Steam Power Plant with Feedwater Heater

Ideal Regenerative Cycle

รู�ปที่�� 2.12 Regenerative Cycle

หลักการูของ Regenerative ใช้�ความร้�อนจาก expansion

steam (ใน Turbine) ไปเพิ่��มอ�ณหภู�ม�(ให�ความร้�อน) ของ Feedwater ที่��จะเข�า Steam generator

ผลั ที่างที่ฤษฎี� จะได้�ว"า ηregenerative = ηCarnot

ป�ญหา ในที่างปฏิ�บั%ติ�ที่'าไม"ได้� เพิ่ร้าะพิ่()นที่��การ้ถ่"ายเที่ความร้�อนไม"พิ่อการูเอาไปใช้� ปร้ะย�กติ,เป-น Feedwater Heater

2.8 Regenerative Feedwater Heaterหลักการูของ Regenerative Feedwater Heater ใช้�หลั%กการ้จากแนวค�ด้ของ Regenerative แติ"ปร้ะย�กติ,ใช้�โด้ยด้1งเอาไอน')า (extracted steam) บัางส่"วนออกจาก Turbine มาให�ความร้�อนก%บั Feedwater ใน feedwater heater แที่น ปร้ะส่�ที่ธิ�ภูาพิ่ของว%ฏิจ%กร้ส่�งข1)น โด้ยที่ฤษฎี�แลั�วหากใช้� Feedwater

heater จ'านวนมากๆ ปร้ะส่�ที่ธิ�ภูาพิ่ก5จะเข�าใกลั� Regenerative

ผลั 1. จะได้� Turbine Work ลัด้ลังเพิ่ร้าะติ�องด้1ง expansion

steam ส่"วนหน1�งออกมาจาก Turbine (เพิ่(�อไป heat feedwater)

Condenser

Pump

1

42

3

Steam Generat

or

Turbine

5

T

s

23

4

5 1

2. แติ"จะใช้� QH ลัด้ลังเพิ่ร้าะน')าที่��เข�า Steam generator ม�พิ่ลั%งงานมากข1)นกว"าเด้�ม

3. โด้ยร้วมแลั�ว Cycle efficiency เพิ่��มข1)น4. โด้ยที่ฤษฎี�แลั�วการ้ม� FWH หลัายๆติ%ว ก5จะที่'าให� η เข�าใกลั�

Carnot มากข1)นFeedwater Heaterม� 2 ช้น�ด้ค(อ

1. Open type FWH เป-น Direct contact heat exchanger

2. Closed type FWH เป-น Surface (Shell-and-tube) heat exchanger

Drain (or Drip) หมายถ่1ง liquid ที่��เก�ด้จากการ้ควบัแน"นของไอใน Feedwater heater แลัะถ่�กด้�ด้ออกไป (โด้ยม� steam trap เป-นติ%วควบัค�ม) drain แลั�วถ่�กส่"งติ"อไปใน 2 ลั%กษณะค(อ

1. Drain backward น')าจะถ่�กส่"งกลั%บัไปย%ง FWH

ติ%วที่��ความด้%นติ'�ากว"า หร้(อส่"งเข�า condenser ข�อด้�ค(อไม"ติ�องม� pump ส่ามาร้ถ่ใช้�ความด้%นของ drain เองที่��ส่�งกว"าข%บัเคลั(�อนให�

Turbine

wt

Condenser Qc

1

2

Cooling Water

3

Feedwater

Heater Pump

45

6Feedwater Pump

7

Boiler

QB

Closed type feedwater heater

Turbine

wtBoiler

QBCondenser Qc

1

2

Cooling Water

3

7

8

Feedwater

Heater Pump

46 5

Open type feedwater heater

netcycle

H

W

Q

เข�าส่�"ถ่%งที่��ความด้%นติ'�ากว"าได้� แติ"ข�อเส่�ยค(อการ้ส่�ญเส่�ย availability เน(�องจาก free expansion น�)น% �นเอง

