การประเมิณอายุหม้อไอน้ำ ตอนที่1

Boiler life assessment (การประเมินอายุหม้อไอน้ำ) ตอนที่1

เมื่อช่วงปลายปี 2019 บริษัทโพธิรัตนและ Babcock and Wilcox (B&W) ซึ่งเป็นผู้ผลิตหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำที่เก่าแก่ที่สุดในโลก ได้รับโอกาสให้ทำงานประเมินอายุการใช้งานของ Boiler IR-CFB (Internal Recirculation Circulating Fluidized Bed Boiler)

เนื้อหาของบทความมาจากการจดบันทึกของผู้เขียนในระหว่างการเรียนรู้และทำงานร่วมกับผู้เชี่ยวชาญของ B&W และศึกษาเพิ่มเติมจากหนังสือ โดยจุดประสงค์ของการทำ Boiler life assessment นี้เพื่อที่จะหาอายุการใช้งานของ Boiler ว่ามีอายุการใช้งานได้อย่างปลอดภัยอีกกี่ปีและจุดคุ้มทุนของการปรับปรุง เพื่อนำไปประกอบการตัดสินใจว่าจะควรปรับปรุงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเเละการเดินเครื่องให้ง่ายขึ้นหรือสร้าง Boiler ลูกใหม่
Boiler-CFB ลูกนี้ได้มีการ Commissioning ในช่วงประมาณปี 1995 ใช้เชื้อเพลิงถ่านหิน Bituminous ในการผลิตไอน้ำ 132 T/h ที่ 525 oC, 115 Bar และมี Feedwater temperature ที่ 195 oC
หลักการทำงานเบื้องต้นของ CFB คืออากาศจาก Primary air fan จะได้รับความร้อนจาก Air pre heater หลังจากนั้นจึงไหลเข้าสู่ชุด Air distribution grid ที่ด้านใต้เตาซึ่งประกอบไปด้วย Bubble cap ทำหน้ากระจายอากาศให้ครอบคลุมทั่วพื้นที่ของเตาทั้งหมด เติมทรายที่บริเวณเหนือ Bubble cap ( ดูภาพประกอบเพิ่มเติม ) หลังจากนั้นจุด Start up burner เพื่อ Warm เตาเเละทำ Beda mterial ให้ได้อุณหภูมิถึง Auto ignition ของถ่านหิน หลังจากนั้นจึงเติมถ่านหิน อากาศไหลเข้าเตาที่ผ่านชุด Bubble cap จะเป่าเอาทราย ถ่านหินและ Limestone (จ่ายเข้าเตาหลังจาก Startup สักพักหนึ่งใช้สำหรับจับ SOx) โดยเรียกทั้งหมดเรียกรวมกันว่า Bed material ให้ลอยขึ้น
เมื่อเพิ่ม Primary airflow เข้าเตามากขึ้น ความเร็วของอากาศก็จะเพิ่มมากขึ้น ทำให้ Bed inventory ลอยขึ้น โดยแรงจากอากาศที่กระทำกับ Bed inventory จะทำให้เกิด Equilibrium ระหว่าง Drag force และ Gravity ดังนั้น Bed inventory จึงลอยตัวขึ้นกลางอากาศ เมื่อเพิ่ม Air flow ขึ้น Velocity ก็จะเพิ่มขึ้นจนถึงระดับหนึ่งจะทำให้เกิดช่องว่างระหว่างเม็ดทรายเล็กๆ ทำให้มี Friction ระหว่างวัสดุน้อยลง ดังนั้นวัสดุจึงเคลื่อนที่ไปมาทั่วถึงกันได้อย่างอิสระ ทำให้ของแข็งสามารถเคลื่อนที่ไปมาได้เสมือนของเหลว เรียกว่า Fluidization condition
เมื่อเพิ่ม Airflow เข้าไปอีก Bed inventory จึงเคลื่อนที่ไปมาทั่วทั้งปริมาตรของ Furnace ได้อย่างอิสระ และท้ายที่สุด Bed material จะลอยไปกับ Air stream โดยบางส่วนจะร่วงหล่นกลับลงใน Bed เพราะ Bulk density ที่ลดลงตามความสูงของเตา แต่ส่วนใหญ่จะลอยไปจนกระทบกับ U-Beam ซึ่งทำหน้าที่เก็บ Bed material วนเข้าไปในเตาอีกครั้งหนึ่ง ซึ่งการ Recirculation ของ Bed material นี้คือความแตกต่างระหว่าง CFB & BFB นั่นเอง
Furnace heat transfer ในเตา CFB จะใช้ Convection heat transfer จากทรายและ Flue gas เป็นสื่อหลักในการถ่ายเทความร้อนสู่ Water wall (การถ่ายเทความร้อนในส่วนของ Convection pass จะเหมือนเตาทั่วๆไป) วัสดุใน Bed เคลื่อนที่แบบ Turbulent ทำให้ถ่ายเทความร้อนสู่เชื้อเพลิงโดยการพาความร้อนได้ดีเพราะมีคลุกเคล้ากันอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเชื้อเพลิงจะค่อยๆร้อนขึ้นไล่ความชื้นออกและเมื่ออุณหภูมิถึงจุดติดไฟเชื้อเพลิงจึงเริ่มเผาไหม้ ทำให้เตา CFB มี combustion temperature อยู่ที่ประมาณ 800-900 C ดังนั้นจึงมีปัญหาเรื่องของ Slagging & Fouling น้อยกว่าเตา Pulverized coal fired (PC fired) และ Stoker ที่ใช้ Radiant heat เป็นหลักในการถ่ายเทความร้อนของ Furnace

