Heat Recovery Steam Generator 2009. 11. DAEKYUNG MACHNERY & ENGINEERING CO., LTD ENERGY PLANT DIVISION

Contents 복합발전 시스템의 개요 1 HRSG의 개요 2 HRSG의 형식 및 분류 3 HRSG 기본 구조 4 5 6 HRSG 공정 흐름도 7 HRSG 설계 시 주요 고려 사항 8 MODULE 주요 구성 9 주요 부대 설비 10 MODULE 현장 설치 공정 www.dkme.com

1. 복합발전시스템의 개요 복합발전시스템(Combined Cycle Power Plant)의 정의 둘 이상의 발전 사이클을 결합시켜 단일사이클에서 도달할 수 없는 높은 열효율을 얻기 위한 발전시스템 1차 발전사이클인 가스터빈의 배열을 HRSG에서 증기로 전환하여 2차 발전 사이클인 증기터빈에서 회수하는 시스템 환경에 미치는 영향이 적고, 가동 및 부하 추종성이 우수하다는 등의 많은 장점 보유. www.dkme.com

1. 복합발전시스템의 개요 발전 방식에 따른 분류 단순배열회수식 배기재연식 배기조연식 과급보일러식 단순 배열회수식 : 가스터빈의 배기 가스 열만을 이용하는 방식 배기 조연식 : 조연장치를 설치, 증기 조건 향상 배기 재연식 : 기력 발전의 연소용 공기로 가스터빈의 배기를 이용하는 방식 과급 보일러식 : 가스터빈공기로 가압보일러 연소 후 가스터빈에 도입하여 발전 단순배열회수식 배기재연식 배기조연식 과급보일러식 www.dkme.com

2. HRSG의 개요 HRSG (Heat Recovery Steam Generator) 가스 터빈 배출가스의 여열을 회수하여 발전용 및 공정용 증기를 발생시키는 열기기 www.dkme.com

3. HRSG의 형식 및 분류 사용 압력구성에 따른 분류 단 압 식 복 압 식 단압식 (Single Pressure System) 하나의 주증기 압력을 갖는 방식 낮은 온도 범위의 열 회수가 곤란, Stack에서의 온도가 높음 증기 계통, 급수 계통이 간단하며, 이용률이 낮은 지역에 채택 복압식 (Multiple Pressure System) 열 회수율을 높이기 위해 이중압 또는 삼중압으로 분리하여 회수 압력별로 각각 다른 온도이므로 열 회수 범위가 넓음 단 압 식 복 압 식 www.dkme.com

3. HRSG의 형식 및 분류 보일러수 순환 방식 자연 순환식 (Natural Circulation) 7 7 3. HRSG의 형식 및 분류 보일러수 순환 방식 자연 순환식 (Natural Circulation) 급수와 기수 혼합물과의 밀도 차에 의하여 순환 발생하며, 기동시간이 느림 순환비는 하강관, 상승관, Header와 드럼에 의해서 결정됨 강제 순환식 (Forced Circulation) 증발기에 순환펌프 설치하여 보일러 수를 강제 순환시키는 방식 순환펌프 고장 시 출력 감발 / 유지 보수가 용이하지 않음 www.dkme.com 7 7

3. HRSG의 형식 및 분류 설치방식에 따른 분류 항 목 횡치형(Horizontal) 입치형(Vertical) 비 고 가 스 흐 름 수 평 수 직 Tube 배열 순 환 방 식 자 연 순 환 강 제 순 환 순환펌프 본체 지지 하 부 상 부 설 치 공 간 넓 음 협 소 설 치 비 적 음 많 음 대형크레인 필요 압력부설치 헤더와 튜브 직접 연결 리턴 Bend로 연결 유 지 보 수 간편함 어려움 기 동 시 간 상대적으로 길다 약간 짧다 운 전 비 용 낮 음 높 음 동력비 소 음 중 량 무거움 철골중량이 많음 Piping 간단함 복잡함 순환라인 V/V ※Note) 상기 내용은 일반적인 형태를 표현한 것으로 설계에 따라서 변동될 수 있음. www.dkme.com

3. HRSG의 형식 및 분류 수평 HRSG 특징 – DKME 채택 방식 HRSG내로 유입되는 배기가스의 흐름이 수평 (Horizontal) 방향인 HRSG를 말한다. 전열관 배열 방향은 연소가스 흐름 방향과 직각을 이루며, 수직 방향을 이룬다. 수평형 HRSG는 통상 자연 순환식 (Natural Circulation) 증발기 (Evaporator)를 채택한다. HRSG 내압부를 상부(Top)에서 지지 (Support)하나, 본체는 하부 (Bottom)에서 지지한다. 수평형 HRSG는 수직형 대비 설치비가 저렴하고, 설치기간이 짧으며, 설치 면적은 넓다. www.dkme.com

