یک دیگ بخار دارای چهار مدار زیر است:
- مدار آب
- مدار بخار
- مدار سوخت و تجهیزات احتراق
- مدار هوا و گازهای حاصل از احتراق
در هر مدار مذکور دستگاهها و سیستمهای متعددی فعالیت میکنند تا ایجاد بخار داغ و کنترل آن برای بارگیری توسط توربین با اطمینان کافی صورت گیرد.
مدار آب و بخار و اجزای آن
آب در دیگ به وسیله پمپهای تغذیه دیگ از طریق شیرهای یکطرفه به درون دیگ رانده میشود. شیر یکطرفه مانع پس زدن آب گرم از دیگ میگردد. آب در سیستم تغذیه، بعد از شیرهای یکطرفه به اکونومایزر وارد میشود. در آنجا از گازهای خروجی دیگ مقداری حرارت کسب میکند و سپس وارد درام دیگ میگردد.
درام به مثابه مخزنی است برای انواع دیوارههای لولهای دیگ که به عنوان اتاقک جداسازی آب از بخار نیز، قبل از آنکه بخار به سوپرهیتر (Super Heater) برود، عمل میکند.
آب از طریق لولههای پایینرونده از درام دیگ بخار، به نام مقسم (Header) واقع در پایین دیگ بخار میرود. دیواره بویلر متشکل از یک ردیف لولههای نزدیک به هم است که حول اتاق احتراق (کوره) و دیگر قطعات دیگ قرار گرفتهاند تا از حرارت تابشی کوره جلوگیری شود.
دیوارههای لولهای
دیوارههای لولهای کوره دیگ که در معرض آتش ناشی از احتراق سوخت هستند، به عنوان نواحی عمده بخارسازی به حساب میآیند. به این ترتیب ملاحظه میشود که لفظ دیواره آبی، به هر حال اسم بیمسمایی است.
لولههای دیواره کوره در اصل حاوی مخلوط آب و بخار (دو فازه) هستند. وزن مخصوص مخلوط مورد نظر کمتر از وزن مخصوص محتوای لولههای پایینآورنده است، از این رو مخلوط دو فازه با سرعت به درام وارد میشود تا آب جای آنها را در پایینترین قسمت دیوارههای آبی بگیرد.
مخلوط آب و بخار که وارد درام میشود، به وسیله سیکلونها حرکت چرخشی میکند و بخار از آب جدا میگردد. بخار جدا شده پس از عبور از ردیفهای خشککنها، قطرات آب خود را پس داده و به صورت اشباع وارد مقسم ورودی سوپرهیتر اولیه (دما پایین) میگردد.
راهاندازی
در دوره راهاندازی، قبل از ورود آب تغذیه به دیگ بخار امکان راکد ماندن آب در اکونومایزر و داغ شدن بیش از حد آن وجود دارد. برای احتراز از این حالت از درام دیگ تا ورودی اکونومایزر از یک ارتباط لولهای برای به جریان انداختن مجدد آب استفاده میشود.
ارتباط لولهای مذکور از یک لوله پایینرونده و یک شیر جداساز تشکیل میگردد. در برخی از دیگهای بخار، یک پمپ جریان نیز به کار میرود تا همواره صرف نظر از وزن مخصوص سیالهای موجود در اکونومایزر، از جریان آب نیز اطمینان حاصل شود.
کوره (Furnace)
کوره یک محفظه عایق است که در آن گرمای حاصل از احتراق سوخت مصرفی از یک منبع دما بالا به یک منبع دما پایین منتقل میشود. وظیفه اصلی کوره، تامین و انتقال حرارت معینی به سیال فرآیند تحت درجه حرارتهای بالا میباشد. انتقال حرارت در کوره میتواند در اثر تشعشع و جابجایی صورت گیرد.
بدنه کورهها از دیواره آب (Water Wall) تشکیل شده است که تا نقطه اتصال به درام امتداد یافته است. دیواره آب از تعدادی لوله که محفظه احتراق را احاطه نمودهاند، تشکیل شده است. این لولهها تقریباً نیمی از حرارت آزاد شده توسط احتراق سوخت را جذب مینمایند. در این بخش سهم اصلی انتقال حرارت را مکانیزم تشعشع به عهده دارد.
