KR102438881B1 - 열 회수 증기 발생기를 위한 관류 수직 튜브형 초임계 증발기 - Google Patents

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Abstract

초임계 증기를 생성하기 위해 종래의 자연 순환 HP 증발기를 대체하는 수평 열 회수 증기 발생기(HRSG)에서 수직으로 배열된 복수 개의 서펜타인 도관들(90)을 포함하는 관류 증기 발생기(OTSG) 코일(52) 및 방법이 개시된다. OTSG는 다수 작동 조건들에서 시스템 안정성을 증진시키는 하부 이퀄리제이션 헤더 시스템(130)을 포함한다. 이퀄리제이션 헤더는 하부 서펜타인 커브된 유동 경로(12)로부터 이퀄리제이션 도관(125)을 통해 이퀄리제이션 헤더(130)로 부분적인 유체의 유동을 허용한다. 또한, 서펜타인 도관들에서 유동 제한 장치; 이퀄리제이션 헤더를 통한 서펜타인 도관들로부터의 배수 구조, 응력들을 수용하기 위한 배수 팽창 섹션, 및 배수 우회로 연결부들; 및 서펜타인 도관들을 통한 상류 및 하류로 유동, 혼합 유동 방향들 및 길이 방향으로 스태커된 방향들이 개시된다.

Description

열 회수 증기 발생기를 위한 관류 수직 튜브형 초임계 증발기{ONCE-THROUGH VERTICAL TUBED SUPERCRITICAL EVAPORATOR COIL FOR AN HRSG}
열 회수 증기 발생기를 위한 관류 수직 튜브형 초임계 증발기{ONCE-THROUGH VERTICAL TUBED SUPERCRITICAL EVAPORATOR COIL FOR AN HRSG}
천연 가스 및 연료 오일은 현재 발생되는 전기의 대부분을 위한 에너지 소스로 사용된다. 이를 위해, 가스 또는 연료 오일은 전기 발생기에 동력을 공급하는 터빈에서 연소된다. 연소 생성물들은 터빈을 매우 높은 온도의 배기가스로 남겨 두어, 배기가스가 그 자체로 에너지 소스를 나타내게 한다. 이 에너지는 다른 전기 발생기에 동력을 공급하는 과열 증기(superheated steam)를 생성하는 열 회수 증기 발생기(HRSG, heat recovery steam generator)에서 포착된다.
일반적으로, HRSG는 입구와 출구를 구비하는 케이싱(casing)과, 입구 및 출구 사이에서 과열기(superheater), 증발기 및 이코노마이저(economizer)의 순서로 배열되는 일련의 열 교환기(heat exchanger)들을 포함한다.
이러한 HRSG용 열 교환기들은 다수의 코일들의 뱅크들(banks of coils)을 구비할 수 있고, 가스 유동의 방향으로 코일들의 뱅크들의 마지막은 급수 가열기(feedwater heater)일 수 있다. 급수 가열기는 증기 터빈에 의해 배출된 저압 증기로부터 나온 응축액(condensate)을 수용하고, 물의 온도를 상승시킨다. 그 다음, 급수 가열기로부터 따뜻한 물은, 예를 들어, 물을 포화 증기(saturated steam)로 변환시키는 하나 이상의 이코노마이저들, 보일러 급수 펌프들 또는 증발기들로 유동한다. 그 포화 증기는, 포화 증기를 과열 증기로 변환되는 과열기로 유동한다. 이러한 과열기로부터, 과열 증기는 증기 터빈으로 유동할 수 있다.
일반적으로, 전술한 공정에서, 대부분의 HRSG들은 낮은 압력(LP), 중간 압력(IP) 및 높은 압력(HP)인 3개의 압력 레벨들에서 과열 증기를 생성한다. HRSG는 하나 이상의 과열기들을 구비할 수 있고, 또한 LP 증발기, HP 이코노마이저 및 IP 이코노마이저를 구비할 수 있다.
자연 순환 시스템을 사용하는 HRSG를 특징으로 하는 시스템의 전체적인 설명은 본원에 참고로서 인용되는 미국 특허 제6,508,206 B1호(이하, "'206 특허")에 나타난다. '206 특허의 도 4는 상류(upstream) 가장 먼 위치에 과열기(18)가 배치된 배열을 도시한다. 내부 HRSG 유동 경로에서 과열기(16)로부터 하류(downstream)에는 증발기의 상부에 위치되는 증기 드럼(steam drum)에 유체 유동 연결(fluid flow connection)되는 적어도 하나의 증발기(18)가 있다. 이 증기 드럼은 HRSG 내부 배기가스 유동 경로의 외부에 위치된다. '206 특허의 HRSG는 또한 급수 가열기(20)를 구비한다.
HRSG에 의해 생성된 과열 증기는 일반적으로 증기의 임계 압력 이하이다. 더 큰 규모 및 더 높은 효율성의 전력 플랜트들을 건설하려는 산업 동향은 그러한 플랜트들이 물의 임계 압력보다 높거나, 약간 낮게 작동해야 하는 요구로 발전했다.
자연 순환 HRSG에서, 물은 먼저 포화 증기로 증발된다. 포화 증기는 본원에서 간단하게 "고압(HP) 증발기 섹션"(HPEVAP)으로 지칭되는, 고압(HP) 증발기 코일 및 드럼 조합에서 발생한다. 이러한 HP 증발기 코일 및 드럼 조합에서, 증발기 코일은 HRSG의 내부 배기 유동 경로 내에 위치되고, 드럼은 HRSG의 내부 배기 유동 경로의 외부에 위치되고, HP 증발기 코일 및 드럼은 서로 유체 유동 연결되어 있다. HPEVAP에서, 포화 상태에서 증기와 물의 밀도 차이는 물 및/또는 증기가 순환하는 원동력이고, 물 및/또는 증기는 증기 드럼으로부터 다운커머 파이프(downcomer pipe)들을 통과하여 HPEVAP 코일 튜브들로 순환하고, 증기 드럼으로 다시 되돌아온다. HPEVAP에서 포화 수의 순환은 자연 순환 HRSG를 다른 타입들의 HRSG들로부터 구별하는 것이다.
HRSG의 또 다른 타입은 종래 기술에서 일반적으로 "OTSG"로 지칭되는 관류 증기 발생기(once-through steam generator)를 사용하는 시스템이다. OTSG에서, 작동 유체는 자연 순환 HRSG 시스템과 마찬가지로 가열 표면을 통해 재순환(recirculate)하지 않는다. 오히려, OTSG를 사용하면 작동 유체는 각각 개별 평행 HPEVAP 도관(parallel HPEVAP conduit)을 통과하고, 그 다음 OTSG를 빠져 나온다. 더피(Duffy)의 미국 특허 제6,019,070호("더피 '070'특허")는 내부에 회로 어셈블리들로서 지정된 OTSG를 구비하는 HRSG를 개시한다. 더피 '070 특허의 회로 어셈블리들 각각은 U-밴드 형상 부분들 및 수직으로 지향되는 선형 부분들을 갖는 서펜타인 형상(serpentine shaped)의 열교환 튜브를 포함하고, HRSG 내부 가스 유동 경로 내에 배치된다.
