(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）であって、
入口、出口、及び前記入口と前記出口との間にガス流を上流側の前記入口から下流側の前記出口に向かわせる内部排気流路を備えるケーシングと；
前記入口から下流側の前記ケーシング内に位置する高圧エコノマイザと；
前記高圧エコノマイザの上流側に位置する貫流型蒸気発生器（「ＯＴＳＧ」）システムと；を備え、
前記貫流型蒸気発生器システムは、
前記高圧エコノマイザに流体フロー接続される流体入口ヘッダ管路と；
流体出口ヘッダ管路と；
個別の蛇行管路で構成される複数の蛇行管グループであって、前記個別の蛇行管路は、前記流体入口ヘッダ管路に流体フロー接続される入口端部、及び前記流体出口ヘッダ管路に流体フロー接続される出口端部を有する、複数の蛇行管グループと；
前記個別の蛇行管路は、複数の略直線状の垂直部分、一対の対応する垂直部分の上部に流体フロー接続される複数の湾曲した上部部分、及び一対の対応する垂直部分の下部に流体フロー接続される複数の湾曲した下部部分を有し；
入口端部及び出口端部を各々備える複数の中間均等化管路であって、各々の中間均等化管路は、個別の蛇行管路の対応する下方湾曲部分に接続され、かつ、前記複数の中間均等化管路の入口端部が、個別の蛇行管路の対応する下方湾曲部分に流体フロー接続される、複数の中間均等化管路と、
均等化ヘッダ管路であって、前記中間均等化管路の前記出口端部は、前記均等化ヘッダ管路に流体フロー接続される、均等化ヘッダ管路と；
を含む熱回収蒸気発生器。
【請求項２】
前記蛇行管路の湾曲した下部部分は、Ｕベンド構造を有し、
前記中間均等化管路は、前記熱回収蒸気発生器に対して略垂直に指向され、
前記中間均等化管路の入口端部は、前記Ｕベンド構造の下部で各々のＵベンド部分に接続される、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項３】
前記個別の蛇行管路は内径を有し、
前記中間均等化管路は内径を有し、
前記個別の蛇行管路の前記内径に対する前記複数の中間均等化管路の前記内径の比は１／３から１／２である、請求項２に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項４】
均等化ヘッダ管路に流体フロー接続される入口端部を有する排水管路をさらに備え、前記排水管路は、前記均等化ヘッダ管路に対して下方に延びる部分と、前記排水管路と共に配置されて前記排水管路を介した流れを遮断するための第１位置に配置されるように、かつ、前記排水管路を介した流れを許容するための第２位置に配置されるように構成されるバルブと、を備える、請求項２に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項５】
前記排水管路は、前記熱回収蒸気発生器に対して垂直に配向されている、請求項４に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項６】
複数の排水管路と、複数の均等化ヘッダ管路と、一対の排水管路に流体フロー接続される排水バイパス管路をさらに備える、請求項４に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項７】
前記排水バイパス管路は、隣接した排水管路に流体フロー接続される、請求項６に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項８】
個別の蛇行管路の前記複数の略直線状の垂直部分は、前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路に対して横方向に整列された異なる個別の蛇行管路の垂直部分と整列し、整列した垂直部分によって形成される複数の列が互いに整列する、請求項２に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項９】
個別の蛇行管路の流体流路に位置する流量制限装置を備え、
前記流量制限装置は、各個別の蛇行管路の内径より小さい内径を有する、請求項４に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１０】
前記個別の蛇行管路の前記入口端部に流体フロー接続される第１垂直部分となるように配置される垂直部分を有する各個別の管路を備え、
前記第１垂直部分に位置し、前記第１垂直部分に流体フロー接続される流量制限装置をさらに備え、
前記流量制限装置は、各個別の蛇行管路の内径より小さい内径を有する、請求項４に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１１】
前記第１垂直部分は、中間部分を有し、
前記流量制限装置は、前記個別の管路の前記入口端部と、前記第１垂直部分の前記中間部分との間に配置される、請求項１０に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１２】
前記流体入口ヘッダ管路は、前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路内の前記流体出口ヘッダ管路の下流に配置される、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１３】
前記流体入口ヘッダ管路は、前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路内の前記流体出口ヘッダ管路から上流に位置する、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１４】
