JP2018524547A - 貫流水平蒸発器のチューブ配置 - Google Patents

Abstract

本明細書では、入口マニホールド（２０２）と、入口マニホールドと流体連通する入口ヘッダ（２０４）と、チューブ積層体であって、各チューブ積層体が、傾いた蒸発器チューブを含み、チューブ積層体が、入口ヘッダと流体連通し、傾いたチューブが、鉛直に対して９０度より小さな角度、または９０度より大きな角度で傾き、各チューブ積層体が、複数の列と複数の段とに配置された複数のチューブを含み、第１の列の複数のチューブが、第２の列の複数のチューブから距離ｄ２だけずらされ、第１の段の複数のチューブが、第２の段の複数のチューブから距離ｄ１だけずらされ、ｄ１が０．１ｄ２から１０００ｄ２まで変わる、チューブ積層体（２１０）と、チューブ積層体と流体連通する出口ヘッダと、出口ヘッダと流体連通する出口マニホールドとを備える貫流蒸発器（２００）が開示される。
【選択図】図３

Description

本開示は一般に、排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ：ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に関し、より詳細には、熱交換用の傾いたチューブを有するＨＲＳＧ内の流れを制御するためのチューブ配置に関する。

排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）は、高温ガス流から熱を回収するエネルギー回収熱交換器である。それは、プロセス（コージェネレーション）で使用することができるか、または蒸気タービンを駆動するため（コンバインドサイクル）に使用することができる水蒸気を発生する。排熱回収蒸気発生器は一般に、４つの主な構成部品−エコノマイザ、蒸発器、過熱器、および水予熱器−を備える。特に、自然循環ＨＲＳＧは、蒸発器加熱面、ドラム、および蒸発器チューブ内の適切な循環比を促進するための必要な配管を含む。貫流ＨＲＳＧは、自然循環構成部品を貫流蒸発器に置換え、そうすることで、プラント効率を高め、さらに、厚肉ドラムがないのでＨＲＳＧの寿命を延ばすのに役立つ。

貫流蒸発器排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１００の一例を図１に示す。図１において、ＨＲＳＧは、必要な熱を吸収するように構成された一連の鉛直平行流路／チューブ１０４および１０８（ダクト壁１１１の間に配置）の形態の鉛直加熱面を含む。ＨＲＳＧ１００において、作動流体（例えば、水）は、供給源１０６から入口マニホールド１０５に移送される。作動流体は、入口マニホールド１０５から入口ヘッダ１１２に、次いで、第１の熱交換器１０４に送出され、そこで、炉（図示せず）から水平方向に流れる高温ガスによって加熱される。高温ガスはダクト壁１１１間に配置されたチューブセクション１０４および１０８を加熱する。被加熱作動流体の一部分は蒸気に変換され、液体と蒸気の作動流体の混合物は、出口ヘッダ１１３を経て出口マニホールド１０３に移送され、そこから混合器１０２に移送され、そこで、蒸気と液体がもう一度混合され、第２の熱交換器１０８に分配される。液体の作動流体から蒸気がこのように分離するのは、温度勾配ができるので望ましくなく、これを防ぐための取り組みをする必要がある。熱交換器１０４からの蒸気と流体とが十分に混合されることを確実にするために、それらは混合器１０２に移送され、そこから、２相混合物（蒸気と液体）は、過熱状態下になる別の第２の熱交換器１０８に移送される。第２の熱交換器１０８を使用して熱力学的制限を克服する。次いで、蒸気および液体は、捕集容器１０９に排出され、次いで、そこから分離器１１０に送られ、その後、発電機器（例えば、タービン）に使用される。したがって、鉛直加熱面の使用には、いくつかの設計制限がある。

設計考慮により、熱的ヘッドの制限によって、出口で過熱蒸気を得るためには追加の加熱ループを必要とする場合が多い。しばしば、第２の加熱ループに再び入れる前に、水／水蒸気の泡を再混合する追加の処置が必要になり、これによってさらに設計を考慮しなければならない。さらに、鉛直配置の平行チューブの直接的な結果として、加熱面の下流でガス側の温度のアンバランスが存在する。これらの追加の設計考慮は、追加のエンジニアリング設計および製造を使用し、それらの両方は費用がかかる。これらの追加の特徴はまた、定期的な保守を必要とし、それは、プラントが生産的に機能する時間を短縮し、したがって、生産性の損失となる。したがって、これらの欠点を克服することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１３／１８０４７１号明細書

本明細書では、入口マニホールドと、入口マニホールドと流体連通する１つまたは複数の入口ヘッダと、１つまたは複数のチューブ積層体であって、各チューブ積層体が、１つまたは複数の傾いた蒸発器チューブを含み、１つまたは複数のチューブ積層体が、１つまたは複数の入口ヘッダと流体連通し、傾いたチューブが、鉛直に対して９０度より小さな角度、または９０度より大きな角度で傾き、各チューブ積層体が、複数の列と複数の段とに配置された複数のチューブを含み、第１の列の複数のチューブが、第２の列の複数のチューブから距離ｄ２だけずらされ、第１の段の複数のチューブが、第２の段の複数のチューブから距離ｄ１だけずらされ、ｄ１が熱混合の最適な度合いに合うように０．１ｄ２から１０００ｄ２まで変わる、１つまたは複数のチューブ積層体と、１つまたは複数のチューブ積層体と流体連通する１つまたは複数の出口ヘッダと、１つまたは複数の出口ヘッダと流体連通する出口マニホールドとを備える貫流蒸発器が開示される。

