پایان نامه سوخت های فسیلی

فصل 1 :

مولدهای بخار با سوخت های فسیلی

مولد های بخار نیروگاه که در نیروگاه های تولید برق به کار می‌روند موضوع اصلی این کتاب را تشکیل می‌دهند. مولدهای بخار نیروگاهی مدرن اساساً دو نوع هستند:

1 – نوع استوانه‌ای لوله آبی زیر بحرانی

2 – نوع یکبار گذر فوق بحرانی. واحدهای فوق بحرانی معمولاً در فشار MPa24 و بالاتر کار می‌کنند که بالاتر از فشار بحرانی آب Mpa 09ر22 ، است. مولد بخار  استوانه‌ای زیر بحرانی معمولاً در حدود Mpa 13 یا Mpa 18 کار می‌کند. بسیاری از مولدهای بخاری که در دهه 1970 و 1980 خریداری شده‌اند از نوع استوانه‌ای لوله آبی هستند که در Mpa 18 کار می‌کنند و بخار فوق گرم با دمای 540 تولید می‌کنند و دارای یک یا دو مرحله بازگرمایش بخار هستند. این مولدها قابلیت سوزاندن زغال پودر شده و سوختهای نفتی را دارند، هر چند که سوختهای نفتی به علت افزایش قیمت و مشکلات مربوط به تامین آنها به تدریج کنار گذاشته می‌شوند. گاز طبیعی، هر چند که هنوز در برخی از نقاط دنیا در نیروگاهها مصرف می‌شود، با این همه به خاطر گرانی آن اکنون در ایالات متحده آمریکا بیشتر در مصارف خانگی مورد استفاده است. به هر حال، گاز طبیعی یک سوخت تمیز سوز و نسبتاً بدون آلودگی است. ظرفیت بخاردهی مولدهای بخار نیروگاهی مدرن بالاست، و مقدار آن از 125 تا 1250 می‌تواند تغییر کند. قدرت نیروگاهها نیز بین 125 تا 1300 مگاوات است.

از سوی دیگر، مولدهای بخار صنعتی آنهایی هستند که در شرکتهای صنعتی و موسسات دیگر کاربرد دارند و انواع مختلفی را شامل می‌شوند. این مولدها می‌توانند همانند مولدهای بخار نیروگاهی از نوع لوله آبی و با سوخت زغال پودر شده باشند، اگر چه در آنها از زغال کلوخه‌ای، نفت یا گاز طبیعی، و غالباً ترکیبی از آنها، و همچنین از زباله‌های شهری، انرژی پسماندهای پردازشی یا فرآورده‌های فرعی دیگر نیز می‌توان استفاده کرد. در برخی از آنها حتی از گرمایش الکتریکی استفاده می‌شود. برخی از نوع بازیابنده گرما هستند که در آنها از گرمای پسماند فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شود این مولدها همچنین می‌توانند از نوع لوله آتشی باشند. مولدهای بخار صنعتی معمولاً بخار فوق گرم تولید نمی‌کنند، بلکه بخار اشباع یا حتی فقط آب گرم تولید می‌کنند ( در این صورت آنها را می‌توان مولد بخار نامید) کار این مولدها در فشارهای از چند کیلوپاسکال تا Mpa5/10 انجام می‌شود، و ظرفیت بخاردهی (یا آب گرم) آنها از کمتر از 1 تا 125تغییر می‌کند.

مولدهای بخار با سوختهای فسیلی غالباً با توجه به برخی اجزا یا ویژگی‌هایشان به صورت زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:

1 – دیگ های لوله آتشی

2 – دیگهای لوله آبی

3 – دیگهای گردش طبیعی

4 – دیگهای گردشی کنترل شده

5 – دیگهای جریان یکبار گذر

6 – دیگهای زیربحرانی

7 – دیگهای فوق بحرانی

دیگ لوله آتشی

دیگهای لوله آتشی از اواخر قرن هیجدهم با اشکال اولیه گوناگونی برای تولید بخار جهت مصارف صنعتی مورد استفاده بوده‌اند. امروزه دیگر از این نوع دیگها در نیروگاههای بزرگ استفاده نمی‌شود. در این فصل، این نوع دیگ به دلایل تاریخی گنجانده می‌شود، در مقابل دیگهای لوله آبی مدرن مورد تاکید خواهند بود. دیگهای لوله آتشی هنوز در صنایع به کار می‌روند و در آنها بخار اشباع با فشار حداکثر Mpa 8/1 و ظرفیت 3/6 تولید می‌شود. هر چند که اندازه آنها بزرگتر شده است ولی طرح کلی آنها در طی 25 سال گذشته به طور چشمگیری تغییر نیافته است.

