بویلرها نیروگاه سیکل ترکیبی

بویلرها:

بشر از قرنها پیش به قدرت بخار پی برده بود ولی استفاده صنعتی از دیگهای بخار از سال 1712 میلادی توسط (ساوری و نیوکامن) با ساخت اولین دیگ بخار با پوشش سربی یا چوبی و با فشار کمی بالاتر از فشار اتمسفر آغاز گردید. در سال 1725 میلادی ( هیستک بویلر) با صفحات فولاد پرچ شده و با فشار نسبی مورد استفاده قرار گرفت.

با گذشت زمان مشخص گردید که تنها شکل عملی استفاده از دیگ بخاری مدور ساختن آنهاست که در سال 1795 با بوجود آمدن صفحات نوردی دیگ بخار بصورت مدور ساخته شد. از سال 1873 دیگهای بخار بصورت لوله آبی (Water Tube) طراحی گردید. در لوله های مایل این نوع دیگ آب جریان پیدا کرده و توسط جداره لوله ها حرارت جذب می شود. با توجه به افزایش سطحی انتقال حرارت به بهترین وجه صورتمی گیرد.

با افزودن اجزایی چون سوپر هیتر، دی هیتر، اکونومایزر و گرمکنهای هوا و ... ، صورت اولیه دیگهای بخار به تدریج بصورت بویلرهای با ظرفیت بیشتر امروزی تبدیل شد.سیر پیشرفت و تکامل بویلر به صورت زیر بوده است:

1- افزایش درجه حرارت

2- افزایش فشار

3- افزایش تناژ بخار خروجی از بویلر

4- افزایش راندمان

5- سهولت کنترل

6-کاهش هزینه های ساخت، بهره برداری و تعمیرات

7-افزایش طول عمر بویلر

انواع بویلر:

وظیفه بویلر تبدیل مایع (آب) زیر اشباع به بخار فوق اشباع می باشدی ولی در صنعت به کلیه وسایل تولید بخار از مرحله مایع اشباع تا بخار سوپر هیت، بویلر گفته می شود.

بویلرها به واحدهای تولید بخار جهت مصارف همگانی، برق و مصارف صنعتی تقسیم می شوندکه بسته به نوع طراحی، می توانند سوخت هسته ای، ذغال سنگ، نفت کوره(مازوت) نفت گاز و گاز طبیعی مصرف کنند.

بویلرها بر اساس پارامترهای مختلف تقسیم بندی می شوند که بطور کلی عبارتند از:

بویلرها با سوخت هسته ای(راکتور)

استفاده از سوخت هسته ای برای تولید بخار فاقد عواقب نامطلوب سوخت فسیلی می باشد، ولی نیروگاههای هسته ای مقداری پرتو رادیو اکتیو در محیط آزاد می کنند که با این حال این امر قابل کنترل بوده و برای کارکرد عادی نیروگاههای هسته ای، مقدار این مواد بسیار پایینتر از حدی است که برای انسان و محیط زیان آور باشد. علاوه بر این نفت و گاز را می توان برای تولید مواد پتروشیمی و بسیاری از فراورده های صنعتی دیگر به کار برد و نباید این ماده را تنها بعنوان سوخت مصرف کرد. نیروگاههای هسته ای از راندمان بالایی برای تولید انرژی حرارتی برخوردارند. انرژی که می توان برای تولید برق از آن استفاده کرد. در تاسسیسات نیروگاههای هسته‌ای، یک سیال ثانویه بین راکتور و بویلر جریان می یابد و در بویلر، حرارت از سیال ثانویه به آب منتقل می‌شود. بخار حاصل نیز در یک سیکل بخار معمولی جریان می یابد.

بویلرهای نیروگاههای هسته ای در انواع مختلف طراحی می‌گردند که مهمترین آنها راکتور آب سبک تحت فشار(راکتور آب جوشان-Boiling Water Reactor ) و راکتور با آب سنگین می باشد.

بویلرها با سوخت فسیلی:

در تمام بویلرهای صنعتی از سوخت فسیلی استفاده می شود. همچنین اکثر برق تولیدی در نیروگاههای کشورمان از سوخت فسیلی بخصوص مواد نفتی حاصل می گردد.