本明細書ではまた、貫流蒸発器を通して作動流体を排出するステップであって、貫流蒸発器が、入口マニホールドと、入口マニホールドと流体連通する１つまたは複数の入口ヘッダと、１つまたは複数のチューブ積層体であって、各チューブ積層体が、１つまたは複数の傾いた蒸発器チューブを含み、１つまたは複数のチューブ積層体が、１つまたは複数の入口ヘッダと流体連通し、傾いたチューブが、鉛直に対して９０度より小さな角度、または９０度より大きな角度で傾き、各チューブ積層体が、複数の列と複数の段とに配置された複数のチューブを含み、第１の列の複数のチューブが、第２の列の複数のチューブから距離ｄ２だけずらされ、第１の段の複数のチューブが、第２の段の複数のチューブから距離ｄ１だけずらされ、ｄ１が熱混合の最適な度合いに合うように０．１ｄ２から１０００ｄ２まで変わる、１つまたは複数のチューブ積層体と、１つまたは複数のチューブ積層体と流体連通する１つまたは複数の出口ヘッダと、１つまたは複数の出口ヘッダと流体連通する出口マニホールドとを備える、ステップと、炉またはボイラからの高温ガスを貫流蒸発器を通して排出するステップと、高温ガスからの熱を前記作動流体に伝えるステップとを含む方法が開示される。

次に、例示的な実施形態で、同様の要素が同様な符号の図を参照する。

鉛直熱交換器チューブを有する従来技術の排熱回収蒸気発生器の概略図である。 対向流千鳥状配置を使用する例示的な貫流蒸発器の概略図である。 貫流蒸発器の例示的な実施形態の図である。 貫流蒸発器のチューブ積層体のチューブの１つの例示的な配置の図である。 貫流蒸発器のチューブ積層体のチューブの例示的な配置の等角図である。 貫流蒸発器のチューブ積層体のチューブの対向流千鳥状配置の端面概略図である。 図４のチューブ積層体の拡大端面図である。 図５Ａのチューブ積層体内を切り取った平面断面を示し、千鳥状チューブの考察を示す図である。 １つの方向には傾いているが、別の方向には水平な千鳥状に配置されたチューブの立端面図である。 図６Ａのチューブ積層体内を切り取った平面断面を示し、千鳥状チューブの構成を示す図である。 連続するチューブ積層体の間の間隔を変えることができることを示す図である。 高温ガスが中を通過してその熱を作動流体に伝達することができるチューブを含む鉛直方向に整列した１０個の領域またはセクションを有する貫流蒸発器の図である。

本明細書では、チューブが「非鉛直」であるように配置された単一の熱交換器または複数の熱交換器を含む排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を開示する。非鉛直であることは、チューブが鉛直に対してある角度で傾いていることを意味する。「傾いている」ことは、個々のチューブが、チューブを通って引かれた鉛直線に対して９０度より小さな角度、または９０度より大きな角度で傾いていることを意味する。一実施形態では、チューブは、第１の方向には水平で、第１の方向に垂直な第２の方向には傾くことができる。

具体的には、排熱回収蒸気発生器では、フィンチューブとも呼ばれる加熱面は一般的には水平に配置される。本明細書で詳細に説明する一実施形態では、加熱面は千鳥状にすることができ、その結果、伝熱形態もまた千鳥状が支配的である。このような配置は、熱的ヘッドによって制限されず、一般的には被加熱流体の再混合を使用せず、また、鉛直配置の貫流熱交換器で示される温度勾配もない。千鳥状配置は、下記の図２に示すように、チューブの角度の変化から生じることができる。

これらのチューブの角度の変化は、傾き角度とともに図２に示す。図２は、貫流蒸発器のチューブ積層体に使用されるチューブの１セクションを示す。このチューブ積層体は、鉛直に対して１つまたは複数の方向にチューブが傾いていることを示す。

図２のチューブは２つの方向に傾いているように示されているが、所望により１つの方向にだけ傾くことができる。図２では、チューブは、１つの方向には鉛直に対してθ１の角度で傾いているが、第２の方向には鉛直に対してθ２の角度で傾いている。図２では、θ１およびθ２は、鉛直に対して最大９０度まで変わることができることが分かる。傾き角度θ１およびθ２が９０度に等しい場合、チューブは実質的に水平であることを示す。その一方、一方の角度θ１のみが９０度であるが、他方の角度θ２が９０度より小さい、または９０度より大きい場合、チューブは、１つの方向には水平であり、別の方向には傾いていることを示す。さらに別の実施形態では、θ１およびθ２両方とも、９０度より小さい、または９０度より大きくすることも可能であり、この場合は、チューブは２つの方向に傾いていることを意味する。「実質的に水平」とは、チューブが、ほぼ水平である（すなわち、水平に対して±２度以内で平行であるように配置される）ような向きになっていることを意味することに留意されたい。傾いているチューブでは、傾き角度θ１および／またはθ２は概ね、鉛直に対して約５５度から約８８度まで変わる。例示的な実施形態では、チューブが少なくとも１つの方向には鉛直に対して傾いているのが望ましい。