個別の蛇行管路内の前記垂直部分は、前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路の略長手方向に整列され、前の垂直部分から前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路の下流に順次配置され、
前記垂直部分の１つが、前記垂直部分から前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路の最も遠い上流に配置され、他の１つの垂直部分は、前記垂直部分から最も遠い下流に配置され、
前記流体入口ヘッダ管路は、前記最も遠い上流及び下流の管部分の間の位置で個別の蛇行管路にフロー接続されるように接続され、
前記個別の蛇行管路は、ループバック部分を含み、流体は、前記蛇行管路を介して前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路の下流並流方向の第１方向に流れることができ、それにより、前記ループバック部分を介して流れて、前記蛇行管路を介して前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路の上流向流方向の第２方向の前記流体出口ヘッダ管路に流れる、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１５】
前記個別の蛇行管路のそれぞれが、複数の略直線状の垂直部分のうちの第１垂直部分を有し、
前記流体入口ヘッダ管路は、前記第１垂直部分の下に配置され、流体は前記第１垂直部分に向かって略上向流する、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１６】
前記個別の蛇行管路のそれぞれが、複数の略直線状の垂直部分のうちの第１垂直部分を有し、
前記流体入口ヘッダ管路は、前記第１垂直部分の上に配置され、流体は前記第１垂直部分に向かって略下向流する、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１７】
前記個別の蛇行管路内の前記垂直部分の配列を含み、
前記内部排気流路内の長手方向に交互のオフセットパターンで千鳥状に配置され、隣接する垂直部分の長手方向の下流の垂直部分は、垂直部分が長手方向に整列しないように、交互のパターンで長手方向にオフセットされている、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１８】
個別の蛇行管路内の前記垂直部分の配列のパターンを含み、
前記垂直部分の配列のパターンにおいて、前記個別の蛇行管路内の前記垂直部分の第１グループは、互いに前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路の長手方向に整列し、前記垂直部分の第２グループは、互いに前記熱回収蒸気発生器の内部排気流路の長手方向に整列し、前記第１グループ及び第２グループは、互いに対して前記長手方向にオフセットされる、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項１９】
前記内部排気流路の長手方向に互いに長手方向に整列している個別の蛇行管路内の前記垂直部分を含む、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項２０】
前記中間均等化管路は、該中間均等化管路の均等化ヘッダ管路の各々への入口接続部に対して、横方向及び下方向に延びるように屈曲するオフセット拡張部分を含む、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項２１】
前記オフセット拡張部分は屈曲部分を有する、請求項２０に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項２２】
前記屈曲部分は、略「Ｃ」、「Ｖ」、「Ｕ」、及び「Ｌ」字形状からなるグループから選択される形状を有する、請求項２１に記載の熱回収蒸気発生器。
【請求項２３】
熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）を作動する方法であって、
前記熱回収蒸気発生器は、前記熱回収蒸気発生器の内部長手方向排気流路内に複数の蛇行管路を有する貫流型蒸気発生器（「ＯＴＳＧ」）システムを有し、前記複数の蛇行管路は、略直線状の垂直部分に流体フロー接続される下部及び上部の湾曲した部分を有し、前記蛇行管路は、前記熱回収蒸気発生器を介した内部排気ガス流に整列してその長手方向に延び、
高圧流体が入口ヘッダ管路に流れ、そこから前記複数の蛇行管路を介して流れる工程と；
前記複数の蛇行管路の略直線状の垂直部分に向かって流れる流体から前記複数の蛇行管路の下部湾曲部分を流れる流体を分離する工程と；
前記下部湾曲部分にフロー接続される第１管路を介して前記下部湾曲部分から前記分離した流体を流す工程と；
前記第１管路にフロー接続される第２流体ヘッダ管路を介して前記複数の蛇行管路の間の圧力及び温度差の均衡を合わせる工程と；
前記蛇行管路から出口ヘッダ管路に流体を排出する工程と；
を含む熱回収蒸気発生器を作動する方法。
【請求項２４】
流体が前記熱回収蒸気発生器の内部長手方向排気流路内に位置する高圧エコノマイザから前記入口ヘッダ管路に流れる工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
流体が前記下部湾曲部分を介して略Ｕ字状流路内を流れる工程と；
前記Ｕ字状流路の略底部で発生する流体の流れから液体の流れを分離する工程と；
をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記流体が液体を含む前記第１管路を介して流れる工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記流体が前記第１管路を介して前記下部湾曲部分から前記第２流体ヘッダ管路に略下向きに流れる工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記蛇行管路内で前記流体圧力を減少するために前記蛇行管路の部分を介した前記流体の流れを制限する工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記複数の蛇行管路の間で流体分配を強制するように前記蛇行管路の部分を介して前記流体の流れを制限する工程をさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２流体ヘッダ管路から液体を排水する工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
排水管路及び少なくとも２つの排水管路が流体フロー接続されるバイパス管路を介して液体を排水する工程と；
流体が前記少なくとも２つの相互接続される排水管路の間で前記バイパス管路を介して流れる工程と；をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１管路から前記第２流体ヘッダ管路へ流体を非線型的に流す工程をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記流体が熱回収蒸気発生器の内部長手方向排気流路内の前記蛇行管路を介して移動するときに、流体が流れの長手方向に千鳥状に配置された個別の蛇行管路を介して流れる工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記内部排気ガス流が前記熱回収蒸気発生器の内部長手方向排気流路を介して移動するときに、流体が略直線状の長手方向に整列した流路内の個別の蛇行管路を介して流れる工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３５】
少なくとも４００ｋｇ／ｍ２ｓである質量流束を有する流体が個別の蛇行管路を介して流れる工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３６】
流体が超臨界圧力で個別の蛇行管路を介して流れる工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３７】
流体が前記蛇行管路を介して前記熱回収蒸気発生器の内部長手方向排気流路の下流並流方向の第１方向に個別の蛇行管路を介して流れる工程と；
次に、流体が前記蛇行管路を介して前記熱回収蒸気発生器の内部長手方向排気流路の上流向流方向の第２方向の前記出口ヘッダ管路に流れる工程と；をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１４年１０月９日付で出願された米国仮出願第６２／０６２０５５号の優先権を主張し、その内容は、本明細書に参照として明確に含まれる。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス及び燃料油は、現在発電されている電力の多くのエネルギー源として使用されている。この目的のために、ガス又は燃料油は発電機に動力を供給するタービン内で燃焼される。燃焼生成物は、排気ガスがそれ自体でエネルギー源となるように、非常に高温な排気ガスとしてタービンを出る。このエネルギーは、他の発電機に動力を供給する過熱蒸気を生成する熱回収蒸気発生器（ｈｅａｔ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｓｔｅａｍ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＨＲＳＧ）で捕捉される。
【０００３】
一般に、ＨＲＳＧは、入口と出口を備えるケーシングと、入口と出口との間に過熱器、蒸発器、及びエコノマイザの順序で配列される一連の熱交換器とを備える。
このようなＨＲＳＧ用の熱交換器は、複数のコイルの列を有することができ、ガス流方向の最後は給水加熱器であってもよい。給水加熱器は、蒸気タービンによって排出された低圧蒸気から得られる凝縮液を受け入れ、水の温度を上昇させる。その後、給水加熱器からの暖かい水は、例えば、水を飽和蒸気に変換させる、１つ以上のエコノマイザ、ボイラ給水ポンプ、又は蒸発器に流れる。その飽和蒸気は、飽和蒸気を過熱蒸気に変換させる過熱器に流れる。そのような過熱器から、過熱蒸気は蒸気タービンに流れることができる。
【０００４】
一般に、上述のプロセスにおいて、大部分のＨＲＳＧは、低圧（ＬＰ）、中間圧力（ＩＰ）及び高圧（ＨＰ）の３つの圧力レベルで過熱蒸気を生成する。ＨＲＳＧは、１つ以上の過熱器を有することができ、ＬＰ蒸発器、ＨＰエコノマイザ、及びＩＰエコノマイザを有することもできる。
【０００５】
自然循環システムを使用するＨＲＳＧを特徴とするシステムの全体的な説明は、本明細書に参考として引用される特許文献１に記載されている。特許文献１の図４は、上流の最も遠い位置に過熱器１８が配置された配列を示す。内部ＨＲＳＧ流路内の過熱器１６からの下流には、蒸発器の上部に位置する蒸気ドラムに流体フロー接続される少なくとも１つの蒸発器１８がある。この蒸気ドラムは、ＨＲＳＧ内部の排気ガス流経路の外部に位置する。特許文献１のＨＲＳＧはまた、給水加熱器２０を備える。
【０００６】
ＨＲＳＧによって生成された過熱蒸気は、典型的には、蒸気の臨界点圧力以下である。大規模で効率の高い発電プラントを建設しようとする業界の動向は、そのようなプラントが水の臨界圧力を超えて、又はその直ぐ下で動作する必要性へと発展した。
【０００７】
