การประชุมวิชาการเครือขายวิศวกรรมเครื่องกลแหงประเทศไทยครั้งที่ 2117-19 ตุลาคม 2550 จังหวัดชลบุรี

การวิเคราะหปจจัยทางดานการเผาไหมตอการทํางานหมอไอน้ําเชื้อเพลิงถานหินบดละเอียด

Analysis of Combustion Factors onPulverized Coal-fired Boiler Operation

พิริยะ ทองเชี่ยว และ ทนงเกียรติ เกียรติศิริโรจนภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยเชียงใหม

เชียงใหม 50200โทร 053-94144 โทรสาร 053-944145 อีเมล tanong@dome.eng.cmu.ac.th

Piriya Thongchiew and Tanongkiat KiatsiriroatDepartment of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Chiang Mai University,

Chiang Mai 50200, ThailandTel: 053-944144 , Fax: 053-944145, E-mail: tanong@dome.eng.cmu.ac.th

บทคัดยอ

งานวิจัยนี้ศึกษาหาปจจัยทางดานการเผาไหมที่มีผลตอการทํางาน

หมอไอน้ําโรงไฟฟาแมเมาะซึ่งใชถานหินลิกไนตบดละเอียดเปนเช้ือเพลิง

เนื่องจากคุณสมบัติถานหินที่จะถูกขุดขึ้นมาใชงานในอนาคตมีแนวโนมที่

จะกอใหเกิดปญหาการทํางานของหมอไอน้ํา การดําเนินงานวิจัยทําโดย

การเก็บขอมูลการทํางานของหมอไอน้ําจากระบบฐานขอมูลโรงไฟฟาเพื่อ

คํานวณหาสมรรถนะของหมอไอนํ้าและศึกษาคุณสมบัติทางเคมีของเถา

ถานหิน จากการศึกษาพบวา ปจจัยทางดานการเผาไหมที่มีผลตอ

สมรรถนะของหมอไอน้ํา คือ คาความรอนของถานหิน และ อัตราสวน

ระหวางอากาศกับเช้ือเพลิง สวนอิทธิพลของ อุณหภูมิผงถาน, แรงดัน

ตางระหวางหองลมกับหองเผาไหม, อุณหภูมิอากาศชวยเผาไหม และอัตราสวนระหวาง Primary กับ Secondary Air มีผลกระทบตอสมรรถนะเล็กนอย สวนดัชนีบงบอกพฤติกรรมการสะสมเถาในทาง

ทฤษฎีที่มีความสัมพันธกับอุณหภูมิเร่ิมหลอมตัวของเถา คือ Silica Ratio, Dolomite Ratio, Silica/Alumina Ratio และ Iron/Calcium Ratio ทายสุดเม่ือพิจารณาการสะสมเถาจากระบบ FACOS พบวาดัชนี

ที่ มีความสัมพันธกับสภาวะการสะสมเถาภายในหมอไอนํ้า คือ Dolomite Ratio, Iron/Calcium Ratio และ Silica Ratio ผลจากการวิจัย

ไดนําไปใชในการปรับปรุงวิธีการเดินเครื่องใหสอดคลองกับรูปแบบการ

เผาไหมที่แปรเปลี่ยนไปตามคุณสมบัติถานหินอยูตลอดเวลาโดยมีเปา

หมายใหหมอไอน้ํามีเสถียรภาพและประสิทธิภาพในการทํางานสูงสุด

ตลอดจนเปนแนวทางในการวางแผนแกไขปญหาการสะสมเถาในอนาคต

AbstractThis study was conducted to examine the combustion

factors which affected the operation of pulverized coal-fired boiler of Mae-Moh Power Plant. The study was carried out by collecting boiler operation data from the real-time plant database and analyzing the coal ash properties. It was found that the combustion factors were coal heating value, air/fuel ratio, fuel temperature, windbox/furnace different pressure, auxiliary air temperature and primary/secondary air ratio. Beside, the significant ash indicators affected the decrease of ash melting temperature were silica ratio, dolomite ratio, silica/alumina ratio and iron/calcium ratio. Finally, the indicators of the ash deposition on the waterwalls, dolomite ratio, iron/calcium ratio, silica ratio, silica/alumina ratio and slagging factor, were also considered with FACOS system. The information of these parameters were used to analyze the appropriate operating conditions and the composition of fuel for achieving high boiler reliability and performance.

1. บทนํา

โรงไฟฟาแมเมาะเปนโรงไฟฟาพลังความรอนใชถานหินลิกไนตจาก

บอเหมืองแมเมาะเปนเช้ือเพลิง หมอไอนํ้า(Boiler) เปนแบบ Tangential

Fire Furnace ดังแสดงในรูปที่ 1 ในสภาวะที่โรงไฟฟาจายกระแสเต็มกําลัง (300 MW) จะตองปอนเช้ือเพลิงถานหินเขาหมอไอนํ้าประมาณ 220-300 Ton/h และปอนอากาศเพื่อใชในการสันดาปประมาณ 335-355 kg/s ทั้งน้ีข้ึนอยูกับคุณภาพของถานหิน สามารถผลิตไอนํ้าเพื่อใชในการหมุนชุดกังหันไอนํ้า (Turbine) ที่อุณหภูมิ 540 OC, แรงดัน 160 Bar (g) และอัตราการไหลประมาณ 240 kg/s