استفاده از سوخت فسیلی برای تولید برق، گازکربنیک زیادی تولید می کند. دلیل این امر آن است که مقدار گرمایی که از سوختن سوخت فسیلی حاصل می شود، بیش از سه برابر انرژی الکتریکی تولیدی است. مقدار گازکربنیکی که از نیروگاههای فسیلی آزاد می شود متناسب با مقدار گرمایی است که در اثر احتراق حاصل می شود. بنابر این تولید برق در نیروگاههای با سوخت فسیلی یکی از منابعی است که سبب تولید  می شود.

با توجه به تاثیرات منفی سوخت فسیلی در زندگی بشر و محیط زیستی لازم است به هر وسیله ممکن در کاهش استفاده ازآن برای تولید برق اقدام شود. انواع بویلرهای فسیلی عبارتند از:

1-بویلرهای مخزنی:

این نوع بویلرها شامل یک مخزن سربسته می باشند که انتقال حرارت در خارج از آنها صورت گرفته و آب در داخل مخزن به بخار تبدیل می شود. راندمان بویلرهای مخزنی بسیار کم بوده و در حدود 30% است و فقط در مصارف صنعتی با میزان بخار کم استفاده می شوند.

2-بویلرها با لوله های آتش(Fire tube):   

در این نوع بویلرها اطراف لوله ها از آب پوشانیده شده است و گازهای حاصل از احتراق از داخل لوله ها عبور کرده و انتقال حرارت مابین آب و محصولات انجام می گیرد. محفظه احتراق(کوره) می تواند در داخل یا در خارج بویلر قرار گیرد. راندمان بویلرهای Fire Tube حدود 70% می باشد که جهت تولید بخار در واحدهایی با ظرفیت و فشار کم بکار برده می شود.

3-بویلرها با لوله های آب جداری(Water Tube Boiler):

در انواع مختلف این نوع بویلرها(شکل-2)، انتقال حرارت بر اثر برخورد گازهای حاصل از احتراق با سطح خارجی لوله های محتوی آب و بخار به روشهای تشعشعی، جابجایی و هدایت صورت می گیرد.مزیت آنها نسبت به بویلرهای فایرتیوب، کم بودن قطر لوله های آب و بخار می باشد که باعث می شود تنشهای حرارتی کمتری به سطح لوله ها وارد شده و در نتیجه می توان این بویلرها را برای فشارها و ظرفیتهای بالا مورد استفاده قرار داد. راندمان این نوع بویلرها در حدود 85 الی 95 درصد می باشد.

یک بویلر از نوع دیواره آبی شامل یک اتاق احتراق همراه لوله های آب، هدرها و درامهای بخار و آب می باشد. علاوه بر این اجزاء دارای سوپر هیترها, گرمکنهای هوا, اکونومایزر و نگهدارنده ها می باشد که همه اینها اجزاء بویلر را تشکیل می دهد.

در این نوع بویلر ها معمولا از لوله های عمودی دارای فین بصورت دیواره یکپارچه استفاده می شود. ساختمان این دیواره ها از یک سری لوله های عمودی تشکیل شده است که توسط جوش دادن یک نوار فلزی بنام Fin به هم متصل شده اند و دیواره ای پیوسته ایجاد می کنند. لوله های دیواره آبی از آنجاییکه تحت تاثیر شار حرارتی بسیار بالایی قرار دارند و از نوسانات فشار و درجه حرارت ,بخصوص هنگام راه اندازی از حالت سرد برخوردار می‌باشند, نیاز به طراحی دقیق دارند. معمولا لوله های آبی در محفظه احتراق بطور عمودی قرار می گیرند. این لوله‌ها در بالا و پایین روی هدرها (Header) به قسمتهایی بنام Stub که تواما با هدر ساخته شده و یا در عمل به آن جوش داده می شوند, وصل شده اند. وجود هدر ها در بویلر از تعداد لوله هایی که مستقیما به درام(Drum) وصل می شوند, می کاهد. توزیع دما در لوله های دیوار آبی به عواملی نظیر ضریب انتقال حرارت جابجایی در داخل لوله ها, مقدار شار حرارتی در داخل محفظه احتراق, ضریب هدایت حرارتی و ابعاد و ساختار هندسی لوله و فین بستگی دارد. وجود فین باعث توزیع نسبی یکنواخت شار حرارتی در جداره داخلی لوله می گردد و افت حرارتی بویلر را کاهش می دهد. همچنین فینها سطح تبادل حرارت را افزایش داده سبب تبادل بیشتر حرارت می‌شوند.

