مقدمة عن توزيع البخار

نظام توزيع بخار فعال ضروري لتوفير بخار بالجودة والضغط الصحيحين، بالكمية المناسبة، إلى معدات استخدام البخار. ينظر هذا الدليل في دائرة نموذجية.

مقدمة عن توزيع البخار

نظام توزيع البخار هو الحلقة الأساسية بين مُولِّد البخار ومستخدم البخار. ستنظر هذه الوحدة في طرق نقل البخار من مصدر مركزي إلى نقطة الاستخدام. قد يكون المصدر المركزي بيت غلاية أو تصريف منشأة توليد مشترك. قد تحرق الغلايات وقودًا أساسيًا، أو تكون غلايات حرارة مهدرة تستخدم غازات العادم من العمليات ذات الحرارة العالية أو المحركات أو حتى المُحرقة. مهما كان المصدر، فإن نظام توزيع بخار فعال ضروري لتوفير بخار بالجودة والضغط الصحيحين، بالكمية المناسبة، إلى معدات استخدام البخار. تركيب وصيانة نظام البخار قضايا مهمة، ويجب أخذها في الاعتبار في مرحلة التصميم.

أساسيات نظام البخار

من البداية، مطلوب فهم الدائرة البخارية الأساسية أو ‘حلقة البخار والمكثفات’ - انظر الشكل 10.1.1. مع تكثف البخار في العملية، يُستحث التدفق في أنبوب الإمداد. المكثفات لها حجم صغير جدًا مقارنة بالبخار، وهذا يسبب انخفاضًا في الضغط، مما يُسبب تدفق البخار عبر الأنابيب.

يجب نقل البخار المُنتَج في الغلاية عبر أنابيب إلى النقطة التي تُطلب فيها طاقته الحرارية. مبدئيًا سيكون هناك أنبوب رئيسي واحد أو أكثر، أو ‘خطوط بخار رئيسية’، تحمل البخار من الغلاية في الاتجاه العام نحو منشأة استخدام البخار. يمكن بعد ذلك لأنابيب الفروع الأصغر حمل البخار إلى الأجهزة الفردية.

عند فتح صمام عزل الغلاية الرئيسي (الذي يُسمى عادة صمام ‘التاج’)، يمر البخار فورًا من الغلاية عبر خطوط البخار الرئيسية نحو النقاط ذات الضغط الأخفض.

الأنابيب أبرد مبدئيًا من البخار، لذا تُنقل الحرارة من البخار إلى الأنبوب.

الهواء المحيط بالأنابيب أيضًا أبرد من البخار، لذا ستبدأ الأنابيب في نقل الحرارة إلى الهواء.

البخار عند ملامسته الأنابيب الأبرد يبدأ في التكثيف فورًا. عند بدء تشغيل النظام، يكون معدل التكثيف في أقصاه، حيث تكون هناك أقصى فرق في درجة الحرارة بين البخار والأنابيب. يُسمى معدل التكثيف هذا عادة ‘الحمل الابتدائي’. بمجرد تدفئة الأنابيب، يكون فرق درجة الحرارة بين البخار والأنابيب طفيفًا، لكن بعض التكثيف سيحدث حيث تستمر الأنابيب في نقل الحرارة إلى الهواء المحيط. يُسمى معدل التكثيف هذا عادة ‘الحمل التشغيلي’.

التكثيف الناتج (المكثفات) يسقط إلى قاع الأنبوب ويُنقل بواسطة تدفق البخار بمساعدة الجاذبية، بسبب الميل في خط البخار الرئيسي الذي يجب ترتيبه ليتدفق في اتجاه تدفق البخار. يجب بعد ذلك تصريف المكثفات من نقاط استراتيجية مختلفة في خط البخار الرئيسي.

عند فتح الصمام على أنبوب البخار الذي يخدم جهاز استخدام بخار، يدخل البخار المتدفق من نظام التوزيع إلى الجهاز ويُلامس أسطحًا أبرد مرة أخرى. ينقل البخار طاقته في تدفئة الجهاز والمنتج (الحمل الابتدائي)، وعندما يصل إلى درجة الحرارة، يستمر في نقل الحرارة إلى العملية (الحمل التشغيلي).

هناك الآن إمداد مستمر بالبخار من الغلاية لتلبية الحمل المتصل ولتحقيق هذا الإمداد يجب إنتاج المزيد من البخار. للقيام بذلك، يُغذَّى مزيد من الماء (والوقود لتسخين هذا الماء) إلى الغلاية لتعويض ذلك الماء الذي تبخر سابقًا إلى بخار.

المكثفات المُشكَّلة في أنابيب توزيع البخار ومعدات العمليات هي مصدر مريح لماء تغذية غلاية ساخن قابل للاستخدام. على الرغم من أنه من المهم إزالة هذه المكثفات من مساحة البخار، إلا أنها سلعة قيّمة ويجب عدم السماح لها بالهدر. إعادة جميع المكثفات إلى خزان تغذية الغلاية تُغلق حلقة البخار الأساسية، ويجب ممارستها حيثما كان ذلك عمليًا. تُناقَش إعادة المكثفات إلى الغلاية بمزيد من التفصيل في الكتلة 13، ‘إزالة المكثفات’، والكتلة 14، ‘إدارة المكثفات’.

