Economizer of boiler

บทนำ

     ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ในเตา จะถ่ายเทไปให้ยัง boiler surface ด้วยการพา (convection) หรือการแผ่ (radiation) ซึ่งจะทำให้ท่อได้รับความร้อนถึงจุดหนึ่ง หลังจากนั้นแล้ว ปริมาณความร้อนที่หลงเหลือก็จะไม่เป็นประโยชน์ต่อ boiler surface อีกต่อไปและจะถูกถ่ายเทออกสู่บรรยากาศ แต่ถ้านำความร้อนที่หลงเหลือจำนวนนี้กลับเข้ามาใช้ให้เป็นประโยชน์ต่อ boiler อีก จะเป็นผลให้ประสิทธิภาพของ boiler ดีเพิ่มขึ้น

    ดังนั้น จึงได้มีการสร้างอุปกรณ์สำหรับที่จะสามารถรับการถ่ายเทความร้อนที่หลงเหลือ กลับเข้ามาใช้งานอีก ซึ่งที่เรียกกันว่า heat recovery หรือ heat trap ซึ่งประกอบด้วย economizer (ทำหน้าที่ให้ความร้อนแก่ feed water) และ air preheater (ทำหน้าที่ให้ความร้อนแก่ combustion air)

    แต่อย่างไรก็ดี ในการติดตั้ง heat recovery device นี้ จะต้องศึกษาถึงราคาของอุปกรณ์ที่จะติดตั้ง ว่าจะได้รับผลตอบแทนคุ้มค่ากับการลงทุนหรือไม่ อาจจะไม่ติดตั้งอุปกรณ์นี้ ในกรณีที่ต้นทุนการผลิตกระแสไฟฟ้าต่ำ โรงไฟฟ้าเดินเครื่องตามฤดูกาล หรือทำหน้าที่เป็นกำลังเสริม (stand-by) เมื่อเห็นสมควรติดตั้งแล้ว จะต้องศึกษาผลที่ตามมาเช่น draft loss, การกัดกร่อน, เงินลงทุน, ปัญหาการบำรุงรักษา และการเดินเครื่องและปัญหาหลักคือ อุณหภูมิของ flue gas ก่อนเข้า heat recovery จะมีอุณหภูมิสูงพอหรือไม่ ซึ่งขึ้นกับชนิดแบบของ boiler, สภาวะที่ load ต่างๆ, คุณสมบัติของเชื้อเพลิง และสภาพของการเผาไหม้ โดยค่าอุณหภูมิของ flue gas ก่อนเข้า heat recovery นี้ต้องคำนึงถึงปริมาณความร้อนที่สามารถถ่ายเทให้กับอุปกรณ์, อุณหภูมิของ feed water หรือ combustion air ที่เข้าอุปกรณ์นี้, dew point ของ flue gas ถ้ามีการเพิ่มค่าใช้จ่ายเกี่ยวกับน้ำมันเชื้อเพลิง ที่จะต้องให้อุณหภูมิของ flue gas ก่อนเข้า heat recovery สูงตามที่ต้องการ ก็จะเป็นที่ผิดวัตถุประสงค์

     ผลเสียของ heat recovery ที่ตามมาก็คือ ปัญหาการออกแบบในกรณีเดินเครื่องที่ load ต่ำ เพราะอุณหภูมิ flue gas ลดลง, สิ่งสกปรกที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้ เป็นผลให้อุปกรณ์อุดตัน, draft fan จะต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะเอาชนะ draft loss ที่เกิดจากอุปกรณ์นี้ได้, เพิ่มความเอาใจใส่ต่ออุปกรณ์ในการเดินเครื่องและบำรุงรักษา และเพื่อแก้ปัญหา cold end corrosion อาจจะต้องติดตั้งอุปกรณ์ by-pass valve หรือ recirculation line เพิ่มขึ้น

เนื้อหา ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะ economizer เท่านั้น

      Economizer เป็น heat recovery ชนิดหนึ่ง ซึ่งทำหน้าที่รับความร้อนจาก flue gas ที่ออกจาก boiler แล้วถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำโดยผ่านท่อที่เป็นตัวกลาง ก่อนที่น้ำจะเข้าไปในระบบของ boiler ทำไมจะต้องเป็น economizer หลังจากได้พลิกแพลงในรูปแบบต่างๆ แล้วก็พบว่า ถ้าจำถ่ายเทปริมาณความร้อนจำนวนหนึ่งให้กับพื้นที่ผิวของอุปกรณ์ใด ก็สู้ economizer surface ไม่ได้ และความร้อนที่ได้รับจากการถ่ายเทนี้ ก็นำประโยชน์ไปสู่ boiler ทันที ต่อคำถามที่ว่าทำไมไม่เพิ่ม boiler surface ให้กว้างขึ้น นั่นเป็นเพราะปริมาณความร้อนที่หลงเหลือออกมานั้นไม่พอเพียงที่จะถ่ายเทความร้อนให้กับ boiler surface ได้จนน้ำภายในท่อมีอุณหภูมิสูงถึง sat. temp. ซึ่งแท้ที่จริงน้ำที่ออกจาก economizer ที่เข้า boiler drum ยังมีอุณหภูมิโดยทั่วไปไม่ถึง sat. temp. แต่ก็ช่วยให้น้ำใน boiler ร้อนขึ้น ซึ่งเป็นการช่วยประหยัดเชื้อเพลิงในการผลิตไอน้ำ นั่นก็จะสมกับคำของ economizer คือ เป็นผู้ที่ทำให้เกิด economic