รูปที่ 1 หมอไอน้ําโรงไฟฟาแมเมาะหนวยที่ 8-13

ในสภาวะที่หมอไอน้ําไมมีการสะสมเถาบนผนังทอนํ้า(waterwalls)เถาหนัก(Slag)จะรวงลงสูกนเตาอยางสม่ําเสมอโดยอุปกรณทําความสะอาดผนังทอนํ้าที่เรียกวา เครื่องเปาเถา(Soot Blower) ทําใหระบบสามารถควบคุมแรงดันในหองสันดาปไดอยางปกติ ผนังทอนํ้าจะรับความรอนไดอยางเต็มที่ พลังงานความรอนที่เหลือจะมีปริมาณที่พอเหมาะกับชุดทอไอดงทําใหการควบคุมอุณหภูมิของไอนํ้าเปนไปโดยอัตโนมัติ ในสภาวะที่กลาวมานี้เปนสภาวะที่หมอไอนํ้ามีเสถียรภาพและประสิทธิภาพสูงสุด แตในสภาวะที่เกิดการสะสมเถาบนผนังทอนํ้า พบวาจะเกิดการสะสมเถาปริมาณมากและรวงหลนลงสูกนเตาพรอมๆกัน ทําใหแรงดันในหองสันดาปเปลี่ยนแปลงอยางรวดเร็วและรุนแรง ผนังทอนํ้าจะรับปริมาณความรอนลดนอยลงเพราะเถาเปรียบเสมือนฉนวนกันความรอนตัวหน่ึง พลังงานความรอนปริมาณสูงถูกนําพาไปยังชุดทอไอดง การควบคุมอุณหภูมิไอนํ้าจึงเปนไปอยางลําบาก ในสภาวะเชนน้ีสงผลกระทบตอความมั่นคงในการผลิตกระแสไฟฟาของโรงไฟฟาแมเมาะอยางมากเนื่องจากหลายครั้งที่โรงไฟฟาตองหยุดเดินเคร่ืองทันทีเพราะแรงดันในหองสันดาปหมอไอนํ้ามีคาเปลี่ยนแปลงมากเกินกวา

พิกัด รวมถึงการลดกําลังการผลิตลงมาเพื่อควบคุมสภาพหมอไอนํ้าใหสามารถทํางานตอไปไดอยางมีเสถียรภาพ

การสูญเสียกําลังการผลิตเน่ืองจากปญหาการสะสมเถามีแนวโนมเพิ่มข้ึนอยางตอเน่ืองดังแสดงในรูปที่ 2 นอกจากผลกระทบทางดานกําลังการผลิตกระแสไฟฟาแลว ยังมีผลกระทบในแงของพลังงานความรอนที่สูญเสียมากขึ้นเน่ืองจากหมอไอนํ้ามีประสิทธิภาพต่ําลงและมีความเสียหายที่เกิดข้ึนกับอุปกรณภายในหมอไอนํ้าอีกดวย ประกอบกับถานหินบอเหมืองแมเมาะมีความแปรปรวนดานคุณสมบัติและในอนาคตคุณสมบัติของถานหินมีแนวโนมที่จะทําใหปญหาการสะสมเถาในหมอไอนํ้าทวีความรุนแรงมากกวาในปจจุบัน

รูปที่ 2 การสูญเสียกําลังการผลิตเน่ืองจากปญหาการสะสมเถา

ดวยเหตุดังกลาว จึงไดทําการศึกษาระบบการเผาไหมของหมอไอนํ้าในสภาวะการจายกําลังผลิต 80 – 100 % โดยเปนการวิจัยเชิงทดลองเพื่อเก็บขอมูลปจจัยการเผาไหมตางๆ และนํามาหาความสัมพันธทางสถิติกับการทํางานของหมอไอนํ้า ดัชนีที่ใชบงชี้การทํางานของหมอไอนํ้า คือ คาสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนผานผนงัทอนํ้า(Waterwalls Heat Flux), สมรรถนะการถายเทความรอนของชุดทอภายในหมอไอนํ้า, สัดสวนการถายเทความรอนในหมอไอนํ้า และสมรรถนะของหมอไอนํ้า ปจจัยทางดานการเผาไหมที่มีผลกระทบตอการทํางานหมอไอนํ้าที่นํามาพิจารณา คือ อัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิง, อัตราสวนระหวาง Primary กับ Secondary Air, อุณหภูมิผงถาน, อุณหภูมิอากาศชวยเผาไหม, แรงดันตางระหวางหองลมกับหองเผาไหม, คุณสมบัติของถานหิน และ คุณสมบัติของเถาถานหิน ผลสรุปจากงานวิจัยจะนําไปเปนแนวทางการปรับปรุงวิธีการเดินเคร่ืองใหสอดคลองกับรูปแบบการเผาไหมที่ปรับเปลี่ยนไปตามคุณสมบัติถานหินและหาแนวทางในการวางแผนแกไขปญหาการสะสมเถาในอนาคต

2. ทฤษฎีท่ีใชในงานวิจัย2.1 การถายเทความรอน

ความรอนที่ไดจากการเผาไหมถานหินในหมอกําเนิดไอนํ้าจะถายเทผานผนังทอนํ้าและทอไอนํ้าไปสูของไหลภายในทอ ในการออกแบบและการวางทอในหมอไอนํ้านั้น จะพิจารณาถึงคาความตานทานความรอนตลอดทางที่ความรอนไหลผาน เชน gas films, water/steam films, ความหนา, ชนิดโลหะของทอ และ ความสกปรกที่อยูบนผิวทอดวย สม

