تشریح واحد تولید بخار

دلایل استفاده از بخار

بخار، به عنوان پرمصرف ترین صورت انرژی در فرآیندهای صنعتی، گرمای مورد نیاز فرآیند، کنترل فشار، نیروی محرکه مکانیکی و امکان جداسازی اجزا را فراهم میکند و همچنین به عنوان یک منبع تأمین آب برای بسیاری از واکنش های فرآیندی محسوب میشود که در محاسبات مخازن نگهداری مورد بررسی قرار میگیرد.

بخار دارای مزایای بسیاری است که موجب شده به یک منبع انرژی لازم الاجرا و ضروری در فرآیندهای مختلف تبدیل شود. این مزایا عبارتند از:

• سمی نبودن
• سهولت جابه جایی
• راندمان بالا
• ظرفیت گرمایی بالا
• قیمت پایین تر نسبت به روش های دیگر.
• بخار باعث ذخیره انرژی به میزان Btu/lb 1000-1250 میشود که این انرژی می تواند به عنوان کار مکانیکی یک توربین و یا به عنوان گرمای لازم برای یک فرآیند مورد استفاده قرار گیرد.
• بخار به عنوان منبع هيدروژن در تبدیل بخار متان مورد استفاده قرار می گیرد؛ فرآیند تبدیل بخار متان یک فرایند مهم در صنایع شیمیایی و پتروشیمی است.
• بخار جهت کنترل فشار و درجه حرارت بسیاری از فرایندهای شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد.
• بخار برای زدودن آلودگی ها از سیال فرآیندی، تسهیل جداسازی اجزای هیدروکربنی و خشک کردن تجهیزات صفحه ای نیز استفاده میشود.
• انواع سرویس های بخار به نام های اختصاری LPS (Low Pressure Steam) , HPS (High Pressure Steam) Steam) ,  MPS (Medium Pressure Steam) تقسیم می شوند که فشار کاری بخار فشار پایین تا bar gage  7، MPS بین bar gage 7تا 24 ، HPS تا bar gage 40  محدوده فشاری دارند. برای مطالعه بیشتر مینوانید محاسبات مخازن تحت فشار را بررسی نمایید.

عملکرد سیستم بخار

عملکرد سیستم بخار که همان سیكل گردش بخار در یک کارخانه می باشد، شامل مراحل زیر است:

• تولید بخار
• توزیع بخار
• کاربرها (مصرف کننده های بخار)
• بازیافت بخار

در ادامه به بررسی هر یک از این بخش ها میپردازیم:

تولید بخار: بخار در یک بویلر و یا دیگ بخار به وسیله انتقال حرارت گازهای سوختی به آب ورودی تولید می شود. زمانی که آب گرمای لازم را جذب می کند، به فاز بخار تبدیل می شود. در بعضی بویلرها نظير Super-heater انرژی موجود در بخار را افزایش می یابد. سپس تحت فشارهای موجود، بخار از بویلر و یا دیگ بخار به سمت سیستم توزیع، جریان پیدا می کند.

توزیع بخار: سیستم توزیع، بخار را از بویلر و یا دیگ بخار به سمت کاربرها و مصرف کننده هدایت می کند. بسیاری از سیستم های توزیع دارای خطوط با فشارهای مختلف هستند که این خطوط توسط شیرهای ایزوله، شیرهای تنظیم فشار و گاهی اوقات توسط توربین های فشار برگشتی از هم متمایز می شوند. یک سیستم توزیع مناسب باید دارای فشار بخار تعادلی مناسب، سیستم تخلیه (Drainage) مایع، عایق مناسب و سیستم تنظیم فشار مؤثر باشد.

کاربرها (مصرف کننده ها): بحار در فرایندهای مختلف به عنوان گرمای فرآیند، نیروی محرکه مکانیکی، واکنش های شیمیایی و جداسازی اجزای هیدروکربنی مورد استفاده قرار می گیرد.

