بسته آموزشی دیگ های بخار (Steam Boilers)

ویلرها و توربینهای گازی، تجهیزاتی هستند که معمولاً برای تولید بخار و برق از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
عموماً بویلرها را بر اساس معیارهای مختلفی دسته‌بندی می‌‌کنند که از آن میان می‌توان به مواردی چون محتویات داخل لوله‌ها، نحوه گردش آب، نوع سوخت مصرفی، نوع منبع حرارتی، فشار عملیاتی و غیره اشاره نمود. مهمترین معیار تقسیم‌بندی بویلرها بر اساس محتویات داخل لوله‌ها می‌باشد. بر این اساس دو نوع بویلر واتر تیوب و فایر تیوب وجود دارد که در ادامه توضیحات مختصری در این خصوص آورده شده است.

1-بویلرهای فایرتیوب (Fire Tube Boiler)
عموماً این بویلرها از یک محفظه احتراق و دیگ تشکیل شده‌اند. دیگ حاوی لوله‌هایی است که از یک طرف به آن وارد و از طرف دیگر خارج می‌گردند، بدین ترتیب بخشی از فضای دیگ توسط لوله‌ها اشغال شده و باقی فضای موجود برای آب در نظر گرفته شده است. گازهای گرم حاصل از سوزاندن سوخت در محفظه احتراق وارد این دسته لوله‌ها شده و از سراسر دیگ عبور می‌کنند. در این حین انتقال حرارت بین گازهای عبوری از لوله‌ها و آب درون دیگ سبب گرم شدن آب و تولید بخار می‌گردد.

بویلر فایر تیوب (Fire Tube Boiler)

2-بویلرهای واترتیوب
عموماً این نوع بویلرها،از محفظه احتراق، لوله‌های بالارونده، پایین‌رونده، مخازن بخار و لجن تشکیل شده‌اند و تفاوت عمده آنها با نوع فایرتیوب در این است که آب در داخل لوله‌ها جریان داشته و جریان گاز گرم در خارج لوله‌ها می‌باشد. واترتیوب‌ها ساختمان پیچیده‌تری نسبت به نوع فایرتیوب دارند و بر اساس نوع لوله‌ها، تعداد و نحوه قرارگیری مخازن بخار و لجن ساختارهای متنوعی را شامل می‌شوند.

بویلر واتر تیوب (Water Tube Boiler)

بویلرهای واترتیوب می‌تواند دارای اشکال مختلفی بر حسب اجزاء و قسمتهای مربوط به آن باشد. به عنوان مثال لوله‌های آنها می‌تواند خمیده یا صاف بوده، نوع گردش آب به شکل طبیعی یا اجباری و موقعیت درام آنها عرضی یا طولی باشد. نوعی از بویلرهای واترتیوب فاقد درام بوده و معروف به بویلرهای تک مسیره یا یکبار گذر (once through) می‌باشند. در این بویلرها آب در لوله‌ها فقط یکبار عبور می‌کند و معمولاً در تمامی فشارها و دماها کار می‌کنند، ولی در فشارهای بالا و فوق بحرانی اقتصادی‌تر هستند. برخی دیگر از بویلرها می توانند از یک تا پنج درام داشته باشند، از این میان می‌توان به بویلرهای D و O Type که دارای دو درام هستند و بویلرهای A Type که سه درام دارند اشاره نمود. همچنین بویلرهای نوع استرلینگ دارای چهار یا پنج درام هستند.

بویلر واترتیوب با 4 درام

معمولاً بویلرها دارای بخش‌های مختلفی می‌باشند که از آن میان می‌توان به سیستم جریان آب و بخار، سیستم حفظ کیفیت آب بویلر، سیستم احتراق و سیستم عبور گازهای حاصل از احتراق و سیستم کنترلی اشاره نمود. در ادامه توضیحات مختصری در این خصوص ارائه می‌گردد.

