وظیفه دیگ بخار-فصل اول

نگهداری دیگ های بخار
سرویس و تعمیرات انواع دیگ بخار و آبگرم فصل اول
مهر ۱, ۱۳۹۷
وظیفه دیگ بخار-فصل دوم
وظیفه دیگ بخار-فصل دوم
مهر ۱, ۱۳۹۷

وظیفه دیگ بخار-فصل اول

وظیفه دیگ بخار تولید بخار می باشد. ( مولد بخار)
از لحاظ ترمودینامیكی در یك دیگ بخار، (حجم كنترل) فقط دما و فشار خروجی اهمیت دارد.
در داخل دیگ بخار آب در حال جوشش است و در صورتی كه فشار دیگ بخار معلوم باشد، دما به
دست می آید.
اجزای اصلی مولد بخار عبارتند از Economizerو Super Heater

1)مشخصات آب ورودی به دیگ بخار


1- فشار بالا جهت تزریق به دیگ بخار
فشار ورودی می بایست از فشار دیگ بخار بالاتر بوده تا آب بتواند وارد دیگ بخار شود.
2- قرار داشتن در منطقه Sub cool
وجود بخار در آب ورودی به دیگ بخار موجب آسیب دیدگی لوله های انتقال آب می باشد. لذا آب ورودی به دیگ بخار نباید دو فازی باشد.

دیگ بخار های ONCE THROUGH

چنانچه آب در فشار و دمایی بالای مقادیر Criticalوارد دیگ بخار شود

(22.1    ، آب به محض ورود به دیگ بخار به بخار تبدیل می شود. این دسته از دیگ بخار ها راSupercritical Steam Generator می نامند. این دیگ بخار ها فاقد Water Drumهستند.degc  Mpa, 374

فشار تزریق در دیگ بخار

در دیگ بخار ها فشار تزریق نمیتواند فشار داخل دیگ بخار را بالا ببرد، این فشار به سرعت تبدیل میشود.در واقع این فشار به صورت water jetوارد دیگ بخار می گردد.

2)تقسیم بندی دیگ بخارها بر اساس چرخش آب

دیگ بخارها برحسب چرخش آب در درون آن به دو دستهی با چرخش و بدون چرخش تقسیم می شودبه طور مثال در دیگ بخارهای Supercritical كه فاقد Drum هستند، چرخش آب وجود ندارد.دیگ بخارهایی كه در شرایط دمایی و فشاری زیر مقادیر بحرانی هستند، به دو دسته دیگ بخارهای باچرخش طبیعی و دیگ بخارهای با چرخش اجباری تقسیم می شوند.در شرایطی كه فشار كاری دیگ بخار بالای 160اتمسفر باشد، چرخش اجباری ضروری است. در زیراین فشار چرخش طبیعی است.
علت لزوم چرخش اجباری در دیگ بخارهای فشار بالا به آن دلیل است كه اختلاف دانسیته سیال وبخار در فشار های بالا كم است. لذا اختلاف دانسیته به تنهایی نمی تواند موجب ایجاد چرخش سیال در دیگ بخار شود. اما در فشارهای پایین، اختلاف دانسیته به تنهایی برای ایجاد چرخش كافی است.

سیكل باز و بسته

در سیكل بسته سیال وارد دیگ بخار می شود. خروجی آن به ترتیب وارد توربین، condenser ،(پمپ)
و در نهایت مجدد وارد دیگ بخار می شود.در سیكل باز چرخه از كندانسور به بعد حذف می شود. یعنی سیال وارد توربین می شود و خروجی آن دیگر به داخل دیگ باز نمی گردد.

چرخه رانكین

چرخه رانكین به عنوان چرخه استاندارد نیروگاه بخار پذیرفته شده است. چرخه ایدآل رانكین یك چرخه مایع بخار به شمار می آید.

وظیفه دیگ بخار

وظیفه دیگ بخار

علت وجود كندانسور در سیكل بسته

چنانچه كندانسور از سیكل بسته حذف شود، سیال ورودی به پمپ دوفازی خواهد بود. از این رو سیال دارای حجم مخصوص بالاتری بوده و پمپ بسیار بزرگی برای تامین فشار ورودی  به دیگ بخار مورد نیازخواهد بود. لذا همیشه سیال را بعد از توربین سرد می كنند تا بتوان سیال تك فاز را با پمپ كوچكی وارد دیگ بخار كرد.