در یک مبدل حرارتی، بخار گرمای نهان خودش را به سیال فرآیندی منتقل می کند. در یک توربین، و انرژی خودش را به کار مکانیکی تبدیل می کند تا باعث چرخش تجهیزات دوار مانند پمپها (محاسبات پمپ) کمپرسورها و ژنراتورهای الکتریکی شود. در برجهای جداسازی، بخار موجب تسهیل جداسازی اجزای مختلف از سیال فرایندی می شود. بخار موجب زدودن آلودگی ها از سیال فرآیندی نیز می شود. بخار به عنوان یک منبع آب برای واکنش های شیمیایی خاص هم محسوب می شود. در فرآیند تبدیل بخار متان، بخار به عنوان منبع هیدروژن است.

سیستم برگشت کندانس: سیستم برگشت کندانس (آب ناشی از سرد شدن بخار)، کندانس برگشتی را به سمت بویلر ارسال می کند. مایع به سمت یک مخزن جمع آوری برگشت داده می شود. در بعضی از کارخانه ها، آبهای سرویسی مصرف شده از واحدها هم به این مخزن وارد می کنند. مایع جمع آوری شده در مخزن به سمت هواگیر (Deaerator) پمپاژ می شود، در هواگیر اکسیژن و دیگر گازهای غیرقابل مایع شدن زدوده می شود. پمپ های تغذیه بویلر، فشار آب تغذیه را به بالاتر از فشار بویلر افزایش می دهند و آب تغذیه را به داخل بویلر تزریق میکنند تا سيكل بخار تکمیل شود.

تولید بخار در سیستم بخار

در بخش تولید بخار از یک بویلر جهت افزایش انرژی حرارتی و دمای آب ورودی و تبدیل آن به بخار استفاده می شود. انرژی موردنیاز در بویلر از سوخت منابع سوختی فسیلی و یا گرمای تلف شده در فرآیندهای گرمایشی بازیافت و تأمین می شود. بویلر با ایجاد یک سطح انتقال حرارت بین گرمای موجود و آب ورودی (تغذیه)، بخار ایجاد میکند. بخش های مهم سیستم تولید بخار عبارتند از:

• بویلر
• منبع سوخت
• سیستم هوای احتراق
• سیستم آب تغذیه
• سیستم تخليه (Vent) گازهای خروجی

بویلرها (جوش اورها)

بویلرها (جوش آورها)  محفظه ای است که با تغذیه آب به درون آن به کمک یک منبع گرمایی پیوسته بخار تولید می شود. بویلرها را میتوان از دیدگاههای مختلف تقسیم بندی نمود که در زیر به آنها اشاره شده است

– تقسیم بندی بر اساس جهت محور پوسته (عمودی یا افقی)

– تقسیم بندی براساس نحوه استفاده از آن (ثابت و یا قابل حمل)

– تقسیم بندی براساس وضعیت کوره

– تقسیم بندی براساس وضعیت نسبی آب و گازهای داغ (بویلرهای Fire-Tube و بویلرهای ater-Tube

بویلرهای Fire-Tube

در این نوع از بویلرها، گازهای سوختی از داخل لوله های بویلر عبور داده می شوند و حرارت به آب اطراف لوله ها در داخل بویلر انتقال داده می شود.

بویلرهای Fire-Tube  به وسیله تعداد گذرهای آنها توصیف می شوند. این گذرها مربوط به تعداد دفعاتی است که گازهای سوختی در طول Pressure Vessel گذر داده می شوند تا بتوانند حرارت و گرمای خود را به آب منتقل کنند.

در هر گذر (پاس) گازهای سوختی به سمت مقابل ارسال می شوند. برای ایجاد گذر بعدی، گازها به اندازه 180 درجه چرخیده و دوباره در طول بويلر جریان پیدا می کنند. نواحی برگشت می توانند به صورت Dry-Back و یا Water-Back باشند.

در نواحی برگشت از نوع Dry-1Back این نواحی در زمان ساخت استرکشی میشوند

در نواحی برگشت از نوع Water-lack ، این نواحی به وسيله آب خنک کاری می شوند که این امر به دلیل حذف نیاز به عملیات آسترکشی است.

بویلرهایWater-Tube

در بویلرهای Water-Tube ، آب درون بویلر، از میان لوله های بویلر عبور میکند و این در حالی است که گاز گرم کننده در اطراف لوله ها جریان دارد.