การการถายเทความรอนผานฉนวนตางๆและผนังทอไปยังสารรับความรอนคือ

( )Q UA LMTD= (1)

2.2 คุณสมบัติของเถาถานหิน [2], [4]ถานหินประกอบไปดวยแรธาตุหลากหลายชนิด เม่ือถานหินถูก

เผาไหมจนเสร็จส้ินสมบูรณแลวส่ิงที่หลงเหลือก็คือแรธาตุเหลานี้หรือที่เราเรียกกันวาเถา เถาที่สะสมบนผนังทอ(Fused Slag) คือ เถาในเปลวไฟที่หลอมละลายปลิวไปกระทบสวนที่เย็นกวาแลวคายความรอนและเย็นตัวเปนของแข็ง มักเกิดข้ึนในบริเวณพื้นผิวที่มีการสัมผัสความรอนแบบแผรังสี(Radiation) หรือบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง เชน ผนังทอบริเวณใกลกับ fireball เม่ือเถารับความรอนเปนระยะเวลานาน ๆ ก็จะหลอมตัวอีกครั้ง(refused) เปนวัฏจักร ดังแสดงในรูปที่ 3 เถาที่เยิ้มเหลวจะทําหนาที่คลายกาวจับเอาอนุภาคอื่นๆที่ลอยมากระทบพื้นผิวแลวเกาะพอกไว ในสภาวะการเดินเคร่ืองปกติเถาที่เกิดข้ึนในบริเวณน้ีจะถูกกําจัดออกไปโดย Soot Blower ที่ติดตั้งอยูรอบผนังทอนํ้าและการหลุดรวงดวยนํ้าหนักตัวเอง แตในสภาวะที่เกิดการสะสมเถาพบวาอัตราการสะสมเถาจะเกิดข้ึนอยางรวดเร็วและเกาะติดแนนเปนบริเวณกวาง เม่ือมีการหลุดรวงลงมาจึงมีปริมาณมากเกินกวาที่ระบบตางๆจะรองรับได

รูปที่ 3 กระบวนการสะสมเถาบนผนังทอ

แรธาตุตางๆที่ปรากฏอยูในถานหินไมสามารถทําการคัดแยกออกมาเพื่อระบุสัดสวนหรือปริมาณที่มีอยูดวยวิธีการทางกายภาพได ดังน้ันวิธีการที่ใชคือ การวิเคราะห % Oxide ของแรธาตุตางๆในเถาในหองปฏิบัติการ ผลจากการวิเคราะหคุณสมบัติเถาจะไมสามารถบงบอกลักษณะการกระจายตัวของแรธาตุตางๆไดแตผลจากการวิเคราะหจะนําไปใชประโยชนในการจัดการคุณภาพถานหิน องคประกอบเกือบ 95% ของข้ีเถาถานหินจะประกอบไปดวย Oxide ของ Silicon, Aluminum, Iron, Calcium, Sulfur และ Magnesium สวนประกอบที่เหลือคือ Oxide ของ Sodium, Phosphorus, Titanium, Manganese และ Potassium เถาที่เตรียมในหองปฏิบัติการจะแตกตางจากเถาที่ไดจากการเผาไหมในหมอไอนํ้าแตก็พอที่จะสามารถนํามาใชประเมินพฤติกรรมของเถาในหมอไอนํ้าได มีดัชนีหลายตัวที่ไดนํามาใชบงบอกพฤติกรรมทางกายภาพของเถาถานหิน ดัชนีเหลานี้จะสามารถชวยเร่ืองการ

จัดการคุณภาพถานหินใหเปนระบบทําใหสามารถชวยทํานายพฤติกรรมของถานหินเม่ือเผาไหมในหมอไอนํ้า ยกตัวอยางเชน

Ash Fusibility Temperature คือ อุณหภูมิ ณ จุดที่เถาในถานหินเร่ิมเปลี่ยนสภาพจากของแข็งไปเปนของเหลว เน่ืองจากพฤติกรรมที่สําคัญของการสะสมเถาบนผนังทอนํ้าในหมอไอนํ้า คือ การหลอมละลายของเถา ดังน้ันความสามารถในการหลอมเหลวของขี้เถาจึงเปนดัชนีหน่ึงที่ใชในการตรวจวัดคุณภาพของถานหินในแงของการสะสมเถา ปกติเถาที่มีจุดหลอมเหลวต่ํามักจะเกิดการสะสมไดงายกวาเถาที่มีจุดหลอมเหลวสูงวิธีการวัดจะทําไดโดยการสังเกตดูอุณหภูมิ ณ ตําแหนงที่ทําใหตัวอยางข้ีเถารูปทรงประมิดหรือทรงกรวยเกิดการเปลี่ยนรูปรางภายใตสภาวะที่มีการควบคุมอัตราการเพิ่มความรอนทั้งในสภาวะ Reducing หรือ Oxidizing Atmosphere Ash Fusion Temperature สามารถแบงออกไดเปน 4 ระดับ คือ Initial Deformation Temperature(IT or ID), Softening Temperature(ST), Hemispherical Temperature(HT) และ Fluid Temperature(FT) ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 รูปทรงตัวอยางเถา ณ ระดับอุณหภูมิตางๆ[2]

