CCPP 熱回收鍋爐入口熱分層緩解與靜態混合器技術分析 (Technical Analysis of Thermal Stratification Mitigation and Static Mixer Technology at the CCPP HRSG Inlet)

/ Uncategorized / 作者:

前言

本報告針對聯合循環電廠（CCPP）中熱回收鍋爐（HRSG）入口處的流場特性，分析「人為製造漩渦」技術（靜態混合器）的工程原理、設計優化及其在保護後方管束與提升效能上的關鍵作用。

一、熱分層現象的流體力學成因與設備危害

在燃氣渦輪機（GT）排氣進入熱回收鍋爐（HRSG）的過程中，流體力學的不穩定性會導致嚴重的溫度分佈不均。若不加以控制，這種「熱分層」將對下游設備造成毀滅性的損傷。

1.1 擴壓段的流動分離與死區形成

燃氣渦輪機排氣通常具有高流速（>150 m/s）與高溫（600°C+），需經過一個擴張角度極大的過渡風道（Transition Duct）減速增壓後進入 HRSG。

  • 流動分離 (Flow Separation)： 由於擴張角過大，邊界層動量不足以克服逆壓梯度，導致氣流從壁面分離 1。
  • 角隅死區 (Dead Zones)： 在矩形風道的四個角落，容易形成低速甚至逆流的回流區。這些區域的氣體交換率極低，溫度迅速下降，而風道中心則維持高溫射流（Jetting），兩者溫差可達 200°C 以上 2。
  • 殘餘旋流 (Residual Swirl)： 渦輪機出口的殘餘旋轉動量會加劇流體的分層，使較熱與較冷的氣體難以自然混合 3。

1.2 對後方管束 (Tube Bundles) 的熱應力危害

用戶提到的「保護後方管束」是此技術最主要的應用驅動力。

  • 差異熱膨脹與彎曲 (Bowing)： 當同一排管束中，部分管子處於 600°C 的核心射流中，而鄰近管子處於 400°C 的死區中時，管材會產生顯著的差異熱膨脹。由於集箱（Header）限制了管子的自由伸縮，受熱管會承受巨大的壓縮應力導致彎曲變形，冷管則承受拉伸應力導致焊道裂紋 4。
  • 潛變-疲勞交互作用 (Creep-Fatigue)： 現代 HRSG 過熱器常用的 T91/P91 材料對溫度極為敏感。局部的「熱條紋」（Hot Streaks）會導致管壁溫度超出設計極限，呈指數級縮短材料的潛變壽命；配合電廠啟停的熱循環，極易誘發早期的疲勞失效 4。
  • 流體彈性不穩定： 高速射流直接衝擊管束，還可能引發流體彈性不穩定（Fluid Elastic Instability），導致管子劇烈振動與磨損 3。

二、核心技術：靜態混合器與人為製造漩渦

為了解決上述「死氣沉沉」的流場問題，工程界引入了空氣動力學中的渦流產生器（Vortex Generators, VGs），主動在流場中「製造」強力的漩渦來強制混合。

2.1 渦流產生機制：縱向渦的優勢

傳統擋板（Baffles）依賴阻力來擴散流體，效率低且壓損大。先進的靜態混合器則利用升力機制產生縱向渦（Longitudinal Vortices）。

  • 對流傳輸 (Convective Transport)： 縱向渦的旋轉軸與主流方向平行，能像螺旋輸送機一樣，主動將中心的高溫流體「捲」向壁面，並將壁面的低溫流體帶入中心。這種大尺度的對流混合效率遠高於自然的湍流擴散 3。
  • 低衰減特性： 相較於圓柱體產生的卡門渦街（橫向渦），縱向渦的結構非常穩定，能在下游維持很長的距離，確保混合作用能覆蓋整個擴壓段 7。

2.2 關鍵設計形式：三角翼與 HEV

  • 三角翼 (Delta Wing)： 源自航空技術。當氣流流過帶有攻角（Angle of Attack）的三角翼時，會產生以下機制：
    1. 前緣分離： 氣流在銳利前緣分離。
    2. 渦流捲起： 形成成對的螺旋渦（CVP）。
    3. 誘導效應： 在翼後方誘導出強烈的下洗或上洗氣流，打破邊界層 8。
  • 參數優化： 研究顯示，攻角設定在 40° 至 45° 時，能產生強度最強的渦流，且在混合效率與壓力損失之間取得最佳平衡 3。
  • 高效渦流片 (HEV) 與柯恩達效應： 利用柯恩達效應（Coanda Effect），即流體傾向附著於凸曲面的特性，設計特殊的突片（Tabs）幾何形狀。這類設計能在極低的壓損下（比傳統混合器低 75%）誘導出受控的渦流結構，特別適合對背壓敏感的燃氣渦輪機組 10。

2.3 設計目標指標 (TUI)

透過計算流體力學（CFD）模擬，工程師使用**溫度均勻度指數（Temperature Uniformity Index, TUI）**來評估混合效果。

  • 理想的設計目標是將 HRSG 入口截面的 TUI 提升至 90 – 0.95 以上 12。
  • 同時需將速度分佈的均方根偏差（RMS）降低至 15% 以下，以消除導致振動的高速射流 1。

三、工程效益與經濟可行性分析

安裝靜態混合器雖然會增加微小的背壓，但其帶來的工程效益與經濟價值遠超成本，是現代 CCPP 的標準優化策略。

3.1 SCR 脫硝系統的關鍵優化

除了保護管束，渦流混合對選擇性催化還原（SCR）系統至關重要。

  • 溫度窗口： 催化劑需在特定溫度範圍（如 300-420°C）內運作。混合器消除了低溫死區，防止了具腐蝕性且黏稠的硫酸氫銨（ABS）在低溫區生成並堵塞催化劑 1。
  • 氨氣混合： 在氨噴射格柵（AIG）後方安裝混合器，能確保氨氣與 NOx 在極短距離內均勻混合，將氨逃逸（Ammonia Slip）控制在 5 ppm 以下，滿足嚴格環保法規 14。

