تشریح واحد تولید بخار - بخش اول

استفاده گسترده از بخار در جاهای مختلف هر کارخانه و همچنین استفاده متنوع و گسترده در لوله کشی از این سرویس، دلیل تشریح این واحد به عنوان یک واحد نمونه گردید و در این مقاله قصد داریم واحد تولید بخار، برخی تجهیزات و نحوه سیستم لوله کشی آن را تشریح کنیم .

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 می کند و همچنین به عنوان یک منبع تامین آب برای بسیاری از واکنش های فرآیندی محسوب می شود .
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 :

• راندمان بالا
• ظرفیت گرمایی بالا
• قیمت پایین تر نسبت به روش های دیگر
• سمی نبودن
• سهولت جابجایی
• بخار باعث ذخیره انرژی به میزان 1000-1250 Btu/lb می شود 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 هیدروژن در تبدیل بخار متان مورد استفاده قرار می گیرد ، فرآیند تبدیل بخار متان، یک فرآیند مهم در صنایع شیمیایی و پتروشیمی است .
• بخار جهت کنترل فشار و درجه حرارت بسیاری از فرآیندهای شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد .
• بخار برای زدودن آلودگی ها از سیال فرآیندی ، تسهیل جداسازی اجزای هیدروکربنی و خشک کردن تجهیزات صفحه ای نیز استفاده می شود .

انواع سرویس های بخار به نام های اختصاری (MPS( medium pressure steam  و (LPS(low pressure steam  و (HPS(high pressure steam تقسیم می شوند که فشار کاری بخار طبق زیر می باشد :

• LPS: پایین تر از 7 بار
• MPS: بین 7 بار تا 24 بار
• HPS: بین 24 بار تا 40 بار

عملکرد سیستم بخار 

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

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

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 نظیر 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 ، بخار را از بویلر و یا دیگ بخار به سمت کاربرها و مصرف کننده های بخار هدایت می کند. ببسیاری از سیستم های توزیع بخار 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 موثر باشد .

کاربرها ( مصرف کننده ): بخار در فرآیندهای مختلف به عنوان گرمای فرآیند، نیروی محرکه مکانیکی، تعدیل 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، بخار انرژی خودش را به کار مکانیکی تبدیل می کند تا لاعث چرخش تجهیزات دوار مانند پمپ ها ، کمپرسورها و ژنراتورهای الکتریکی شود. در برج های جداسازی ، بخار موجب تسهیل جداسازی اجزای مختلف از سیال فرآیندی 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 ، آب های سرویسی مصرف شده از واحد ها 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 غیر قابل مایع شدن زدوده می شود . پمپ های تغذیه بویلر ، فشار آب تغذیه را بالاتر از فشار بویلر افزایش می دهند و آب تغذیه را به داخل بویلر تزریق می کنند تا سیکل 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 مورد نیاز در بویلر از سوخت منابع سوختی فسیلی و یا گرمای تلف شده در فرآیندهای گرمایشی بازیافت و تامین می شود . بویلر با ایجاد یک سطح انتقال حرارت بین گرمای موجود و آب ورودی ( تغذیه ) ، بخار ایجاد می کند .
بخش های مهم سیستم تولید بخار عبارتند از :

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

بویلرها (جوش آورها)

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

• تقسیم بندی بر اساس جهت محور پوسته (عمودی یا افقی)
• تقسیم بندی بر اساس نحوه استفاده از آن ( ثابت و یا قابل حمل)
• تقسیم بندی بر اساس وضعیت کوره
• تقسیم بندی بر اساس وضعیت نسبی آب و گازهای داغ (بویلرهای Fire-Tube و بویلرهای Water-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 بویلر جریان پیدا می کنند . نواحی برگشت می توانند به صورت Dry –Back و یا Water – Back باشند .
در نواحی برگشت از نوع Dry- Back این نواحی در زمان ساخت آسترکشی می شوند .
در نواحی برگشت از نوع Water- Back ، این نواحی به وسیله آب خنک کاری می شوند که این امر به دلیل حذف نیاز به آستر کشی است .

بویلرهای Water – Tube

در بویلرهای Water – Tube ، آب درون بویلر ، از میان لوله های بویلر عبور می کند 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 (30000 psi و گاهی اوقات بالاتر) باشد .
بویلرهای Water – Tube دارای راندمان بالاتری هستند و می توانند بخار اشباع (Saturated steam) و یا بخار داغ (Super heat steam) تولید کنند .
این توانایی های بویلر 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 می 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 می کنند . منابع حرارتی برای این بویلرها عبارتند از : گازهای خروجی ، احتراق مواد سوختنی هدر رفته در کوره بویلر و ...

سوپرهیتر
سوپرهیتر موجب افزایش انرژی بخار می شود 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 می شود .

Economizer (صرفه جو)
در 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 تغذیه ورودی باعث افزایش راندمان بویلر می شوند .