پایان نامه سوختهای فسیلی

مولدهاي بخار نيروگاه كه در نيروگاههاي توليد برق به كار مي‌روند موضوع اصلي اين كتاب را تشكيل مي‌دهند. مولدهاي بخار نيروگاهي مدرن اساساً دو نوع هستند:

1 – نوع استوانه‌اي لوله آبي زير بحراني

2 – نوع يكبار گذر فوق بحراني. واحدهاي فوق بحراني معمولاً در فشار MPa24 و بالاتر كار مي‌كنند كه بالاتر از فشار بحراني آب Mpa 09ر22 ، است. مولد بخار  استوانه‌اي زير بحراني معمولاً در حدود Mpa 13 يا Mpa 18 كار مي‌كند. بسياري از مولدهاي بخاري كه در دهه 1970 و 1980 خريداري شده‌اند از نوع استوانه‌اي لوله آبي هستند كه در Mpa 18 كار مي‌كنند و بخار فوق گرم با دماي 540 توليد مي‌كنند و داراي يك يا دو مرحله بازگرمايش بخار هستند. اين مولدها قابليت سوزاندن زغال پودر شده و سوختهاي نفتي را دارند، هر چند كه سوختهاي نفتي به علت افزايش قيمت و مشكلات مربوط به تامين آنها به تدريج كنار گذاشته مي‌شوند. گاز طبيعي، هر چند كه هنوز در برخي از نقاط دنيا در نيروگاهها مصرف مي‌شود، با اين همه به خاطر گراني آن اكنون در ايالات متحده آمريكا بيشتر در مصارف خانگي مورد استفاده است. به هر حال، گاز طبيعي يك سوخت تميز سوز و نسبتاً بدون آلودگي است. ظرفيت بخاردهي مولدهاي بخار نيروگاهي مدرن بالاست، و مقدار آن از 125 تا 1250 مي‌تواند تغيير كند. قدرت نيروگاهها نيز بين 125 تا 1300 مگاوات است.

از سوي ديگر، مولدهاي بخار صنعتي آنهايي هستند كه در شركتهاي صنعتي و موسسات ديگر كاربرد دارند و انواع مختلفي را شامل مي‌شوند. اين مولدها مي‌توانند همانند مولدهاي بخار نيروگاهي از نوع لوله آبي و با سوخت زغال پودر شده باشند، اگر چه در آنها از زغال كلوخه‌اي، نفت يا گاز طبيعي، و غالباً تركيبي از آنها، و همچنين از زباله‌هاي شهري، انرژي پسماندهاي پردازشي يا فرآورده‌هاي فرعي ديگر نيز مي‌توان استفاده كرد. در برخي از آنها حتي از گرمايش الكتريكي استفاده مي‌شود. برخي از نوع بازيابنده گرما هستند كه در آنها از گرماي پسماند فرآيندهاي صنعتي استفاده مي‌شود اين مولدها همچنين مي‌توانند از نوع لوله آتشي باشند. مولدهاي بخار صنعتي معمولاً بخار فوق گرم توليد نمي‌كنند، بلكه بخار اشباع يا حتي فقط آب گرم توليد مي‌كنند ( در اين صورت آنها را مي‌توان مولد بخار ناميد) كار اين مولدها در فشارهاي از چند كيلوپاسكال تا Mpa5/10 انجام مي‌شود، و ظرفيت بخاردهي (يا آب گرم) آنها از كمتر از 1 تا 125تغيير مي‌كند.

مولدهاي بخار با سوختهاي فسيلي غالباً با توجه به برخي اجزا يا ويژگي‌هايشان به صورت زير تقسيم‌بندي مي‌شوند:

1 – ديگهاي لوله آتشي

2 – ديگهاي لوله آبي

3 – ديگهاي گردش طبيعي

4 – ديگهاي گردشي كنترل شده

5 – ديگهاي جريان يكبار گذر

6 – ديگهاي زيربحراني

7 – ديگهاي فوق بحراني

ديگ لوله آتشي

ديگهاي لوله آتشي از اواخر قرن هيجدهم با اشكال اوليه گوناگوني براي توليد بخار جهت مصارف صنعتي مورد استفاده بوده‌اند. امروزه ديگر از اين نوع ديگها در نيروگاههاي بزرگ استفاده نمي‌شود. در اين فصل، اين نوع ديگ به دلايل تاريخي گنجانده مي‌شود، در مقابل ديگهاي لوله آبي مدرن مورد تاكيد خواهند بود. ديگهاي لوله آتشي هنوز در صنايع به كار مي‌روند و در آنها بخار اشباع با فشار حداكثر Mpa 8/1 و ظرفيت 3/6 توليد مي‌شود. هر چند كه اندازه آنها بزرگتر شده است ولي طرح كلي آنها در طي 25 سال گذشته به طور چشمگيري تغيير نيافته است.

