JET 21 JET Volume 14 (2021) p.p. 21-39 Issue 4, December 2021 Type of article 1.01 www.fe.um.si/en/jet.html HRSG SYSTEM DESCRIPTION AND WATER-STEAM ANALYSIS AT THE HRSG COLD START-UP OPIS SISTEMA HRSG IN ANALIZA VODE- PARE PRI HLADNEM ZAGONU Dušan Strušnik 1R Keywords: boiler, duct, flue gas, heat recovery, stack, steam generator, superheater Abstract The basic purpose of this paper is to present the HRSG system description in detail and possibility analysis of preventing the HRSH water-steam generated release into the atmosphere through the sky valves during the HRSG cold start-up. The steam released into the atmosphere by the cross sky valve is not an adequate solution for the following reasons: Noise prevention, water losses, thermal heat release into the environment, etc. In this paper, the possibilities and solutions are investigated in order to avoid the HRSG start-up sky venting. For this purpose, the steam quality data at HRSG cold start-up is analysed, and the possibility is examined of discharging the HRSG generated steam at the start-up via a new start-up pipeline into the existing dump condenser, or into the start-up flash tank or into the blowdown tank. The results show that, at the first 3 minutes of cold start-up, the HRSG generated only water, and this water should not be discharged into the HP or IP pipeline headers. The HRSG generates a mixture of water and steam only after 4 minutes from the start-up. For that reason it is not recommended to drain the water-steam mixture at the HRSG start-up into the new start-up pipeline, but it is recommended to drain the water and steam mixture formed dur - ing the HRSG start-up into the new start-up flash tank, or into the blowdown tank. The flash tank, and also the blowdown tank, should be appropriately dimensioned. Ř Corresponding author: Dušan Strušnik, Energetika Ljubljana d.o.o., TE-TOL unit, Toplarniška 19, Ljubljana, E-mail address: dusan.strusnik@gmail.com 1 Energetika Ljubljana d.o.o., TE-TOL unit, Toplarniška 19, Ljubljana 22 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 4 Dušan Strušnik 2  Dušan Strušnik  JET Vol. 14 (2021)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  Povzetek Osnovni namen prispevka je podrobna predstavitev HRSG‐ja in analiza  možnosti zmanjšanja  izpusta generirane pare v atmosfero ob hladnem zagonu. Izpust zagonske pare v atmosfero ni  najboljša  možna rešitev, saj se s tem poveča zvočna obremenitev okolja, odvod kotlovske vode in  toplotne energije v okolje itd. V tem prispevku so analizirane  m o ž n e rešitve preprečitve odvoda  zagonske pare v atmosfero, tako da se mešanica vode‐pare ob hladnem zagonu HRSG‐ja odvede  v novi zagonski parovod, separatorsko posodo ali v posodo za odvodnjavanje. Analizirani pa so  bili tudi podatki kvalitete pare ob zagonu HRSG‐ja. Rezultati  pokažej o, da prve 3 minute HRSG  generira samo vodo, ki pa se ne sme odvesti v HP oziroma IP zbiralno kom parovoda. Šele po 4  minutah HRSG prične generirati mešanico vode‐pare. Zato se pri hladnem zagonu ne priporoča  odvod generirane pare v novi zagonski parovod, ampak da se navedena mešanica vode‐pare, ki  nastane pri hladnem zagonu HRSG‐ja, odvede v separatorsko posodo oziroma v posodo za  odvodnjavanje. Navedeni posodi morata biti temu primerno dimenzionirani.    1 INTRODUCTION The electricity production  using a gas turbine and an electric generator can be provided in an  open cycle plant, where the hot flue gases from the gas turbine are released through the stack  directly into the atmosphere. The disadvantage of this process is the relatively low efficiency of  the open cycle plant, which, in practice, ranges from 30% to 40%. If the open cycle is upgraded  with a  Heat Recovery Steam Generator (HRSG) and with the steam turbine, the realistically  achieved efficiencies of this process range up to 85%. Such a process is called a combined cycle  gas turbine. The operation of this type of combined cycle gas turbine in energy systems is called  a combined heat and power plant.  