1- سیستم جریان آب و بخار:
آب ورودی به واحد بویلر ابتدا به دستگاهی به نام هوازدا یا دی‌اریتور وارد می‌شود. چراکه گازهای نامحلولی مانند اکسیژن و دی اکسید کربن سبب ایجاد خورندگی در لوله‌های بویلر می‌گردد، از اینرو باید این گازها را از جریان آب بویلر حذف نمود. با توجه به اینکه حلالیت بسیاری از گازها از جمله اکسیژن در آب با بالارفتن دما کاهش می‌یابد، یکی از روش‌های حذف گازهای حل نشده از آب، حرارت دادن آن است. در دی‌اریتور فرایند حذف این گازهای حل نشده و خورنده یک فرایند فیزیکی و بر اساس گرما دادن می‌باشد.

دی اریتور

با اینکه روش هواگیری مقادیر زیادی از گازهای حل نشده از آب را جدا می‌کند ولی بازهم مقدار کمی اکسیژن در آب باقی می‌ماند که باید با روشهای شیمیایی جدا گردد. این دو مرحله یعنی حرارت‌دهی و تزریق مواد شیمیایی برای جداسازی گازهای نامحلول در آب، در این دستگاه صورت می‌پذیرد. پس از دی‌اریتور، آب هواگیری شده توسط پمپ‌های خوراک به سمت بویلر ارسال می‌گردد. در اولین بخش آب وارد اکونمایزر می‌گردد. ممکن است در بعضی از بویلرها بخشی به نام اکونومایزر وجود نداشته باشد که در این صورت آب مستقیما به مخزن بخار وارد می‌گردد.
بعد از این مرحله آب به مخزن بخار یا Steam Drum وارد می‌شود. در مخزن بخار، آب ورودی به بویلر از طریق لوله‌های پایین‌رونده یا ‌downcomer ها به سمت مخزن لجن یا mud drum می‌رود. از آنجا جریان آب وارد لوله‌های بالارونده یا riserها می‌گردد. این لوله‌های بالارونده هستند که بخش‌های مختلف کوره شامل دیواره‌ها، کف و سقف را می‌سازند. مشعلها نیز در محفظه احتراق قرار دارند. آب در لوله‌های بالارونده گرمای زیادی را دریافت نموده و بخشی از آن تبدیل به بخار می‌گردد. مخلوطی از آب و بخار مجددا وارد مخزن بخار شده و در آنجا دو فاز بخار و آب از طریق عبور از مراحل جداکننده آب و بخار از یکدیگر جدا می‌شوند. فاز بخار پس از عبور از مراحل مختلفی که برای جداسازی ذرات آب از بخار در درون مخزن بخار در نظر گرفته شده‌اند، از آب جدا شده و از طریق خطی جداگانه و خروجی های بالای مخزن بخار، وارد یک خروجی بخار می‌گردد. فاز مایع مجددا برای تبدیل شدن به بخار، مسیر قبلی را از لوله‌های پایین رونده، مخزن لجن، لوله‌های بالارونده و ورود مجدد به مخزن بخار طی می‌کند.
بخار خروجی از مخزن بخار بصورت بخار اشباع می‌باشد. در صورتیکه نیاز به بخار سوپرهیت باشد، بخار تولید شده را وارد بخش سوپرهیتر می‌‌کنند. بخار اشباع در سوپرهیترها بوسیله گازهای حاصل از احتراق، گرم شده و به شکل سوپرهیت درمی‌آیند. سوپرهیترها سبب حذف ذرات رطوبت از بخار و افزایش دمای آن به دماهای بالاتر از اشباع می‌گردند.
ممکن است سوپرهیترها یک یا دومرحله‌ای باشند. در سوپرهیترهای یک مرحله‌ای بعد از سوپرهیتر و در سوپرهیترهای دو مرحله‌ای در بین مراحل قسمتی به نام دی‌هیتر یا ری‌هیتر وجود دارد. در این مرحله دمای بخار سوپرهیت عموما بوسیله تزریق آب کنترل می‌گردد.

بخار خارج شده از سوپرهیترها در انتها وارد هدری به نام هدر جمع‌کننده یا collect header می‌گردد. این هدر محصول واحد بویلر که همان بخار با دما و شرایط مورد نظر است را به سمت مصرف‌کننده‌ها می‌برد.