    โดยทั่วไปแล้วลักษณะการ flow จะเป็นแบบ counter flow แต่อย่างไร ก็ตามขึ้นกับการออกแบบว่าจะหลงเหลือความร้อนไปให้ air preheater มากน้อยเพียงใดผลดีของ counter flow ก็คือ economizer surface และ draft loss ประการสำคัญก็คือลักษณะการ flow ของน้ำเป็นแบบ up flow คือไหลจากล่างขึ้นไปยัง boiler drum และ flue gas จะไหลจากบนลงล่างในทิศสวนทางกับน้ำไหล up flow ของน้ำนี้จะทำให้น้ำไหลอย่างสม่ำเสมอ เนื่องจากเมื่อน้ำได้รับความร้อนแล้ว บางส่วนจะกลายเป็นไอหรือ gas ที่แยกตัวออกมาจากน้ำซึ่งทำให้เกิดฟอง และฟองของ gas หรือ air นี้จะลอยตัวขึ้นเข้าสู่ boiler drum โดยไม่เกิดการ block ของ gas หรือฟองอากาศ

ปัญหาเรื่องการกัดกร่อน

การกัดกร่อนผิวภายนอกท่อ (External corrosion)

    เกิดจากไอของ flue gas มีอุณหภูมิ dew point และจะกลั่นตัวลงบนผิวท่อ ในไอของ flue gas นี้จะมีผลจากการเผาไหม้ของ sulfur ที่ปนมากับน้ำมัน ซึ่งเมื่อเกิดการกลั่นตัวแล้วจะกลายเป็นกรด (H₂SO₃ หรือ H₂SO₄) เกิดการกัดกร่อนที่ผิวภายนอกท่อ

การกัดกร่อนผิวภายในท่อ (Internal corrosion)

    เกิดจาก dissolved oxygen และ low pH ของน้ำก่อนเข้า Eco. โดยท่อของ Eco. ที่โลหะเป็น steel จะเกิดปฏิกิริยาเร็วในน้ำธรรมดา (pH 7) ซึ่งเมื่อมี dissolved oxygen หลงเหลืออยู่ในน้ำแล้ว oxygen จะแยกตัวออกจากน้ำที่อุณหภูมิสูงทำให้เกิดการสะสมของ oxygen gas เป็นฟองเล็กๆ ซึ่งจะทำให้เกิด oxygen pitting

การป้องกันและแก้ไขของการเกิดการกัดกร่อน

การแก้ลักษณะท่อ

     โดยทั่วไปแล้ววัสดุที่ใช้ทำท่อคือ steel (แต่ถ้าเป็น cast iron แล้ว จะทนต่อการกัดกร่อนภายในและภายนอกได้ดีกว่า ซึ่งเหมาะสำหรับ low-pressure boiler เนื่องจากยังไม่มีการควบคุมน้ำที่ได้มาตรฐาน และที่สำคัญ cast iron แพงกว่า steel ดังนั้น จึงออกแบบท่อภายนอกมีลักษณะเป็นครีบรอบท่อ ที่เรียกว่า fins tube

ลักษณะการติดตั้ง แบ่งได้เป็น 2 แบบคือ

 Integral economizer : ลักษณะการติดตั้งของท่อเป็นแบบแนวตั้ง โดยเรียงกันเช่นเดี่ยวกับ boiler bank tube

Separate economizer : ลักษณะการติดตั้งของท่อเป็นแบบแนวนอน โดยเรียงกันเป็นแถวตามความกว้างของ boiler จากลักษณะการติดตั้งนี้ ทำให้เกิด steaming economizer และ non- steaming economizer ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบ

Steaming economizer : คือผลของน้ำที่ออกจาก economizer เข้าสู่ boiler drum ส่วนหนึ่งกลายเป็นไอน้ำ ซึ่งก็จะให้ผลดีกว่า boiler tube ในบางครั้งและก็ไม่มีกฎบังคับใด กล่าวถึงค่าพิกัดปริมาณไอน้ำที่ออกจาก Eco. เข้าสู่ boiler drum จะเป็นกี่เปอร์เซ็นต์ของปริมาณน้ำที่ออกจาก boiler ทั้งหมด แต่โดยทั่วไปแล้วไม่เกิน 20 % ที่ full load Eco. ชนิดไม่เหมาะสำหรับ boiler ที่ต้องการน้ำ Make up สูง เพราะเป็นการยากที่จะควบคุมคุณภาพน้ำให้ดีพอ ก่อนที่จะ feed เข้า Eco.

