關于電廠熱回收鍋爐冷凝器的研究

引言：電廠的運作是將熱能轉換為動能，然后再將動能轉換為電能，如能將熱能充分利用，不但可提高效率降低成本，更能降低電廠營運對環境的沖擊。本文即是針對電廠兩大熱交換器--熱回收鍋爐及冷凝器做性能評估，并使熱能充分利用。

一、復循環發電

復循環發電顧名思義是由兩個熱力循環（Braytoncycle與Rankinecycle）組合而成的發電系統，傳統火力機組與復循環機組發電。復循環機組因具有建廠速度快（僅須二年即可完成）、環境污染低（以天然氣為燃料，CO2排放量為燃煤汽力機組的一半，且無煤灰處理問題）等優點，是未來發電的主流。但其燃料成本甚高，約為燃煤的3倍，因此如何將熱能充分使用，以降低營運成本，是電廠一直在努力的目標。

電廠復循環機組是3對1批配（3臺氣渦輪機對1臺蒸汽輪機），共有15臺氣渦輪機及5臺蒸汽輪機。以天然氣為燃料，天然氣與高壓空氣混合燃燒后進入氣渦輪機做功，熱回收鍋爐是將氣渦輪機做功后的熱燃氣（約567℃、324kg/sec）回收再利用的設備，其功用是將冷凝水逐步加熱至約為7.8MPA、537℃的過熱蒸汽去驅動蒸汽輪機（Rankinecycle---172MW/perunit×1unit）。復循環機組發電流程如圖1。

圖1電廠復循環機組發電流程圖""""""圖2電廠熱回收鍋爐現場外觀圖

二、熱回收鍋爐的爐管

熱回收鍋爐的爐管為交錯式圓鰭管，現場外觀如圖2。

管外是圓形鰭片式，工作流體為熱燃氣，溫度范圍為560℃→100℃。管內是平滑管，工作流體為水或蒸汽，溫度范圍為60℃→540℃。鍋爐共分成7個區域：1.預熱節能器、2.低壓蒸發器、3.低壓過熱器、4.高壓節能器、5.高壓蒸發器、6.高壓過熱器-1、7.高壓過熱器-2。預熱節能器及高壓節能器是將低溫水加熱成高溫水，低壓蒸發器及高壓蒸發器是將飽和水加熱成飽和蒸汽，低壓過熱器及高壓過熱器-1是將飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽，高壓過熱器-2是將過熱蒸汽加熱成更高溫過熱蒸汽。總括而言，熱回收鍋爐的加熱過程是：

低溫水→高溫水→飽和蒸汽→過熱蒸汽。管內的水或蒸汽是經過很嚴格的水處理，其硅土（SiO2）含量需小于40ppb，因此管內壁較不易結垢。管外流體為熱燃氣，由于沒有吹灰設備，管外積垢在運轉中無法立即清理，長期運轉后，爐管積垢將影響熱回收鍋爐性能，必須定期以干冰吹除管壁上的積垢。因此需建立評估方法，以做為平時及大修時鍋爐保養之依據。本軟件除可執行熱回收鍋爐性能評估及尺寸設計外，亦可執行管壁清潔度計算，讓維修人員判斷何時必須進行清管作業，以及評估清管作業之后的效果。

三、冷凝器

在火力及核能電廠中，冷凝器是一個很重要的熱交換器，其主要功能是將低壓汽機做功后的蒸汽（干度約為0.91～0.98）凝結為水，再由冷凝水泵將凝結水打回鍋爐系統加熱循環。因此冷凝器必須能夠將蒸汽完全凝結成水，但凝結水亦不宜過度冷卻以免降低機組效率。冷凝器在電廠熱能散失比例約占49%，如表1。

表1：汽力發電廠熱能之利用及散失比例

項目

消耗熱（kcal/kwh）

百分比（﹪）

1冷凝器損失

1159

49.4

2煙囪出口燃氣

122

5.2

3廠內用電

106

4.5

4燃料殘余熱量

16

0.7

5其余（機組各部份輻射、蒸汽泄放、沖放水、摩擦損失）

82

3.5

6理想熱耗率

860

36.7

合計

2345

100

由表1可知，500MW的機組，滿載運轉時其冷凝器一天必須排放出1.4×1010kcal的熱能，因此目前火力電廠均需吸取大量的水作為冷凝器的冷卻水。冷凝器管內的工作流體是水，管外側為飽和蒸汽。水常使冷凝器管因腐蝕而穿孔破管，此時必須盡快將該支破管隔離，以防止水流入冷凝水側進入鍋爐，避免爐管亦受氯浸蝕破管甚至整個鍋爐因而報廢。因此冷凝器之運轉管數在運轉時是會逐漸減少的。再者，當管子數目降至某個數量時，必須利用大修時將破漏的管子抽出，更換新的管子（有時亦會考慮更換管材），否則冷凝器將因容量不足，造成汽輪機背壓太高，汽輪機效率因而大幅下降，甚至造成機組無法滿載發電。本軟件可執冷凝器的性能評估，讓值班人員充分掌握冷凝器運轉狀況，及讓維修人員對何時換管做正確的決定。

四、總結

電廠冷凝器建造完成后，其空間大小及端板孔徑均已固定，所以管外徑、管長均無法再改變。因此冷凝器的維修換管只能更改材質、管厚（B.W.GBirminghamWireGauge）、管數。本軟件可執行冷凝器的尺寸設計，在固定管外徑及管長之下，對于不同之管材，執行管內徑及管數之設計。

冷凝器之運轉壓力即為汽機排汽壓力。汽機排汽壓力高表示汽機的背壓高，將使汽機出力降低。影響冷凝器運轉壓力的因素很多，如機組負載、水進口溫度、循環水泵運轉臺數等。通過對可執行冷凝器運轉壓力的計算，讓值班人員模擬各種情況，使機組運轉在最佳狀況。

（作者單位：塔西南電力工程部輪南項目部）