دیگ لوله آتشی شکل خاصی از دیگ نوع پوسته‌ای است. دیگ نوع پوسته‌ای عبارت است از ظرف یا پوسته‌ای بسته و معمولاً استوانه‌ای که محتوی آب است و بخشی از پوسته، مثلاً قسمت پایینی آن، به طور ساده در معرض گرمای شعله یا گازهای حاصل از احتراق خارجی قرار می‌گیرد. دیگ پوسته‌ای امروزه به اشکال نوتری مانند دیگ الکتریکی تکامل یافته است، که در آنها گرما توسط الکترودهای مستقر در آب تامین می‌شود. در نوع دیگری از این دیگها، گرما به وسیله انباره و بدین ترتیب تامین می‌شود که بخار تولید شده در یک منبع خارجی از داخل لوله‌های درون پوسته عبور می‌کند. در هر دو نوع این دیگها، پوسته در معرض گرمای مستقیم نیست.

دیگ لوله آتشی صورت تکامل یافته دیگ پوسته‌ای است که در آن به جای بخار، گازهای گرم از داخل لوله‌ها عبور می‌کنند. به دلیل بهبود انتقال گرما، بازده دیگ لوله آتشی خیلی بیشتر از دیگ پوسته‌ای اولیه است و مقدار آن به حدود 70 درصد می‌رسد.

در دیگهای لوله آتشی، لوله ها به صورتهای افقی، عمودی، یا مایل قرار می‌گیرند، اما لوله‌های افقی بیشتر متداول هستند. کوره و آتشدان در زیر انتهای جلویی پوسته واقع هستند. گازها به طور افقی از قسمت زیرین می‌گذرند و سپس تغییر جهت می‌دهند و آنگاه از لوله‌های افقی عبور می‌کنند و در قسمت جلو وارد می‌شوند.

دیگهای لوله آتشی بر دو نوع‌اند: (1) دیگ با جعبه آتش (2) دیگ کشتی اسکاچ . در دیگ با جعبه آتش، کوره یا جعبه آتشی همراه با لوله‌های آتشی در داخل پوسته قرار می‌گیرند. در دیگ کشتی اسکاچ احتراق در داخل یک یا چند محفظه احتراق استوانه‌ای که معمولاً در داخل و نزدیک به ته پوسته اصلی قرار دارند، انجام می‌گیرد. گازها از قسمت عقب محفظه‌ها خارج می‌شوند و پس از تغییر جهت از داخل لوله‌های آتشی به طرف جلو می‌آیند و از طریق دودکش خارج می‌شوند. در دیگهای کشتی اسکاچ معمولاً از سوختهای مایع یا گاز استفاده می‌شود.

دیگ لوله آبی: نمونه های اولیه

پیشرو مولدهای بخار مدرن، دیگ لوله آبی بود که توسط جورج بابکوک و استفن ویلکاکس در سال 1867 ساخته شد. آنها این دیگ را دیگ لوله آبی ((غیرانفجاری)) نامیدند که اشاره‌ای بود به انفجارهای فاجعه‌آمیز دیگها که در آن هنگام فراوان روی می‌داد. به هر حال، ساخت تجارتی دیگ لوله آبی تا اوایل قرن بیستم تحقق نیافت تا اینکه توربین بخار که نیازمند بخار با فشار و جریان بالاست اختراع شد.

دیگهای لوله آتشی برای داشتن چنین فشارها و ظرفیتهای بالایی نیازمند پوسته‌ای با قطر بزرگ بودند. پوسته‌ای با چنین قطر بزرگی نیز می‌بایست بتواند تحت تنشهای دمایی و فشاری بسیار بالایی کار کند که لازمه آن ضخامت بیش از اندازه پوسته بود. افزون بر آن، این نوع دیگها در معرض رسوب بندی و انفجار نیز بودند و هزینه آنها به طور غیرقابل قبولی بالا بود.

در مقابل، فشار بخار در دیگ لوله آبی به لوله‌ها و به استوانه‌های نسبتاً کم قطر وارد می‌شود و بدین ترتیب فشارهای بسیار بالای مولدهای بخار مدرن امروزی قابل تحمل است. دیگهای لوله آبی اولیه از لحاظ ظاهر بسیار شبیه دیگهای لوله آتشی بودند با این تفاوت که آب و بخار با فشار بالا در داخل لوله‌ها و گازهای حاصل از احتراق در خارج لوله‌ها قرار داشتند. دیگ لوله آبی مراحل متعددی را تا تکامل خود گذرانده است.