3)مصرف كننده دیگ بخار

در طراحی دیگ بخار مصرف كننده عامل بسیار مهمی است.
هرچه فشار مورد نیاز مصرف كننده بیشتر باشد، باید فشار دیگ بخار را بالاتر برد.به علت محدودیت فشار نمیتوان تمامی دماها را از دیگ بخار انتظار داشت. چون با بالا رفتن دما، فشارهم بالا میرود.مهمترین عامل در نرخ انتقال حرارت دما است. ( دما  =<↑ نرخ انتقال حرارت↑ ) در صنعت اولین عامل تعیین كننده دما است. در واقع دمای مورد نیاز را میتوانیم تعیین كنیم اما فشاراز دست ما خارج است.

4)سوپرهیتر

سوپرهیتر: بدون اینكه فشار را بالا ببرد، دما را بالا میبرد.سوپرهیتر تا کجا جواب می دهد؟

1) محدودیت مكانیكی
فلزات پس از Elongationوارد مرحله سوم خزش میشوند. در مرحله سوم خزش ترك های ریز در فلزایجاد میشود. در این مرحله هنوز خطر انفجار وجود ندارد. اما Reliability صفر است.كد اجازه ورود فلزات به مرحله دوم خزش را نیز نمی دهد .

(ASME: Design Metal Temperature)
تا كنون ركورد دمای خروجی از سوپر هیتر 450 درجه بوده است.به همین دلیل دمای بخار محدود میشود.
2) بررسی از لحاظ فشار
سوپر هیتر دما را بالا میبرد بدون تغییر فشار. اما این بالا بردن دما باید تناسب داشته باشد. باید معمول صنعتی  باشد.به طور مثال برای دمای 440درجه سانتیگراد فشاری معادل 40الی 60بار نیاز است.ویا برای دمای 350درجه فشاری معادل 20بار نیاز می باشد.(فشار  =<↑ ضخامت لوله ها ↑)

 5) رقبای مهم دیگ بخار دیگ های روغن داغ

از رقبای مهم دیگ بخار هستند.مشكل دیگهای بخار را كه تابع فشار بودند حل كردند.دیگهای روغن داغ، بخار تا دمای 250 درجه را با فشار زیر 10بار تامین میكنند.

بخار با دمای 250تا 350درجه با تغییر نوع روغن قابل تامین است.
مشكلات:
1 ) دیگهای روغن داغ كثیف هستند.
2 ) ضریب انتقال حرارت بسیار بد است و مجبور به استفاده از دبی های بالا هستیم.در جاهایی كه مشكل تامین آب داریم سراغ روغن میرویم.
سوال: دیگ مازوت را با چه گرم كنیم؟ با بخار. به علت كثیفی روغن، اگر نشتی داخلی داشته باشیم بخار مشكلی برای مازوت ایجاد نمیكند.

6)دسته بندی دیگ بخار ها

تفاوت دیگ بخار و اواپراتور:
در دیگ بخارها یك منبع خارجی سوخت وظیفه ایجاد گرمایش را بر عهده دارد. اما در اواپراتور یك سیال ثانویه حرارت مورد نیاز را تامین می كند.

Fire Tube (1
بهترین انتخاب برای سوختهای جامد هستند. مانند زبالههای جامددیگهای عمودی لوله دودی برای كشتی مناسب هستند. البته این دیگها وزن بالایی دارند.

وظیفه دیگ بخار

در دیگهای لوله دودی هرچه فشار بالا تر برود، باید محدودیتهایی در طراحی رعایت شوند.برای بالا بردن توان تولیدی باید تعداد لوله ها افزایش یابند. تعداد لوله ها نیز دارای محدودیت میباشند.
به همین دلیل قدرت دیگ های لوله دودی محدود میشوند.در 80 تا  90درصد مصارف صنعتی همین دیگ های لوله دودی جوابگو هستند.در دیگ های لوله دودی قسمت شعله همواره در معرض خوردگی قرار دارد. به علت تابش در این منطقه و این دلیل كه در تابش تمركز تنش وجود دارد.

وظیفه دیگ بخار

7) كاربرد دیگ بخارها

 

وظیفه دیگ بخار

همین طور كه در نمودار فوق مشاهده میكنیم، منطقه كاربرد هر دیگ بخار مشخص شده است.در محدوده ای كه هیچگونه دیگ بخاری وجود ندارد، یعنی هیچ دیگ بخاری در آن فشارها و ظرفیتها كاربردی ندارد. در این محدوده دانسیته آب و بخار خیلی به هم نزدیك میشود و چرخش طبیعی وجود ندارد.

