文章-大型廢熱回收鍋爐blog202107-04

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大型廢熱回收鍋爐簡介

作者 呂連慶

作者 呂連慶

鋐原能源股份有限公司

 目 錄

一、前言

  現代電廠利用氣渦輪機(gas Turbine , GT)在單循環發電後所產生的高溫排氣達500℃以上,直接引入熱回收鍋爐(Heat Recovery Steam Generator , HRSG),將水加熱產生高壓及低壓蒸汽,推動高壓及低壓之氣渦輪機(Steam Turbine , ST)以帶動發電機發電,汽機作功後,蒸汽再導入冷凝器(Condenser)冷卻,成為冷凝水(Condensate water)後再經過除氧器回流到熱回收鍋爐加熱成為蒸汽,如此形成循環發電,此種氣渦輪機與氣渦輪機之組合方式,稱為複循環發電,未來台灣主要工業用發電機組,均為複循環發電機組為主流。

二、 廢熱回收鍋爐型式

  廢熱回收鍋爐依其構造、介質循環方式及工作條件等,分類如下:

1.依煙道流向依煙道氣流向分為水平煙道氣流向型(Horizontal gas flow)、直立煙道氣流向型(Vertical gas flow)及頂部支撐(Top support)共3大類,以台電大潭電廠1~6號機組屬於直立式煙道氣流向型,台電通霄電廠1~3號機則屬於水平煙道氣流向型。煙道氣流型式,主要取決於配置大小,鍋爐製作、安裝、維修等成本考量亦是主要因素。立式煙道氣流向型因煙囪可安裝在鍋爐頂部,相對可以減少設備所需使用面積,故佔地較小。超大型電廠HRSG使用頂部支撐方式,使鍋爐起機快速以立式汽水分離器取代原有汽鼓。

2.依循環方式可分為自然循環、強制循環兩種

(1) 自然循環式鍋爐(Natural Circulation Boiler)

原理:鍋爐水沿著下降管進入傳熱管群(蒸發器),吸熱後形成汽水混和物沿上升管進入汽鼓,在汽鼓的蒸汽與水經過分離後,鍋爐水重新進入下降管,形成循環,當鍋爐系統壓力愈高時,鍋爐水與汽水混和物之密度差愈小,相對的為了要維持一定的水頭壓力,需要增加汽鼓至下降管底部中心的高度。水之循環力量係依賴下降管(down comer)與上升管(riser)流體密度差所得之水壓。操作壓力限制<140kg / cm2G

水頭壓力大小可由下列公式計算得到

複循環機組廢熱回收鍋爐循環方式採用此型式。圖1為自然循環鍋爐示意圖

大型廢熱回收鍋爐簡介
圖1 自然循環鍋爐示意圖

(2) 強制循環式鍋爐(Forced Circulation Boiler)

原理:鍋爐壓力增高時,水與飽和蒸汽之密度差漸小,其所得之水壓愈小,於降水管加裝循環水泵,亦稱為控制循環(Controlled Circulation)。其操作壓力限制為140kg / cm2G ~ 205kg / cm2G

 3.依壓力段數可分單壓(single)、雙壓(Dual)及三壓(Triple)三種

  單壓型式一般較常用低壓(P<1.6 Mpa)系統,雙壓則同時有低壓(P<1.6 Mpa)及中壓(1.6≦P<10 Mpa)系統,三壓則同時低壓(P<1.6 Mpa)、中壓(1.6≦P<10 Mpa)及高壓(P≧10 Mpa)系統,壓力段數的選用視蒸汽用途而定,有汽電共生的系統,均選用雙壓或三壓系統,慣常火力複環發電廢熱回收鍋爐均採用三壓(低壓、中壓、高壓)型式設計,因為每個壓力系統需要搭配一組汽鼓,從汽鼓數量可得該鍋爐型式。

主要壓力件如下:

(1) 高壓汽鼓(high pressure steam drum)

(2) 高壓過熱段(high pressure superheater section)

(3) 高壓蒸發段(high pressure evaporator sec-tion)

(4) 高壓節煤器(high pressure economizer section)

(5) 再熱段(reheater section)

(6) 中壓汽鼓(intermediate pressure steam drum)

(7) 中壓過熱段(intermediate pressure superheater section)

(8) 中壓蒸發段(intermediate pressure evaporator sec-tion)

(9) 中壓節煤器(intermediate pressure economizer section)

(10) 低壓氣鼓(low pressure steam drum)

(11) 低壓過熱段(low pressure superheater section)

(12) 低壓蒸發段(low pressure evaporator section)

(13) 低壓節煤器(low pressure economizer section)

(14) 冷凝水預熱段(condensate preheater section)

