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KR20240070285A - 관류형 열교환기 및 이를 포함하는 복합 발전 시스템 - Google Patents

관류형 열교환기 및 이를 포함하는 복합 발전 시스템 Download PDF

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KR20240070285A
KR20240070285A KR1020220151967A KR20220151967A KR20240070285A KR 20240070285 A KR20240070285 A KR 20240070285A KR 1020220151967 A KR1020220151967 A KR 1020220151967A KR 20220151967 A KR20220151967 A KR 20220151967A KR 20240070285 A KR20240070285 A KR 20240070285A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
link
manifold
link portion
heat exchanger
pipe
Prior art date
Application number
KR1020220151967A
Other languages
English (en)
Inventor
김재철
제갈훈
홍종호
Original Assignee
두산에너빌리티 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US18/457,967 priority patent/US12104860B2/en
Priority to EP23209598.4A priority patent/EP4368884A1/en
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 관류형 열교환기는 복수의 튜브들을 포함하는 튜브, 상기 튜브와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 복수의 헤드, 복수의 상기 헤드와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 매니폴드, 상기 헤드와 매니폴드를 연결하는 제1 링크 파이프와 제2 링크 파이프를 포함하고, 상기 헤드들은 상기 헤드의 길이방향과 교차하는 방향으로 이격 배치되고, 상기 제1 링크 파이프와 상기 제2 링크 파이프는 서로 경사지게 이어진 제1 경사 링크부 또는 제2 경사 링크부를 포함할 수 있다.

Description

관류형 열교환기 및 이를 포함하는 복합 발전 시스템{ONE-THROUGH HEAT EXCHANGER AND COMBINED POWER PLANT}
본 발명은 관류형 열교환기 및 이를 포함하는 복합 발전 시스템 에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
배열 회수 보일러(HRSG)는 고온 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 에너지 회수 장치로서, 증기 터빈(조합형 사이클)을 구동하는데 사용될 수 있는 증기를 생성한다. 배열 회수 보일러는 일반적으로 4개의 주요 구성 요소, 즉 절탄기(economizer), 증발기, 과열기 및 예열기를 포함한다.
특히, 자연 순환 HRSG는 증발기 가열면, 드럼, 뿐만 아니라 증발기 튜브 내의 적절한 순환율을 용이하게 하는 파이핑(piping)을 포함한다. 관류형 HRSG는 자연 순환 구성 요소를 관류형 증발기로 대체하고 이와 같이 함으로써 더 높은 설비 효율을 현장에서 제공하고 더욱이 두꺼운 벽 드럼의 부재(absence)시에 HRSG 수명을 연장하는 것을 보조한다.
초임계압 수직 관류형 배열 회수 보일러의 경우 최종 과열기의 출구 헤드의 열팽창이 심하여 구조적인 안정성을 확보하기 어려운 문제가 있다. 고온으로 가열된 증기에 의하여 출구 헤드가 가열되고, 열팽창하면 튜브 배열이 뒤틀리고, 열응력이 집중되어 파손의 우려가 크다.
