Once through Boiler ??.????? ?????? · เทคโนโลยี once through boiler...

เทคโนโลย

ONCE THROUGH BOILER

การใชเพอถายเทความรอน

ผศ.ดร. สรชย สนทใจหวหนาศนยวศวกรรมอณหภาพ

ภาควชาวศวกรรมเครองกล

มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

Email: surachai.san@kmutt.ac.th

เอกสารและเนอหาทใชในการบรรยายนไดรบ

ความอนเคราะหจาก

1. คณศภวฒน ธาดาจารมงคล

สานกเทคโนโลยความปลอดภย กรมโรงงานอตสาหกรรม

2. บรษท K. Y. INTERTRADE CO.,LTD.

3. บรษท MIURA, JAPAN

2

• Fire Tube Boiler (หมอนาทอไฟ)

• Water Tube Boiler (หมอนาทอนา)

• Once Through Boiler (หมอนาแบบไหลผานทางเดยว)

• Hot Water Boiler (หมอตมนารอน)

• Thermal Oil Boiler (หมอตมนามนรอน)

เทคโนโลย Boiler

ประเภทของ BOILERS

• ใชงานไมเกน 20 บาร

• ออกแบบผลตไอไมเกน 20 T/Hr

• โครงสรางมความเสยงตอการระเบดสง

• ถาระเบดจะเกดอนตรายรนแรงมาก

• ขนาดยงใหญ ยงมความเสยงสง อนตรายมาก

เทคโนโลย Boiler

หมอนาทอไฟ (Fire Tube Boiler)

• ประหยดเชอเพลง ถาใชงานภายใตภาระสงคงท และตอเนองโดยไมหยด

• สนเปลองเชอเพลงมาก ถาเดนๆหยดๆหรอภาระการใชงานไมแนนอน

• ประเทศไทย

ใชหมอนาทอไฟ~70%

สถตการระเบดป 2521-2549 จานวน 44 ครง

• ประเทศญปน

ใชหมอนาทอไฟ~5%

เทคโนโลย Boiler

หมอนาทอไฟ (Fire Tube Boiler)

หมอนาแบบทอนา(Water Tube Boiler)

ราคา ขนาดเลกแพง ขนาดใหญถกลง

ออกแบบใชงานไดสงถง 240 บาร

ออกแบบผลตไอตงแต 100 kg/h- 4000 t/h

โครงสรางมความปลอดภยสง

ผลตไอไดเรว ใหพลงงานกล/ความรอน

ตองใชน าปอนทมความบรสทธสง

เทคโนโลย Boiler

WATER TUBE BOILERS

เทคโนโลย Once Through Boiler

หมอนาวนซทร คออะไร? What is Once Through Boiler ?

เทคโนโลย Once Through Boiler

ลกษณะหมอไอนา Once through

Safty valveSteam outlet

BurnerDamper motor

Separator

Water level gauge

Blowdown outletLower headerCaster

Water inletWater pumpInsulation

Exhaust gas path

Upper header

Blower

เทคโนโลย Once Through Boiler

โครงสรางหมอไอนาหมอนาวนซทร

แบบหมอนาตงทอนาขด

- จนานอย ผลตไอไดเรว

- ดแลรกษาทอนายาก

แบบหมอนาตงทอนาตงหลายทอ (Multi Tube)

- จนานอย ผลตไอไดเรว

- ดแลรกษาทอนางายกวาแบบทอนาขด

เทคโนโลย Once Through Boiler

• What is the meaning of once through boiler?

– The term "once-through boiler" refers to a special type of water-tube

boiler composed of tubes, in which water is input at the bottom, and

steam is produced from the top.

– Once Through Boiler เปนเครองกาเนดไอนาแบบทอนาทมลกษณะพเศษ

ประกอบดวยทอนาหลายๆ ทอ ซงมการปอนนาเขาทางดานลาง

และผลตไอนาปลอยออกทางดานบน

• What is the main components of once through boiler?

