บทนำ

ภาพรวมของข้อบังคับเกี่ยวกับหม้อไอน้ำ พร้อมการประเมินประเภทเชื้อเพลิงและการเปรียบเทียบ

บล็อกหม้อไอน้ำของ The Steam and Condensate Loop นี้จะเน้นการออกแบบและเนื้อหาของห้องหม้อไอน้ำ และการใช้งานภายใน ห้องหม้อไอน้ำที่ออกแบบ บำรุงรักษา และดูแลอย่างดีคือหัวใจของระบบไอน้ำที่มีประสิทธิภาพ

อย่างไรก็ตาม มีอุปสรรคหลายประการที่อาจขัดขวางอุดมคตินี้ ห้องหม้อไอน้ำและเนื้อหาภายในบางครั้งถูกมองว่าเป็นเพียงสิ่งจำเป็นที่ไม่สะดวก และแม้ในสภาพแวดล้อมที่ตระหนักถึงพลังงานในปัจจุบัน การวัดอัตราการไหลของไอน้ำอย่างแม่นยำและการจัดสรรต้นทุนให้แก่ผู้ใช้ต่างๆ อย่างถูกต้องก็ไม่ได้ทำกันทั่วไป ซึ่งอาจหมายความว่าการปรับปรุงประสิทธิภาพและโครงการประหยัดต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับห้องหม้อไอน้ำอาจเป็นเรื่องยากที่จะอธิบายให้ผู้ใช้ปลายทางเข้าใจ ในหลายกรณี ห้องหม้อไอน้ำและความพร้อมใช้งานของไอน้ำเป็นความรับผิดชอบของผู้จัดการวิศวกรรม ดังนั้นปัญหาด้านประสิทธิภาพใดๆ จะถูกมองว่าเป็นปัญหาของเขา สิ่งสำคัญที่ต้องจำคือ หม้อไอน้ำเป็นภาชนะความดันที่บรรจุน้ำร้อนจัดและไอน้ำที่อุณหภูมิมากกว่า 100°C และการออกแบบและการดำเนินงานอยู่ภายใต้มาตรฐานและข้อบังคับที่ซับซ้อนหลายประการ

ด้วยเหตุผลที่ระบุไว้ข้างต้น ผู้ใช้จะต้องยืนยันกฎหมายระดับชาติ ระดับท้องถิ่น และกฎหมายปัจจุบัน

วัตถุประสงค์ของโมดูลนี้คือการให้ข้อมูลเชิงลึกแก่ผู้ออกแบบ ผู้ดูแล และผู้บำรุงรักษาห้องหม้อไอน้ำเกี่ยวกับข้อพิจารณาที่จำเป็นในการพัฒนาหม้อไอน้ำและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง หม้อไอน้ำสมัยใหม่มีทุกขนาดเพื่อให้เหมาะกับการใช้งานทั้งขนาดใหญ่และขนาดเล็ก โดยทั่วไป เมื่อจำเป็นต้องใช้หม้อไอน้ำมากกว่าหนึ่งตัวเพื่อตอบสนองความต้องการ จะเป็นเศรษฐกิจที่ดีกว่าที่จะจัดวางหม้อไอน้ำในสถานที่ส่วนกลาง เนื่องจากต้นทุนการติดตั้งและดำเนินงานอาจต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับระบบที่กระจาย ตัวอย่างเช่น การรวมศูนย์มีข้อดีเหนือกว่าการใช้หม้อไอน้ำขนาดเล็กกระจาย:

• ทางเลือกเชื้อเพลิงและอัตราค่าไฟฟ้ามากขึ้น
• หม้อไอน้ำที่เหมือนกันมักถูกใช้ในห้องหม้อไอน้ำส่วนกลาง ช่วยลดอะไหล่ สินค้าคงคลัง และต้นทุน
• การกู้คืนความร้อนทำได้ง่ายเพื่อผลตอบแทนที่ดีที่สุด
• การลดการดูแลด้วยแรงงานคนปล่อยแรงงานไปทำงานอื่นในสถานที่
• การเลือกขนาดหม้อไอน้ำที่เหมาะสมทางเศรษฐกิจเพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลาย
• การปล่อยมลพิษจากท่อระบายควันถูกตรวจสอบและควบคุมได้ง่ายขึ้น
• ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและประสิทธิภาพถูกตรวจสอบและควบคุมได้ง่ายขึ้น

