Many combined cycle power plants (CCPP) and cogeneration or combined heat and power (CHP) plants utilize supplemental firing systems, or duct burners, inside the heat recovery steam generator (HRSG) boilers. Duct burners can be activated on demand to rapidly and efficiently increase the HRSG steam output to the steam turbine generator for added megawatts in CCPPs, where megawatt output can be on-demand or preplanned from the producer’s applicable dispatch to support demand for electricity. Duct burners can also increase steam output for customer use, ultimately delivering higher sales for the CHP producer.
Across the domestic market, many duct burners were installed in original greenfield CCPPs and cogen/CHPs built between 1995 and 2005. Duct burner installations slowed in greenfield CCPPs and cogen/CHPs between 2005 and 2015. Since 2015, construction of new CCPP and cogen/CHP facilities has nearly stalled due to the economy and recent pressure from governmental agencies to research and invest in green fuel technologies. As a result, power plant infrastructure across the domestic market is aging and needs attention.
Unfortunately, due to the aging of existing equipment infrastructure, many duct burner systems in place today have reached or are rapidly approaching their designed end-of-life cycle and present a range of issues for the producer, such as:
시설의 덕트 버너의 현재 상태를 파악하고 수리 또는 교체를 위한 자본 비용 예산을 수립해야 하는 시기를 파악하려면 노후화된 장비에 대한 빈번한 문서화된 점검과 감독 모니터링이 필수적입니다. 점검은 장비가 작동 중일 때 수행할 수 있지만 일반적으로 봄과 가을에 정전 시 수행하는 것이 가장 좋으며, 평판이 좋은 연소 전문업체에서 수행해야 합니다. 이러한 점검을 통해 기존 장비에 영향을 미칠 수 있는 문제를 파악하고, 이미 발생한 고장의 원인을 진단하며, 지속적인 유지보수보다 교체가 더 경제적인지 여부를 판단할 수 있습니다. 시설 재가동이 지연되지 않도록 적절히 조율하면 하루 정도면 검사를 완료할 수 있습니다.
Replacement of duct burner systems is often easier than most producers realize. This can be the best approach to preserve the lifecycle of power production capabilities because replacement stops the aging process and resets the clock for the producer, eliminating one of many worries for the management team. This case study of one such turnkey duct burner system (Figure 1) replacement performed by Zeeco helps facility owners understand the pathway from diagnosis to start-up and demonstrates the benefits of eliminating aging equipment from a power plant’s infrastructure.
In 2022, a major electric-producing utility in the southeastern U.S. contacted Zeeco with concerns about its existing duct burner system. Zeeco performed an outage inspection and recorded findings, which included:
Warped and distorted flame stabilizers can result from the inability to control the flame shape due to poor turbine exhaust gas (TEG) flow. This is generally caused by older designs that were always inadequate but unknown until the introduction of newer technologies. The simple aging process of combustion equipment subjected to years of cycling on and off also wears out flame holders and bluff bodies. In this case, both were noted as contributors to equipment decay.
파일럿이 주 연료 불꽃을 끄지 못하는 것은 버너 요소의 처짐으로 인해 발생할 수 있습니다. 이 고장의 또 다른 원인은 극한의 온도에서 매일 HRSG 용광로 내부에 있는 스파크 장치가 파괴되는 것입니다. 고에너지 점화 시스템의 일반적인 전기 회로는 종종 빗물에 젖을 수 있는 TEG 및 개방형 도관 시스템의 수증기로 인해 쉽게 중단됩니다. 이 경우 버너 요소의 처짐이 파일럿이 주 연료에 불을 붙이지 못한 주요 원인이었습니다. 스파크 팁이 더 이상 주 연료의 경로에 있지 않았기 때문에 불이 붙을 기회가 없었습니다.
화염 감지기가 주 연료 불꽃을 제대로 인식하지 못하는 것은 몇 가지 문제 때문일 수도 있습니다:
이 경우 감지기는 오래된 기술이었고 여러 버너 높이에 걸쳐 여러 단계에 걸쳐 마모된 상태였습니다.
다운스트림 HRSG 튜브 섹션의 화염 충돌은 긴 합금 보일러 튜브를 수리하는 데 수백만 달러의 비용이 드는 HRSG 보일러의 주요 파괴 요인입니다. 버너 시스템이 (버너 관리 시스템[BMS]의 완전한 제어 하에) HRSG 노에 원료를 투입하고 파일럿 점화기에 의해 점화될 때 길고 느린 화염이 화염 충돌을 일으킵니다. 주 연료 불꽃이 켜지고 화염 감지기에 의해 인식되면 HRSG 분산 제어 시스템(DCS)은 출력 증기 수요를 충족하기 위해 연료를 증가시킬 수 있습니다.