آب ورودی به لولهها ابتدا تا دمای اشباع مربوط به فشار نقطه مورد نظر گرم میشود و سپس با ادامه حرکت در لولهها تبخیر صورت گرفته و یک مخلوط مرطوب حاصل میشود. با حرکت جریان به سمت بالا به دلیل افتهای اصطکاکی و وزن کمتر ستون آب در بالای هر نقطه مشخص، فشار کاهش مییابد. در نهایت مخلوط حاصل به درام تخلیه میگردد.
لوله اصلی تغذیه آب بویلر (Feed Water Pipe)
این لوله وظیفه انتقال آب بویلر را به درام بخار (مخزن بخار) بر عهده دارد و طراحی آن متناسب با ظرفیت بویلر و در شرایط حداقل سرعت 1m/s و درجه حرارت طراحی برای مواد متناسب با دمای اشباع در فشار طراحی صورت میگیرد.
پمپ تغذیه آب بویلر (Feed Water Pump)
افزایش فشار هیدرواستاتیکی آب توسط پمپها صورت میگیرد و در طراحی آن ضریب ۱۰٪ اضافی را در نظر میگیرند. به دلیل عملکرد مداوم بویلرها و به لحاظ شرایط و ملاحظات دینامیکی، معمولاً دو پمپ پیشبینی میشود و همیشه یکی در حالت رزرو (Reserve) میباشد.
فشار خروجی پمپ برابر با فشار طراحی بویلر (فشار داخل درام بخار) به علاوه مجموع افت فشار جریان آب در لوله تغذیه آب بویلر و لولههای اکونومایزر است.
ریهیترها (ReHeaters)
ریهیتر قسمتی از دیگ بخار است که بخار در قسمت فشار بالای توربین، یا توربین فشار قوی پس از اینکه قسمتی از حرارت خود را هنگام انبساط از دست میدهد، به این قسمت هدایت میشود.
در دیگهای بخار، ریهیترها چون بعد از سوپرهیترها و در معرض دود نصب شدهاند، با استفاده از حرارت گازهای احتراق، درجه حرارت بخار را بالا میبرند و معمولاً دمای بخار را به دمای اولیه آن میرسانند.
ترتیب قرار گرفتن و ساختمان یک ریهیتر مانند سوپرهیتر است. در دیگهای بخار جدید، قسمتهای ریهیتر به طور مساوی با قسمتهای سوپرهیتر مخلوط است و یا اینکه ممکن است به طور جداگانه، سوپرهیتر ثانویه در مقابل مشعل کوره و ریهیتر در مقابل دیگری باشد. دمای بخار در ریهیترها، به وسیله ریسوپرهیتر ریهیترها کنترل میشود.
اکونومایزر (Economizer)
اکونومایزر همان صرفهجوییکننده است که به منظور صرفهجویی در سوخت به دیگهای بخار اضافه شدهاند. لولههای اکونومایزر در قسمت بیرونی یا محیطی دارای فین یا پره هستند، تا با افزایش سطح تبادل حرارتی مقدار حرارت جذب شده زیاد باشد.
گاهی اوقات اکونومایزر به دو قسمت بخارکننده و گرمکننده تقسیم میشود. در این صورت، آب تغذیه ابتدا وارد قسمت گرمکننده میگردد که درجه حرارتش پایین است و بعد از افزایش دما، به قسمت بخارکننده وارد میشود. از این روش در دیگهای بخار مدرن و جدید استفاده نمیشود. دیگهای جدید فقط شامل یک اکونومایزر است.
برای اطلاعات تخصصیتر درباره این تجهیز، به مقاله «اکونومایزر در بویلر و دیگ بخار» لینک داده شود.
پیشگرمکن دوار یا یانگستروم (Jangesterome)
این نوع گرمکن معمولاً بعد از اکونومایزر، در مسیر گازهای حاصل از احتراق به طرف دودکش قرار میگیرد تا قسمتی از حرارت باقیمانده از گازهای احتراق را جذب و به هوا منتقل کند. حرارت گازها در قسمتی از این نوع پیشگرمکن برای مدتی ذخیره میشود و سپس به هوای تغذیه دیگ بخار که از سوی فنهای دمنده هوا ارسال شده است، منتقل میگردد.
