TOTURIAL OF HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR

The HRSG can be used to drive a steam turbine for power generation, or to generate steam for factory processes or district heating. When used for cogeneration purposes, the HRSG-produced steam is for process applications. In the combined cycle mode, the steam produced goes to a steam turbine generator for power generation

1. با توجه به اهميت سوخت و هزينه بالاي آن و اثرات آلايندگي سوخت، همواره ميزان راندمان خروجي نيروگاه هاي توليد برق مورد توجه سرمايه گذاران بوده است. راندمان توربين هاي گازي در دنيا بطور متوسط حدود 38 % بوده كه با افزودن سيستم بويلر به اين چرخه، ميزان راندمان حاصل از احتراق اين سوخت به حدود 55 % افزايش مي يابد. در سيكل هاي تركيبي، گاز داغ پس از عبور از توربين گاز وارد بويلر بازياب شده و حرارت خود را توسط مبدل هاي حرارتي به آب داخل بويلر مي دهد . از بخار يا آب گرم توليد شده براي توليد برق در توربين بخار و يا مصارف فرايندي در واحد هاي گوناگون استفاده مي شود. مقدمه

2. انواع بویلرهای بازیاب

3. انواع بویلرهای بازیاب (فایر تیوب) دود در داخل لوله و آب در خارج آن جريان دارد. به دليل شكل ساختماني خود داراي محدوديت فشار طراحي و قطر پوسته هستند اين بويلر ها كمتر براي فشار بالاتر از 30 بار استفاده مي شوند و ظرفيت توليد بخار آنها نيز محدود است

4. انواع بویلرهای بازیاب (واتر تیوب) دود از روي لوله ها و آب و بخار در داخل آن جريان دارد. داراي طراحي پيچيده تري هستند ونسبت به بويلر هاي فاير تيوب داراي ضريب انتقال حرارت بالاتري بالاتري (به دليل استفاده از لوله هاي فين دار)هستندولي از لحاظ رژيم شيميايي داراي محدوديت بيشتري مي باشند.

5. دسته بندی بویلر های واتر تیوب

6. بويلر بازياب عمودي (Vertical HRSG) هارپ ها به صورت افقي قرار مي گيرند. جريان گاز داغ خروجي از توربين گاز به صورت عمودي از روي هارپ ها عبور مي كند. ارتفاع بویلر بیشتر و بهره برداری مشکل تر چرخش آب عمدتا اجباری

7. بويلر بازياب افقي (Horizontal HRSG) هارپ ها به صورت عمودي قرار مي گيرند. جريان گاز داغ خروجي از توربين گاز به صورت افقي از روي هارپ ها عبور می کند. طول بویلر بیشتر چرخش آب عمدتا از نوع طبيعي

8. بويلر بازياب افقي (Horizontal HRSG) هارپ ها به صورت عمودي قرار مي گيرند. جريان گاز داغ خروجي از توربين گاز به صورت افقي از روي هارپ ها عبور می کند. طول بویلر بیشتر چرخش آب عمدتا از نوع طبيعي

9. CEP CPP Ejector Condenser Gland Steam Condenser CPH D/A LP Drum IP-BFPs Ip Drum HP Drum Steam Turbine ACC To HRSG2 From HRSG2 Bypass Lines مسیر سیکل (آب و بخار )و تجهیزات اصلی مسیر CRT CRH HP-BFPs Reheat section From HRSG2

10. سایر تجهیزات و سیستم های مرتبط یا بخش بخار سیکل ترکیبی اجکتور ( Holding و Hogging ) سیستم Aux Cooling Aux Boiler هدر بخار کمکی سیستم تأمین آب دمین مصرفی ( WTP ) سیستم تأمین هوای فشرده و هوای سرویس سیستم های جانبی توربین بخار مانند سیستم روغن روانکاری و جکینگ ، سیستم روغن هیدرولیک ، سیستم Gland Steam ، سیستم دریناژ و ... سیستم های کمکی مرتبط با بویلر بازیاب مانند دایورتر دمپر و گیوتین ، سیستم بلودان و درین ، سیستم احتراق کمکی ( Duct Burner ) و ... سیستم های الکتریکی مانند ژنراتور ، ترانس، سوئیچ گیرها و ... سیستم جمع آوری و خنثی سازی پساب ها ...