The purpose of the HRSG is to recover the maximum of the remaining energy contained in the  flue gas at the outlet of the gas turbine. The recovered heat is transferred to feedwater in order  to produce steam at the 2 different pressure levels required by the steam turbine. The HRSG  feeds a steam turbine. The gas turbines are fired with natural gas as the main fuel and light fuel  oil as a back‐up fuel. There is no bypass stack. Therefore, the boiler runs in line with the gas  turbine. The HRSG scope includes heat exchangers, a boiler casing, boiler inlet and outlet ducts,  district heating recirculation pumps, a flash tank, a blowdown tank, boiler drums, piping, valves,  instrumentation and air distribution, and nitrogen distribution. The most important components  of an HRSG are shown in Figure 1. The HRSG is of the vertical boiler type with natural circulation;  the exhaust gases have an upward path while crossing the different exchangers. The heat  exchangers are made of finned tubes installed horizontally, with return bends, between an inlet  and an outlet header. They are shop‐assembled in 5 modules: 5 modules on the height and 1  module on the width of the HRSG. Each exchanger is inserted into the vertical gas flow. A casing  is constructed around them to form a sealed unit. The casing is manufactured from steel sheets,  without any refractory concrete or water tubes panel, and is insulated internally on the whole  HRSG from the inlet duct to the stack. All exchangers are hung on horizontal hot beams, which  are supported by the main boiler steel structure. The casing is also supported by the steel  structure.  This  design  allows  free  expansion,  downward  and  laterally.  The  HRSG  stack  is  supported by the steel structure penthouse. The natural circulation principle is used within the  boiler evaporator drum loops, high pressure (HP), and intermediate pressure (IP) through the  thermosyphon effect. Two pressure levels are installed in the HRSG: The two circuits produce the  steam flows at two different required pressures and temperatures.  JET 23 HRSG system description and water-steam analysis at the HRSG cold start-up   Paper title HRSG system description and water‐steam analysis at the HRSG cold  start‐up  3       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  The work done thus far in the above‐mentioned area is based on an  optimal synthesis and design  of the HRSG, for which Manassaldi et al. [1] presented the HRSG mathematical programming.  Ahmed et al. [2] carried out modelling and practical studying of the HRSG drum dynamics and  approached the point effect on the control valves. Wang et al. [3] conducted an experiment and  optimisation analysis of a new kind of once‐through heat HRSG based on exergy and economy.  Using the  calculation method, Naserabad et al. [4]  optimised HRSG configurations on the steam  power plant`s repowering specifications. Moreover, Beaujardiere et al. [5], Mokhtari et al. [6] and  Zebian [7] analysed HRSG operational performance. However, we have not yet identified an HRSG  system description in detail in the available literature .    Figure 1: The most important components of an HRSG [8]  A district heating system is installed to heat water coming from a district heating system and  going to a district heating system. The district heater is recirculated with hot water in order to  reach at its inlet at a minimum temperature above the acid dew point and a margin. This value is  representative of the temperature at which sulphur may deposit on the tubes (flue gas acid, dew  point temperature), and it is of prime importance to make sure that such a minimum water  24 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 4 Dušan Strušnik 4  Dušan Strušnik  JET Vol. 14 (2021)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  temperature (which depends on the sulphur content in the fuel) be matched, so as to avoid  corrosion. A bypass line allows partial or complete bypassing of the district heater in order to  control the final temperature of the water going to the DH system. The HP steam temperatures  are controlled by water injection (through attemperators located on the HP superheaters line),  ensuring adequate steam turbine inlet temperatures.   The structure of the paper is composed in such a way that the system description of the HRSG  individual components, such as the HRSG pressure parts, HRSG non‐pressure parts and steel  structure are  presented first. Then the system description of the auxiliary equipment is presented  and the water‐steam analysis at the HRSG cold start‐up is carried out at the end.    2 SYSTEM DESCRIPTION 2.1 Pressure parts, description of the heat exchangers Each heat exchanger is made up of horizontal finned tubes connected to each other by means of  bare tube bends. The finned tubes are staggered in the tube bank. The fins are made of spiral  steel strips. They are welded in a continuous way on the bare tubes. These fins are serrated. The  tube quantity in a heat exchanger and the number of fins per metre are calculated in accordance  with the required surface given by the heat balance of the boiler. The number of tubes in parallel  depends on the water or steam flow. The fluid velocity in the tubes is selected according to the  manufacturer`s  experience.  