เชื้อเพลิงสำหรับหม้อไอน้ำ

สามประเภทเชื้อเพลิงที่พบมากที่สุดที่ใช้ในหม้อไอน้ำ คือ ถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซ อย่างไรก็ตาม ของเสียจากอุตสาหกรรมหรือพาณิชยกรรมก็ใช้ในหม้อไอน้ำบางประเภทด้วย รวมถึงไฟฟ้าสำหรับหม้อไอน้ำแบบขั้วไฟฟ้า ถ่านหิน ถ่านหินเป็นคำทั่วไปที่ใช้เรียกกลุ่มเชื้อเพลิงแข็งที่มีคาร์บอนสูง มีถ่านหินหลายประเภทในกลุ่มนี้ แต่ละประเภทสัมพันธ์กับขั้นตอนการก่อตัวของถ่านหินและปริมาณคาร์บอน ขั้นตอนเหล่านี้คือ:

• พีท
• ลิกไนต์หรือถ่านหินสีน้ำตาล
• บิทูมินัส
• กึ่งบิทูมินัส
• แอนทราไซต์ ถ่านหินประเภทบิทูมินัสและแอนทราไซต์มักถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงหม้อไอน้ำ ในสหราชอาณาจักร การใช้ก้อนถ่านหินเผาหม้อไอน้ำเปลือกกำลังลดลง มีหลายเหตุผลรวมถึง: ความพร้อมใช้งานและราคา - เมื่อแหล่งถ่านหินหลายแห่งใกล้หมด ปริมาณถ่านหินที่ผลิตในสหราชอาณาจักรน้อยกว่าเดิม และแนวโน้มการลดลงต้องคาดว่าจะดำเนินต่อไป ความเร็วในการตอบสนองต่อภาระที่เปลี่ยนแปลง - ด้วยก้อนถ่านหิน มีความล่ามีนัยสำคัญระหว่าง:
• ความต้องการความร้อนเกิดขึ้น
• การป้อนถ่านหินเข้าหม้อไอน้ำ
• การจุดไฟถ่านหิน
• การผลิตไอน้ำเพื่อตอบสนองความต้องการ เพื่อเอาชนะความล่าช้านี้ หม้อไอน้ำที่ออกแบบมาสำหรับการเผาถ่านหินจำเป็นต้องเก็บน้ำที่อุณหภูมิอิ่มตัวมากขึ้นเพื่อสำรองพลังงาน ซึ่งหมายความว่าหม้อไอน้ำมีขนาดใหญ่ขึ้น จึงมีราคาแพงกว่า และใช้พื้นที่ผลิตสินค้าที่มีค่ามากขึ้น เถ้า - เถ้าเกิดขึ้นเมื่อถ่านหินถูกเผา เถ้าอาจกำจัดได้ยาก โดยทั่วไปต้องใช้แรงงานคน และลดปริมาณไอน้ำที่พร้อมใช้ในขณะที่มีการกำจัดเถ้า จากนั้นเถ้าจะต้องถูกทิ้ง ซึ่งอาจมีค่าใช้จ่ายสูง อุปกรณ์ป้อนเชื้อเพลิง - มีอุปกรณ์หลายแบบ เช่น stoker แบบ stepper แบบ sprinkler และแบบ chain-grate สิ่งที่เหมือนกันคือทั้งหมดต้องการการบำรุงรักษาอย่างมาก การปล่อยมลพิษ - ถ่านหินมีกำมะถัน (S) โดยเฉลี่ย 1.5% ตามน้ำหนัก แต่ระดับนี้อาจสูงถึง 3% ขึ้นอยู่กับแหล่งขุด ในระหว่างกระบวนการเผาไหม้:
• กำมะถันจะรวมกับออกซิเจน (O2) จากอากาศเพื่อสร้าง SO2 หรือ SO3