그러나 시간이 지남에 따라 버너 팁이 연료 압력에 의해 침식되거나 TEG 흐름과 버너 화염의 재순환으로 인해 화염 안정제가 휘거나 버너 요소가 처지면(그림 2) 실제 또는 완전 연소가 일어나기 전에 연료가 버너 팁의 하류로 더 많이 흐르게 됩니다. 이러한 요인으로 인해 화염이 튜브에 충돌할 때까지 화염이 더 오래 지속될 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 충돌은 튜브를 파괴합니다. 이 문제를 해결하지 않으면 향후 고장이 임박할 수 있습니다. 이 사례에서는 침식된 버너 팁으로 인한 긴 불꽃이 불꽃 충돌의 원인이 되었습니다.
This project included both common and situationally specific challenges. Specifically, the pre-planned outage was scheduled for 18 days in the spring and was classified as a non-major outage, meaning that no combustion turbine or steam turbine modifications were planned to be completed during this outage. Outages are commonly planned far in advance at many sites, making it very important to understand the existing condition of duct burner equipment so that replacement can be completed without interrupting or altering existing pre-planned outage schedules.
이 고객은 대규모 고객층으로 인해 증기 생산 및 메가와트 출력에 대한 수요가 가장 중요하다는 점에서 이 시설이 전력망에 매우 중요하다고 설명했습니다. 정전 시기를 놓치는 것은 선택 사항이 아니었고, 정전 마지막 날에 발전소를 가동해야 했습니다. 이 사이트의 다음 정전 계획은 몇 년 후가 아니었기 때문에 장비와 설치에 또 다른 중요한 고려 사항이 추가되었습니다. 이 시기 문제를 해결하기 위해서는 광범위한 턴키 계획이 필요했으며, 시설과의 지속적인 커뮤니케이션이 중요했습니다.
일반적으로 설계 및 설치는 사전에 승인된 자본 예산의 정전 비용 범위 내에 맞아야 합니다. 이 사례의 경우 고객은 새 버너를 구매하기 약 2년 전에 자본 예산을 승인받았습니다. 그러나 경제 내 인플레이션과 팬데믹으로 인해 자재 가격이 예상치 못한 문제가 발생했습니다.
Timing of the request for quotation versus the installation outage dates was key to success. Design, fabrication, delivery, and installation each consume a number of weeks out of the overall schedule to perform success-fully. Therefore, it was crucial to order the equipment well before the planned outage schedule. Again, understanding the existing condition of the duct burner equipment allowed the facility owner to plan the replacement properly.
The design for the retrofit was completed by a highly experienced team that has performed numerous successful duct burner turnkey replacement projects, along with greenfield duct burner designs and fabrication for an extensive list of original equipment manufacturers worldwide. Keeping one team of engineers and managers on the project strengthens relationships with the customer team and eliminates information gaps across the project.
자재 구매는 최적의 가격과 배송을 찾는 데 있어 광범위한 교육을 받은 직원이 담당합니다. Zeeco 국제 표준화 기구(ISO) 프로그램에서 모니터링하는 광범위한 승인 제조업체 목록을 활용하므로 관련 구매자에게 엄청난 구매력을 제공하고 신규 또는 검증되지 않은 공급업체에 대한 우려를 없앨 수 있습니다.
Zeeco의 7개 글로벌 제조 시설 중 한 곳에서 장비 제작은 품질 보증/품질 관리(QA/QC) 팀과 프로젝트 실행 엔지니어링 팀에 의해 집중적으로 모니터링되었습니다. 배송은 운송 전문가로 구성된 물류 팀이 계획하고 수행했습니다. 프로젝트 실행 단계에 앞서 Zeeco 는 현장에서 수행될 모든 기계 및 전기 작업에 대한 매우 구체적인 턴키 작업별 개요와 계획을 수립했습니다. 실행된 계획에 따라 숙련된 건설 인력이 작업을 수행했습니다.
거의 모든 턴키 설치 프로젝트에서 기존 장비의 철거를 시작하기 전에 알려지지 않은 문제를 발견하게 됩니다. 이 프로젝트의 경우 HRSG 탄소강 케이싱 벽에 심각한 내부 부식이 발견되었습니다(그림 3). 이러한 유형의 발견은 구형 HRSG 및 덕트 버너 장비에서 점점 더 흔하게 발생하고 있으며, 특히 HRSG 장치가 원래 마린 환경 근처에 설치되었거나 극한의 온도로 인해 노출된 케이싱, 밀폐된 HRSG 벽 단열재 및 HRSG 내부 플로팅 라이너 플레이트 시스템이 극도로 작동할 수 있는 장소에 설치된 경우 더욱 그렇습니다.
이러한 유형의 HRSG 및 덕트 버너에서 흔히 발견되는 다른 문제로는 내부 부식된 연료 배관, 압력 배관의 벽 두께 감소, 밸브 시트 부식 또는 파괴가 있습니다. 이러한 문제는 날씨와 계절 조건의 변화로 인해 발전소의 연료 배관 인프라 전반에 걸쳐 연료 온도 변동이 다양하기 때문에 시간이 지남에 따라 발생합니다. 이 프로젝트를 위해 외부 배관은 이미 부식이 없는 새로운 배관, 피팅 및 밸브로 교체할 예정이었습니다.