水平のチューブを含むセクション（または、複数のセクション）は、亜臨界状態で作動しているとき、作動流体（例えば、水、アンモニアなど）が、入口ヘッダから出口ヘッダまでのセクションを通る単一の通路の間で徐々に蒸気に変換されるので、「貫流蒸発器」とも呼ばれる。同様に、超臨界作動では、超臨界作動流体は、入口ヘッダから出口ヘッドまでのセクションを通る単一の通路の間でより高温に加熱される。

貫流蒸発器（以降、「蒸発器」）は、炉またはボイラから出る加熱ガスの流れの方向に対して垂直となる、少なくとも１つの方向で非鉛直配置される平行なチューブを含む。

図３、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、および図９は、貫流蒸発器の例示的な実施形態を示す。図３は、貫流蒸発器２００の複数の鉛直のチューブ積層体を示す。一実施形態では、各積層体が別のチューブ積層体の真上、真下、または真上および／または真下の両方にあるように、チューブ積層体は鉛直方向に整列している。図４（Ａ）は、貫流蒸発器のチューブ積層体でのチューブの１つの例示的な配置を示し、一方、図４（Ｂ）は、貫流蒸発器のチューブ積層体のチューブの例示的な配置の斜視図である。

蒸発器２００は入口マニホールド２０２を備え、入口マニホールド２０２は、エコノマイザ（図示せず）から作動流体を受け取り、作動流体を複数の入口ヘッダ２０４（ｎ）に移送し、入口ヘッダのそれぞれは、実質的に水平の１つまたは複数のチューブを備えた鉛直のチューブ積層体２１０（ｎ）と流体連通している。流体は、入口ヘッダ２０４（ｎ）から複数のチューブ積層体２１０（ｎ）に送られる。説明を簡単にするために、この明細書では、図に示された複数の入口ヘッダ２０４（ｎ）、２０４（ｎ＋１）、および２０４（ｎ＋ｎ’）は、まとめて２０４（ｎ）と呼ぶ。同様に、複数のチューブ積層体２１０（ｎ）、２１０（ｎ＋１）、２１０（ｎ＋２）、および２１０（ｎ＋ｎ’）は、まとめて２１０（ｎ）と呼び、複数の出口ヘッダ２０６（ｎ）、２０６（ｎ＋１）、２０６（ｎ＋２）、および２０６（ｎ＋ｎ’）は、まとめて２０６（ｎ）と呼ぶ。

図３で分かるように、多数のチューブ積層体２１０（ｎ）は、したがって、それぞれ、複数の入口ヘッダ２０４（ｎ）と出口ヘッダ２０６（ｎ）との間で鉛直方向に整列している。チューブ積層体２１０（ｎ）の各チューブは、プレート２５０によって定位置に支持される（図４（Ｂ）参照）。作動流体は、チューブ積層体２１０（ｎ）を横切ると、出口マニホールド２０８に排出され、出口マニホールド２０８から過熱器に排出される。入口マニホールド２０２および出口マニホールド２０８は、貫流蒸発器に対する空間要件に応じて水平方向に、または鉛直方向に配置することができる。図３および図４（Ａ）から、鉛直方向に整列した積層体を互いに配置すると、通路２３９が各積層体の間に形成されることが分かる。隔壁システム２４０がこれらの通路に配置されて、高温ガスが迂回することを防ぐことができる。これについては後述する。

供給源（例えば、炉、ボイラ、またはタービン）（図示せず）からの高温ガスは、チューブ２１０内の作動流体の流れ方向に対して垂直に、または横断するように移動する。図３を参照すると、高温ガスは、読み手側から紙面の向こう側に移動する、または紙面から手前に向かって移動する。一実施形態では、高温ガスは、チューブ積層体内の作動流体の移動方向に対して対向流で移動する。熱は高温ガスから作動流体に伝達されて、作動流体の温度を上昇させて、作動流体の一部または全部を液体から蒸気に変換することができる。貫流蒸発器の構成部品のそれぞれの詳細は下記で説明する。

図３および／または４（Ａ）から分かるように、入口ヘッダは、１つまたは複数の入口ヘッダ２０４（ｎ）、２０４（ｎ＋１）、および２０４（ｎ＋ｎ’）（以降、用語「２０４（ｎ）」と総称する）を含み、それぞれ、入口マニホールド２０２と作動可能に連通している。一実施形態では、１つまたは複数の入口ヘッダ２０４（ｎ）のそれぞれは、入口マニホールド２０２と流体連通している。入口ヘッダ２０４（ｎ）は、複数の水平のチューブ積層体２１０（ｎ）、２１０（ｎ＋１）、２１０（ｎ＋２）、および２１０（ｎ＋ｎ’）（以降、「チューブ積層体」は、用語「２１０（ｎ）」と総称する）とそれぞれ流体連通している。各チューブ積層体２１０（ｎ）は、出口ヘッダ２０６（ｎ）と流体連通している。したがって、出口ヘッダは、複数の出口ヘッダ２０６（ｎ）、２０６（ｎ＋１）、２０６（ｎ＋２）、２０６（ｎ＋ｎ’）を含み、それぞれ、チューブ積層体２１０（ｎ）、２１０（ｎ＋１）、２１０（ｎ＋２）、および２１０（ｎ＋ｎ’）、ならびに入口ヘッダ２０４（ｎ）、２０４（ｎ＋１）、２０４（ｎ＋２）、および２０４（ｎ＋ｎ’）とそれぞれ流体連通している。