11. بویلر بازیاب افقی بویلر بازیاب افقی متداول ترین بویلر بازیاب است. در این بویلرها دسته لوله ها به صورت عمودی قرار دارند و دود خروجی از توربین گاز بصورت افقی از روی دسته لوله ها عبور می کند

12. بویلر بازیاب عمودی در این بویلرها دسته لوله ها به صورت افقی قرار دارند و دود خروجی از توربین گاز بصورت عمودی از روی دسته لوله ها عبور می کند

13. دایورتر دمپر سیستم دایورتر دمپر اگزوز در نیروگاه های سیکل ترکیبی دارای وظایف مختلفی از جمله ایزوله کردن GT از HRSG در هنگامی که فقط توربین گاز در مدار است،جدا کردن GT از HRSG در هنگام شات داون های اضطراری (مثلاً به دلیل پایین آمدن بیش از حد مجاز سطح درام های بویلر)، تنظیم مقدار گاز داغ ورودی به HRSG در هنگام cold start , warm start, hot start بویلر و همچنین تنظیم مقدار گازداغ ورودی به بویلر در هنگام Run back procedure می باشد

14. مکانیزم حرکت دایورتر دمپر

15. OPEN HRSG POSITION OPEN BYPASS POSITION

16. زاویه چرخش شفت 134 درجه می باشد و در هر طرف دمپر دو عملگر هیدرولیکی وجود دارد

17. cylinder Line rapture protection valve Pressure relief Insert valve Directional valve counter balance valve Cartridge valve Check valve pilot control Modular flow control valve Heat exchanger & fan pump Solenoid valve emergency function Protection against accumulator over pressure Throttle check valve Protection against pump over pressure Return filter Pressure filter سیستم هیدرولیک دایورتر دمپر HPU

18. هنگامی که پمپ استارت بوده و ولو های 1-2-4-5 انرجایز هستند، در خطوط اصلی و آکومولاتور ها فشار سازی انجام می شود. این فشار سازی تا رسیدن به فشار PN max = 140bar ادامه می یابد.

19. با رسیدن فشار به PN max = 140bar سلونوئیدولو شماره 1 دی انرجایز شده و پمپ روی مسیر سیرکوله قرار می گیرد . با کاهش فشار به PN min = 100bar سلونوئید ولو 1 مجدداً انرجایز شده تا زمانیکه فشار خط و هدر آکومولاتورها دوباره به 140bar برسد.

20. با عملکرد Distribution valve و قرار گرفتن آن در یکی از حالتهای چپ یا راست تیغه دایورتر به سمت بویلر و یا بای پس حرکت خواهد کرد

21. همچنین هنگامی که تیغه دایورتر به سمت بای پس بسته است؛ در اثر وزن دمپر، مقداری به سمت پایین حرکت خواهد کرد که در این هنگام سلونوئیدولو MBR01AA717 انرجایز شده و تیغه دایورتر را به جای اولیه خود برمی گرداند.