This turnkey duct burner replacement project was planned to keep in mind those common types of discovery. Each potential discovery is discussed with the customer before finalizing the purchase of equipment and turnkey installation. Mitigating discoveries upfront through detailed planning creates a performance schedule that is as accurate as possible to real-world scenarios and helps eliminate surprises.
계획된 정전 중에는 다른 계약업체가 냉각탑이나 보일러 드럼 벨리 팬 및 릴리프 밸브와 같은 다른 장비에 대한 작업을 현장에서 수행하는 경우가 많습니다. 현장은 혼잡해질 수 있으며, 공구 트레일러와 건설 사무실 공간으로 인해 자재 보관 구역이 줄어들 수 있습니다. 평판이 좋은 설치 업체를 이용하고 정전 회의에 매일 참석하도록 하면 모든 계약업체가 매일 우려 사항과 향후 계획을 발언하고 공유할 수 있습니다. 계약업체 간의 조율을 통해 크레인이나 오버헤드 리프트 공간, 비파괴 검사 방사선 촬영 검사 간격, 자재 및 소모품 배송으로 인한 도로 혼잡과 같은 문제를 피할 수 있습니다. 의사소통이 잘 이루어지는 프로젝트는 더 안전한 프로젝트이며, 사고를 방지하고 잠재적으로 생명을 구할 수 있습니다.
Following the startup of this project and the demobilization of the installation crew, the benefits to this customer were very clear. Each of the following points satisfied the customer’s needs and brought much-needed life back to the duct burner system for many years.
턴키 성공
The duct burner replacement was completed in 16 days instead of the allotted 18, allowing for the successful reignition of the unit on the final day of the outage.
비용
이 사례의 경우, Zeeco의 글로벌 구매력을 통해 자재를 조달하고 장비 구매를 훨씬 앞당겨 원래의 자본 예산 가치를 절감할 수 있었습니다.
새로운 장비
The customer now has a new duct burner system without any of the previous problems. Financial savings from reduced maintenance and operation costs will result in savings over time.
올바른 장비
설계와 설치가 사양에 100% 부합했기 때문에 고객은 한 번의 정전으로 한 번의 예산 비용으로 원하는 모든 것을 얻을 수 있었습니다.
열 방출
새로운 장비는 최적의 증기 생산을 위해 적절한 양의 열 방출을 HRSG 보일러로 전달합니다.
제작
Zeeco 는 7개의 사내 글로벌 제조 시설 중 하나를 활용하여 회사 내부 및 고객의 QA/QC 요구 사항을 완벽하게 준수하면서 장비를 적시에 완성했습니다.
배달
구매한 장비가 공급업체의 물류 시스템을 통해 현장으로 배송된다는 것을 알았기 때문에 고객 관리 감독과 우려에 드는 많은 시간을 절약할 수 있었습니다.
설치
이 턴키 설치는 Zeeco 에서 사용하고 관리하는 여러 기계 및 전기 설치 팀 중 하나를 활용했습니다. 전체 턴키 설치 덕분에 고객은 관리 감독 및 우려에 드는 많은 시간을 절약할 수 있었습니다.
정시 성과
프로젝트가 예상보다 일찍, 예산된 비용으로 완료되어 생산자에게 이익이 되었고 계획된 정전이 정확했으며 연장할 필요가 없었습니다.
안전 사건 및 사고 제로
모든 직원이 부상 없이 하루 일과를 마치고 집으로 돌아갔습니다. 장기적으로 보험료는 낮게 유지되고, 시설 안전 추적 지표는 흠잡을 데 없이 유지되며, 회사의 안전 기록은 흠잡을 데 없이 유지됩니다.
향상된 액세스
버너 전면의 덜 혼잡한 접근 영역은 더 나은 유지보수 및 운영을 가능하게 하는 동시에 더 안전한 작업 환경을 조성합니다.
훈련
운영 팀이 공급업체로부터 새 장비에 대한 교육을 받는 것은 완벽한 운영을 달성하고 불필요한 출장을 줄이는 데 필수적입니다.
배출량
새로운 장비 기술을 도입하면 많은 경우 배출량을 크게 줄일 수 있으며, 운영 기업이 배출 허용치 내에서 배출량을 유지할 수 있습니다.
장비 보호
화염 모양이 잘 고정되고 화염 길이가 HRSG 용광로 내에 잘 맞으면 다운스트림 튜브 섹션, 라이너 벽, 천장 및 바닥의 손상을 방지할 수 있습니다.
미국 화재 방지 협회(NFPA) 규정 준수
덕트 버너에 대한 관리 기관인 NFPA 85, 특히 8장은 일반적으로 업데이트됩니다. 새로운 장비가 있다는 것은 관리 안전장치가 이미 마련되어 있다는 것을 의미합니다.
보증
새 장비는 시설 소유자에게 제한적 보증을 제공합니다.