用語「ｎ」は整数値であるが、一方、「ｎ’」は、整数値または分数値とすることができる。したがって、ｎ’は、１／２、１／３などの分数値とすることができる。したがって、例えば、１つまたは複数の部分的な入口ヘッダ、チューブ積層体、または出口ヘッダがあり得る。言い換えれば、寸法が他の入口ヘッダおよび／または出口ヘッダの分数である１つまたは複数の入口ヘッダおよび出口ヘッダがあり得る。同様に、他の積層体に含まれるチューブの数の分数値を含むチューブ積層体があり得る。参照番号ｎ’を有する弁および制御システムは、分画形態では実際には存在しないが、蒸発器セクションの分画部によって処理されるより少ない体積に適応するように、所望により、小型化することができることに留意されたい。一実施形態では、貫流蒸発器にはチューブ積層体の少なくとも１つまたは複数の分画部があり得る。別の実施形態では、貫流蒸発器にはチューブ積層体の少なくとも２つ以上の分画部があり得る。

一実施形態では、貫流蒸発器は、２つ以上の出口ヘッダと流体連通する２つ以上のチューブ積層体と流体連通する２つ以上の入口ヘッダを備えることができる。一実施形態では、貫流蒸発器は、３つ以上の出口ヘッダと流体連通する３つ以上のチューブ積層体と流体連通する３つ以上の入口ヘッダを備えることができる。別の実施形態では、貫流蒸発器は、５つ以上の出口ヘッダと流体連通する５つ以上のチューブ積層体と流体連通する５つ以上の入口ヘッダを備えることができる。さらに別の実施形態では、貫流蒸発器は、１０個以上の出口ヘッダと流体連通する１０個以上のチューブ積層体と流体連通する１０個以上の入口ヘッダを備えることができる。互いに流体連通し、また、入口マニホールドおよび出口マニホールドと流体連通するチューブ積層体、入口ヘッダ、および出口ヘッダの数は限定されない。各チューブ積層体は、束または区域と呼ばれる場合がある。

図９は、組み立てられた別の例示的な貫流蒸発器を示す。図９は、高温ガスが中を通過してその熱を作動流体に伝達することができるチューブを含む鉛直方向に整列した１０個のチューブ積層体２１０（ｎ）を有する図３の貫流蒸発器を示す。チューブ積層体は、２つの平行な鉛直支持バー３０２と２つの水平支持バー３０４を備えるフレーム３００に取り付けられる。支持バー３０２および３０４は、溶接、ボルト、リベット、ねじ、ナットなどによって、互いに固定的に、または着脱可能に取り付けられる。

プレート２５０と接触するロッド３０６が貫流蒸発器の上面に配置される。各ロッド３０６はプレートを支持し、プレートはロッド３０６からぶら下がる（すなわち、吊り下げられる）。（上記で詳述したような）プレート２５０は、クレビスプレートを使って定位置に係止される。プレート２５０はまた、各チューブ積層体２１０（ｎ）を定位置に支持および保持する。この図９では、各チューブ積層体２１０（ｎ）の最上部のチューブおよび最下部のチューブのみがチューブ積層体の部分として示されている。各チューブ積層体の他のチューブは、読者の便宜のために、および明瞭にするために省略されている。

各ロッド３０６がプレート２５０を保持または支持するので、ロッド３０６の数は、したがって、プレート２５０の数に等しい。一実施形態では、貫流蒸発器全体が、水平ロッド３０４と接触するロッド３０６によって支持され、持ち上げられる。一実施形態では、ロッド３０６は、平行な水平ロッド３０４のそれぞれと接触し、チューブ積層体の全重量を支持するタイロッドとすることができる。したがって、貫流蒸発器の重量はロッド３０６によって支持される。

各セクションはそれぞれのプレートに取り付けられ、そのとき、それぞれのプレートは、チューブ積層体全体の周縁でフレーム３００によって一緒に保持される。多くの鉛直プレートがこれらの水平熱交換器を支持する。これらのプレートは、モジュールの構造支持体として設計され、ゆがみを制限するようにチューブを支持する。水平熱交換器は、工場でモジュールに組み立てられて現場に出荷される。水平熱交換器のプレートは、現場で互いに接続される。

図５は、チューブ積層体におけるチューブの１つの可能な配置を示す。図５は、鉛直方向に整列した２つのチューブ積層体の端面図である。チューブ積層体２１０（ｎ）と２１０（ｎ＋１）とは、互いに鉛直方向に配置され、隔壁２４０によって互いから分離され、それらの隣接するチューブ積層体から分離される。隔壁２４０は、流れ分布が非一様にならないようにし、かつ、千鳥状で対向流熱伝達を促進する。一実施形態では、隔壁２４０は、高温ガスが貫流装置に入ることを妨げない。これらは、チューブ積層体を通る高温ガスの分布を促進する。図５で分かるように、各チューブ積層体は、それぞれヘッダ２０４（ｎ）および２０４（ｎ＋１）と流体連通している。チューブは、穴を有する金属プレート２５０によって支持され、それらの穴を通ってチューブは前後に延びる。チューブは蛇行している、すなわち、入口ヘッダ２０４（ｎ）と出口ヘッダ２０６（ｎ）との間を蛇行するように前後に延びる。作動流体は、入口ヘッダ２０４（ｎ）から出てチューブ積層体に入り、そこで、チューブ積層体のチューブの方向とは垂直方向の高温ガス流から熱を受け取る。

