بویلرها ودیگهای بخار

 بویلرها یا دیگهای بخار

دیگ بخار (steam boiler) یا همان بویلر بخار، یک مخزن تحت فشار می باشد که در آن آب تحت فشار گرم شده و به بخار تبدیل می شود. بخار به دلیل میزان گرمای نهان تبخیری که آب دریافت می کند تا بخار تبدیل شود، توان حمل میزان انرژی بالاتری را نسبت به آب دارد.

 

دیگ های بخار در سونای بخار، خشک شویی ها، بیمارستان ها، هتل ها، سیستم های گرمایش ساختمان، صنعت چرم سازی، صنایع مواد غذایی، نیروگاه ها و .... مورد استفاده قرار می گیرند.

درجه حرارت بخار خروجی از دیگ بخار به فشار کاری دیگ مرتبط است .

در بویلر بخار آب پس از خالص سازی و اکسیژن زدایی ، توسط پمپ به داخل بویلر هدایت می شود و با حرارتی که توسط مشعل به آب داده می شود به بخار تیدیل خواهد شد. 

بازه استفاده از دیگ های بخار:

دیگ های بخار در ظرفیت هایی از 100 کلیلو گرم بخار در ساعت تا چندین تن در ساعت بخار تولید می شوند.

این دیگ ها توان تولید بخار در فشار هایی از 1 bar تا چند صد bar را دارند.

معمولا بویلرهای  بخار فایرتیوب تا ظرفیت 30 تن بخار را تولید می کنند و بویلرهای بخار واترتیوب تا چند صد تن بخار تن در ساعت را نیز می توانند تولید کنند

انواع دیگ بخار

دیگ های بخار به طور کلی به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

بویلرهای فایر تیوب بخار

بویلر های واتر تیوب بخار

این دسته بندی به عنوان رایج ترین دسته بندی بویلر های بخار مورد قبول واقع شده است اما می توان بویلرها را به صورت زیر به کلاس های مختلفی تقسیم کرد:

1- از نظر محل کاربرد: تولید برق، حمل و نقل (لوکوموتیو)، گرمایش، پخت مواد، استریل کردن مواد و ...

 2- از نظر فشار کاری: فشار پایین تا متوسط، فشار بالا و فشارهای فوق بحرانی. مقادیر عددی مربوط به این دسته بندی با توجه به نوع بویلر ها و خانواده آنها متفاوت است.

3- با توجه به محل تولید شدن بخار (درون لوله های بویلر یا خارج از لوله ها): به دو دسته water tube و fire tube تقسیم می شوند. در نوع فایرتیوب، بخار در بیرون لوله ها تشکیل می شود و گازهای داغ درون لوله ها حرکت می کنند اما در بویلرهای واترتیوب بخار درون لوله های بویلر تشکیل شده و گازهای داغ در خارج از لوله ها حرکت می کنند. در صورتی که بویلر برای تولید آبگرم باشد نیز به همین منوال عمل می شود.

4- از نظر نوع سیرکولاسیون سیال: سیرکولاسیون طبیعی، یک طرفه ی اجباری و ترکیبی.

این دسته بندی در مورد بویلرهای water tube کاربرد دارد. در صورت استفاده از سیرکولاسیون طبیعی هزینه ای برای سیرکولاسیون سیال درون لوله های بویلر پرداخت نمی کنیم. از روش های ترکیبی برای اطمینان از سیرکولاسیون درون لوله ها استفاده می شود. از روش یک طرفه ی اجباری زمانی استفاده می شود که درون بویلر درام قرار ندارد.

5-ازنظرطرزاحتراق
6- از نظر نحوه ی ساخت: بویلرها از این نظر به دو دسته ی ساخته شده در محل (field-erected) و ساخته شده در کارخانه (workshop-assembled) تقسیم می شوند. صنایع بزرگ و بخش هایی مثل نیروگاه ها، معمولاً از دسته field-errected استفاده می کنند. بویلرهای کوچک fire tube با ظرفیت تا 30 تن در ساعت به صورت ساخته شده در کارخانه بوده و ظرفیت های بالاتر آنها در محل ساخته می شوند. بویلرهای water tube نیز با ظرفیت های بالایی که دارند، به هر دو صورت ساخته شده در کارخانه و ساخته شده در محل موجود می باشند. لازم به ذکر است که تصمیم گیری در مورد نحوه ی ساخت بویلرها، بر اساس هزینه و توانایی انتقال آنها صورت می گیرد.