위초우(Wittchow) 등의 미국 특허 제6,189,491호는 ("위초우(Wittchow) '491 특허")는 또한 HRSG 가스 유동 경로 내에 수직으로 배치되는 증기 발생기 튜브들을 갖는 OTSG를 구비하는 HRSG를 개시한다. 번트(Berndt) 등의 미국 특허 제8,959,917호 ("번트(Berndt) '917 특허")는 OTSG를 사용하는 HRSG를 개시하고, 미국 특허 출원 장(Zhang), 공개번호 US 2013/0180228 A1은 초임계 증발기 배열을 갖는 HRSG를 개시한다("장(Zhang) '228 출원"). 더피(Duffy) '070 특허, 위초우(Wittchow) '491 특허, 번트(Berndt) '917 특허 및 장(Zhang) '228 출원이 본원에서 완전히 설명된 것처럼 본원에 통합된다.
본 출원의 도 1은, '206 특허의 도 3에 도시된 것과 유사한 HRSG의 사용을 도시하는 시스템의 전체적인 레이아웃을 나타낸다. 본 출원의 도 1은 가스로부터 열을 추출(extract)하여 증기 터빈(S)에 동력을 공급하는 증기를 생성하는 "HRSG"로 뜨거운 배기가스를 배출(discharge)하는 가스 터빈(G)을 개시한다. 가스 터빈(G) 및 증기 터빈(S)은 전기 에너지를 생성할 수 있는 발전기들(E)에 동력을 공급한다. 증기 터빈(S)은 저온 및 저압의 증기를 응축기(CN)로 배출하고, 응축기(CN)에서 증기는 액체 수로 응축된다. 응축기(CN)는 급수로서 HRSG로 물을 되돌려 보내는 응축 펌프(CP)에 유동 연결된다.
일반적으로 열교환기들은 수직으로 지향(orient)되고 케이싱의 내부를 횡단하여 가로질러 배열되는 다수의 튜브들을 구비하는 코일들을 포함한다. 코일들은 또한 도 2 내지 도 7의 화살표들로 나타낸 고온 가스 유동의 방향으로 차례로 위치하는 열들로 배열된다. 튜브들은 코일들이 수용될 수 있도록 디자인된 모든 단계에서 물을 포함한다. 튜브들의 길이는 약 90'높이일 수 있다.
전술한 바와 같이, 사이클 효율을 최대화하기 위해, HRSG는 일반적으로 과열 증기 발생 및 증기 재열의 다중 압력 레벨들을 포함한다. 본 발명은 작동 압력 범위가 초임계 압력들에서 증기 생성을 포함하도록 증가될 수 있도록 한다. (주어진 작동 유체에 대해) 하나의 압력 시스템 및 명목상으로는 고압(HP) 시스템만이 초임계 압력에서 작동할 수 있기 때문에, 다른 압력 레벨들, 일반적으로 중간 압력(IP) 및 저압(LP) 시스템들에 대한 자연 순환을 유지하는 것이 바람직하다. 다른 압력 시스템들과 명명법이 있을 수 있다. 이 요약은 사용할 수 있는 HRSG의 타입을 제한하지 않는다.
물의 임계점에 접근하는 압력에서, 포화 조건들에서 물 및 증기의 밀도 차이는 낮은 압력에서보다 훨씬 작다. 이러한 조건들에서, 자연 순환 증발기에서 유동을 일으키는 유체 역학은 공장 발전 필요성에 대한 유동을 궁극적으로 생성하기 위해 다른 방법이 요구되는 지점까지 감소한다. 이 경우, HPEVAP를 관류 증기 발생기(OTSG)로 디자인되고 작동시키는 것은 실용적인 것으로서, 작동 유체는 가열 표면을 통해 재순환하지 않고, 각각의 개별 평행 HPEVAP 튜브 도관을 한번 통과하고, 그 다음 HPEVAP 섹션을 빠져나간다. 도 2에서 OTSG는 자연 순환 HPEVAP에서 일반적인 HPEVAP를 대체한다. OTSG는 HRSG 기술에 알려져 있지만, 안정적이고 기계적으로 수용 가능한 디자인으로 작동 조건들을 다루기 위해 OTSG를 사용하는 수단을 통해 임계 이하의 증기 및 초임계 증기를 생산할 필요가 있다. 2상 유동(two-phase flow)들의 층화(stratification), 임계 열 유속들 및 불안정성은 OTSG 디자이너들에게 주요한 관심사이다. 초임계 조건에서 작동 유체는 단상 유체(single phase fluid)로 존재하고, HPEVAP의 병렬 회로(parallel circuit)들을 통과할 때 현저하게 가열된다.
본원에서, OTSG는 수직 튜브 섹션들을 구비하는 개별 서펜타인 튜브들의 그룹을 포함하도록 구성되고, 수직 튜브 섹션들에 유동 연결되는 상부 및 하부를 향해 밴드(bend)된다. 물은 HP 급수 펌프의 압력을 통해 HP 이코노마이저 출구로부터 튜브들의 OTSG 그룹의 입구로 유입될 수 있다. 물은 OTSG 코일의 서펜타인 튜브들을 통과하면서, 배기가스로부터 열을 흡수하여 가열될 수 있다. 임계점보다 약간 낮은 압력에서 유체는 2상 또는 약간 과열된 증기로 빠져나간다. 임계점 이상의 압력에서 유체는 온도가 일치하는 특성들을 갖는 OTSG를 빠져나간다. OTSG는 높은 질량 플럭스(high mass flux)에서 작동한다. 다른 HRSG와 마찬가지로 증발기 코일에서 빠져나가는 초임계 물/증기 유체는 가스 경로의 상류의 코일 섹션들에서 더 가열되고, 더 높은 온도의 가스에서 열을 흡수하고, 온도를 더 높여 증기 사이클 효율을 극대화할 수 있다.
서펜타인 튜브들을 포함하는 개별 도관들 사이에서 존재할 수 있는 압력 차이의 조절은, 압력의 균형을 돕기 위해 도관들 사이의 상호 연관(inter-association)에 의해 제공된다. 이러한 이퀄리제이션(equalization)은 튜브 회로들 사이의 압력 안정성을 촉진한다. 상호 연관 도관들의 구성 및 위치는 공정에서 증기로부터 액체를 분리하는 것을 돕기 위해 자연력을 이용하여, 개별 서펜타인 섹션들의 하부 U-밴드들 아래에서 2상 분리를 촉진한다. 이것은 유동 안정화를 촉진하는 이퀄리제이션 도관들로 물을 안내하는 데 도움을 준다. 특히, 본 개시는 바람직하게는 개별 도관들 사이에서 상호 연결된 헤더들을 제공한다. 헤더들은 바람직하게는 내부 배기가스 유동을 가로 지르는 서펜타인 튜브들의 하부 U-밴드들의 하부 아래에 배치된다. 또한, 본 개시는 바람직하게는 유동 분배 및 유동 안정성을 향상시키도록 위치되는 개별 서펜타인 튜브들에 유동 연결되는 유동 제한 장치를 포함하고, 유동 제한 장치는 바람직하게는 서펜타인 튜브의 입구를 향해 위치된다. 또한, 본 개시는 바람직하게는 서펜타인 튜브로부터 배수(drainage)를 제공한다.
도 1은 본 발명을 사용할 수 있는 HRSG를 구비하는 복합 사이클 동력 시스템의 개략도이다.
