بویلر

[amirhossein toranjian]

بویلر
بویلر یا دیگ بخار مجموعه‌ای از لوله‌ها است که از آن‌ها برای انتقال گرمای تولیدی توسط فرایند احتراق به سیال استفاده می‌شود و در نهایت آب داغ یا بخار آب تولید می‌شود. در مرحله بعد، بخار یا آب داغ تولید شده، فشرده می‌شوند و برای کاربردهایی مانند گرمایش و تولید توان از آن استفاده می‌شود. بویلرها کاربرد بسیار زیادی در نیروگاه ها دارند. برای مثال دو نمونه از بویلرهای صنعتی در شکل زیر به تصویر کشیده شده‌اند.

این مطلب به صورت مفهومی، بویلر و اجزای مختلف آن را مورد بررسی قرار می‌دهد. بویلر یکی از اجزای بسیار مهم نیروگاه تولید توان است و کاربرد زیادی درمهندسی مکانیک دارد. در ادامه مطلب، انواع بویلر یا دیگ بخار با توجه به معیارهای گوناگون، معرفی می‌شوند.

بویلر یا دیگ بخار چیست؟

همانطور که اشاره شد، بویلر، مجموعه‌ای از لوله‌ها است که در آن به آب و یا سایر سیالات گرما داده می‌شود و در نهایت بخار یا بخار آب تولید می‌شود. این فرایند نیاز به انرژی و حرارت دارد که این حرارت می‌تواند از طریق احتراق سوخت‌ها، انرژی برق و یا انرژی هسته‌ای تامین شود. همچنین بویلر یکی از اجزای اصلی نیروگاه بخار است و در کنار توربین، پمپ و سایرتوربو ماشین ها، نقش اساسی را برای تولید توان در نیروگاه ایفا می‌کند.
به صورت کلی می‌توان گفت که یک سیستم بویلر از سه بخش تشکیل شده است. بخش اول، سیستم آب تغذیه را نشان می‌دهد، بخش دوم سیستم بخار و بخش سوم نیز سیستم سوخت است.
به صورت جزئی‌تر می‌توان اجزای اصلی سیستم بویلر را شامل، «گرم کننده آب تغذیه»، «دی اریتر» ، «پمپ تغذیه»، «اکونومایزر» ، «سوپرهیتر» و «کندانسور» دانست. شکل زیر به صورت کلی و در حالت عمومی، شیوه قرار گرفتن اجزای مختلف یک مجموعه دیگ بخار را به تصویر کشیده است.

یکی از اجزایی که در شکل بالا نشان داده شده، «مخزن زیر آب» است. شیر این مخزن، توسط اپراتور بویلر باز می‌شود و مقداری از آب پر از املاح از انتهای بویلر تخلیه می‌شود. در واقع هدف از اینکار این است که درصد املاح موجود در آب درون بویلر به اندازه‌ای که بویلر بر اساس آن طراحی شده، تنظیم شود تا وقتی تبخیر آب صورت می‌گیرد این املاح در بویلر ته نشین و باعث خرابی قسمت‌های مختلف آن نشود. در نهایت مقدار آب کاهش یافته توسط مخزن زیر آب، توسط آب ورودی که املاح کمتری دارد، تامین می‌گردد.

علاوه بر مواردی که در بالا بیان شد، تعداد زیادی از کنترل‌ کننده‌ها در مسیر جریان دیگ بخار حضور دارند که وظیفه نمایش جریان آب و بخار، جریان سوخت و درصد ترکیب شیمیایی سوخت و هوا را بر عهده دارند. توجه شود که سیستم آب تغذیه از دو منبع تشکیل شده است. این دو منبع، آب را به سمت دیگ بخار هدایت می‌کنند تا به بخار تبدیل شود.

سیستم آب تغذیه

به صورت کلی سیستم آب تغذیه، آب مورد نیاز مجموعه را فراهم می‌کند و این آب را برای دست‌یابی به بخار کافی، به صورت خودکار تنظیم می‌کند. همانند بخش قبل، در این بخش نیز تعداد زیادی از شیرهای کنترل به منظور نمایش اطلاعات در هر لحظه و بهبود فرایند تعمیر و نگهداری تجهیزات، استفاده شد.