Appropriate  material  has  been  selected  to  avoid  flow‐assisted  corrosion. The tube arrangement  the width and length of the exchangers  ‐ is optimised in  accordance with the gas velocity, the pressure drop, the water and steam pressure drop through  the circuits and the shipment facilities. Each tube is simply supported on the tube sheets to allow  free thermal expansion of the tubes. The touch points between tubes and tube sheets are the  spiral fins: Wearing of the tubes themselves is, therefore, avoided. The heat exchanger modules  are hung from the hot beams by means of prefabricated hangers. The HRSG cross‐section with  the 5 modules of heat exchangers is shown in Figure 2.  JET 25 HRSG system description and water-steam analysis at the HRSG cold start-up   Paper title HRSG system description and water‐steam analysis at the HRSG cold  start‐up  5       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Figure 2: The HRSG cross‐section with the 5 modules of heat exchangers [8]  The heat exchanger headers are enclosed in a box formed by the gas‐tight boiler casing faces, the  tube baffles and the closing plates, to avoid internal gas by‐pass. The headers are provided with  borescope holes in order to allow internal examination of each header. The heat exchangers are  grouped in different sections to form an HP circuit, an IP circuit and a district heater circuit. In  order to produce steam, the circuits comprise economisers, evaporators and superheaters. The  functions of these heat exchangers are as follows:  • The economiser recovers the remaining heat contained in the flue gas at the evaporator  outlet in order to heat up the water flow.    • The evaporator generates steam through a circulation loop to and from the HRSG drum.  • The superheater permits the saturated steam heating from the drum temperature up to  the required value.  • The district heater circuit produces hot water for the district heating system by heating  up the cold water coming from the district heating system. The water coming from the  outlet  of  the  district  heater  is  recirculated  in  the  district  heater  to  increase  the  temperature at its inlet (the temperature depends  on the actual sulphur content of the  burnt gas in the gas turbine).  26 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 4 Dušan Strušnik 6  Dušan Strušnik  JET Vol. 14 (2021)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  2.2 Pressure parts, natural circulation The natural circulation through the HP / IP evaporators is ensured by the density difference  between the water coming from the drum to the evaporator inlet header and the two‐phase  water/steam mixture between the outlet header and the return to the drum, as well as the  transition phase that happens in the whole exchanger. During start‐up, water flows naturally  through the evaporator when the first bubbles of steam are generated. Natural circulation  through the HRSG drum is shown in Figure 3.    Figure 3: Natural circulation through the HRSG drum    2.3 Pressure parts, boiler drum description The purposes of the boiler drums are multiple:   To ensure a good mixing of the feedwater and boiler water;   To constitute a water reserve in case of a feedwater pump trip (run‐out‐time);   To allow water/steam expansion mainly during start‐up, when the first steam produced  in the evaporator sends back to the drum the water contained in the evaporator tubes  (swelling effect), and   To ensure the water and steam separation.  The steam and water separation is achieved by means of a mesh type separator installed in the  upper part of the drum. The steam drums are equipped with all the required devices for their   function:   Mesh steam dryers;   Steam distribution header;   Water outlet (down comer) to the evaporator with an anti‐vortex;  JET 27 HRSG system description and water-steam analysis at the HRSG cold start-up   Paper title HRSG system description and water‐steam analysis at the HRSG cold  start‐up  7       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐   Steam inlet nozzle from the evaporator, and   Steam outlet nozzle to the superheater.    The HRSG drum is shown in Figure 4.    