• ไฮโดรเจน (H) จากเชื้อเพลิงจะรวมกับออกซิเจน (O2) จากอากาศเพื่อสร้างน้ำ (H2O) หลังกระบวนการเผาไหม้เสร็จสิ้น SO3 จะรวมกับน้ำ (H2O) เพื่อผลิตกรดกำมะถัน (H2SO4) ซึ่งอาจควบแน่นในท่อระบายควันก่อให้เกิดการกัดกร่อน หากอุณหภูมิท่อระบายควันไม่ได้รักษาไว้อย่างถูกต้อง หรือจะถูกพัดพาเข้าสู่บรรยากาศพร้อมก๊าซจากท่อระบาย กรดกำมะถันนี้จะถูกนำกลับลงสู่พื้นดินด้วยฝน ก่อให้เกิด:
• ความเสียหายต่อโครงสร้างอาคาร
• ความเสียหายต่อพืชและพืชพรรณ เถ้าที่ผลิตจากถ่านหินมีน้ำหนักเบา และส่วนหนึ่งจะถูกพัดพาไปพร้อมก๊าซไอเสียเข้าปล่องไฟและถูกปล่อยออกเป็นอนุภาคสู่สิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม ถ่านหินยังคงถูกใช้เผาหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำขนาดใหญ่มากที่พบในโรงไฟฟ้า เนื่องจากขนาดใหญ่ของการดำเนินงานเหล่านี้ จึงเป็นเศรษฐกิจที่จะพัฒนาวิธีแก้ปัญหาที่กล่าวมาข้างต้น และอาจมีแรงกดดันจากรัฐบาลให้ใช้เชื้อเพลิงที่ผลิตในประเทศเพื่อความมั่นคงด้านไฟฟ้า
• ถ่านหินที่ใช้ในโรงไฟฟ้าถูกบดให้เป็นผงละเอียด มักเรียกว่า ‘pulverised fuel’ และมักย่อเป็น ‘pf’
• อนุภาคขนาดเล็กของ pf หมายความว่าอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรเพิ่มขึ้นอย่างมาก ทำให้การเผาไหม้เร็วมาก และเอาชนะปัญหาอัตราการตอบสนองที่พบเมื่อใช้ก้อนถ่านหิน
• อนุภาคขนาดเล็กยังหมายความว่า pf ไหลง่ายมาก เกือบเหมือนของเหลว และถูกป้อนเข้าเตาเผาของหม้อไอน้ำผ่านหัวเผา ขจัด stoker ที่ใช้กับก้อนถ่านหิน
• เพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นและช่วงเปลี่ยนแปลงของหม้อไอน้ำ อาจมีหัวเผา pf มากกว่า 30 ตัวรอบผนังและหลังคาหม้อไอน้ำ แต่ละตัวสามารถควบคุมแยกกันเพื่อเพิ่มหรือลดความร้อนในบางส่วนของเตาเผา ตัวอย่างเช่น เพื่อควบคุมอุณหภูมิของไอน้ำที่ออกจาก superheater เกี่ยวกับคุณภาพของก๊าซที่ปล่อยสู่บรรยากาศ:
• ก๊าซจากหม้อไอน้ำจะถูกส่งผ่านเครื่องดักฝุ่นไฟฟ้าสถิต ที่แผ่นไฟฟ้าดึงดูดเถ้าและอนุภาคอื่นๆ ออกจากกระแสก๊าซ
• สารที่มีกำมะถันจะถูกกำจัดในเครื่องล้างก๊าซ