22. اگر به هر دلیلی فرمان Emergency close برای دایورتر دمپر صادر شود (یا بعبارتی فرمان تریپ برای بویلر) سلونوئید ولو 2 دی انرجایزر شده و سلونوئید ولوهای 4 و 5 نیز دی انرجایز شده و در نتیجه کارتریج ولو ها باز و تیغه با فشار ذخیره شده در آکومولاتور ها در کمتر از 20 ثانیه به سمت بویلر بسته می شود

23. 28 Landing bar

24. Introduction The Condensate System consists of following main components: 2 x 100% Condensate Extraction Pumps Condensate Polishing Plant Ejector Condensers Gland Steam Condenser 2 x 100% level control valves for each HRSG

25. Condensate System Main Components Condenser Condensate Polishing Plant Ejectors Condensers Gland Steam Condenser HRSG1 Deaerator HRSG2 Deaerator M M Condensate Extraction Pumps

26. Condenser WS M M WS M M Initial Pump Seal Water From CTP To condensate polishing plant Condensate Flow Path before CPP Relief valve Strainer Pressure Differential Switch Suction valve with level switch Check Valve Manual Isolating Valve Suction Vent Line discharge Vent Line Condensate Extraction Pump Sealing system To prevent air-in leakage when the condensate extraction pump is on auto standby mode and to provide shaft lubrication. Pump sealing is an important issue because CEPs are getting stronger as booster pumps are omitted in new projects

27. Minimum Flow Recirculation System A Flow measurement device is provided for measuring the total condensate flow between gland steam condenser outlet and HRSG inlet. The minimum flow recirculation system which is a branch off the gland steam condenser, is being controlled by min flow control valve. This system protect CEP from overheating by keeping the minimum flow rate requirements, when the system demand is lower than minimum flow rate. Min flow control valve, is using flow measurement device described above to control the Min flow valve .

28. Minimum Flow Recirculation System Condenser Condensate Polishing Plant Ejectors Condensers Gland Steam Condenser HRSG1 Deaerator HRSG2 Deaerator M M Minimum Recirculation Flow

29. نحوه عملکرد دی اریتور   اگر مایعی در دمای اشباع آن باشد میزان انحلال گاز در آن تقریبا به صفر می رسد . این در حالی است که مایع باید دارای تلاطم بسیار بالایی باشد یا باید به جوش آید تا اطمینان کاملی از خروج تمامی گاز ها حاصل گردد .   این تلاطم در قسمت بالایی برجک ) دی اریتور ) با اسیری شدن و تبدیل به قطرات بسیار ریز و احاطه این قطرات با بخار نایل می شود و آب بسیار راحت تر، اکسیژن محلول خود را از دست می دهد . این اتفاق سطح بسیار زیادتری را نسبت به جرم آب به آ ن اختصاص می دهد که انتقال حرارت از بخار به قطرات را سریع می کند و جدا سازی اکسیژن را ساده می سازد و این گاز ها به وسیله ی بخار مازاد از خروجی بالای دیگ در دمایی کمتر از دمای اشباع خارج می گردند . این موضوع که، مخلوط بخار و گاز های اضافه در درجه حرارت پایین تری از نقطه ی جوش (دمای اشباع ) در فشار دی اریتور می باشد، به ما کمک می کند تا بتوانیم از یک خروجی با کنترلر ترموستاتی استفاده کنیم تا هوازدایی صورت گیرد. سپس آبی که عملیات جدا سازی بر روی آن انجام گرفته به داخل منبع دی اریتور سر ریز می گردد .

30. MAPNA GROUP MAPNA E&C Company (MECO)

31. Condensate Pre Heating (CPH) M CPH M Condensate Water CPH system applies for increase efficiency . Condensate water temperature is around 50 °c . with preheating, it rises to 120 °c . Notice : If GT fuel is selected on oil and water temperature<42°c , Preheating must be disable ,because of water dew point on tube surface .