Slagging Factor(RS) คือ อัตราสวนระหวาง Total Base Oxide/Total Acid Oxide คูณกับปริมาณซัลเฟอรในถานหิน เน่ืองจากแรธาตุในถานหินจะรวมตัวกันตามคุณสมบัติ Acidic หรือ Basic ดังน้ัน Base/Acid Ratio จะสะทอนใหเห็นถึงแนวโนมของโลหะที่มีอยูในเถาในระหวางการเผาไหมซ่ึงทําใหเกิดเกลือที่มีจุดหลอมเหลวต่ําสูตรที่ใชในการคํานวณ คือ

2 3 2 2

2 2 3 2

%SFe O CaO MgO Na O K OR Sulfur

SiO Al O TiO⎛ ⎞+ + + +

= ×⎜ ⎟+ +⎝ ⎠

(2)

Silica Ratio คือ Weight fraction ของ SiO2 ในเถา Silica Ratio ที่มีคาอยูในชวงระหวาง 0.35 – 0.90 มีความสัมพันธกับ Viscosity ของ Slag ถา Silica Ratio เพิ่มข้ึน Slag Viscosity ก็จะเพิ่มข้ึนดวย สูตรที่ใชในการคํานวณ คือ

2

2 2 3

( )

SiOSilica RatioSiO Fe O CaO MgO

=+ + +

(3)

Silica/Alumina Ratio จะมีชวงอยูระหวาง 0.8 – 4.0 ดัชนีน้ีจะเปนตัวเสริมขอมูลทางดานจุดหลอมเหลวของขี้เถา ถึงแมวาออกไซดของแรธาตุทั้ง 2 ชนิดจะเปน Acidic ที่มีจุดหลอมเหลวสูงแต Silica จะ

เปลี่ยนสภาพเปน Silicate ซ่ึงมีจุดหลอมเหลวต่ํากวา Alumina สูตรที่ใชในการคํานวณ คือ

2

2 3

SiOSilica RatioAlumina Al O= (4)

Dolomite Ratio ตัวแปรน้ีจะมีความสอดคลองกับคาความหนืดของ Slag ที่เกิดข้ึนมีคาไดตั้งแต 0.4 – 0.98 หากมีคาสูงแสดงวาข้ีเถาจะมีจุดหลอมเหลวสูงและให Slag ที่มีความหนืดมาก สูตรที่ใชในการคํานวณ คือ

2 3 2 2

CaO MgODolomite RatioFe O CaO MgO Na O K O

+=

+ + + +(5)

Iron/Calcium Ratio ในทางทฤษฎีพบวาเถาที่มี Iron/Calcium ratio ระหวาง 0.2 - 10 คา Fusibility Temperature จะลดลง โดยเฉพาะในชวง 0.3 – 3 จะปรากฏอยางเดนชัด สูตรที่ใชในการคํานวณคือ

2 3Fe OIron RatioCalcium CaO= (6)

3. วิธีการวิจัยในการดําเนินการวิจัยครั้งน้ีไดทําการเก็บขอมูลปจจัยเผาไหมและ

ขอมูลการทํางานของหมอไอนํ้ารายนาที โดยอาศัยอุปกรณของตัวโรงไฟฟาซึ่งเชื่อมตอกับระบบเครือขายขอมูลโรงไฟฟาและถูกบันทึกไวใน Plant Data Base Server สวนขอมูลคุณสมบัติถานหินและเถาถานหินนํามาจากผลการวิเคราะหรายวันจากหองปฏิบัติการเคมีของโรงไฟฟา เม่ือเก็บขอมูลแลวจะนํามาวิเคราะหดังตอไปน้ี3.1 การคํานวณสมรรถนะการถายเทความรอนภายในหมอไอน้ํา

การคํานวณสมรรถนะการถายเทความรอนจะแบงออกเปน 4 สวนคือ Waterwalls, Superheter, Reheater และ Economizer ซ่ึงในแตละสวนจะมีวิธีการคํานวณดังตอไปน้ี3.1.1 Waterwalls

สมรรถนะการถายเทความรอนของ Waterwalls จะวิเคราะหจากระบบ Furnace Analyzing Cleaning Optimization (FACOS) ดังแสดงในรูปที่ 5 ซ่ึงเปนระบบตรวจวัดการสะสมเถาบนผนังทอนํ้าซึ่งอานคาจาก Heat Flux Sensor ที่ติดตั้งอยูรอบผนังทอจํานวน 28 ตัว แลวนําคา Heat Flux มาเปรียบเทียบกับคาการออกแบบของหมอไอนํ้า ผลการคํานวณที่ไดคือ คา Surface Utilization Area ซ่ึงจะทําใหทราบสมรรถนะการถายเทความรอนของ Waterwalls วามีมากนอยเพียงใด

รูปที่ 5 FACOS Systemคา Surface Utilization Area จะคํานวณไดจากสมการดังตอไปน้ี

100132.4

Average Heat FluxSurfaceUtilization Area = × (7)

เม่ือ

Average Heat Flux = คาเฉลี่ย Heat Flux 28 Sensors kW/m2

132.4 = คา Waterwalls Heat Flux ตามการออกแบบหมอไอนํ้าโรงไฟฟาแมเมาะหนวยที่ 10

kW/m2

3.1.2 Economizer, Superheater และ Reheater [1] สามารถคํานวณสมรรถนะการถายเทความรอนไดจากสมการดังตอไปน้ี

จากสมการที่ 1 จะไดวา

QHeat FluxA

= (8)