自然循環ＨＲＳＧでは、水はまず蒸発して飽和蒸気となる。これは、本明細書で単に「ＨＰ蒸発器部」（ＨＰＥＶＡＰ）と呼ばれる高圧（ＨＰ）蒸発器コイル及びドラムの組み合わせで発生する。このようなＨＰ蒸発器コイル及びドラムの組み合わせでは、蒸発器コイルは、ＨＲＳＧの内部排気流路内に配置され、ドラムは、ＨＲＳＧの内部排気流路の外部に配置され、ＨＰ蒸発器コイル及びドラムは、互いに流体フロー接続されている。ＨＰＥＶＡＰでは、飽和状態における蒸気と水の密度差は、水及び／又は蒸気が循環する原動力であり、水及び／又は蒸気は、蒸気ドラムから下降管を通過してＨＰＥＶＡＰコイル管に循環して、蒸気ドラムへと再び戻る。ＨＰＥＶＡＰにおける飽和水の循環は、自然循環ＨＲＳＧを他のタイプのＨＲＳＧと区別する。
【０００８】
ＨＲＳＧのまた他のタイプは、当技術分野で一般的に「ＯＴＳＧ」と呼ばれる貫流型蒸気発生器を使用するシステムである。ＯＴＳＧにおいて、作動流体は、自然循環ＨＲＳＧシステムのように加熱面を通って再循環しない。むしろ、ＯＴＳＧを使用すると、作動流体は、個別の平行なＨＰＥＶＡＰ管路を通過し、続いてＯＴＳＧを出る。Ｄｕｆｆｙの特許文献２は、内部に回路アセンブリとして示されたＯＴＳＧを有するＨＲＳＧを開示している。特許文献２の回路アセンブリの各々は、Ｕベンド状の部分及び垂直に配向された直線状の部分を有する蛇行形状の熱交換管を含み、ＨＲＳＧ内部ガス流経路内に配置される。
【０００９】
Ｗｉｔｔｃｈｏｗらの特許文献３はまた、ＨＲＳＧガス流経路内に垂直に配置された蒸気発生器管を有するＯＴＳＧを備えたＨＲＳＧを開示する。Ｂｅｒｎｄｔらの特許文献４は、ＯＴＳＧを使用するＨＲＳＧを開示し、Ｚｈａｎｇｓの特許文献５は、超臨界蒸発器配列を有するＨＲＳＧを開示する。特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５が本明細書に完全に記載されるように本明細書に統合される。
【００１０】
本出願の図１は、特許文献１の図３に示すものと同様のＨＲＳＧの使用を示すシステムの全体的なレイアウトを示す。本出願の図１は、ガスから熱を抽出して蒸気タービンＳに動力を供給する蒸気を生成する「ＨＲＳＧ」に高温排気ガスを排出するガスタービンＧを開示する。ガスタービンＧ及び蒸気タービンＳは、電気エネルギーを生成できる発電機Ｅに動力を供給する。蒸気タービンＳは、低温及び低圧の蒸気を凝縮器ＣＮに排出し、蒸気は凝縮器ＣＮで液状の水に凝縮される。凝縮器ＣＮは、給水してＨＲＳＧに水を戻す凝縮ポンプＣＰにフロー接続される。
【００１１】
一般的に熱交換器は、垂直方向に向けられてケーシングの内部を横切って横方向に配列された複数の管を有するコイルを備える。コイルはまた、図２〜図７の矢印で示された高温ガス流方向に順に位置する列に配列される。管は、コイルが収容されるように設計された全ての段階で水を含んでいる。管の長さは、約２７．４３ｍ（約９０フィート）にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６，５０８，２０６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０１９，０７０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，１８９，４９１号明細書
【特許文献４】米国特許第８，９５９，９１７号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１３／０１８０２２８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、上記したＨＲＳＧをより向上させたＨＲＳＧを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述したように、サイクル効率を最大化するために、ＨＲＳＧは、一般的に過熱蒸気発生及び蒸気再加熱の複数の圧力レベルを含む。本発明は、超臨界圧力で蒸気生成を含むように作動圧力範囲を増加させることを可能にする。（与えられた作動流体に対して）１つの圧力システム及び名目上の高圧（ＨＰ）システムのみが超臨界圧力で作動可能であるため、他の圧力レベル、典型的には、中間圧力（ＩＰ）及び低圧（ＬＰ）システムに対する自然循環を保持することが好ましい。他の圧力システム及び命名法があり得る。この要約は、使用可能なＨＲＳＧの種類を限定するものではない。
【００１５】
水の臨界点に近づく圧力では、飽和状態での水と蒸気の密度差は、より低い圧力よりもはるかに小さい。このような条件の下で、自然循環蒸発器の流れを起こす流体力学は、プラント発展の必要性に対する流れを窮極的に生成するために、他の方法が要求される地点まで減少する。この場合、ＨＰＥＶＡＰを貫流型蒸気発生器（ＯＴＳＧ）で設計して作動させることが実用的であり、作動流体は、加熱面を介して再循環せず、個別の平行なＨＰＥＶＡＰの管路を一度通過して、ＨＰＥＶＡＰの部分を出る。図２に示すＯＴＳＧは、自然循環ＨＰＥＶＡＰにて、典型的なＨＰＥＶＡＰを代替する。ＯＴＳＧは、ＨＲＳＧ技術で知られているが、安定的かつ機械的に許容可能な設計において作動条件を扱うために、ＯＴＳＧを使用する手段によって亜臨界蒸気及び超臨界蒸気を生産する必要がある。二相流の層別化、臨界熱流束及び不安定性は、ＯＴＳＧの設計者にとって大きな関心事項である。超臨界状態では、作動流体は、単相流体として存在し、ＨＰＥＶＡＰの並列回路を通過する際に顕著に加熱される。
【００１６】
本明細書では、ＯＴＳＧは、垂直管部分を有する個別の蛇行管グループを含むように構成され、垂直管部分にフロー接続される上部及び下部に向かって屈曲する。水は、ＨＰ給水ポンプの圧力によってＨＰエコノマイザの出口から管のＯＴＳＧグループの入口に流入することができる。水は、ＯＴＳＧコイルの蛇行管を介して、排気ガスから熱を吸収して加熱される。臨界点よりわずかに低い圧力では、流体は二相又はわずかに過熱された蒸気として出る。臨界点以上の圧力では、流体は、温度と一致する特性を有するＯＴＳＧを出る。ＯＴＳＧは、高い質量流束で作動する。他のＨＲＳＧと同様に、蒸発器コイルから出る超臨界水／蒸気流体は、ガス経路の上流のコイル部分でさらに加熱され、より高温のガスから熱を吸収して、温度をさらに上昇させて蒸気サイクル効率を最大にすることができる。