図６Ａは、図５のチューブ積層体２１０（ｎ＋１）の拡大端面図である。図６Ａでは、２本のチューブ２６２および２６４が入口ヘッダ２０４（ｎ＋１）から出ていることが分かる。２本のチューブ２６２および２６４は、各ライン位置２６０でヘッダ２０４（ｎ＋１）から出ている。図６Ａのチューブは、入口ヘッダ２０４（ｎ）から、手前から離れて紙面の向こう側にある出口ヘッダ２０６（ｎ）へ傾いている。

チューブは、（図６Ａの左上で分かるように）ジグザグに、または千鳥状に配置され、チューブ２６２は、２組のプレート２５０間を蛇行するように前後に横断する（紙面に入り、紙面から出る）、一方、チューブ２６４は、チューブ２６２が中を通って延びる穴の下の穴の段にある１組の穴に、２組のプレート２５０間を蛇行するように前後に横断する（紙面に入り、紙面から出る）。本明細書は、２組のプレート２５０を詳述しているが、図６Ａは１つのプレート２５０だけを示していることに留意されたい。実際には、各チューブ積層体は、前に図４（Ｂ）で示したように、２つ以上の組のプレートによって支持することができる。要するに、チューブ２６２は、奇数段の奇数列（１、３、５、７、…）の穴を通って延び、一方、チューブ２６４は、偶数段の偶数列（２、４、６、８、…）の穴を通って延びる。これによって、ジグザグ状の配置となる。このジグザグ配置は、金属プレートの偶数の穴の列の穴が奇数の穴の列の穴からずれていることによって生じる。ジグザグ配置の結果、１つの段のチューブは、先行または後続の段のチューブから鉛直方向にずれている、または千鳥状になっている。千鳥状配置では加熱回路は２つの流路内に配置することができ、その結果、ボイラ内の低点、およびそれに続いて生じる圧力部分を排出できなくなることを避けることができる。

詳細には、平行な水／水蒸気回路１、２、３、４などは、下記で図６Ｂおよび図７Ｂに示されている。図６Ｂおよび図７Ｂに示す配置では、機器を設計するときに考慮する必要のある固有の静圧ヘッド差の影響がある。これらの静圧ヘッド差により、貫流セクションを横切る流れおよび温度の分布は最適及ばず、したがって、最適な設計構成とはならない。しかしながら、例えば、フィンチューブ４ｃおよび３ｄの下流の比較的低温の排気ガス温度により、フィンチューブ３ｃには冷却効果が存在する（図７Ｂ参照）。この力学は「熱混合」と呼ばれる。この力学が熱交換器全体にわたって働くと、静圧ヘッド効果を部分的に打ち消し、したがって、熱混合の正確な範囲は必ずしも最適ではない。

図６Ｂは、チューブ積層体内を切り取った平面断面図である。その平面は、チューブ内を流体が流れる方向に対して垂直であり、図６Ｂは、７本の蛇行チューブのその平面での断面領域を示す。見て分かるように、チューブ（それらの断面領域によって見られる）は、鉛直方向に千鳥状構成となっている。蛇行形状のため、加熱面は、対向流流体の流れ、したがって、対向流熱伝達を支える千鳥状構成の平行なチューブ径路を示す。対向流熱伝達は、１つの方向のチューブのセクション内の流れが同じチューブの隣接する別のセクション内の流れとは反対方向に流れることを意味する。図６Ｂに示す番号は、単一の水／水蒸気回路を表す。例えば、チューブ１では、セクション１ａは、手前から向こう側へ流れる流体を含み、一方、その隣のチューブ１ｂのセクションは、手前の方に向かって流れる流体を含む。図６Ｂでのチューブの色の違いは、作動流体の流れ方向が反対であることを示す。矢印は、単一のパイプ内の流体の流れの方向を示す。

図７Ａは、１つの方向には傾いているが、別の方向には水平であるチューブの端面斜視図を示す。図７Ａのチューブの場合、チューブ（すなわち、１ａ、１ｂ）は高温ガス流に対して概ね垂直となる方向には水平であるが、高温ガス流に対して平行な方向にはθ１の角度で傾いている。一実施形態では、図８に示すように、チューブ積層体は、高温ガスの流れ方向に平行な方向には実質的に水平で、高温ガスの流れ方向に垂直な方向には傾いているチューブを含む。

角度θ１は５５度から８８度まで変えることができ、詳細には、６０度から８７度、より詳細には、８０度から８６度まで変えることができる。１つまたは複数の方向にチューブを傾けると、ダクト壁２８０と、チューブを全く傾けない場合にチューブ積層体が占めるであろう長方形幾何形状との間に空いた空間２７０が生じる。この空いた空間２７０は、制御機器を収容するために使用することができる。この空いた空間は、積層体の底部、積層体の頂部、または積層体の頂部および底部に配置することができる。これに代えて、この空いた空間は、チューブ積層体の高温ガスの対向流を促進するために使用することができる。

一実施形態では、この空いた空間２７０は、積層体の分画部、すなわち、図４（Ａ）および図４（Ｂ）で分かるように、標準の積層体２１０（ｎ）の分画サイズの積層体を含むことができる。別の実施形態では、高温ガスを偏向させて直線流でチューブ積層体に入るように、空いた空間に隔壁を配置することもできる。