در واقع در این نوع گرمکن، سطوح انتقال گرما از نوع فلزی به ترتیب در معرض عبور هوا و یا گازهای گرم، قرار میگیرند. این نوع به گرمکن بازیافتنی نیز مشهور است. برای دوران قسمت چرخنده گرمکن از یک موتور استفاده میشود و حرکت محرک به وسیله چرخدندههای مناسبی به درام گردنده گرمکن منتقل میشود. سرعت دورانی درام یک یا دو دور در دقیقه است.
درام شامل عناصر موجیشکل است که مابین صفحات شعاعی قرار میگیرند. این صفحات شعاعی، درام را به قسمتهای مجزا تقسیم میکنند.
گازها از میان عناصر یک طرف درام و هوا از میان عناصر طرف دیگر عبور میکنند. از این رو، عناصر گردنده هنگامی که در معرض جریان گازها هستند، حرارت را در خود ذخیره میکنند و موقعی که در مسیر جریان هوا قرار میگیرند، حرارت ذخیره شده را به هوا منتقل میسازند و این عمل به طور مداوم ادامه مییابد.
آببندیهای شعاعی جهت جلوگیری از نشت به صفحات جداکننده اضافه میگردند و آببندیهای محوری و محیطی برای جدا کردن طرف گاز از طرف هوا به کار برده میشوند. در یک نیروگاه بخاری با خروجی تقریبی ۳۰۰MW، دمای گازهای ورودی به این نوع پیشگرمکن، حدود ۴۰۰˚C است.
در یانگستروم چون فشار هوا از فشار گازها بیشتر است و امکان مخلوط شدن هوا و گاز وجود دارد، از چند نوع سیل آببندی استفاده میشود. این نوع سیلها از ورقههای نازک فلزی هستند که در موقع تماس باید امکان خم شدن نداشته باشند تا به بدنه آسیب وارد نشود.
چون انبساط یانگستروم به طرف بالا است و از طرفی، روتور و گرمکن از پایین به وسیله یاتاقانها محکم شدهاند، برای سیل پایینی محیطی، در مواقع انبساط مشکلی پیش نخواهد آمد. اما سیلهای محیطی بالایی، عمدتاً برای تحمل دماهای بالا طراحی و ساخته میشوند.
غالباً پیشگرمکنهای دوار مجهز به دودهپاککن و مسیر آتشنشانی و شستشو با آب و همچنین مسیرهای روغن برای یاتاقانهای نگهدارنده و هدایتکننده هستند. پیشگرمکنهای دوار دارای دمپرهای ورودی و خروجی برای گازهای حاصل از احتراق و هوا هستند که در مواقع بهرهبرداری، این دمپرها باز میشوند و در صورت تریپ هر دو موتور AC و DC، به طور اتوماتیک بسته میشوند.
مزیت این نوع گرمکن بر انواع دیگر این است که ساختمان آن حجم کمتری داشته و جای کمتری را میگیرد. از طرف دیگر باعث بازیافت انرژی در کل چرخه نیروگاه میگردد. اما عیب آن این است که آببندی کردن آن مشکل است.
یکی از مسائل مهم در بهرهبرداری از این نوع گرمکن این است که چون دود ناشی از احتراق غالباً دارای گازهای اسیدی است، نباید دود در یانگستروم به نقطه شبنم برسد، زیرا در این صورت، اسید تولید شده باعث خوردگی شیمیایی قطعات یانگستروم میشود.
برای جلوگیری از بروز این اتفاق، مقداری از هوای گرم شده را از گرمکن عبور میدهند و یا اینکه اجازه میدهند قسمتی از هوای سرد، بدون اینکه از گرمکن بگذرد، از بایپس عبور کند. حتی اگر لازم باشد تمام هوا را بایپس میکنند.