از آنجایی که لوله های درون بویلر نسبت به بدنه بویلر دارای مقاومت و استحکام بالاتری هستند بنابراین از بویلرهای Water Tube در مواقعی استفاده می شود که نیاز به تولید بخار فشار بالا (psi 30،000 و گاهی اوقات بالاتر) باشد.

بویلرهای Water- Tube دارای راندمان بالاتری هستند و می توانند بخار اشباع (Saturated steam) ویا بخار داغ (Super heat slevan) تولید کنند.

این توانایی های بویلرهای Water- Tube موجب شده است که از آنها جهت تولید بخار خشک، بخار فشار بالا، بخار با انرژی بالا و نیز جهت تولید برق توربین های بخار استفاده شود.

بویلرهای بازیافت گرمای تلف شده (WHRB)

این بویلرها هم ممکن است به دو صورت Fire-Tube و Water-Tube باشند که از انرژی گرمایی که در جریان تولید بخار کنار گذاشته شده است استفاده میکنند. منابع حرارت برای این بویلرها عبارتند از: گازهای خروجی، احتراق مواد سوختنی هدر رفته در کوره بویلر و…

سوپرهیتر

سوپرهیتر موجب افزایش انرژی بخار میشود و این امر منجر به افزایش دمای بخار از دمای اشباع در یک فشار معین می شود. سوپرهیتر می تواند به دو صورت هدایت حرارتی و تشعشعی عمل کند.

در سوپرهیتر تشعشعی انرژی به طور مستقیم از شعله احتراق، انتقال داده می شود و باعث افزایش سطح انرژی بخار می شود. در حالی که در سوپرهیتر از نوع هدایت حرارتی، انرژی اضافه و مازاد از سمت گازهای گرم به سمت بخار انتقال داده میشود.

Economizer (صرفه جو)

بسیاری از بویلرها، گازهای گرم حتی بعد از اینکه از میان بویلر عبور داده می شوند دارای مقادیر مفیدی  از انرژی هستند. در این مواقع، Economizer با انتقال حرارت گازهای گرم به سمت آب تغذيه ورودی باعث افزایش راندمان بویلر میشوند.

پیش گرم کننده های هوای احتراق

این تجهیزات شبيه به Economizer هستند به این صورت که این تجهیزات انرژی را از گازهای گرم به سمت سیستم انتقال می دهند. در این وسایل، انرژی به سمت هوای احتراق ورودی انتقال داده می شود. راندمان این وسایل تقريبا، 1 درصد برای هر 40 درجه فارنهایت افزایش در دمای هوای احتراقی است.

عایق بویلر

دیواره ها و نواحی احتراقی بویلرها جهت کاهش افت انرژی و جلوگیری از اتلاف حرارت عایقی، بوسیله مواد عایقی عایق می شوند. انتخاب نوع مواد عایقی به عمر مفید و نوع طراحی بویلر بستگی دارد. از آنجایی که عایق بویلر به طور پیوسته در معرض درجه حرارت بالا و خوردگی است، بنابراین باید در  بازه های زمانی از پیش تعیین شده بازرسی شود.

سیستم کنترل بویلر

سیستم های کنترل بویلر جهت حفاظت بویلر و اطمینان از عملکرد صحیح بویلر طراحی می شوند. این سیستم های کنترلی عبارتند از:

1) سیستم کنترل احتراق: سیستم کنترل احتراق به منظور حصول ایمنی و احتراق مؤثر، مخلوط هوای سوخت را تنظیم می کند و فشار سیستم بخار را ثابت نگه می دارد.

۲) سیستم حفاظت از شعله (Burner): این سیستم با حس کردن شعله در کوره، به محض ایجاد شرایط پرخطر، باعث قطع شدن سوخت می شود.

شیرهای ایمنی Shut off: این شیرها بویلر را در شرایط معین مانند فشار گاز بالا و یا پایین و یا دامنه بار تعيين شده ایزوله میکنند.

۴) کنترل سطح آب: سیستم کنترل سطح آب بویلر با ارسال سیگنال هایی به شیر کنترل آب تغذیه، نرخ آب تغذیه را تنظیم می کند.

