تشریح اجزای دیگ های بخار

۳-۱- مدارهای عملکرد دیگ های بخار :

یک دیگ بخار دارای چهار مدار زیر است :

• مدار آب
• مدار بخار
• مدار سوخت و تجهیزات احتراق
• مدار هوا و گازهای حاصل از احتراق

که در هر مدار مذکور دستگاهها و سیستمهای متعددی فعالیت می کنند تا ایجاد بخار داغ و کنترل آن برای بارگیری توسط توربین با اطمینان کافی صورت گیرد .

۳-۱-۱- مدار آب و بخار و اجزای آن :

آب در دیگ به وسیله پمپهای تغذیه دیگ از طریق شیرهای یکطرفه به درون دیگ رانده می شود . شیر یکطرفه مانع پس زدن آب گرم از دیگ می گردد . شیر مورد نظر و دیگر انواع آن را می توان در کتابهای مربوط به شیرها و لوله کشی جستجو کرد . آب در سیستم تغذیه ، بعد از شیرهای یکطرفه به اکونومایزر وارد می شود . در آنجا از گازهای خروجی دیگ مقداری حرارت کسب می کند و سپس وارد درام دیگ  می گردد . شکل های زیر یک نوع درام نیروگاه ۴۰۰MW را نشان می دهد . درام به مثابه مخزنی است برای انواع دیواره های لوله ای دیگ ،که به عنوان اتاقک جداسازی آب ازبخارنیز ، قبل از آنکه بخار به سوپرهیتر (  Super Heater) برود ، عمل می کند . آب از طریق لوله های پایین رونده از درام دیگ بخار ، به نام مقسم ( Header ) واقع در پایین دیگ بخار می رود . دیواره بویلر متشکل از یک ردیف لوله های نزدیک به هم است که حول اتاق احتراق (کوره ) و دیگر قطعات دیگ قرار گرفته اند تا از حرارت تابشی کوره جلوگیری شود .

دیواره های لوله ای کوره دیگ ، که در معرض آتش ناشی از احتراق سوخت هستند ، به عنوان نواحی عمده بخارسازی به حساب می آیند . به این ترتیب ملاحظه می شود که لفظ دیواره آبی ، به هر حال اسم بی مسمایی است . لوله های دیواره کوره در اصل حاوی مخلوط آب و بخار ( دو فازه ) هستند . وزن مخصوص مخلوط مورد نظر کمتر از وزن مخصوص محتوای لوله های پایین آورنده است ، از این رو مخلوط دو فازه با سرعت به درام وارد می شود تا آب جای آنها را در پایین ترین قسمت دیواره های آبی بگیرد . مخلوط آب و بخار که وارد درام می شود ، به وسیله سیکلون ها حرکت چرخشی می کند و بخار از آب جدا می گردد . بخار جدا شده پس از عبور از ردیف های خشک کن ها ، قطرات آب خود را پس داده و بصورت اشباع وارد مقسم ورودی سوپر هیتر اولیه ( دما پایین ) می گردد .

در دوره راه اندازی ، 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 لوله ای برای به جریان انداختن مجدد آب استفاده می شود . ارتباط لوله ای مذکور از یک لوله پایین رونده ویک شیر جداساز تشکیل می گردد . در برخی از دیگهای بخار ، یک پمپ جریان نیز به کار می رود تا همواره صرفنظر از وزن مخصوص سیالهای موجود در اکونومایزر ، از جریان آب نیز اطمینان حاصل شود .

بخار خشک اشباع  خارج شده از درام ، به اولین طبقه از سوپرهیترها که سوپرهیتردما پایین نام دارد ، وارد می شود . این نوع سوپرهیترها اغلب از نوع تابشی است و به طور مستقیم شعله ناشی از احتراق را می بینند . البته در بعضی از طرحهای دیگر از نوع تابشی نبوده و در معرض گازهای حاصل از احتراق نصب می شوند . دمای بخار در طبقات مختلف سوپرهیترها تا دمای معینی ، که غالباً در واحدهایبخارساز ۵۳۸˚c است ، بصورت کنترل شده افزایش می یابد .