– water tube

• once-through boiler (mechanical engineering)

– A boiler in which water flows, without recirculation, sequentially

through the economizer, furnace wall, and evaporating and

superheating tubes.McGraw-Hill Dictionary of Scientific & Technical Terms, 6E, Copyright © 2003 by The McGraw-Hill Companies, Inc.

หมอนาวนซทร คออะไร? What is Once Through Boiler ?

เทคโนโลย Once Through Boilerหลกการทางาน

Once Through Boiler, A boiler in which water flows, without recirculation, sequentially through the

economizer, furnace wall, and evaporating and superheating tubes.

Once Through Boiler,

in contrast to recirculation

or natural circulation units,

are characterized by

continuous flow paths from

the evaporator inlet to the

superheater outlet without

a separation drum in the

circuit.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Equi

vale

nt o

utpu

t (kg

/h)

YearChanges in evaporation amounts of small once-through boilers

Changes in evaporation amounts of small once-through boilers

(Technological advancements)

Flow of combustion gas (ω flow)

พฒนาการหมอนาวนซทร :

Sizing of Small Once-Through Boilers

70

80

90

100

110

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Effic

ienc

y (%

)

YearChanges in efficiency of small once-through boilers

Changes in efficiency of small once-through boilers (Technological advancements)

Adoption of ω flow pressure vessel

Adoption of economizer

Adoption of ω flow pressure vessel with fin

พฒนาการหมอนาวนซทร :

Sizing of Small Once-Through Boilers

Once-

through

boilers

98%

Others

1%

Fire tube

boilers

1%

Boiler Market in Japan (excluding boilers for power generation)

Year 2011

Fiscal 2011 boiler production status

Boiler types produced by percentages

Production

Once-through

boilers

87%

Others

6%

Fire tube boilers

5% Water tube

boilers

2%

Installation

Boiler installation status

Boiler types installed by percentages

15

จดเดนของหมอนาวนซทร

1. ความปลอดภยสง

2. ประสทธภาพสง ประหยดเชอเพลง

3. ปรมาณความจนานอย ผลตไอนาไดเรว ตอบสนอง

ความตองการใชไอนาไดภายใน 5 นาท

4. ตดตงงาย ใชพนทในการตดตงนอย หมอนาเลก

นาหนกเบา สถานทตดตงลงทนนอย

5. ตดตงหมอนาเพมไดงาย เมอตองการขยายกาลงผลต

ระยะหางระหวางหมอนาไดรบการยกเวนตามกฎหมาย

เทคโนโลย Once Through Boiler

16

จดเดนของหมอนาวนซทร

1. ความปลอดภยสง

หมอนาตองไมระเบด เมอเกด Overheat หรอ Over Pressureหมอนาอาจเสยหายได แตความเสยงจากอบตเหตและความเสยหายจากความรอน

และความดนของหมอนา จะตองไมทาใหเกดความเสยหายตอชวตและทรพยสนทอยใกลเคยง

หมอนาทอไฟ

หมอนาวนซทร

17

140

250 cm.

แรงทเกดจาก Pressure บนเปลอกหมอนา

จากสตรพนฐาน F = P*A

= p * projected area

= p * 2rl

= 10* (2*70*250)

= 350,000 kgcm.

ความปลอดภยจากการระเบดของหมอนา

หมอนาแบบทอไฟขนาด 2 ตน/ช.ม.

แรงกระทาตอพนท(จากความหนาเปลอกหมอนา) สงมาก ทาใหความเสยงสง มกเกดอนตรายโดยรอบหมอนา

18

5

100 cm.

= p * projected area

= p * 2rl

= 10* (2*2.5*100)

= 5,000 kgcm.

แรงทเกดจาก Pressure บนทอนา

จากสตรพนฐาน F = P*A

หมอนาแบบทอนาขนาด 2 ตน/ช.ม.

