CCPP熱分層現象之物理機制、結構完整性與緩解策略分析報告 (Analysis of Thermal Stratification in CCPPs: Physical Mechanisms, Structural Integrity, and Mitigation Strategies)

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一、摘要：熱分層——工程效率與物理極限的對抗

在現代電力系統中，複循環電廠（Combined Cycle Power Plants, CCPP）因其高熱效率與快速響應能力，成為平衡再生能源間歇性的關鍵基載與調峰設施。然而，這種操作模式的轉變——從基載運行轉向頻繁的起停（Cycling）與負載升降——使得「熱分層」（Thermal Stratification）現象從一個次要的物理效應，演變為威脅電廠壽命與可靠性的核心工程難題。

熱分層本質上是一種流體力學現象，發生在不同溫度的流體（液體或氣體）因密度差異而在管線或容器內形成穩定分層的狀況。在CCPP中，這主要發生在熱回收鍋爐（HRSG）的集管箱、給水管線、以及汽輪機的轉子與機殼之間。雖然其物理機制符合自然浮力定律，但其對工程結構的破壞力卻是巨大的：它會導致管線產生「香蕉效應」（Banana Effect）變形、銲道疲勞開裂、以及轉子弓形彎曲（Rotor Bowing）。

本報告旨在提供一份詳盡的技術分析，涵蓋熱分層的基礎物理學、在CCPP關鍵組件中的具體表現、由此引發的結構失效機制，以及從設計優化到操作控制的綜合緩解策略。

二、熱分層的熱流體物理學基礎

要理解熱分層為何讓工程師頭痛，必須先解構其微觀的流體力學行為。在正常運轉的高流速狀態下，流體內部的紊流（Turbulence）動能足以克服浮力，將流體混合均勻。然而，在CCPP的啟動、停機、低負載或盤車（Turning Gear）階段，流速降低，浮力效應便佔據主導地位。

2.1 浮力與慣性的衝突：理查森數（Richardson Number）判據

工程上預測熱分層是否發生的核心無因次參數是理查森數（Richardson Number, Ri）。該參數代表了浮力（Buoyancy force）與慣性剪切力（Inertial shear force）的比值，是用於判斷流體流動穩定性及分層可能性的關鍵指標 1。

其數學表達式為：

Ri = Gr/Re2 = gβΔTH / v2

其中：

  • g：重力加速度 (m/s2)，這是分層現象的驅動力，使得密度較大的冷流體下沉。
  • β：熱膨脹係數 (K-1)，描述流體密度隨溫度變化的敏感度。
  • ΔT：頂部與底部流體的溫差 (Ttop-Tbot)，溫差越大，驅動力越強。
  • H：特徵長度（如管徑 D或液位高度），管徑越大，分層空間越明顯。
  • v：入口流速 (m/s​​)，這是抵抗分層的慣性力來源。

理查森數的物理意義與工程臨界值： 根據文獻與實驗數據，我們可以將管線內的流動狀態劃分為三個區間 3：

Ri 數值範圍 流動狀態 物理機制描述 工程風險評估
Ri<0.1 慣性主導 (Inertial Dominance) 強烈的紊流混合作用壓倒了浮力效應，流體溫度分布均勻。 低風險：通常發生在滿載運轉時。
 0.1<Ri<1.0 混合對流 (Mixed Convection) 過渡區域。浮力與慣性力相當，流體界面可能出現不穩定的波動。 中風險：可能引發「熱條紋」（Thermal Striping）現象，導致高週疲勞。
Ri>1.0 浮力主導 (Buoyancy Dominance) 浮力效應顯著，冷熱流體形成穩定的分層，界面混合極少。 高風險：發生結構性熱變形（香蕉效應）與低週疲勞的主因。

在CCPP的設計規範（如ASME B31.1或核能級管線規範）中，當計算出的Ri > 1 時，必須進行詳細的熱膨脹與應力分析，因為標準的線性熱膨脹模型已不再適用 4。

 