Figure 4: The HRSG drum  The  HRSG  equipment  includes  a  manhole,  nozzles  for  level  measurement,  pressure  measurement, continuous and intermittent blowdown lines, nitrogen injection (on which the  drum  pressure  gauges  are  connected,  and  skin  temperature  measurement  for  the  drum.  Connections between the drums and heat exchangers are realised by means of piping which is  welded directly onto the drum nozzles, and, as such, all piping is free to expand without inducing  any undue stress on the drum. In order to keep the drum level within the alarm limits during start‐ up (cold), it is necessary that the drum level is adjusted to the start‐up level just above the low  level. For the HP and IP circuits, the feedwater control valves are installed downstream of the  economisers. Hence, the pressure inside the tubes is equal to the feedwater pump pressure, and  is always higher than the pressure inside the drum (saturation pressure). Consequently, the risk  of streaming is avoided.    2.4 Non-pressure parts, boiler casing The complete heat exchangers with their headers and the tube sheets are within a gas‐tight  enclosure made of welded steel sheet panels, the boiler casing. Different to  conventional boilers,  the casing is made of steel sheets without any refractory concrete or water tube panels and is  insulated internally and provided with a stainless steel liner. The casing is supported by the steel  structure and is pressure resistant. Stiffeners are provided so that the enclosure can withstand  the gas inner pressure. The boiler casing is equipped with access doors for internal inspection at  each interblock level. The header boxes are equipped with closing plates to avoid flue gas  circulation. The HRSG casing steel structure is shown in Figure 5 and the HRSG closing plates are  shown in Figure 6.  28 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 4 Dušan Strušnik 8  Dušan Strušnik  JET Vol. 14 (2021)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Figure 5: The HRSG casing steel structure      Figure 6: The HRSG closing plates      JET 29 HRSG system description and water-steam analysis at the HRSG cold start-up   Paper title HRSG system description and water‐steam analysis at the HRSG cold  start‐up  9       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  2.5 Non-pressure parts, ductwork The inlet ductwork and casing up to stack transition piece (outlet ductwork) are provided to  convey the hot gases from the gas turbine exhaust to the boiler, then to the atmosphere. The  ductwork is made of steel sheet panels internally insulated, provided with a stainless steel liner  calculated to have a metal temperature of a maximum of 55°C. The inlet ductwork and casing to  the stack transition up to the weather damper are insulated internally. No  refractory concrete is  installed in either the boiler nor in the ductwork; the thermal inertia is very low; the system allows  rapid temperature changes without constraints, and the maintenance costs are minimal. As with  the boiler casing, adequate stiffeners are installed on the ductwork to withstand the inner gas  pressure. The whole exhaust system is designed for 0.05 design pressure. The inlet ductwork, i.e.  the layout of the gas duct between the gas turbine and the boiler, is drawn in accordance with  the site requirements, as indicated on the general arrangement drawing. The outlet ductwork is  the boiler outlet duct, which is the transition piece between casing and stack. It has a  gas exhaust  function. The boiler sectional area is reduced through the outlet duct, in order to increase the gas  velocity to the specified gas velocity.     2.6 Non-pressure parts, boiler stack The HRSG main stack is a cylindrical section, and is constructed as follows: Carbon steel sheets  which withstand all stresses due to the stack weight, wind and seismic loads. Outside this shell,  heat insulation covers the stack. The thickness of this heat insulation is designed for personal  protection, and aluminium cladding is provided to cover the heat insulation. The stack is equipped  with aviation warning lights. Aircraft warning lights will conform to the Standard. The top  elevation of the stack and its diameter are respectively 65 m and 2,66 m. Figure 7 shows the HRSG  upper part stack lifting.       