CCPP 冷啟動（Cold Start）深度分析報告：氣渦輪機點火初期排氣濕度變化機制、冷凝現象與工程挑戰分析研究 (In-depth Analysis Report on CCPP Cold Start: Exhaust Humidity Variation Mechanisms, Condensation Phenomena, and Engineering Challenges During Early Gas Turbine Ignition)

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一、緒論與摘要

聯合循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）作為現代電力系統中靈活性與效率並重的核心發電資產，其啟動過程——特別是冷啟動（Cold Start）——代表了整個機組運轉壽命中最為劇烈的熱力學與機械應力挑戰階段。本報告旨在針對使用者提出之核心議題：「分析氣渦輪機（Gas Turbine, GT）點火初期冷啟動階段為何比正常運轉時『濕』得多，以及此期間濕度變化的過程與工程挑戰」，進行極致詳盡的學術與工程分析。

在基載（Base Load）運轉時，氣渦輪機排氣溫度（Exhaust Gas Temperature, EGT）通常高達 550°C 至 650°C 1，此時燃燒生成的水分以高度過熱（Superheated）的氣態形式存在，相對濕度極低，對下游的熱回收鍋爐（Heat Recovery Steam Generator, HRSG）而言，這是一種「乾式」的熱源。然而，在冷啟動階段，狀況截然不同。研究數據顯示，在清洗（Purge）與點火初期，HRSG 內部可能生成數百公斤的冷凝水 2，排氣流場呈現高度飽和的「濕」狀態。這種濕度不僅來自於環境空氣的濕度與燃燒化學反應，更受控於冷金屬表面的熱慣性（Thermal Inertia）與低溫排氣的熱力學特性。

本報告將深入探討此一現象的物理化學機制，從碳氫燃料燃燒的化學計量學出發，分析燃氣在不同熱力狀態下的飽和特性。隨後，我們將詳述從盤車清洗、點火、暖機（Soaking）到負載爬升過程中的濕度演變歷程，並量化冷凝液的生成與遷移機制（如「掃雪機效應」）。最後，報告將全面剖析由此衍生的工程挑戰，包括酸露點腐蝕（Acid Dew Point Corrosion）、應力腐蝕龜裂（SCC）、管排淬冷（Quenching）以及災難性的汽輪機進水（Water Induction）風險，並提出基於現代控制邏輯（如飽和溫度差控制）與設備設計（如快速啟動技術）的緩解策略。

二、氣渦輪機排氣「濕度」的熱力學與化學起源

要理解為何冷啟動階段被定義為「濕」的過程，必須先從燃燒的基本化學反應與空氣的熱力性質進行解構。所謂的「濕」，在工程熱力學上並非僅指液態水的存在，而是指工質（排氣）接近或達到露點（Dew Point），具備極高的相變潛力。

（一）碳氫燃料燃燒的化學計量學：水分的必然生成

天然氣是現代 CCPP 的主要燃料，其主要成分為甲烷（CH4）。在理想的化學計量燃燒（Stoichiometric Combustion）中，氫元素的氧化必然伴隨著大量水分子的生成。

其基本反應方程式為：

CH4 + 2O2 →CO2 + 2H2O + Heat

從質量平衡的角度分析，每燃燒 1 公斤的甲烷，大約會產生 2.25 公斤的水蒸氣。這意味著，氣渦輪機本質上就是一台巨大的「造水機」。在正常全負載運轉下，由於排氣溫度極高（>600°C），這些水分均勻分佈在大量的過量空氣中，且遠離飽和線，因此呈現「乾」氣體特性。