2.2 結構變形機制：香蕉效應（The Banana Effect）

當水平管線內發生穩定的熱分層時（Ri > 1），管線頂部接觸高溫流體而膨脹，底部接觸低溫流體而收縮（或膨脹較少）。這種沿著管徑方向的非線性溫度梯度，會產生巨大的內部熱彎矩（Thermal Bending Moment）。

由於管線截面的上下伸長量不一致，管線會被迫向上拱起，形成類似香蕉的形狀，工程界稱之為「香蕉效應」或「駝峰現象」（Humping）5。

這種變形的破壞力在於它會改變管線系統的受力狀態：

  1. 支撐系統失效：原本設計用於承重的彈簧吊架或剛性支撐，可能會因管線向上拱起而脫空（Liftoff），或者因管線向下壓迫而過載，導致支撐結構損壞。
  2. 端點推力劇增：管線的彎曲會對連接的設備（如透平機殼、泵浦管嘴）產生巨大的反作用力與力矩，可能導致法蘭洩漏或設備外殼變形。
  3. 塑性變形：若熱應力超過材料的降伏強度，管線將發生永久性的塑性彎曲，即使溫度恢復均勻，管線也無法恢復原狀 5。

三、熱回收鍋爐（HRSG）中的熱分層病灶

熱回收鍋爐（HRSG）是CCPP中熱分層問題最為集中的區域。由於其巨大的金屬質量、複雜的管排結構以及頻繁經歷的劇烈熱暫態（Thermal Transients），HRSG成為了熱疲勞失效的重災區。

3.1 省煤器（Economizer）入口集管箱的疲勞破壞

省煤器位於HRSG的低溫段，負責預熱給水。在低負載或啟動初期，給水流量極低，且通常是間歇性補水。這完全符合Ri > 1 的條件：低流速v 配合高溫差ΔT（熱集管箱 vs. 冷給水）。

失效機制分析：

當冷給水以低流速進入高溫的水平集管箱時，冷水會像「舌頭」一樣沿著集管箱底部滑行，而頂部仍充滿熱水或蒸汽。這導致集管箱圓周方向產生巨大的溫差（可能高達 100°C 以上）。

  • 應力集中：這種溫差導致集管箱發生香蕉效應變形，連帶拉扯銲接在集管箱上的無數根換熱管。
  • 銲道開裂：換熱管與集管箱的角銲縫（Fillet Weld）承受了巨大的剪切應力與彎曲應力。反覆的起停循環導致低週疲勞（Low Cycle Fatigue），最終在銲趾處產生沿圓周方向的裂紋。這類失效常被誤診為銲接品質不良，但其根本原因是熱分層導致的熱機械疲勞 7。

3.2 過熱器與再熱器的冷凝水淬冷（Quenching）

這是在CCPP啟動階段最致命的熱分層形式之一，嚴格來說，它是氣液兩相流導致的極端熱衝擊。

形成過程： 在燃氣輪機點火前的掃氣（Purge）階段，大量的冷空氣流經HRSG，使其內部的蒸汽冷凝成水。如果由於設計缺陷（如疏水管徑過小、疏水箱位置過高或坡度不足），這些冷凝水無法被及時排走，就會積聚在過熱器或再熱器的下部集管箱中 9。

淬冷效應：

當燃機點火、蒸汽開始流動時，這些積聚的「冷水段」（Subcooled condensate）會被蒸汽流推動，掃過原本已經被加熱的過熱器管排。

  • 選擇性冷卻：由於流動的不均勻性，某些管子會瞬間被冷水流過（淬冷），發生劇烈收縮；而相鄰的管子可能充滿蒸汽，保持高溫膨脹。
  • 結構後果：相鄰管排間巨大的膨脹差（Differential Expansion）會在管子與集管箱的連接處產生極大的拉扯力，導致管座裂紋甚至管子被「拔出」。這種現象在採用垂直管排（Vertical Harp）設計的HRSG中尤為嚴重 9。