แรงกระทาตอพนท(จากความหนาทอนา) ตามาก ทาใหความเสยงตา ไมเกดอนตรายโดยรอบหมอนา

ความปลอดภยจากการระเบดของหมอนา

19

Boiler Design – Thermal Shock

20

Boiler Design – Thermal Shock

Source: Boiler & Crane Safety Association Homepage as of June 3,2013, Japan

Year Boilers Small boilers Simple boilers

2011 1 0 0

2010 0 0 0

2009 0 0 0

2008 1 0 0

2007 0 0 0

2006 2 0 0

2005 0 0 0

2004 1 0 0

2003 0 0 0

2002 3 0 0

2001 0 0 0

2000 0 0 0

1999 0 0 0

Total 8 0 0

Number of boiler related fatalities by boiler type in JAPAN

22

จดเดนของหมอนาวนซทร

2. ประสทธภาพสง พจารณาไดจาก

ประสทธภาพการเปลยนเชอเพลงเปนไอนา (Fuel to Steam Efficiency) ควรสงทสด

• หมอนาแบบทอไฟนอน (Package Boiler) ประสทธภาพสงสด ๘๐-๙๐ %

• หมอนาแบบทอนาชนดไหลผานทางเดยว (Once Through Boiler) ประสทธภาพสงสด ๘๕-๙๘ %

ประสทธภาพการใชงานจรง (In Service Efficiency) โดยเฉลย ควรสงทสด

• หมอนาแบบทอไฟนอน (Package Boiler) ประสทธภาพเฉลย ๗๐-๘๕ %

• หมอนาแบบทอนาชนดไหลผานทางเดยว (Once Through Boiler) ประสทธภาพเฉลย ๘๐-๙๕ %

ประสทธภาพ มผลตอคาใชจาย ตอวน ตอเดอน ตอป และความคมคาในระยะยาว

ในกรณใชหมอนาเฉลย ๒ ตน/ชม. วนละ ๘ ชม. ปละ ๓๐๐ วน ใชนามนดเซล ๓๐ บาทตอลตร

• ประสทธภาพในการเดนเครองทแตกตางกน ๑๐-๒๐ % จะสนเปลองคาใชจายตางกน

วนละประมาณ ๔,๐๐๐-๙,๐๐๐ บาท ปละประมาณ ๑,๒๐๐,๐๐๐-๒,๗๐๐,๐๐๐ บาท

23

What is Boiler Efficiency?

ประสทธภาพขณะทางานในสภาวะจรง (Service Efficiency)

24

What is Boiler Efficiency?

ประสทธภาพขณะทางานในสภาวะจรง (Service Efficiency)

25

What is Boiler Efficiency?

ประสทธภาพขณะทางานในสภาวะจรง (Service Efficiency)

26

What is Boiler Efficiency?

ประสทธภาพขณะทางานในสภาวะจรง (Service Efficiency)

27

What is Boiler Efficiency?

ประสทธภาพขณะทางานในสภาวะจรง (Service Efficiency)

◎SQ-2500AS *5 Units

Steam Load 2500kg/h，Feed water temperature 15 oC

System Efficiency101.5％

Without Low fired priority control

System Efficiency

98％

101.5％ 101.5％ 101.5％ 101.5％101.5％

98％

[Condition] Pressure0.49MPa、Temp.35℃、No blow

Low fired priority control

High Efficiency Economic operation by MI Control

Economizer ： Downflow ＜Latent Heat Collection Effect Up＞

・When water supply temperature is low, water in effluent gas is condensed. (Latent heat Collection)

・In the case when an effluent gas flow is down flow, condensed water drops immediately without staying in heat

transfer part.

・During normal temperature water supply and low load operation, latent heat collection effect becomes high.

SQ-2500AS、Pressure 0.49MPa、Feed Temp.35 、Fiuel13A、measured value

Due to latent heat collection

Effect, efficiency is high during

law load operation!

Dew

condensation

water

Economizer

Boiler Proper

Combustion Gas

Latent Heat CollectionHigh Efficiency

Advanced steam boilers Further energy savings: MI system for small SQ series

・High efficiencyTDR

1:5

Rated efficiency

98%

【New high-speed and multi-position control】 【Conventional MI control】

High-speed & multi-position

control (with eco operation)

Load factor 20%Output (total) 3t/h

System efficiency 101.5%Power

consumption (total)

7.0kW

Boiler 1

600kg/h101.5%1.4kW

Boiler 2

600kg/h101.5%1.4kW

Boiler 3

600kg/h101.5%1.4kW

Boiler 4

600kg/h101.5%1.4kW

Boiler 5

600kg/h101.5%1.4kW

MI control(without ecooperation)

Load factor 20%Output (total) 3t/h

System efficiency 98%Power

consumption (total)

11.4kW

Boiler 1

3000kg/h98%

11.4kW

Boiler 2 Boiler 3 Boiler 4 Boiler 5

Based on eco operation output,determine the number of boilers to be burned.