3-1: بویلرهای یکبار گذر(فوق بحرانی)(Once Through Boiler):

بویلر های بدون درام که دارای فشار فوق بحرانی می باشند به بویلرهای بنسون معروفند. در این نوع بویلر طراحی مجموعه محوطه احتراق و لوله های دیواره ای به نحوی است که کلیه آب تغذیه کننده موجود در لوله های دیواره ای پس از طی محوطه احتراق و لوله های دیواره ای به بخار تبدیل شده و مستقیما به سمت سوپرهیترها هدایت می گردند, لذا این بویلرها بدون درام هستند. از آنجاییکه بویلرهای بنسون دارای فشار بالایی هستند, تکنولوژی پیشرفته ای برای ساخت آنها مورد نیاز است, ولی به علت عدم وجود درام, وزن کمتری نسبت به بویلرهای زیر فشار بحرانی (درام دار) دارند. در بویلرهای بنسون حجم مشخصی از آب تغذیه با یکبار گردش در بویلر باید به بخار تبدیل شود. به عبارت دیگر عدد سیرکولاسیون, یک می باشد. ولی از آنجا که این بویلرها بالای فشار بحرانی کار می کنند, برای افزایش طول لوله های دیواره ای, بر خلاف بویلرهای درام دار لوله ها را بصورت مورب در روی دیواره ها طراحی می کنند تا ارتفاع بویلر کاهش یابد.همچنین ضخامت لوله های دیواره‌ای به علت بالا بودن فشار, بیشتر از ضخامت لوله های بویلرهای درام دار است. در ابتدای راه اندازی بویلرهای بنسون برای جداسازی آب و بخار از هم از سیکلون استفاده می کنند که با استفاده از خاصیت گریز از مرکز, آب و بخار را از هم جدا می کند و در حالت کارکرد دائم بویلر, از مدار خارج می گردند. همچنین به علت پایین بودن عدد سیرکولاسیون کنترل آنها نسبت به بویلرهای درام دار دشوارتر است و به دلیل نداشتن درام در شرایط اضطراری ذخیره آب و بخار نخواهند داشت.

انواع مختلف بویلرهای مورد استفاده در صنعت:

1-هیترهای گازی غیر مستقیم(Indirect Heater):

ازنوع fire tube میباشند و یکی از موارد استفاده آنها گرم نمودن گاز طبیعی پس ازفشارشکن(گاز شهری) است.

2-هیترهای گازی مستقیم (Direct Heater):

که به کوره پالایشگاهی نیزمعروف بوده و از نوعWater Tubeهستند.لوله ها بطور مستقیم درمعرض شعله وحرارت هستند(تشعشع صورت می گیرد) و بخش کویل گونه که درمعرض انتقال حرارت جابجایی می باشند.

3-بویلرهای واکنش شیمیایی(راکتور):

بویلر بازیاب حرارتی (Recovery Boiler) واستوانه ای شکل می باشند که در مجتمع های پتروشیمی مورداستفاده قرار می گیرند و کویلهای حرارتی آنها بصورت مارپیچی در صفحه می باشند.

4-بویلرهای سیکل ترکیبی:   (Heat Recovery Steam Generator) 

این بویلرها از نوع بازیاب می باشند و جهت استفاده ازانرژی گازهای خروجی نیروگاه گازی(توربین گازی) استفاده میشوند(شکل-3). نیروگاه سیکل ترکیبی در واقع ترکیبی است بین نیروگاه بخار و توربین گاز جهت افزایش راندمان کلی سیستم، در این نوع، بخش توربین گاز می تواند از سیستم جدا شده و خود مستقل کار کند.