【００１７】
蛇行管を含む個別の管路の間に存在し得る圧力差の調節は、圧力の均衡を助けるために、これらの管路の間の相互関連によって提供される。このような均等化は、管回路間の圧力の安定性を促進する。相互関連管路の構成及び配置は、個別の蛇行部分の下部Ｕベンド部の下の二相分離を促進するために、プロセス中に蒸気から液体を分離するのを助けるために自然力を利用する。これは、流れの安定性を促進する均等化管路に水を誘導するのを助ける。より詳しくは、本開示は、好ましくは個別の管路の間で相互接続されたヘッダを提供する。ヘッダは、好ましくは内部の排気ガス流を横切る蛇行管の下部のＵベンド部の底部の下に配置される。また、本開示は、好ましくは流量分布及び流れの安定性を向上させるように配置された個別の蛇行管にフロー接続される流量制限装置を含み、流量制限装置は、好ましくは蛇行管の入口に向かって配置される。また、本開示は、好ましくは蛇行管からの排水を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を使用可能なＨＲＳＧを有する複合サイクル動力システムの概略図である。
【図２】ＨＲＳＧを有する一実施形態の断面図であり、貫流垂直管型超臨界蒸発器コイルを示す。
【図３】ＨＲＳＧのフロア及びルーフの一部分を示す本発明の第１の実施形態の断面図であり、代表的な高さと幅の比率で示されている。
【図４】本発明の好ましい実施形態であり、底部の入口と奇数個の管列を示す。
【図５】千鳥状の管のピッチ配列の本発明の好ましい第１の実施形態の平面図であり、左端部に向かって横長のバブル１２３は、個別の管路管部分のグループの垂直部分の１つの列の端部を示す。図面下のダイヤグラムは、交互に示されて、黒塗りの円形領域が個別の管路の垂直管部分１０８を通る上向きの流れを示し、「ｘ」が隣接する垂直管部分１０８を通る下向きの流れを示す。
【図６】一直線型管のピッチ配列を示す本発明の別の実施形態の平面図であり、左端部に向かって横長のバブル１２３’は、個別の管路管部分のグループの垂直部分の１つの列の端部を示す（図５と同様）。図面下のダイヤグラムは、交互に示されて、黒塗りの円形領域が個別の管路９０’の垂直管部分１０８’を通る上向きの流れを示し、「ｘ」が隣接する垂直管部分１０８’を通る下向きの流れを示す。
【図７】個別の中間管路が異なる拡管に対応するための伸縮ループを含む本発明の一実施形態である。
【図８】本発明の一実施形態であり、上部の交互の入口の位置と偶数の管列を示す。
【図９】本発明の他の実施形態であり、下部に向かう入口ヘッダを有し、向流及び並流の混合を示す。
【図１０】本発明の他の実施形態であり、上部に向かう入口ヘッダを有し、向流及び並流の混合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下の詳細な説明は、特許請求の範囲に記載された発明を例として説明するものであって、本発明を限定するものではない。説明は、当業者が開示された発明を実施することのできる最良の方法を含み、本開示の製造及び使用を可能にし、開示、変形、代替、及び使用の技術を明確に説明する。さらに、本開示は、その適用において、以下の説明に記載又は図面に示された構造の詳細及び構成要素の配置に限定されないことを理解されなければならない。本開示は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施及び実行され得る。また、本明細書で使用される表現及び用語は、説明の目的のためのものであり、限定するものと見なすべきではないことを理解されたい。
【００２０】
以下の説明では、超臨界水／超臨界蒸気の混合物及び亜臨界水／亜臨界蒸気の混合物を「流体」と呼ぶ。これは、亜臨界水と亜臨界蒸気の挙動が超臨界水／超臨界蒸気の挙動と同じであると推測すべきではない。
【００２１】
図２を参照すると、ＨＲＳＧ２０は、内部に熱交換器であるケーシング２３を有する。ガスタービン（例えば、図１のタービンＧ）から排出される高温排気ガスは、ケーシング２３に進入し、図１及び図２の矢印で表示されるように入口２５及び出口２７を有するダクトを通過する。このような過程の間、ガスは熱交換器を通過する。
【００２２】
ＨＲＳＧケーシング２３は、フロア３０と、ルーフ３２と、フロア３０からルーフ３２まで上方に延びる側壁とを有する。熱交換器は、ケーシング２３内に配置される。フロア３０及びルーフ３２は、フロア３０、側壁、及びルーフ３２がＨＲＳＧケーシング２３の内部ダクトを形成するのを助けるように側壁の間に延在し、排気ガスは内部ダクトを通過する。
【００２３】
図２は、熱交換器の例示的な順次の配列を有するＨＲＳＧケーシングを示す。図２において、左側から右側への長手方向、排気ガス流を示す矢印の方向に、第１再熱気３６と、それに続く第１高圧（ＨＰ）過熱器３９と、第１高圧（ＨＰ）過熱器３９の下流の第２高圧（ＨＰ）過熱器４２と、それに続く第２再熱気４４とがある。
【００２４】
「典型的な」水平ガス流の崩壊を最小化するために、開示された貫流式ＨＰ蒸発器４７（ＯＴＳＧ、ｏｎｃｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ  ＨＰ  ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）が図２の好ましい位置に示されている。このように、それはＨＲＳＧでの自然循環ＨＰＥＶＡＰに置き換える。ＨＲＳＧの均衡を正常に保持するには、水平ガス経路が好ましい。