대한민국 등록특허 제10-2266676호(2021.06.14) 대한민국 등록특허 제10-1928374호(2018.12.06)
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 열팽창에 의한 손상을 최소화할 수 있는 관류형 열교환기, 이를 포함하는 복합 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 관류형 열교환기는 복수의 튜브들을 포함하는 튜브, 상기 튜브와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 복수의 헤드, 복수의 상기 헤드와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 매니폴드, 상기 헤드와 매니폴드를 연결하는 제1 링크 파이프와 제2 링크 파이프를 포함하고, 상기 헤드들은 상기 헤드의 길이방향과 교차하는 방향으로 이격 배치되고, 상기 제1 링크 파이프와 상기 제2 링크 파이프는 서로 경사지게 이어진 제1 경사 링크부 또는 제2 경사 링크부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 헤드들은 서로 평행하게 배치되되, 상기 매니폴드에서 동일한 거리에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 헤드들은 상기 관류형 열교환기의 높이방향으로 이격될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 링크 파이프는 상기 헤드에서 상기 매니폴드를 향하는 방향으로 이어진 제1 연결 링크부와 제1 연결 링크부에서 경사지게 돌출되어 상기 매니폴드에 결합된 제1 경사 링크부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 링크 파이프는 상기 헤드에서 상기 매니폴드를 향하는 방향으로 이어진 제2 연결 링크부와 제2 연결 링크부에서 경사지게 돌출되어 상기 매니폴드에 결합된 제2 경사 링크부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 연결 링크부와 상기 제2 연결 링크부는 서로 평행하게 배치되며, 상기 제1 경사 링크부는 상기 매니폴드에서 하부로 경사지게 이어지고, 상기 제2 경사 링크부는 상기 매니폴드에서 상부로 경사지게 이어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 경사 링크부는 상기 제1 연결 링크부보다 더 큰 외경을 갖는 대경부와 상기 제1 연결 링크와 동일한 내경을 갖는 소경부와 상기 대경부와 상기 소경부를 연결하는 가변관을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 대경부는 상기 매니폴드에 연결되고, 상기 가변관은 상기 대경부에서 소경부로 갈수록 내경이 점진적으로 감소할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 경사 링크부는 상기 제1 연결 링크부보다 더 큰 내경을 갖는 대경부와 상기 제1 연결 링크와 동일한 내경을 갖는 소경부와 상기 대경부와 상기 소경부를 연결하는 가변관을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 복합 발전 시스템은 연료를 연소하여 회전력을 발생시키는 가스 터빈, 상기 가스 터빈에서 배출되는 연소 가스를 이용하여 급수를 가열하며 압력 레벨이 서로 상이한 고압부, 중압부, 저압부를 갖는 배열회수 보일러, 상기 배열회수 보일러에서 가열된 증기를 증기 터빈을 포함하고, 상기 열교환기는 복수의 튜브들을 포함하는 튜브, 상기 튜브와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 복수의 헤드, 복수의 상기 헤드와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 매니폴드, 상기 헤드와 매니폴드를 연결하는 제1 링크 파이프와 제2 링크 파이프를 포함하고, 상기 헤드들은 상기 헤드의 길이방향과 교차하는 방향으로 이격 배치되고, 상기 제1 링크 파이프와 상기 제2 링크 파이프는 서로 경사지게 이어진 제1 경사 링크부 또는 제2 경사 링크부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 헤드들은 서로 평행하게 배치되되, 상기 매니폴드에서 동일한 거리에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 헤드들은 상기 관류형 열교환기의 높이방향으로 이격될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 링크 파이프는 상기 헤드에서 상기 매니폴드를 향하는 방향으로 이어진 제1 연결 링크부와 제1 연결 링크부에서 경사지게 돌출되어 상기 매니폴드에 결합된 제1 경사 링크부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 링크 파이프는 상기 헤드에서 상기 매니폴드를 향하는 방향으로 이어진 제2 연결 링크부와 제2 연결 링크부에서 경사지게 돌출되어 상기 매니폴드에 결합된 제2 경사 링크부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 연결 링크부와 상기 제2 연결 링크부는 서로 평행하게 배치되며, 상기 제1 경사 링크부는 상기 매니폴드에서 하부로 경사지게 이어지고, 상기 제2 경사 링크부는 상기 매니폴드에서 상부로 경사지게 이어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 경사 링크부는 상기 제1 연결 링크부보다 더 큰 외경을 갖는 대경부와 상기 제1 연결 링크와 동일한 내경을 갖는 소경부와 상기 대경부와 상기 소경부를 연결하는 가변관을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 대경부는 상기 매니폴드에 연결되고, 상기 가변관은 상기 대경부에서 소경부로 갈수록 내경이 점진적으로 감소할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 경사 링크부는 상기 제1 연결 링크부보다 더 큰 내경을 갖는 대경부와 상기 제1 연결 링크와 동일한 내경을 갖는 소경부와 상기 대경부와 상기 소경부를 연결하는 가변관을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 관류형 열교환기는 제1 링크 파이프와 제2 링크 파이프가 서로 경사지게 이어진 제1 경사 링크부 또는 제2 경사 링크부를 포함하므로 열응력에 의한 파손을 방지할 수 있다.