도 2는 HRSG를 갖는 일 실시 예의 단면도이고, 관류 수직 튜브형 초임계 증발기 코일(once-through vertical tubed supercritical evaporator coil)을 도시한다.
도 3은 HRSG의 플로어 및 루프의 일 부분을 나타내는 본 발명의 제 1 실시 예의 단면도이고, 대표적인 높이 대 폭 비율(scale of height to width)로 도시된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예이고, 하부에 입구 및 홀수 개의 튜브 열들을 도시한다.
도 5는 스태거형 튜브 피치 배열(staggered tube pitch arrangement)의 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예의 평면도이고, 좌측 단부를 향한 긴 버블(123)은 개별 도관들 튜브 섹션들의 그룹의 수직 섹션들의 하나의 열의 단부들을 지시한다. 도면 아래의 다이어그램에서, 교번하는 방식으로, 어두운 원형 영역은 개별 도관의 수직 튜브 섹션(108)을 통한 상향 유동(upward flow)을 나타내고, "x"는 인접한 수직 튜브 섹션(108)을 통한 하향 유동(downward flow)을 나타낸다.
도 6은 일직선형 튜브 피치 배열(in-line tube pitch arrangement)을 나타내는 본 발명의 다른 실시 예의 평면도이고, 좌측 단부를 향한 긴 버블(123')은 개별 도관들 튜브 섹션들의 그룹의 수직 섹션들의 하나의 열의 단부들을 지시한다(도 5에서와 같이). 도면 아래의 다이어그램에서, 교번하는 방식으로, 어두운 원형 영역은 개별 도관(90')의 수직 튜브 섹션(108')을 통한 상향 유동을 나타내고, "x"는 인접한 수직 튜브 섹션(108')을 통한 하향 유동을 나타낸다.
도 7은 개별 중간 도관들이 다른 튜브 팽창을 다루기 위한 팽창 루프를 포함하는 본 발명의 일 실시 예이다.
도 8은 상부에 위치되는 다른 상부 위치 및 짝수 개의 튜브 열들을 도시하는 본 발명의 일 실시 예이다.
도 9는 반대 방향 유동 및 같은 방향 유동의 혼합을 도시하는 본 발명의 일 실시 예이고, 입구 헤더는 하부를 향한다.
도 10은 반대 방향 유동 및 같은 방향 유동의 혼합을 도시하는 본 발명의 일 실시 예이고, 입구 헤더는 상부를 향한다.
본 출원은 2014년 10월 9일자로 출원된 미국 가출원 제 62/062055호의 우선권을 주장하고, 그 내용은 본원에 참조로서 명시적으로 포함된다.
이하 상세한 설명은 한정이 아닌 예시로서 청구된 발명을 설명한다. 설명은 당해 기술 분야의 당업자가 개시된 발명을 실시하는 최선의 방법을 포함하여 본 개시의 제조 및 사용을 가능하게 하고, 개시, 변형, 대안, 및 사용의 기술을 명확하게 설명한다. 부가적으로, 본 개시는 그 응용에 있어서 이하의 설명 또는 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배치의 세부 사항으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 개시는 다른 실시 예들이 가능하고, 다양한 방법들로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본원에서 사용되는 표현 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 제한적인 것으로 간주되어서는 안됨을 이해해야 한다.
이하의 설명에서, 우리는 초임계 물/증기 혼합물 및 임계 이하의 물/증기 혼합물을 "유체(fluid)"로 지칭할 것이다. 이것은 임계 이하의 물과 증기의 거동이 초임계 물/증기의 거동과 같다고 추단해서는 안 된다.
도 2를 참조하면, HRSG(20)는 내부에 열교환기들인 케이싱(23, casing)을 갖는다. 가스터빈(예를 들어, 도 1의 터빈(G))으로부터 배출되는 고온 배기가스는 케이싱(23)으로 진입하고, 도 1 및 도 2의 화살표로 표시된 바와 같이 입구(25) 및 출구(27)를 구비하는 덕트를 통과한다. 이런 과정들에서 가스는 열 교환기들을 통과한다.
HRSG 케이싱(23)은 플로어(30), 루프(32) 및 플로어(30)로부터 루프(32)로 상향 연장하는 측벽들을 구비한다. 열 교환기들은 케이싱(23) 내에 배치된다. 플로어(30) 및 루프(32)는 플로어(30), 측벽들 및 루프(32)가 HRSG 케이싱(23)의 내부 덕트를 형성하는데 도움이 되도록 측벽들 사이에서 연장하고, 배기가스는 내부 덕트를 통과한다.
도 2는 열교환기들의 예시적인 순차적 배열을 갖는 HRSG 케이싱을 도시한다. 도 2에서, 좌측에서 우측으로 길이방향으로, 배기가스 유동을 나타내는 화살표의 방향으로, 제 1 재열기(36), 이어서 제 1 고압(HP) 과열기(39), 제 1 고압(HP) 과열기(39)의 하류에 제 2 고압(HP) 과열기(42), 이어서 제 2 재열기(44)가 있다.
"통상적인(typical)" 수평 가스 유동에 대한 붕괴를 최소화하기 위해, 개시된 수직 튜브 관류 HP 증발기(47, OTSG, once-through HP evaporator)가 도 2에서 바람직한 위치에 있는 것이 도시되어 있다. 따라서, 이는 HRSG에서 자연 순환 HPEVAP를 대체한다. HRSG의 균형을 정상적으로 유지하려면 수평 가스 경로(horizontal gas path)가 바람직하다.
OTSG(47)는 도 3에 도시된 대형 코일(52)을 포함한다. 코일(52)은 운송을 위한 편리한 크기의 모듈로 조립된 개별 서펜타인 튜브(individual serpentine tube)들을 포함하고, 이후에 더 설명될 것이다. OTSG(47)의 하류는 고압(HP) 이코노마이저 시스템(56, economizer system)이 있고, 이어서 하류에는 중간 압력(IP) 시스템(59)이 있고, 이어서 저압(LP) 시스템(61)이 있을 수 있다. 저압 시스템(61) 하류에는 (예를 들어, '206 특허에서 논의되고 개시된 바와 같은) 급수 가열기 시스템(63)이 있을 수 있다.
코일(52)은 도 3에서 루프 빔들(65) 및 플로어 빔들(67)로서 부분적으로 도시된 강 프레임(steel frame)에 매달려있는 루프 구조(42)로부터 지지된다. 배기가스는 일반적으로 HRSG에서 발견되고 루프(32) 및 플로어(30)로서 부분적으로 도 2에 도시된 절연된 케이싱 및 라이너 시스템(liner system)에 의해 강 프레임 내에 포함된다.
이제부터 도 2를 참조하여 OTSG(47) 및 그 코일(52)에 대해 보다 상세하게 설명하면, 코일(52)은 튜브들(90)로 도시된 복수 개의 개별 열교환 도관들을 포함한다. 도 3은 튜브들(90)의 서브-그룹(70)을 도시하고, 개별 튜브 도관들의 수는 설명의 목적으로 감소된다. 도 4는 서브그룹(70)의 보다 상세한 정면도를 도시한다.