• การปล่อยมลพิษสู่สิ่งแวดล้อมขั้นสุดท้ายมีคุณภาพสูง สามารถผลิตไอน้ำได้ประมาณ 8 กก. จากการเผาถ่านหิน 1 กก. น้ำมัน น้ำมันสำหรับเชื้อเพลิงหม้อไอน้ำผลิตจากสารตกค้างที่ได้จากปิโตรเลียมดิบหลังจากถูกกลั่นเพื่อผลิตน้ำมันเบากว่า เช่น น้ำมันเบนซิน พาราฟิน เครอซีน ดีเซล หรือแก๊ซอย มีหลายเกรด แต่ละเกรดเหมาะสำหรับหม้อไอน้ำที่มีกำลังต่างกัน; เกรดมีดังนี้:
• Class D - ดีเซลหรือแก๊ซอย
• Class E - น้ำมันเชื้อเพลิงเบา
• Class F - น้ำมันเชื้อเพลิงปานกลาง
• Class G - น้ำมันเชื้อเพลิงหนัก น้ำมันเริ่มท้าทายถ่านหินในฐานะเชื้อเพลิงหม้อไอน้ำที่นิยมในสหราชอาณาจักรในช่วงทศวรรษ 1950 ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการสนับสนุนการวิจัยของกระทรวงเชื้อเพลิงและพลังงานในขณะนั้น ข้อดีของน้ำมันเหนือถ่านหิน ได้แก่:
• เวลาตอบสนองสั้นกว่าระหว่างความต้องการและปริมาณไอน้ำที่ต้องการ
• ซึ่งหมายความว่าพลังงานที่ต้องเก็บไว้ในน้ำหม้อไอน้ำน้อยลง หม้อไอน้ำจึงเล็กลง การแผ่รังสีความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมน้อยลง พร้อมการปรับปรุงประสิทธิภาพ
• ขนาดเล็กลงยังหมายความว่าหม้อไอน้ำใช้พื้นที่ผลิตน้อยลง
• stoker แบบกลไกถูกขจัดออก ลดภาระงานบำรุงรักษา
• น้ำมันมีเถ้าเพียงเล็กน้อย ขจัดปัญหาการจัดการและกำจัดเถ้าเกือบทั้งหมด
• ปัญหาที่พบกับการรับ การเก็บ และการจัดการถ่านหินถูกขจัดออก สามารถผลิตไอน้ำได้ประมาณ 15 กก. จากน้ำมัน 1 กก. หรือ 14 กก. จากน้ำมัน 1 ลิตร ก๊าซ ก๊าซเป็นรูปแบบเชื้อเพลิงหม้อไอน้ำที่เผาได้ง่าย ใช้อากาศเกินน้อยมาก ก๊าซเชื้อเพลิงมีสองรูปแบบ:
• ก๊าซธรรมชาติ - เป็นก๊าซที่ผลิตขึ้นเองตามธรรมชาติใต้ดิน ใช้ในสภาพธรรมชาติ (ยกเว้นการกำจัดสิ่งเจือปน) และมีสัดส่วนมีเทนสูง
• ก๊าซปิโตรเลียมเหลว (LPG) - เป็นก๊าซที่ผลิตจากการกลั่นปิโตรเลียมและถูกเก็บภายใต้แรงดันในสถานะของเหลวจนกว่าจะใช้ รูปแบบที่พบมากที่สุดของ LPG คือโพรเพนและบิวเทน ในปลายทศวรรษ 1960 ความพร้อมใช้งานของก๊าซธรรมชาติ (เช่น จากทะเลเหนือ) นำไปสู่การพัฒนาหม้อไอน้ำเพิ่มเติม ข้อดีของการเผาก๊าซเหนือการเผาน้ำมัน ได้แก่:
• การจัดเก็บเชื้อเพลิงไม่ใช่ปัญหา; ก๊าซถูกส่งผ่านท่อเข้าห้องหม้อไอน้ำโดยตรง