3.3 案例研究：大潭電廠與全球HRSG評估

根據針對全球11座CCPP（包含類似台灣大潭電廠配置的F級燃機機組）的評估報告顯示，高達64%的受測電廠出現了嚴重的熱暫態損傷症狀。

  • 共通性缺陷：91%的電廠疏水箱位置高於下部集管箱，且疏水管缺乏連續的下坡坡度。這意味著在冷態/溫態啟動的零壓力階段，物理上根本無法依靠重力排除冷凝水，導致啟動時的熱分層與淬冷不可避免 9。
  • 診斷趨勢：許多電廠將首次洩漏歸咎於材料缺陷，而忽略了背後的熱分層機制，導致修復後問題反覆發生。真正的解決方案需要從熱流體力學的角度重新設計疏水邏輯與管路配置 10。

四、汽輪機轉子的熱變形動力學

對於轉速高達3000/3600 rpm的汽輪機而言，微米級的變形都可能導致災難。熱分層在汽輪機領域表現為轉子的弓形彎曲（Rotor Bowing），這是導致啟動振動過大甚至無法併網的主因。

4.1 轉子熱弓（Thermal Hogging）的物理機制

當汽輪機停機後，若轉子靜止不動，機殼（Casing）內部會發生強烈的自然對流。機殼金屬釋放的餘熱加熱內部的空氣或蒸汽，熱氣上升聚集在機殼頂部，冷氣下沉至底部。

  • 頂底溫差：機殼內部的上下溫差可達30-50°C 以上。
  • 差異膨脹：轉子浸泡在這種分層的介質中，轉子上半部受熱膨脹，下半部相對冷卻收縮。
  • 弓形變形：這種差異使得轉子向上拱起（Hogging）。雖然重力會造成轉子自然下垂（Sagging），但在熱機停機後的冷卻階段，熱弓效應通常遠大於重力下垂效應 12。

4.2 摩擦引發的惡性循環：熱點（Hot Spotting）

如果在轉子存在熱弓的情況下強行啟動或盤車失敗，轉子凸起的部分會與靜止部件（如汽封、隔板）發生摩擦（Rubbing）。

  • 局部加熱：摩擦產生的高熱會瞬間加熱接觸點（High spot）。
  • 相位同相：這個局部加熱點會導致該處金屬進一步膨脹，使得轉子彎曲得更厲害。
  • 紐科克效應（Newkirk Effect）：這種由振動引起摩擦，摩擦加劇彎曲，彎曲再放大振動的自我激勵（Self-excited）現象，能在極短時間內導致轉子產生永久性的塑性變形，甚至造成葉片斷裂或軸承損壞 12。

4.3 預防與修復：盤車與矯直

盤車裝置（Turning Gear）： 為了對抗熱分層，汽輪機必須配備盤車裝置。在停機後，盤車馬達驅動轉子以低速（通常為3-30 rpm）持續旋轉，確保轉子圓周受熱/冷卻均勻，直到金屬溫度低於脆性轉變溫度或規定的安全值（如 100°C以下）。盤車系統的可靠性是防止轉子熱分層的第一道防線 15。

轉子矯直（Straightening）：

一旦轉子發生永久性彎曲，必須進行矯直。除了傳統的機械冷矯直外，還有利用熱分層原理的「熱點矯直法」（Hot Spotting Straightening）：

  • 原理：故意在轉子彎曲的凸面施加快速、局部的熱源，使其產生壓縮降伏（Compressive Yielding），冷卻後產生的拉應力會將轉子拉回直線。這是一種「以毒攻毒」的高精密工法 17。

五、管線系統的熱疲勞與結構力學

除了HRSG與汽輪機，連接這些設備的高能管線（如主蒸汽管、給水管）同樣深受熱分層之苦。

5.1 香蕉效應在長距離管線中的力學表現

在核能與大型CCPP中，給水管線往往包含長距離的水平段。當發生熱分層時，管線的向上拱起（Humping）不僅是垂直位移，還會轉化為軸向的縮短效應。

  • 幾何非線性：對於兩端固定的管線，熱拱起會產生巨大的軸向拉力。
  • 支撐脫空：中間的重力支撐可能失效，導致管線懸空，改變了系統的自然頻率，可能在流體激發下產生共振 4。