8) چرخش آب در دیگ بخار

چرخش در دیگ بخار از این جهت اهمیت دارد:
در دیگ بخار در تمامی لوله ها 100درصد آب به بخار تبدیل نمیشود. در برخی لوله ها 100درصد آب به بخار تبدیل شده و در برخی لوله ها درصد كمی از آب به بخار تبدیل میشود. میانگین تبدیل بخار دردیگ بخار 10درصد میباشد.
با بالا بردن حرارت چرخش بیشتر میشود و درصد تبدیل آب به بخار نیز افزایش مییابد. اما به این دلیل كه در برخی لوله ها 100درصد آب به بخار تبدیل میشود، با بالا بردن حرارت این لوله ها می سوزند. به همین دلیل باید چرخش وجود داشته باشد كه به تدریج درصد زیادی از آب به بخار تبدیل شود و از طرف دیگر لوله ها نسوزند.
در نمودار زیر دیده میشود كه با بالا رفتن حرارت ورودی چرخش افزایش مییابد. اما از جایی به بعدچرخش به دلیل بالا رفتن اصطكاك كاهش مییابد. جایی كه نمودار قطع شده است نیز محل سوختن لوله ها است.

وظیفه دیگ بخار

9) ارتباط بین Mass Balance وCirculation در دیگ بخار

همه آبی كه وارد دیگ بخار میشود نمیتواند یكدفعه به بخار تبدیل شود در شرایط زیر  مثلا اگر 10 Circulation ratioباشد، 10درصد آب ورودی بخار شده و 90درصد آن
مجدد برمیگردد و در چرخه Circulationقرار میگیرد. بنابراین میتوان گفت حجم آب داخل سیستم (دیگ بخار)  n برابر حجم بخار خروجی است كه n برابر است با .Circulation Ratio پس هرچه Circulation Ratio بیشتر باشد، حجم دیگ بخار بزرگتر خواهد بود.

10)تصاویری از Circulation

 

وظیفه دیگ بخار

Circulation  در اثر بالارفتن  بخار از لوله (لو­­­­­­­­له های) Riser و پایین آمدن آب در لوله (لوله های) Downcomerمی شود. ­­­­در جاهایی که تعداد لوله ها زیاد است، برای محاسبه circulation  از Average  گیری استفاده می شود چون آب در لوله های مختلف، درصدهای جوشش متفاوتی دارد. در واقع تقسیم بندی بین لوله ها بر اساس

میزان جوشش در آنها بوده و مقدار جوشش عامل مهمی می باشد.معمولا لوله های Riser و Downcomer بین دو Drum بالا و پایین قرار می گیرند.لوله های

Downcomer می توانند پیش گرم (Preheat) شوند.

وظیفه دیگ بخار

وظیفه دیگ بخار

وظیفه دیگ بخار

 

11) تشخیص  لوله های Riser  و Down comer

تشخیص اینکه کدام لوله ها Riser و کدامیک  Down comer  هستند کار ساده ای نیست. در این خصوص IHI بر اساس تجربه  راهکارهایی ارایه کرده است که  بعدا بصورت مفصل بررسی خواهد شد.معمولا 1/3 لوله ها Down comer و  3/2 آنها Riser هستند.یک روش برای تشخیص لوله های Riserاینست  که  آن ها به جهت جدا شدن آب  و بخار معمولا وارد یک جدا کننده ( Separator) می شوند.

12) تاثیر عامل فشار بر میزان circulation

در اثر افزایش فشار اختلاف دانسیته  بین  دو فاز آب و بخار ( که عامل اصلی circulation  می باشد) کمتر شده و میزان  circulation کاهش می یابد.این روند ادامه دارد تا جایی که دیگر در فشارهای بالاتر از 160bar Natural circulation نداریم.

-تغییرات فشار در داخل دیگ بخار با تبدیل آب به بخار (یا بالعکس) تصحیح می شود.

وظیفه دیگ بخار

وظیفه دیگ بخار

13)دیگ بخار های Fire Tube

در نسل جدید دیگ بخارها کوره به صورت آکاردیونی می باشد.به علت بالا رفتن فشار، از فشار 14bar به بالا دیگر محاسبات مکانیکی جواب نمی دهد. به علت درجه حرارت بالای کوره،در دیواره آن مقدار زیادی Expansion ایجاد می شود که با آکاردیونی کردن دیواره کوره تنش حرارتی ایجاد شده را جذب می کنند.(شکل صفحه بعد را ببینید.)

در فشارهای پایینتر از 14bar کوره با دیواره صاف می تواند کاربرد داشته باشد.در Fire Tube ها کوره به عنوان پاس اول   (Pass 1) محسوب می  شود.

محل عبور دود از Pass 2 به  Pass 3 با نسوز پوشانده می شود.دیگ های بخار جدید عمدتا 3 پاسه (3 pass)هستند.