또한, 제1 링크 파이프와 제2 링크 파이프가 가변관을 포함하여 열응력에 의한 파손을 더욱 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 발전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배열회수 보일러를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열교환기를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열교환기를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열교환기와 종래의 열교환기의 열응력 분포를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열교환기를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열교환기를 도시한 측면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열교환기와 종래의 열교환기의 열응력 분포를 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 발전 시스템에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 발전 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배열회수 보일러를 도시한 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 복합 발전 시스템(1000)은 복수의 터빈을 포함하여, 전력을 생산한다. 복합 발전 시스템(1000)은 가스 터빈(1200), 스팀 터빈(1600), 제1 발전기(G1), 제2 발전기(G2), 배열회수 보일러(140)를 포함할 수 있다.
본 실시예를 따르는 가스 터빈(1200)은 대기의 공기를 흡입하여 고압으로 압축한 후 정압 환경에서 연료를 연소하여 열에너지를 방출하고, 이 고온의 연소 가스를 팽창시켜 운동에너지로 변환시킨 후에 잔여 에너지를 담은 배기가스를 대기 중으로 방출할 수 있다.
가스 터빈(1200)은 압축기(1210), 연소기(1220), 메인 터빈(1230)을 포함할 수 있다. 가스 터빈(1200)의 압축기(1210)는 외부로부터 공기를 흡입하여 압축할 수 있다. 압축기(1210)는 압축기 블레이드에 의해 압축된 압축 공기를 연소기(1220)에 공급하고, 또한 가스 터빈(1200)에서 냉각이 필요한 고온 영역에 냉각용 공기를 공급할 수 있다.
한편, 연소기(1220)는 압축기(1210)의 출구로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 등압 연소시켜 높은 에너지의 연소 가스를 만들어 낼 수 있다.
연소기(1220)에서 생산된 고온, 고압의 연소가스는 메인 터빈(1230)에 공급된다. 메인 터빈(1230)에서는 연소가스가 단열 팽창하면서 메인 터빈(1230)의 회전축에 방사상으로 배치된 다수의 블레이드에 충돌, 반동력을 줌으로써 연소가스의 열에너지가 회전축이 회전하는 기계적인 에너지로 변환된다. 메인 터빈(1230)에서 얻은 기계적 에너지의 일부는 압축기(1210)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 제1 발전기(G1)를 구동하여 전력을 생산하는 등의 유효 에너지로 활용된다.
메인 터빈(1230)에서 배출된 연소가스는 배열회수 보일러(140)를 통해서 냉각된 후, 정화되어 외부로 배출된다. 배열회수 보일러(140)는 연소 가스를 냉각할 뿐만 아니라 연소 가스의 열을 이용하여 고온 고압의 증기를 생성하여 스팀 터빈(1600)으로 전달한다.
스팀 터빈(1600)은 배열회수 보일러(140)에서 생성된 증기를 이용하여 블레이드를 회전시키며 회전 에너지를 제2 발전기(G2)로 전달한다. 스팀 터빈(1600)은 냉각된 증기를 다시 배열회수 보일러(140)에 공급한다.
가스 터빈(113)에는 제1 발전기(G1)가 연결되고, 스팀 터빈(1600)에는 제2 발전기(G2)가 연결되어 전력을 생산할 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 가스 터빈(113)과 스팀 터빈(1600)이 하나의 발전기가 연결될 수도 있다.