도 4를 참조하면, 일반적으로, OTSG(47)는 (도 2에 도시된) HP 이코노마이저(56)의 출구에 연결된 입구 도관(78)으로부터 유체를 수용할 수 있는 입구 헤더(75)를 갖고, 입구 헤더(75)는 파이프일 수 있다. OTSG(47)는 또한 출구 도관(86)에 유체 유동 연결되는 출구 헤더(82)를 구비한다. 도관(86)은 외부 분리기(88)의 입구(87)에 유체 유동 연결을 유도(lead)할 수 있고, 외부 분리기(88)의 출구(89)는 (도 2에 도시된) HP 과열기(44)의 입구에 유체 유동 연결을 유도할 수 있다.
입구 헤더(75) 및 출구 헤더(82) 사이에는 개별 열교환 도관들(90)의 그룹이 위치된다. 도 4의 정면도는 이러한 도관(90) 중 하나를 도시한다. 도 5의 평면도는 도관 서브-그룹(70)이 도 4의 정면도로 도시된 복수 개의 개별 도관들(90)을 포함하는 것을 도시한다.
각각의 개별 도관(90)은 입구 단부(94) 및 출구 단부(98)를 구비하는 튜브일 수 있다. 입구 헤더(75) 및 출구 헤더(82)는 바람직하게는 배기가스 유동에 수직하게 배열된 원통형 본체들이고, 튜브들(90)의 입구 단부들(94) 및 출구 단부들(98)이 용접과 같은 방식에 의해 각각 고정되는 길이들을 따라 개구(opening)들을 갖는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 입구 도관 단부(94)로부터, 도관(90)은 바람직하게 유체가 통과하여 유동하는 유동 제한 장치(100, flow restriction device)를 포함할 수 있다. 유동 제한 장치(100)와 관련된 압력 강하는 유동 분배 및 유동 안정성을 향상시킨다. 유동 제한 장치(100)로부터, 도관(90)은 일반적으로 서펜타인 튜브 섹션(104, serpentine tube section) 내로 연장한다(도 4 및 도 5). 서펜타인 튜브 섹션(104)은 일반적으로 중간 부분(109)을 포함하는 일련의 수직 튜브 섹션들(108)을 포함한다. 당 업계에 공지된 바와 같이, 수직 섹션들(108)은 열교환 핀들(도 4에서 확대하여 도시된 부분들(111))을 구비하는 부분(111) 및 핀들이 없는 부분(113)을 포함할 수 있다. 핀 부분(111)은 중간 부분(109)과 오버랩하는 것으로 도시된다.
도관들(90)은 또한 일련의 상부 U-밴드 섹션들(115) 및 하부 U-밴드 섹션들(120)으로서 도시된 바와 같이 커브(curve)되거나 밴드(bend)된 일련의 비선형 섹션들을 구비한다. 도관(90)의 제 1 수직 섹션들(108)은 도 4에서 121로 표시된다. 유동 제한 장치(100)는 바람직하게는 유동이 섹션(121)의 중간 부분(109)을 통과하기 전에 제 1 섹션들(121)의 유동 경로에 통합된다.
따라서, 바람직한 실시 예에서, 개별 도관(90) 내의 유동은 수직 튜브 섹션(108)을 통과하여 상부 U-밴드 섹션(115)으로 상향 유동을 포함하고, 이어서　인접한 수직 튜브 섹션(108)을 통해 하부 U-밴드 섹션(120)으로 하류 유동을 포함한다. 일련의 수직 튜브 섹션들(108)의 마지막에서, 유체는 도관 출구 단부(98)를 통해 출구 헤더(82)로 상향 유동한다. 따라서, 도관(90)을 통한 유동은 출구 단부(98)를 통한 유동이 출구 헤더(82)에 도달할 때까지 상향 및 하향 경로들이 교번하는 연속적인 회로(circuit)다.
도 5에 도시된 바와 같이, 서브 그룹(70)에서, 다수의 개별 도관들(90)은 내부 길이 방향 배기가스 유동 경로(internal longitudinal exhaust gas flow path)와 일반적으로 정렬하여 병렬로 배열된다. 수직 튜브 섹션들(108)은 튜브 섹션들(108)의 "열(row)들(123)"을 구성하기 위해 길이 방향 배기 유동 경로에 대체로 수직인 횡단 평면에 정렬된다. 따라서, 열들(123)은 뜨거운 배기가스의 경로에 수직하게 배열된다. 도 5는 도 5의 하부에 위치된 예시적인 도관(90)을 통해 상향 유체 유동 및 하향 유동의 방향을 도시한다. 도 5의 설명에서 언급된 바와 같이, 어두운 원형 영역은 수직 튜브 섹션(108)을 통한 상향 유동을 나타내고, "x"는 튜브 섹션(108)을 통한 하향 유체 유동을 나타낸다.
바람직한 실시 예인 도 5에서, 도 4에서 도시된 수직 튜브 섹션들(108)은 튜브 열(123)에서 각각의 튜브 섹션(108)이 상류 및/또는 하류 튜브 열의 횡 방향 간격의 중간 지점에 위치되는 스태거형 방식(staggered fashion)으로 배열된다. 따라서, 튜브 섹션들(108)은 배기 유동 경로에서 길이 방향으로 교번하는 오프셋 패턴(offset pattern)으로 스태거된다. 이러한 배열에서, 인접한 수직 섹션으로부터 길이 방향으로 하류에 수직 섹션은 수직 섹션들이 길이 방향으로 정렬하지 않도록 교번하는 패턴에서 길이 방향으로 오프셋 된다. 도 5의 특정 실시 예에서, 수직 섹션들(108)의 제 1 그룹은 서로 길이 방향으로 정렬되고, 수직 섹션들(108)의 제 2 그룹은 서로 길이 방향으로 정렬되어, 제 1 그룹 및 제 2 그룹은 서로에 대해 길이 방향으로 오프셋된다. 이러한 오프셋 및 스태거 배열은 당 업계에서 "스태거된 피치(staggered pitch)"로 알려져 있다.
도 6은 서펜타인 배열의 다른 실시 예를 도시하고, 수직 튜브 섹션들(108')은 일직선형 피치에서 배열되어, 각각의 개별 도관(90')에서 튜브 섹션들(108'), 상부 U-밴드들(115') 및 하부 U-밴드들(120')이 각 도관(90')의 전방에서 후방으로 길이 방향으로 정렬된다. 이러한 정렬은 당 업계에서 "일직선형 피치(in-line pitch)"로 알려져있다.
도 4를 참조하면, 유동 제한 장치(100)는 오리피스 또는 수축된 튜브의 특성을 가질 수 있다. 오리피스는 필요한 압력 강하 및 유량에 기초하여 크기가 결정된다. 장치(100)는 바람직하게는 도 4에 도시된 바와 같이 입구 헤더(75)의 하류에서 제 1 튜브 열(123)의 제 1 튜브 섹션(121)에 배치된다. 유동 제한 장치(100)의 위치는 바람직하게는 입구 헤더(75) 및 제 1 튜브 섹션(121)의 핀 부분(111) 사이에 있다. 유동 제한 장치와 관련된 압력 강하는 유동 분배 및 유동 안정성을 향상시킨다.
