كفاءة الغلاية والاحتراق

نظرة عامة شاملة على عملية الاحتراق، بما في ذلك أنواع المشاعلات وأجهزة التحكم، والإنتاج الحراري والخسائر.

هذه الوحدة مخصصة لإعطاء نظرة عامة واسعة جدًا على عملية الاحتراق، التي هي مكون أساسي لكفاءة الغلاية الإجمالية. يُوجَّه القراء الذين يحتاجون إلى معرفة أعمق نحو الكتب التخصصية ومُصنِّعي المشاعلات. كفاءة الغلاية ببساطة تُربط بين طاقة الخرج وطاقة الدخل، عادة بالنسبة المئوية: ‘الحرارة المُصدَّرة في البخار’ و’الحرارة المُقدمة من الوقود’ تُغطَّى بالتفصيل في القسمين التاليين.

الحرارة المُقدمة من الوقود

القيمة الحرارية يمكن التعبير عن هذه القيمة بطريقتين ‘إجمالي’ أو ‘صافي’ القيمة الحرارية. القيمة الحرارية الإجمالية هذه هي الإجمالي النظري للطاقة في الوقود. ومع ذلك، تحتوي جميع الوقودات الشائعة على الهيدروجين، الذي يحترق مع الأكسجين لتشكيل ماء، يصعد عبر المدخنة كبخار. القيمة الحرارية الإجمالية للوقود تشمل الطاقة المستخدمة في تبخر هذا الماء. غازات المدخنة في منشأة غلاية البخار لا تتكثف، لذلك تُقلَّل الكمية الفعلية من الحرارة المتاحة لمنشأة الغلاية. التحكم الدقيق في كمية الهواء ضروري لكفاءة الغلاية:

الهواء الزائد سيُبرد الفرن ويُحمل الحرارة المفيدة بعيدًا.
الهواء الناقص سيُؤدي إلى احتراق غير كامل، يُنقل الوقود غير المحترق وقد يُنتج دخان. القيمة الحرارية الصافية هذه هي القيمة الحرارية للوقود، باستثناء الطاقة في البخار المُفرَغ إلى المدخنة، وهي الرقم المستخدم عمومًا لحساب كفاءات الغلاية. بشكل عام: التحكم الدقيق في كمية الهواء ضروري لكفاءة الغلاية:
الهواء الزائد سيُبرد الفرن ويُحمل الحرارة المفيدة بعيدًا.
الهواء الناقص سيُؤدي إلى احتراق غير كامل، يُنقل الوقود غير المحترق وقد يُنتج دخان. في الممارسة العملية، ومع ذلك، هناك عدد من الصعوبات في achieving احتراق مثالي (مُكافئ كيميائي):
الظروف حول المشعل لن تكون مثالية، ومن المستحيل ضمان التطابق الكامل لجزيئات الكربون والهيدروجين والأكسجين.
بعض جزيئات الأكسجين ستتحد مع جزيئات النيتروجين لتشكيل أكسيد النيتروجين (NOx). لضمان احتراق كامل، مطلوب كمية من ‘الهواء الزائد’. هذا له تأثير على كفاءة الغلاية. التحكم في نسبة خليط الهواء/الوقود على العديد من منشآت الغلايات الأصغر الحالية هو ‘حلقة مفتوحة’. أي أن المشعل سيكون لديه سلسلة من الكامات والروافع التي أُعيدت لتقدير كميات محددة من الهواء لمعدل اشتعال معين. من الواضح، كعناصر ميكانيكية، ستصبح هذه بالية وأحيانًا تتطلب إعادة المعايرة. لذلك، يجب صيانتها وإعادة معايرتها بانتظام. على المنشآت الأكبر، قد تُثبَّت أنظمة ‘حلقة مغلقة’ تستخدم مجسات أكسجين في المدخنة للتحكم في مزاجات هواء الاحتراق. تسريبات الهواء في غرفة احتراق الغلاية سيكون لها تأثير سلبي على التحكم الدقيق في الاحتراق.

التشريعات

حاليًا، هناك التزام عالمي ببرنامج تغير المناخ، و160 دولة وقعت على اتفاقية كيوتو لعام 1997. وافقت هذه البلدان على اتخاذ إجراءات إيجابية وفردية لـ:

تقليل انبعاث الغازات الضارة إلى الغلاف الجوي - على الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون (CO2) هو الأقل فعالية بين الغازات المشمولة بالاتفاقية، إلا أنه الأكثر شيوعًا بوضوح، ويُمثل حوالي 80% من إجمالي انبعاثات الغازات المطلوب تقليلها.
إجراء تخفيضات سنوية قابلة للقياس في الوقود المستخدم - قد يكون هذا على شكل استخدام مصادر طاقة بديلة غير ملوثة، أو استخدام نفس الوقودات بكفاءة أكبر. في المملكة المتحدة، يُشار إلى الالتزام بـ ‘استراتيجية جودة الهواء الوطنية البريطانية’، وهذا له تأثير عبر عدد من القوانين واللوائح. سيكون لدى بلدان أخرى استراتيجيات مماثلة.