5.2 熱條紋（Thermal Striping）與高週疲勞

在冷熱流體混合的區域（如混合三通 Mixing Tee），如果混合不完全，會在下游形成波動的冷熱分層界面。

  • 高頻波動：這個界面的位置並非固定，而是以1 Hz 到 10 Hz 的頻率上下波動。
  • 裂紋萌生：管線內壁金屬因此經歷劇烈的溫度循環，表面產生高週疲勞（High Cycle Fatigue）裂紋。這種裂紋通常呈現網狀（Crazing），並可能迅速向深處擴展導致穿透性洩漏。這是核電廠與高效能CCPP中極為隱蔽且危險的失效模式 19。

六、操作暫態分析與控制策略優化

隨著再生能源佔比提高，CCPP被迫進行頻繁的負載調節。操作模式的改變直接影響了熱分層的嚴重程度。

6.1 啟動曲線的物理權衡

啟動過程是熱分層風險最高的時刻。

  • 冷態啟動（Cold Start）：停機超過48-72小時。金屬已冷卻，但需面對大量的冷凝水排放問題。風險在於HRSG的排水與預熱。
  • 熱態啟動（Hot Start）：停機少於8小時。金屬仍熱，但若注入冷給水，會引發劇烈的熱衝擊（Thermal Shock）與分層。風險在於厚壁元件（汽包、集管箱）的溫差控制 20。

6.2 革命性的緩解策略：掃氣抵免（Purge Credit）

傳統NFPA 85標準要求每次點火前必須進行爐膛掃氣，這會將大量冷空氣打入熱的HRSG，人為製造了巨大的溫差與熱分層條件。

  • 新策略：引入「掃氣抵免」邏輯。在停機過程中進行掃氣，並隨即關閉擋板密封爐膛。這樣下次啟動時無需再次掃氣。
  • 熱學效益：這大大保持了HRSG的溫度，減少了啟動時的ΔT，從根本上降低了理查森數（Ri），是緩解熱分層最有效的操作手段之一。研究表明，這能顯著延長HRSG部件的疲勞壽命 22。

6.3 啟動優化算法（Start-up Optimization）

現代控制系統引入了基於模型的控制（Model-Based Control）。例如，在台電興達電廠（Hsinta）或類似的現代化機組案例中，透過在Simulink等環境中建立包含熱應力計算的動態模型，將汽輪機轉子應力與燃機排氣溫度（TAT）進行閉環控制。

  • 效益：這允許控制系統在不超過熱應力限制（避免分層與彎曲）的前提下，最大化升載速率。實測數據顯示，這種優化可減少30%以上的啟動時間，同時有效管理熱應力 23。

七、監測技術與診斷方法論

由於熱分層發生在管線內部，外部觀察難以察覺，因此儀控佈置至關重要。

7.1 熱電偶的佈置策略

傳統的單點溫度測量完全無法檢測熱分層。有效的監測方案必須捕捉圓周方向的溫度分佈。

  • 頂底溫差監測：在水平管段的同一截面，分別在12點鐘（頂部）與6點鐘（底部）位置安裝熱電偶。
  • 警報設定：當 ∣ΔTtop-ΔTbot∣ 超過極限值（如50°F 或28°C，視管徑與材質而定）時，觸發控制室警報，提示運轉員注意流速或開啟疏水 24。
  • 多點陣列：對於混合三通等高風險區域，需要在圓周佈置5-7個熱電偶，以捕捉熱條紋的波動範圍 19。

7.2 轉子偏心率（Eccentricity）監測

在汽輪機控制畫面中，偏心率是啟動前的「生死指標」。

  • 監測原理：利用電渦流傳感器（Eddy Current Probe）監測軸頸的位移。
  • 邏輯閉鎖：控制邏輯通常設定，若偏心率超過076 mm (3 mils) 或特定OEM規範值，將強制禁止沖轉（Roll-off），必須繼續盤車直到熱弓消失 18。