然而，在冷啟動階段，以下三個因素導致了「濕度」的異常升高：

  1. 點火初期的富油燃燒（Fuel-Rich Ignition）： 為了在冷態燃燒室中建立穩定的火焰核心並防止熄火（Lean Blowout），控制系統在點火瞬間通常會提供比基載運轉時更高的燃油/空氣比（Fuel/Air Ratio）3。這種富油混合氣雖然時間短暫，但會在局部產生更高濃度的燃燒產物，包括水蒸氣與未完全燃燒的碳氫化合物（UHC），這些物質在低溫下極易形成氣膠或凝結核。
  2. 低排氣溫度（Low EGT）： 在點火、暖機與低負載階段，氣渦輪機的熱效率尚未達到最佳點，且大量熱能被冷的透平葉片與排氣擴壓器吸收。此時進入 HRSG 的排氣溫度可能僅有 300°C 至 400°C 甚至更低 4。根據熱力學飽和氣壓曲線，氣體容納水蒸氣的能力隨溫度呈指數下降，導致相對濕度迅速攀升。
  3. 環境濕度的濃縮效應： 氣渦輪機吸入大氣作為氧化劑與工質。若啟動當下環境濕度較高（例如相對濕度 >80%），壓縮機雖然會因壓縮熱而防止水氣在壓氣機內凝結，但這股富含水分的空氣最終會匯入燃燒生成的水分中。研究指出，高環境濕度會顯著增加排氣中的總水氣含量，並延遲點火後的溫度爬升 5。

（二）冷啟動期間的「濕」定義與相變條件

在冷啟動分析中，我們將「濕」定義為排氣流中**水蒸氣分壓（Partial Pressure of H2O）**相對較高，且系統內金屬表面溫度（Tmetal）低於氣體露點溫度（ Tdp）的狀態。

  • 水露點（Water Dew Point）： 通常在 40°C 至 60°C 之間，取決於燃氣中的水分含量與總壓力。
  • 酸露點（Acid Dew Point）： 若燃料中含有微量硫，或大氣中含有SO2，則會形成硫酸蒸汽。硫酸的露點遠高於水露點，通常在 110°C 至 150°C 之間 7。

冷啟動的特徵在於：Tmetal < Tacid_dp 甚至Tmetal < Twater_dp。這導致排氣在接觸到 HRSG 的過熱器、蒸發器與省煤器管束時，不僅僅是傳遞顯熱（Sensible Heat），更發生了相變傳熱（Condensation Heat Transfer），在管壁表面析出液態水或酸液。這就是冷啟動比正常運轉「濕」得多的根本物理原因。

三、冷啟動期間「濕度」變化的完整過程解析

冷啟動並非單一狀態，而是一個動態的過程。水分的生成、凝結與蒸發隨著機組的轉速、負載與時間而劇烈變化。根據文獻數據與現場實務，我們可以將此過程劃分為四個關鍵階段。

（一）第一階段：清洗與盤車（The Purge Phase）——冷凝的起始點

最令人意想不到的「濕」現象往往發生在點火之前。根據 NFPA 85 等安全規範，在點火前必須進行爐膛清洗（Purge），以移除可能積存的可燃氣體 2。此過程要求氣渦輪機在無燃料供給的情況下，以盤車轉速（Cranking Speed）帶動大量環境空氣流過 HRSG。

  • 冷卻效應（Cooling Effect）： 若 HRSG 處於「冷態」但仍保有微溫（例如停機數天後，金屬溫度仍高於環境溫度），或者金屬溫度已降至環境溫度，清洗過程引入的冷空氣會迅速帶走金屬的熱量。
  • 水分引入： 更關鍵的是，若環境空氣潮濕，這股氣流本身就帶有水分。當這些空氣接觸到熱容量巨大的金屬管壁時，若管壁溫度低於空氣露點，或者空氣在流動過程中因膨脹而降溫，凝結就會發生。
  • 數據佐證： 根據 Ehyaei 等人的研究模型顯示，冷凝水的形成最早可在清洗開始後 80 秒 內發生。在一個典型的清洗週期結束時，HRSG 內部可能累積高達 238 公斤（約 238 公升） 的冷凝水 2。這意味著在第一道火焰產生前，鍋爐內部已經處於「濕透」的狀態。

