)를 가진 바이패스 라인(64)을 통해 우회될 수 있다.

유량 제어 밸브 설비(50)를 통한 유체 흐름은 절탄기 입구 혼합 디바이스(54) 내로 수용된다.

절탄기 입구 혼합 디바이스(54)로부터의 유체 흐름은 하나 이상의 재순환 펌프(70)를 포함하는 재순환 펌프/밸브 설비(56) 내로 수용된다. 펌프(들)(70)의 동작은 절탄기 입구 혼합 디바이스(54) 내의 유체의 압력을 감소시킨다. 그러나, 절탄기 입구 혼합 디바이스(54) 내의 압력은 절탄기(22)의 입구에 추가의 펌프들을 직렬로 위치시키는 것에 의해 추가로 감소될 수 있으므로, 재순환 시스템(30)은 이에 관하여 제한되지 않는다. 도시된 재순환 펌프/밸브 설비(56)에서, 게이트 밸브(71)들은 펌프들 내로 유체의 흐름을 격리시키고, 스톱-체크 밸브(73)들은 펌프(70)들을 통한 역류를 방지한다. 펌프(70)들의 출구 스트림은 유체 스트림(34)이다. 바이패스 라인(72)은 재순환 펌프/밸브 설비(56) 주위로 흐름의 전부 또는 일부를 보내도록 사용될 수 있다. 바이패스 라인(72)은 바이패스 스톱-체크 밸브(74)를 포함한다.

급수를 유량 제어 밸브 설비(50)로부터의 재순환된 유체와 결합하는데 있어서, 절탄기(22)로 들어가는 유체 혼합물의 온도는 제어된다(증가된다). 이는 절탄기(22)에서 연도 가스와 물 사이의 온도차를 감소시키는 것에 의해 절탄기 열 흡수를 감소시킨다. 그 결과, 절탄기 배출 가스 온도(연도 가스(16))가 증가한다. 재순환 시스템(30)은 이에 의해 감소된 보일러 스팀 흐름에서 종래의 보일러와 비교하여 보다 높은 절탄기 배출 가스 온도(즉, 절탄기 출구에서의 온도)를 유지하는 것을 허용한다. 재순환 유체 흐름(38)의 양을 제어하는 것에 의해, SCR(24)로 들어가는 가스 온도는 낮은 부하 동작 동안 증가된다. 이는 SCR(24)이 보다 낮은 부하에서 동작 중으로 유지하는 것을 가능하게 한다. 또한, 재순환 시스템(30)은 기존의 초임계압 보일러로 개량될 수 있으며, 이에 의해, 종래의 가스 바이패스 시스템과 비교하여 더욱 예측 가능한 SCR 입구 가스 온도 층상(stratification) 및 보다 적은 SCR 혼합 장비를 허용한다.

이제 도 3 및 도 4를 참조하면, 절탄기 입구 혼합 디바이스(54)는 스파저 조립체(82)가 장착되는 하우징(80)을 포함한다. 스파저 조립체(82)의 상부 섹션은 유량 제어 밸브 설비(50)로부터 입구(86)를 통하여 재순환 유체 흐름(38)을 수용한다. 재순환 유체 흐름(38)이 수벽(14)들 및 외부 수벽들로부터 과열기(20)로의 스트림(37)으로 만들어지기 때문에, 이러한 스트림에 있는 유체는 보일러(10)의 동작 동안 매우 높은 온도로 있다.

스파저 조립체(82)로 보내질 때, 재순환 유체는 들어가는 급수와 혼합하도록 하우징(80) 내에서 분사되거나 그렇지 않으면 분산된다. 스파저 조립체는 복수의 구멍들, 슬릿들, 또는 내부에 다른 개구(92)들을 가지는 원통형 부재(90)를 포함한다. 중요할 수 있는 입구(86)를 통한 흐름의 압력 헤드는 원통형 부재(90)의 내부로부터 개구(92)들을 통해, 원통형 부재의 외측에 있고 하우징(80)의 내벽에 의해 봉입된 영역으로 유체를 살포한다.

급수 스트림(40, 시동 물 스트림과 결합된)은 또한 2개 이상의 급수 입구(88)들을 통해 하우징(80) 내로 수용된다.

스파저 조립체(82)의 하부 섹션은 혼합된 유체를 위한 펌프 보호 스트레이너이며, 혼합된 유체는 강수관 노즐(downcomer nozzle)을 포함하는 출구(94) 내로 방출되고, 강수관 노즐 아래에는 물결 받이 조립체(84)가 장착된다. 물결 받이 조립체(84)는 도관(98)에서 길이방향으로 배열된 복수의 배플(96)들을 포함한다. 배플(96)들은 임의의 유체-측부 전파 물결을 파괴하고 도관(98)이 연장하는 방향에 나란한 흐름 라인들로 하우징(80)으로부터 흐름을 보내도록 크기화되고 위치되며, 이에 의해, 근접 캐비테이션에 의해 유발되는 불안정한 진동에 대한 잠재성을 제거한다. 물결 받이 조립체(84)로부터, 유체는 재순환 펌프/밸브 설비(56)로 보내진다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 지지 다리(100)들은 절탄기 입구 혼합 디바이스(54)가 제약되는 것을 허용하도록 하우징(80)의 외부에 장착된다. 비록 4개의 다리들이 하우징(80)을 지지하는 것으로서 도시되었을지라도, 하우징을 적절하게 제약할 수 있는 임의의 수의 다리들이 채택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 급수 입구(88)들은 하우징(80)을 통하여 수직으로 연장하는 중심축(Z)으로부터 편심(offset)되고, 각각을 통한 유체 스트림이 최적의 혼합을 위하여 서로 교차하도록 배열된다.

유량 제어 밸브 설비(50)로부터 절탄기 입구 혼합 디바이스(54)의 물결 받이 조립체와 스파저 조립체를 통하여 급수와 뜨거운 유체를 흐르게 하는 것에 의해, 압력 포켓 붕괴의 근접(close proximity) 및 큰 유체 온도차로 인한 주기적인 진동이 방지되거나 또는 적어도 최소화된다.

비록 본 발명이 그 상세한 실시예에 대해 도시되고 기술되었을지라도, 본원에 개시된 바와 같은 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변화들이 만들어지고 등가물이 그 구성 요소들을 대체할 수 있다는 것은 당업자에게 이해될 것이다. 부가하여, 변형들이 그 본질적인 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 교시에 대한 특정 상황 또는 재료에 적응하도록 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 상기 명세서 내에서 개시된 특정 실시예에 제한되지 않지만, 본 발명이 첨부된 청구항들의 범위 내에 놓이는 모든 실시예들을 포함하도록 의도된다.