이제, 개별 도관들(90) 사이의 이퀄리제이션을 위한 배열을 주의를 기울인다. 각각의 하부 U-밴드 섹션(120)의 하부를 향한 중간 이퀄리제이션 도관(125, equalization conduit)이 있다. 중간 도관(125)은 U-밴드 섹션(120)의 하부를 향해, 바람직하게는 그 중간에 연결된 상부 입구 단부를 갖는 파이프 또는 튜브의 비교적 짧은 부분일 수 있다. 중간 도관(125)은 유체 유동을 각각의 하부 U-밴드(120)의 하부 중앙으로부터 헤더(130)의 형태로 이퀄리제이션 도관 내로 유동하게 한다. 각각의 이퀄리제이션 헤더(130)는 바람직하게는 HRSG의 배기가스 유동에 수직인 원통형 파이프이고, 하나의 코일(52) 내에서 하나의 튜브 열(123)의 폭에 걸쳐있다(span). 중간 도관들(125)의 출구 단부들은 헤더 이퀄리제이션 도관들(130)에 연결되고, 바람직하게는 헤어 이퀄리제이션 도관들(130)의 위쪽에서 연결된다. 바람직하게는 중간 도관(125)의 출구 단부 및 헤더 도관(130)의 연결은, 중간 도관(125)의 입구 단부 및 각각의 하부 U-밴드(120)의 연결 바로 아래에 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 이퀄리제이션 헤더(130)는 파이프와 같은 배수(133, drain)에 그 밑면이 유체 유동 연결되도록 연결된다. 배수 파이프들(133)은 케이싱 플로어(30)를 통해 연장한다. 벨로우즈 팽창 조인트(136)는 배기가스를 플로어(30) 내부에서 밀봉하면서, 작동 중에 튜브 팽창을 수용하도록 배수(133)와 연결된다. 배수 파이프들(133)은 도시된 게이트 밸브들(134, gate valve), 볼 밸브들(ball valve), 또는 당 업계에 알려진 다른 밸브들과 같은 밸브들(134)에 의해 개방(open) 및 폐쇄(close)될 수 있다. 밸브들(134)은 OTSG 코일(52)이 유체를 비울 필요가 있는 시간 동안 배수 파이프(133)가 처분 지점(disposal point)으로 유체를 운반할 수 있도록 작동될 수 있다.
파이프들 또는 튜브들일 수 있는 배수 우회로 도관들(140, drain bypass conduit)은 원하는 인접한 배수들(133)을 연결한다. 우회로들(140)은 우회로들(140)이 연결된 한 쌍의 배수 파이프들(133) 사이에서 비교적 소량의 유동이 순환할 수 있게 한다. 우회로들(140)을 통한 유체의 이동은 배수 파이프들(133) 내의 유체 이동에 의해 자극되어 별도의 배수 파이프들(133) 내의 유체의 정체(stagnation)를 감소시키고, 배수 파이프들(133)에 냉각 효과를 생성한다. 이러한 냉각은 공정 조건들 및 배수 파이프들(133)의 야금(metallurgy)이 작동 중에 냉각될 것을 요구하는 상황에서 유리할 수 있다.
다른 개별 유체 도관들(90)의 시스템 유체 역학 및 다른 열 흡수는, 개별 도관들(90) 사이에서 불안정화 및 압력 차이를 발생시킬 수 있다. 이러한 압력 차이는 이퀄리제이션 중간 도관들(125) 및 이퀄리제이션 헤더들(130)을 통한 유동을 초래하여 이들 압력 차이의 균형을 맞춘다. 이러한 압력 균형은 도관들(90)을 통한 유동에 안정화 효과를 갖는다.
유체가 수직 튜브 섹션들(108)을 통해 각각의 하부 U-밴드 섹션(120)으로 하향 유동할 때, 유체는 하부 U-밴드 섹션(120)에서 회전 함에 따라 중력 및 원심력을 받게 된다. 증기보다 높은 밀도를 갖는 물은, 원심력 및 중력에 의해 U-밴드 섹션(120)의 외측의 내부 표면으로 가압될 것이다. 특히, 2상 유동의 경우, 이퀄리제이션 헤더들(130)을 통한 물의 유동만을 재분배하는(redistribute) 것이 바람직하다. 각각의 튜브 열(123)을 통해 유체의 높은 질량 플럭스와 하부 U-밴드 섹션들(120)의 고밀도 유체에 대한 힘이 합쳐져 임계 이하 작동 중에 이퀄리제이션 중간 도관(125) 및 이퀄리제이션 헤더(130)에는 오직 물이 존재한다.
개별 도관들(90)을 형성하는 파이프의 내부 직경은 특정 디자인 세부 사항들과 상관관계가 있고, 예를 들어 약 0.5인치 내지 약 2인치일 수 있다. U-밴드들(120)에서의 밴드의 아크 형상은 바람직하게는 대체로 반원형이다. U-밴드들(120)의 밴드 중심선 반경은, 예를 들어, 약 1.5 내지 약 3.0 중심선 도관 직경(about 1.5 to about 3.0 centerline conduit diameters)일 수 있다. 개별 도관들(90)의 벽의 두께는 재료 타입, 직경, 작동 온도들 및 압력들에 기초할 수 있다.
이퀄리제이션 중간 도관들(125)은 바람직하게는 약 0.25인치 내지 약 1.0인치 범위의 공칭 직경(nominal diameter)을 갖는 파이프이다. 이퀄리제이션 도관들(125)의 내경은 개별 도관들(90)의 내경보다 작은 것이 바람직하다. 각각의 개별 튜브의 내경에 대한 이퀄리제이션 중간 도관들(125)의 더 작은 내경은, 하부 U-밴드 섹션들(120)을 통한 유동량과 비교하여 중간 이퀄리제이션 도관을 통한 상대적으로 적은 양의 유동만을 용이하게 하여, 이퀄리제이션 헤더들(130)을 가압한다. 임계 이하의 작동에서, 중간 도관들(125)을 통한 유동은 시스템의 안정성을 증진시키는 액체 수를 포함할 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 이퀄리제이션 도관(125)의 내경은 그 각각의 개별 도관(90)의 내경보다 현저하게 작다. 바람직한 실시 예에서, 각각의 개별적인 도관(90)의 내경에 대한 이퀄리제이션 도관(125)의 내경의 비는 약 1/3 내지 약 1/2이다.
배수들(133)은 바람직하게는 약 1.5인치 내지 약 2인치의 공칭 직경을 갖는 파이프일 수 있다. 벨로우즈 팽창 조인트(140)는 배수 파이프(133)와 함께 사용되어 작동 중에 팽창을 흡수하면서 플로어(30) 내부의 배기가스를 밀봉할 수 있다. 배수 파이프들(133)은 튜브들(90)이 비워질 필요가 있는 시간 동안 처분 지점으로 유체를 운반한다. 배수 우회로들(144)은 인접한 배수들(133)을 연결하고, 공정 조건들 및 배수 파이프들(133)의 야금이 작동 중에 냉각될 필요가 있는 상황들에서 배수 파이프들(133)을 통해 소량의 유동이 순환되도록 한다.