Non-steaming economizer : คือผลของน้ำที่ออกจาก Eco. แล้วไม่มีส่วนใดเป็นไอน้ำเลย ลักษณะการ flow ของน้ำในท่อ Eco. และ flue gas ที่ออกจาก boiler แบ่งได้ออกเป็น 2 แบบคือ

Parallel flow คือ ทิศทาง flow ของน้ำกับ flow ของน้ำ flue gas จะไปในทิศทางเดียวกัน

Counter flow คือ ทิศทาง flow ของน้ำกับ flow gas จะไปในทิศทางที่สวนกัน

     โดยปกติแล้ว ถ้าคิดทิศทางการ flow ของ flue gas ที่ออกจาก boiler เป็นหลัก Eco. จะติดตั้งอยู่หลัง boiler และก่อน air preheater หรือ อาจจะติดตั้งอยู่หลังหรือระหว่าง air preheater ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบ, เดินเครื่อง และบำรุงรักษา เช่น โรงไฟฟ้าที่ใช้ถ่านเป็นเชื้อเพลิง ต้องการ primary air ที่มีอุณหภูมิ สูงพอที่จะไปทำให้ถ่านแห้ง และการเผาไหม้สมบูรณ์ Eco. อาจจะอยู่ระหว่าง Air preheater ทั้งสองแต่โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่บางโรง เป็น high pressure boiler จะติดตั้ง Eco. ไว้หลัง air preheater เป็น low temperature economizer หรือที่เรียกว่า stack cooler

    ในปัจจุบันนี้จะพบว่าขนาดของ economizer ได้เล็กลงกว่าเดิม เนื่องจากได้มีการวิวัฒนาการให้ดีขึ้น กล่าวคือ

1.     ใช้ความร้อนของ flue gas ใน boiler ได้เต็มที่ คือการออกแบบให้มี reheat เป็นต้น ทำให้อุณหภูมิ flue gas ที่ออกจาก boiler ต่ำลง

2.     มีการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำก่อนเข้า Eco. ด้วยระบบ regenerative feed heating กล่าวคือมี low pressure high pressure feed heater ที่ได้รับ steam จาก extraction ของ turbine มาเป็นตัวถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำ

3.     สำหรับโรงไฟฟ้าที่ใช้ถ่านเป็นเชื้อเพลิงจะต้องให้ flue gas ที่ออกจาก Eco. ก่อนเข้า air preheater มีอุณหภูมิสูงพอที่จะไปทำให้ primary air มีอุณหภูมิสูงถึงจุดที่ต้องการ

โรงไฟฟ้าขนอม

     Economizer ของโรงไฟฟ้าขนอม ติดตั้งอยู่หลัง boiler bank tube ก่อน air preheater โดยได้รับความร้อนจาก flue gas ที่ออกจาก boiler ก่อน air preheater

    ลักษณะการติดตั้งเป็นแบบ separate economizer โดยเป็น flns & bare tube วางเรียงตามความกว้างของ boiler ประกอบด้วย 17 ชุด ชุดละ 5 loop โดยทำให้ลดผลการกัดกร่อนผิวภายนอกท่อลงโดยจะเกิดที่ครีบส่วนหนึ่ง ผลดีตามมาก็คือ เพิ่มพื้นที่ผิวในการรับความร้อน และเพิ่มความแข็งแรงของท่อป้องกันการตกท้องช้างได้อีกด้วย

การติดตั้ง by pass damper

    เพื่อมิให้ flue gas ที่ออกจาก boiler ผ่าน Eco. ในขณะ start up/shut down เพื่อลดการกลั่นตัวของ flue gas เนื่องจากขณะนั้นอุณหภูมิของ flue gas ต่ำ อันจะทำให้เกิดการกัดกร่อนผิวภายนอกท่อ นอกจากนั้นแล้วยังสามารถปรับ damper ให้เหมาะสมในขณะเดินเครื่อง เพื่อไม่ต้องการให้เกิด steaming ของน้ำใน Eco. เพราะเมื่อเกิดแล้วในขณะที่ต้องอัตราการไหลของน้ำที่เข้า Eco. ลดลงทำให้ น้ำใน Eco. ลดลงไปด้วย เนื่องจากน้ำใน Eco. บางส่วนได้ระเหยกลายเป็นไอเข้า boiler drum ไปแล้ว จากนน้ำไม่เต็มท่อ Eco. นี้เป็นผลให้ท่อเกิด overheat และถ้าเติมน้ำเข้าไปทันทีอาจทำให้เกิด water hammering เป็นผลให้ท่อ crack บริเวณที่จุดเชื่อมหรือที่จุด roll ได้