غالباً بعد از سوپرهیتر دما پایین ، به ترتیب سوپرهیترهای دما متوسط و دما بالا قرار می گیرند . کنترل دما همیشه در خروجی سوپرهیتر دما متوسط و ورودی سوپرهیتر دما بالا در دستگاهی به نام دی سوپرهیتر عملی می شود . در ورودی و خروجی هر سوپرهیتر ، مقسم هایی وجود دارد . مقسم ها برای ایجاد تعادل گرمایی و همچنین تقسیم اصولی دبی سیال به لوله ها ، طراحی و نصب می شوند .

بخار داغ ایجاد شده ، بعد از خروج از مقسم سوپرهیتر دما بالا ، به طرف توربین فشار قوی حرکت می کند و در آن منبسط می شود . بخار انبساط یافته با افت فشار بالا و دمای زیاد مواجه می شود . که غالباً آن را به دیگ بر می گردانند ودر مبدلی به نام باز گرمکن ( Reheater ) دمای آن را بالا می برند .

تحول ترمو دینامیکی فوق در فشار ثابت صورت می گیرد و دمای بخار دوباره تا دمای بخار اصلی بالا می رود . باز گرمکن ها هم ممکن است چند طبقه باشند که به نامهای باز گرمکن دما پایین و دما بالا مشهور هستند . یاد آوری می شود که هنگام روشن کردن دیگ بخار ، جریان گازی از روی باز گرمکن بای پس می شود تا از سوختن باز گرمکن قبل از برقراری امکان تغذیه آن با بخار جلوگیری شود .

در ادامه به تشریح تک تک قسمتهای دیگ بخار می پردازیم .

۳-۱-۱-۱- کوره ( ( Furnace :

کوره یک محفظه عایق است که در آن گرمای حاصل از احتراق سوخت مصرفی ازیک منبع دما بالا به یک منبع دماپایین منتقل می شود.

وظیفه اصلی کوره ، تامین و انتقال حرارت معینی به سیال فرآیند تحت درجه حرارتهای بالا می باشد . انتقال حرارت در کوره می تواند در اثر تشعشع و جابجایی صورت گیرد .

بدنه کوره ها 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 نموده اند ، تشکیل شده است . این لوله ها تقریباً نیمیاز حرارت آزاد شد توسط احتراق سوخت را جذب می نمایند. در این بخش سهم اصلی انتقال حرارت را مکانیزم تشعشع بعهده دارد .

آب ورودی به لوله ها ابتدا به تا دمای اشباع مربوط به فشار نقطه مورد نظر گرم می شود و سپس با ادامه حرکت در لوله ها تبخیر صورت گرفته و یک مخلوط مرطوب حاصل می شود . با حرکت جریان به سمت بالا به دلیل افتهای اصطکاکی و وزن کمتر ستون آب رد بالای هر نقطه مشخص ، فشار کاهش می یابد . در نهایت مخلوط حاصل به درام تخلیه می گردد . شکل ۳-۱ درام یک نوع بویلر نیروگاهی را نشان می دهد.

– 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 حد اقل سرعت ۱m/s و درجه حرارت طراحی برای مواد متناسب با دمای اشباع در فشار طراحی صورت می گیرد .

 پمپ تغذیه آب بویلر( Feed Water Pump ) :

افزایش فشار هیدرواستاتیکی آب توسط پمپها صورت می گیرد و در طراحی آن ضریب ۱۰٪ اضافی را در نظر می گیرند . بدلیل عملکرد مداوم بویلرها و به لحاظ شرایط و ملاحظات دینامیکی ، معمولاً دو پمپ پیش بینی می شود و همیشه یکی در حالت رزرو ( Researve ) می باشد . فشار خروجی پمپ برابر با فشار طراحی بویلر ( فشار داخل درام بخار) بعلاوه مجموع افت فشار جریان آب در لوله تغذیه آب بویلر و لوله های اکونومایزر است .

ری هیترها ( ReHeaters )

ری هیتر 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 می دهد ، به این قسمت هدایت می شود .

در دیگهای بخار، ری هیترها چون بعد ازسوپرهیترها ودر معرض دود نصب شده اند ، با استفاده از حرارت گازهای احتراق ، درجه حرارت بخار را بالا می برندو معمولاً دمای بخار را به دمای اولیه آن می رسانند .