도 7은 각각의 이퀄리제이션 중간 도관(125")이 팽창 루프 형상(expansion loop shaped) 또는 굽혀진 섹션(127", bowed section)으로 형성되는 실시 예를 도시한다. 이러한 타입의 코일들은 열 입력(heat input)의 외부 변화들로 인해 동일한 튜브 열(123) 내의 인접한 수직 튜브 섹션들(108) 사이의 온도 변화들을 가질 것으로 예상된다. 온도의 큰 변화들은 개별 도관들(90), 중간 도관들(125) 및 헤더들(130) 사이의 연결들에 응력(stress)을 유발할 수 있다. 이퀄리제이션 헤더들(130)은 하부 U-밴드 섹션들(120)을 효과적으로 고정하고 인접한 개별 도관들(90)의 다른 성장(growth)을 제한한다. 섹션(127")의 루프 형상 또는 굽혀진 구조는 팽창 및 수축 중에 구부러질(flex) 수 있어서, 중간 도관(125")에 직접적으로 연결된 각각의 한 쌍의 수직 튜브 섹션들(108")이 튜브 열들(123")에서 다른 인접한 수직 튜브 섹션들(108")과 독립적으로 움직일 수 있다. 도 7에서, 팽창 루프 섹션(127")은 예를 들어 "C", "V", "U" 또는 "L" 형상을 포함하는 다수의 구조들을 포함할 수 있고, 동일한 평면에 있지 않은 수직 및 수평 섹션들을 구비할 수 있다. 이러한 구조는 각 수직 튜브 섹션(108-108"')의 독립적인 성장 또는 수축을 허용할 수 있다. 인접한 도관들(90)의 온도 변화량은 사용된 재료들 및 기하학적 구조 및 유체 유동의 열적-기계적 분석에 기초하여 도 7의 실시 예가 사용되는지의 여부를 결정할 수 있다. 팽창 루프 형상 구조(127")는 작동 중에 구부러지고(flex) 밴드되고(bend), 따라서 다른 개별 도관들(90") 사이에 존재할 수 있는 온도 변화들에 대한 적응성을 제공하여, 크리프 응력 및 피로 응력으로부터 손상 또는 파손을 감소 및 방지한다.
도 8은 입구 헤더(75"')가 코일(52"')의 상부를 향하여 위치되는 다른 실시 예를 도시한다. 유체는 전술한 것과 동일한 방식으로 코일(52"')의 서펜타인 부분들을 통과하지만, 제 1 열(123"')은 하향 유체 유동으로 시작한다. 도 8의 실시 예에서, 흐름 제한 장치(100"')는 입구 헤더(75"') 아래 및 제 1 수직 섹션(121"')의 중간 부분(109"') 위에 위치된다.
바람직하게는, 전체 서펜타인 유체 유동 경로는 배기가스에 반대 방향으로(counter current) 유동한다. 대안적으로, 상기 구성은 배기가스에 같은 방향의(co-current) 서펜타인 유동 경로일 수 있다. 이러한 역류(reversed flow)의 경우, 입구 헤더들(75, 75', 75" 및 75"')와 출구 헤더들(82, 82', 82" 및 82"')의 위치가 서로 뒤바뀐다. 제 1 수직 튜브 섹션(121, 121', 121" 또는 121"')의 위치는, HRSG 입구로부터 맨 오른쪽 또는 가장 멀리 떨어져있는 것보다는, HRSG 입구(25)에 가까운 수직 튜브 섹션들의 가장 먼 상류일 수 있다. 입구 헤더들(75, 75', 75" 또는 75"')의 재배치는 대응하는 재배치된 제 1 수직 섹션(121, 121', 121" 또는 121"') 위 또는 아래일 수 있다. 같은 방향 및 다른 방향 섹션들을 갖는 혼합 유동 실시 예들도 있을 수 있다.
대안적으로, 동일한 서펜타인 유동 경로에서 같은 방향 유동 및 다른 방향 유동이 혼합될 수 있다. 도 9 및 도 10은 그러한 혼합된 유동을 특징으로 하는 2개의 다른 실시 예들을 도시한다. 이러한 혼합은 유동 경로의 하부 또는 상부에 있는 입구 헤더의 위치에 관계없이 발생될 수 있다. 도 9는 유동 경로 하부의 입구 헤더(75"")를 도시하고, 도 10은 유동 경로 상부의 입구 헤더(75""')를 도시한다. 일반적인 예시적인 설명으로서, 제 1의 3개 또는 4개의 튜브 열들(113""(도 9) 또는 113""'(도 10))은, 각각 유동 경로를 바꾸는 루프 백 섹션(150""(도 9) 또는 150""'(도 10)"을 통해 방향을 바꾸기 전에는, 내부 배기가스 유동과 같은 방향으로 유동한다. 개별 도관들(90"" 또는 90""')을 통과하는 유동은 각각 출구 헤더(82"" 또는 82""')에서 종결된다. 이 혼합 유동 경로의 장점은 같은 방향 유동 경로에서 임계 이하 조건들의 더 효율적인 위상 변화를 포함하고, 필요에 따라 유체의 가열을 완료하기 위해 반대 방향 유동으로 변경된다는 점이다.
튜브 열들(123"')의 수와 입구(78"') 및 출구(86"')의 상대 위치는 배기가스 조건들 및 유체를 가열하는데 필요한 가열 표면의 양과 상관관계가 있다. 본 발명은 도면들에 도시된 튜브 열들(123)의 수, 또는 입구(78) 및 출구(86)의 상대적인 위치들에 의해 제한되지 않는다. 본 발명은 개별적인 도관들의 수 또는 횡 방향의 서펜타인 섹션들, 또는 이러한 서펜타인 튜브들이 형성할 수 있고 HRSG 배출 경로에 배치되는 코일들(52)의 수에 의해 제한되지 않는다.
작동 시, 시동 및 저부하 작동을 위해, 시스템은 임계 이하 조건들에서 작동될 수 있다. 모든 작동 모드 동안, 입구 헤더(75)로 진입하는 유동은 물 입구 온도가 포화 온도 이하가 되도록 과냉각(subcool)된다. 이 시스템은 이코노마이저-입구 접근 온도 제어를 사용하여 이와 같은 요구 사항을 유지하도록 디자인되었다. 중력에 의해 제어되는 유동 상황(regime)들을 피하기 위해, 최소 튜브 질량 플럭스가 요구된다. 유동은 바람직하게는 적어도 약 400kg/ms2이다. 어떤 특정 설계 및/또는 작동 모드들에서는 더 낮은 질량 플럭스가 허용될 수 있다. 시동 및 저부하 조건들에서의 유동 안정성은 특히 중요하며, 바람직하게는 약 400kg/ms^2 이상으로 유지되어야 한다. 언급된 바와 같이, 흐름 제한 장치 및 압력 이퀄리제이션 헤더들을 포함하면 유동을 안정화시키고 코일 내의 국부적인 온도 및 압력 차이들을 감소시킬 수 있다.
임계 이하 작동에서 시동 및 저부하에 대해, 도 2의 OTSG(47)와 같은 OTSG를 갖는 HRSG는, 유동 제어 모드에 배치될 수 있다. 출구 증기/물 혼합물은 도 2의 외부 분리기(88)와 같은 외부 분리기에서 분리될 수 있고, 외부 분리기에서 물은 플렌트 응축기로 재활용될 수 있고, 예를 들어, 또는 대기중 분출 탱크(atmospheric blow tank), 이코노마이저 연결부, 전용 플래시 탱크(dedicated flash tank), 또는 당 업계에 공지된 다른 장소들로 재활용될 수 있다. 과열 증기를 생성하기에 충분한 열이 OTSG(47)에 제공되면, 흐름 제어는 바람직하게는 증기 출구 온도 및 다른 파라미터들에 기초하여 변경된다. 그 후, 압력은 초임계 작동으로 증가될 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 상기 구성들을 변경할 수 있다. 위의 설명에 포함되거나 첨부된 도면들에 도시된 모든 사항은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 해석되어야 한다.