배열회수 보일러(140)에는 증기를 응축하는 응축기와 응축된 급수를 저장하는 응축수 저장조(122)와 응축수 저장조(122)에 저장된 응축수를 배열회수 보일러에 공급하는 응축수 펌프(123)이 설치될 수 있다.
배열회수 보일러(140) 내부를 이동하는 증기는 2 단계 또는 3 단계의 압력을 가질 수 있는데, 이에 따라서 공급수는 2 또는 3 이상의 압력 레벨들로 가압된다. 본 실시예에서는 배열회수 보일러(140)가 3단계의 압력을 갖는 것으로 예시한다.
배열회수 보일러(140)는 상대적으로 낮은 압력을 갖는 저압부(H1), 중간의 압력을 갖는 중압부(H2), 상대적으로 높은 압력을 갖는 고압부(H3)를 포함할 수 있다. 고압부(H3)는 연소가스 유입되는 입구측과 인접하게 배치되어 고온의 연소가스에 의하여 가열되며, 저압부(H1)는 연소가스가 배출되는 출구측과 인접하게 배치되어 저온의 연소가스에 의하여 가열될 수 있다.
배열회수 보일러(140)의 내부에는 응축수 예열기(141), 저압 증발기(142), 중압 절탄기(143), 중압 증발기(144), 고압 절탄기(145), 고압 증발기(146)가 설치된다. 또한, 증발기들의 상류측에는 각각 과열기(미도시)가 추가로 설치될 수 있다. 배열회수 보일러(140)에서 배출된 연소 가스는 스택을 거쳐서 배출될 수 있다.
저압부(H1)는 응축수 예열기(141)와 저압 증발기(142)와 저압 드럼(147)을 포함한다. 응축수 저장조(122)에 저장된 응축수는 응축수 펌프(123)에 의하여 응축수 예열기(141)로 전달되며, 응축수 예열기(141)는 연소 가스와의 열교환을 통해서 응축수를 가열한다. 응축수 예열기(141)에서 가열된 급수는 탈기기(175)로 전달되어 응축수에서 기체가 제거된다.
탈기기(175)에서 저압 드럼(147)으로 급수가 공급되며, 저압 증발기(142)는 저압 드럼(147)에 연결되어 저압 드럼(147)에 저장된 급수를 가열하여 증기로 변환한 후에 저압 드럼(147)에서 기수 분리 후, 과열기로 공급될 수 있다.
한편, 중압부(H2)는 중압 절탄기(143)와 중압 증발기(144)와 중압 드럼(148)을 포함한다. 탈기기(175)의 급수는 중압 펌프(172)에 의하여 중압 절탄기(143)에 공급되며, 중압 절탄기(143)는 연소 가스와의 열교환을 통해서 급수를 가열한다. 중압 절탄기(143)에서 가열된 급수는 중압 드럼(148)으로 공급되며, 중압 증발기(144)는 중압 드럼(148)에 연결되어 중압 드럼(148)에 저장된 급수를 가열하여 증기로 변환한 후에 중압 드럼(148)에서 기수 분리 후, 과열기로 공급될 수 있다.
고압부(H3)는 고압 절탄기(145), 고압 증발기(146), 고압 드럼(149), 및 고압 과열기(178)를 포함한다. 탈기기(175)의 급수는 고압 펌프(173)에 의하여 고압 절탄기(145)에 공급되며, 고압 절탄기(145)는 연소 가스와의 열교환을 통해서 급수를 가열한다. 고압 절탄기(145)에서 가열된 급수는 고압 드럼(149)으로 공급되며, 고압 증발기(146)는 고압 드럼(149)에 연결되어 고압 드럼(149)에 저장된 급수를 가열하여 증기로 변환한 후에 고압 드럼(149)에서 기수 분리후 고압 과열기(178)로 공급될 수 있다.