ترتیب قرار گرفتن و ساختمان یک ری هیتر مانند سوپرهیتر است . در دیگهای بخار جدید و مدرن ، قسمتهای ری هیتر بطور مساوی با قسمتهای سوپرهیترمخلوط است و یا اینکه ممکن است به طور جداگانه، سوپرهیتر ثانویه در مقابل مشعل کوره و ری هیتر در مقابل دیگری باشد . دمای بخار در ری هیترها، به وسیله ری سوپرهیتر ری هیترها کنترل می شود . در شکل ۳-۲ یک دی سوپرهیتر ری هیتر از یک نیروگاه ۴۰۰MW و لوله کشی مربوط به آن نشان داده شده است .

– اکونومایزر ( Economizer )

پس از اینکه گازهای کوره قسمتی از حرارت خود را به لوله های آب یا دیواره های آبی و سوپرهیتر و ری هیترها می دهند ، هنوز مقدار قابل توجهی انرژی حرارتی دارند . اگر این انرژی به همراه گازهای حاصل از احتراق از دودکش تخلیه شود ، از نظر اقتصادی و از نظر راندمان دیگ بخار ، مقرون به صرفه نخواهد بود . به همین جهت از طریق یک اکونومایزر ، از حرارت باقیمانده استفاده می کنند . چون برای صرفه جویی در مصرف ، سوخت این قسمت را به دیگهای بخار اضافه کرده اند ، آن را صرفه جویی کننده یا اکونومایزر لقب داده اند .

اکونومایزر را می توان به عنوان یک هیتر آب تغذیه محاسبه کرد ، زیرا آخرین هیتر آب تغذیه قبل از ورود آن به دیگ بخار است .

اکونومایذر تعدادی لوله های سری دارد که در آخرین مرحله در مسیر گازهای حاصل از احتراق قرار می گیرد و آب تغذیه را گرم می کند . لوله ها به طور جداگانه یا بصورت حجمی قرار گرفته اند و به وسیله یک سری لوله های خمیده کوچک یا زانویی به یکدیگر وصل می شوند . عمده این اتصالات جوشکاری شده است . لوله های خمیده را ، در اصطلاح ، خمهای اکونومایزر می گویند . آب در ابتدا به قسمت تحتانی یا سرد وارد می شود و از لوله ها گذشته به قسمت بالایی که گرمترین قسمت است ، می رسد و آنگاه وارد هدر خروجی آن می شود ، سپس به درام می ریزد .

لازم به ذکر است که لوله های 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 بخار کننده و گرم کننده تقسیم می شود . در این صورت ، آب تغذیه ابتدا وارد قسمت گرم کننده می گردد که درجه حرارتش پایین است و بعد از افزایش دما ، به قسمت بخار کننده وارد می شود . از این روش در دیگهای بخار مدرن و جدید استفاده نمی شود . دیگهای جدید فقط شامل یک اکونومایزر است .

 پیش گرمکن دوار یا یانگستروم ( Jangesterome )

این نوع گرمکن معمولاً بعد از اکونومایزر ، در مسیر گازهای حاصل از احتراق بطرف دودکش قرار می گیرد تا قسمتی از حرارت باقیمانده از گازهای احتراق را جذب و به هوا منتقل کند .

حرارت گازها در قسمتی از این نوع پیش گرمکن برای مدتی ذخیره می شود و سپس به هوای تغذیه دیگ بخار که از سوی فن های دمنده هوا ارسال شده است ، منتقل می گردد . درواقع در این نوع گرمکن ، سطوح انتقال گرما از نوع فلزی به ترتیب در معرض عبور هوا و یا گازهای گرم ، قرار می گیرند . این نوع گرمکن به نوع بازیافتنی نیزمشهور است .

چنان که در شکلهای ۳-۳ و ۳-۴ دیده می شود ، برای دوران قسمت چرخنده گرمکن از یک موتور استفاده می شود و حرکت محرک به وسیله چرخدنده های مناسبی به درام گردنده گرمکن منتقل می شود . سرعت دورانی درام یک یا دو دو دور در دقیقه است .

درام شامل عناصرموجی شکل است که مابین صفحات شعاعی قرار می گیرند . این  صفحات شعاعی ، درام را به قسمتهای مجزا تقسیم می کنند .