3. HRSG의 형식 및 분류 보일러수 순환 방식 Fin 형태 자연 순환식 (Natural Circulation ) 급수와 기수 혼합물과의 밀도 차에 의하여 순환 발생하며, 기동시간이 느림 순환비는 하강관, 상승관, Header와 드럼에 의해서 결정됨 강제 순환식 (Forced Circulation ) 증발기에 순환펌프 설치하여 보일러 수를 강제 순환시키는 방식 순환펌프 고장 시 출력 감발 / 유지 보수가 용이하지 않음 Fin 형태 ◇ Serrated Fin 전열효율이 큼(전열면적 대비 약 10% 감소) ◇ Solid Fin 전열효율이 상대적으로 작음 www.dkme.com

4. HRSG 기본구조 DH Economizer #1 (Module #6) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 HP SEC. Superheater (Module #1) HP PRIM. Superheater (Module #1) HP Evaporator (Module #1) SCR (Module #2) HP 2 SEC Economizer (Module #3) LP Evaporator (Module #4) HP Prim Economize (Module #5) DH Economizer #1 (Module #6) DH Economizer #2 (Module #7) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 www.dkme.com

급수를 가열하여 Mixture(물+증기) 발생 5. HRSG의 구성 Evaporator(증발기)로부터 물을 흡수하여 증기 발생 증기 터빈 Drum Pri. Sec. 포화증기를 가열하여 과열증기를 생산 SuperHeater (과열기) 급수를 가열하여 Mixture(물+증기) 발생 Evaporator (증발기) 급수를 예열하여 효율 증대 Economizer (절탄기) G/T Flue Gas De-Superheater(과열저감기)  과열증기의 목표 온도 조절 급수 펌프 DTR www.dkme.com

6. HRSG 공정 흐름도 www.dkme.com

7. HRSG 설계 시 주요 고려사항 HRSG 설계 주요인자 항 목 내 용 비 고 A. Gas Turbine Source Exhaust Flue Gas Flow Rate Exhaust Flue Gas Temperature Exhaust Flue Gas Composition (CO2, H2O, O2, N2, Ar) Client 제공 B. Steam / Water Demand Steam Pressure Demand Steam Temperature Feed water Temperature C. HRSG Type HRSG Type Module 배열 순서 (S/H-Eva-Eco) D. Performance Data Pinch Point & Approach Temperature Water / Steam Velocity Gas Side Pressure Drop Dew Point Temperature Flow Type (Counter / Parallel Flow) Fouling Factor E. Heating Surface Tube Diameter / Thickness Tube / Fin Material Fin Type (Serrated / Solid / Bare) Tube Arrangement / Tube Pitch Fin Height / Thickness / Density / Segment www.dkme.com

7. HRSG 설계 시 주요 고려사항 Pinch & Approach Temperature 선정 적정 Pinch Point : 6~10℃  HRSG 성능 및 전열면적에 직결 적정 Approach Point : 8~12℃  운전 가능여부에 직결 그림. T-Q 선도 www.dkme.com

Gas Design Temperature 7. HRSG 설계 시 주요 고려사항 주요부 재질 선정 Gas Design Temperature Tube Fin Liner Baffle Vibration Support 900 – 1000 ℃ - 309SS 700 – 900 ℃ A213 TP304H A213 T91 304SS 409SS 590 – 700 ℃ A213 T22 480 – 550 ℃ A213 T12 A213 T11 430 – 480 ℃ Carbon Steel 430 ℃ 이하 A178. Gr.C A1009 SS400 주) 상기 재질은 Steam / Water 온도에 따라 다음과 같은 기준으로 선정되므로 System에 따라 변경 될 수 있다. 1. Tube 재질은 Mean Metal Temp.(평균 금속 온도) 산정 값을 기준하여 선정한다. 2. Fin 재질은 Fin Tip Temp.(핀 끝단부 온도) 산정 값을 기준하여 선정한다. www.dkme.com

7. HRSG 설계 시 주요 고려사항 Fin Type 선정 Serrated Fin Tube 청정연료인 경우 – LNG, 경유(No.2) 등 전열효율이 높음 – Solid의 약 110% Solid Fin Tube 오염도가 있는 연료 - 경유, 중유 등 전열효율이 낮음 Bare Tube 오염도가 아주 높은 경우 – 고유황 중유 등 전열효율이 매우 낮음 Fin Density LNG : ~7Fins/inch Light Distillate : ~6Fins/inch No.2 Oil : ~5Fins/inch Heavy Oil (No.6): ~3.5 Fins/inch Serrated Fin Tube Solid Fin Tube www.dkme.com