八、工程緩解方案與結論

面對熱分層這一自然卻令人頭痛的現象，工程界已經發展出一套從設計到維護的綜合解決方案。

8.1 設計面的介入

  1. 靜態混合器（Static Mixers）：在冷熱流體匯合點下游安裝靜態混合器，強制流體產生旋流與紊流，人為降低Ri 數值，消除分層 27。
  2. 優化疏水系統：增大疏水管徑以應對啟動暫態的冷凝水量；確保疏水箱位於最低點以下；採用獨立疏水管線，避免不同壓力的疏水管匯流導致的逆流 9。
  3. 旁通煙囪（Bypass Stack）：設置旁通擋板，允許燃機在啟動初期將廢氣排向大氣，待排氣溫度與HRSG金屬溫度匹配後再導入，從源頭控制溫差 28。

8.2 結論與展望

熱分層現象是流體物理學在工業尺度上的必然展現。隨著CCPP機組向更高參數（H級/J級燃機）、更靈活操作（頻繁調峰）發展，熱分層帶來的挑戰只增不減。

解決這一頭痛問題的關鍵，不在於試圖消滅物理定律，而在於：

  1. 承認並量化：通過理查森數（Ri）與CFD模擬，在設計階段準確預測分層風險區。
  2. 精細化監測：利用頂底溫差監測與轉子偏心率診斷，讓不可見的熱應力「可視化」。
  3. 智能控制：利用掃氣抵免與應力閉環控制，在操作層面上規避高風險工況。

對於台灣及全球的電力工程師而言，從大潭電廠等案例中吸取教訓，將熱分層的考量深度整合進全壽命週期管理（PLM）中，是確保未來電力系統韌性的必修課題。

表 1：CCPP 關鍵組件熱分層現象與緩解對策總表

關鍵組件 物理機制 發生時機 結構後果 緩解與防禦策略
HRSG 省煤器 低流速導致的密度流分層 (Ri>1) 低負載 / 啟動補水 集管箱香蕉效應變形、管座角銲縫疲勞開裂 安裝靜態混合器、提高再循環流量、頂底溫差監測
HRSG 過熱器/再熱器 冷凝水滯留引發的淬冷 (Quenching) 掃氣階段 / 冷態啟動 管排差異膨脹、集管箱內孔裂紋、管子拔出 增大疏水管徑、疏水箱低位佈置、掃氣抵免 (Purge Credit)
汽輪機轉子 機殼內熱空氣分層 (Thermal Hogging) 停機後靜止狀態 轉子熱弓、啟動高振動、動靜摩擦 (Rubbing) 嚴格執行盤車 (Turning Gear)、機殼保溫優化、熱點矯直修復
給水管線 混合流體不穩定 (Thermal Striping) 洩漏 / 熱備用狀態 高週熱疲勞 (High Cycle Fatigue)、管線支撐脫空 採用混合三通 (Mixing Tee)、加強無損檢測 (NDT)