Example: when 5 units of SQ-3000 are used

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Effic

ienc

y［％

］

Fire tube boiler

Water tube boiler

Load Ratio ［％］

SQ-AS Model multiple installation system

Energy Savings of Small Once-Through Boilerscomparison In actual site

Once through boiler & MI system

※This data is based on our own survey.※This example is based on 30℃ feed water.

Efficiency of small once-through boiler multiple installation system (from analysis of daily reports)

Load factor and efficiency

32

ถาใชไอนา Fire Tube เพยง 50%

ของขนาดกาลงผลตไอนาสงสด หมอนา

จะมประสทธภาพเพยงประมาณ 70%

มคาใชจายเชอเพลง 300,000 บาท

ตอเดอน

ถาใชไอนา Once T เพยง 50% ของขนาดกาลงผลต

สงสด หมอนาจะมประสทธภาพประมาณ 90%

มคาใชจายเชอเพลง 240,000 บาทตอเดอน

ประหยดไดเดอนละ 60,000 บาท

Service Service Standby Standby

Once Through Boiler 2 ton x 4 units

Fire Tube Boiler 8 ton x 1 units

ประสทธภาพขณะทางานในสภาวะจรง

(Service Efficiency)

33

จดเดนของหมอนาวนซทร

3. ตอบสนองความตองการใชไอนาไดเรวมาก

หมอนาทผลตไอนาเพอตอบสนองความตองการใชงานทงปรมาณและความดนไอนา

ไดเรวทสด จะชวยใหไมจาเปนตองเกบสะสมไอนา ไอนามคณภาพสมาเสมอ การใชงานม

ประสทธภาพ และลดอนตรายจากพลงงานสะสม

เปรยบเทยบการตอบสนองความตองการใชงานของหมอนาขนาด ๒ ตน/ชม.

อตราปอนเชอเพลง 300,000 kcal / ช.ม. อณหภมนาปอน 25 oC

หมอนาทอไฟนอน (Package Boiler) ความจนา 2,000 ลตร

• ความรอนทตองใชเพอทาใหนาเดอด : 2000 * (100-25) = 150,000 kcal ตองใชพลงงาน 150,000 kcal

• ใชเวลาทาใหเดอด: (150,000 kcal ÷ 300,000 kcal/ช.ม.) * 60 นาท = 30 นาท ใชเวลาทงสน 30 นาท

หมอนาแบบทอนาชนดไหลผานทางเดยว (Once Through Boiler) ความจนา 150 ลตร

• ความรอนทตองใชเพอทาใหนาเดอด : 150 * (100-25) = 11,250 kcal ตองใชพลงงาน 11,250 kcal

• ใชเวลาทาใหเดอด: (11,250 kcal ÷ 300,000 kcal/ช.ม.) * 60 นาท = 2 นาท ใชเวลาทงสน 2 นาท

34

จดเดนของหมอนาวนซทร

3. ตอบสนองความตองการใชไอนาไดเรวมาก

Pre-purge

15 Seconds

10 Second

Tiring Try. PilotMain

Combustion

4秒Main

conbustion

21 Seconds time savingBlower

acceleration

No continuous pilot function

Continuous Pilot function

Loss prevention function due to frequent boiler start and stop.

By doing continuous pilot control, pre-purge is not necessary so that a heat

ventilation loss can be largely reduced.