گازها از میان عناصر یکطرف درام و هوا از میان عناصرطرف دیگر عبور می کنند . از این رو ، عناصر گردنده هنگامی که در معرض جریان گازها هستند ، حرارت را در خود ذخیره می کنند و موقعی که در مسیر جریان هوا قرار می گیرند ، حرارت ذخیره شده را به هوا منتقل می سازند واین عمل به طور مداوم ادامه می یابد .

انبساط یانگستروم به طرف بالا است ، و از طرفی ، روتور و گرمکن از پایین به وسیله یاتاقانها محکم شده اند ، برای سیل پایینی محیطی ، در مواقع انبساط مشکلی پیش نخواهد آمد . اما سیلهای محیطی بالایی ، عمدتاً برای تحمل دماهای بالا طراحی و ساخته می شوند .

غالباً پیش گرمکن های دوار مجهز به دوده پاک کن و مسیر آتش نشانی و شستشو با آب و همچنین مسیرهای روغن برای یاتاقانهای نگهدارنده و هدایت کننده هستند . پیش گرمکن های دوار دارای دمپرهای ورودی و خروجی برای گازهای حاصل از احتراق و هوا هستند که در مواقع بهره برداری ، این دمپرها باز می شوند و در صورت تریپ هر دو موتور AC و DC ، بطور اتوماتیک بسته می شوند .

مزیت این نوع گرمکن بر انواع دیگر این است که ساختمان آن حجم کمتری داشته و جای کمتری را می گیرد . از طرف دیگر باعث بازیافت انرژی در کل چرخه نیروگاه می گردد . اما عیب آن این است که آب بندی کردن آن مشکل است .

یکی از مسائل مهم در بهره برداری 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 می شود . برای جلوگیری از بروز این اتفاق ، مقداری از هوای گرم شده را از گرمکن عبور می دهند و یا اینکه اجازه می دهند قسمتی از هوای سرد ، بدون اینکه از گرمکن بگذرد ، از بای پس عبور کند . حتی اگر لازم باشد تمام هوا را بای پس می کنند

دی سوپرهیترها خود دونوع هستند :

نوع اول مبدل حرارتی پوسته و لوله ای که بخارداغ دمای اضافی خود را به آب تغذیه دیگ بخار می دهد . این نوع با وجود دارا بودن مزیت بازیافت انرژی ، با بالا رفتن تناژتولید بخار ، عملاً نمی تواند پاسخگو باشد .

نوع دیگراز دی سوپرهیترها که غالباً در نیروگاههای بزرگ از آنها استفاده می کنند ، نوع پاششی است که به آن ، تماسی نیز می گویند . در این نوع ، آب تغذیه به طور مستقیم به داخل بخار داغ پاشیده می شود و برودت لازم را به بخار داغ می دهد . مقدار آب پاشیده شده بر حسب درجه حرارت لازم تنظیم می شود . این نوع دی سوپرهیتر در شکل شماره     دیده می شود . لازم به یادآوری است که در مسیر ری هیتر نیز از این لوازم استفاده می کنند تا در صورت افزایش دمای بخار هنگام ری هیت ، آن را کاهش دهد .

نمایش شماتیکی یک نمونه دی سوپر هیتر را نشان می دهد .

 شیرهای اطمینان ( Check Valves ) :

شیرهای اطمینان برای حفاظت و ایمنی دستگاهها روی تمام دیگهای بخار نصب می شوند . 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 می کند تا فشار اضافی از بین برود .
• هنگامی که تحت فشار معینی کار می کند ، کاملاً بسته و آب بندی شده است .

شیرهای اطمینان روی درام دیگ بخار ، هدرهای خروجی سوپرهیترها و ری هیترها نصب می شوند و تعداد آنها  بستگی به اندازه و طرح دیگ بخار دارد . شیر اطمینان سوپرهیتر ، قبل از سوپاپهای اصلی و یکطرفه  دیگ بخار قرار گرفته اند و طوری تنظیم شده اند 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 . در شک ۳-۶ یک نوع شیر اطمینان نشان داده شده است .