32. Each pump suction has a strainer with differential pressure switch and a manual isolating valve with limit switch. One automatic recirculation valve is provided in the HP discharge side of each pump, which maintains the minimum flow through the pump automatically and protects the pump against reverse flow and from overheating. One isolating motorized valve is provided for each HP discharge of the boiler feed water pump. PUMPS APPURTENANCE

33. GENERAL DESIGN CONCEPT The low pressure steam system products LP steam of specific quality, which means of correct pressure and temperature, from the thermal energy contained in the GT exhaust gas. The steam is produced in the heat recovery steam generator (HRSG) with connections between the feed water system and main steam system. Besides it fulfils the following objective; Delivers feed water to the low pressure drum during start-up, shutdown and power operation of the combined-cycle unit Supplies LP steam produced by the HRSG to the LP main steam system during normal operation. Shuts off feed water supply during feed water control malfunction in order to prevent overfeeding of the HRSG. The low pressure system is located downstream of the exhaust gas inlet of the heat recovery steam generator behind the HP part. The heating surfaces are fabricated from mainly finned tubes. The low pressure system is subdivided into the following sections, listed in the order in which exhaust gas flows through them: LP superheater LP evaporator The LP evaporator generates steam through a natural circulation loop from LP boiler drum and to LP boiler drum. The LP superheater heats the saturated steam from drum temperature up to the required conditions.

34. Mixing of feed water & boiler water. Separation between steam & water. Constitute of reserve water for the LP circulation system. Water expansion during start-up. DRUM

35. Evaporator: The LP evaporator generates steam through a natural circulation loop from/to drum. Super heater : The LP super heater heats the saturated steam to the required conditions. Down Comer: Water is fed from drum through down comers to inlet header of evaporator. LP DRUM AUXILIARY EQUIPMENTS

36. LP section overview Evaporator M LP intermittent Blow down Down Comer MANIFOLDS Evaporato r Down Comer DRUM M LP SUPER Heater M S PS M M M LP Continues Blow down M TO.atm N2 Q=9kg/s P=10bar T= 180 ˚ c Q=9kg/s P=10.5bar T=158˚c Q=9kg/s P=9.5bar T= 233 ˚c LP STM HDR SILENCER To Blow down To Blow down To Blow down Sampling SP=13.4bar SP=13bar SP=11bar ERV Water from BFP Q=9kg/s P=17.5bar T=158˚c CASCADE Blow down FROM HP DRUM PHOSPHATE DOSING LINE

37. DRUM COLLECTOR Down comer 10 ” 6 ” Natural Convection General Design Concept evaporator Water evaporates in LP evaporator & water/steam mixture feed via natural convection in riser tubes from outlet header back to the drum. M Water from BFP PHOSPHATE DOSING LINE SP=13bar SP=13.4bar Steam

38. GENERAL DESIGN CONCEPT The high pressure system is located downstream of the exhaust gas inlet of the HRSG. The heating surfaces are fabricated from finned tubes. The high pressure system is subdivided into the following sections: HP super heater HP evaporator HP economizer The HP economizer recovers the remaining heat contained in the flue gas at the HP evaporator outlet. The HP evaporator generates steam through a natural circulation loop from and to the HP boiler drum. The HP super heaters heat the saturated steam from drum temperature up to the required conditions.

39. HP section overview HP DESH DRN VLV1 HP intermittent Blow down Evaporator M Down Comer MANIFOLDS Evaporato r Down Comer DRUM M HP SUPER Heater M S PS M M M HP Continues Blow down M TO.atm N2 Q=63kg/s P=98bar T= 309 ˚c Q=63kg/s P=98.5bar T=303˚c Q=67kg/s P=95.5bar T= 523 ˚c HP STM HDR SILENCER To Blow down To Blow down Sampling SP=109bar SP=105bar SP=102bar ERV Water from BFP Q=63kg/s P=119.5bar T=158˚c Evaporator Evaporato r Evaporator Evaporato r ECONOMIZER ECONOMIZER ECONOMIZER Spray Water Q=4kg/s P=119.5bar T=158˚c M CASCADE LINE Q=63kg/s P=114bar T=303˚c HP SUPER Heater M Sampling M SP= 100bar PHOSPHATE DOSING LINE HP DESH DRN VLV2 HP STM DRN VLV S/U VENT VLV HP SPRY WTR IN- VLV

