ท่อครีบของหม้อไอน้ำเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนในโรงไฟฟ้าสมัยใหม่ได้อย่างไร

ท่อหม้อไอน้ำธรรมดาจะสูญเสียพลังงานการเผาไหม้ที่วัดได้ตรงออกจากปล่อง เพิ่มครีบที่ผนังด้านนอกและท่อเดียวกันนั้นก็สามารถแลกเปลี่ยนได้ ให้ความร้อนเพิ่มขึ้น 5 ถึง 10 เท่า โดยผ่านก๊าซไอเสีย — โดยไม่เพิ่มการปล่อยก๊าซของหม้อไอน้ำ การเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิตเพียงครั้งเดียวนั้นเป็นหัวใจสำคัญของประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าสมัยใหม่

เหตุใดพื้นที่ผิวจึงเป็นปัจจัยจำกัด

การถ่ายเทความร้อนระหว่างกระแสก๊าซร้อนและผนังท่ออยู่ภายใต้ข้อจำกัดตรงไปตรงมา กล่าวคือ ยิ่งพื้นผิวสัมผัสมีขนาดใหญ่ พลังงานก็จะเคลื่อนผ่านได้เร็วยิ่งขึ้น ในท่อเจาะเรียบทั่วไป พื้นผิวนั้นจะถูกยึดตามเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาว ท่อครีบบอยเลอร์ ทำลายข้อจำกัดนั้นด้วยการติดพื้นผิวโลหะที่ขยายออกไป — ครีบ — เข้ากับผนังด้านนอกของท่อ ทำให้ก๊าซไอเสียมีพื้นที่มากขึ้นในการระบายความร้อนก่อนที่จะออกจากระบบ

ฟิสิกส์ทำงานในสองเส้นทางคู่ขนาน ก๊าซร้อนถ่ายเทความร้อนแบบหมุนเวียนไปยังพื้นผิวครีบ ครีบจะนำพลังงานนั้นเข้าสู่ท่อฐาน และผนังท่อจะถ่ายโอนไปยังน้ำป้อนหรือไอน้ำภายใน อุณหภูมิของก๊าซทุกระดับที่ฟื้นตัวก่อนปล่องเป็นเชื้อเพลิงที่ไม่จำเป็นต้องเผาในรอบถัดไป

ครีบสามประเภทที่ช่วยยกของหนัก

ไม่ใช่ทุกโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงเดียวกันหรือที่อุณหภูมิเท่ากัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีการกำหนดค่าครีบหลายแบบในการให้บริการเชิงพาณิชย์

ท่อครีบแบบเกลียว (เกลียว) เป็นตัวขับเคลื่อนของโรงงานที่ใช้ก๊าซธรรมชาติและพืชพลังความร้อนร่วม แถบครีบแบบต่อเนื่องพันรอบท่อฐานโดยการเชื่อมด้วยความต้านทานความถี่สูง ทำให้เกิดข้อต่อที่ยึดติดทางโลหะวิทยาโดยมีความต้านทานการสัมผัสใกล้ศูนย์ เมื่อพื้นผิวครีบมีลักษณะหยักแทนที่จะเป็นของแข็ง รูปทรงที่ถูกขัดจังหวะจะรบกวนชั้นขอบเขตของก๊าซ และปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนโดย 10–20% เมื่อเทียบกับครีบเกลียวธรรมดา — การเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในโมดูล HRSG ที่ประมวลผลไอเสียจากกังหันหลายล้านลูกบาศก์เมตรทุกวัน

ท่อครีบ H-Type ใช้แผงครีบสี่เหลี่ยมเชื่อมเป็นคู่ทำให้เกิดช่องก๊าซกว้างระหว่างครีบ รูปทรงนี้ต้านทานการเกาะตัวของเถ้าในหม้อไอน้ำที่ใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง และมีการระบุไว้ทุกที่ที่การเปรอะเปื้อนเป็นข้อจำกัดในการออกแบบหลัก ระยะพิทช์ที่กว้างขึ้นจะแลกพื้นที่ผิวบางส่วนเพื่อการเข้าถึงเขม่าที่ดีขึ้นและระยะเวลาการทำความสะอาดที่ยาวนานขึ้น

หลอดสตั๊ด แทนที่ครีบต่อเนื่องด้วยหมุดเชื่อมแต่ละอัน ใช้ในหม้อต้มชีวมวลและหม้อไอน้ำที่ใช้ขยะเป็นพลังงานซึ่งมีคลอรีนหรืออัลคาไลสูงในก๊าซไอเสียจะเร่งการกัดกร่อนของขอบครีบที่เปิดโล่ง สตั๊ดนำเสนอโลหะน้อยลงในกระแสก๊าซที่รุนแรง ในขณะที่ยังคงขยายพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพ

จุดที่ท่อครีบปรากฏในโรงไฟฟ้า

ท่อแบบครีบไม่ได้จำกัดอยู่เพียงส่วนประกอบเดียว แต่จะปรากฏในห่วงโซ่การนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ทั้งหมด

ใน เครื่องประหยัดหม้อไอน้ำ ท่อครีบเกลียวเหล็กกล้าคาร์บอนจะดูดซับความร้อนจากก๊าซไอเสียที่ตกค้างและถ่ายโอนไปยังน้ำป้อนที่เข้ามา ซึ่งโดยทั่วไปจะลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงลง 2-5% ต่อการติดตั้ง ในเครื่องทำความร้อนยิ่งยวดและเครื่องทำความร้อนซ้ำ โลหะผสมเหล็กหรือครีบสเตนเลสจะทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า 550 °C โดยจะบีบเอนทาลปีเพิ่มเติมลงในไอน้ำก่อนที่มันจะชนกับกังหัน ใน เครื่องกำเนิดไอน้ำนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ (HRSG) — องค์ประกอบที่กำหนดของพลังงานรอบรวม — หม้อไอน้ำทั้งหมดโดยพื้นฐานแล้วคือกองมัดท่อครีบที่จัดเรียงเป็นชุดเพื่อดึงพลังงานสูงสุดจากไอเสียของกังหันก๊าซที่อุณหภูมิต่ำลงเรื่อยๆ

ตัวเลือกเรขาคณิตที่วิศวกรปรับให้เหมาะสม

ตัวแปรสี่ตัวควบคุมจำนวนท่อครีบที่ให้บริการได้จริง:

• ความสูงของครีบ (โดยทั่วไปคือ 6–25 มม. ในการใช้งานด้านสาธารณูปโภค) เป็นตัวกำหนดจำนวนพื้นที่เพิ่มเติมต่อเมตรของท่อ
• ครีบขว้าง กำหนดความกว้างของช่องทางเดินก๊าซ กระแสก๊าซสะอาดสามารถบรรทุกครีบได้ 200–300 ครีบต่อเมตร เชื้อเพลิงที่มีเถ้าสูงต้องใช้ครีบ 80–120 ต่อเมตรเพื่อป้องกันการเสียบปลั๊ก
• ความหนาของครีบ (โดยทั่วไป 2–4 มม. สำหรับครีบเหล็กเชื่อม) ทำให้ประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าสมดุลกับน้ำหนักและต้นทุนวัสดุ
• ประสิทธิภาพของครีบ — อัตราส่วนเปรียบเทียบฟลักซ์ความร้อนจริงจากครีบกับค่าสูงสุดตามทฤษฎี — ควรเกิน 0.85 สำหรับพื้นผิวที่ขยายออกเพื่อพิสูจน์ต้นทุน

การรับพารามิเตอร์เหล่านี้ผิดในทิศทางใดทิศทางหนึ่งต้องเสียเงิน การมัดมัดท่อมากเกินไปในสภาพแวดล้อมที่มีเถ้าสูงจะช่วยเร่งการเปรอะเปื้อนและทำให้เกิดการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้ ครีบที่อยู่ต่ำกว่าจะทิ้งประสิทธิภาพการระบายความร้อนไว้บนโต๊ะ และเพิ่มอุณหภูมิของปล่องไฟให้สูงกว่าขีดจำกัดที่อนุญาต

ความเปรอะเปื้อน: ประสิทธิภาพการรั่วไหลที่ไม่มีใครเพิกเฉย

ท่อครีบที่ทำงานโดยมีชั้นเถ้า 1 มม. บนพื้นผิวจะสูญเสียไป 8–15% ถึงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ในระดับดังกล่าว ส่งผลให้ค่าเชื้อเพลิงสูงขึ้นและอุณหภูมิทางออกของก๊าซไอเสียสูงขึ้นโดยตรง ผู้ปฏิบัติงานจัดการการเปรอะเปื้อนด้วยการใช้เครื่องเป่าลมเขม่าร่วมกันระหว่างการทำงาน น้ำยาทำความสะอาดเสียงสำหรับคราบแห้งเล็กน้อย และการล้างน้ำระหว่างการปิดระบบตามแผน ระยะครีบที่ระบุในขั้นตอนการออกแบบเป็นแนวป้องกันแนวแรก การจับคู่ความกว้างของช่องทางก๊าซกับปริมาณเถ้าที่คาดการณ์ไว้ของเชื้อเพลิง จะป้องกันการสะสมที่เลวร้ายที่สุดจากการพัฒนาตั้งแต่แรก