 

وظیفه دیگ بخار

در انتهای کوره ( مقابل شعله) صفحه ای وجود دارد که به واسطه یک سری لوله نگه داشته می شود.یک سر این لوله ها  به صفحه مذکور و سر دیگر به انتهای دیگ بخار وصل است.

وظیفه دیگ بخار

 

در تصویر بالا حد فاصل پاس 2 به 3 دیده می شود.همانطور که نشان داده شده است تعداد لوله های پاس 3 از پاس 2 کمتراست.چون دمای دود کمتر می شود و دانسیته کمتر می شود.برای داشتن سرعت یکنواخت، تعداد لوله های پاس 3 کمتر می باشد.

14) دیگ های لوله مارپیچ

از این نوع دیگ، به عنوان دیگ های روغن داغ استفاده می شود. در واقع این دیگ ها از نوع  Water Tube هستند.

وظیفه دیگ بخار

دیگ های بخار قطار ها نیز ازین نوع هستند. به خاطر در حرکت بودن قطار، در دیگ هاشود   Fire Tube لمبر ایجاد می شود که این باعث خاموش شدن دیگ بخار می

لذا در دیگ ها نمی توان از fire tube استفاده کرد.

15) دیگ های زباله سوز

وظیفه دیگ بخار

 

شکل بالا طرح قدیمی دیگ های لوله دودی را نشان می دهد که برای زباله سوز ها بسیار ایده آل هستند.

 

16) دیگ های لوله  دودی عمودی

وظیفه دیگ بخار

نمایی از یک دیگ Fire Tube عمودی در شکل بالا دیده می شود. دیگ های عمودی 1 یا 2 پاسه هستند. دیگ های بخار کشتی ها ازین نوع هستند.

نمایی ساده از پاس های مختلف دیگ بخار

وظیفه دیگ بخار

 محدوده دمای دود در قسمت های مختلف دیگ Fire Tube

وظیفه دیگ بخار

چند نکته

در دیگ بخار ها دمای دود خروجی از Stack نباید از دمای نقطه شبنم دود کمتر باشد. برای پایین آوردن دمای دود خروجی از دیگ بخار معمولا از  Economizer استفاده می شود.

یکی از محل های نصب  Super Heater، ، بین پاس 2 و 3 می باشد.سوپر هیترهای کوچکتر را می توان اینجا قرار داد.در دیگ بخار های قدیمی 5 تا 6 درجه بیشتر نمی توانستیم بخار را سوپر هیت کنیم. و این بخاطر محدودیت جا برای نصب سوپر هیتر بود.

وظیفه دیگ بخار

 

در دیگ بخارهای جدید اینمورد را اصلاح کرده اند. بین پاس 1و  LMTD 2 پایین بوده و بهترین مکان برای نصب سوپر هیتر است.

یکی از مشکلات دیگ های Fire Tube، expansion  های متفاوت در پاس های مختلف و در نتیجه ایجاد تنش های حرارتی است.

نمایی از یک دیگ دو مشعله

وظیفه دیگ بخار

در Fire Tube  ها چون آب داخل لوله نداریم، Circulation Ratio خیلی معنی ندارد و نمی توان مقدارآن را محاسبه کرد. شکل زیر جهت چرخش آب را داخل دیگ نشان می دهد.

 

وظیفه دیگ بخار

مشعلهای دوار Rotary Cap

در حالت هایی که دیگ، گازسوز و یا گازوییل سوز است، به مشعل دوار احتیاجی نیست.اما برای سوخت هایی نظیر مازوت،زباله های مایع با ویسکوزیته بالا و یا حتی پی و چربی حیوانات، مشعل های دوار (Rotary Cap) بسیار کارامد هستند واین کلیدی است که Fire Tube را به زباله سوز مایع تبدیل می کند.

وظیفه دیگ بخار

سیکل رانکین

همانطور که در بخش قبل گفته شد نیروگاه ها از سیکل رانکین تبعیت می کنند . راندمان ایده ال این سیکل 40 درصد می باشد.

وظیفه دیگ بخار

وظیفه دیگ بخار

سطوح زیر نمودار T-S موارد زیر را مشخص می کنند:

-سطح زیر نمودار 1-2-3 بیانگر گرمای دریافت شده (Qh) در دیگ بخار است.

-سطح زیر نمودار 1-4 بیانگر گرمای از دست رفته در Condenser است.

-سطح محصور در نمودار 1-2-3-4 کار مفید را نشان می دهد.