7. HRSG 설계 시 주요 고려사항 HRSG Design Check Point A. Thermal Calculation (열정산) On / Off Design 점검 (Pinch & Approach Point Temperature) B. Gas Side Draft Loss (가스측 통풍손실) Gas Side의 압력 강하 점검 (Gas Turbine에 영향) C. Fluid Dynamic Analysis (유동 해석) Gas Turbine에서 배출된 Gas가 균일하게 HRSG에 분포되는가를 점검 D. Emission (환경 오염) NOx를 점검하여 SCR 설치 여부 판단 E. Vibration / Noise (진동 / 소음) 진동과 소음을 점검하여 Support 설치 여부 판단 F. Circulation Ratio (순환비) Evaporator에서 순환비 점검 G. Drum Capacity (드럼 용량) 증발량을 고려하여 드럼의 크기를 결정 (증발면, 증기실 부하) H. Code Calculation (강도 계산) Tube / Header / Drum등의 강도 계산 www.dkme.com

8. MODULE 주요 구성 Module 구조 – 소형 HRSG www.dkme.com

8. MODULE 주요 구성 Module 구조 – 중대형 HRSG www.dkme.com

8. MODULE 주요 구성 HARP 상세 구조 상-하부 헤더, Tube, 상-하부 노즐로 구성된 일체를 말함 www.dkme.com

8. MODULE 주요 구성 - SIDE CASING 상세구조 www.dkme.com

8. MODULE 주요 구성 - SIDE CASING 상세구조 케이싱 플레이트(Casing Plate) 고온의 가스의 Leakage 를 방지하고 내부 압력 및 외력에 대한 안정성을 유지하는 구조물. 보온재(Insulation) 고온의 가스에 대한 열을 차단하는 재료로서 광물질을 섬유화하여 사용 (Ceramic Fiber) 라이너(Liner) 가스의 흐름에 대하여 보온재를 보호함.고온에 노출되므로 열팽창에 자유롭게 거동할 수 있도록 설계. 스터드&와셔(Stud & Washer) Liner 의 위치를 유지하기 위한 Bolt/Nut 로 Casing Plate에 부착 www.dkme.com

9. 주요 부대 설비 - 탈기기 탈기기 급수계통의 부식을 유발하여 배관 계통 및 전체 설비의 급격한 수명 저하를 초래하게 만드는 용존 산소와 이산화탄소를 제거하기 위한 설비 Boiler Feed Water를 필요한 온도까지 예열시키는 Feed Water Heater로서의 역할도 겸하게 되어 설비 전체의 효율을 증가시킴. 탈기기의 종류 일체형(Integral) 저장 탱크와 Steam Drum의 역할 병행 단독형(Seperated) 탈기기 및 저장탱크 역할만 수행 www.dkme.com

9. 주요 부대 설비 - 조연설비 조연설비의 기본구성 Duct Burner본체 (Pilot Burner, Flame Scanner 등 포함) Element (Runner) Pilot Gas Train Cooling air blower (air 배관 포함) Start-up Panel 기타 필요 설비 www.dkme.com

9. 주요 부대 설비 - 조연버너 선정기준 Gas Turbine Exhaust Gas 의 산소 농도 운전유지비 절감 Exhaust Gas의 조성성분에 O2량이 10.5%이상 일 때 별도의 연소공기가 필요 없는 구조인 Duct Burner 를 선정함. 운전유지비 절감 별도의 연소용 송풍기가 필요 없기 때문에 동력소요비 및 설치비가 절감됨. Flame Length 및 균일한 열 발생 각 분배된 Module에 다량의 Nozzle Hole가공 Type이므로 다른 산업용 버너보다 화염길이가 짧고, 균일한 온도의 열 생산이 가능함. Turndown Ratio 운전 부하 10:1 이상 가능함. Low NOx Burning 추가 연소용 공기가 필요 없는 Type 이므로 일반 산업용 버너보다 Nox 발생량이 현저히 적음. www.dkme.com

9. 주요 부대 설비 - SCR(선택적 촉매 환원법) 개요 SCR(선택적 촉매환원) Process는 공정상에서 발생하는 배기가스 중에 포함된 질소산화물 (NOx)을 암모니아(NH3)와 같은 환원제를 사용하여 촉매와 반응하여 무해한 질소(N2)와 수증기(H2O)로 변환시켜 배출하는 방법이다. 반응식 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 고려사항 NOx 제거 효율 촉매 구조 촉매 배치 SO2 SO3 Conversion Ratio 운전 온도 압력 손실 배기가스 유속 www.dkme.com

10. MODULE 현장 설치 공정 www.dkme.com

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