40. Super Heater Steam Saturated Steam M HP DESH WTR LINE FROM BFP DCS

41. DE-S/H BLOCK DIAGRAM HP SUPER Heater Q=63kg/s P=98bar T= 309 ˚c Spray Water HP SUPER Heater Q=67kg/s P=95.5bar T= 523 ˚c PI( MASTER ) PI( SLAVE ) Set Point O- spc Water Tout Tin HP DRUM HP S/H

42. DRUM LEVEL CONTROL Boiler drum-level control is critical. Too low a level may expose boiler tubes, which overheats and damages them. Too high a level may interfere with separating moisture from steam, which reduces boiler efficiency and carries moisture into the process or turbine . The drum-level controller maintains the level at constant steam load. There are three options for drum-level control single-element, two-element and three-element drum-level control .

43. DRUM LEVEL CONTROL MODES Introduce: SWELLING: When the steam pressure is lowered ,the water level rises as the steam bubbles expand . SHRINKING: When the steam pressure rises ,the water level lowers as the steam bubbles compress. Because of (swelling & shrinking) effects & low efficiency in ON/OFF mode ,this method is un-useful in large drums & Feed Water storage tanks. ON/OFF Single Element Mode Three Element Mode

44. As steam demand increases, there is an initial lowering of the drum pressure resulting in an artificial rise in drum level as the steam bubbles expand & swell the drum water level. This phenomenon sends a false control signal to reduce feed water flow ,when in fact the feed water flow should be Increasing to maintain mass balance. Conversely , on a loss of steam demand There is an initial rising of steam drum Pressure which acts to lower the drum level by compressing the steam bubble & shrinking the drum level. This send a false signal to increase feed water flow when in fact it should be decreasing . Single Element Mode: This method is perhaps the simplest strategy. Level is measured using a single measurement device & provides a control signal to the feed water regulator in direct relation to current operating level. This way is only effective for smaller boiler with relatively steady demands & slow to very moderate load changes. this is because the shrink & swell effect causes an incorrect initial control reaction ,which can lead to over/under filling of drum. (something like ON/OFF control) DRUM LT Set Point PI Level Corrector T P water steam

45. 1 Element Drum Level Control steam water PID AI AO STEAM FLOW LEVEL T

46. Two Element Mode: This mode is suitable for process with moderate load swings & speeds & it can be used on any size of boiler . This system used the two variable ( drum level & Steam flow) to mass balance the feed water demand. Since steam flow is very dynamic, the result of this strategy is that it will sense the rise or fall in load demand before the drum level begins to change. It then adds or subtracts control output to stabilize the reaction of the level controller on the FW control valve .And since steam flow is normally the larger variable it can easily over ride the trim effect of the drum level on moderate load changes, insuring a correct response to the demand change. During steady load the level controller influences the FW control valve & acts to trim the level to desired set point. DRUM LT PI Level Corrector T P water steam FT SP Drawbacks: There is two drawbacks .First like the single mode can not adjust for pressure or load disturbances in feed water supply ,as this is not a measured variable in this mode. And second ,this mode cannot eliminate phasing interaction between feed water flow & drum level because only the relatively slow process of level is controlled. This second issue can lead to allowing excessive feed water to enter the drum without consideration to boiler thermal dynamic capabilities.

47. 2 Element Drum Level Control steam water AO AI PID AI + T LEVEL WATER PERSSURE

48. Three Element Mode: In this way feed water flow is added to control strategy. The math summer out put of two element mode is cascaded down to a second fed water flow controller to act as a Remote set point. The feed water controller is a fast acting flow controller, which uses feed water flow as its process variable & steam flow as its set point . Thus for every steam mass flow leaving the boiler a feed water mass flow added. This loop has final control on FW control valve. DRUM LT PI Level Corrector T P water steam FT SP FT MIN

49. 3 Element Drum Level Control steam water AI AI AI PID PID AO +