（二）第二階段：點火與暖機（Ignition and Soaking）——水分生成的峰值

當 GT 點火後，燃燒生成的水分開始疊加到系統中。此時，HRSG 進入所謂的「暖機」（Soaking）階段。

  • 金屬熱慣性： HRSG 由數千噸的鋼材（管束、集箱、汽包）組成，具有極大的熱慣性。雖然排氣溫度開始上升（例如至 300°C），但金屬溫度的上升速度遠滯後於氣體溫度。
  • 露點穿越（Dew Point Crossing）： 排氣流經省煤器（Economizer）與低壓蒸發器（LP Evaporator）等冷端組件時，邊界層氣體溫度迅速降至管壁溫度。由於管壁仍處於冷態，大量水分在此凝結。
  • 酸液形成： 此階段也是酸露點腐蝕的高風險期。研究指出，酸液的沉積速率並非在最低溫時最大，而是在金屬溫度低於酸露點約 20°C 至 30°C 時達到峰值 7。暖機過程正好讓金屬長時間停留在此一高腐蝕速率的溫度區間。

（三）第三階段：冷凝水的遷移與「掃雪機效應」（The Snowplow Effect）

隨著 GT 轉速提升與負載增加，排氣流量（Mass Flow）顯著增大。這導致了物理上的液態水遷移現象。

  • 夾帶與衝擊： 高速氣流會將附著在鰭片管（Finned Tubes）上的水滴剝離，並挾帶至下游。
  • 掃雪機效應（Snowplow Effect）： 積存在集箱（Header）或水平管段底部的冷凝水，會被高速流動的蒸汽或氣流像推土機一樣向前推動 9。這股水栓（Water Slug）可能被推入溫度較高的過熱器（Superheater）區域。
  • 淬冷風險： 當這些冷水栓接觸到已經被加熱的過熱器管壁時，會造成劇烈的局部冷卻，即「淬冷」（Quenching），導致極大的熱應力。

（四）第四階段：乾燥與過熱建立（Drying Out）

隨著機組負載持續爬升，HRSG 金屬溫度最終超過飽和溫度與酸露點。

  • 蒸發與過熱： 積存的水分開始蒸發。對於汽輪機（Steam Turbine, ST）而言，必須等到蒸汽溫度超過飽和溫度一定幅度（例如 +50°F 或 +28°C 的過熱度），才能視為「乾」蒸汽並允許通氣 10。
  • 狀態轉變： 此時系統才真正從「濕」狀態轉變為「乾」狀態，進入正常的聯合循環運轉模式。

四、冷啟動期間「濕」環境衍生的工程挑戰

這種獨特的濕度環境對 CCPP 的設備完整性與運轉策略構成了多重挑戰。這些挑戰涵蓋了材料科學、流體力學與控制工程領域。

（一）腐蝕機制：酸露點與應力腐蝕

冷啟動的濕潤環境是鍋爐管材腐蝕的主要溫床。

1. 硫酸露點腐蝕（Cold End Corrosion）

儘管天然氣被視為清潔燃料，但其中仍可能含有微量的硫，且潤滑油洩漏或大氣污染物也可能引入硫源。

  • 形成機制： 硫氧化生成SO2，部分進一步氧化為 SO3。SO3 與水蒸氣結合形成硫酸蒸汽 (H2SO4)。
  • 危害： 當金屬溫度低於酸露點（約 110-150°C）時，高濃度的硫酸液膜凝結在省煤器管壁與鰭片上。這不僅造成管壁減薄（Wastage），生成的硫酸鐵（Iron Sulfate）鏽皮還會剝落，堵塞管排間隙，增加背壓（Backpressure），甚至毒化下游的 SCR 觸媒 7。
  • 數據支持： 文獻指出，對於燃燒含硫燃料的鍋爐，必須嚴格控制冷端金屬溫度高於酸露點（如圖表 3-2 所示，根據硫含量不同，限制溫度可從 118°C 至 135°C 不等）13。