【００２５】
ＯＴＳＧ４７は、図３に示した大型コイル５２を含む。コイル５２は、運送のために都合のよい大きさのモジュールで組み立てられた個別の蛇行管を備え、これについては、以下にさらに説明する。ＯＴＳＧ４７の下流には、高圧（ＨＰ）エコノマイザシステム５６があり、それに続く下流には、中間圧力（ＩＰ）システム５９があり、それに続く低圧（ＬＰ）システム６１があってもよい。低圧システム６１の下流には（例えば、特許文献１の記載によって開示されたような）給水加熱器システム６３があってもよい。
【００２６】
コイル５２は、図３にルーフビーム６５及びフロアビーム６７として部分的に示された鉄骨フレームに吊り下げられたルーフ構造４２から支持される。排気ガスは、典型的には、ＨＲＳＧに見られルーフ３２及びフロア３０として部分的に図２に示した断熱されたケーシング及びライナーシステムによって鉄骨フレーム内に収容される。
【００２７】
図２の説明からＯＴＳＧ４７及びそのコイル５２のより詳細な説明に移ると、コイル５２は、管９０で示された複数の個別の熱交換管路を備える。図３は、管９０のサブグループ７０を示し、個別の管路の数は、説明の目的のために減らされている。図４は、サブグループ７０のより詳細な正面図を示す。
【００２８】
図４を参照すると、一般に、ＯＴＳＧ４７は（図２に示された）ＨＰエコノマイザ５６の出口に接続された入口管路７８から流体を受け入れることができる入口ヘッダ７５を有し、入口ヘッダ７５はパイプであってもよい。ＯＴＳＧ４７はまた、出口管路８６に流体フロー接続される出口ヘッダ８２を有する。管路８６は、外部分離器８８の入口８７に流体フロー接続でつながることができ、外部分離器８８の出口８９（図２に図示）は、ＨＰ過熱器４４の入口に流体フロー接続でつながることができる。
【００２９】
入口ヘッダ７５と出口ヘッダ８２との間には、個別の熱交換管路９０のグループが配置されている。図４の正面図は、このような管路９０のうちの１つを示す。図５の平面図は、管路のサブグループ７０が図４の正面図で示されている複数の個別の管路９０を含むことを示す。
【００３０】
各個別の管路９０は、入口端部９４及び出口端部９８を有する管であってもよい。入口ヘッダ７５及び出口ヘッダ８２は、好ましくは排気ガス流に垂直に配列された円筒体であり、管９０の入口端部９４及び出口端部９８が溶接などの方式によって各々固定されている長さに沿った開口部を有する。
【００３１】
図４に示すように、入口管路端部９４から、管路９０は、好ましくは流体が通過して流れる流量制限装置１００を含んでもよい。流量制限装置１００と関連する圧力低下は、流量分布及び流れの安定性を向上させる。流量制限装置１００から、管路９０は、一般的に蛇行管部分１０４内に延びる（図４及び図５）。蛇行管部分１０４は、一般的に中間部分１０９を含む一連の垂直管部分１０８を含む。当技術分野で知られているように、垂直部分１０８は、熱交換フィン（図４の拡張して示した部分１１１）を有する部分１１１とフィンを有しない部分１１３を含むことができる。フィンの部分１１１は、中間部分１０９と重なるように示されている。
【００３２】
管路９０はまた、複数の上部Ｕベンド部分１１５及び下部Ｕベンド部分１２０として図に示すように湾曲又は屈曲した一連の非線型部分を有する。管路９０の第１垂直部分１０８は、図４の１２１で示される。流量制限装置１００は、好ましくは流れが部分１２１の中間部分１０９を通過する前に、第１部分１２１の流路に組み込まれる。
【００３３】
従って、好ましい実施形態では、個別の管路９０内の流れは、垂直管部分１０８を通過して上部Ｕベンド部分１１５に向かう上向流を含み、その後、隣接する垂直管部分１０８を介して下部Ｕベンド部分１２０に向かう下向流を含む。一連の垂直管部分１０８の最後で、流体は、管路出口端部９８を介して出口ヘッダ８２に上向きに流れる。従って、管路９０を介した流れは、出口端部９８を介した流れが出口ヘッダ８２に到達するまで上向及び下向経路を交互に繰り返す連続的な回路である。
【００３４】
図５に示すように、サブグループ７０で、複数の個別の管路９０は、内部長手方向排気ガス流経路と概ね整列して平行に配列される。垂直管部分１０８は、管部分１０８の「列」１２３を構成するために長手方向の排気流路に概ね垂直な横断面に整列される。従って、列１２３は、熱い排気ガスの経路に垂直に配列される。図５は、図５の下部に位置する例示的な管路９０を介する上向きの流体の流れ及び下向きの流体の流れの方向を示す。図５の説明で述べたように、黒塗りの円形領域は、垂直管部分１０８を介した上向流を示し、「ｘ」は、管部分１０８を介した下向流を示す。
【００３５】
図５の好ましい実施形態では、図４に示した垂直管部分１０８は、千鳥状方式で配列され、管列１２３の各々の管部分１０８が上流及び／又は下流管の列の横方向の間隔の中間地点に位置する。従って、管部分１０８は、排気流路内で長手方向に交互するオフセットパターンで千鳥状に配列される。このような配列では、隣接した垂直部分から長手方向下流にある垂直部分は、垂直部分が長手方向に整列しないように交互のパターンで長手方向にオフセットされる。図５の特定の実施形態において、垂直部分１０８の第１グループは、互いに長手方向に整列し、垂直部分１０８の第２グループは、互いに長手方向に整列し、第１グループ及び第２グループは、互いに対して長手方向にオフセットされる。このようなオフセット及び千鳥配列は、当該技術分野において「千鳥状配列」として知られている。
【００３６】
図６は、蛇行配列の別の実施形態を示し、垂直管部分１０８’は、インラインピッチで配列され、各個別の管路９０’において、管部分１０８’、上部Ｕベンド１１５’、及び下部Ｕベンド１２０’が各管路９０’の前方から後方の長手方向に整列されている。このような整列は、当該技術分野において「インラインピッチ」として知られている。
