Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
การกัดกร่อนที่ถูกเร่งด้วยการไหลในท่ออุ่นนํ้าป้อนของเครื่องกำเนิดไอนํ้ากู้คืนความร้อนด้วยพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ
Year (A.D.)
2024
Document Type
Thesis
First Advisor
Benjapon Chalermsinsuwan
Second Advisor
Ratchanon Piemjaiswang
Faculty/College
Faculty of Science (คณะวิทยาศาสตร์)
Degree Name
Doctor of Philosophy
Degree Level
Doctoral Degree
Degree Discipline
Petrochemistry and Polymer Science
DOI
10.58837/CHULA.THE.2024.1378
Abstract
This study investigates the effects of operating and harp design parameters on flow accelerated corrosion (FAC) using CFD, based on a real case from a modern heat recovery steam generator (HRSG) where severe FAC occurred in an economizer harp after six years of service. Preliminary investigation found that contributions for this case include the construction material, which is carbon steel, the operating temperature range that close to FAC favourable temperature (150 °C), reduced water and disturbed flow geometry. Comparison of shear stress and wall thickness profiles confirmed that FAC is mass transfer dominated, driven by flow acceleration and recirculation near tube entrances due to the high area ratio of the header. The k-ε RNG model was chosen for CFD after validation with experimental data. Results showed, among other operating parameters, velocity had the greatest effect on FAC, followed by temperature, with minimal pressure influence. An optimal condition for this plant, 160.48 °C, 190.76 bar, and 0.639 m/s, reduced the FAC rate to 0.424 mm/year (compared to the original rate of 0.739 mm/year). For geometrical factors, increasing header diameter and inlet pipe number improved flow distribution and reduced wall shear stress. Higher Cr content enhanced oxide formation and corrosion resistance, with ANOVA identifying Cr content as the most effective mitigation factor. Optimal harp design with 3.16% Cr steel, 85.64 mm header diameter, and 7 inlet pipes, reduced the FAC rate to 0.0359 mm/year. CFD data (249 cases) was used to develop an ANN model predicting FAC rates using the Shmax/Shpipe ratio. Input variables were selected based on correlation values, and the hidden layer was optimized for model generalization. The model showed high accuracy (RMSE = 0.996, R = 0.940). This approach provides a practical tool for assessing FAC risk and guiding maintenance planning in HRSG harp design.
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
งานวิจัยนี้ศึกษาผลของตัวแปรการเดินเครื่องและตัวแปรการออกแบบแผงท่อที่มีต่อ Flow Accelerated Corrosion (FAC) โดยใช้แบบจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) อ้างอิงจากกรณีศึกษาจริงที่เกิดในหม้อน้ำแบบกู้คืนความร้อน (HRSG) แบบใหม่แห่งหนึ่ง ซึ่งพบการเกิด FAC อย่างรุนแรงในแผงท่อ Economizer หลังจากใช้งานได้เพียง 6 ปี การตรวจสอบเบื้องต้นพบว่าปัจจัยที่ส่งผลต่อการเกิด FAC ในกรณีนี้ได้แก่ วัสดุของแผงท่อซึ่งเป็นเหล็กกล้าคาร์บอน ช่วงอุณหภูมิการเดินเครื่องที่ใกล้กับอุณหภูมิที่ FAC เกิดขึ้นได้ดี (ประมาณ 150 °C) การปรับค่าเคมีของน้ำซึ่งเป็นแบบรีดิวซ์และเส้นทางการไหลที่ถูกรบกวน การเปรียบเทียบการกระจายตัวของความเค้นเฉือนบนผิวท่อและการกระจายตัวของความหนาของผนังท่อ ยืนยันว่า FAC ในกรณี้นี้ถูกควบคุมโดยกระบวนการถ่ายโอนมวล ซึ่งเกิดจากการเร่งความเร็วของการไหลและการเกิดการไหลหมุนวนบริเวณทางเข้าท่อ เนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ของ Header ต่อพื้นที่ของท่อที่สูง แบบจำลอง k-ε RNG ถูกเลือกใช้ในการจำลอง CFD หลังจากผ่านการตรวจสอบกับข้อมูลทดลอง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า เมื่อเทียบกับพารามิเตอร์ด้านการเดินเครื่องทั้งหมด ความเร็วของการไหลส่งผลต่อ FAC มากที่สุด รองลงมาคืออุณหภูมิ ขณะที่ความดันมีผลกระทบน้อยที่สุด สภาพการเดินเครื่องที่เหมาะสมที่สุดสำหรับโรงไฟฟ้าแห่งนี้ คือ อุณหภูมิ 160.48 °C ความดัน 190.76 Bar และความเร็วการไหล 0.639 m/s ซึ่งสามารถลดอัตราการเกิด FAC ลงเหลือ 0.424 mm/year (เทียบกับอัตราเดิม 0.739 mm/year) สำหรับตัวแปรด้านการออกแบบแผงท่อ การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของ header และจำนวนท่อน้ำเข้า ช่วยให้การไหลของน้ำกระจายเข้าท่อได้ดีขึ้นและลดความเค้นเฉือนที่ผนังท่อได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในด้านวัสดุ ปริมาณโครเมียม (Cr) ที่สูงขึ้นช่วยส่งเสริมการเกิดชั้นออกไซด์ที่ทนการกัดกร่อน โดยการวิเคราะห์ ANOVA ระบุว่าปริมาณ Cr เป็นปัจจัยที่มีผลมากที่สุดในการลด FAC โดยถ้าใช้เหล็กกล้าที่มี Cr 3.16% เส้นผ่านศูนย์กลาง header 85.64 mm และจำนวนท่อน้ำเข้า 7 ท่อ ในการสร้างแผงท่อ จะสามารถลดอัตราการเกิด FAC ลงเหลือ 0.0359 mm/year ข้อมูลที่ได้จากแบบจำลอง CFD จำนวน 249 ชุด ถูกนำมาใช้พัฒนาแบบจำลองปัญญาประดิษฐ์ สำหรับทำนายอัตราการเกิด FAC จากค่า Shmax/Shpipe โดยตัวแปรต้นของแบบจำลองถูกคัดเลือกจากค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ของตัวแปรต่างๆ ต่อตัวแปรนี้ จำนวน Neuron ใน Hidden Layer ได้ถูกปรับแต่งให้แบบจำลองสามารถทำนายชุดข้อมูลทั่วไปได้ แบบจำลองนี้แสดงผลลัพธ์ที่มีความแม่นยำสูง (RMSE = 0.996, R = 0.940) แนวทางนี้จึงเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการประเมินความเสี่ยงจาก FAC และช่วยวางแผนการซ่อมบำรุงสำหรับการออกแบบแผงท่อใน HRSG ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
Khunphakdee, Phuris, "Flow accelerated corrosion in economizer tubes of a heat recovery steam generator using computational fluid dynamics" (2024). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 75229.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/75229