 4.依蒸發量依鍋爐蒸發量大小可分為小型鍋爐、中型鍋爐及大型鍋爐三種,<20T/h為小型鍋爐,20T/h~75T/h為中型鍋爐,大於75T/h為大型鍋爐。

三、 鍋爐設計

1.法規:ASME鍋爐及壓力容器規章(BPV Code) SECTION I動力鍋爐為主要。

2.材料:ASME鍋爐及壓力容器規章(BPV Code) SECTION II PART A為主要。

3.循環比:(Circulation Ratio)

  在循環系統單位時間內通過的循環水量與單位時間蒸汽產量之比,稱為循環比,表示上升管內每產生1kg蒸汽時進入上升管的循環水量;循環比大,表示汽水混和物中水的比例大,上升管流體流動時可以沖洗沉積在管壁的水垢,提高熱傳係數。循環比與系統蒸汽壓力成反比,當蒸汽壓力愈高時,因水密度與蒸汽密度差值較小,自然循環式鍋爐循環比愈低,自然循環式鍋爐循環比一般要求為4~65之間,建議值可參考下表

4.鍋爐蒸發量計算

(1)  熱交換量Q(kcal / hr)

       G:熱氣量(Nm3 / hr)

       Tgi:入口氣體溫度(℃)

       Tgo:出口氣體溫度(℃)

       Cpi:入口氣體比熱(kcal / Nm3 ℃)

       Cpo:出口氣體比熱(kcal / Nm3 ℃)

計算範例如下:

    Q = G x (Tgi x Cpi – Tgo x Cpo)

      =210,000 x (980 x 0.3616 – 170.2 x 0.3281)

      =62.69 x 106 kcal / hr

(2) 蒸汽產生量Ws (T / hr)

       Q:熱交換量(kcal / hr)

       Wb:鍋爐吹洩量(kg / hr)

      Id:鍋爐吹洩之飽和水之焓值(kcal / kg)

       If:進入節煤器時鍋爐給水之焓值(kcal / kg)

       Is:第二級過熱器出口之蒸汽焓值(kcal / kg)

計算範例如下:

    Ws = { Q – Wb x (Id – If)} / (Is – If)

       ={62.69 x 106 – 1,800 x (340.4 – 112.0)} / (819.7 – 112.0) / 1000

       =88.0  T / h

5.鍋爐熱傳設計

  廢熱回收鍋爐係將高溫煙氣與鍋爐飼水以熱交換方式產生蒸汽,鍋爐各元件流體溫度(T)與吸收熱(Q)有關聯,稱之為T-Q圖,圖2為T-Q圖,其中以熱端溫差(△Ts),節點溫差(Pt)及接近溫差(At)為主要控制因子,茲詳列如下:

(1) 熱端溫差

△Ts是指熱交換過程中過熱器入口煙氣與過熱器出口過熱蒸汽之間的溫差。降低△Ts,可以提高過熱器溫度,因而提高過熱蒸汽品質,△Ts推薦值以30~60℃為佳。

(2) 節點溫差(Pinch Point Temperature , Pt)

   Pt是熱交換過程中蒸發器出口煙氣與被加熱的飽和水汽之間的最小溫差。當Pt減小時,熱回收鍋爐的排氣溫度會下降,煙氣熱交換量增加,蒸汽蒸發量增加,可提高的熱回收鍋爐熱效率,Pt推薦值以10~20℃為佳。

(3) 接近點溫差(Approach Point Temperature , At)

   At是指熱回收鍋爐之省煤器出口壓力下飽和水溫度和出口水溫之間的溫差,At值過低時,在系統起動中可能發生節煤器內會發生部分給水蒸發汽化的問題,將導致部分節煤器管壁過熱現象,推薦值以5~20℃為佳。

圖2 T-Q圖

四、 鍋爐安裝程序

  目前鍋爐安裝,均採模組化(Modular)安裝,安裝程序簡化,有效縮短安裝成本及時程。

  直立式煙道流向型鍋爐安裝程序如下:

  1. 基礎施作
  2. 柱與外殼鋼板(含保溫)預組件組含安裝
  3. 吊架主樑固定
  4. 左右側板與柱焊接
  5. 其他樑柱安裝
  6. 焊道與工作平台樓梯安裝
  7. 管束與集管器模組安裝
  8. 氣鼓安裝
  9. 安全閥消音器及煙囪

五、結論

  熱回收鍋爐效率良窳,為複循環發電機組整體效率之重要因素,鍋爐的系統設計、性能提升、最佳化運轉模式及控制邏輯,為現階段熱回收鍋爐整體運轉維持之重要課題,期望借由本文之簡介能對大型廢熱鍋爐有基本認識,有助於提高鍋爐整體安全。

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