2. Pump forward น')าจะถ่�กป78 มส่"งข1)นไปย%ง FWH

ติ%วที่��ความด้%นส่�งกว"า ข�อด้�ค(อไม"ส่�ญเส่�ย availability แติ"ข�อเส่�ยค(อติ�องม� pump 1 ติ%วเพิ่(�อเพิ่��มความด้%นของ drain ให�ส่�งพิ่อที่��จะข%บัเคลั(�อนให�เข�าส่�"ถ่%งที่��ความด้%นส่�งกว"าได้� เม(�อม� pump เพิ่��มข1)นก5หมายถ่1งการ้เพิ่��มข1)นของ ติ�นที่�น ค"าพิ่ลั%งงานแลัะบั'าร้�งร้%กษา

หม้�ออ� �นน��าป�อนแบบป!ด (Closed Feedwater Heaters)

ในบัที่ที่�� 2 ว�เคร้าะห,ได้�ว"าส่ามาร้ถ่เพิ่��มปร้ะส่�ที่ธิ�ภูาพิ่ว%ฏิจ%กร้ได้�โด้ยการ้ใช้�ว�ธิ�อ� "นน')าป9อน เพิ่(�อเพิ่��มอ�ณหภู�ม�น')าป9อนก"อนเข�า อ�โคโนไมเซอร้,หร้(อส่ติ�มด้ร้%ม  ม�การ้ใช้�หม�ออ�"นน')าป9อนที่%)งแบับัเป<ด้แลัะแบับัป<ด้ ในร้ะบับัเลั5กอาจใช้�หม�ออ�"นน')าป9อนติ%วเด้�ยว แติ"ในโร้งไฟฟ9าขนาด้ใหญ" จะใช้�หม�ออ�"นน')าป9อนแบับัป<ด้ ห�าถ่1งเจ5ด้ติ%วแลัะแบับัเป<ด้หน1�งติ%วที่��ที่'าหน�าที่��แยกอากาศด้�วย

หม�ออ�"นน')าป9อนแบับัป<ด้เป-นเคร้(องแลักเปลั��ยนความร้�อนช้น�ด้ ที่"อแลัะเปลั(อก (shell and tube heat exchanger) ความจร้�งกลัไกการ้ที่'างานเปร้�ยบัเส่ม(อนคอนเด้5นเซอร้,ขนาด้เลั5กที่'างานที่��ความด้%นส่�ง เพิ่�ยงแติ"ว%ติถ่�ปร้ะส่งค,ที่��ติ"างก%นเที่"าน%)น

เม(�อไอน')าที่��แบั"งออกมาเข�าหม�ออ�"นน')าอย�"ในส่ภูาพิ่ ซ�เปอร้,ฮี�ที่ หม�ออ�"นน')าจะม�ส่"วนที่��เป-น เขติด้�ซ�เปอร้, ฮี�ที่ติ�ง (desuperheating zone) เป-นเขติที่��ที่'าให�ไอน')าเย5นลังถ่1งส่ภูาพิ่ไอ อ��มติ%ว แลั�วติามด้�วยส่"วนที่��เป-น เขติกลั%�นติ%ว (condensing zone) ที่��ไอน')ากลั%�นติ%วเป-นของเหลัว หม�ออ�"นน')าบัางติ%วย%งที่'าให�น')ากลั%�นเย5นลังไปอ�ก ม�ส่"วน ที่��เร้�ยกว"า เขติซ%บัค�ลัลั�ง (subcooling หร้(อ drain cooling zone)

 

Subcooling zone

Condensing zone

T

Path Length

Steam

Feedwater

TTD

C

Drain

Steam

FWFWDC

TTD = Tsat - Two

Condensing zone

T

Path Length

Steam

Feedwater

TTD

C

Drain

Steam

FWFW

TTD = Tsat - Two

ผงอ�ณหภู�ม้%-ความ้ยาวแนวไหลั ของหม้�ออ� �นน��าป�อนช้น%ดป!ดสาม้เขต

ในร้�ป เป-นหม�ออ�"นน')าป9อนช้น�ด้ส่ามเขติ (three zone) แติ"ก5ม�หม�ออ�"นน')าช้น�ด้ ส่องเขติ แลัะช้น�ด้ เขติเด้�ยวที่��ม�เพิ่�ยงเขติกลั%�นติ%วเที่"าน%)น 