7- از نظر نوع سوخت مصرفی: سوخت جامد، مایع و گاز.

بویلر فایرتیوب یا لوله آتشین، بویلر هایی هستند که با عبور آتش و دود از درون لوله ها، آب اطراف لوله ها را به درجه حرارت مورد نظر می رساند.

این نوع از بویلر ها برای تولید بخار معمولا به صورت سه پاس و یا چهار پاس ساخته می شوند.

امروزه این نوع از بویلر ها اغلب وت بک Wet back (پشت تر) می باشند.

بویلر های بخار فایرتیوب بر اساس استاندارد BS2790 ساخته می شوند.  

بویلرهای بخار واتر تیوب (Water tube boiler) برای کار در فشار های بالا ساخته می شوند. در این نوع از بویلر، آب در درون لوله ها درجریان است و آتش مستقیم به لوله ها برخورد می کند. این بویلر ها در فشار هایی بالاتر از 100 بار نیز ساخته می شوند.

توضیح راجع به بویلر

بخار به عنوان یکی از ناقلین حرارت در سیستم ها ی گرمایشی از دیرباز مورد استفاده قرار می گرفته است. لیکن استفاده از بخار در دماهای بالا مستلزم بالا بردن فشار کاری می باشد . در فرآیند های صنعتی حهت انتقال حرارت به سیالی با دمای بالا نیاز است که دستیابی به این امر به واسطه ی استفاده از بخار ،باتوجه به جوانب امر و شرایط کار ، چندان سهل الوصول و مقرون به صرفه نمی باشد.

لذا به منظور ارتقا و بهینه سازی سیستم ها ی گرمایشی ، بویلر های روغن داغ جهت تامین حرارت تا دمای ۳۰۰ درحه سانتی گراد در فشار پایین به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد .

احتراق در کوره ها:

در کوره سه نوع مشعل وجود دارد :
۱٫مشعل شمعک(Pilot Burner ) که با جرقه زدن Ejector روشن می شود.
۲٫مشعل گازوئیل(Light Oil Burner )
3.مشعل مازوت(Heavy Oil Burner )
4.مشعل گاز(Gas Burner )
مشعل شمعک همان شعله روشن کن است که در گازهای خانگی هم وجود دارد.

سوخت دیگهای بخار:در بعضی از واحدها ممکن است پسمان محصولاتی را که می خواهند بیرون بریزند مجدداً جهت راندمان و هزینه نکردن دوباره برای خرید سوخت مورد استفاده قرار دهند مثل بعضی واحدهای صنایع نفت نظیر پالایشگاه تبریز که نفتهای نامرغوب را در کوره می سوزاند. و یا پالایشگاههای گاز ، مایعی را که در هنگام استخراج گاز جدا شده می سوزانند و یا بعضی از واحدهای صنایع پتروشیمی و غیره محصولات جنبی نامرغوب را مورد استفاده قرار می دهند ولی بطور کمی سوختهایی که در دیگهای بخار مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه گاز از همه سوختها مطلوب تر می باشد زیرا خوردگی آن در داخل کوره حداقل است و نیاز به انبار کردن ندارد، محیط زیست را آلوده نمیکند و کنترل شعله آن آسان است. در واحدهایی که گازوئیل و مازوت را به عنوان سوخت بکار میبرند در ابتدای راه اندازی بایستی با مشعل گازوئیل واحد را گرم نموده وسپس مبادرت به روشن کردن مشعل مازوتی کرده در هنگام استفاده از مازوت بایستی به گرم شدن مازوت توجه خاصی داشته باشید تا ویسکوزیته آن به حدی برسد که بتواند در زمان خارج شدن از مشعل به خوبی اتمیزه(Atomise ) گردد و در غیر اینصورت با پاشش سوخت روی لوله ها روبرو خواهید شد و علاوه بر آن خطر انفجار منطقه ای یا کلی را در بر خواهد داشت. مازوت به دلیل داشتن فلزات سنگین نظیر وانادیم و سدیم که نقطه ذوبشان از درجه حرارت کوره پایین تر است و در روی لوله ها بصورت مذاب حرکت کرده با جسم لوله ترکیب و باعث خوردگی در درجه حرارت بالا میگردند. همچنین مازوت به سبب داشتن گوگرد موجب خوردگی در درجه حرارت پایین میشود و با داشتن فلزات سنگین نظیر آهن و روی و حتی سرب تولید اکسیدهای مختلف کرده که بصورت خاکستر و غیره باعث گرفتگی در ایرپری هیترها و کوئیل بخار(Steamcoil ) ها و خوردگی سایشی در آنها میشود. واحدهایی که از سوخت مازوت بهره میگیرند معمولاً مجهز به سیستم سوت بلوئر(Soot Blower ) جهت کربن زدایی و یا بطور کلی تمیزکاری لوله های داخل لوله بخصوص در ناحیه هایی که لوله ها دارای فین هستند، میباشند سوت بلوئر یا بخــــاری است که با وزش بخار روی لوله ها را تمیز میکند ویا اینکه هوایی است که به دلیل اضافه نمودن هوای اضافی کوره زیاد مناسب نمیباشد.