2-سیستم حفظ کیفیت آب بویلر
به سه دلیل عمده آب بویلر مورد تصفیه قرار می‌گیرد، این دلایل عبارتند از:
1-جلوگیری از تشکیل رسوب
2-به حداقل رساندن خوردگی در سیستم‌های بویلر و بخار
3-حفظ کیفیت بخار
اصولا فرایندهای تصفیه آب بویلر شامل دو دسته تصفیه خارجی و داخلی می‌باشد. در تصفیه خارجی کارهایی چون حذف ذرات سوسپانسیونی، حذف گازهای حل‌نشده‌ای مانند اکسیژن و سختی‌گیری از آب صورت می‌گیرد. در انتهای بخش تصفیه خارجی باید مقادیر سختی، قلیائیت، مقدار سولفات‌ها، سیلیکات و ذرات سوسپانسیونی موجود در آب در کمترین مقدار خود باشند. مقدار مجاز این ترکیبات توسط انجمن سازندگان بویلر در آمریکا یا ABMA تعیین و ارائه شده است.
تصفیه داخلی آب بویلر به علل مختلف و با تزریق مواد شیمیایی به آب بویلر صورت می‌گیرد. مهترین دلایل تزریق مواد شیمیایی در این بخش شامل موارد زیر می باشد:
1-تنظیم pH و حفظ میزان قلیائیت برای جلوگیری از ایجاد رسوب و خوردگی
2-سختی‌گیری از آب ورودی
3-جلوگیری از تشکیل لجن یا Boiler sludge conditioning
4-حفاظت از بخش‌های در معرض حرارت از آب‌گرم
5-هواگیری و جلوگیری از خورندگی اکسیژن
6-جلوگیری از شکنندگی قلیائی
7-جلوگیری از تشکیل فوم
8-تشکیل فیلم محافظ برای جلوگیری از خوردگی
9-جلوگیری از خوردگی بوسیله بخارات کندانس‌شده

عموماً برای تنظیم pH موادی چون کربنات‌سدیم و یا سدیم هیدروکسید مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته در هر واحدی بنا به شرایط فرایندی و طراحی، مواد مناسبی برای تصفیه داخلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال در واحد تولید بخار مجتمع پتروشیمی بندرامام از موادی چون آمونیاک در آب ورودی به بویلر و قبل از ورود به دی‌اریتور، DEHA در هیتر دی‌اریتور، آمونیاک و مورفلین در Storage دی‌اریتور و ترکیبات فسفات در مخزن بخار استفاده می‌گردد.
به مرور زمان، غلظت مواد نامحلول در آب بویلر افزایش خواهد یافت، از اینرو با استفاده از سیستم‌های بلودان پیوسته و بطور دائم مقداری از آب بویلر، تخلیه می‌گردد و همراه این آب تخلیه شده، بخشی از رسوبات و املاح نیز خارج می‌گردد. مقدار آبی که بواسطه بلودان کردن از سیستم تخلیه می‌گردد، با آب DM جبران می‌گردد. آبی که به عنوان بلودان بویلر را ترک می‌کند، وارد یک جداکننده شده و فاز بخار و مایع آن از یکدیگر جدا می‌شود. بخار بدست آمده از بالای جداکننده، بخار با فشار پایین یا LS می‌باشد که برای استفاده در بخش‌هایی چون خود دی‌اریتورکه نیاز به این نوع بخار می‌باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد. مایع خروجی از زیر جداکننده وارد blow tank شده و در آنجا مقدار کمی بخار جدا شده از آن به اتمسفر رفته و مایع خروجی از این تانک به فاضلاب فرستاده می‌شود.

3-سیستم احتراق
سیستم احتراق شامل سیستم انتقال سوخت و هوای مورد نیاز مشعل‌ها می‌باشد.

4-سیستم عبور گازهای حاصل از احتراق
پس از احتراق سوخت در مشعل، گازهای حاصل از احتراق در محفظه احتراق تشکیل می‌گردند. در این قسمت که بخش تابشی بویلر را تشکیل می‌دهد،گازهای گرم پس از برخورد با تعدادی از لوله‌های بالارونده، از مسیری وارد بخش جابجایی می‌گردند. در ابتدای ورود به بخش جابجایی، یعنی در گرمترین بخش جابجایی، سوپرهیترها قرار دارند.گازهای حاصل از احتراق پس از سوپرهیترها به سمت لوله‌های پایین رونده رفته و در نهایت وارد کانال گاز یا gas duct می‌گردند. غالبا در مسیر جابجایی از بفل‌ها یا دیواره‌هایی استفاده شده است که تا حد امکان گازهای حاصل از احتراق با سطوح جذب حرارتی تماس بیشتری داشته باشند. گازهای حاصل از احتراق بعد از کانال گاز وارد بخش اکونومایزر و در نهایت دودکش می‌گردند.