3.2 技術經濟分析：背壓 vs. 壽命

  • 背壓懲罰 (Backpressure Penalty)： 燃氣渦輪機對背壓敏感。一般而言，背壓每增加 1 英寸水柱（約 250 Pa），熱耗率（Heat Rate）約增加12% 16。先進的三角翼混合器設計壓損極低（< 0.5 英寸水柱），對發電效率影響微乎其微。
  • 投資回報 (ROI)：
    1. 防止非計畫停機： 避免一次因管束熱應力破裂導致的強迫停機（可能損失數百萬美元營收），即可完全回收混合器的安裝成本 18。
    2. 壽命延長： 透過消除熱點與循環熱應力，可顯著延長 HRSG 受壓件的使用壽命，延後昂貴的設備汰換週期 5。

結論

綜合流體力學分析與經濟評估，「人為製造漩渦」不僅是解決 CCPP 熱分層問題的物理手段，更是一種高投資回報的資產保護策略。

  1. 物理機制明確： 利用三角翼或 HEV 靜態混合器產生的大尺度縱向渦，透過對流傳輸機制，能有效打破燃氣渦輪機排氣中的「死氣沉沉」的低溫層與高溫射流，實現熱能與動量的均勻化。
  2. 保護效果顯著： 通過將 TUI 提升至95 以上，混合器消除了導致管束彎曲、焊縫開裂及 T91 材料潛變-疲勞交互作用的根本原因——巨大的局部溫差。
  3. 經濟效益優越： 相較於傳統阻力型混合裝置，空氣動力學渦流產生器以極低的背壓代價（< 0.5 in H2O）換取了極高的混合效率，其在防範事故與延長壽命方面的隱形收益遠超其初始投資與運行成本。

參考文獻

  1. Investigation of the Flow Pattern in a Complex Inlet Duct of a Heat …, http://article.sapub.org/10.5923.j.ep.20120201.01.html
  2. NUMERICAL ANALYSIS OF HRSG INLET DUCT FOR UNIFORM …, https://www.jchps.com/specialissues/Special%20issue%206/JCHPS%2048%20JESULIN%20IMMANUEL%20212-216.pdf
  3. NUMERICAL PERFORMANCE ANALYSIS OF … – Thermal Science, https://thermalscience.rs/pdfs/papers-2024/TSCI231010287O.pdf
  4. Understanding evolution, causes, and prevention of HRSG tube …, https://www.nsenergybusiness.com/analysis/understanding-evolution-causes-prevention-hrsg-tube-failures/
  5. Reliability and durability from large heat recovery steam generators – Competitive Power Resources, https://competitivepower.us/pub/pdfs/reliability-and-durability-from-large-hrsgs.pdf
  6. Heat transfer enhancement using different types of vortex generators (VGs): A review on experimental and numerical activities | Request PDF – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/323188190_Heat_transfer_enhancement_using_different_types_of_vortex_generators_VGs_A_review_on_experimental_and_numerical_activities
  7. Numerical/experimental study of a wingtip vortex in the near field …, https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/3.12826
  8. Delta DSI Static Mixers – McIlvaine Company, http://www.mcilvainecompany.com/Universal_Power/Subscriber/PowerDescriptionLinks/Clayton%20Erickson,%20Babcock%20Power%20UK%20-%206-20-13.pdf
  9. Experimental Investigation of Trapezoidal Duct using Delta Wing Vortex Generators – Engineering Research Publication, https://www.erpublication.org/published_paper/IJETR042191.pdf
  10. STATIC MIXING TECHNOLOGY – Flexachem, https://www.flexachem.com/wp-content/uploads/2013/10/KM-Static-Mixer-bulletin_800.pdf
  11. Analysis, Design and Fabrication of Micromixers – MDPI, https://mdpi-res.com/bookfiles/book/3897/Analysis_Design_and_Fabrication_of_Micromixers.pdf?v=1751072653
  12. Investigation of Flow Channel Configurations in Liquid-Cooled Plates for Electric Vehicle Battery Thermal Management – MDPI, https://www.mdpi.com/2032-6653/16/9/536
  13. AN EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY OF TEMPERATURE UNIFORMITY ENHANCEMENT VIA PASSIVE GEOMETRY MODIFICATIONS IN AIR DILUTION MIX, https://minds.wisconsin.edu/bitstream/handle/1793/93486/Soliman_uwm_0263M_13658.pdf?sequence=1
  14. HRSG HEAT TRANSFER AND SCR PERFORMANCE IMPROVEMENTS THROUGH CFD MODELING AND FIELD TESTING – Airflow Sciences Corporation, https://www.airflowsciences.com/sites/default/files/docs/Airflow-Sciences-EPRI-Heat-Rate-2024-02-27.pdf
  15. Proceedings1989 Joint Symposium on Stationary Combustion Nox Control San Francisco CA March 6-9 1989 Volume 2 – epa nepis, https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=P101E4B9.TXT
  16. Comparison of Alternate Cooling Technologies for California Power Plants, Economic, Environmental, and Other Tradeoffs, February, https://www3.epa.gov/region1/npdes/merrimackstation/pdfs/ar/AR-1167.pdf
  17. Improving Heat Rate on Combined Cycle Power Plants – Andover …, https://www.andovertechnology.com/wp-content/uploads/2021/03/C_18_EDF_FINAL.pdf
  18. FEATURES – Combined Cycle Journal, https://www.ccj-online.com/wp-content/uploads/2025/11/CCJ-Issue-84-web.pdf
購物車