Q Heat FluxUA LMTD LMTD

= =×

(9)

1t

LMTDRUA Q

= = (10)

Greatest Difference - Least DifferenceLMTD =Greatest Differenceln

Least Difference⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

(11)

เม่ือ

Q = พลังงานความรอนที่ของไหลไดรับ kW

U = สัมประสิทธิ์การถายเทความรอน kW/m2.OC

A = พื้นที่ผิวแลกเปลี่ยนความรอน m2

Rt= คาความตานทานของเถา OC/kW

LMTD = ผลตางอุณหภูมิเฉลี่ยแบบ Logarithmic OC

โดยที่อุปกรณแตละตัวจะมีวิธีการคํานวณ LMTD แตกตางกันไปตามทิศทางการไหลและคุณสมบัติของสารใหและรับความรอน ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 รูปแบบการแลกเปลี่ยนความรอนในแตละอุปกรณ

3.2 การคํานวณสัดสวนในการถายเทความรอนพลังงานความรอนที่ของไหล(นํ้า,ไอนํ้า) ไดรับจากการสันดาป จะ

เทากับผลรวมของ พลังงานความรอนที่นํ้าในผนังทอไดรับ, พลังงานความรอนที่ไอนํ้าใน SH Coils ไดรับ, พลังงานความรอนที่ไอนํ้าใน RH Coils ไดรับ และ พลังงานความรอนที่นํ้าใน Economizer ไดรับดังแสดงในรูปที่ 7 พลังงานที่ Boiler จายออกมาเทากับพลังพลังงานความรอนทั้งหมดที่นํ้าและไอน้ําไดรับ คํานวณไดจาก

n Waterwalls Economizer SH Coils RH CoilsQ Q Q Q QΣ = + + + (12)

สามารถคํานวณสัดสวนการถายเทในแตละอุปกรณไดจาก

% 100Waterwalls

n

QWaterwalls Heat AbsorptionQ

= ×Σ

(13)

% 100Economizer

n

QEconomizer Heat AbsorptionQ

= ×Σ

(14)

% 100SHL

n

QSH Coils Heat AbsorptionQ

= ×Σ

(15)

% 100RH

n

QRH Coils Heat AbsorptionQ

= ×Σ

(16)

รูปที่ 7 การถายเทความรอนภายในหมอไอนํ้า

3.3 การคํานวณประสิทธิภาพของหมอไอน้ํา [3]ในการคํานวณคาประสิทธิภาพจะทําโดยวิธีการแบบ Input-Output

Method สมการที่ใชคือ( )( )

100OE

IE

Boiler Output Energy BBoiler Efficiency x

Boiler Input Energy B= (17)

โดยที่

- -

-

( - ) ( - )

( - )OE s MS FW in RH RH Cold RH

RH Spray RH RH Spray

B m h h m h h

m h h

• •

•

= + + (18)

( ) 81IE Coal CoalB m x HHV•= + (19)

เม่ือ

m•s = อัตราการไหลของMain Steam kg/s

m•RH = อัตราการไหลของReheat Steam kg/s

m•RH-Spray = อัตราการไหลของReheat Spray kg/s

m•Coal = อัตราการปอนถานหิน kg/s

hMS = เอลทาลปของ Main Steam kJ/kg

hFW-in = เอลทาลปของนํ้าปอนเขา Boiler kJ/kg

hRH = เอลทาลปของ Hot Reheat Steam kJ/kg

HCold-RH = เอลทาลปของ Cold Reheat Steam kJ/kg

hRH-Spray = เอลทาลปของ Reheat Spray kJ/kg

HHVCoal= คาความรอนของถานหิน kJ/kg

81= พลังงานสวนอื่นที่ตองเพิ่มใหกับ Boiler kJ/kg

3.4 การศึกษาคุณสมบัติทางเคมีของถานหินและเถาถานหินที่สงใหกับโรงไฟฟาจะถูกลําเลียงผานมาตามสายพาน ซ่ึง

จะติดตั้งเครื่องเก็บตัวอยางถานหินไวเพื่อนําเอาตัวอยางถานหินมาวิเคราะหคุณสมบัติตางๆ ในหองปฏิบัติการเคมีของโรงไฟฟา ผลการวิเคราะหจะรายงานผลรายวันผานระบบฐานขอมูลโรงไฟฟาซึ่งไดแก3.4.1 การวิเคราะหถานหินแบบ Proximate Analysis

ประกอบดวยการหา คาความชื้น(Moistue), ปริมาณเถา (Ash), สารวาบไฟ (Volatile Matter), ปริมาณคารบอน (Fixed Carbon), ปริมาณซัลเฟอร (Sulfur) และ คาความรอนของถานหิน (Heating Value)3.4.2 การวิเคราะหเถาถานหิน