دیسوپرهیترها (DeSuperHeaters)
سوپرهیترها را برای درجه حرارتهای بالاتر از درجه حرارت مورد نیاز و برای تمامی شرایط بار توربین میسازند. در مواقع پایین آمدن بار توربین و پایین آوردن درجه حرارت بخار سوپرهیتر، از دیسوپرهیتر استفاده میکنند و غالباً آن را بین دو سوپرهیتر سری شده قرار میدهند.
انواع دیسوپرهیترها
نوع اول مبدل حرارتی پوسته و لولهای است که بخار داغ دمای اضافی خود را به آب تغذیه دیگ بخار میدهد. این نوع با وجود دارا بودن مزیت بازیافت انرژی، با بالا رفتن تناژ تولید بخار، عملاً نمیتواند پاسخگو باشد. نوع دیگر دیسوپرهیترها که غالباً در نیروگاههای بزرگ از آنها استفاده میکنند، نوع پاششی است که به آن تماسی نیز میگویند.
در این نوع آب تغذیه به طور مستقیم به داخل بخار داغ پاشیده میشود و برودت لازم را به بخار داغ میدهد. مقدار آب پاشیده شده بر حسب درجه حرارت لازم تنظیم میشود. در مسیر ریهیتر نیز از این لوازم استفاده میکنند تا در صورت افزایش دمای بخار هنگام ریهیت، آن را کاهش دهد.
شیرهای اطمینان
شیرهای اطمینان برای حفاظت و ایمنی دستگاهها روی تمام دیگهای بخار نصب میشوند. یک شیر اطمینان خوب دارای مشخصات زیر است:
- هنگام افزایش بیش از حد فشار، باز شده و برای پایین آوردن فشار، به مقدار کافی آب یا بخار را خارج میکند تا فشار اضافی از بین برود.
- هنگامی که تحت فشار معینی کار میکند، کاملاً بسته و آببندی شده است.
شیرهای اطمینان روی درام دیگ بخار، هدرهای خروجی سوپرهیترها و ریهیترها نصب میشوند و تعداد آنها بستگی به اندازه و طرح دیگ بخار دارد. شیر اطمینان سوپرهیتر، قبل از سوپاپهای اصلی و یکطرفه دیگ بخار قرار گرفتهاند و طوری تنظیم شدهاند که در فشار کمتری نسبت به شیرهای اطمینان درام، عمل تخلیه بخار را انجام دهند.
منظور این است که جریان بخار در سوپرهیتر قبل از تخلیه از طریق سوپاپهای درام کم باشد تا باعث گرم شدن زیاد سوپرهیتر نشود.
مدار سوخت و هوا و اجزای آن
هوای لازم جهت احتراق یا به وسیله فنهای دمنده هوا و یا از داخل اتاق دیگ که بویلر در آنجا نصب شده است و یا از بیرون و از محوطه نیروگاه تهیه میشود. در حالت اول حداکثر استفاده از حرارت هدر رفته از تشعشع پوسته دیگ انجام خواهد شد.
در صورت استفاده از هوای اتمسفر، یک پیشگرمکن اولیه برای هوا اجباری خواهد بود که غالباً از نوع مدلهای بخاری است. پیشگرمکن ثانویه همیشه یانگستروم میباشد که همانطور که پیشتر شرح داده شد، مبدلی است دوار که جهت بازیابی گازهای احتراق مورد استفاده قرار میگیرد.
یعنی هوای مصرفی برای احتراق توسط دمای گازهای حاصل از احتراق داغ شده و به سر مشعلها خواهد رفت. گازهای حاصل از احتراق در محل گذر خود، از پاساژهای سوپرهیترها، ریهیترها، اکونومایزر و یانگستروم عبور کرده و دما را با آنها مبادله میکند.
خروج گازهای حاصل از احتراق، از کوره به طرف دودکش، به سه طریق ممکن میشود:
- خروج گازها یا تخلیه آنها تحت فشار انجام میگیرد که بستگی به فن دمنده هوا و فشار کوره دیگ بخار دارد.
- خروج گازها به وسیله فن مکنده دود (I.D. Fan)، که غالباً در کورههای با فشار کمتر از فشار جو عملی میشود.
- خروج بالانس شده، که تابعی از فن دمنده هوا و فن مکنده دود خواهد بود.