ضغط العمل

يتأثر ضغط توزيع البخار بعدة عوامل، لكنه محدود بـ:

• أقصى ضغط عمل آمن للغلاية.
• الحد الأدنى من الضغط المطلوب في المنشأة. مع مرور البخار عبر أنابيب التوزيع، سيفقد الضغط حتمًا بسبب:
• المقاومة الاحتكاكية داخل الأنابيب (مُفصَّلة في الوحدة 10.2).
• التكثيف داخل الأنابيب مع نقل الحرارة إلى البيئة. لذلك يجب مراعاة فقدان الضغط هذا عند اتخاذ قرار بشأن ضغط التوزيع المبدئي. كيلوغرام واحد من البخار عند ضغط أعلى يشغل حجمًا أقل من ضغط أخفض. يتبين أنه إذا أُنتِج البخار في الغلاية عند ضغط عالٍ وتُوزَّع أيضًا عند ضغط عالٍ، فإن حجم خطوط التوزيع الرئيسية سيكون أصغر من نظام منخفض الضغط لنفس الحمل الحراري. يُوضح الشكل 10.1.2 هذه النقطة.

إنتاج وتوزيع البخار عند ضغط أعلى يوفر ثلاث مزايا مهمة:

• تزداد السعة التخزينية الحرارية للغلاية، مما يُساعد على التعامل بكفاءة أكبر مع الحمولات المتغيرة، مُقللًا من خطر إنتاج بخار مبلل وأوساخ.
• تتطلب أنابيب بخار رئيسية أصغر قطرًا، مما يُؤدي إلى تكلفة رأسمالية أقل، للمواد مثل الأنابيب والفلنجات والدعامات والعزل والعمالة.
• أنابيب البخار الرئيسي الأقل قطرًا أقل تكلفة للعزل بعد التوزيع عند ضغط عالٍ، سيتطلب خفض ضغط البخار لكل منطقة أو نقطة استخدام في النظام للتوافق مع أقصى ضغط مطلوب للتطبيق. خفض الضغط المحلي ليناسب الجهاز الفرد سيُؤدي أيضًا إلى بخار أكثر جافة عند نقطة الاستخدام. (الوحدة 2.3 تُوفر شرحًا لذلك). ملاحظة: يُعتقد أحيانًا أن تشغيل غلاية بخار عند ضغط أقل من ضغطها المُصنَّف سيوفر الوقود. هذه المنطق مبني على أن المزيد من الوقود يُطلب لرفع البخار إلى ضغط أعلى. على الرغم من وجود عنصر من الصحة في هذا المنطق، يجب تذكر أنه هو الحمل المتصل، وليس إنتاج الغلاية، الذي يحدد معدل استخدام الطاقة. نفس كمية الطاقة يستخدمها الحمل سواء رفعت الغلاية البخار عند 4 بار ضغط معياري أو 10 بار ضغط معياري أو 100 بار ضغط معياري. تزداد خسائر الثبات وخسائر المدخنة وخسائر التشغيل بالعمل عند ضغوط أعلى، لكن تُقلَّل هذه الخسائر بالعزل وأنظمة إرجاع المكثفات المناسبة. هذه الخسائر طفيفة مقارنة بفوائد توزيع البخار عند ضغط عالٍ.

خفض الضغط

الطريقة الشائعة لخفض الضغط عند النقطة التي سيُستخدم فيها البخار هي استخدام صمام خفض ضغط، مشابه للذي يُوضَح في محطة خفض الضغط الشكل 10.1.3.

يُثبَّت فاصل صعودًا من صمام الخفض لإزالة الماء المُرفق من البخار المبلل الداخل، مما يضمن بخار عالي الجودة يمر عبر صمام الخفض. تُناقَش هذه بمزيد من التفصيل في الوحدة 9.3 والوحدة 12.5.

المعدات المنبعية لصمام خفض الضغط محمية بصمام أمان. إذا فشل صمام خفض الضغط، قد يرتفع الضغط المنبعي فوق أقصى ضغط عمل مسموح به لمعدات استخدام البخار. هذا بدوره قد يُتلف الجهاز بشكل دائم، والأهم من ذلك، يُشكّل خطرًا على الأفراد. مع تركيب صمام أمان، يُفرَّغ أي ضغط زائد عبر الصمام، ويمنع هذا من الحدوث (تُناقَش صمامات الأمان في الكتلة 9). تشمل المكونات الأخرى المُضمنة في محطة صمام خفض الضغط:

• صمام العزل الأولي - لإيقاف النظام للصيانة.
• مقياس الضغط الأولي - لمراقبة سلامة الإمداد.
• الغربال - للحفاظ على نظافة النظام.
• مقياس الضغط الثانوي - لضبط ومراقبة الضغط المنبعي.
• صمام العزل الثانوي - للمساعدة في ضبط الضغط المنبعي في ظروف عدم الحمل.