Closed type Feedwater heater ก5ค(อ Surface (Shell-and-

tube) heat exchanger การ้ออกแบับัติ�องค'าน1งถ่1งส่ภูาพิ่ของไอน')าที่��ด้1งมาให�ความร้�อนแลัะการ้ควบัแน"นของม%น ซ1�งอาจเก�ด้ได้�ใน 3 ลั%กษณะค(อ

1. เป-น saturated vapour or mixture แลั�วควบัแน"นเป-น saturated liquid ในกร้ณ�น�)อ�ณหภู�ม�ของม%นจะคงที่��ติลัอด้กร้ะบัวนการ้ค(อที่�� saturation temperature น%�นเอง (ด้�ร้�ป)

2. เหม(อนข�อ 1 แติ"ควบัแน"นแลั�วย%งถ่"ายเที่ความร้�อนออกอ�กที่'าให�ม%นเป-น subcooled liquid ซ1�งในช้"วงน�)อ�ณหภู�ม�ของม%นจะลัด้ลัง

3. ขาเข�าเป-น superheated steam ในช้"วงแร้กน%)นอ�ณภู�ม�ของไอน')าจะลัด้ลังจนถ่1ง saturation temperature แลั�วกร้ะบัวนการ้ที่��เหลั(อก5เหม(อนก%บัข�อ 1 หร้(อ 2

Terminal Temperature Difference, TTD = Sat. Temp. of STEAM – Exit Feedwater Temp. (2.14)

Subcooling zone

Condensing zone

Desuperheating zone

T

Path Length

Steam

Feedwater

TTD

DSC

Drain

Steam

FWFWDC

TTD = Tsat - Two

Closed type FWH (เป-น Surface (Shell-and-tube) heat exchanger)

ข�อด้�ค(อใช้� main feed water pump ติ%วเด้�ยวก5ได้�ถ่�าเป-นแบับั drain backward แติ"ถ่�าเป-นแบับั pump forward ก5ติ�องม� pump เพิ่��มติ%วติ"อติ%ว แติ"ก5เป-น pump ติ%วเลั5กเพิ่ร้าะใช้�ป78 ม drain

เที่"าน%)น ข�อเส่�ย ค(อ งานที่��ได้�จาก turbine น�อยลัง

ที่�อแลัะวสด� (Tube and Materials)

TTD ควร้ม�ค"ามากหร้(อน�อย เพิ่ร้าะอะไร้ ม�ข�อด้� ข�อเส่�ยอย"างไร้

ถ่�า TTD ม�ค"าเป-น ลับั

Procss diagram in feedwater heaters

แผงปลัายที่"อ (tube sheet) ร้วมอย�"ก%บัส่"วนห%วหร้(อกลั"องน')า ในหม�ออ�"นน')าความด้%นส่�งที่"อจะถ่�กเช้(�อมแลั�วร้�ด้หร้(อร้ะเบั�ด้ให�ปลัายบัานติ�ด้ก%บัแผงปลัายที่"อ ที่"อม�ขนาด้ติ%)งแติ" 5/8 ถ่1ง 1 in OD หนา 10-20 BWG (

ภูาคผนวก K) ขนาด้ความหนาที่"อติ'�าส่�ด้ ค'านวณจาก

               

เม(�อ P = ความด้%นออกแบับัของที่"อ

     do = เส่�นผ"าศ�นย,กลัางภูายนอกที่"อ

      S = ความเค�นออกแบับัที่��ยอมได้�

     Ru = ร้%ศม�ภูายในโค�ง U ใช้�ค"าเป-น 1.5 do

 

ว%ส่ด้�ที่��ใช้�ที่'าที่"อม�การ้ปร้%บัปร้�งติลัอด้มา โลัหะเอ5ด้ไมร้%ลั (admiralty

metal) แลัะ ที่องแด้ง-น�เก�ลั ใช้�อย"างแพิ่ร้"หลัายในร้ะบับัความด้%นส่�ง

 