図７Ａでは、チューブはまた、排気ガス流に対して千鳥状であることが分かる。これは、チューブ積層体内を切り取った平面断面を示す図７Ｂに示されている。この平面は、チューブ内を流体が流れる方向に対して概ね垂直である。図６Ｂのチューブの場合のように、図７Ｂの流体の流れもまた対向流の方向である。図７Ｂに示す番号は、単一の水／水蒸気回路を表す。矢印は、単一のチューブ内の流体の流れの方向を示す。チューブ積層体のチューブは傾いているので、作動流体は右から左へ上方に流れる。図５、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂでは、高温ガスが左から右に流れるように示しているが、右から左の逆方向にも流れることもできる。高温ガスが右から左に流れる場合、単一のチューブ内の流れ方向は、図６Ｂに示す方向とは逆になる。

水平／傾斜配列の水／水蒸気（作動流体）回路を有する千鳥状の対向流水平配列の加熱面（図７Ｂ）によって、最小流量の増大と絞り装置による圧力降下の増大とのバランスをとることができる。さらに、加熱面は、千鳥状の対向流熱伝達モードにより最小化され、それにより、通風損失および寄生動力が最小になる。しかしながら、所与のバランスに対しては、これは、流量絞り要求および／または分離器の水の排出の考慮、またはそれらの両方により高い寄生動力損失をもたらす場合がある。これは、流量絞り装置の前後の圧力降下が、分離器から排出される水と同様に著しいためである。

一実施形態では、チューブ積層体のチューブは、図６Ｂで分かるように、複数の列と段に配置される。図６Ｂの千鳥状の対向流配置のチューブは、複数の列（列１、列２、列３など）に配置することができる。例えば、列１は、チューブ１ｂ、３ｂ、５ｂ、７ｂなどを含み、一方、段１は、チューブ１ａ、１ｂ、１ｃ（図示せず）、１ｄ（図示せず）などを含む。第１の列のチューブは、隣の第２の列のチューブから距離ｄ２だけ離れている。第１の列のチューブは、第３の列のチューブから距離ｄ２＋ｄ５だけ離れている。一実施形態では、距離ｄ２は平均距離である。別の実施形態では、距離ｄ２が長くなると、距離ｄ５が短くなり、その逆もまたある。言い換えれば、列１の第１のチューブと隣接する列２の第２のチューブとの間の距離は、設計考慮に応じて、段の対ごとに変えることができる。ｄ１およびｄ２（したがって、ｄ４およびｄ５）を変える目的は、当該の設計に存在する同時の静圧ヘッド差効果に対処するように、熱混合の程度を最適化することである。

同様に、第１の段のチューブは、隣の第２の段のチューブから距離ｄ１だけ離れている。第１の段のチューブは、第２の段のチューブからチューブの反対側に配置された第３の段のチューブから距離ｄ１＋ｄ４だけ離れている。言い換えれば、ｄ１が長くなると、ｄ４が短くなり、その逆もまたある。チューブ２ｂの（チューブ１ｂおよび３ｂに対する）位置は、それに接触する排気ガスの流れの温度を決定する。要するに、ｄ４に対するｄ１の比はチューブ２ｂに接触する排気ガスの流れの平均温度を決定する。

一実施形態では、距離ｄ１は、１つの段のチューブと隣の段のチューブとの間の平均距離である。別の実施形態では、段１の第１のチューブと隣接する段２の第２のチューブとの間の距離は、設計の考慮に応じて、列の対ごとに変えることができる。

図６Ｂに示した配置に関しては、チューブ１ｂ〜１ａと２ｂ〜２ａとは並行して作動することができることがわかる。しかしながら、チューブ２ｂは、両方のチューブ１ｂおよび３ｂから来る排気流および排気温度を受ける。言い換えれば、（図６Ｂに関しては）、列２（Ｃｏｌ．２）のチューブは、列１（Ｃｏｌ．１）の上流のチューブ（１ｂおよび３ｂ）に対するその位置に応じて、（チューブ１ｂおよび３ｂに衝突する排気ガスの流れの温度より）低い温度の排気ガスの流れの大きな部分を受けることができる。上流のチューブ１ｂおよび３ｂに対する下流のチューブ２ｂの相対位置によって、それ（チューブ２）が出会う（チューブ１ｂおよび３ｂからの）混合熱流れの温度が決まる。要するに、別のチューブの列の下流に位置するチューブの列は、低い温度を受けることができる。したがって、列２のチューブの位置は、列２のチューブが吸収する熱量を調節するために、列１のチューブに対するそれらの位置の関係を変えることができる。図７Ｂの列１のチューブに対する列２のチューブの場合にも同じ状況が生じ得る。

列２のチューブの相対位置は、所与の用途に合うように、列１のチューブの位置に対して調節することができる。もう一度、図６Ｂを参照すると、第１の列の２つの隣接するチューブ間の距離はｄ１であり、一方、第１の列と第２の列の隣接するチューブ間の距離はｄ２であることが分かる。第１の列と第２の列のチューブを結ぶ三角形はＸＹＺで表される。線ＸＺとＹＺとの間の角度αは、ｄ１とｄ２の長さに応じて変えることができる。一実施形態では、線ＸＺとＹＺとの間の角度αは、２度から８８度まで変えることができ、ｄ１は０．１ｄ２から１０００ｄ２、好ましくは、０．５ｄ２から５００ｄ２、より好ましくは、ｄ２から１００ｄ２まで変えることができる。この解析は、図７Ｂに示されたチューブ構成にも同様に適用する。