پودر شدن سوختها در مشعل ها:
روشهای پودر شدن سوختها در مشعل ها عبارتند از :
۱٫ به وسیله هوا صورت میگیرد.
۲٫ به وسیله بخار صورت میگیرد.
۳٫ بطریقه مکانیکی صورت میگیرد.

میزان بخار یا آب داغ تولیدی بستگی به عوامل زیر دارد :
۱٫ میزان واکنشهای احتراقی(حرارت زا) موجود در کوره
۲٫ میزان سطوح حرارتی
۳٫ میزان هریک از سطوح تشعشعی(Radiant )و جابجایی(Convection)
4. نحوه سیرکولاسیون بخار یا آب داغ و ماحصل احتراق(Combustion products)
سوخت و هوا در بویلرها ممکن است از پایین(نوع معمول) و یا از بالا وارد کوره شوند . هر دو میتوانند بصورتهای یک یا دو یا سه کاناله یا افقی ساخته شوند.

تأمین هوا جهت سوختن در کوره های دیگ بخار

جهت سوختن نیاز به اکسیژن داریم.از آنجائیکه حدود ۲۰ درصد از هوا اکسیژن است پس برای احتراق بایستی بطرق مختلف در کوره ها هوا وارد شود و با سوخت خارج شده از مشعل ترکیب و سوختنی جدید بوجود می آید در این وضعیت نیاز به سه شرط T داریم .

زمان(Time)، حرارت(Temprature) و اغتشاش یا تلاطم(Turbulence) . علت فراهم کردن این سه شرط آن است که وقتی یک حجم گاز CH4 وارد کوره میشود با ده حجم هوا برخورد میکند. از این ده حجم هوا ، هشت حجم آن ازتN2)( و دو حجم فقط گاز اکسیژن( (O2 داریم. پس برای برخورد و ترکیب شدن اکسیژن با ماده سوختنی بایستی زمان ماند را بطریقی تا حدودی بالا برده و اغتشاش ایجاد کرد تا برخورد دو گاز سوختنی فراهم شود و از طرفی درجه حرارت را افزایش داد تا در وهله اول دو گاز بصورت حرارتگیر(Andothermic) گرما کسب کرده و به نقطه اکتیو جهت سوختن برسند. از آنجائیکه در قبال یک حجم گاز سوختنی ده حجم هوا وارد کوره میشود و هوا هم میتواند دارای گرد و غبار ، ذرات گیاهی باکتریها و کربن و غیره باشد پس یکی از کارهای سوت بلوئر ، زدایش این اجرام از روی لوله های داخل کوره میباشد.

ارزش حرارتی یا قدرت حرارتی و گرمادهی سوختها:

مقدار گرمایی است که از سوختن واحد وزن سوخت مایع یا جامد و یا یک واحد حجم سوخت گاز حاصل میشود. بنابراین ارزش حرارتی بر حسب کالری به گرم و یا به لیتر و یا بر حسب کیلوکالری به کیلوگرم یا مترمکعب بیان میشود.مقدار حرارت تولید شده را که از حاصل سوختن متان و اکسیژن بوجود آمده است ، حرارت تولیدی یا ارزش حرارتی می گوییم .