شکل بویلر سیکل ترکیبی

3-  بویلر سیکل ترکیبی

5-بویلرهای بازیافت(Recovery Boiler):

که در بخش کوره های ذوب مورد استفاده قرار میگیرند. این بویلرها درمجتمع های ذوب فلزات درمسیر مستقیم مدار ذوب نصب می شوند وامکان جدایش آنها از سیستم در حال کار وجود ندارد.

6-بویلرهای زباله سوز:(Incinerator Boiler)

هدف اصلی ازبین بردن زباله های شهری و خانگی می باشد ضمن اینکه با این عمل برق نیز تولید میشود. این بویلرها به تجهیزات اضافی قبل و بعد از بویلر نیاز دارند(جهت انباشت زباله و تخلیه خاکستر).

7-بویلرهای ذغال سنگ سوز(Coal Boiler):

دراین بویلرها نیز به دلیل استفاده از ذغال سنگ به عنوان سوخت به تجهیزات جانبی قبل و پس از بویلر نیاز می باشد.

بخش بخار در نیروگاه سیکل ترکیبی یزد از از 2 بویلر تشکیل شده است

اجزاء بویلر:

هر بویلراز اجزاءگوناگونی تشکیل شده است که هرکدام جهت هدفی خاص دربویلرنصب می شوند. قسمتهای مختلف بویلر با توجه به نوع کارکرد به چند دسته کلی تقسیم می شوندکه عبارتند از:

1-دی اریتور

2-لوله های آب درون بویلر(harp)

3-فید واتر پمپ ها

4-درام های فشار بالا و فشار پایین

5-مشعل های کمکی

دی اریتور(DEAERATOR):

 عکس دیاریتور

دی اریتور تجهیزاتی است که در بالای بویلر نصب شده و گازهای محلول در آب(اکسیژن و دی اکسید کربن) را حذف میکند ، تا مانع از خوردگی داخل درام ها شود. در دستگاه دی اریتور علاوه بر حذف گازهای اکسیژن و دی اکسیدکربن از آب، درجه حرارت به نحو مطلوب افزایش می یابد.

از آنجا که افزایش درجه حرارت آب، نسبت معکوس با حلالیت گازها در آب دارد، بنابراین افزایش درجه حرارت آب در اثر تماس با بخار، سبب کاهش حلالیت گازهای محلول در آب می گردد . به دلیل پائین بودن فشار جزئی گازهای مورد نظر در فضای داخلی دی اریتور، گازهای محلول در آب به فضای مجاور خود (فاز بخار)منتقل می گردند. خلاء موضعی ناشی از کندانس شدن بخار به حذف گازهای محلول در آب منجر می شود.

وظایف دی اریتور عبارتند از:

1-هوازدایی از آب تغذیه بویلر

2-گرم کردن آب تغذیه بویلر

3-محل تزریق مواد شیمیایی

اجزا تحت فشار(Pressure Part) :

به تمام قسمتهایی که از داخل آنها آب یا بخار عبور می کند(مثل لوله ها و هدرها)و فشار داخل آنها نسبت به محیط اطراف بسیار بیشتر است اجزاء تحت فشار می گویند. بطور کلی مسیر آب ازپمپ تغذیه آب بویلر (Boiler Feed Water) تا خروجی سوپرهیترها(Super Heater)  به اجزاء تحت فشار معروفند که به ترتیب عبارتند از:

در بویلرها جهت انتقال اب مورد نیاز از درام  LP به درام های IP  و HP از پمپی به اسم فید واتر پمپ استفاده می شود.

پمپ تغذیه بویلر:(boiler fead pamp)

هر بویلر دارای دو عدد فیدپمپ می باشد که هر دو توانایی کار صد در صد را دارا می باشند و همیشه یکی از فید پمپ ها در حالت استند بای یا رزو می باشد.مقدار تولیدی بخار بویلر ها در واحد های سیکل ترکیبی وابسته به میزان بار واحد های گازی می باشد لذا هیچگاه مقدار تولیدی بخار در بویلر ها ثابت نیست و پیرو آن میزان کار کرد فیدپمپ ها نیز متغیر است.به عنوان مثال در پیک تابستان که بارواحد های گازی حداکثر می باشد تولیدی بخار بویلرها نیز حداکثر می شود و پیرو آن فیدپمپ با حداکثر توان کار می کند ودر مقابل در فصل زمستان اکثر اوقات بار واحد های گازی حداقل می باشد و پیرو آن مقدار بخار خروجی بویلر ها حداقل می شود و کار فیدپمپ ها نیز به حداقل مقدار خود می رسد.