دیگ لوله مستقیم

اولین دیگ لوله مستقیم بود که در آن لوله‌های مستقیم با قطر خارجی 3 تا 4 اینچ تحت زاویه 15، به فاصله 8 اینچ از یکدیگر بین دو مقسم عمودی قرار می‌گرفتند. یکی از مقسم‌ها پایین آورنده بود که آب تقریباً اشباع را به لوله‌ها تغذیه می‌کرد. در این لوله‌ها آب به طور جزئی بخار می‌شد. مقسم دیگر بالا برنده بود که مخلوط مایع و بخار را دریافت می‌کرد. چگالی آب در پایین آورنده بیشتر از چگالی مخلوط دوفازه در بالا برنده بود و این اختلاف بین چگالی‌ها موجب گردش طبیعی آب در جهت عقربه ساعت می‌شد. با افزایش ظرفیت دیگ، از هر مقسم بیش از یک شاخه و از لوله‌ها بیش از یک دسته به کار رفت. مخلوط دو فازه به استوانه بالایی که به موازات لوله‌ها (استوانه طولی) یا عمود بر آنها (استوانه عرضی) قرار می‌گرفت، وارد می‌شد. این استوانه‌ها آب تغذیه را از آخرین گرمکن آب تغذیه دریافت می‌کردند و بخار اشباع را از طریق جدا کننده بخار داخل استوانه، که بخار را از آب حبابها جدا می‌کرد، به فوق گرمکن می‌دادند. انتهای پایینی پایین آورنده‌ها به استوانه گل‌آلود وصل می‌شد که رسوبات آب گردشی را جمع میکرد.

استوانه طولی منفردی با قطر معمولاً ft4 (تقریبا m2/1 ) تنها می‌توانست به تعداد محدودی لوله مجهز شود و از این رو سطح گرمایش محدودی داشت. دیگهای استوانه افقی، بسته به ظرفیتی که داشتند دارای یک یا چند استوانه موازی بودند. این دیگها با سطح گرمایش 93 تا m2 930 ساخته می‌شدند و فشار آنها به فشارهای پایینی بین 2/1 تا Mpa 3/2 و ظرفیت بخاردهی آنها به 63/0 تا  10 محدود می‌شود.

در دیگهای استوانه عرضی، به دلیل شکل هندسی‌شان می‌توان از لوله‌های بسیار بیشتری در مقایسه با استوانه‌های طول استفاده کرد. این دیگها با سطح گرمایش 93 تا m2 2300، فشارهای 2/1 تا Mpa10 ، و بخاردهی 63/0 تا  63 ساخته می‌شدند.

برای تامین حداکثر گرماگیری لوله‌ها از گازهای احتراق گرم و به حداقل رساندن نقاط کور گاز، تیغه‌هایی در طول لوله‌های هر دو نوع دیگ قرار داده می‌شد تا تعداد مسیر عبور گاز را تا سه مسیر برساند.

دیگ لوله خمیده

انواع متعددی از دیگهای لوله خمیده متداول بوده است. به طور کلی، در دیگ لوله خمیده به جای لوله‌های مستقیم بین استوانه‌ها یا بین استوانه و مقسم‌ها، از لوله‌های خمیده استفاده می‌شد. لوله‌ها طوری خم می‌شدند که به طور شعاعی به استوانه‌ها وارد و یا از آن خارج شوند. تعداد استوانه‌ها معمولاً بین دو تا چهار عدد بودند. به طوری که در بالا اشاره شد، با نصب تیغه‌های گاز یک یا چند مسیر عبور گاز به وجود می‌آمد.

در اینجا کافی است که به نمونه‌ای از دیگهای لوله خمیده که دیگ استرلینگ چهار استوانه‌ای نامیده می‌شود اشاره کنیم، این دیگ در اوایل دهه 1890 ابداع شد و پس از آن تغییرات اندکی پیدا کرد. این دیگ، برخلاف سایر دیگهای لوله خمیده، دارای سه استوانه بالایی و یک استوانه پایینی ( که استوانه گل ‌آلود هم نامیده می‌شود) بود که به ترتیب محتوی مخلوط دو فازه و آب بودند.

دیگ چهار استوانه‌ای استرلینگ به ترتیبی که در زیر بیان می‌شود کار می‌کرد. گاز حاصل از احتراق از قسمت راست ته کوره به طرف بالا جریان می‌یافت.

در این دیگ، استوانه بخار مستقیماً در بالای استوانه آب قرار داشت و دارای یک ردیف لوله‌های خمیده در جلو، یعنی در طرف گازهای ورودی، و یک ردیف لوله در عقب بود. در طرحهای بعدی دیگ در استوانه‌ای استرلینگ، تنها از یک مسیر گاز استفاده شد. در طرحهای اخیر کوره دیگ استرلینگ، از دیوارهای خنک شونده استفاده می‌شود، به این ترتیب که سطوح داخلی کوره با لوله‌هایی که حامل همان آب دیگ است و از نیروگاه می‌آید پوشانده می‌شود. این لوله‌ها، سطوح جذب گرما را افزایش می‌دهند و پوشش نسوز درونی دیوارها را در مقابل دماهای بالا محافظت می‌کنند که نتیجه آن افزایش آهنگهای احتراق و جریان بخار است.