• ก๊าซธรรมชาติมีกำมะถันเพียงเล็กน้อย หมายความว่าปริมาณกรดกำมะถันในก๊าซจากท่อระบายเกือบเป็นศูนย์ สามารถผลิตไอน้ำได้ประมาณ 42 กก. จากก๊าซ 1 Therm (เทียบเท่า 105.5 MJ) สำหรับหม้อไอน้ำ 10 bar g โดยมีประสิทธิภาพการทำงานรวม 80% ของเสียเป็นเชื้อเพลิงหลัก มีสองด้านสำหรับเรื่องนี้: วัสดุเหลือทิ้ง - ที่นี่ ของเสียถูกเผาเพื่อผลิตความร้อน ซึ่งใช้ผลิตไอน้ำ แรงจูงใจอาจรวมถึงการกำจัดวัตถุอันตรายอย่างปลอดภัยและเหมาะสม โรงพยาบาลเป็นตัวอย่างที่ดี:
• ในสถานการณ์เหล่านี้ อาจเป็นการยากที่จะเผาวัสดุเหลือทิ้งให้สมบูรณ์ ต้องใช้หัวเผาที่ซับซ้อน การควบคุมอัตราอากาศ และการตรวจวัดการปล่อยมลพิษ โดยเฉพาะอนุภาค ค่าใช้จ่ายในการกำจัดนี้อาจสูง และเพียงบางส่วนของค่าใช้จ่ายจะได้รับคืนจากการใช้ความร้อนที่ผลิตได้ อย่างไรก็ตาม เศรษฐกิจโดยรวมของโครงการ โดยคำนึงถึงค่าใช้จ่ายในการกำจัดของเสียด้วยวิธีอื่น อาจน่าสนใจ
• การใช้ของเสียเป็นเชื้อเพลิงอาจเกี่ยวข้องกับการใช้ประโยชน์ทางเศรษฐกิจจากของเสียที่ติดไฟได้จากกระบวนการ ตัวอย่างเช่น เปลือกไม้จากโรงงานกระดาษ ก้านอ้อยในโรงงานน้ำตาล และบางครั้งแม้แต่ขยะจากฟาร์มไก่ กระบวนการเผาไหม้จะค่อนข้างซับซ้อน แต่เศรษฐกิจโดยรวมของต้นทุนการกำจัดของเสียและการผลิตไอน้ำสำหรับการใช้งานอื่นในสถานที่ สามารถทำให้โครงการเหล่านี้น่าสนใจ ความร้อนเหลือทิ้ง - ที่นี่ ก๊าซร้อนจากกระบวนการ เช่น เตาหลอม อาจถูกส่งผ่านหม้อไอน้ำโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ ระบบนี้มีระดับความซับซ้อนต่างกันขึ้นอยู่กับความต้องการไอน้ำภายในระบบ หากไม่มีความต้องการไอน้ำในกระบวนการ ไอน้ำอาจถูกทำให้ร้อนจัดแล้วใช้ผลิตไฟฟ้า เทคโนโลยีนี้กำลังเป็นที่นิยมในโรงผลิตไฟฟ้าและความร้อนร่วม (CHP):
• กังหันก๊าซขับเครื่องปั่นไฟเพื่อผลิตไฟฟ้า
• ก๊าซไอเสียกังหันที่ร้อน (โดยทั่วไป 500 °C) ถูกส่งไปยังหม้อไอน้ำ ซึ่งผลิตไอน้ำอิ่มตัวสำหรับใช้ในระบบ สามารถทำได้ประสิทธิภาพสูงมากด้วยระบบนี้ ประโยชน์อื่นๆ อาจรวมถึงความมั่นคงด้านไฟฟ้าในสถานที่ หรือความสามารถในการขายไฟฟ้าให้ซัพพลายเออร์ไฟฟ้าระดับชาติในราคาพิเศษ