التكنولوجيا

الضغط من التشريعات المتعلقة بالتلوث، ومن مستخدمي الغلايات المتعلقة بالاقتصاد، بالإضافة إلى قوة الرقاقة الدقيقة، قد تقدمت كثيرًا في تصميم غرف احتراق الغلايات والمشاعلات. الغلايات الحديثة مع أحدث المشاعلات قد يكون لديها:

غازات مدخنة مُعاد تدويرها لضمان احتراق مثالي، مع الحد الأدنى من الهواء الزائد.
أنظمة تحكم إلكترونية متطورة تراقب جميع مكونات غاز المدخنة، وتُجري تعديلات على تدفقات الوقود والهواء للحفاظ على الظروف ضمن معايير محددة.
نسب تخفيض محسَّنة بشكل كبير (النسبة بين أقصى وأدنى معدلات الاشتعال) التي تُتيح satisfaction معايير الكفاءة والانبعاثات عبر نطاق تشغيل أكبر.

خسائر الحرارة

بعد مناقشة الاحتراق في فرن الغلاية، وخاصة أهمية نسب الهواء الصحيحة فيما يتعلق بالاحتراق الكامل والفعال، يبقى مراجعة مصادر أخرى محتملة لفقدان الحرارة وعدم الكفاءة. خسائر الحرارة في غازات المدخنة هذا على الأرجح أكبر مصدر واحد لفقدان الحرارة، ويمكن لمدير الهندسة تقليل الكثير من الخسائر. الخسائر قابلة للنسب إلى درجة حرارة الغازات المغادرة للفرن. من الواضح، كلما كانت الغازات في المدخنة أكثر سخونة، كانت الغلاية أقل كفاءة. قد تكون الغازات ساخنة جدًا لأحد سببين:

المشعل يُنتج حرارة أكثر مما هو مطلوب لحمل محدد على الغلاية: هذا يعني أن المشعل (المشاعلات) وآليات المزاج تتطلب صيانة وإعادة معايرة.
أسطح نقل الحرارة داخل الغلاية لا تعمل بشكل صحيح، ولا تُنقل الحرارة إلى الماء: هذا يعني أن أسطح نقل الحرارة ملوثة، وتتطلب تنظيفًا. بعض العناية مطلوبة هنا - تبريد مفرط لغازات المدخنة قد يُؤدي إلى انخفاض درجات الحرارة تحت ‘نقطة الندى’ وتزداد احتمالية التآكل بتشكل: حمض النيتريك (من النيتروجين في الهواء المستخدم للاحتراق). حمض الكبريتيك (إذا كان للوقود محتوى كبريت). الماء. خسائر الإشعاع لأن الغلاية أكثر سخونة من بيئتها، ستنقل بعض الحرارة إلى المحيط. العزل التالف أو الرديء التركيب سيزيد بشكل كبير من خسائر الحرارة المحتملة. غلاف معزول بشكل معقول أو غلاية أنبوب مائي بقدرة 5 ميجاواط أو أكثر ستفقد بين 0.3 و0.5% من طاقتها إلى المحيط. قد لا يبدو هذا مقدارًا كبيرًا، لكن يجب تذكر أن هذا 0.3 إلى 0.5% من تصنيف الغلاية بالحمل الكامل، وستبقى هذه الخسارة ثابتة، حتى لو لم تُصدِّر الغلاية بخارًا إلى المنشأة، وببساطة في وضع الاستعداد. يشير هذا إلى أنه لتحقيق كفاءة تشغيل أكبر، يجب تشغيل منشأة الغلاية نحو أقصى سعتها. هذا بدوره قد يتطلب تعاونًا وثيقًا بين موظفي بيت الغلاية وأقسام الإنتاج.

تخفيض المشعل

وظيفة مهمة للمشاعلات هي التخفيض. يُعبَّر عنها عادة بنسبة وتعتمد على أقصى معدل اشتعال مقسوم على أدنى معدل اشتعال قابل للتحكم. نسبة التخفيض ليست ببساطة مسألة فرض كميات مختلفة من الوقود إلى غلاية، من المنظور الاقتصادي والتشريعي يزداد أهمية أن يوفر المشعل احتراقًا فعالًا وصحيحًا، ويلبي لوائح انبعاثات أكثر صرامة عبر نطاق تشغيله بالكامل. كما ذُكر بالفعل، الفحم كوقود غلاية يميل إلى أن يكون محدودًا بتطبيقات متخصصة مثل غلايات الأنابيب المائية في محطات الطاقة.