【００３７】
図４を参照すると、流量制限装置１００は、オリフィス又は狭窄管の特性を有してもよい。オリフィスは、必要とされる圧力降下及び流量に基づいて大きさが決定される。装置１００は、好ましくは図４に示すように入口ヘッダ７５の下流の第１管列１２３の第１管部分１２１に配置される。流量制限装置１００の位置は、好ましくは入口ヘッダ７５及び第１管部分１２１のフィンの部分１１１の間である。流量制限装置と関連する圧力低下は流量分布及び流れの安定性を向上させる。
【００３８】
ここで、個別の管路９０の間の均等化のための配列に注意が向けられる。各々の下部Ｕベンド部分１２０の下部に向かう中間均等化管路１２５がある。中間管路１２５は、Ｕベンド部分１２０の下部の方を向き、好ましくはその中間に接続された上部入口端部を有する比較的短いパイプ又は管の部分であってもよい。中間管路１２５は、流体の流れを各々の下部Ｕベンド１２０の下部中央からヘッダ１３０の形態の均等化管路内に流れるようにする。各々の均等化ヘッダ１３０は、好ましくはＨＲＳＧの排気ガス流に垂直に向けられた円筒状のパイプであり、１つのコイル５２内の１つの管列１２３の幅に及ぶ。中間管路１２５の出口端部は、ヘッダ均等化管路１３０に接続され、好ましくはヘッダ均等化管路１３０の上側に接続される。好ましくは、中間管路１２５の出口端部及びヘッダ管路１３０の接続は、中間管路１２５の入口端部及び各々の下部Ｕベンド１２０の接続の真下にある。
【００３９】
図４に示すように、各々の均等化ヘッダ１３０は、パイプなどの排水管１３３にその底面が流体フロー接続されるように接続されている。排水管１３３は、ケーシングフロア３０を介して延びている。ベローズ形伸縮管継手１３６は、排気ガスをフロア３０の内部で密封しながら、作動中に拡管を収容するように排水管１３３と接続される。排水管１３３は、図示されたゲートバルブ１３４、ボールバルブ、又は、当技術分野で公知の他のバルブなどによって、バルブ１３４のように開閉してもよい。バルブ１３４は、ＯＴＳＧコイル５２が流体を空にする必要のある時間の間、排水管１３３が流体を処分地点に運ぶことができるように作動させてもよい。
【００４０】
排水バイパス管路１４０は、パイプ又は管であってもよく、所望する隣接した排水管１３３を接続する。バイパス１４０は、バイパス１４０が接続された一対の排水管１３３の間で比較的少量の流れを循環させる。バイパス１４０を介した流体の移動は、排水管１３３内の流体移動によって刺激され、別の排水管１３３内の流体の停滞を減少させ、排水管１３３に冷却効果をもたらす。このような冷却は、プロセス条件及び排水管１３３の冶金が作動中に冷却されることを必要とする状況で有益である。
【００４１】
他の個別の流体管路９０のシステム流体力学及び他の熱吸収は、個別の管路９０の間で不安定化及び圧力差を発生させ得る。このような圧力差は、均等化中間管路１２５及び均等化ヘッダ１３０を介した流れを生じさせ、これらの圧力差の均衡をとる。このような圧力均衡は、管路９０を介した流れに対して安定化効果を有する。
【００４２】
流体が垂直管部分１０８を介して各々の下部Ｕベンド部分１２０内に下向きに流れるとき、流体は、下部Ｕベンド部分１２０内で回転するにつれて重力及び遠心力を受けるようになる。蒸気よりも高い密度を有する水は、遠心力及び重力によってＵベンド部分１２０の外側の内表面に押し付けられる。特に、二相流の場合、均等化ヘッダ１３０を介した水の流れのみを再分布することが望ましい。各々の管列１２３を介する流体の高い質量流束と下部Ｕベンド部分１２０の高密度流体の力とを加えて、亜臨界作動の間、均等化中間管路１２５及び均等化ヘッダ１３０には水のみが存在するようにする。
【００４３】
個別の管路９０を形成するパイプの内部直径は、特定の設計細部事項と相関関係にあり、例えば約１．２７ｃｍ（約０．５インチ）から約５．０８ｃｍ（約２インチ）であることができる。Ｕベンド１２０における屈曲部の円弧形状は、好ましくは略半円形である。Ｕベンド１２０の屈曲中心半径は、例えば、約１．５から約３．０の中心線管路直径であってもよい。個別の管路９０の壁の厚さは、材料の種類、直径、作動温度及び圧力に基づいてもよい。
【００４４】
均等化中間管路１２５は、好ましくは約０．６３５ｃｍ（約０．２５インチ）から約２．５４ｃｍ（約１．０インチ）の範囲の公称直径を有するパイプである。均等化管路１２５の内径は、個別の管路９０の内径より小さいことが好ましい。各個別の管の内径に対する均等化中間管路１２５のさらに小さい内径は、下部Ｕベンド部分１２０を介した流れ量と比較して中間均等化管路を介した相対的に少ない量の流れのみを容易にし、均等化ヘッダ１３０を加圧する。亜臨界作動において、中間管路１２５を介した流れは、システムの安定性を促進する液体水を含んでもよい。好ましい実施形態では、均等化管路１２５の内径は、その各個別の管路９０の内径よりも著しく小さい。好ましい実施形態では、各個別の管路９０の内径に対する均等化管路１２５の内径の比は、約１／３から約１／２である。
【００４５】
排水管１３３は、好ましくは約３．８１ｃｍ（約１．５インチ）から約５．０８ｃｍ（約２インチ）の公称直径を有するパイプである。ベローズ形伸縮管継手１４０は、排水管１３３と共に使用され、作動中の膨張を吸収し、フロア３０の内部の排気ガスを密封する。排水管１３３は、管９０が流体を空にする必要がある時間の間、処分地点に流体を運ぶ。排水バイパス１４４は、隣接する排水管１３３を接続し、プロセス条件及び排水管１３３の冶金が作動中に冷却されることを必要とする状況のために、排水管１３３を介して少量の流れを循環させる。
【００４６】