گرم‌کن‌های آب تغذیه، گرمای اضافی و خروجی بخار را برای پیش گرمایش آب تغذیه بویلر استفاده می‌کند. پیش گرمایش آب تغذیه بویلر، بازده مجموعه را از طریق کاهش انرژی مورد نیاز برای تبدیل آب به بخار، افزایش می‌دهد.

آب تغذیه بویلر معمولا حاوی اکسیژن محلول است که از نشتی موجود درون کندانسور و پمپ ناشی می‌شود. این اکسیژن باعث ایجاد خوردگی و آسیب‌های بسیار زیادی در بخش‌های مختلف بویلر می‌شود. دی اریتور در واقع به صورت مکانیکی و با عبور دادن بخار از گرم‌کن آب تغذیه، اکسیژن را از محلول خارج می‌کند.

این فرایند یعنی پیش گرمایش و خارج ساختن اکسیژن در تعدادی از بویلرهای صنعتی با استفاده از مخزن condensate نیز انجام می‌شود. به صورت کلی می‌توان گفت که دی اریتور در سیستم‌های بزرگ کاربرد زیادی دارد. همچنین سیستم condensate که سیستم نسبتا ارزان‌تری است، برای بویلرهایی مناسب است که بارها آب برای چگالش بازگردانده می‌شود. در واقع با توجه به اینکه آب بازگردانده شده درصد اکسیژن کمتری وجود دارد، استفاده از سیستم condensate اقتصادی‌تر است.

آخرین عضو سیستم آب تغذیه مجموعه بویلر یا دیگ بخار، اکونومایزر است. اکونومایزر یک ابزار بسیار مناسب برای افزایش بازدهی سیستم است. این اکونومایزر گرما را از گاز موجود در خروجی دریافت می‌کند و بخار را با استفاده از آن گرم می‌کند. این موضوع بازدهی بویلر را افزایش می‌دهد. آب تغذیه از طریق اکونومایزر وارد بویلر می‌شود و به شکل بخار به سمت «درام بخار»  حرکت می‌کند.

به صورت کلی درام وظیفه جدا کردن آب و بخار از یکدیگر را به عهده دارد. درام پایین، mud drum نامیده می‌شود. این درام یک محفظه در پایین بویلر را تشکیل می‌دهد که آب را تنظیم می‌کند و رسوبات و یا محصول‌های خوردگی را جمع‌آوری می‌کند. این محصول‌ها در مراحل بعدی جمع‌آوری می‌شود. توجه شود که فرایند انجام شده در mud drum در بخش قبل با استفاده از نام مخزن زیر آب مورد بررسی قرار گرفت.

سیستم بخار

سیستم بخار وظیفه حرارت دادن به آب و تولید بخار از آب تغذیه را به عهده دارند. علاوه بر این، سیستم بخار، وظیفه کنترل کردن میزان بخار تولید شده در بویلر را نیز بر عهده دارد. بخار تولیدی، در نهایت از درون یک سیستم پایپینگ عبور می‌کند. در این مجموعه، فشار بخار با استفاده از گیج‌های فشار بخار در زمان‌های متناوب کنترل می‌شوند.
سیستم سوخت

سیستم سوخت، شامل تمام ابزار و تجهیزاتی است که سوخت را برای تولید انرژی ضروری و مورد نیاز مجموعه فراهم می‌کنند. ابزاری که در این سیستم استفاده می‌شوند به نوع سوختی بستگی دارد که سیستم استفاده می‌کند.

دسته‌بندی بویلرها یا دیگ‌های بخار

تاکنون طراحی‌های بسیار گوناگونی از بویلرها انجام شده است و به صورت کلی می‌توان، بویلرها را بر اساس معیارهای مختلف تقسیم‌بندی کرد. یکی از این معیارها، دسته‌بندی بویلرها بر اساس مسیر عبور آب و گاز داغ است. یکی دیگر از انواع مختلف تقسیم‌بندی بویلرها، تقسیم بندی آن‌ها بر اساس مسیر چرخش آب است. انواع دیگری از تقسیم‌بندی‌ها نیز موجود هستند که در ادامه مطلب به بررسی آن‌ها پرداخته می‌شود.

دسته‌بندی بر اساس مسیر نسبی عبور آب و گاز داغ

این دسته‌بندی، مهم‌ترین نوع دسته بندی در یک بویلر یا دیگ بخار است. بر این اساس، بویلر یا دیگ بخار به دو دسته «بویلر واتر تیوب» و «بویلر فایر تیوب» تقسیم می‌شوند. بویلر یا دیگ بخار واتر تیوب را بویلر آب در لوله نیز می‌نامند و بویلر فایر تیوب نیز بویلر آتش در لوله نامیده می‌شود.