การวิเคราะหเถาถานหินจะทําโดยการนําเอาเถาที่หลงเหลือจากการวิเคราะหคาความรอนตัวอยางถานหินมาวิเคราะหหาปริมาณแรธาตุตางๆซึ่งประกอบดวย Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, SO3, K2O, CaO, TiO2, MnO2 และ Fe2O3 หลังจากวิเคราะหปริมาณแรธาตุแลวจะนําเอาเถาไปผสมน้ําเพื่อปนข้ึนเปนรูปทรงมาตรฐานและนําเขาไปเผาในเตาเผาไฟฟาเพื่อหาคา Ash Fusibility Temperature ขอมูลดานคุณสมบัติเถาจะนําไปวิเคราะหดัชนีตางๆในทางทฤษฎีเพื่อหาความสัมพันธกับขอมูลการสะสมเถาของโรงไฟฟา ดัชนีเหลานั้นไดแก Slagging Factor, Silica Ratio, Dolomite Percentage, Silica/Alumina Ratio และ Iron/Calcium Ratio เปนตน

4. ผลการวิจัย4.1 สมรรถนะการถายเทความรอนภายในหมอไอน้ํา

รูปแบบการเปลี่ยนแปลงคา Heat Flux บนผนังทอนํ้าภายในหมอไอนํ้าหนวยที่ 10 ที่ใชถานหินลิกไนตจากบอเหมืองแมเมาะเปนเชื้อเพลิง มีแนวโนมเปนรูปแบบ Exponential (y=Ae-Bx) ดังแสดงในรูปภาพที่ 8

รูปที่ 8 รูปแบบการสะสมเถาบน Waterwalls

เม่ือวิเคราะหในแตละระดับความสูงของหมอไอนํ้าพบวาอัตราการสะสมเถาจะมีคาแตกตางกันออกไป โดยที่ระดับความสูง 23-27 เมตร ซ่ึงเปนระดับเดียวกับ Fireball จะมีอัตราการสะสมเถาอยางรวดเร็วและพบวาเถามักจะเกาะติดแนนไมหลุดรวงจากผนังทอ ในขณะที่ผนังทอบริเวณอ่ืนเถาจะมีการหลุดรวงเปนจังหวะอยูตลอดเวลาสงผลใหบริเวณ Waterwalls สามารถรับพลังงานความรอนไดประมาณ 65-70% ของความสามารถสูงสุด สวนบริเวณ Economizer, Superheater and Reheater พบวามีการสะสมเถาในบริเวณน้ีไมมาก การรับพลังงานความรอนเปนไปอยางปกติ สวนหมอไอนํ้ามีสัดสวนการถายเทความรอนผานอุปกรณตางๆ ดังน้ี Waterwalls 40-50 %, 1ST Superheater14-17 %, 2nd Superheater 1-3 %, Reheater 13-16 %, Final Superheater 11-15 % และ Economizer 9-12 % จากผลการวิจัยพบวาเม่ือมีการสะสมเถาเกิดข้ึนผนังทอนํ้าจะมีสัดสวนการรับความรอนลดลง พลังงานความรอนสวนที่เหลือจะถูกสงถายตอไปยังชุดทอไอนํ้าซึ่งเปนสาเหตุที่ใหการควบคุมอุณหภูมิไอนํ้าในสภาวะที่มีการสะสมเถาบนผนังทอนํ้าทําไดยากกวาปกติ

4.2 ความสัมพันธระหวางปจจัยทางดานการเผาไหมกับประสิทธิภาพของหมอไอน้ํา

จากการนําเอาขอมูลปจจัยทางดานการเผาไหมที่มีผลกระทบตอการทํางานหมอไอนํ้าไดแก อัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิง(X1), อัตราสวนระหวาง Primary/Secondary Air(X2), อุณหภูมิผงถาน(X3), อุณหภูมิอากาศชวยเผาไหม(X4), แรงดันตางระหวางหองลมกับหองเผาไหม(X5) และ คาความรอนของถานหิน(X6) นํามาหาความสัมพันธแบบ Multi Linear Regression กับ ประสิทธิภาพหมอไอนํ้า พบวามีความสัมพันธดังแสดงในรูปที่ 9

รูปที่ 9 Combustion Factors&Boiler Efficiency Regression

สมการที่ไดคือ3 5 61 2 4

0 1 2 3 4 5 6C C CC C CBoiler Efficiency C X X X X X X= × × × × × (20)

เม่ือ C0 = 640.47 C1 = 0.054109, C2 = -4.8087x10-3, C3 = -0.012455, C4 = -8.0234x10-3, C5 = -0.012707 และ C6 = -0.2484

จากสมการที่ไดนําไปคํานวณคา Sensitivity เพื่อดูอิทธิพลของปจจัยตางๆ ไดผลดังแสดงในรูปภาพที่ 10 และพบวาปจจัยทางดานการเผาไหมที่มีอิทธิพลตอสมรรถนะหมอไอนํ้ามาก คือ คาความรอนของถานหิน และ อัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิง สวนอุณหภูมิผงถาน, แรงดันตางระหวางหองลมกับหองเผาไหม, อุณหภูมิอากาศชวยเผาไหม และ อัตราสวนระหวาง Primary กับ Secondary Air มีผลกระทบตอสมรรถนะเพียงเล็กนอย โดยในสภาวะที่มีการไหมถานหินที่มีคาความรอนต่ําลง 1 % กลับทําใหสมรรถนะหมอไอนํ้าสูงข้ึนประมาณ 0.206 % สําหรับผลของอัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิง พบวาอัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิงสูงข้ึนทุก 1 % จะทําใหสมรรถนะหมอไอนํ้าสูงข้ึนประมาณ 0.044 %