Figure 7: The HRSG upper part stack lifting  30 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 4 Dušan Strušnik 10  Dušan Strušnik  JET Vol. 14 (2021)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  2.7 Non-pressure parts, inlet duct and elbow duct The inlet duct casing and elbow duct casing are made of carbon steel material, insulated internally  and covered in steel sheeting. The inlet duct panels are also insulated internally. The conception  and the design of the inlet duct casing are shown in Figure 8.      Figure 8: The HRSG inlet duct erection    2.8 Auxiliary equipment 2.8.1 Pressure relief valves The pressure relief valves are selected according to the codes and specifications for the material,  quantity, set point and capacity. Valves are provided on the superheaters for the steam part, with  a sensor line connection from the drum and on the economisers, and district heater lines for the  water part. The steam pressure relief valves are controlled by a pneumatic control unit (fed by  instrument air). A triple redundancy of pressure switches is present during the operation, 1 on  the drum and 2 at the outlet of the superheater. All the steam pressure relief valves are welded.  The steam pressure relief valves discharge to the atmosphere by means of a vertical exhaust pipe  equipped with a silencer.     2.8.2 Blowdown tank The Blowdown tank is a vertical tank whose function is to collect all drains from the boiler, and  to allow the water expansion and flashing‐up to the atmospheric pressure. The drains are  connected to the horizontal inlet headers fitted tangentially to the tank, in order to permit the  steam/water separation by centrifugation. Continuous, intermittent blowdown drains and steam  drip leg drains are provided with motor operated valve  control from the control system. Its shell  JET 31 HRSG system description and water-steam analysis at the HRSG cold start-up   Paper title HRSG system description and water‐steam analysis at the HRSG cold  start‐up  11       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  is fitted with an internal shield to protect it against erosion. The resulting steam is simply blown  into the atmosphere by means of a vertical exhaust pipe equipped with a silencer to limit noise,  and water is discharged to the HRSG plant drain system by means of an extraction pumping  system. The heat‐insulated blowdown tank is equipped with two level transmitters to ensure  water availability for the blowdown pumps. The blowdown tank is shown in Figure 9.        Figure 9: The Blowdown tank    2.8.3 Weather protection damper A weather damper is provided at the top of the HRSG, within the stack. Its function is to prevent  rain from  falling inside the HRSG during a stoppage, and to break the natural draught during a  stoppage in order to keep the HRSG as hot as possible. This damper, made mainly from  carbon  steel, is equipped with an electric actuator, with all the necessary devices to prevent the damper  being closed during the operation, and also with a rainwater disposal system. Furthermore, this  damper is self‐opening when the gas pressure reaches approximately 10 mbar. The HRSG water  dumper is shown in Figure 10.       32 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 4 Dušan Strušnik 12  Dušan Strušnik  JET Vol. 14 (2021)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Figure 10: The HRSG water dumper drive     2.8.4 Attemperators The  HP  circuit  is  equipped  with  one  inter‐stage,  spray  type  attemperator,  located  in  the  superheater’s lines. The steam pipe will have a thermal liner. When the control loop requests a  steam temperature reduction, a pneumatically operated control valve opens and water is sprayed  into the main steam piping to control the steam temperature within from 3 °C to 5 °C during  steady state operations. The HP attemperation water is a mixture of cold and hot water extracted  from the HP economiser inlet and the HP economiser outlet.     2.8.5 Sparging During short‐term outages, it is preferable to maintain the pressurised  HRSG sections in order to  provide freezing protection, to avoid  oxygen ingress, and to minimise the thermal stresses in the  pressure  part  components  during  the  next  restart‐up  or  cold  start‐up  of  the  plant.  An  arrangement for injection of auxiliary steam has been provided on the HP side, which allows the  drum pressure to remain above the atmospheric pressure while compensating for natural heat  losses.    