بویلر یا دیگ بخار آب در لوله یا واتر تیوب

در برخی از بویلرها، آب از داخل تعدادی از لوله‌های کوچک در حال جریان است و گرما از طریق احتراق گازهای اطراف این لوله به آب داخل لوله داده می‌شود. بنابراین این نوع از بویلرها، بویلرهای واتر تیبوب یا آب در لوله نامیده می‌شوند. توجه کنید که بویلرهای آب در لوله نیز با توجه به جهت قرارگیری لوله‌ها، انواع مختلفی را در بر می‌گیرند. شکل زیر نمونه‌ای بویلرهای واتر تیوب را به تصویر کشیده است.

بویلر یا دیگ بخار آتش در لوله یا فایر تیوب
نوع دیگری نیز از بویلرها موجود هستند که در آن‌ها گاز داغ از داخل لوله‌های موجود در سیستم عبور می‌کند و همزمان این لوله‌ها توسط آب، احاطه شده‌اند. این بویلرها آتش در لوله نامیده می‌شوند. البته به صورت رایج در صنایع مختلف، این بویلرها را فایر تیوب می‌نامند و همانند بویلرهای واتر تیوب، انواع گوناگونی دارند. شکل زیر نمونه‌ای از بویلرهای فایر تیوب را نشان داده است. مسیر قرار گرفتن آب و گازهای داغ در این شکل کاملا واضح هستند.

دسته‌بندی بویلر یا دیگ بخار بر اساس مسیر جریان آب

از آن‌جایی که آب، سیال اصلی حاضر در بویلر یا دیگ بخار است، مسیر گردش و جریان آن اهمیت بسیار زیادی دارد و یکی از دسته‌بندی‌های بسیار مهم در بویلرها دسته بندی بویلرها بر اساس مسیر حرکت جریان و گردش آب است.

گردش طبیعی

گردش و جریان آب در بویلرهای گردش طبیعی، ناشی از متفاوت بودن چگالی آب است. این تفاوت چگالی به دلیل گرم شدن آب به وقوع می‌پیوندد. در بویلرهای بخار گردش طبیعی، سیال مورد نظر فرایند جابه‌جایی را طی می‌کند. شکل زیر فرایند گردش طبیعی را به صورت شماتیک به تصویر کشده است.

گردش اجباری
نوع دیگری از بویلرها نیز موجود هستند که در آن‌ها یک پمپ آب، باعث جریان یافتن آب در طول مسیر آن می‌شود. تحت این شرایط، نرخ تولید بخار افزایش می‌یابد. در واقع پمپ آب تغذیه، فشار آب تغذیه را تا مقدار مطلوبی افزایش می‌دهد و اندازه این فشار در یک بویلر گردش اجباری به گونه‌ای تنظیم می‌شود که بخار در ناحیه زیر بحرانی به صورت پایا حضور داشته باشد. شکل زیر نمایی از یک بویلر گردش اجباری را به تصویر کشیده است.

دسته‌بندی بویلر یا دیگ بخار بر اساس کاربرد

بویلر یا دیگ بخار کاربرد بسیار زیادی دارد و در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ابزار را می‌توان با توجه به نوع استفاده‌ای که از آن می‌شود، به دسته‌های گوناگون تقسیم کرد. این نوع دسته‌بندی در این بخش مورد بررسی قرار می‌گیرد.

بویلرهای ساکن

این بویلرها به صورت رایج در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در واقع یک نیروگاه تولید توان در یک مکان احداث می‌شود و سال‌ها برق تولید می‌کند و بویلری که استفاده می‌کند از نوع بویلرهای ساکن است.

بویرهای قابل حمل

بویلرهای قابل حمل، اندازه کوچکی دارند و به صورت سیار قابل استفاده هستند. این بویلرها در کارگاه‌ها مورد استفاه قرار می‌گیرد. به کمک این بویلرها آب موجود در اتوها نیز گرم و آماده مصرف می‌شود.

بویلرهای لوکوموتیو

این نوع از بویلرها یکی از انواع بویلرها است که به صورت خاص طراحی شده‌اند. از این بویلرها برای تولید بخار مورد نیاز برای حرکت موتورها و تجهیزات ریلی استفاده می‌شود.