2. 濕大氣下的應力腐蝕龜裂（SCC）

若停機期間未能有效除濕，殘留的水分與氧氣會在奧氏體不銹鋼（Austenitic Stainless Steel）部件上引發應力腐蝕龜裂，特別是在高應力區（如銲道）11。

（二）熱應力與機械損傷：淬冷與疲勞

液態水與熱金屬的交互作用是破壞性的。

  • 管排淬冷（Tube Quenching）： 如前所述，「掃雪機效應」將冷水帶入熱管區。監測數據顯示，在冷啟動期間，過熱器管壁可能經歷高達 500°F (278°C) 的瞬間溫降 9。
  • 管排變形（Bowing）： 由於水往往積存在管排底部，導致管子底部冷卻而頂部仍熱。這種上下溫差（Top-Bottom Differential）造成差異熱膨脹，導致管排發生永久性的弓形變形（Bowing），嚴重時會從集箱銲口處撕裂 9。
  • 低週疲勞（Low Cycle Fatigue）： 反覆的冷啟動淬冷循環會快速消耗材料的疲勞壽命，這是高循環（Cycling）機組壽命折損的主因之一 12。

（三）汽輪機進水（Water Induction）的災難性風險

這是冷啟動中最為嚴重的風險。汽輪機的葉片設計用於膨脹氣體，而非壓縮液體。

  • 損壞機制： 高速旋轉的葉片撞擊液滴（水珠）會造成嚴重的沖蝕（Erosion）。若發生大量進水（Water Slug），液體不可壓縮的特性會產生極大的水錘效應，導致葉片斷裂、推力軸承損壞，甚至轉子永久彎曲 15。
  • 預防邏輯： 這迫使工程師在啟動邏輯中設置嚴格的「過熱度」保護，必須確認蒸汽完全乾燥後才能開啟主汽閥，這直接延長了啟動時間。

（四）汽包水位控制：虛假水位與膨脹

冷啟動時的「濕」狀態也影響汽包（Drum）的水位控制。

  • 膨脹（Swell）： 隨著加熱開始，汽包內的水位會因氣泡生成（Void Fraction 增加）而迅速膨脹。若控制不當，高水位會導致水滴被夾帶進入過熱器（Carryover），加劇下游的淬冷風險 14。

五、應對策略與工程解決方案

面對上述挑戰，現代電廠採用了結合設計優化與先進控制邏輯的綜合策略。

（一）疏水系統（Drain System）的優化設計

疏水系統是移除冷凝水的第一道防線。

  • 幾何設計： 疏水點必須位於集箱與管路的絕對低點。建議疏水管路的坡度至少為 1:50，以確保在熱膨脹位移後仍能保持重力排水 9。
  • 疏水罐（Drain Pots）： 應使用集液罐（Pots）而非單純的管接頭，並配備液位檢測或導電度計（Conductivity Probes）以偵測液相 9。
  • 避免共用集管： 不同壓力等級（如 HP, IP, LP）的疏水管絕對不可在未隔離的情況下接入同一集管，以免高壓疏水倒流（Reverse Flow）至低壓側造成淬冷 10。

（二）智慧疏水邏輯：飽和溫度差控制

傳統的定時疏水（如「開閥 10 分鐘」）已不足以應對複雜的冷啟動工況。現代 DCS 控制系統採用基於物理狀態的邏輯。

邏輯原理： 系統實時測量集箱內的蒸汽壓力（Psteam），並計算對應的飽和溫度（Tsat）。同時，測量疏水管壁溫度（Tdrain）。

  • 判斷基準：
    • 若 Tdrain < Tsat，表示管內為過冷水（Subcooled Water），疏水閥保持 全開。
    • 若 Tdrain ≒ Tsat或更高，表示管內已充滿蒸汽，疏水閥 關閉 以避免蒸汽浪費 9。
  • 應用： 這種邏輯能確保僅在有水時排水，並在水排乾後立即關閉，兼顧了設備保護與啟動效率。