High Efficiency

・High-speed response

Continuous pilot allowing high-speed response

36

จดเดนของหมอนาวนซทร

3. ตอบสนองความตองการใชไอนาไดเรวมาก

37

จดเดนของหมอนาวนซทร

4. ใชพนทในการตดตงนอย (หมอนาเลก นาหนกนอย)

ชวยลดคาใชจายในการกอสรางอาคารทจะตดตงหมอนา สามารถใชพนทอาคารใหเกดประโยชนสงสด

• หมอนาแบบทอไฟนอน (Package Boiler) มนาหนกรวมกบนาทบรรจ มากกวา หมอนาแบบ Once Through Boiler ประมาณ 2-3 เทา และตองการพนทในการตดตงมากกวา ประมาณ 2-3 เทา ดวย

38

ประสทธภาพขณะทางานในสภาวะจรง

(Service Efficiency)

■ Example of replacement: Fire tube boiler ⇒ Small once-through boilers

Before

Old equipment

AfterNew equipment

Fire tube boiler8000 kg/h, 1 unit

Small once-through boilers2000 kg/h, 4 units

45%Space savings of

★Calculation conditionOperation hours and days: 10 hours/day, 300

days/yearload factor : 30%Fuel used : Natural gas (70

yen/m3)Fuel cost and CO2 emissions reduced by 11%

Fire tube boiler Small once-through boiler Advantage

efficiency (%) 78 87.5 9.5 point increased

Fuel cost (yen/year) 43,020,000 38,350,000 4,670,000 reduced

CO2 emissions (t-CO2/year) 1,371 1,222 149 reduced

40

จดเดนของหมอนาวนซทร

5. ตดตงหมอนาเพมไดงาย เมอตองการขยายกาลงผลต

• โครงสรางหมอนา Once Through Boiler มความปลอดภยสงมาก มการออกแบบ

เพอการบารงรกษาเฉพาะดานหนาและดานหลงของหมอนา สามารถตดตงหมอนา

ตอเนองจากดานขางของหมอนาแตละเครองได

• ประกาศกระทรวงอตสาหกรรม เรอง มาตรการความปลอดภยเกยวกบหมอนา ฯ

พ.ศ. ๒๕๔๙ ในเรองการตดตงหมอนา ไดมการยกเวนระยะหางระหวางหมอนาไว

41

Once Through Boiler

42

เทคนคการเพมประสทธภาพและความปลอดภย

• ใชระบบการเผาไหมตอเนอง เมอความตองการใชไอนาตาลงจน Low Fire หยดทางาน

จะเลยงไฟดวย Pilot Burner ทาใหไมมการ Pre Purge - Post Purge จงไมมการ

สญเสยความรอน

• Turn Down Ratio สง ดวยระบบ Multiple Installation (MI) System

• มระบบและอปกรณควบคมอตโนมต พรอมดวยระบบ Self Monitoring

– เพอลดโอกาสการเกดความเสยหายของหมอนา

– ชวยใหการเดนเครองสามารถรกษาประสทธภาพสงตลอดเวลา

พฒนาการหมอนาวนซทร :

Sizing of Small Once-Through Boilers

43

MI-System

Advanced steam boilers

Gas fired small once-through boilers

Continuous pilot

High speed,Multi-

position

Rated efficiency

98%TDR1:5

NOx25 ppm

Further energy savings

Multiple Installation (MI) System

พฒนาการหมอนาวนซทร :

Sizing of Small Once-Through Boilers

45

MI-System Diagram

46

MI-System Diagram

47

MI-System Diagram

48

MI-System

การจดการภาระ (Load) ของหมอนาทวไป

49

MI-System

การจดการภาระ (Load) ของหมอนา ทใช MI System

50

MI-System

Modular boiler system optimizes energy efficiency by quickly-responding to changing load demands.

51

MI-System

52

MI-System

53

MI-System

54

MI-System

55

MI-System

56

MI-System

57

58

59

60

61

Environmental Technology of

Small Once-Through Boilers

NOx reduction with low-temperature combustion system and

energy saving by low air ratio combustion (gas fired boiler)

Analysis of gas and air mixing analysis in wind boxImage of flame from “non-furnace pressure vessel”

The combination of a non-furnace pressure vessel without combustion chamber and a large mixing burner decreases flame temperature during burning and significantly reduces thermal NOx.The improved mixing of gas and air realizes uniform combustion, further reducing the NOx value by 30%.