بویلرهای دریایی

نوع دیگری نیز از بویلرها موجود هستند که به صورت رایج در کشتی‌ها استفاده می‌شوند. این بویلرها با توجه به نوع خاص و کاربردی که دارند، به بویلرهای دریایی معروف هستند.

دسته‌بندی بر اساس نحوه قرار گرفتن بویلرها

بویلرها را می‌توان بر اساس مکان قرارگیری آن‌ها به سه دسته افقی، شیب‌دار و عمودی تقسیم‌بندی کرد. در واقع، اگر محور قرارگیری بویلر به صورت افقی باشد، بویلر را بویلر افقی می‌نامند. به صورت مشابه می‌توان بیان کرد که اگر محور قرارگیری بویلر به صورت عمودی باشد، بویلر را بویلر عمودی و اگر محور بویلر شیب‌دار باشد، بویلر را بویلر شیب‌دار می‌نامند. شکل‌های زیر به ترتیب یک بویلر افقی، عمودی و شیب‌دار را نشان می‌دهند.

دسته‌بندی دیگ بخار بر اساس مکان کوره

بویلرها را می‌توان بر اساس نحوه قرار گرفتن و مکان کوره‌ها به دو دسته کلی تقسیم‌بندی کرد. دسته اول این بویلرها، بویلرهایی هستند که در آن‌ها کوره در داخل پوسته قرار گرفته است. این بویلرها به بویلرهای «درون سوز»  یا بویلرهای با کوره در درون معروف هستند.

نوع دیگری نیز از بویلرها موجود است که کوره در بیرون پوسته قرار گرفته است. این بویلرها را بویلرهای «برون سوز» یا بویلرهای با کوره در بیرون می‌نامند.

دسته‌بندی دیگ بخار بر اساس فشار بخار تولید شده

همانطور که اشاره شد، بویلرها وظیفه تولید آب داغ یا بخار آب داغ را بر عهده دارند. این بویلرها بر اساس فشار بخاری که تولید می‌کنند به پنج دسته کلی تقسیم می‌شوند. دسته اول بویلرهای فشار پایین هستند و دسته دوم بویلرهایی با فشار متوسط را شامل می‌شوند. دسته سوم نیز بویلرهایی با فشار بالا هستند. دو دسته دیگر بویلرها با توجه به فشار بحرانی تعریف می‌شوند و شامل دو دسته بویلر زیر بحرانی و بویلر فوق بحرانی هستند.

بویلر یا دیگ بخار فشار پایین

بویلری که بخار را در فشار محدوده 20-15 «بار» تولید می‌کند را در دسته «بویلرهای فشار پایین» قرار می‌دهند. در این حالت از بخار برای فرایند گرمایش استفاده می‌شود.

بویلر یا دیگ بخار فشار متوسط

بویلر یا «دیگ بخار فشار متوسط» ، بویلری است که فشار کاری بخار آن در محدوده بین 20 تا 80 بار تغییر کند. این بویلر را می‌توان برای تولید توان در نیروگاه استفاده کرد. همچنین به صورت ترکیبی برای تولید توان و گرمایش نیز از آن استفاده می‌شود.

بویلر یا دیگ بخار فشار بالا

همانطور که اشاره شد، دسته‌ای از بویلرها هستند که به آن‌ها «بویلرهای فشار بالا» گفته می‌شود. این بویلرها، بخار را در فشار بالاتر از 80 بار تولید می‌کنند.

بویلر یا دیگ بخار زیر بحرانی

اگر یک بویلر، بخار را در فشار پایین‌تر از فشار بحرانی تولید کند، «بویلر زیر بحرانی» نامیده می‌شود. در واقع بویلرها با توجه به کاربردی که دارند بخار با فشارهای مختلفی را تولید می‌کنند و بسیاری از نیروگاهای توان پیشرفته از «بویلر فوق بحرانی»استفاده می‌کنند که در قسمت بعد معرفی می‌شود.

بویلر یا دیگ بخار فوق بحرانی

این بویلرها، بخار را در فشاری بالاتر از فشار بحرانی تولید می‌کنند. بویلرهای فوق بحرانی، اواپراتور یا «تبخیر کننده» ندارند و آب به صورت مستقیم و با فرایند «فلشینگ» به بخار تبدیل می‌شود.