HRSG ย่อมาจาก Heat Recovery Steam Generator หรือเรียกว่า เครื่องกำเนิดไอน้ำกู้คืนความร้อน ระบบนี้ทำหน้าที่ดักจับพลังงานความร้อนที่หลงเหลืออยู่ในแก๊สไอเสีย (Exhaust gas) ของกังหันแก๊ส (Gas Turbine) ซึ่งปกติจะมีอุณหภูมิสูงประมาณ 450°C ถึง 630°C (หรือสูงกว่า 1000°F) แล้วนำความร้อนนั้นมาถ่ายเทให้กับน้ำเพื่อผลิตเป็นไอน้ำ
Main Components
ส่วนประกอบหลัก (Main Components) ของระบบ HRSG (Heat Recovery Steam Generator) แบ่งออกเป็นหน่วยแลกเปลี่ยนความร้อนหลัก 3 หน่วย ซึ่งโดยทั่วไปจะจัดเรียงตามทิศทางการไหลของก๊าซไอเสียร้อน (จากด้านก๊าซเข้าที่ร้อนที่สุดไปยังด้านก๊าซออกที่เย็นที่สุด)
Superheater (เครื่องซูเปอร์ฮีตเตอร์ / เครื่องทำไอน้ำร้อนยวดยิ่ง) เป็นอุปกรณ์ส่วนแรกสุดที่สัมผัสกับก๊าซไอเสียร้อนจากกังหันก๊าซ ทำหน้าที่รับไอน้ำอิ่มตัว (Saturated Steam) จากถังพักไอน้ำ (Steam Drum) เข้ามาเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นจนเกินอุณหภูมิอิ่มตัว กลายเป็นไอน้ำร้อนยวดยิ่ง (Superheated Steam) เพื่อเพิ่มพลังงานให้กับไอน้ำก่อนส่งไปขับกังหันไอน้ำ
Boiler / Evaporator (เครื่องระเหยน้ำ) ตั้งอยู่ในโซนถัดมาจาก Superheater สัมผัสกับก๊าซไอเสียที่ผ่านการลดอุณหภูมิลงมาระดับหนึ่งแล้ว ทำหน้าที่รับน้ำอุ่นที่มีอุณหภูมิใกล้เคียงจุดเดือดมาจาก Economizer และต้มน้ำนั้นให้กลายเป็นไอน้ำอิ่มตัว ในระบบที่เป็นแบบมีถังพักน้ำ (Drum-type) จะทำงานร่วมกับ Steam Drum (ถังพักไอน้ำ) เพื่อแยกสถานะระหว่างน้ำป้อนและไอน้ำอิ่มตัวก่อนส่งต่อไปยัง Superheater
Economizer (เครื่องอุ่นน้ำป้อน) เป็นอุปกรณ์ส่วนสุดท้ายที่อยู่บริเวณทางออกก๊าซไอเสียที่เย็นที่สุด (ติดกับปล่อง Stack) ทำหน้าที่อุ่นน้ำป้อน (Feedwater) ที่จะป้อนเข้าสู่ระบบให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นจนใกล้เคียงกับอุณหภูมิอิ่มตัว (Saturation) ก่อนส่งเข้าไปยังเครื่องระเหยน้ำ ซึ่งช่วยดึงความร้อนทิ้งที่เหลืออยู่กลับมาใช้อย่างคุ้มค่าและเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ
Hazards of HRSG
การระเบิดเนื่องจากแรงดันเกิน (Pressure Part Overpressure): หม้อน้ำจัดเป็นถังรับแรงดันสูงที่กักเก็บน้ำร้อนจัดและไอน้ำอุณหภูมิสูงหากเกิดสภาวะการเผาไหม้ที่ควบคุมไม่ได้ (Runaway Combustion) จะส่งผลให้เกิดการผลิตไอน้ำอย่างรวดเร็วและแรงดันสะสมพุ่งสูงเกินขีดจำกัดจนท่อ Header หรือ Drum ระเบิดออก
การระเบิดในห้องเผาไหม้ (Furnace Explosion): มักเกิดขึ้นในช่วงที่การทำงานไม่เสถียร เช่น ระหว่างเริ่มเดินเครื่อง (Start-up) หรือช่วงโหลดต่ำ หากอัตราส่วนเชื้อเพลิงกับอากาศผิดพลาดจนเกิดเชื้อเพลิงท่วมเตา หรือไฟหัวเผาดับลงแต่ไม่มีการตัดเชื้อเพลิงทันที (Interrupted and self-restored oil flow) ก๊าซและละอองเชื้อเพลิงไวไฟจะสะสมจนเต็มห้องเตา เมื่อสัมผัสกับจุดร้อนจัดหรือประกายไฟจะเกิดการระเบิดรุนแรงทันที
อันตรายจาก Liquid Carry Over (น้ำปนไปกับไอน้ำ): ในสภาวะภาระคงที่ หม้อน้ำจะจ่ายไอน้ำอิ่มตัวที่มีความแห้งสูงถึง 96-99% (มีน้ำปนเพียง 1-4%). แต่หากเกิดการเพิ่มภาระโหลดอย่างกะทันหัน แรงดันภายในหม้อน้ำจะตกลงชั่วขณะ ส่งผลให้ความหนาแน่นไอน้ำลดลงและปริมาตรเฉพาะของไอน้ำขยายตัวอย่างรวดเร็ว เกิดการเดือดอย่างรุนแรงและระดับน้ำหนุนตัวขึ้น (Swell) ท่วมชุดแยกไอน้ำ ส่งผลให้น้ำหม้อน้ำปริมาณมากหลุดปะปนไปกับไอน้ำ (Carryover/Priming) ทำให้เกิด Water Hammer ซึ่งสามารถสร้างความเสียหายทำลายท่อส่งจ่าย อุปกรณ์ควบคุม