การติดตั้ง Eco. Recirculating line

    เพื่อที่จะให้น้ำใน Eco. หมุนเวียนตลอดเวลาในขณะ Start-up เป็นผลให้อุณหภูมิของน้ำใน Eco. สูงกว่า Dew point ของ flue gas ซึ่งทำให้หลีกเลี่ยงปัญหาการกัดกร่อนผิวภายนอกท่อได้ และจะช่วยปรับคุณภาพของน้ำในกรณีที่ pH ยังไม่เหมาะสม ด้วยการเติมสารเคมีเข้าไปแล้วมีการหมุนเวียนน้ำใน Eco.

การติดตั้ง soot blower

   เพื่อที่จะช่วยเป่าล้างคราบสกปรกที่เกาะติดอยู่ผิวนอกท่อเพื่อป้องกันการกัดกร่อนผิวนอกท่อ และช่วยให้การถ่ายเทความร้อนดียิ่งขึ้น ซึ่งในการทำความสะอาดผิวนอกท่อนี้ สามารถทำได้ในขณะเดินเครื่อง ส่วนจำนวนและตำแหน่งของ soot blower นั้นขึ้นกับลักษณะของเชื้อเพลิงที่ใช้ ในขณะหยุดเครื่องซ่อม ถ้าพบว่าผิวท่อภายนอกสกปรกให้ใช้น้ำล้างได้ ก่อนล้างอาจจะใช้สารละลายโซดาไฟราดพรม เพื่อลดการจับเกาะตัวของ burned deposit

Specification
Eco. Tube  tube size       : 2” O.D. x 0.15 MW


Material                : SA-226


Eco. Header header size : 8 5/8” O.D. SCH 140


Material                : SA-106 B


Design Pressure             : 114 kg / cm²


Hydro. Test Pressure      : 171 kg / cm² (1.5 times)


Design Temperature       : 371 ⁰C


Volume                         : 4,040 m³

การตรวจสอบผิวภายนอกท่อ

1. ตรวจสอบสภาพความสกปรก/สะอาด ของท่อ

    1.1 บริเวณรัศมีการทำงานของ soot blower ถ้าท่อยังไม่สะอาดดีพอ แสดงว่า soot blower อาจจะต้องเพิ่ม pressure ของ blowing medium ขึ้นสูงไปอีก ในทำนองกลับกันถ้าท่อมีรอยกัดของ steam จะต้องลด pressure ของ blowing medium ลง

    1.2 บริเวณนอกรัศมีการทำงานของ soot blower ถ้าสภาพท่อภายนอกมีความสกปรกให้ล้างด้วยน้ำ

2. ตรวจสอบสภาพการถูกกัดกร่อนของท่อ

3. ตรวจสอบ clearance ระหว่าง ท่อกับท่อ และท่อกับ casing ของ boiler

4. ตรวจสอบหารอย crack ของท่อ โดยเฉพาะที่บริเวณรอยเชื่อม หรือจุดที่ roll ระหว่างท่อกับ header

การตรวจสอบผิวภายในท่อ

     ในกรณีที่พบว่า pressure ระหว่าง Eco. Inlet กับ boiler drum ต่างกันมาก ผิวท่อในอาจมี scale จับเกาะอยู่มาก หรืออาจจะเกิด oxygen pitting เป็นผลทำให้ท่อแตกอันเนื่องมาจากปริมาณ dissolved oxygen ในน้ำก่อนเข้า Eco. สูงเกินพิกัด การตรวจสอบนี้ ควรกระทำเป็นครั้งคราวด้วยตัดท่อออกมาพิจารณา และเพื่อป้องกันการเกิดการกัดกร่อน scale ที่ผิวภายในท่อควรตรวจสอบสารและสารประกอบต่างๆ ที่ละลายปนมากับน้ำก่อนเข้า Eco. ดังนี้

ph at 25 ⁰C                         8.5-9.0

Conductivity          <  1    µm/cm

Silica                    <  0.02  ppm as Si O₂

Total Iron             <  0.03  ppm as Fe

Total Copper         <  0.02  ppm as Cu

Hydrazine          0.01-0.03  ppm as N₂H₄

                      Dissolved Oxygen  < 0.007 ppm as O₂

Boiler Part