（三）冷端溫度控制與再循環

為了對抗酸露點腐蝕，必須人為提升冷端組件的溫度。

  • 給水再循環（Feedwater Recirculation）： 將省煤器出口的熱水回流至入口，混合冷凝結水。目標是將省煤器入口溫度提升至 60°C (140°F) 或更高，確保管壁溫度高於酸露點 20。
  • 低溫省煤器旁通： 在極端冷啟動條件下，可暫時旁通部分低溫受熱面。

（四）快速啟動技術（Fast Start / OpFlex）

GE 與 Siemens 等大廠開發了快速啟動技術（如 OpFlex, DrumPlus），試圖打破「慢速暖機」的限制。

  • 解耦啟動（Decoupling）： 允許 GT 快速爬升負載，而 ST 暫時旁通。這能讓 GT 盡快產生高溫排氣，縮短 HRSG 停留在「濕」區間的時間 22。
  • 薄壁設計： 採用高強度合金鋼（如 Grade 91）製造更薄的汽包與集箱，降低熱慣性，使其能承受更快的升溫速率，從而迅速通過露點腐蝕區 14。

六、綜合數據比較表

為更直觀地展示冷啟動與正常運轉的差異，下表彙整了關鍵參數的比較。

表 1：冷啟動與基載運轉之排氣條件比較

參數 冷啟動 / 清洗階段 (Cold Start / Purge) 基載運轉 (Base Load) 對 HRSG 的影響與意涵
排氣溫度 (Tgas) 環境溫度 ~ 150°C (爬升中) 580°C – 620°C 低溫導致氣體持水能力差，易過飽和。
金屬溫度 (Tmetal) 環境溫度 (如 10-20°C) > 飽和溫度 (如 300°C+) 冷金屬成為冷凝表面，引發相變傳熱。
水分狀態 飽和 / 凝結 (Saturated / Condensing) 過熱蒸汽 (Superheated Vapor) 「濕」運轉 vs. 「乾」運轉。
冷凝水量 可達數百公升 (如 238 kg 2) 趨近於零 需大量排水，否則有水錘風險。
腐蝕風險 極高 (酸露點腐蝕、氧腐蝕) 低 (僅高溫氧化) 設備壽命損耗的關鍵窗口期。

表 2：冷凝水生成估算表 (基於2 研究)

階段 持續時間 預估冷凝水質量 生成機制
清洗起始 (Purge Start) 0 – 80 秒 極少 空氣置換初期。
清洗活躍期 (Purge Active) 80 秒 – 結束 ~238 kg (238 公升) 冷空氣冷卻微溫金屬，導致殘餘濕氣凝結。
點火爬升 (Ignition Ramp) 0 – 10 分鐘 變動量大 (高) 燃燒生成水 + 金屬暖機吸熱導致的凝結。

七、結論

綜合上述分析，CCPP 冷啟動階段的「濕」現象並非單純的環境因素所致，而是由碳氫燃料燃燒化學、金屬熱慣性以及清洗程序的熱力學效應共同作用的結果。從清洗階段即開始的大量冷凝水生成（可達 238 kg），到點火初期富油燃燒帶來的水分加成，再到暖機階段的酸露點腐蝕風險，這一切構成了冷啟動期間獨特的流體力學與化學環境。

這種「濕」環境是 CCPP 設備老化與故障的主要驅動力之一。它導致了酸露點腐蝕、管排熱疲勞、變形以及汽輪機進水風險。因此，工程上的應對之道不在於消除水分（這是燃燒的必然產物），而在於管理水分。透過優化的疏水系統設計、基於飽和溫度的智慧控制邏輯、以及快速啟動技術的應用，電廠運轉人員可以在最小化腐蝕與熱應力的前提下，安全地引導機組通過這個危險的「濕」區間，最終達成穩定、乾燥的高效運轉。

隨著再生能源佔比提高，CCPP 機組將面臨更頻繁的起停循環（Cycling Duty）。深入理解並妥善管理冷啟動期間的濕度變化，將從邊緣性的運轉議題，轉變為確保電廠長期可靠度與經濟效益的核心關鍵。

參考文獻

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