저압 드럼(147), 중압 드럼(148), 고압 드럼(149)에 저장된 스팀은 각각의 저압, 중압, 및 고압 스팀 터빈들에 공급될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열교환기를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열교환기를 도시한 측면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 열교환기는 관류형 열교환기로 이루어지며, 특히 배열회수 보일러(140)에 적용되는 수직 관류형 열교환기로 이루어질 수 있다. 또한, 열교환기(150)는 고압부(H3)의 고압 과열기(178)로 이루어질 수 있다.
열교환기(150)는 튜브(156, 157), 헤드(155), 제1 링크 파이프(152), 제2 링크 파이프(153), 매니폴드(151)를 포함할 수 있다. 열교환기(150)는 복수의 튜브(157)를 포함하며, 튜브(156)들을 따라 이동하는 증기는 고온의 연소가스에 의하여 가열될 수 있다.
하나의 헤드(155)에는 제1 튜브(156)와 제2 튜브(157)가 결합되며, 제1 튜브(156)는 헤드(155)에서 상부로 돌출되고, 제2 튜브(157)는 헤드(155)에서 하부로 돌출될 수 있다. 제1 튜브(156)는 헤드(155)에서 하부로 경사지게 돌출된 제1 경사 연결부(156a)와 제1 경사 연결부(156a)에서 굴곡되어 지면에 수평 방향으로 이어진 제1 연장부(156b)를 포함할 수 있다. 제2 튜브(157)는 헤드(155)에서 상부로 경사지게 돌출된 제2 경사 연결부(157a)와 제2 경사 연결부(157a)에서 굴곡되어 지면에 수평방향으로 이어진 제2 연장부(157b)를 포함할 수 있다.
헤드(155)는 복수의 튜브(156, 157)과 연결되어 튜브(156, 157)에서 전달된 증기를 수용한다. 헤드(155)는 매니폴드(151)와 평행하게 이어진 관으로 이루어질 수 있으며, 길이방향 양쪽 단부가 막힌 구조로 이루어진다.
복수의 헤드(155)는 서로 평행하게 배치되며, 매니폴드(151)에서 동일한 거리로 이격될 수 있다. 또한, 헤드(155)들은 관류형 열교환기의 높이방향으로 이격될 수 있다.
제1 링크 파이프(152)는 헤드(155)에서 매니폴드(151)를 향하는 방향으로 이어진 제1 연결 링크부(152b)와 제1 연결 링크부(152b)에서 경사지게 돌출되어 매니폴드(151)에 결합된 제1 경사 링크부(152a)를 포함할 수 있다. 제1 링크 파이프(152)의 외경은 튜브(156, 157)의 외경보다 더 크게 형성되며, 제1 링크 파이프(152)의 두께는 튜브의 두께보다 더 크게 형성될 수 있다.
제2 링크 파이프(153)는 헤드에서 매니폴드(151)를 향하는 방향으로 이어진 제2 연결 링크부(153b)와 제2 연결 링크부(153b)에서 경사지게 돌출되어 매니폴드(151)에 결합된 제2 경사 링크부(153a)를 포함할 수 있다. 제2 링크 파이프(153)의 외경은 튜브(156, 157)의 외경보다 더 크게 형성되며, 제2 링크 파이프(153)의 두께는 튜브(156, 157)의 두께보다 더 크게 형성될 수 있다.
제1 연결 링크부(152b)와 제2 연결 링크부(153b)는 서로 평행하게 배치되며, 제1 경사 링크부(152a)는 제2 경사 링크부(153a)에 대하여 기 설정된 경사각(A11)으로 경사지게 이어질 수 있다. 제1 경사 링크부(152a)는 매니폴드(151)에서 하부로 경사지게 이어지고, 제2 경사 링크부(153a)는 매니폴드(151)에서 상부로 경사지게 이어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열교환기와 종래의 열교환기의 열응력 분포를 비교한 그래프이다.