ديگ لوله آتشي شكل خاصي از ديگ نوع پوسته‌اي است. ديگ نوع پوسته‌اي عبارت است از ظرف يا پوسته‌اي بسته و معمولاً استوانه‌اي كه محتوي آب است و بخشي از پوسته، مثلاً قسمت پاييني آن، به طور ساده در معرض گرماي شعله يا گازهاي حاصل از احتراق خارجي قرار مي‌گيرد. ديگ پوسته‌اي امروزه به اشكال نوتري مانند ديگ الكتريكي تكامل يافته است، كه در آنها گرما توسط الكترودهاي مستقر در آب تامين مي‌شود. در نوع ديگري از اين ديگها، گرما به وسيله انباره و بدين ترتيب تامين مي‌شود كه بخار توليد شده در يك منبع خارجي از داخل لوله‌هاي درون پوسته عبور مي‌كند. در هر دو نوع اين ديگها، پوسته در معرض گرماي مستقيم نيست.

ديگ لوله آتشي صورت تكامل يافته ديگ پوسته‌اي است كه در آن به جاي بخار، گازهاي گرم از داخل لوله‌ها عبور مي‌كنند. به دليل بهبود انتقال گرما، بازده ديگ لوله آتشي خيلي بيشتر از ديگ پوسته‌اي اوليه است و مقدار آن به حدود 70 درصد مي‌رسد.

در ديگهاي لوله آتشي، لوله ها به صورتهاي افقي، عمودي، يا مايل قرار مي‌گيرند، اما لوله‌هاي افقي بيشتر متداول هستند. كوره و آتشدان در زير انتهاي جلويي پوسته واقع هستند. گازها به طور افقي از قسمت زيرين مي‌گذرند و سپس تغيير جهت مي‌دهند و آنگاه از لوله‌هاي افقي عبور مي‌كنند و در قسمت جلو وارد مي‌شوند.

ديگهاي لوله آتشي بر دو نوع‌اند: (1) ديگ با جعبه آتش (2) ديگ كشتي اسكاچ . در ديگ با جعبه آتش، كوره يا جعبه آتشي همراه با لوله‌هاي آتشي در داخل پوسته قرار مي‌گيرند. در ديگ كشتي اسكاچ احتراق در داخل يك يا چند محفظه احتراق استوانه‌اي كه معمولاً در داخل و نزديك به ته پوسته اصلي قرار دارند، انجام مي‌گيرد. گازها از قسمت عقب محفظه‌ها خارج مي‌شوند و پس از تغيير جهت از داخل لوله‌هاي آتشي به طرف جلو مي‌آيند و از طريق دودكش خارج مي‌شوند. در ديگهاي كشتي اسكاچ معمولاً از سوختهاي مايع يا گاز استفاده مي‌شود.

ديگ لوله آبي: نمونه هاي اوليه

پيشرو مولدهاي بخار مدرن، ديگ لوله آبي بود كه توسط جورج بابكوك و استفن ويلكاكس در سال 1867 ساخته شد. آنها اين ديگ را ديگ لوله آبي ((غيرانفجاري)) ناميدند كه اشاره‌اي بود به انفجارهاي فاجعه‌آميز ديگها كه در آن هنگام فراوان روي مي‌داد. به هر حال، ساخت تجارتي ديگ لوله آبي تا اوايل قرن بيستم تحقق نيافت تا اينكه توربين بخار كه نيازمند بخار با فشار و جريان بالاست اختراع شد.