図８に示す別の実施形態では、図４Ａ、図４Ｂ、図５、および図７Ａを参照して、２つの隣接するセクション２１０（ｎ）と２１０（ｎ＋１）との間の距離ｄ３（隔壁２４０によって占有された領域）は、１つのセクション２１０（ｎ）から入射して別のセクション２１０（ｎ＋１）に衝突する排気ガス流れの量を増減させるように調節することができる。一実施形態では、距離ｄ３はｄ１から１０００ｄ１まで変えることができる。

「最大連続負荷」は、発電プラントの定格全負荷条件を示す。

ボイラの「貫流蒸発器セクション」は、最大連続負荷（ＭＣＲ：ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｌｏａｄ）の様々な比率において水を水蒸気に変換するために使用される。

「ほぼ水平なチューブ」は、事実上、水平方向のチューブである。「傾いたチューブ」は、水平位置でもなく、鉛直位置でもないチューブで、図示のように、それらの間の角度で入口ヘッダと出口ヘッダに対して配置されたチューブである。

様々な要素、構成部品、領域、層、および／またはセクションを説明するために、本明細書では、「第１の」、「第２の」、「第３の」などの用語を使用する場合があるが、これらの要素、構成部品、領域、層、および／またはセクションは、これらの用語によって限定されるものではないことが理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素、構成部品、領域、層、またはセクションを別の要素、構成部品、領域、層、またはセクションと区別するために使用されるに過ぎない。したがって、以下で論じる、「第１の要素」、「構成部品」、「領域」、「層」、または「セクション」は、本明細書での教示から逸脱することなく、第２の要素、構成部品、領域、層、またはセクションと称することができる。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけであり、限定することを意図したものではない。「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」のような単数形は、本明細書に使用されるとき、文脈においてそうでないことを明示しない限り、複数形も含むことが意図される。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備えている、含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、あるいは、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、本明細書に使用されるとき、述べられた特徴、領域、完全体、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを特定するが、１つまたは複数の他の特徴、領域、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループが存在すること、あるいはそれらが付加されることを排除しないことがさらに理解されるであろう。

さらに、「下方」または「底部」、および「上方」または「頂部」などの相対的な用語は、本明細書では、図に示すような、１つの要素の別の要素に対する関係を説明するために使用する場合がある。相対的な用語は、図に描かれた向きに加えて、装置の様々な向きを含むように意図されていることが理解されるであろう。例えば、図の１つに示された装置をひっくり返した場合、他の要素の「下方」にあると記述された要素は、この他の要素の「上方」の向きになっているであろう。したがって、例示的な用語「下方」は、図の特定の向きに従って、「下方」および「上方」の両方の向きを含むことができる。同様に、図の１つの装置をひっくり返した場合、他の要素の「下」または「真下」にあると記述された要素は、この他の要素の「上」の向きになっているであろう。したがって、例示的な用語「下」は、上および下の両方の向きを含むことができる。

他に定義されない限り、本明細書で使用するすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、この開示が属する技術の当業者が一般的に理解するものと同じ意味を有する。一般に使用される辞書で定義される用語などの用語は、関連技術および本開示の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものとして解釈すべきであり、本明細書で明示的に定義しない限り、理想的な、または過度に形式的な意味合いで解釈すべきでないことがさらに理解されよう。

本明細書では、理想化された実施形態の概略を示す断面図を参照して例示的な実施形態を説明している。したがって、例えば、製作技法および／または製作公差の結果として、図の形状から変わることが予想される。したがって、本明細書で説明される実施形態は、本明細書で例示されるような特定の形状の範囲に限定されると解釈されるべきではなく、例えば製作で生じる形状のずれを含むと解釈されるべきである。例えば、平坦として図示され、または説明された領域は、典型的には、粗い、および／または非線形の特徴を有する場合がある。さらに、図では鋭角と示しているものが丸みを持っている場合がある。したがって、図で示された領域は、本質的に概略的なものであり、それらの形状は、ある領域の正確な形状を示すことを意図したものではなく、本特許請求の範囲を限定することを意図したものではない。

用語「および／または」は、本明細書では、「および」と「または」の両方の意味で使用されている。例えば、「Ａおよび／またはＢ」は、Ａ、Ｂ、または、ＡおよびＢの意味で解釈される。

移行句「備えている、含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、移行句「主に〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」および「〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」を包括しており、「備えている、含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と交換可能である。

この開示は例示的な実施形態を説明しているが、本開示の実施形態の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、また本開示の要素に対して均等物を代用することができることは、当業者であれば理解するであろう。さらに、本開示の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料をこの開示の教示に適応させるために多くの修正を行うことができる。したがって、この開示は、この開示を実施するために考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるのではないことが意図されている。

１００ 排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
１０２ 混合器
１０３ 出口マニホールド
１０４ 熱交換器
１０５ 入口マニホールド
１０６ 供給源
１０８ 熱交換器
１０９ 捕集容器
１１０ 分離器
１１１ ダクト壁
１１２ 入口ヘッダ
１１３ 出口ヘッダ
２００ 貫流蒸発器
２０２ 入口マニホールド
２０４ 入口ヘッダ
２０６ 出口ヘッダ
２０８ 出口マニホールド
２１０ チューブ積層体
２３９ 通路
２４０ 隔壁
２５０ プレート
２６０ ライン位置
２６２ チューブ
２６４ チューブ
２７０ 空いた空間
２８０ ダクト壁
３００ フレーム
３０２ 支持バー
３０４ 支持バー、水平ロッド
３０６ ロッド
ｄ１ 距離
ｄ２ 距離
ｄ３ 距離
ｄ４ 距離
ｄ５ 距離
α 角度
θ１ 角度
θ２ 角度