종래의 열교환기는 튜브들이 매니폴드에 직접 연결된 구조로 이루어지는데, 도 5에 도시된 바와 같이 종래의 열교환기는 매니폴드와 튜브가 연결된 분분에서 큰 열응력이 발생하고 외표면과 인접에도 열응력이 큰 것을 수 있다. 그러나 본 실시예에 따른 열교환기(150)는 제1 링크 파이프(152)와 매니폴드(151)가 연결된 부분에서 열응력이 큰 부분이 발생되나, 내측 일부에서만 큰 열응력이 발생하며, 두께의 절반 미만인 부분에서 열응력이 크며, 외표면에서는 열응력이 매우 크게 감소하였다.
특히, 제1 경사 연결부(156a)와 제2 경사 연결부(157a)가 서로 다른 방향으로 경사지게 형성되므로 매니폴드(151)로 유입되는 증기들이 서로 교차하는 방향으로 유입되어 매니폴드(151) 내부에서 균일하게 혼합되고 일부분에 열이 집중되는 것을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 실시예에 따른 열교환기(150)는 열응력에 의하여 배관들이 파손되는 것을 현저히 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열교환기에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열교환기를 도시한 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열교환기를 도시한 측면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 열교환기(160)는 열교환기(160)는 튜브(166), 헤드(165), 제1 링크 파이프(162), 제2 링크 파이프(163), 매니폴드(161)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 열교환기(160)는 제1 링크 파이프(162), 제2 링크 파이프(163)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 열교환기와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
하나의 헤드에는 제1 튜브(166)와 제2 튜브(167)가 결합되며, 제1 튜브(166)는 헤드(165)에서 상부로 돌출되고, 제2 튜브(167)는 헤드(165)에서 하부로 돌출될 수 있다. 제1 튜브(166)는 헤드(165)에서 상부로 경사지게 돌출된 제1 경사 연결부(166a)와 제1 경사 연결부(166a)에서 굴곡되어 수평 방향으로 이어진 제1 연장부(166b)를 포함할 수 있다. 제2 튜브(167)는 헤드(165)에서 하부로 경사지게 돌출된 제2 경사 연결부(167a)와 제2 경사 연결부(167a)에서 굴곡되어 수평방향으로 이어진 제2 연장부(167b)를 포함할 수 있다.
제1 링크 파이프(162)는 헤드에서 매니폴드를 향하는 방향으로 이어진 제1 연결 링크부(162b)와 제1 연결 링크부(162b)에서 경사지게 돌출되어 매니폴드(161)에 결합된 제1 경사 링크부(162a)를 포함할 수 있다.
또한, 제1 경사 링크부(162a)는 제1 연결 링크부(162b)보다 더 큰 내경을 갖는 대경부(162aa)와 상기 제1 연결 링크부(162b)와 동일한 내경을 갖는 소경부(162ac)와 대경부(162aa)와 소경부(162ac)를 연결하는 가변관(162ab)을 포함할 수 있다. 대경부(162aa)는 매니폴드(161)에 연결되고, 가변관(162ab)은 대경부(162aa)에서 소경부(162ac)로 갈수록 내경 및 외경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.
한편, 제2 링크 파이프(163)는 헤드(165)에서 매니폴드(161)를 향하는 방향으로 이어진 제2 연결 링크부(163b)와 제2 연결 링크부(163b)에서 경사지게 돌출되어 매니폴드(161)에 결합된 제2 경사 링크부(163a)를 포함할 수 있다. 제2 링크 파이프(163)의 외경은 튜브(166, 167)의 외경보다 더 크게 형성되며, 제2 링크 파이프(163)의 두께는 튜브(166, 167)의 두께보다 더 크게 형성될 수 있다.
제1 연결 링크부(162b)와 제2 연결 링크부(163b)는 서로 평행하게 배치되며, 제1 경사 링크부(162a)는 제2 경사 링크부(163a)에 대하여 기 설정된 경사각(A11)으로 경사지게 이어질 수 있다. 제1 경사 링크부(162a)는 매니폴드(161)에서 하부로 경사지게 이어지고, 제2 경사 링크부(163a)는 매니폴드(161)에서 상부로 경사지게 이어질 수 있다.