ديگهاي لوله آتشي براي داشتن چنين فشارها و ظرفيتهاي بالايي نيازمند پوسته‌اي با قطر بزرگ بودند. پوسته‌اي با چنين قطر بزرگي نيز مي‌بايست بتواند تحت تنشهاي دمايي و فشاري بسيار بالايي كار كند كه لازمه آن ضخامت بيش از اندازه پوسته بود. افزون بر آن، اين نوع ديگها در معرض رسوب بندي و انفجار نيز بودند و هزينه آنها به طور غيرقابل قبولي بالا بود.

در مقابل، فشار بخار در ديگ لوله آبي به لوله‌ها و به استوانه‌هاي نسبتاً كم قطر وارد مي‌شود و بدين ترتيب فشارهاي بسيار بالاي مولدهاي بخار مدرن امروزي قابل تحمل است. ديگهاي لوله آبي اوليه از لحاظ ظاهر بسيار شبيه ديگهاي لوله آتشي بودند با اين تفاوت كه آب و بخار با فشار بالا در داخل لوله‌ها و گازهاي حاصل از احتراق در خارج لوله‌ها قرار داشتند. ديگ لوله آبي مراحل متعددي را تا تكامل خود گذرانده است.

ديگ لوله مستقيم

اولين ديگ لوله مستقيم بود كه در آن لوله‌هاي مستقيم با قطر خارجي 3 تا 4 اينچ تحت زاويه 15، به فاصله 8 اينچ از يكديگر بين دو مقسم عمودي قرار مي‌گرفتند. يكي از مقسم‌ها پايين آورنده بود كه آب تقريباً اشباع را به لوله‌ها تغذيه مي‌كرد. در اين لوله‌ها آب به طور جزئي بخار مي‌شد. مقسم ديگر بالا برنده بود كه مخلوط مايع و بخار را دريافت مي‌كرد. چگالي آب در پايين آورنده بيشتر از چگالي مخلوط دوفازه در بالا برنده بود و اين اختلاف بين چگالي‌ها موجب گردش طبيعي آب در جهت عقربه ساعت مي‌شد. با افزايش ظرفيت ديگ، از هر مقسم بيش از يك شاخه و از لوله‌ها بيش از يك دسته به كار رفت. مخلوط دو فازه به استوانه بالايي كه به موازات لوله‌ها (استوانه طولي) يا عمود بر آنها (استوانه عرضي) قرار مي‌گرفت، وارد مي‌شد. اين استوانه‌ها آب تغذيه را از آخرين گرمكن آب تغذيه دريافت مي‌كردند و بخار اشباع را از طريق جدا كننده بخار داخل استوانه، كه بخار را از آب حبابها جدا مي‌كرد، به فوق گرمكن مي‌دادند. انتهاي پاييني پايين آورنده‌ها به استوانه گل‌آلود وصل مي‌شد كه رسوبات آب گردشي را جمع ميكرد.

استوانه طولي منفردي با قطر معمولاً ft4 (تقريبا m2/1 ) تنها مي‌توانست به تعداد محدودي لوله مجهز شود و از اين رو سطح گرمايش محدودي داشت. ديگهاي استوانه افقي، بسته به ظرفيتي كه داشتند داراي يك يا چند استوانه موازي بودند. اين ديگها با سطح گرمايش 93 تا m2 930 ساخته مي‌شدند و فشار آنها به فشارهاي پاييني بين 2/1 تا Mpa 3/2 و ظرفيت بخاردهي آنها به 63/0 تا  10 محدود مي‌شود.

در ديگهاي استوانه عرضي، به دليل شكل هندسي‌شان مي‌توان از لوله‌هاي بسيار بيشتري در مقايسه با استوانه‌هاي طول استفاده كرد. اين ديگها با سطح گرمايش 93 تا m2 2300، فشارهاي 2/1 تا Mpa10 ، و بخاردهي 63/0 تا  63 ساخته مي‌شدند.

براي تامين حداكثر گرماگيري لوله‌ها از گازهاي احتراق گرم و به حداقل رساندن نقاط كور گاز، تيغه‌هايي در طول لوله‌هاي هر دو نوع ديگ قرار داده مي‌شد تا تعداد مسير عبور گاز را تا سه مسير برساند.