دیگ استرلینگ به طور کلی می‌تواند خود را با شرایط بارهای به شدت متغیر هماهنگ کند و در جایی که نگهداری کیفیت بالای آب مشکل است، یک دیگ مناسب به شمار می‌رود و با انواع سوختها هم سازگاری دارد. این دیگ هم در کشتیها و هم در موارد مستقر در سطح زمین کاربرد پیدا کرده است.

دیگ لوله آبی: پیشرفتهای اخیر

ظهور کوره با دیوارهای خنک شونده با آب که دیوارهای آبی نامیده می‌شود، بالاخره منجر به ادغام کوره، صرفه جو، دیگ، فوق گرمکن، بازگرمکن، و پیش خنک کن هوا در مولد بخار مدرن شد. برای خنک کردن دیوارهای محل قرار گیری صرفه جو، فوق گرمکن و اجزای دیگری مانند جدارهای حائل و دیوارهای مقسم نیز از آب استفاده می‌شود. استفاده از تعداد زیادی گرمکنهای آب تغذیه ( تا هفت یا هشت دستگاه) به معنی صرفه جوی کوچکتر، و فشار بالا به معنی دیگی با سطح کمتر است، زیرا گرمای نهان تبخیر با افزایش فشار به شدت کاهش می‌یابد. بدین سان مولدهای بخار فشار بالای مدرن نسبت به واحدهای قدیمی‌تر نیازمند فوق گرمکن و بازگرمکنی با سطح بیشتر و دیگی با سطح کمتر هستند. فراتر از فشارهای Mpa 10، لوله‌های آبی کل سطح دیگ را می‌پوشانند و برخلاف آنچه در طرحهای قدیمی‌تر در دو بخش پیشین دیدیم، نیازی به وجود لوله‌های دیگر نیست.

آب در دمای 230 تا 260 از گرمکن فشار بالای آب تغذیه خارج و سپس وارد صرفه جو می‌شود و آن را به صورت مایع اشباع یا مخلوط دو فازه با کیفیت پایین ترک می‌کند و آنگاه از قسمت میانی وارد استوانه بخار می‌شود. آب از طریق لوله‌های عایق پایین آورنده که در خارج کوره قرار می‌گیرند، از استوانه بخار به مقسم جریان می‌یابد. مقسم به لوله‌های آبی که دیوارهای کوره را می‌پوشانند و به عنوان لوله‌های بالابرنده عمل می‌کنند مربوط می‌شود. آب در این لوله‌ها گرما را از گازهای حاصل از احتراق دریافت می‌کند و به مقدار بیشتری تبخیر می‌شود. اختلاف چگالی بین آب لوله‌های پایین آورنده و لوله‌های آبی، به گردش آب کمک می‌کند. در استوانه، بخار از مایع در حال جوش جدا می‌شود و به فوق گرمکن و سپس به قسمت فشار بالای توربین می‌رود. بخار پس از خروج از این توربین به بازگرمکن باز می‌گردد و سپس به قسمت فشار پایین توربین می‌رود.

هوای جو پس از خروج از دمنده با جریان اجباری، درست پیش از آنکه گازها در جو تخلیه شوند، توسط گاز پیش گرم می‌شود. پس از آن هوا وارد کوره می‌شود و در آنجا با سوخت آمیخته می‌شود و می‌سوزد و دما به حدود 1700 می‌رسد. گازهای حاصل از احتراق بخشی از انرژی خود را به لوله‌های آبی و سپس به فوق گرمکن، بازگرمکن و صرفه جو می‌دهند و آنگاه آن را در دمایی در حدود 300 ترک می‌کنند. از آن به بعد، گازها هوای جو ورودی را در پیش گرمکن هوا گرم  و آن را در دمایی در حدود 150 ترک می‌کنند. یک دمنده با جریان مکشی، گازها را از درون کوره بیرون می‌کشد و به دودکش می‌فرستد. اینکه گازها با دمایی در حدود 150 بیرون می‌روند به معنی اتلاف قابلیت انجام کار در نیروگاه است. به هر حال، این مساله به نظر می‌رسد که قابل قبول باشد زیرا (1) گازها باید در دمایی بسیار بیشتر از دمای نقطه چگالش بخار آب موجود در گازها قرار داشته باشند (دمای نقطه چگالش برابر است با دمای اشباع فشار جزئی بخار آب) تا از چگالش بخار، که موجب تشکیل اسید و خوردگی اجزای فلزی در مسیر جریان گازها می‌شود، جلوگیری شود؛ و (2) گازهای حاصل از احتراق باید دارای نیروی بالابر کافی جهت گذشتن از مقدار زیادی دود که در بالای دودکش قرار دارد باشند تا به خوبی در جو پراکنده شوند.