(۵) شیر ایمنی: این شیرهای کنترلی از بویلرها در برابر افزایش بیش ازفشار مجاز کاری (MAWP) حفاظت می کنند.

6) کنترل فشار بخار: کنترل فشار بخار جهت ثابت نگه داشتن فشار در خطوط اصلی بخار (Steam Header استفاده می شود؛ به این صورت که اگر فشار به میزان بالاتر و یا پایین تر از مقدار تنظیم شده برسد، این سیستم، نرخ اشتعال Burner را تنظیم می کند.

۷) شیر یکطرفه: شیر یکطرفه به بخار اجازه می دهد از بویلر خارج شود ولی در زمانی که فشار به مقداری پایین تر از Header أفت پیدا کند، از جریان های برگشتی از سمت Steam Header جلوگیری میکند.

۸) دبی سنج بخار: این دبی سنج ها سیگنال هایی را برای سیستم کنترل بویلر ارسال میکنند. در سیستمهای بخار  دو نوع اصلی دبی سنج وجود دارد:

نوع اختلاف فشار (DP): با اندازه گیری اختلاف فشار بخار در گذر از المان هایی مانند نازل، اریفیس و یا ونتوری

در بخار از میان لوله های تعبیه

کوریولیس (پیچشی): با اندازه گیری جریان های پیچشی ناشی از عبور بخار از میان لوبه های تعبیع شده در مسیر.

سیستم تغذيه آب بویلر

این سیستم برای تأمین آب بویلر استفاده می شود. منابع آب تغذیه بویلر عبارتنداز:کندانس برگشتی از سیستم و آبهای سرویسی مصرف شده. آب تغذية عموما در مخازنی که از پیش تعبیه شده جمع آوری میشود تا  همیشه از وجود آب موجود برای بویلر اطمینان داشته باشیم. در سیستم تغذيه آب بویلر تجهیزات زیر وجود دارد:

• شیر کنترل جریان آب تغذيه: این شیر با توجه به سیگنال های دریافتی از ابزار انتقال دهنده ارتفاع سطح آب (Level transmitter)، باز یا بسته می شود.
• نرم کننده (کاهنده سختی آب): نرم کننده ها مواد معدنی را از آب حذف می کنند و آب از نوع اصطلاحا نرم را درست میکنند که این مواد معدنی عبارتند از: کلسیم، منیزیم و آهن.
• تجهیزات پیش از عملیات (Pretreatment): این تجهیزات کیفیت آب ورودی را بهبود می دهند. از جمله تجهیزات Pretreatment عبارتند از: پالایندهها، فیلترها، نرم کننده ها، Decarbonators Dealkalizers و واحدهای اسمز معکوس ((Reverse Osmosis (RO و Demineralizers
• هواگیرها و هواگیرهای اتمسفرى (Deaerators): حضور اکسیژن در سیستم بویلر میتواند منجر به مشکلات وسیعی به صورت خوردگی در دماهای بالا شود. هواگیرها از گرما که نوعا همان بخار است، جهت کاهش اکسیژن موجود در آب استفاده میکنند. هواگیرها عموما به صورت مخازن تحت فشاری هستند که در آنها دمای آب تا نقطه اشباع بالا برده می شود. همچنین هواگیرها آب ورودی را به قطرات خیلی ریزی تبدیل می کنند که حذف اکسیژن و دیگر گازهای غیرقابل کندانس از آنها با سهولت بیشتری انجام شود.

بسته به نوع طراحی هواگیرها، سطح اکسیژن موجود در آب ورودی می تواند به محدوده 7 تا 40 Part per billion PPb

) کاهش داده شود. هواگیرهای اتمسفری در سیستم های بویلر کم فشار و کوچکتر مورد استفاده قرار می گیرند. این هواگیرها در فشار اتمسفر کار می کنند و حداکثر دمای کاری آنها به 212 درجه فارنهایت می رسد. البته راندمان هواگیرهای اتمسفری خیلی مناسب نیست و می توانند سطح اکسیژن موجود در آب را به میزان 5/0 تا ppb 1 کاهش دهند.