ديگ لوله خميده

انواع متعددي از ديگهاي لوله خميده متداول بوده است. به طور كلي، در ديگ لوله خميده به جاي لوله‌هاي مستقيم بين استوانه‌ها يا بين استوانه و مقسم‌ها، از لوله‌هاي خميده استفاده مي‌شد. لوله‌ها طوري خم مي‌شدند كه به طور شعاعي به استوانه‌ها وارد و يا از آن خارج شوند. تعداد استوانه‌ها معمولاً بين دو تا چهار عدد بودند. به طوري كه در بالا اشاره شد، با نصب تيغه‌هاي گاز يك يا چند مسير عبور گاز به وجود مي‌آمد.

در اينجا كافي است كه به نمونه‌اي از ديگهاي لوله خميده كه ديگ استرلينگ چهار استوانه‌اي ناميده مي‌شود اشاره كنيم، اين ديگ در اوايل دهه 1890 ابداع شد و پس از آن تغييرات اندكي پيدا كرد. اين ديگ، برخلاف ساير ديگهاي لوله خميده، داراي سه استوانه بالايي و يك استوانه پاييني ( كه استوانه گل ‌آلود هم ناميده مي‌شود) بود كه به ترتيب محتوي مخلوط دو فازه و آب بودند.

ديگ چهار استوانه‌اي استرلينگ به ترتيبي كه در زير بيان مي‌شود كار مي‌كرد. گاز حاصل از احتراق از قسمت راست ته كوره به طرف بالا جريان مي‌يافت.

در اين ديگ، استوانه بخار مستقيماً در بالاي استوانه آب قرار داشت و داراي يك رديف لوله‌هاي خميده در جلو، يعني در طرف گازهاي ورودي، و يك رديف لوله در عقب بود. در طرحهاي بعدي ديگ در استوانه‌اي استرلينگ، تنها از يك مسير گاز استفاده شد. در طرحهاي اخير كوره ديگ استرلينگ، از ديوارهاي خنك شونده استفاده مي‌شود، به اين ترتيب كه سطوح داخلي كوره با لوله‌هايي كه حامل همان آب ديگ است و از نيروگاه مي‌آيد پوشانده مي‌شود. اين لوله‌ها، سطوح جذب گرما را افزايش مي‌دهند و پوشش نسوز دروني ديوارها را در مقابل دماهاي بالا محافظت مي‌كنند كه نتيجه آن افزايش آهنگهاي احتراق و جريان بخار است.

ديگ استرلينگ به طور كلي مي‌تواند خود را با شرايط بارهاي به شدت متغير هماهنگ كند و در جايي كه نگهداري كيفيت بالاي آب مشكل است، يك ديگ مناسب به شمار مي‌رود و با انواع سوختها هم سازگاري دارد. اين ديگ هم در كشتيها و هم در موارد مستقر در سطح زمين كاربرد پيدا كرده است.

ديگ لوله آبي: پيشرفتهاي اخير

ظهور كوره با ديوارهاي خنك شونده با آب كه ديوارهاي آبي ناميده مي‌شود، بالاخره منجر به ادغام كوره، صرفه جو، ديگ، فوق گرمكن، بازگرمكن، و پيش خنك كن هوا در مولد بخار مدرن شد. براي خنك كردن ديوارهاي محل قرار گيري صرفه جو، فوق گرمكن و اجزاي ديگري مانند جدارهاي حائل و ديوارهاي مقسم نيز از آب استفاده مي‌شود. استفاده از تعداد زيادي گرمكنهاي آب تغذيه ( تا هفت يا هشت دستگاه) به معني صرفه جوي كوچكتر، و فشار بالا به معني ديگي با سطح كمتر است، زيرا گرماي نهان تبخير با افزايش فشار به شدت كاهش مي‌يابد. بدين سان مولدهاي بخار فشار بالاي مدرن نسبت به واحدهاي قديمي‌تر نيازمند فوق گرمكن و بازگرمكني با سطح بيشتر و ديگي با سطح كمتر هستند. فراتر از فشارهاي Mpa 10، لوله‌هاي آبي كل سطح ديگ را مي‌پوشانند و برخلاف آنچه در طرحهاي قديمي‌تر در دو بخش پيشين ديديم، نيازي به وجود لوله‌هاي ديگر نيست. 

منابع و مآخذ :

كتاب نيروگاههاي حرارتي

تاليف : محمد محمدالوكيل

ترجمه : كاظم سرابچي