또한, 제2 경사 링크부(163a)는 제2 연결 링크부(163b)보다 더 큰 내경을 갖는 대경부(163aa)와 상기 제2 연결 링크부(163b)와 동일한 내경을 갖는 소경부(163ac)와 대경부(163aa)와 소경부(163ac)를 연결하는 가변관(163ab)을 포함할 수 있다. 대경부(163aa)는 매니폴드(161)에 연결되고, 가변관(163ab)은 대경부(163aa)에서 소경부(163ac)로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열교환기와 종래의 열교환기의 열응력 분포를 비교한 그래프이다.
종래의 열교환기는 튜브들이 매니폴드에 직접 연결된 구조로 이루어지는데, 도 8에 도시된 바와 같이 종래의 열교환기는 매니폴드와 튜브가 연결된 분분에서 큰 열응력이 발생하고 외표면과 인접에도 열응력이 큰 것을 수 있다. 그러나 본 실시예에 따른 열교환기(160)는 제1 링크 파이프(162)와 매니폴드(1)가 연결된 부분에서 열응력이 발생되나, 내측 국소 부분에서만 큰 열응력이 발생하며, 대부분의 연결부분에서 작은 열응력만 발생하였다.
특히, 제1 연결 링크부(162b)와 제2 연결 링크부(163b)가 가변관(162ab)을 포함하므로 가변관(162ab)에서 증기의 압력 및 속도가 감소하여 종래에 비하여 열응력 및 열적 손상이 현저히 감소될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000: 복합 발전 시스템
1200: 가스 터빈
1210: 압축기
1220: 연소기
1230: 메인 터빈
1600: 스팀 터빈
122: 응축수 저장조
123: 응축수 펌프
140: 배열회수 보일러
141: 응축수 예열기
142: 저압 증발기
143: 중압 절탄기
144: 중압 증발기
145: 고압 절탄기
146: 고압 증발기
147: 저압 드럼
148: 중압 드럼
149: 고압 드럼
150, 160: 열교환기
151, 161: 매니폴드
152, 162: 제1 링크 파이프
152a, 162a: 제1 경사 링크부
152b, 162b: 제1 연결 링크부
153, 163: 제2 링크 파이프
153a, 163a: 제2 경사 링크부
153b, 163b: 제2 연결 링크부
155, 165: 헤드
156, 166: 제1 튜브
156a, 166a: 제1 경사 연결부
156b, 166b: 제1 연장부
157, 167: 제2 튜브
157a, 167a: 제2 경사 연결부
157b, 167b: 제2 연장부
172: 중압 펌프
173: 고압 펌프
175: 탈기기
178: 고압 과열기

Claims (18)

  1. 복수의 튜브들을 포함하는 튜브;
    상기 튜브와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 복수의 헤드;
    복수의 상기 헤드와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 매니폴드;
    상기 헤드와 매니폴드를 연결하는 제1 링크 파이프와 제2 링크 파이프;
    를 포함하고,
    상기 헤드들은 상기 헤드의 길이방향과 교차하는 방향으로 이격 배치되고,
    상기 제1 링크 파이프와 상기 제2 링크 파이프는 서로 경사지게 이어진 제1 경사 링크부 또는 제2 경사 링크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관류형 열교환기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 헤드들은 서로 평행하게 배치되되, 상기 매니폴드에서 동일한 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 관류형 열교환기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 헤드들은 상기 관류형 열교환기의 높이방향으로 이격된 것을 특징으로 하는 관류형 열교환기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 링크 파이프는 상기 헤드에서 상기 매니폴드를 향하는 방향으로 이어진 제1 연결 링크부와 제1 연결 링크부에서 경사지게 돌출되어 상기 매니폴드에 결합된 제1 경사 링크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관류형 열교환기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 링크 파이프는 상기 헤드에서 상기 매니폴드를 향하는 방향으로 이어진 제2 연결 링크부와 제2 연결 링크부에서 경사지게 돌출되어 상기 매니폴드에 결합된 제2 경사 링크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관류형 열교환기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 연결 링크부와 상기 제2 연결 링크부는 서로 평행하게 배치되며, 상기 제1 경사 링크부는 상기 매니폴드에서 하부로 경사지게 이어지고, 상기 제2 경사 링크부는 상기 매니폴드에서 상부로 경사지게 이어진 것을 특징으로 하는 관류형 열교환기.