– مدار سوخت و هوا و اجزای آن :

هوای لازم جهت احتراق یا به وسیله فن های دمنده هوا و یا از داخل اتاق دیگ که بویلر در آنجا نصب شده است و یا از بیرون و از محوطه نیروگاه تهیه می شود . در حالت اول حد اکثر استفاده از حرارت هدر رفته از تشعشعوسته دیگ انجام خواهد شد . در صورت استفاده از هوای اتمسفر ، یک پیش گرمکن اولیه  برای هوا اجباری خواهد بود که غالباً از نوع مدلهای بخاری است . پیش گرمکن ثانویه همیشه یانگستروم می باشد که همانطور که پیشتر شرح داده شد ، مبدلی است دوار که جهت بازیابی گازهای احتراق مورد استفاده قرار می گیرد . 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 ، ری هیترها ، اکونومایزر و یانگستروم عبور کرده و دما را با آنها مبادله می کند . خروج گازهای حاصل از احتراق ، از کوره به طرف دودکش ، به سه طریق ممکن می شود :

• خروج گازها یا تخلیه آنها تحت فشار انجام می گیرد که بستگی به فن دمنده هوا و فشار کوره دیگ بخار دارد .
• خروج گازها به وسیله فن مکنده دود (D. Fan ) ، که غالباً در کوره های با فشار کمتر از فشار جو عملی می شود .
• 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 . هر قدر ارتفاع آن بیشتر باشد ، آلودگی ناشی از احتراق در دیگ بخار ، در مسیرهای دورتر به وقوع خواهد پیوست .

.در قسمتهای بعدی راجع به مسائل تکنیکی هوا ، سوخت و احتراق آنها بحث خواهد شد .

۳-۱-۲-۲- 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 می کند و واحد آن مقدار حرارت آزاد شده در واحد جرم سوخت است .ارزش حرارتی معیار میزان حرارت دهی یک سوخت است .

برای تعیین ارزش حرارتی سوخت در آزمایشگاهها ، از پمپهای کالری متر استفاده می کنند .

ارزش حرارتی سوختهای فسیلی با افزایش نسبت کربن به هیدروژن ،( C/H ) ،کم می شود ، زیرا از اتمهای هیدروژن کم شده و بر اتمهای کربن افزوده می شود . می دانیم که ارزش حرارتی کربن کمتر از هیدروژن است .

اشتعال در اکثر نواحی فعل و انفعال بوقوع می پیوندد ، در حالی که سوختن کامل و صدور شعله حد اکثر در منطقه لومینانس ( پرنور ) واقع می شود .

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 می شود قطره های سوخت پس از ورود به کوره ، سریعتر به منطقه لومینانس برسد و انرژی خود را آزاد کند .

۳-۱-۲-۴- 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 .( مثل : So4Na2 ،FeO و…)

                                                    انرژی حرارتی آزاد شده بوسیله عمل احتراق

 = راندمان احتراق——————————————

ارزش حرارتی بالای سوخت

مشعلها را از نظر نوع سوخت به تیپهای مشعلهای گازسوز ، مایع سوز و جامد سوز تقسیم می کنند . اما در اینجا مشعلها را از نظر نحوه کار تقسیم بندی می کنیم :

۳-۲-۱- مشعلهای تبخیری ( Vapourizing Burners ) :

در این گونه مشعلها سوخت در منطقه ای تبخیر شده ، سپس با هوای لازم برای احتراق می آمیزدو بعد محترق می شود . مشعلهای بخاریهای خانگی ، والورها ، چراغهای فتیله ای نفتی ، همه از این نوعند .

۳-۲-۲- مشعلهای پودرکننده ( Atomizing Burners ) :

در این نوع مشعلها ، سوخت پس از اتمیزه شدن ( پودر شدن ) با هوا در آمیخته و وارد کوره می شود .

۳-۲-۳- مشعلهای گریز از مرکز ( Rotating Cup Burners ) :

در این گونه از 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 می شود .

زاویه محفظه اتمیزاسیون و همچنین سرعت زاویه ای 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 کوره ها از این گونه مشعلها استفاده می شود .

در عمل باید این مشعلها را بطور افقی نصب کرد . از معایب این گونه مشعلها ، همگن و هم اندازه نبودن قطرات اتمیزه شده سوخت و نشت زیاد مشعل را می توان نام برد .