ความมั่นคงในการจัดหา

ผลที่ตามมาหากไม่มีไอน้ำสำหรับระบบคืออะไร? ตัวอย่างเช่น ก๊าซอาจมีให้ในอัตราที่ดี หากยอมรับอุปทานแบบขัดจังหวะได้ ซึ่งหมายความว่าบริษัทก๊าซจะจัดหาเชื้อเพลิงในขณะที่มีส่วนเกิน อย่างไรก็ตาม หากความต้องการเชื้อเพลิงเข้าใกล้ขีดจำกัดของอุปทาน อาจเนื่องจากความผันแปรตามฤดูกาล อุปทานอาจถูกตัด อาจโดยแจ้งล่วงหน้าสั้นมาก เป็นทางเลือก ผู้ใช้หม้อไอน้ำอาจเลือกระบุหัวเผาเชื้อเพลิงคู่ที่อาจเผาก๊าซเมื่อมีให้ในอัตราต่ำ แต่มีความพร้อมที่จะสลับไปเผาน้ำมันเมื่อก๊าซไม่พร้อมใช้งาน ความพร้อมเชื้อเพลิงคู่เป็นตัวเลือกทุนที่แพงกว่าอย่างเห็นได้ชัด และความน่าจะเป็นที่ก๊าซจะไม่พร้อมใช้งานอาจน้อย อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายจากการหยุดทำงานของระบบเนื่องจากไอน้ำไม่พร้อมใช้งานมักสูงกว่าค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมอย่างมีนัยสำคัญ

การจัดเก็บเชื้อเพลิง

นี่ไม่ใช่ปัญหาเมื่อใช้อุปทานก๊าซจากท่อ ยกเว้นในกรณีที่ใช้ระบบเชื้อเพลิงคู่ อย่างไรก็ตาม ยิ่งเป็นปัญหามากขึ้นหากใช้ก๊าซขวด น้ำมันเบา น้ำมันหนัก และเชื้อเพลิงแข็ง ประเด็นรวมถึง:

• จะเก็บเท่าใด และที่ไหน
• จะเก็บวัตถุไวไฟสูงอย่างปลอดภัยอย่างไร
• ค่าใช้จ่ายในการรักษาอุณหภูมิน้ำมันหนักเพื่อให้มีความหนืดที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์
• จะวัดอัตราการใช้เชื้อเพลิงอย่างแม่นยำอย่างไร
• ค่าเผื่อการสูญเสียจากการจัดเก็บ

การออกแบบหม้อไอน้ำ

ผู้ผลิตหม้อไอน้ำต้องทราบประเภทเชื้อเพลิงที่จะใช้เมื่อออกแบบหม้อไอน้ำ เนื่องจากเชื้อเพลิงต่างกันให้อุณหภูมิเปลวเพลิงและลักษณะการเผาไหม้ที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น:

• น้ำมันผลิตเปลวเพลิงที่เรืองแสง และสัดส่วนความร้อนที่ถ่ายโอนโดยการแผ่รังสีภายในเตาเผามีมาก
• ก๊าซผลิตเปลวเพลิงสีน้ำเงินโปร่งใส และสัดส่วนความร้อนที่ถ่ายโอนโดยการแผ่รังสีภายในเตาเผาน้อยกว่า บนหม้อไอน้ำที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับน้ำมัน การเปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นก๊าซอาจส่งผลให้ก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงกว่าเข้าสู่ท่อไฟทางแรก ทำให้เกิดความเครียดทางความร้อนเพิ่มเติม และนำไปสู่ความล้มเหลวของหม้อไอน้ำก่อนเวลา

ประเภทหม้อไอน้ำ

วัตถุประสงค์ของหม้อไอน้ำคือ:

• ปลดปล่อยพลังงานในเชื้อเพลิงให้มีประสิทธิภาพสูงสุด
• ถ่ายโอนพลังงานที่ปล่อยออกมาสู่น้ำ และผลิตไอน้ำให้มีประสิทธิภาพสูงสุด
• แยกไอน้ำออกจากน้ำเพื่อส่งออกไปยังระบบ ที่ซึ่งพลังงานสามารถถ่ายโอนสู่กระบวนการให้มีประสิทธิภาพสูงสุด มีหม้อไอน้ำหลายประเภทที่ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อให้เหมาะกับการใช้งานไอน้ำที่หลากหลาย