ด้วยการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมและกำหนดการบำรุงรักษาอย่างมีระเบียบวินัย ท่อครีบเกลียวที่เชื่อมในบริการก๊าซสะอาดจึงมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าปกติ 20 ปี . ในสภาพแวดล้อมการเผาไหม้ของเสียชุมชนที่รุนแรง การวางแผนการเปลี่ยนทดแทนหลังจากผ่านไป 8-12 ปีถือเป็นความคาดหวังที่สมจริงยิ่งขึ้น

การเลือกใช้วัสดุในการให้บริการที่อุณหภูมิสูง

ท่อฐานและครีบจะต้องรับมือกับอุณหภูมิสูง ความดันหมุนเวียน และส่วนประกอบของก๊าซไอเสียที่มีฤทธิ์กัดกร่อนได้อย่างต่อเนื่องพร้อมกัน เหล็กกล้าคาร์บอน (SA-179, SA-192) ครอบคลุมงานประหยัดส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิประมาณ 450 °C โลหะผสมเหล็ก เช่น T11 และ T22 ขยายช่วงอุณหภูมิได้ถึงประมาณ 580 °C สำหรับการให้บริการฮีทเตอร์ยิ่งยวด โรงงานที่มีภาวะวิกฤตยิ่งยวดที่ทำงานที่สภาวะไอน้ำสูงกว่า 600 °C/300 บาร์ต้องใช้เกรดออสเทนนิติก เช่น TP347H หรือ Super 304H ในขณะที่สภาพแวดล้อมที่มีคลอรีนสูงหรือกำมะถันสูงอาจต้องใช้โลหะผสมนิกเกิล เช่น Inconel 625 เพื่อป้องกันการสูญเสียท่อแบบเร่ง

แนวทางการประหยัดต้นทุนเชิงปฏิบัติใน การเลือกท่อครีบหม้อไอน้ำ เป็นโลหะคู่ที่ไม่ตรงกัน: ท่อฐานเหล็กกล้าคาร์บอนจับคู่กับครีบสแตนเลส ครีบต้านทานการกัดกร่อนของจุดน้ำค้างบนพื้นผิวด้านนอก ซึ่งเป็นโหมดความล้มเหลวทั่วไปในเครื่องประหยัดที่เผาเชื้อเพลิงที่มีกำมะถัน ในขณะที่ท่อเหล็กคาร์บอนรองรับแรงดันภายในในราคาเศษเสี้ยวของต้นทุนของการประกอบออสเทนนิติกทั้งหมด

ผลกระทบสุทธิต่อเศรษฐศาสตร์โรงไฟฟ้า

ประสิทธิภาพเชิงความร้อนทุกๆ เปอร์เซ็นต์ที่ได้รับจากการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อครีบจะช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงตามสัดส่วน สำหรับหน่วยที่ใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงขนาด 500 เมกะวัตต์ ซึ่งเผาไหม้ถ่านหินประมาณ 150 ตันต่อชั่วโมง การปรับปรุงประสิทธิภาพ 3 จุดจะช่วยลดต้นทุนเชื้อเพลิงต่อปีได้หลายล้านดอลลาร์ และลดผลผลิต CO₂ ด้วยส่วนต่างที่สอดคล้องกัน โรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วมที่ใช้ HRSG แบบท่อครีบบรรลุประสิทธิภาพโดยรวมที่สูงกว่า 60% แล้ว หรือประมาณสองเท่าของที่กังหันก๊าซแบบรอบเดียวในยุคแรกๆ จัดการได้ เนื่องจากเทคโนโลยีท่อแบบครีบช่วยให้พลังงานไอเสียจากกังหันเกือบทั้งหมดถูกจับเป็นไอน้ำที่มีประโยชน์

กรณีทางวิศวกรรมสำหรับท่อแบบครีบในการผลิตพลังงานไม่ซับซ้อน: พื้นที่ผิวที่มากขึ้นหมายถึงการนำความร้อนกลับมาใช้ได้มากขึ้น การเผาไหม้เชื้อเพลิงน้อยลง และต้นทุนการดำเนินงานที่ลดลงตลอดอายุการใช้งานของโรงงานหลายทศวรรษ ความท้าทายในทางปฏิบัติอยู่ที่การเลือกรูปทรงครีบ วัสดุ และวิธีการผลิตที่เหมาะสมสำหรับชุดเงื่อนไขการทำงานเฉพาะแต่ละชุด ซึ่งเป็นการตัดสินใจว่าจะกำหนดว่าชุดท่อครีบจะส่งมอบตามสัญญาด้านความร้อนหรือกลายเป็นภาระในการบำรุงรักษา