หม�ออ�"นน')าป9อนช้น�ด้ป<ด้ส่ามเขติแนวนอน

หม�ออ�"นน')าป9อนช้น�ด้ป<ด้ส่ามเขติแนวติ%)ง

Steam Power Plant with 4-Feedwater Heaters

Condenser

2

Cooling Water

T

s

P1

23

P2a

P2b

23

ตวอย�างการูค�านวณ

ร้�ปปร้ะกอบัติ%วอย"างการ้ค'านวณ

ก'าหนด้ให�ความร้�อนที่��เข�า Boiler ม�ขนาด้ Qin = 2500 kJ/kg

s1 = s2 = s3, s4 = s5, h2 = h4

S, 1 P= 30 bar , h1 = 3116.06 kJ/kg, s1= 6.74 kJ/kg.K

S, 2 s1=s2 ;

S, 4 P = 0.75 bar (sat), h4 = hf = 384.36 kJ/kg, s4 = sf =1.21 kJ/kg.K

S, 5 s4 = s5 = 1.21 h5 = hf = 386.32 kJ/kg

S, 7 ส่�"ม P = 1 bar

P1 = 1 bar (sat) h7 = hf 417.44 kJ/kgh8 = h7 = 417.44 kJ/kg

Closed type feedwater heater

Turbine

wtBoiler

QBCondenser Qc

1

2

Cooling Water

3

7

8

Feedwater

Heater Pum

46 5

6

3

7

S, 3 P = 1 bar, s3 = s2 =s1 6.74 kJ/kg.K, h3 = 2444.28 kJ/kg

ที่�� C.V. Boiler ; SSSF

Qin = h1 – h6

2500 = 3116.06 – h6

h6 = 616 kJ/kg

C.V. ที่�� Feed water heater ; SSSF

Energy balance mh3 + h5 = h6 + mh7

C.V ที่�� Turbine; SSSF

Boiler

QB

1

Qin = 2500 kJ/kg

Feedwater

Heater

1

Turbine

wt

32

Pump

C.V. ที่�� Condenser; SSSF

C.V. ที่�� Pump; SSSF

ด้%งน%)นหา Efficiency

2

QcCondenser

Cooling Water

84

4

5

สรู�ปจาก Assignment

ได้�กร้าฟของ ความด้%นแลัะปร้ะส่�ที่ธิ�ภูาพิ่เป-นด้%งกร้าฟ

P vs Efficiency

17, 0.2604

0.2550

0.2600

0.2650

0.2700

0.2750

0.2800

0.2850

0.2900

0 5 10 15 20

P

Efficien

cy

P vs Efficiency

ผลัจากการ้ติ�ด้ Feed water heater ที่'าให�ค"าปร้ะส่�ที่ธิ�ภูาพิ่ของโร้งไฟฟ9าเพิ่��มข1)น จากผลัการ้ค'านวณจะเห5นว"าย��งค"าความด้%นของ Steam ที่��ม�ค"าน�อยลังจะที่'าให�ส่ามาร้ถ่เพิ่��มปร้ะส่�ที่ธิ�ภูาพิ่ของโร้งไฟฟ9าได้�มากข1)นจ'านวนของ Feedwater heater ย��งมากจะที่'าให�ว%ฏิจ%กร้เข�าใกลั�ว%ฏิจ%กร้ของคาร้,โน ซ1�งเป-นค"าปร้ะส่�ที่ธิ�ภูาพิ่ที่��มากที่��ส่�ด้เที่"าที่��จะเป-นไปได้�

ข�อด�ของการูต%ด Feed water heater แบบ closed type

ปร้ะส่�ที่ธิ�ภูาพิ่เพิ่��มข1)น ลัด้ขนาด้ของ condenser ได้�

ข�อเส�ย Power output ลัด้ลัง

เก�ด้การ้ส่�ญเส่�ยพิ่ลั%งงานเน(�องจาก Free Expansion

ภูาคว%ช้าว%ศวกรูรูม้เครู.�องกลัคณะว%ศวกรูรูม้ศาสตรู/ ม้หาว%ที่ยาลัยขอนแก�น

Power Plant EngineeringAssignment 3

จดที่�าโดยกลั��ม้ที่�� 12 ปรูะหลัาด

เสนอรูศ.สม้หม้าย ปรู�เปรูม้

รูายงานน��เป1นส�วนหน2�งของว%ช้า 175472

Power Plant Engineering

ภูาคการูศ2กษาที่�� 1 ป4การูศ2กษา 2551