طرق تأمین هوا در کوره ها:

۱٫ کشش طبیعی(Natural Draft) :
نظیر اکثر کوره های دیگهای بخار در پالایشگاه آبادان که هوا با خلائی که در اثر سوختن و موجود بودن دودکش در کوره ایجاد میشود بطور طبیعی و بدون فن وارد کوره شده و هوای احتراق را فراهم میکند . احتراق توسط دمپر ورودی و دمپری که در دودکش موجود است قابل کنترل است.
۲٫ فن های دمنده(Forced Draft ) :
در کوره هایی که Coil زیاد بکار گرفته شده و علاوه بر آن لوله ها دارای فین هستند کشش طبیعی زیاد کار ساز نبوده و از وجود کشش اجباری استفاده بعمل می آید که این فن هوا را وارد کوره کرده و از دودکش خارج میکند. نظیر اکثر کوره های شرکتهای گاز و پتروشیمی و بعضی از واحدهای نیروگاههای وزارت نیرو. معمولاً این کوره ها تحت فشار حدود ۲۰ اینچ آب هستند بر این اساس در مواقع باز کردن دریچه های دیده بانی بایستی مواظب بود که محصولات سوختنی به چشم صدمه وارد نکنند. برای جلوگیری از این خطر بعضی از واحدها مجهز به هوای سرویس در کوره اند که در موقع باز کردن دیده بان هوا را باز کرده و این هوا محصولات سوختنی را پس زده و فرد میتواند پنجره دیده بانی را باز و قادر به تمیز کردن شیشه و دیواره کثیف شده آن گردد.
۳٫ فن های مکنده(Induced Draft) :
در بعضی از واحدها بین کوره و دودکش این فن بکار برده میشودکه محصولات سوختنی را از کوره مکیده و به دودکش هدایت میکند و در نتیجه هوا هم از بیرون وارد کوره میشود.
۴٫ بعضی از واحدهای بزرگ نیروگاهی هم دارای فن دمنده و هم دارای فن مکنده هستند که این نوع کشش ها به کششهای تعادلی معروف میباشند. نظیر نیروگاه نکاء که فن دمنده هوا را وارد کوره کرده و فن مکنده محصولات سوختنی را به دودکش هدایت میکند.

گرمکن هوا :
بعضی از واحدها مجهز به سیستم Steam Coil جهت گرم کردن هوا هستند. یعنی بخار از داخل لوله ای عبور میکند که قسمت خارجی آن دارای فین میباشد و از قسمت خارجی لوله فین دار هوا عبور میکند و این عمل باعث گرم شدن هوا میگردد.بعضی از واحدها برای گرم کردن هوا دارای سیستمی بنام ایرپری هیتر(Air pere heater) یا لانگستروم هستند. این سیستم دارای انواع مختلف میباشد.
۱٫ نوع لوله ای
دو لوله تو در تو که از لوله میانی بخار و از لوله قسمت خارجی هوا عبور داده میشود.

۲٫نوع صفحه ای:
یک در میان بخار و هوا وارد سیستم میکنندتا از انرژی حرارتی بخار جهت گرم کردن هوا بهره گیرند .

۳٫ نوع دیگر لانگستروم (Air preheater) گردان:
که حول محور خود میچرخد و دارای سبکتهایی میباشد که وقتی در مقابل بخار قرار گیرند صفحات فلزی که دارای ناهمواریهای زیاد است و در داخل این سبکتها قرار گرفته اند گرم میشوند و زمانی که در مقابل هوا بر اثر چرخش قرار گرفته اند حرارت کسب کرده خود را به هوا انتقال می دهند و هوای گرم شده از این سیستمها وارد جعبه باد(Wind Box) شده و از آنجا توسط دمپرهای اصلی و فرعی وارد کوره دیگ میگردند.

سیکل ترکیبی:
جهت شناخت سیکل ترکیبی ابتدا بایستی عملکرد نیروگاه گازی(توربین گازی) را بدانیم که هوای فشرده با سوخت در محفظه احتراق میسوزد نظیر واکنش زیر و
محصولات سوختنی حاصل به پره توربین برخورد و باعث چرخش آن میشود که این چرخش در ژنراتور تولید برق میکند چون درجه حرارت پس از خروج از توربین زیاد است و اگر آن را به خارج هدایت کنیم و نتوانیم از انرژی تولید شده بهره بگیریم متحمل ضرر زیادی شده ایم. لذا این محصولات را که دارای درجه حرارت زیاد است به جای جو وارد کوره یک نیروگاه بخاری میکنیم که انرژی حرارتی این محصولات باعث بخار شدن آب نیروگاه بخاری و همچنین سوپرهیت شدن آن میگردد و کمبود درجه حرارت کوره بخاری را میتوان با تعبیه مشعلهای جبرانی افزایش داد. معمولاً محصولات سوختنی چند واحد گازی مثلاً سه واحد گازی را وارد کوره یک واحد بخاری میکنند نظیر سیکل ترکیبی نیروگاه منتظر قائم کرج که محصولات سه واحد ۶۰ مگاواتی نیروگاه گازی را وارد کوره یک واحد بخاری ۱۲۰ مگاواتی نموده اند و چون از انرژی حرارتی آنها جهت بالا بردن راندمان استفاده شده است آنها را سیکل ترکیبی نام نهاده اند که این محصولات در انتها از دودکش نیروگاه بخاری به خارج هدایت میگردد. واحدهای سیکل ترکیبی فقط در محصولات سوختنی با هم شریک هستند نه در توربین و برق و غیره.