รูปที่ 10 Combustion Factors Sensitivity Diagram

4.3 ผลการศึกษาคุณสมบัติทางเคมีของถานหินและเถา4.3.1 ผลการวิเคราะหถานหินแบบ Proximate Analysis

จากการนําเอาขอมูล คาความชื้น, ปริมาณเถา, สารวาบไฟ และปริมาณคารบอน มาหาความสัมพันธแบบ Multi Linear Regressionกับ คาความรอนของถานหิน พบวามีความสัมพันธดังแสดงในรูปที่ 11

รูปที่ 11 Coal Properties&Coal Heating Value Regression

สมการที่ไดคือ0.033571 0.097386 0.56875 0.41112209.87Coal HHV M A V C− −= × × × (21)

เม่ือ M = %Moisture, A = %Ash, V = %Volatile Matter และ C = %Fixed Carbon

จากสมการที่ไดนําไปคํานวณคา Sensitivity เพื่อดูอิทธิพลของปจจัยตางๆ ไดผลดังแสดงในรูปภาพที่ 12 และพบวาคา Fixed Carbon และ Volatile Matter มีอิทธิพลตอคาความรอนของถานหินมาก สวน Ash และ Moisture มีอิทธิพลตอคาความรอนของถานหินเล็กนอย

รูปที่ 12 Coal Properties Sensitivity Diagram

4.3.2 ผลการวิเคราะหเถาถานหิน จากผลการวิเคราะหพบวาแรธาตุตางๆมีความสัมพันธระหวางกันแบบเชิงเสน สามารถแบงออกเปน 2 กลุมที่มีทิศทางการเปลี่ยนแปลงไปเดียวกันคือ กลุมของ SiO2, Al2O3, K2O และTiO2 กับกลุมของ CaO, Fe2O3, SO3, MgO, Na2O, P2O5 และ MnO2 ดังแสดงในรูปที่ 13 และ 14

รูปที่ 13 ความสัมพันธระหวางแรธาตุ(1)

รูปที่ 14 ความสัมพันธระหวางแรธาตุ(2)

วิเคราะหขอมูลแลวพบวาแรธาตุที่พบในเถามีปริมาณเฉลี่ยและคา

Standard Deviation ดังน้ี SiO2 = 33.95±3.56 %, SO3 = 13.97±3.33 %, CaO = 16.91±3.18 %, Al2O3 = 18.15±1.98 %, Fe2O3 =

13.29±1.09 %, K2O = 2.34±0.27%, MgO = 2.13±0.23 %, Na2O

= 0.95±0.15 %, TiO2 = 0.37±0.04 %, P2O5 = 0.15±0.03 % และ

MnO2 = 0.12±0.02 %จากการนําเอาผลวิเคราะหเถามาคํานวณดัชนีบงบอกพฤติกรรม

ของเถาพบวา Slagging Factor(X1), Silica Ratio(X2), Dolomite Ratio(X3), Silica/Alumina Ratio(X4) และ Iron/Calcium Ratio(X5) มีความสัมพันธแบบ Multi Linear Regression กับ Initial Deformation Temperature (IT) ดังแสดงในรูปที่ 15

รูปที่ 15 Ash Indicators&IT Regression

สมการที่ไดคือ 3 51 2 4

0 1 2 3 4 5C CC C CIT C X X X X X= × × × × (22)

เม่ือ C0 = 2040.7, C1 =3.5242x10-3, C2 = 0.27981, C3 = 0.27425, C4 = -0.17586 และ C5 = 0.081475

จากสมการที่ไดนําไปคํานวณคา Sensitivity เพื่อดูอิทธิพลของดัชนีตางๆ ไดผลดังแสดงในรูปภาพที่ 16 และพบวาปจจัยทางดานคุณสมบัติเถาถานหินที่มีอิทธิพลตอคา Initial Deformation Temperatureคือ Silica Ratio, Dolomite Ratio, Silica/Alumina Ratio และIron/Calcium Ratio สวนคา Slagging Factor มีอิทธิพลตอ InitialDeformation Temperature นอยมาก

รูปที่ 16 Ash Indicators Sensitivity Diagram(1)

เม่ือนําเอาดัชนีบงบอกพฤติกรรมของเถามาหาความสัมพันธแบบ Multi Linear Regression กับคา Surface Utilization Area จากระบบ FACOS พบวามีความสัมพันธ ดังแสดงในรูปที่ 17

รูปที่ 17 Ash Indicators&Surface Utilization Area Regression สมการที่ไดคือ 3 51 2 4

0 1 2 3 4 5C CC C CUtilization Area C X X X X X= × × × × (23)

เม่ือ C0 = 38.675, C1 = 1.9617x10-3, C2 = 0.093114, C3 = -0.90239, C4 = -9.0619x10-3 และ C5 = -0.23563

จากสมการที่ไดนําไปคํานวณคา Sensitivity เพื่อดูอิทธิพลของดัชนีตางๆ ไดผลดังแสดงในรูปภาพที่ 18 และพบวาปจจัยทางดานคุณสมบัติเถาถานหินที่มีอิทธิพลตอคา Surface Utilization Area เรียงตามลําดับจากมากไปสูนอย คือ Dolomite Ratio, Iron/Calcium Ratio,และ Silica Ratio สวนคา Silica/Alumina Ratio และ Slagging Factorมีอิทธิพลตอคา Surface Utilization Area นอยมาก