Claims (37)

  1. 열 회수 증기 발생기("HRSG")로서,
    입구와, 출구와, 상기 입구 및 상기 출구 사이에 내부 배기 유동 경로를 구비하는 케이싱, 상기 입구로부터 가스 유동 상류가 상기 입구로부터 하류의 상기 출구를 향하도록 하기 위함;
    상기 입구로부터 하류의 상기 케이싱 내에 위치되는 고압 이코노마이저; 및
    상기 고압 이코노마이저의 상류에 위치되는 관류 증기 발생기(“OTSG”) 시스템;
    을 포함하고,
    상기 OTSG 시스템은,
    상기 고압 이코노마이저에 유체 유동 연결되는 유체 입구 헤더 도관;
    유체 출구 헤더 도관;
    개별 서펜타인 튜브 도관들로 구성되는 복수 개의 서펜타인 튜브들의 그룹, 상기 개별 서펜타인 튜브 도관들은 상기 입구 헤더 도관에 유체 유동 연결되는 입구 단부와, 상기 출구 헤더 도관에 유체 유동 연결되는 출구 단부를 구비하고;
    상기 개별 서펜타인 튜브 도관들은 복수 개의 선형의 수직 섹션들과, 한 쌍의 대응하는 수직 섹션들의 상부 부분들에 유체 유동 연결되는 복수 개의 커브된 상부 섹션들과, 한 쌍의 대응하는 수직 섹션들의 하부 부분들에 유체 유동 연결되는 복수 개의 커브된 하부 섹션들을 포함함;
    입구 단부 및 출구 단부를 각각 구비하는 복수 개의 중간 이퀄리제이션 도관들, 각각의 중간 이퀄리제이션 도관은 개별 서펜타인 튜브 도관의 대응하는 하부 커브된 섹션에 연결되고, 제 1 이퀄리제이션 도관 입구 단부들은 개별 튜브 도관들의 서펜타인 섹션들의 각각의 하부 커브된 섹션들에 유체 유동 연결됨; 및
    이퀄리제이션 헤더 도관, 상기 중간 이퀄리제이션 도관들의 상기 출구 단부들은 상기 이퀄리제이션 헤더 도관에 유체 유동 연결됨;
    을 포함하는 열 회수 증기 발생기("HRSG").
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 서펜타인 튜브 도관들의 커브된 하부 섹션은 U-밴드 구조를 갖고,
    상기 중간 이퀄리제이션 도관들은 상기 HRSG에 대해 수직으로 지향되고,
    상기 중간 이퀄리제이션 도관들의 입구 단부들은 U-밴드들의 하부에서 각각의 U-밴드 섹션들에 연결되는 HRSG.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 개별 서펜타인 튜브들은 내경을 구비하고,
    상기 중간 이퀄리제이션 도관들은 내경을 구비하고,
    상기 개별 서펜타인 튜브들의 상기 내경에 대한 상기 복수 개의 중간 이퀄리제이션 도관들의 상기 내경의 비는 1/3 내지 1/2인 HRSG.
  4. 제 2 항에 있어서,
    이퀄리제이션 헤더에 유체 유동 연결되는 입구 단부를 구비하는 배수 도관을 더 포함하고,
    상기 배수 도관은 상기 이퀄리제이션 헤더에 대해 하향 연장하는 부분과, 상기 배수 도관과 함께 위치되고 상기 배수 도관을 통한 유동을 차단하기 위한 제 1 위치에 놓이거나 상기 배수 도관을 통한 유동을 허용하기 위한 제 2 위치에 놓일 수 있도록 구성되는 밸브를 포함하는 HRSG.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배수 도관의 부분은 상기 HRSG에 대해 수직으로 지향되는 HRSG.
  6. 제 4 항에 있어서,
    복수 개의 배수 도관들과, 복수 개의 헤더 이퀄리제이션 도관들과, 한 쌍의 배수 도관들에 유체 유동 연결되는 배수 우회로 도관을 더 포함하는 HRSG.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배수 우회로 도관은 인접한 배수 도관들에 유체 유동 연결되는 HRSG.
  8. 제 2 항에 있어서,
    개별 서펜타인 튜브 도관들의 상기 복수 개의 선형의 수직 섹션들은, 상기 HRSG 내부 배기 유동 경로에 대해 횡 방향으로 정렬된 다른 개별 서펜타인 튜브들의 수직 섹션들과 정렬되고, 수직 섹션들의 정렬된 횡 방향 열을 형성하는 수직 서펜타인 섹션들의 집단 그룹들과 정렬되는 HRSG.
  9. 제 4 항에 있어서,
    개별 서펜타인 도관의 유체 유동 경로에 위치된 유동 제한 장치를 포함하고,
    상기 유동 제한 장치는 각각의 개별 서펜타인 도관의 내경보다 작은 내경을 구비하는 HRSG.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 개별 서펜타인 튜브 도관의 상기 입구 단부에 유체 유동 연결되는 제 1 수직 섹션이 되도록 위치되는 수직 섹션을 구비하는 각각의 개별 튜브 도관을 포함하고,
    상기 제 1 수직 섹션에 위치되고, 상기 제 1 수직 섹션에 유체 유동 연결되는 유동 제한 장치를 더 포함하고,
    상기 유동 제한 장치는 각각의 개별 서펜타인 도관의 내경보다 작은 내경을 구비하는 HRSG.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 수직 섹션은 중앙 부분을 구비하고,
    상기 유동 제한 장치는 상기 개별 튜브 도관의 상기 입구 단부 및 상기 제 1 수직 섹션의 상기 중앙 부분 사이에 위치되는 HRSG.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 입구 헤더 도관은 상기 HRSG 내부 배기 유동 경로에서 상기 유체 출구 도관으로부터 하류에 위치되는 HRSG.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 입구 헤더 도관은 상기 HRSG 내부 배기 유동 경로에서 상기 유체 출구 도관으로부터 상류에 위치되는 HRSG.
  14. 제 1 항에 있어서,
    개별 서펜타인 튜브들에서 상기 수직 섹션들은 길이 방향으로 정렬되고, 이전 수직 섹션의 하류에 연속적으로 위치되고,
    상기 수직 섹션들 중 하나는 상기 수직 섹션들의 가장 먼 상류에 위치되고, 다른 수직 섹션은 상기 수직 섹션들의 가장 먼 하류에 위치되고,
    상기 입구 헤더는, 상기 가장 먼 상류 및 하류 튜브 섹션들 사이에 위치에서 개별 서펜타인 튜브에 유동 연결되도록 연결되고,
    상기 개별 서펜타인 튜브는 루프 백 섹션을 포함하고, 유체는 상기 서펜타인 도관을 통해 하류와 같은 방향인 제 1 방향으로 유동할 수 있고, 그 다음 상기 루프 백 섹션을 통해 유동하여, 상기 서펜타인 도관을 통해 상류와 반대 방향인 제 2 방향으로 상기 출구 헤더로 유동할 수 있는 HRSG.