Claims (16)

1. 入口マニホールド（２０２）と、
   前記入口マニホールド（２０２）と流体連通する１つまたは複数の入口ヘッダ（２０４）と、
   １つまたは複数のチューブ積層体（２１０）であって、各チューブ積層体（２１０）が、１つまたは複数の傾いた蒸発器チューブを含み、前記１つまたは複数のチューブ積層体（２１０）が、前記１つまたは複数の入口ヘッダ（２０４）と流体連通し、前記傾いたチューブが、鉛直に対して９０度より小さな角度、または９０度より大きな角度で傾き、各チューブ積層体（２１０）が、複数の列と複数の段とに配置された複数のチューブを含み、第１の列の複数のチューブが、第２の列の複数のチューブから距離ｄ２だけずらされ、第１の段の複数のチューブが、第２の段の複数のチューブから距離ｄ１だけずらされ、（ｄ１）が０．１（ｄ２）から１０００（ｄ２）まで変わる、１つまたは複数のチューブ積層体（２１０）と、
   前記１つまたは複数のチューブ積層体（２１０）と流体連通する１つまたは複数の出口ヘッダ（２０６）と、
   前記１つまたは複数の出口ヘッダ（２０６）と流体連通する出口マニホールド（２０８）と
   を備える貫流蒸発器（２００）。
2. 前記距離（ｄ１）および（ｄ２）が平均距離である、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
3. 連続する列の間の前記距離（ｄ２）を変えることができる、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
4. 連続する段の間の前記距離（ｄ１）を変えることができる、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
5. 前記１つまたは複数のチューブ積層体（２１０）の間の距離（ｄ３）を変えることができる、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
6. 前記チューブ積層体（２１０）が、高温ガスの流れ方向に対して垂直な方向には実質的に水平で、前記高温ガスの流れ方向に対して平行な方向には傾いているチューブを含む、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
7. 前記チューブ積層体（２１０）の前記チューブが千鳥状に配置され、１つの段の前記チューブが先行または後続の段の前記チューブからずらされている、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
8. 前記チューブ積層体（２１０）の前記チューブが千鳥状に配置され、１つの段の前記チューブが、後続の段の前記チューブの真上にあり、先行の段の前記チューブの真下にある、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
9. 傾いた蒸発器チューブ積層体と水平の蒸発器チューブ積層体との形状差によって生じる空いた空間（２７０）をさらに含む請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
10. 前記空いた空間（２７０）が、部分的なチューブ積層体で満たされた請求項９記載の貫流蒸発器（２００）。
11. 前記空いた空間（２７０）が、前記チューブを通る前記作動流体の流量を調整するための制御機器を含む、請求項９記載の貫流蒸発器（２００）。
12. 前記チューブ積層体（２１０）間に配置された隔壁（２４０）をさらに備える請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
13. チューブ積層体（２１０）が隔壁（２４０）をまたがる、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
14. 前記チューブ積層体（２１０）が、高温ガスの流れ方向に対して平行な方向には実質的に水平で、前記高温ガスの流れ方向に対して垂直な方向には傾いているチューブを含む、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
15. 前記チューブ積層体（２１０）の前記チューブが直線に配置され、１つの段の前記チューブが、後続の段の前記チューブの真上にあり、先行の段の前記チューブの真下にある、請求項１記載の貫流蒸発器（２００）。
16. 貫流蒸発器（２００）を通して作動流体を排出するステップであって、前記貫流蒸発器（２００）が、
    入口マニホールド（２０２）と、
    前記入口マニホールド（２０２）と流体連通する１つまたは複数の入口ヘッダ（２０４）と、
    １つまたは複数のチューブ積層体（２１０）であって、各チューブ積層体（２１０）が、１つまたは複数の傾いた蒸発器チューブを含み、前記１つまたは複数のチューブ積層体（２１０）が、前記１つまたは複数の入口ヘッダ（２０４）と流体連通し、前記傾いたチューブが、鉛直に対して９０度より小さな角度、または９０度より大きな角度で傾き、各チューブ積層体（２１０）が、複数の列と複数の段とに配置された複数のチューブを含み、第１の列の複数のチューブが、第２の列の複数のチューブから距離（ｄ２）だけずらされ、第１の段の複数のチューブが、第２の段の複数のチューブから距離（ｄ１）だけずらされ、（ｄ１）が０．１（ｄ２）から１０００（ｄ２）まで変わる、１つまたは複数のチューブ積層体（２１０）と、
    前記１つまたは複数のチューブ積層体（２１０）と流体連通する１つまたは複数の出口ヘッダ（２０６）と、
    前記１つまたは複数の出口ヘッダ（２０６）と流体連通する出口マニホールド（２０８）とを備える、ステップと、
    炉またはボイラからの高温ガスを前記貫流蒸発器（２００）を通して排出するステップと、
    前記高温ガスからの熱を前記作動流体に伝えるステップと
    を含む方法。