3 WATER-STEAM ANALYSIS AT THE HRSG COLD START-UP The basic purpose of the analysis was to examine the possibility of preventing the release of  steam into the atmosphere through the sky valve during the HRSG cold start‐up. Steam emitted  into the atmosphere through cross sky valves is not an adequate solution; heat is released into  the environment, water is lost and unnecessary additional noise is caused. The possibility of  finding a better solution is examined for that reason  and the steam quality and possibility of  discharging this steam via a new start‐up pipeline into the dump condenser is analysed for that  purpose.     JET 33 HRSG system description and water-steam analysis at the HRSG cold start-up   Paper title HRSG system description and water‐steam analysis at the HRSG cold  start‐up  13       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  3.1 HP water-steam quality analysis at the HRSG cold start-up The HP water‐steam analysis was based on a data set obtained from the supervisory control and  data acquisition (SCADA) [9]. The data set of the HP water‐steam mass flow during the HRSG cold  start‐up is shown in Figure 11 (a), the HP water‐steam temperature during the HRSG cold start‐ up is shown in Figure 11 (b) and the HP water‐steam pressure during the HRSG cold start‐up is  shown in Figure 11 (c).      Figure 11: The HP water‐steam data set at the HRSG cold start‐up; (a) The HP water‐steam mass  flow; (b) The HP water‐steam temperature, and (c) The HP water‐steam pressure   The HP water‐steam density during the HRSG cold start‐up into the atmosphere is shown in Figure  12.    Figure 12: The HP water‐steam density during the HRSG cold start‐up  34 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 4 Dušan Strušnik 14  Dušan Strušnik  JET Vol. 14 (2021)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  As shown in Figure 12, for the first 210 seconds from the HP part of HRSG, at the cold start‐up,  only the water is performed and released, the Critical Area. After 210 seconds the wet steam is  generated and is flowing out from the HP part of the HRSG. The formed mixture at this time  cannot be transferred either into the steam header or released through sky valves. For the first  210 seconds from the HRSG cold start‐up, the HP water and water‐steam mixture should be  directed into the special blowdown tank, Figure 9. The water‐steam density, depending on  pressure and temperature, is shown in Figure 13.       Figure 13: The HP water‐steam density depending on pressure and temperature     3.2 HP water-steam velocity analysis at the HRSG cold start-up In the case that the water‐steam during the HRSG cold start‐up would be discharged into the new  start‐up pipeline and not  released into the atmosphere, the needed pipe diameter has to be  calculated so that the steam velocity shall not exceed 50m/s. Several calculations of water‐steam  velocity were performed for this reason. The water‐steam average velocity is dependent on the  water‐steam density, water steam mass flow, and the pipe`s inner diameter. The following  equation was used for the water‐steam average velocity calculation [10]:     𝑣𝑣 � � ��� � ��� � �� � � �� ���� � � ���� � � �� ��� �� ��   (3.1)  where  𝑣𝑣 �  is the water‐steam average velocity,  𝑚𝑚 � � � �  is the water‐steam mass flow,  𝜋𝜋  is a circular  constant,  𝐷𝐷 ��  is the pipe outer diameter,  𝑊𝑊 �  is the pipe wall thickness,  𝜌𝜌 � � �  is the  water‐steam  density, and  𝑛𝑛 ��  is the number of pipes. The water‐steam density is a function of water‐steam  pressure and water‐steam temperature, and is calculated by a special computer program, Matlab,  X‐Steam,  which can calculate  the  remaining properties of  the  steam based  on  two  known  thermodynamic properties. The water‐steam density is calculated as follows [11]:  JET 35 HRSG system description and water-steam analysis at the HRSG cold start-up   Paper title HRSG system description and water‐steam analysis at the HRSG cold  start‐up  15       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    �� � ��� � ⎯ ⎯ � � ��� � ⎯ ⎯ ⎯ � � ��� � ⎯ ⎯ ⎯ �   (3.2)  where  𝑝𝑝 � � �  is the water‐steam pressure and  𝑇𝑇 � � �  is the  water‐steam temperature. The water‐ steam velocity in the new start‐up pipeline at the different inner pipe’s diameters is shown in  Figure 14.    