  لوله اصلی تغذیه آب(Main Feed Water Pipe) :

       انتقال دهنده آب از خروجی پمپ تغذیه بویلر تا هدر ورودی اکونومایزر می باشند.

  هدر ورودی اکونومایزر (Economizer Inlet Header):

            به طورکلی وظیفه هر هدر توزیع یا جمع نمودن سیال(آب یا بخار)می باشد.

الف) هدر توزیع کننده: اگر تعداد خروجی های هدرنسبت به ورودیهای آن بیشترباشد، هدرتوزیع کننده است. به عبارتی هدر ورودی می باشد.

ب‌) هدر جمع کننده: اگر تعداد ورودیهای هدرنسبت به خروجی های آن بیشتر باشدهدر از نوع جمع کننده یا هدر خروجی می باشد.

   لوله های اکونومایزر(Economizer tube) :

هدف از ساخت اکونومایزر افزایش راندمان بویلر می باشد. زیرا هرچه میزان جذب انرژی گرمایی حاصل از گازهای احتراق توسط آب بیشترباشد موجب می شود که راندمان بویلر نیز افزایش یابد چرا که حداکثر راندمان حرارتی چیزی جز حداکثر انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم نیست. به عبارت دیگر وظیفه اکونومایزر افزایش درجه حرارت آب ورودی تا نزدیکی دمایاشباع (حدود  کمتر از دمای اشباع آب) می باشد و موجب جلوگیری از کاهش دمای آب موجود در درام می شود و نیز محل نصب آن درمحل خروجی گازهای حاصل از احتراق است.

جهت انتقال حرارت بیشتر، به سطوح حرارتی زیادتری نیاز می باشد.لذا بدین علت است که لوله های اکونومایزر را بصورت فین دار می سازند(وجود فین دراطراف لوله سبب افزایش سطوح حرارتی می‌شوند).وجود یا عدم وجود فین در اطراف لوله های اکونومایزر بستگی به نوع سوخت مصرفی بویلر دارد. اگر سوخت مصرفی از نوع سوخت سبک باشد (مانند گاز طبیعی)از لوله های فین دار استفاده میشود زیرا افت فشار گازهای حاصل از این نوع سوخت کم می باشد(در نیروگاه یزد از این نوع لوله ها استفاده میشود). ولی اگرسوخت مصرفی از نوع سنگین (مانند مازوت) باشد از  لوله های بدون فین در اکونومایزر استفاده می شود. بطور کلی اگر افت فشار گازهای حاصل از احتراق کم باشد لوله های اکونومایزر فین دار هستند در غیر این صورت بدون فین هستند.

آرایش لوله هایاکونومایزر به دو صورت است:

a)      آرایش مربعی (Iin Line)

b)     آرایش مثلثی (Stager)

   هدرهای خروجی اکونومایزر (Economizer Outlet Header):

بعنوان جمع کننده آب از حلقه های اکونومایزر و هدایت آن به سمت درام بخار می باشد.

  لوله های ارتباطی بین خروجی اکونومایزر و درام بخار (Economizer Outlet Pipe to Steam Drum):

آب راازخروجی اکونومایزر تا ورودی درام بخار انتقال می دهد.

   درام های فشار پایین و فشار بالا:

در درام چندین ورودی و خروجی آب، بخار و یا مخلوط آب و بخار وجود دارد که در زیر به آنها اشاره می گردد.