مزایای سیستم روغن داغ:

* عملکرد در فشار اتمسفریک بدون نیاز به افزایش فشار حتی در دماهای بالا
* عدم وجود خوردگی یا رسوب در سیستمها
* عدم تغییر در خواص ترموفیزیکی سیال با کاهش و افزایش فشار
* نیاز نداشتن به دستگاههای جانبی مانند دی اریتور،سختی گیر و …

اجزای مجموعه سیستم روغن داغ :

۱٫ هیتر روغن که قلب سیستم گرمایش و مهمترین قسمت آن نیز می باشد، در این قسمت روغنی که دمای خود را در تماس غیر مستقیم با مصرف کننده ها از دست داده است مجدداً گرم شده و به دمای اولیه خود باز می گردد.

۲٫ مخزن انبساط : عملکرد این مخزن مشابه عملکرد مخزن انبساط سیستم آبگرم بوده و وظیفه نگهداری سیال منبسط شده در اثر گرما ، تامین سیال مورد نیاز در هنگام کاهش احتمالی میزان روغن در سیستم و یا انقباض آن و نیز تامین فشار استاتیک لازم درمکش پمپ سیرکولاسیون روغن را دارد.
۳٫ پمپ گردش روغن داغ یا پمپ سیرکولاسیون که سیال گرم شده را در داخل سیستم بحرکت در آورده و امکان گرم شدن مداوم و تغذیه دمایی مصرف کننده ها را فراهم می کند.
۴٫ مخزن ذخیره روغن : جمع آوری کل روغن داخل سیستم و نیز تامین کمبود روغن در سیکل را بعهده دارد .
۵٫ بلاکینگ وسل (بلوکه کننده دما): روغن داغ که در حال حرکت به سمت مخزن انبساط است درون این مخزن با روغن سرد آغشته و مخلوط می شود تا احتمال اشتعال روغن در سیستم به حداقل برسد.
۶٫ جداکننده هوا و گاز (گاز سپراتور): این مخزن به روش فیزیکی و با به هم زدن جریان روغن گاز های نا محلول و هوا را از روغن جدا کرده و آنها را از بالاترین نقطه خود به سمت مخزن انبساط هدایت می کند.
مزایا روغن داغ نسبت به بخار:

برابر بررسی ها ی صورت گرفته مشخص گردید که سیستم گرمایشی روغن داغ نسبت به بخار مزایای ذیل را در بر دارد:

• کارکرد در شرایط با فشار پیین
• ایجاد دمای بالا و بالطبع نیاز به سطح حرارتی کمتر
• عدم احتمال خوردگی (به علت ساختار شیمایی)
• عدم یخ زذگی در هنگام خاموش بودن دستگاه
• عدم رسوب گرفتگی و بالطبع افزایش راندمان انتقال حرارت
• عدم نیاز به تجهیزات جهت تصفیه و نرم کردن روغن
• عدم نیاز به سیستم های شیمیایی دوزینگ جهت اصلاح کیفیت شیمیایی روغن
• عدم وجود تلفات حرارتی ناشی از کندانس و فلاش بخار
• عدم وجود تله ها ی بخار
• عدم احتمال انفجار ناشی از تراکم گازهای فشرده
• عدم نیاز به دی ایریتور و تانک کندانس
• عدم نیاز به بلودان
• عدم نیاز به خلا شکن
• سهولت راهبری و نیاز به نگهداری کمتر
• کارآیی و صحت کارکرد بالا
• ایمنی و اطمینان بیشتر
• کنترل صحیح دما
• ساختاری با عمر طولانی تر
• عدم وجود ضربه های بخار و فلاش بخار

کاربرد: صنعت سیمان، صنایع غذایی و در هر مکان که سیال با فشار کم درجه ی حرارت بالای ۲۰۰ درجه لازم باشد