Figure 14: The water‐steam velocity in the new start‐up pipeline at the different inner pipes`  diameters  The HP water‐steam velocity analysis is based on the HP water‐steam properties at the HRSG cold  start‐up, Figure 11. The HP water‐steam analysis, Figure 14, shows that the maximum HP water‐ steam velocity when  the 200 mm pipeline s inner diameter is 179 m/s, after 600 seconds from  the HRSG cold start‐up. At the pipe inner diameter of 250 mm, the maximum water‐steam  velocity was 117 m/s after 600 seconds from the HRSG cold start‐up. The maximum velocity of  the HP water‐steam at the 300 mm pipe inner diameter was 79 m/s, the maximum velocity of the  HP water‐steam at the 400 mm pipe inner diameter was 45 m/s, and the maximum velocity of  the water‐steam at the 450 mm pipe inner diameter was 35 m/s after 600 seconds from the HRSG  cold start‐up.  The HP water‐steam results analysis shows that the new start‐up pipeline inner diameter should  be at least 300 mm. The new start‐up pipeline should  be horizontal, very long, about 100 m long  and,  due  to  the  flow  of  the  water‐steam  mixture  in  the  pipeline,  this  solution  is  not  recommended. For that reason, it is recommended to integrate a new start‐up flash tank into the  HRSG system or existing blowdown tank, for which appropriate dimensions can be used. The HP  water‐steam at the HRSG cold start‐up will be discharged into the new start‐up flash tank or  existing blowdown tank, where the HP water‐steam mixture will be separated into  the water and  the steam. The water will be discharged across the existing blowdown tank into the water tank  for district heating, and the steam will be discharged into the low‐pressure steam pipe.     36 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 4 Dušan Strušnik 16  Dušan Strušnik  JET Vol. 14 (2021)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  3.3 IP water-steam quality analysis at the HRSG cold start-up The IP water‐steam analysis was based on the data set obtained from SCADA. The data set of the  IP water‐steam mass flow during the HRSG cold start‐up is shown in Figure 15 (a), the IP water‐ steam temperature during the HRSG cold start‐up is shown in Figure 15 (b), and the IP water‐ steam pressure during the HRSG cold start‐up is shown in Figure 15st (c).    Figure 15: The IP water‐steam data set at the HRSG cold start‐up; (a) The IP water‐steam mass  flow; (b) The IP water‐steam temperature, and (c) The IP water‐steam pressure     The IP water‐steam density during the HRSG cold start‐up into the IP pipeline is shown in Figure  15.    Figure 16: The IP water‐steam density during the HRSG cold start‐up  JET 37 HRSG system description and water-steam analysis at the HRSG cold start-up   Paper title HRSG system description and water‐steam analysis at the HRSG cold  start‐up  17       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  As shown in Figure 16, for the first 850 seconds, from the IP part of the HRSG, only the water is  performed and released, the Critical Area. After 850 seconds from start‐up the wet steam is  generated and is flowing out from the IP part of the HRSG. The formed mixture at this time cannot  be transferred into the IP steam header or into the IP pipeline. In the first 210 seconds from the  HRSG cold start, the IP water and water steam mixture should also be directed into the special  blowdown tank.    3.4 IP water-steam velocity analysis at the HRSG cold start The IP water‐steam velocity in the IP HRSG project‐designed pipeline was analysed at the  contractor predicted inner diameter of 204 mm. The IP steam velocity in the 204 mm designed IP  pipeline inner diameter is shown in Figure 17.        Figure 17: The IP steam velocity in the 204 mm designed IP pipeline inner diameter  The IP water‐steam velocity analysis was based on the IP water‐steam properties at the HRSG  cold start‐up, Figure 15. The IP water‐steam analysis, Figure 17, shows that the maximum IP  water‐steam velocity at the 204 mm pipeline inner diameter was 31 m/s, after 2050 seconds from  the HRSG cold start‐up. The IP water‐steam velocity analysis shows that the IP pipeline is properly  dimensioned. In the first 700 seconds, Figure 16, the HRSG generated only the water; also, the IP  pipeline was horizontal and very long, about 100 m, and this water should not be discharged  directly into the IP pipeline. Also, at the HRSG start‐up, the IP water should be discharged into  the special blowdown tank.       4 CONCLUSIONS The paper presents the HRSG system description in detail and the possibility of preventing the  HRSH water‐steam‐generated release into the atmosphere through the sky valves during the  HRSG cold start‐up. The water‐steam velocity, quality and mass flow from the HP and the IP HRSG  parts are  analysed during cold start‐up. The