ความเสียหายและการแตกหักของท่อ (Tube Rupture): การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วทำให้เกิดความเค้นจากความร้อน (Thermal stresses) และการขยายตัว-หดตัวสลับไปมาจนเกิดความเค้นล้า (Thermal fatigue) โดยเฉพาะใน HRSG ชนิดแนวนอน (Horizontal) ที่ท่อแลกเปลี่ยนความร้อนถูกเชื่อมยึดอย่างตึงตัวกับ Header ด้านบนและล่าง หากไม่มีความยืดหยุ่นที่เพียงพอ ท่อมักจะแตกหรือฉีกขาดที่บริเวณรอยเชื่อมปลายท่อภายในระยะเวลาสั้นๆ
การกัดกร่อนจากจุดน้ำค้างกรด (Cold-End Corrosion/ Acid Dew Point Corrosion): หากแก๊สเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีกำมะถัน (Sulphur) ก๊าซซัลเฟอร์ออกไซด์ (SO2/SO3) ที่เกิดขึ้นจะรวมตัวกับไอน้ำในไอเสียกลายเป็นกรดซัลฟิวริก หากอุณหภูมิผิวของท่อน้ำป้อน (Economizer) ต่ำกว่าอุณหภูมิจุดน้ำค้างกรด (Acid Dew Point) กรดจะควบแน่นและกัดกร่อนโลหะของท่อและปล่องไอเสียอย่างรุนแรง
Acid Dew Point Calculation
การคำนวณหาอุณหภูมิจุดน้ำค้างของกรด (Acid Dew Point Temperature: TDP) ของก๊าซไอเสียที่ปล่อยออกทางปล่อง (Stack) สามารถประมาณค่าได้โดยใช้สมการ Semi-empirical equations ซึ่งจะขึ้นอยู่กับประเภทของกรดที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาการเผาไหม้ โดยทั่วไปจะมีสมการสำหรับกรดซัลฟิวริก (H2SO4), กรดซัลฟิวรัส (H2SO3) และกรดไนตริก (HNO3)
ในการคำนวณด้วยสมการเหล่านี้ กำหนดให้หน่วยวัดเป็นดังนี้
- Tdp คือ อุณหภูมิจุดน้ำค้างของกรด มีหน่วยเป็น เคลวิน (K)
- P คือ ความดันย่อย (Partial Pressure) ของสารแต่ละชนิด มีหน่วยเป็น มิลลิเมตรปรอท (mm Hg)
โดยมีสมการสำหรับกรดแต่ละประเภท ดังนี้
สำหรับกรดซัลฟิวริก (Sulfuric Acid: H2SO4)
สำหรับกรดซัลฟิวรัส (Sulfurous Acid: H2SO3)
สำหรับกรดไนตริก (Nitric Acid: HNO3)
ตัวสมการคำนวณจุดน้ำค้างของกรด (Acid Dew Point Equation) เอง เช่น สมการหาค่าจุดน้ำค้างของกรดซัลฟิวริก ซัลฟิวรัส หรือไนตริก เป็นสมการที่เป็นสภาวะคงตัว (Steady-state) ซึ่งจะคำนวณหาค่าจุดน้ำค้าง TDP จากค่าความดันย่อย (Partial Pressure) ณ ขณะนั้นโดยตรง อย่างไรก็ตาม ในช่วงเวลาที่มีการเปลี่ยนแปลงสภาวะการทำงานอย่างมาก เช่น ช่วงเริ่มต้นเดินเครื่อง (Start-up) หรือช่วงลดกำลังการผลิต (Turndown / Partial load) สภาวะของกระบวนการทั้งหมดจะมีความเป็นไม่คงตัว (Unsteady-state / Transient) ดังนั้น ในมุมมองของการวิเคราะห์และออกแบบระบบควบคุมกระบวนการ (Process Control) แบบจำลองของระบบโดยรวมจำเป็นต้องมีความเป็น Dynamic ด้วย
ตัวอย่างการคำนวน
สมมติว่าเรามีก๊าซไอเสีย (Flue Gas) ที่ปล่อยออกมาจากเตาเผาไหม้ ณ สภาวะและส่วนประกอบดังนี้:
- ความดันรวมของระบบ (Ptotal) = 1.0 atm (คิดเป็นความดันบรรยากาศมาตรฐานมีค่าเท่ากับ 760 mm Hg)
- สัดส่วนโดยโมลของไอน้ำ (yH2O) = 10.0% หรือมีค่าสัดส่วนเท่ากับ 0.10
- สัดส่วนโดยโมลของกรดซัลฟิวริก (yH2SO4) = 50 ppm
- Flue Gas Temperature (Initial) (°C): 35
- Flue Gas Temperature (Final) (°C): 185
จากการคำนวน Peak Acid Dew Point (H2SO4) = 124.3 °C
ซึ่งถ้าดูเผินๆที่ Final Temperature ค่า Flue Gas Temperature และ Metal Wall Temperature สูงกว่า Peak Acid Dew Point ไม่ได้มีปัญหา แต่ในช่วงเริ่มกระบวนการที่อุณหภูมิค่อยๆสูงขึ้น จะสังเกตุเห็น Corrosion Risk Zone ที่มีค่า Flue Gas Temperature กับ Metal Wall Temperature ต่ำกว่า Acid Dew Point