หัวใจสำคัญของ CFB คือการควบคุม Bed material และการ Recycle bed material จาก U-beam และ Economizer/Air Heater hoppers & Fly ash transfer system กลับมาใช้อีกครั้ง ให้เคลื่อนที่อยู่ภายใน Furnace อย่างทั่วถึงเพื่อให้ Water wall ได้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอและควบคุม FEGT ให้เหมาะสม การควบคุมจึงต้องอาศัยการควบคุม Differential pressure ในแต่ละ Zone ของ Furnace Bed material size, Flow rate, Velocity และ Bed density ล้วนสัมพันธ์ต่อกันเเละมีผลต่อการเคลื่อนที่ของ Bed material เช่น Bed material ที่ใหญ่เกินจะกองอยู่ด้านล่าง Furnace เป่าไม่ขึ้นสูญเสียการ Fluidization หรือถ้าเล็กหรือเบาเกินไปก็จะลอยออกจาก Furnace ไปหมด เป็นต้น ซึ่งค่อนข้างมีรายละเอียดที่ซับซ้อน

สำหรับขอบเขตในการทำงาน Boiler life assessment นั้นจะแบ่งการตรวจสอบเป็น:-
1.) Pressure part และ 2.) Auxiliary equipment ต่างๆ เช่น Fuel feeding system, SA / PA fan, Burner, Ash handling system และอื่นๆ
ในส่วนของ Pressure part ทำการตรวจโดยทั้ง Visual inspection ที่ต้องอาศัยประสบการณ์และประสาทสัมผัสต่างๆ เพื่อหาร่องรอยที่แสดงถึงปัจจัยอันอาจจะทำให้เกิด Tube failure ในอนาคต หรือเริ่มเกิดการเสียหายแล้วและต้องแจ้งเพื่อซ่อมแซม
หลังจากนั้นจึงทำการตรวจด้วย NDT ทั่วไป ตามแต่ลักษณะของ Pressure part เช่น Water cooled และ Steam cooled section โดยอ้างอิงตามที่ ASME BPVC กำหนดไว้ และใช้ NOTIS ซึ่งเป็นอุปกรณ์พิเศษในการหาความหนาของ Oxide layer ที่เกิดขึ้นภายใน Steam side ของท่อ เพื่อนำมาหา Boiler remaining life จาก Creep rupture data base ของ B&W ที่รวบรวมจากประสบการณ์การทำ Boiler fitness survey และการทดลองที่เก็บสะสมเป็นระยเวลายาวนาน
Pressure part ที่ทำตรวจสอบจะครอบคลุมรายการดังนี้
- Furnace water wall & Wing wall :-Visual inspection , UT , Tube sampling
- Steam drum :- Visual inspection , Wet mag
- Primary super heater :- Visual inspection , UT
- SH wing walls:- Visual inspection , UT
- Secondary super heater:- Visual inspection , UT , NOTIS
- Economizer:- Visual inspection , UT
- Economizer header:- Borescope
- SH outlet header:- Visual inspection , Wet mag , Replication , NOTIS