図７は、各々の均等化中間管路１２５”が伸縮ループ形状又は屈曲部分１２７”に形成される実施形態を示す。このようなタイプのコイルは、熱入力の外部変化のために同一の管列１２３内の隣接する垂直管部分１０８の間の温度変化を有することが予想される。温度の大きな変化は、個別の管路９０、中間管路１２５、及びヘッダ１３０の間の接続に応力を生じさせる可能性がある。均等化ヘッダ１３０は、下部Ｕベンド部分１２０を効果的に固定し、隣接する個別の管路９０の差異的成長を制限する。部分１２７”のループ形状又は湾曲形状は、膨張及び収縮中に曲がることを可能にし、中間管路１２５”に直接接続された各々の一対の垂直管部分１０８”が管列１２３”で他の隣接した垂直管部分１０８”と独立して動くことができるようにする。図７において、伸縮ループ部分１２７”は、例えば「Ｃ」、「Ｖ」、「Ｕ」、又は「Ｌ」形状を含む複数の構造を含んでもよく同一の平面にない垂直及び水平部分を有することができ、このような構造は、各垂直管部分（１０８〜１０８”’）の独立的な成長又は収縮を可能にすることができる。隣接した管路９０の温度変化の量は、使用された材料及び幾何学的構造及び流体の流れの熱機械的分析に基づいて図７の実施形態が使用されるか否かを決定する。伸縮ループ形状構造１２７”は、作動中に湾曲及び屈曲し、それにより異なる個別の管路９０”の間に存在し得る温度変化に対する適応性を提供し、クリープ応力及び疲労応力による損傷又は破損を低減及び防止する。
【００４７】
図８は、入口ヘッダ７５”’がコイル５２”’の上部に向かって配置されている他の実施形態を示す。流体は、前述したものと同一の方式によって、コイル５２”’の蛇行部分を介して通過するが、第１列１２３”’は、流体の流れを下方向に開始する。図８の実施形態において、流れ制限装置１００”’は、入口ヘッダ７５”’の下に、及び第１垂直部分１２１”’の中間部分１０９”’の上に配置される。
【００４８】
好ましくは、全体の蛇行流体流路は、排気ガスに向流を流す。代替的に、前記構成は、排気ガスに並流を流す蛇行流路であってもよい。このような逆流の場合には、入口ヘッダ７５，７５’，７５”，７５”’と出口ヘッダ８２，８２’，８２”，８２”’の位置が互いに交換される。第１垂直管部分１２１，１２１’，１２１”，１２１”’の位置は、ＨＲＳＧの入口の右側又は遠くにあるのではなく、ＨＲＳＧの入口２５に近い垂直管部分の最も遠い上流であってもよい。入口ヘッダ７５，７５’，７５”，７５”’の再配置は、対応する再配置された第１垂直部分１２１，１２１’，１２１”，１２１”’の上又は下であってもよい。並流と向流の両方の部分を有する混合流の実施形態もあり得る。
【００４９】
代替的に、同じ蛇行流路内に向流と並流の混合が存在してもよい。図９及び図１０は、そのような混合流を特徴とする２つの他の実施形態を示す。このような混合は、入口ヘッダの位置が流路の下部又は上部にあるかどうかにかかわらず生じ得る。図９は、流路の下部の入口ヘッダ７５””を示し、図１０は、流路の上部の入口ヘッダ７５””’を示す。一般的な例示的な説明として、最初の３つの又は４つの管列（１１３””（図９）又は１１３””’（図１０））は、各々流路を変えるループバック部分（１５０””（図９）又は１５０””’（図１０））を介して方向を変える前には、内部排気ガス流のような方向に流れる。個別の管路（９０””又は９０””’）を通過する流れは、各々出口ヘッダ（８２””又は８２””’）で終結する。この混合流路の長所は、並流経路における亜臨界条件のさらに効率的な位相変化を含み、必要に応じて流体の加熱を完了させるために向流に変更することである。
【００５０】
管列１２３”’の数、及び入口７８”’と出口８６”’との相対位置は、排気ガス条件及び流体を加熱するのに必要な加熱面の量と相関関係がある。本発明は、図に示した管列１２３の数、又は、入口７８及び出口８６の相対位置に限定されない。本発明は、個別の的な管路の数又は横方向の蛇行部分、又は、このような蛇行管を形成することができ、ＨＲＳＧ排出経路に配置されるコイル５２の数に制限されない。
【００５１】
作動時には、始動及び低負荷作動のために、システムは、亜臨界条件で作動させてもよい。全ての作動モードの間、入口ヘッダ７５に進入する流れは、水入口温度が飽和温度以下になるように冷却される。このシステムは、エコノマイザー入口接近温度制御を使用することで、この要件を維持するように設計された。重力によって制御される流量状況を回避するために、最小の管質量流束が要求される。この流れは、好ましくは少なくとも約４００ｋｇ／ｍ２ｓである。ある特定の設計及び／又は作動モードでは、さらに低い質量流束が許容可能である。始動及び低負荷条件での流れの安定性は特に重要であり、好ましくは約４００ｋｇ／ｍ２ｓ以上で保持されるべきである。上述したように、流れ制限装置及び圧力均等化ヘッダを含むことは、流れを安定化させ、コイル内の局部的な温度及び圧力差を低減させる働きをする。
【００５２】
亜臨界作動における始動及び低負荷に対し、図２のＯＴＳＧ４７などのＯＴＳＧを備えたＨＲＳＧを流れ制御モードとして配置してもよい。出口蒸気／水混合物は、図２の外部分離器８８のような外部分離器によって分離することができ、ここで、水は、プラント凝縮器で再循環されてもよく、例えば、大気噴出タンク、エコノマイザ接続部、専用フラッシュタンク、又は、当該技術分野で公知の他の場所で再循環されてもよい。過熱蒸気を生成するのに十分な熱がＯＴＳＧ４７で利用可能になれば、流れ制御は、好ましくは蒸気出口温度及び他のパラメータに基づいて変更される。その後、圧力は超臨界作動まで高めてもよい。
【００５３】
本発明の範囲を逸脱することなく上記の構成を変更することができる。上の説明に含まれ、又は添付された図面に示される全ての事項は、例示として解釈されるべきであり、限定的な意味として解釈されてはならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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