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 경사 링크부는 상기 제1 연결 링크부보다 더 큰 외경을 갖는 대경부와 상기 제1 연결 링크와 동일한 내경을 갖는 소경부와 상기 대경부와 상기 소경부를 연결하는 가변관을 포함하는 것을 특징으로 하는 관류형 열교환기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 대경부는 상기 매니폴드에 연결되고, 상기 가변관은 상기 대경부에서 소경부로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 관류형 열교환기.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 경사 링크부는 상기 제1 연결 링크부보다 더 큰 내경을 갖는 대경부와 상기 제1 연결 링크와 동일한 내경을 갖는 소경부와 상기 대경부와 상기 소경부를 연결하는 가변관을 포함하는 것을 특징으로 하는 관류형 열교환기.
  10. 연료를 연소하여 회전력을 발생시키는 가스 터빈;
    상기 가스 터빈에서 배출되는 연소 가스를 이용하여 급수를 가열하며 압력 레벨이 서로 상이한 고압부, 중압부, 저압부를 갖는 배열회수 보일러;
    상기 배열회수 보일러에서 가열된 증기를 증기 터빈
    을 포함하고,
    상기 배열회수 보일러는 복수의 열교환기를 포함하며,
    상기 열교환기는
    복수의 튜브들을 포함하는 튜브;
    상기 튜브와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 복수의 헤드;
    복수의 상기 헤드와 연결되어 가열된 증기를 수용하는 매니폴드;
    상기 헤드와 매니폴드를 연결하는 제1 링크 파이프와 제2 링크 파이프;
    를 포함하고,
    상기 헤드들은 상기 헤드의 길이방향과 교차하는 방향으로 이격 배치되고,
    상기 제1 링크 파이프와 상기 제2 링크 파이프는 서로 경사지게 이어진 제1 경사 링크부 또는 제2 경사 링크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 헤드들은 서로 평행하게 배치되되, 상기 매니폴드에서 동일한 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 헤드들은 상기 관류형 열교환기의 높이방향으로 이격된 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 링크 파이프는 상기 헤드에서 상기 매니폴드를 향하는 방향으로 이어진 제1 연결 링크부와 제1 연결 링크부에서 경사지게 돌출되어 상기 매니폴드에 결합된 제1 경사 링크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 링크 파이프는 상기 헤드에서 상기 매니폴드를 향하는 방향으로 이어진 제2 연결 링크부와 제2 연결 링크부에서 경사지게 돌출되어 상기 매니폴드에 결합된 제2 경사 링크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 연결 링크부와 상기 제2 연결 링크부는 서로 평행하게 배치되며, 상기 제1 경사 링크부는 상기 매니폴드에서 하부로 경사지게 이어지고, 상기 제2 경사 링크부는 상기 매니폴드에서 상부로 경사지게 이어진 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 경사 링크부는 상기 제1 연결 링크부보다 더 큰 외경을 갖는 대경부와 상기 제1 연결 링크와 동일한 내경을 갖는 소경부와 상기 대경부와 상기 소경부를 연결하는 가변관을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 대경부는 상기 매니폴드에 연결되고, 상기 가변관은 상기 대경부에서 소경부로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
  18. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 경사 링크부는 상기 제1 연결 링크부보다 더 큰 내경을 갖는 대경부와 상기 제1 연결 링크와 동일한 내경을 갖는 소경부와 상기 대경부와 상기 소경부를 연결하는 가변관을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
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