Environmental Technology of

Small Once-Through Boilers

Economizer ： Downflow ＜Latent Heat Collection Effect Up＞

・When water supply temperature is low, water in effluent gas is condensated. (Latent heat Collection)

・In the case when an effluent gas flow is down flow, condensated water drops immediately without staying in

heat transfer part.

・During normal temperature water supply and low load operation, latent heat collection effect becomes high.

SQ-2500AS、Pressure 0.49MPa、Feed Temp.35 、Fiuel13A、measured value

Due to latent heat collection

Effect, efficiency is high during

law load operation!

Dew

condensation

water

Economizer

Boiler Proper

Combustion Gas

Latent Heat CollectionHigh Efficiency

Boiler proper：Canned corner type body＜Low NOｘ・Purge loss reduction＞・Due to non furnace boiler proper and corrugate burner, Nox discharge is largely redued.

ＮＯｘ Value：２５ｐｐｍ（Ｏ2＝０％ Conversion、１３Ａ actual value）・In caes of canned corner type body, purge loss became １／５（compared to our company’s

product）、

Pre-mixed gas burner

Combustion

roomFurnace volume comparison（Equivalent steam 2000kg/h compared to our company’s product）

Combustion

Flame image

Low NOｘLow CO2

SQ Model

Environmental

load reduction

Radiation loss is

Proportional to the volume

of

Furnace.

Furnace

Low NOX technology and high

efficiency boiler proper

65

High Efficiency

66

High Efficiency

Flame sensor with self-diagnosis function

This sensor contains a self-diagnosis function using a shutter to check at regular intervals whether the UV flame sensor (flame sensing part) is malfunctioning.

(Self-developed product)

Shutter is open.

Normal

Normal

Malfunctioning

Flame

No flame

Flame Flame

Shutter is closed.

Shutter

SensorFlame

เทคนคการเพมประสทธภาพและความปลอดภย• มระบบและอปกรณควบคมอตโนมต พรอมดวยระบบ Self

Monitoring

– เพอลดโอกาสการเกดความเสยหายของหมอนา

– ชวยใหการเดนเครองสามารถรกษาประสทธภาพสงตลอดเวลา

Fail-safe type steam temperature switch

The operating principle of this switch is based on the physical phenomenon that the thermostatic ferrite loses its magnetism when a set temperature has been reached (called the Curie point).

Steam temperature Set temperature Contact ON

Ｎ

Ｓ

Steam temperature Set temperature Contact OFF

Magnet

Thermostaticferrite

Magnet

Ｎ

Ｓ

Ｎ

Ｓ

Ｎ

Ｓ

Ｎ

Ｓ

69

70

71

Description Fire Tube Boiler Once Through

Evaporation Max. Demand 6 tons/ hour

Load Ratio (Average) 50 %

Boiler System 6 tons x 2 units 2 tons x 4 units

Efficiency

Design Efficiency 85 % X 95 % O

In Service Efficiency

Blow Loss

Startup Loss

Radiation Loss at Low Load

71 % X 90 % O

Start up Time More than 40 min. X 3~5 min. O

Fuel Loss in Start up Too much X Little O

Space Requirement for Installation Large X Little O

Carry in and out Efficiency Poor X Good O

Steam Explosion Possible X Non O

Fire tube and Once through Comparison

72

Once throughMI-System

Fire tube

Initial Cost 6,500,000 Baht 6,000,000 Baht

Running Cost 58,650,000 Baht 68,180,000 Baht

Total 65,150,000 Baht 74,180,000 Baht

Difference in Price 9,030,000 Baht

Comparison of 4 tons capacity boiler in 5 years

< Calculating condition for running cost>

Equivalent Evaporation : 4000 kg/h, Fuel: 28 Baht/kg (LPG)

In Service Efficiency: 93% (Once Through Boiler)

80% (Fire Tube Boiler)

Use Condition: 24 hr/day , 250 days/year , Load factor 60%

การลงทน

จบการ

นาเสนอ

73