資料來源：綜合整理自 7

參考文獻

  1. Numerical Investigation of Factors Influencing the Formation of Thermal Stratification in Water Bodies – MDPI, https://www.mdpi.com/2076-3417/15/17/9301
  2. The Impact of Inlet Structure on Stratification Performance in Thermal Storage Tanks: A Study through Simulation and Experimental Analysis – MDPI, 檢https://www.mdpi.com/2076-3417/14/12/5248
  3. On the critical Richardson number in stably stratified turbulence – Atmospheric and Environmental Sciences, https://www.atmos.albany.edu/facstaff/rfovell/NWP/2007-galperin-etal.pdf
  4. ASME B31.3 Process Piping Guide – LANL Engineering Standards, https://engstandards.lanl.gov/esm/pressure_safety/Section%20REF-3-R0.pdf
  5. Thermal Stratification In Cryogenic LNG Pipelines, https://cadeengineering.com/thermal-stratification-in-cryogenic-lng-pipelines/
  6. Thermal estratification – AutoPIPE, http://autopipe.me/en/thermal-estratification
  7. Failure Analysis for the Economizer Tube of the Waste Heat Boiler – China Steel Corporation, https://www.csc.com.tw/csc_e/ts/ena/pdf/no22/10–Tsung-Feng%20Wu.pdf
  8. Investigation into the Probable Cause of Failure of Economizer Tube of a Thermal Power Plant – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/225575105_Investigation_into_the_Probable_Cause_of_Failure_of_Economizer_Tube_of_a_Thermal_Power_Plant
  9. HRSG assessments identify trends in cycle chemistry, thermal …, https://documents.dps.ny.gov/public/Common/ViewDoc.aspx?DocRefId={F5021C85-3A9D-4826-8F67-5F12ED5C454D}&DocTitle=09-S-0794%20Exhibit__%20(MFC-1).pdf
  10. SPECIAL REPORT: HRSG assessments identify trends in cycle …, https://www.ccj-online.com/special-report-hrsg-assessments-identify-trends-in-cycle-chemistry-thermal-transient-performance/
  11. Remaining Life Assessment Method of Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Based on American Society Of Mechani, https://jurnal.unikal.ac.id.puskomceria.com/index.php/pena/article/view/5837/3887
  12. Rotor Bow – ASME Digital Collection, https://asmedigitalcollection.asme.org/ebooks/book/chapter-pdf/2793191/801frm_ch19.pdf
  13. 00-11 Turbine, Generator & Auxiliaries – Course 334 THE TURNING GEAR – canteach candu, https://canteach.candu.org/Content%20Library/20051018.pdf
  14. Straightening A Rotor | Turbomachinery Magazine, https://www.turbomachinerymag.com/view/straightening-a-rotor-2
  15. Turning Gear Operation in Turbines | PDF – Scribd, https://www.scribd.com/doc/298397178/Turbine-Barring-Gear
  16. Turbine-Generator Auxiliary Systems, Volume 6: Turning Gear Maintenance Guide – EPRI, https://restservice.epri.com/publicdownload/000000000001019645/0/Product
  17. How to straighten a bowed steam-turbine rotor – Combined Cycle …, https://www.ccj-online.com/how-to-straighten-a-bowed-steam-turbine-rotor/
  18. BOWED ROTOR STRAIGHTENING – MD&A Turbines, https://www.mdaturbines.com/wp-content/uploads/2014/02/Bowed-Rotor-Straightening_WebVersion_Dec-29-2010.pdf
  19. Thermal Fatigue due to Stratification and Thermal Shock … – INIS-IAEA, https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/36/036/36036665.pdf
  20. Gas Turbine Combined Cycle Fast Start: The Physics Behind the Concept, https://www.power-eng.com/gas/combined-cycle/gas-turbine-combined-cycle-fast-start-the-physics-behind-the-con/
  21. Startup and Shutdown NOx Emissions from Combined-Cycle Combustion Turbine Units – Agora Environmental Consulting, https://agoraenvironmental.com/papers/SUSD%20Chicago%20Paper.pdf
  22. Impact of Startup Purge Credit on Combined Cycle Plant Operation – Tetra Engineering, https://www.tetra-eng.com/news/impact-of-startup-purge-credit-on-combined-cycle-plant-operation
  23. Start-up optimization of a CCGT power station using model-based …, https://research.tudelft.nl/en/publications/start-up-optimization-of-a-ccgt-power-station-using-model-based-g/
  24. Thermal mixing characteristics of flows in horizontal T-junctions – Universität Stuttgart, https://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/9177/1/Dissertation_Final.pdf
  25. MONITORING FOR FATIGUE – EXAMPLES FOR UNEXPECTED COMPONENT LOADING – NC State Repository, https://repository.lib.ncsu.edu/bitstreams/9ba806e9-9c3f-4dd5-9554-f2a04e706986/download
  26. A Practical Guide for understanding – Turbine Supervisory Instrumentation – rotatic, https://www.rotatic.se/steam/TSI-Guide.pdf
  27. Pipe Static Mixers for desalination plants – Statiflo, https://statiflo.com/industries-2/desalination-plant/
  28. Combustion Turbine Electric Generating Units Technical Support Document (TSD), https://www.epa.gov/system/files/documents/2023-05/TSD%20-%20Efficient%20Generation%20Combustion%20Turbine.pdf
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