รูปที่ 18 Ash Indicators Sensitivity Diagram(2)

5. สรุปผลการวิจัย5.1ปจจัยทางดานการเผาไหมที่มีอิทธิพลตอการทํางานหมอไอนํ้า

ในดานสมรรถนะเชิงความรอน คือ คาความรอนของถานหิน และ อัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิง สวนปจจัยอื่นๆเชน อุณหภูมิของเชื้อเพลิง, Windbox/Furnace Difference Pressure, อุณหภูมิอากาศชวยเผาไหม และ Primary/Secondary Air Ratio มีอิทธิพลตอสมรรถนะเพียงเล็กนอย จากผลการวิจัยพบวาหมอไอนํ้าสามารถทํางานไดดีในสภาวะที่คาความรอนถานหินมีคาต่ํา โดยหมอไอนํ้าจะมีสมรรถนะสูงข้ึนประมาณ 0.206 % เม่ือเผาไหมเชื้อเพลิงถานหินที่มีคาความรอนของลดลง 1 % ปจจัยที่มีความสําคัญอีกตัวหน่ึง คือ อัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิง จากผลการวิจัยพบวาในการควบคุมใหอัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิงมีคาสูงจะสงผลดีตอสมรรถนะของหมอไอนํ้า โดยหากเพิ่มอัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิงใหสูงข้ึน 1 % จะทําใหสมรรถนะของหมอไอนํ้าสูงข้ึน 0.044 % อยางไรก็ตามในทางทฤษฎีแลวการเพิ่มอัตราสวนระหวางอากาศกับเชื้อเพลิงจะทําไดสูงจนถึงจุดๆหน่ึงเทานั้น ซ่ึงการวิจัยครั้งน้ีมิไดดําเนินการครอบคลุมจนถึงจุดน้ัน

5.2 แรธาตุตางๆที่พบในเถาถานหินมีความสัมพันธระหวางกันแบบเชิงเสน เม่ือวิเคราะหการปริมาณแรธาตุที่พบในเถาแลวพบวาเถาถานหินจากบอเหมืองลิกไนตแมเมาะจะประกอบไปดวยแรธาตุหลัก 5 ชนิดคือ SiO2, SO3, CaO, Al2O3 และ Fe2O3 สวนแรธาตุที่เหลืออีก 6 ชนิดจะมีปริมาณรวมกันเพียง 6-7 % โดยแรธาตุที่มีการเปลี่ยนปริมาณมากไดแก SiO2, SO3, CaO และ Al2O3 สวนแรธาตุที่เหลือมีการเปลี่ยนแปลงปริมาณเพียงเล็กนอย เม่ือนําเอาแรธาตุตางๆไปคํานวณหาดัชนีบงบอกพฤติกรรมการสะสมเถาในทางทฤษฎีแลวนําไปหาความสัมพันธกับอุณหภูมิเร่ิมหลอมตัวของเถาพบวา ดัชนีที่มีอิทธิพลตออุณหภูมิเร่ิมหลอมตัวของเถา คือ Silica Ratio, Dolomite Ratio, Silica/Alumina Ratio และ Iron/Calcium Ratio ผลจากการวิจัยที่ไดจะนําไปเปนขอมูลประกอบการทดลองปรับเปลี่ยนคุณสมบัติถานหินที่จะสงใหกับโรงไฟ

ฟาเพื่อแกไขปญหาการสะสมเถาในอนาคต เชน การผสมถานหินกับดินบางชนิด(Coal Blending)

5.3 เม่ือนําเอาดัชนีบงบอกพฤติกรรมการสะสมเถาในทางทฤษฎีไปหาความสัมพันธกับคา Surface Utilization Area จากระบบ FACOS ซ่ึงเปนคาที่บงบอกสภาวะการสะสมเถาบนผนังทอหมอไอนํ้าพบวา คา Silica Ratio, Dolomite Ratio และ Iron/Calcium Ratio มีความสัมพันธกับสภาวะการสะสมเถาภายในหมอไอนํ้า จากแนวทางการหาความสัมพันธที่ไดจะนําไปขยายผลการศึกษากับโรงไฟฟาแมเมาะหนวยอื่นๆเพ่ือเปรียบเทียบความสัมพันธที่เกิดข้ึนวามีแนวโนมไปในทิศทางเดียวกันหรือไม ซ่ึงดัชนีที่ไดอาจสามารถนํามาใชในการจัดการคุณสมบัติถานที่สงใหกับโรงไฟฟาแมเมาะเพื่อบรรเทาปญหาการสะสมเถาในอนาคต

เอกสารอางอิง[1] ทนงเกียรติ เกียรติศิริโรจน., เชิดชัย วิชา., 2000. Soot Blower

Operation for Boiler Tube Cleaning In Mae-Moh Power Plant. การประชุมเครือขายทางวิศวกรรมเครื่องกลแหงประเทศไทยครั้งที่ 14 จ.เชียงใหม.

[2] Joseph, G., 1991. Combustion Fossil Power (4th Ed.). Combustion Engineering Inc.

[3] The American Society of Engineering., 1974. Performance Test Code Steam Generating Units PTC 4.1.

[4] Winegartner, E.C.., 1974. Coal Fouling and Slagging Parameters. ASME Research Committee on Corrosion and Deposits from Combustion Gases.