results show that the first mixture of water and  water‐steam that is formed in the HP and IP HRSG parts should not be discharged into the HP or  IP pipe header. The HP and IP pipelines are mounted horizontally at about 100 m. For that reason,  it is recommended that a  new start‐up flash tank with appropriate dimensions can be integrated  into the HRSG system or existing blowdown tank with appropriate dimensions . The water and  38 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 4 Dušan Strušnik 18  Dušan Strušnik  JET Vol. 14 (2021)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  water‐steam can be separated from the water and the steam. The water can be discharged into  the water tank for district heating purposes, and the steam can be discharged into the low‐ pressure steam pipeline.      References [1]   J. I. Manassaldi, S. F. Mussati, N. J. Scenna: Optimal synthesis and design of Heat  Recovery Steam Generation (HRSG) via mathematical programming, Energy, Vol. 36, Iss.  1, p.p. 475‐485, 2011. Available: https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.10.017   [2]   A. S. E. Ahmed, M. A. Elhosseini, H. A. Ali: Modelling and practical studying of heat  recovery steam generator (HRSG) drum dynamics and approach point effect on control  valves, Ain Shams Engineering Journal, Vol. 9, Iss. 4, p.p. 3187‐3196, 2018. Available:  https://doi.org/10.1016/j.asej.2018.06.004   [3]   J. Li, K. Wang, L. Cheng: Experiment and optimization of a new kind of once‐through heat  recovery steam generator (HRSG) based on analysis of exergy and economy, Applied  Thermal Engineering, Vol. 120, p.p. 402‐415, 2017.      Available: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.04.025   [4]   S. N. Naserabad, A. Mehrpanahi, G. Ahmadi: Multi‐objective optimization of HRSG  configurations on the steam power plant repowering specifications, Energy, Vol. 159, p.p.  277‐293, 2018. Available: https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.06.130   [5]   J.  F.  P.  Beaujardiere,  H.  C.  R.  Reuter,  S.  A.  Klein,  D.  T.  Reindl:  Impact  of  HRSG  characteristics on open volumetric receiver CSP plant performance, Solar Energy, Vol.  127, p.p. 159‐174, 2016. Available: https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.01.030   [6]   H. Mokhtari, H. Ahmadisedigh, M. Ameri: The optimal design and 4E analysis of double  pressure HRSG utilizing steam injection for Damavand power plant, Energy, Vol. 118, p.p.  399‐413, 2017. Available: https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.12.064   [7]   H. Zebiana, A. Mitsos: A split concept for HRSG (heat recovery steam generators) with  simultaneous area reduction and performance improvement, Energy, Vol. 71, p.p. 421‐ 431, 2014. Available: https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.04.087   [8]   B. Lesenfants: HRSG general arrangement right face, Contains information for the design  of structures, systems and components, Combined cycle power plant, 2020.   [9]   Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA).      Available: http://www.energetika‐lj.si  [10]   D.  Chong,  W.  Liu,  Q. Zhao,  J.  Yan, T.  Hibik:  Oscillation  characteristics  of  periodic  condensation induced water hammer with steam discharged through a horizontal pipe,  International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 173, p. 121265, 2021.      Available: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121265  [11]   D. Strušnik: Integration of machine learning to increase steam turbine condenser vacuum  and efficiency through gasket resealing and higher heat extraction into the atmosphere,  International Journal of Energy Research, 2021.      Available: https://doi.org/10.1002/er.7375      JET 39 HRSG system description and water-steam analysis at the HRSG cold start-up   Paper title HRSG system description and water‐steam analysis at the HRSG cold  start‐up  19       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  Nomenclature Abbreviations  (Symbol meaning)  HP  high pressure  HRSG  heat recovery steam generator  IP  intermediate pressure  SCADA  supervisory control and data acquisition      Parameters  (Symbol meaning)  𝑫𝑫 𝒐𝒐𝒐𝒐   pipe outer diameter, mm  𝒎𝒎 � ���   water‐steam mass flow, kg/s  𝒏𝒏 𝒑𝒑𝒑𝒑   number of pipes  𝒑𝒑 ���   water‐steam pressure, bar  𝑻𝑻 ���   Water‐steam temperature, °C  𝒗𝒗 𝒂𝒂   water‐steam average velocity, m/s  𝑾𝑾 𝒕𝒕   pipe wall thickness, mm  𝝅𝝅   circular constant, 3,14  𝝆𝝆 ���   water‐steam density, kg/m 3