آب تغذیه ی بویلر از طریق فید واتر پمپ ها بعد از طی کردن اکونومایزر وارد درام می شود و پس از طی کردن سپریتورها و انجام عمل جدایش آب و بخار از هم در سپریتورها، آب به فاز مایع درام برمی گردد و بخار از قسمت بالای درام به طرف بویلر برای افزایش دمای آن وارد المانهای سوپرهیترها می شود.توسط چندین لوله آب از قسمت مایع و پایین درام از طریق لوله های پایین آورنده به هدر پایین بویلر هدایت می شود ، یک مسیر از وسط فاز مایع به بلودان هدایت می شود. ازقسمت بالای درام (فاز بخار) بخار اشباع مرطوب که بوسیله ی سپریتورها از آب جدا گشته توسط چندین لوله به داخل کوره ی بویلر هدایت می شود و پس از طی کردن مسیرهای پیچ در پیچ لوله های سوپرهیتر به بخار فوق گرمایی سوپرهیت تبدبل شده وبه طرف توربین هدایت می­شود.

وظایف درام عبارتند از:

1-جدا کردن آب و بخار

2-تامیم آب برای لوله های اپراتور

3-ایجاد پدیده سیرکولاسیون(چرخش)

4-خوج املاح آب تغذیه از مسیر بلم دان درام

5-محلی برای تزریق مواد شیمیایی 

درام فشار پائین(LP DRUM) :

این درام در دو مرحله سوپر هیت میشود و دما و فشار بخار آن در خروجی به ترتیب ˚c   236 و  bar 8.91 است.

درام فشار بالا(LP DRUM) :

این درام در سه مرحله سوپر هیت میشود و دما و فشار بخار آن در خروجی به ترتیب ˚c   514  و  bar 86 است.

نکته: بخار ابتدا وارد سوپرهیتر اولیه و ثانویه شده و پس از خروج از آن توسط دی سوپرهیتر از نظر درجه حرارت کنترل شده، سپس وارد سوپرهیتر مرحله سوم شده به سمت بیرون از بویلر هدایت می‌شود.

    Bank Tube

دسته‌ای از لوله‌ها هستند که درام بالا را به درام پایین وصل می‌کنند بطوریکه قسمتی از آنها به صورت Down Comer و قسمتی از آنها بصورت Riser عمل می‌کنند.

     لوله‌های انتقال دهنده بخاراشباع(Saturated Steam Pipe) :

وظیفه آنها انتقال بخار از درام تا هدر ورودی سوپرهیتر می‌باشد. بخاری که بعد از درام مجددا حرارت داده می‌شود بخار خشک نامیده می‌شود که اصطلاحا کیفیت آن 100٪ است.

     سوپرهیترو دی سوپرهیتر: (Primary & Secondary Super Heater and Desuperheater)

بخارخروجی از درام برای اینکه انرژی بیشتری داشته باشد باید از حرارت بالاتری برخوردار باشد که اصطلاحا به آن بخار خشک یا سوپرهیت می‌گویند. این عمل در داخل سوپرهیترها که از لوله‌های موازی تشکیل شده‌اند و در مسیر گازهای داغ حاصل از احتراق قرار گرفته‌اند، انجام می‌گیرد. این لوله‌ها حرارت محصولات احتراق را به بخار درون خود منتقل می‌کنند.به عمل برعکس عمل بالا یعنی گرفتن گرما از بخار بوسیله پاشیدن آب روی آن دی سوپر هیت می گویند.

مشعل های کمکی:

این مشعل ها برای بالا بردن درجه حرارت هوای ورودی به بویلر استفاده می شوند تا بازدهی بخش بخار را افزایش دهند. هر مشعل باعث ایجاد توان اضافی 5 مگا وات می شود.

    لوله اصلی انتقال دهنده بخار(Main Steam Pipe):

بخار سوپرهیت را از هدر خروجی سوپرهیت مرحله آخر به سمت توربین هدایت می‌کند.

     پیش گرمکن هوا(Steam Air Heater):

هنگامیکه هوای محیط سرد می‌شود، ذرات آب موجود در هوا در حین برخورد با پره‌های فن موجب یخ زدن آب روی پره‌های فن می‌شوند و این سبب سنگین شدن و شکستن پره‌های فن می‌شود. لذا برای جلوگیری از این امر، هوای ورودی به کوره یک هیتر که از نوع بخاری است گرم می‌شود.