  15. 제 1 항에 있어서,
    각각 제 1 수직 섹션을 구비하는 개별 서펜타인 튜브 도관들을 포함하고,
    상기 유체 입구 헤더 도관은 상기 제 1 수직 섹션 아래에 위치되고, 유체는 상기 제 1 수직 섹션을 향해 상향 유동하는 HRSG.
  16. 제 1 항에 있어서,
    각각 제 1 수직 섹션을 구비하는 개별 서펜타인 튜브 도관들을 포함하고,
    상기 유체 입구 헤더 도관은 상기 제 1 수직 섹션 위에 위치되고, 유체는 상기 제 1 수직 섹션을 향해 하향 유동하는 HRSG.
  17. 제 1 항에 있어서,
    교번하는 오프셋 패턴으로 상기 배기 유동 경로에서 길이 방향으로 스태거되는 개별 서펜타인 튜브 도관에서 상기 수직 섹션들의 배열을 포함하고,
    인접한 수직 섹션으로부터 길이 방향으로 하류에 있는 수직 섹션은, 수직 섹션들이 길이 방향으로 정렬되지 않도록, 교번하는 패턴으로 길이 방향으로 오프셋되는 HRSG.
  18. 제 1 항에 있어서,
    개별 서펜타인 튜브 도관에서 상기 수직 섹션들의 배열의 패턴을 포함하고,
    상기 개별 서펜타인 튜브 도관에서 상기 수직 섹션들의 제 1 그룹은 서로 길이 방향으로 정렬되고, 상기 수직 섹션들의 제 2 그룹은 서로 길이 방향으로 정렬되도록 오프셋되고,
    상기 제 1 그룹 및 제 2 그룹은 서로 길이 방향으로 정렬되지 않는 HRSG.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 유동 경로에서 길이 방향으로 서로 길이 방향으로 정렬되는 개별 서펜타인 튜브 도관에서 상기 수직 섹션들을 포함하는 HRSG.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 이퀄리제이션 도관의 각각의 개별 리턴 밴드에 대하여 상기 중간 이퀄리제이션 도관의 상부 단부로부터 측방향 및 하향으로 연장하도록 밴드되는 오프셋 팽창 부분을 포함하는 상기 중간 이퀄리제이션 도관들을 포함하는 HRSG.
  21. 제 20 항에 있어서,
    루프 형상 구조를 구비하고, 측방향 및 하향으로 연장하도록 밴드되는 상기 오프셋 팽창 부분을 포함하는 HRSG.
  22. 제 21 항에 있어서,
    "C", "V", "U", 및 "L" 형상 구조들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 구조를 구비하는 상기 중간 이퀄리제이션 도관의 상기 오프셋 팽창 부분을 포함하는 HRSG.
  23. 열 회수 증기 발생기("HRSG")를 작동하는 방법에 있어서,
    상기 열 회수 증기 발생기("HRSG")는, 상기 HRSG의 내부 길이 방향 배기 유동 경로 내에 복수 개의 서펜타인 도관들을 구비하는 관류 증기 발생기("OTSG") 시스템을 구비하고, 상기 복수 개의 서펜타인 도관들은 수직 선형 섹션들에 유체 유동 연결되는 하부 및 상부 커브된 섹션들을 구비하고, 상기 서펜타인 도관들은 상기 HRSG를 통한 내부 배기가스 유동에 정렬되고 길이 방향으로 연장하고,
    고압 유체가 입구 헤더 도관으로 유동하고, 그 다음 상기 복수 개의 서펜타인 도관들을 통해 유동하는 단계;
    상기 수직 서펜타인 섹션들을 향해 유동하는 유체로부터 상기 하부 커브된 서펜타인 섹션들로부터 유체 유동을 분리하는 단계;
    상기 하부 커브된 서펜타인 섹션들에 유동 연결되는 제 1 도관들을 통해 상기 하부 커브된 서펜타인 섹션들로부터 상기 분리된 유체를 유동시키는 단계;
    상기 제 1 도관들에 유동 연결되는 제 2 유체 헤더 도관을 통해 상기 복수 개의 서펜타인 도관들 사이의 압력 및 온도 차이의 균형을 맞추는 단계; 및
    상기 서펜타인 도관들로부터 출구 헤더 도관으로 유체를 배출하는 단계;
    를 포함하는 열 회수 증기 발생기("HRSG")를 작동하는 방법
  24. 제 23 항에 있어서,
    유체가 상기 HRSG 내부 배기 유동 경로 내에 위치된 고압 이코노마이저로부터 상기 입구 헤더로 유동하는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    유체가 U-형상 방향으로 상기 하부 서펜타인 섹션들을 통해 유동하는 단계; 및
    상기 U-형상 유동 경로의 하부에서 발생하는 유체의 유동으로부터 액체의 유동을 분리하는 단계;
    를 더 포함하는 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 유체가 액체를 포함하는 상기 제 1 도관을 통해 유동하는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 유체가 상기 제 1 도관을 통해 상기 하부 서펜타인 섹션들로부터 상기 제 2 도관으로 하향으로 유동하는 단계를 더 포함하는 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 서펜타인 도관 내에서 유체 압력을 감소하기 위해 상기 서펜타인 도관들의 섹션을 통한 상기 유체 유동을 제한하는 단계를 더 포함하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 복수 개의 서펜타인 도관들 사이에서 유체 분배를 강제하도록 상기 서펜타인 도관들의 섹션을 통해 상기 유체의 유동을 제한하는 단계를 더 포함하는 방법.
  30. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 2 유체 헤더 도관으로부터 액체를 배수하는 단계를 더 포함하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    배수 도관들 및 적어도 2개의 배수 도관들이 유체 유동 연결되는 우회로 도관을 통해 액체를 배수하는 단계; 및
    유체가 상기 적어도 2개의 상호 연결되는 배수 도관들 사이에서 상기 우회로 도관을 통해 유동하는 단계;
    를 더 포함하는 방법.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 도관들을 통한 상기 제 2 도관들로의 유체의 비선형 유동을 더 포함하는 방법.
  33. 제 23 항에 있어서,
    상기 유체가 HRSG 내부 배기가스 유동 경로에서 상기 서펜타인 도관들을 통해 이동할 때,
    유체가 유동의 길이방향으로 스태거된 방향들로 개별 서펜타인 도관들을 통해 유동하는 단계를 더 포함하는 방법.
  34. 제 23 항에 있어서,
    상기 유체가 상기 HRSG 내부 배기가스 유동 경로를 통해 이동할 때,
    유체가 직선형으로 길이 방향으로 정렬된 유동 경로에서 개별 서펜타인 도관들을 통해 유동하는 단계를 더 포함하는 방법.
  35. 제 23 항에 있어서,
    유체가 적어도 400kg/(m2s)인 질량 플럭스를 구비하는 개별 서펜타인 도관들을 통해 유동하는 단계를 더 포함하는 방법.
  36. 제 23 항에 있어서,
    유체가 임계 압력에서 개별 서펜타인 도관들을 통해 유동하는 단계를 더 포함하는 방법.
  37. 제 23 항에 있어서,
    유체가 상기 서펜타인 도관을 통해 하류와 같은 방향인 제 1 방향으로 개별 서펜타인 도관들을 통해 유동하는 단계; 및
    그 다음, 유체가 상기 서펜타인 도관을 통해 상류와 같은 반대 방향인 제 2 방향으로 상기 출구 헤더로 유동하는 단계;
    를 더 포함하는 방법.
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