لازم به ذکر است که ارتفاع دود خارج شده از سر دودکش، در طرح تخلیه دود اهمیت زیادی دارد.
تعریف سوخت و انواع آن
اجسامی که پس از ترکیب با اکسیژن هوا بسوزند و تولید حرارت نمایند، سوخت نام دارند. سوختهای فسیلی عمدتاً شامل عناصر شیمیایی کربن و هیدروژن بوده و از ترکیب آنها با اکسیژن تولید حرارت میشود. از این حرارت مستقیماً برای تولید بخار یا نیرو در نیروگاههای بخاری و گازی و دیزلی استفاده میشود. سوختهای فسیلی به سه دسته اصلی تقسیم میشوند: گازی شکل، مایع و جامد.
سوختهای مایع و گازی شکل به طور عمده ریشه نفتی دارند و سوختهای جامد شامل انواع ذغالسنگها، چوب و … هستند. در نیروگاههای بخاری ایران، بیشتر از سوختهای مایع یا گازی شکل استفاده میشود. بسته به محل نصب نیروگاه و مسائل اقتصادی، نیروگاهها، برای یک یا چند سوخت خاص طراحی میشوند.
ارزش حرارتی (Heating Value)
ارزش حرارتی یک سوخت عبارتست از مقدار حرارتی که مخلوط سوخت و هوا پس از احتراق کامل و رسیدن به دمای محیط آزاد میکند و واحد آن مقدار حرارت آزاد شده در واحد جرم سوخت است. ارزش حرارتی معیار میزان حرارتدهی یک سوخت است.
برای تعیین ارزش حرارتی سوخت در آزمایشگاهها، از پمپهای کالریمتر استفاده میکنند. ارزش حرارتی سوختهای فسیلی با افزایش نسبت کربن به هیدروژن (C/H)، کم میشود، زیرا از اتمهای هیدروژن کم شده و بر اتمهای کربن افزوده میشود. میدانیم که ارزش حرارتی کربن کمتر از هیدروژن است.
احتراق و تعریف آن
احتراق تحولی شیمیایی است و اکسیداسیون سریع سوختها را احتراق میگویند. محصولات قابل احتراق گازیشکل در حین تحول، بر اثر آزاد کردن انرژی شیمیایی زیاد، نورانی میشوند که نور حاصل را شعله مینامیم.
در تحول احتراق از آنجایی که گاز (مخلوط سوخت و هوا) در بدو ورود به کوره نورانی نمیشود، بنابراین منطقه احتراق شامل دو قسمت زیر است:
- قسمت روشن و پرنور (Luminieus Zone)
- قسمت فعل و انفعال (Reaction Zone)
اشتعال در اکثر نواحی فعل و انفعال به وقوع میپیوندد، در حالی که سوختن کامل و صدور شعله حداکثر در منطقه لومینانس (پرنور) واقع میشود.
کم کردن منطقه فعل و انفعال و آزاد شدن سریع انرژی محبوس شیمیایی سوخت، از کارهای تکنیکی در ساختن مشعلهای نیروگاهی است. بدین معنی که در نیروگاهها سعی میشود قطرههای سوخت پس از ورود به کوره، سریعتر به منطقه لومینانس برسد و انرژی خود را آزاد کند.
محصولات احتراق
محصولات احتراق عبارتست از مجموعه گازهای خشک (CO، CO2، SO2 و …) و گازهای تر (بخار آب ناشی از احتراق H2 و رطوبت اولیه سوخت) و مواد معلق جامد موجود در سوخت قبل از احتراق، نظیر خاکستر (Ash) و اجسام جامدی که در موقع احتراق از اثر شیمیایی ترکیبات مختلف پدید آمده باشند.
راندمان احتراق
در صورتی که مخلوط هوا و سوخت بتواند یک شعله پایدار ایجاد کند، بسته به درجه حرارت محیط، جنس آن و حرکت سیال در اتاق احتراق، قسمتی از سوخت یا تمام آن با هوا ترکیب شده و تولید حرارت خواهد کرد.