5-سیستم کنترلی
بخش‌های مختلفی در بویلرها کنترل می‌گردد که از این میان، تعدادی از قسمت‌ها از اهمیت بالاتری نسبت به موارد دیگر، برخوردار هستند، این موارد عموما شامل فشار بخار در هدر اصلی، سطح مایع در مخزن بخار، دمای بخار سوپرهیت، مقدار اکسیژن خروجی از دودکش و کیفیت آب بویلر می‌باشند.
    • کنترل ارتفاع مایع در مخزن بخار
    • کنترل فشار بخار در هدر اصلی
    • کنترل دمای سوپرهیت
    • کنترل مقدار جریان هوا
    • حفظ کیفیت آب بویلر و کنترل blowdown
    • و غیره

سرفصل‌های موجود در نرم افزار
1.کلیات
2.بویلرهای لوله‌آبی یا Water Tube: شامل قسمت‌های ذیل:
   • مقایسه با بویلرهای فایر تیوب
   • دسته‌بندی
3.اصول و مبانی عملکرد؛ شامل قسمت‌های زیر:
   • سیستم جریان آب و بخار
   • سیستم حفظ کیفیت آب بویلر
   • سیستم احتراق
   • سیستم عبور گازهای حاصل از احتراق

4.ساختمان و اجزاء: شامل قسمت‌های ذیل:
   • مخزن خوراک ورودی آب DM
   • مخزن هواگیری
   • پمپ تغذیه
   • محفظه احتراق یا بخش تابشی
   • گرمکن اولیه یا اکونومایزر
   • مسیر فرعی اکونومایزر
   • Steam Drum
   • Mud Drum
   • لوله های آب بویلر
   • بخش‌جابجایی
   • سوپرهیترها
   • ری‌هیترها
   • Gas Duct
   • دودکش یا Stack
   • BlowDown
   • Blowdown separator 
   • Blow Tank
   • ایستگاه مواد شیمیایی
   • مخازن سوخت
   • پمپ‌های انتقال سوخت مایع
   • سیستم گرمایش سوخت مایع
   • خطوط انتقال هوا یا بخار اتمایزکننده
   • تبخیرکننده سوخت مایع
   • خطوط انتقال سوخت
   • صافیها (مایع و گاز)
   • Safety Shut off valve
   • Mixer
   • مشعل
   • Manhole 
   • peepHole
   • کانال ورودی هوا
   • صدا خفه‌کن یا Silencer
   • پیش‌گرم‌کن هوا یا Air preheater
   • Damper Valve
   • فن های مکنده ، دمنده و ترکیبی
   • کانال هوا و رجیستر
   • پوشش ها و عایق های بویلر
   • جمع‌کننده مایعات کندانس شده
   • نمایش دهنده سطح مایع در مخزن بخار
   • Test Pipe
   • شیرهای تخلیه یا Drain valve
   • سیستم جرقه‌زنی
   • Flame detector
5.راه‌اندازی
6.کنترل: شامل قسمت‌های ذیل:
   • کنترل ارتفاع مایع در مخزن بخار
   • کنترل فشار بخار در هدر اصلی
   • کنترل دمای بخار سوپرهیت
   • کنترل مقدار جریان هوا
   • حفظ کیفیت آب بویلر و کنترل blowdown
7.چک و ثبت متغیرها
8.شرایط اضطراری و عوامل Shutdown
9.عیوب و نحوه تشخیص
10.از سرویس خارج‌کردن
11.آماده کردن شرایط و تحویل دادن جهت تعمیر
12.تحویل گرفتن پس از انجام تعمیرات
13.تعاریف و اصطلاحات
14.خودآزمایی