-نسبت کار مفید به گرمای دریافت شده (Qh) راندمان دیگ بخار را نشان می دهد.

توربین

توربین ها بهتر است در محدوده Super Heat کار کنند. وجود ذرات آب در بخار ورودی به توربین موجب آسیب دیدگی پره های توربین خواهد شد.

هر چه میزان Super Heat بودن سیال بیشتر باشد، کار بیشتری تولید می شود.

پره ها در ابتدای توربین فشرده هستند. هرچه در توربین جلوتر میرویم، پره ها باز و بزرگتر میشوند. چون فشاردر طول توربین كاسته می شود و در نتیجه حجم مخصوص آن بالا می رود. لذا فضای بیشتری مورد نیاز است.

تنها محدودیت در میزان Super Heatشدن سیال، محدودیت مقاومت مواد بكارگرفته شده در لوله های
Super Heaterمی باشد. از طرف دیگر بكار گیری آلیاژهای گران قیمت به عنوان لوله های Super
Heater نیز مقرون به صرفه نیست. وظیفه مهندسان ارائه راه حلی اقتصادی است.


PreHeater

توربین ها محدودیت در دبی و فشار ورودی دارند. لذا در توربین های نیروگاهی یك، دو و یا سه Extractمیتوان از توربین خارج كرد. به این معنی كه بخار با فشار بالا وارد توربین می شود. سپس بخشی از آن را خارج كرده و آن را وارد Pre‐Heater می كنیم.

هنگامی كه ظرفیت توربین پایین باشد extractوجود ندارد.

یكی از پارامترهای مهم در توربین این است كه نباید بیشتر از 10درصد آب در بخار اشباع وجود داشته باشد.
بخار extract شده وارد Pre Heaterمی شود. با این كار از مقدار QLكاسته می شود و راندامان افزایش
می یابد.

این عمل باعث پیش گرم شدن آب ورودی به دیگ بخار می شود و در نتیجه راندمان سیكل بالا می رود.

وظیفه دیگ بخار

Pre Heater هایی كه پر فشار هستند دارای كله گی كروی هستند. همانطور كه در شكل زیر دیده می شود   Pre Heaterهایی كه در سمت چپ هستند پرفشار و سمت راستی كم فشار است.

وظیفه دیگ بخار

وظیفه دیگ بخار

الزام وجود  Open Heater Steam Deaerator  

 
Pre heaterی كه دو ورودی و یك خروجی داشته باشد را Open Heaterمی گویند.

به دلایل زیر وجود Open Heaterدر سیكل های نیروگاهی الزامی است:

  • هوازدایی
  • چنانچه بخواهیم آب تازه را وارد سیكل كنیم می بایست از محل Deaeratorوارد شود
  • تامین Npshمورد نیاز پمپ ها نیاز به مخزنی دارد كه Deaeratorوظیفه آن را برعهده می گیرد
  • تامین زمان Hold Up

 

شکل زیر ترتیب قرار گیری Low, Medium, High Pressure Heater و همچنین Deaerator را در یک سیکل نیروگاهی نشان می دهد.

همانطور كه دیده می شود هیتر هایی كه قبل از Deaerator قرار می گیرند Low Pressureو آنهایی كه بعد از آن قرار می گیرند intermediate and High pressure هستند.

وظیفه دیگ بخار

Pre‐Heater نسبت به Eco ارجحیت دارد. چرا كه Pre‐Heater برای گرم كردن بخار به كار می رود. حال آنكه Eco برای گرم كردن آب ورودی به دیگ بخار استفاده می شود.

تعداد توربین ها می تواند تا سه عدد افزایش یابد. توربین پرفشار، فشار متوسط و كم فشار. اضافه شدن هرتوربین، یك نقطه پیك به نمودار T‐Sاضافه می كند.به طور مثال  به طور مثال شكل زیر نشانگر یك سیكل نیروگاهی با دوتوربین است. نقاط 1’‐2و 2’‐3 كار توربین ها را نشان می دهد.

وظیفه دیگ بخار

وظیفه دیگ بخار

یك از نمودار های جزوه BBC Page 65 مربوط به انتخاب تعداد و نوع Heater برای انواع سیكلهای نیروگاهی می باشد.

وظیفه دیگ بخار

وظیفه دیگ بخاروظیفه دیگ بخاروظیفه دیگ بخار

 

وظیفه دیگ بخاروظیفه دیگ بخار

مباحث این جلسه پیرامون اسكلت و فیزیك كلی دیگ بخارهای مدل SCاز شركت babcokمیباشد.

جهت مشاهده فصل دوم مقاله کلیک کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Call Now Buttonتماس - بخش فروش