اما اگر سوخت به طور کامل بسوزد، عناصر موجود در سوخت کاملاً اکسید شده و تمام انرژی شیمیایی موجود در آن آزاد خواهد شد. در نهایت عناصر موجود در سوخت به صورت ذرات کربن، CO، CO2 و هیدروکربورهای نیمسوخته باقی میماند.
هر چه میزان این ترکیبات در محصولات احتراق بیشتر باشد، راندمان احتراق کاهش مییابد.
بطور کلی بنا به تعریف داریم:
انرژی حرارتی آزاد شده به وسیله عمل احتراق = راندمان احتراق – ارزش حرارتی بالای سوخت
مشعلها و انواع آنها (Burners)
مشعلها عناصری هستند جهت اختلاط صحیح سوخت با هوا، به منظور تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی حرارتی، توسط واکنشی به نام احتراق.
برای تامین بهینه این منظور مشعلها باید بتوانند:
- سوخت را در حد انتظار اتمیزه کنند.
- سوخت و هوا را در مدت زمان کوتاهی با هم بیامیزند.
- تولید کربن نسوخته را به حداقل برسانند.
- همچنین باید سرویس و نگهداری مشعلها آسان باشد.
- …
مشعلها را از نظر نوع سوخت به تیپهای مشعلهای گازسوز، مایعسوز و جامدسوز تقسیم میکنند. اما در اینجا مشعلها را از نظر نحوه کار تقسیمبندی میکنیم.
مشعلهای تبخیری (Vapourizing Burners)
در این گونه مشعلها سوخت در منطقهای تبخیر شده، سپس با هوای لازم برای احتراق میآمیزد و بعد محترق میشود. مشعلهای بخاریهای خانگی، والورها، چراغهای فتیلهای نفتی، همه از این نوعند.
مشعلهای پودرکننده (Atomizing Burners)
در این نوع مشعلها، سوخت پس از اتمیزه شدن (پودر شدن) با هوا درآمیخته و وارد کوره میشود.
مشعلهای گریز از مرکز (Rotating Cup Burners)
در این گونه مشعلها که به مشعلهای دورانی نیز شهرت دارند، بر اثر دوران محفظه چرخشی، سوخت وارد محفظه نیمه مخروطی اتمیزاسیون شده و بر اثر نیروی گریز از مرکز، پودر میشود. زاویه محفظه اتمیزاسیون و همچنین سرعت زاویهای دوران نقشهای اساسی در اتمیزاسیون دارند. شیب شعله بستگی به شیب مخروط و همچنین وضعیت نازل دارد.
سرعت دوران غالباً ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ دور در دقیقه است. عموماً برای پودر کردن نفت کورهها از این گونه مشعلها استفاده میشود. در عمل باید این مشعلها را به طور افقی نصب کرد. از معایب این گونه مشعلها، همگن و هماندازه نبودن قطرات اتمیزه شده سوخت و نشت زیاد مشعل را میتوان نام برد.
برای توضیحات کاملتر درباره انواع مشعل، به مقاله تخصصی «انواع مشعل صنعتی» لینک داده شود.
جمعبندی
دیگ بخار مجموعهای از مدارهای آب و بخار، سوخت و احتراق، و هوا و گازهای حاصل از احتراق است که اجزای مختلفی در هر یک از این مدارها وظایف مشخصی را بر عهده دارند.
از مهمترین اجزای دیگ بخار میتوان به کوره، دیوارههای آبی، درام، لولههای تغذیه، پمپ تغذیه، اکونومایزر، سوپرهیتر، ریهیتر، دیسوپرهیتر، پیشگرمکن هوا، مشعل و تجهیزات مرتبط با مسیر هوا و گازهای احتراق اشاره کرد.
برای آشنایی تخصصیتر با هر یک از این تجهیزات، میتوان از مقالات اختصاصی مربوط به پمپ تغذیه، اکونومایزر، مشعل، دیسوپرهیتر، شیر اطمینان و سایر تجهیزات دیگ بخار استفاده کرد.
برای دریافت قیمت و خرید دیگ بخار با شماره 09388037440 تماس بگیرید.
انواع بویلرها و عملکرد آن ها (قسمت دوم)