مشاعلات الزيت

القدرة على حرق وقود الزيت بكفاءة تتطلب نسبة مساحة سطح عالية إلى حجم الوقود. أظهرت التجربة أن جزيئات الزيت في نطاق 20 و40 ميكرومتر هي الأكثر نجاحًا. الجزيئات التي تكون:

أكبر من 40 ميكرومتر تميل إلى أن تُنقل عبر اللهب دون إكمال عملية الاحتراق.
أصغر من 20 ميكرومتر قد تسافر بسرعة كبيرة بحيث تُنقل عبر اللهب دون احتراق على الإطلاق. جانب مهم جدًا من احتراق الزيت هو اللزوجة. لزوجة الزيت تتغير مع درجة الحرارة: كلما كان الزيت أكثر سخونة، سهل تدفقه أكثر. في الواقع، يدرك معظم الناس أن زيوت الوقود الثقيلة تحتاج إلى تسخين للتدفق بحرية. ما ليس واضحًا بنفس الدرجة هو أن التغير في درجة الحرارة، وبالتالي اللزوجة، سيكون له تأثير على حجم جزيئة الزيت المُنتَجة عند فوهة المشعل. لهذا السبب يجب التحكم بدقة في درجة الحرارة لإعطاء ظروف متسقة عند الفوهة. مشاعلات الضغط النفاثة مشعل الضغط النفاث هو ببساطة فوهة عند نهاية أنبوب مضغوط. عادة يكون ضغط وقود الزيت في نطاق 7 إلى 15 بار. في نطاق التشغيل، يُنشأ انخفاض ضغط كبير عبر الفوهة عند تصريف الوقود إلى الفرن يُؤدي إلى رش الوقود. وضع إبهام على نهاية خرطوم حديقة يُحدث نفس التأثير. ت changing ضغط وقود الزيت مباشرة قبل الفوهة يتحكم في تدفق الوقود من المشعل. إذا خُفِّض تدفق الوقود إلى 50%، تنخفض طاقة الرش إلى 25%. هذا يعني أن التخفيض المتاح محدود بحوالي 2:1 لفوهة معينة. للتغلب على هذا الحد، يُزوَّد مشاعلات الضغط النفاثة بمجموعة من الفوهات القابلة للتبديل لاستيعاب حمولات غلاية مختلفة. مزايا مشاعلات الضغط النفاثة:
تكلفة منخفضة نسبيًا.
سهلة الصيانة. عيوب مشاعلات الضغط النفاثة:
إذا تغيرت خصائص تشغيل المنشأة بشكل كبير خلال يوم، فسيجب إيقاف الغلاية لتبديل الفوهة.
سهلة الانسداد بالحطام. هذا يعني أن الغربالات ناعمة الشبكة المُصانَّة جيدًا ضرورية.

مشعل الكأس الدوار

يُغذَّى وقود الزيت عبر أنبوب مركزي، ويُفرَغ على السطح الداخلي لمخروط يدور بسرعة. مع تحرك وقود الزيت على طول الكأس (بسبب غياب القوة المركزية) يصبح غشاء الزيت أرق تدريجيًا مع زيادة محيط الغطاء. في نهاية المطاف، يُفرَغ وقود الزيت من حافة المخروط كبخار رش. بما أن الرش يُنتَج بواسطة الكأس الدوار، بدلاً من بعض وظائف وقود الزيت (مثل الضغط)، فإن نسبة التخفيض أكبر بكثير من مشعل الضغط النفاث. مزايا مشاعلات الكأس الدوار:

متينة.
نسبة تخفيض جيدة.
لزوجة الوقود أقل أهمية. عيوب مشاعلات الكأس الدوار:
أكثر تكلفة للشراء والصيانة.

مشاعلات الغاز

حاليًا، الغاز هو على الأرجح الوقود الأكثر استخدامًا في المملكة المتحدة. بما أنه غاز، لا تُشكل المشكلة رشًا، والمزج المناسب للغاز مع كمية مناسبة من الهواء هو كل ما يُطلب للاحتراق. نوعان من مشاعلات الغاز قيد الاستخدام ‘منخفض الضغط’ و’عالي الضغط’. مشعل منخفض الضغط تعمل بضغط منخفض، عادة بين 2.5 و10 مللي بار. المشعل جهاز فينتوري بسيط يُدخل الغاز في منطقة الحلق، ويُسحب هواء الاحتراق من الخارج. الإنتاج محدود بحوالي 1 ميجاواط. مشعل عالي الضغط تعمل بضغوط أعلى، عادة بين 12 و175 مللي بار، وقد تشمل عددًا من الفوهات لإنتاج شكل لهب معين.

مشاعلات الوقود المزدوج

التعريفة ‘القابلة للانقطاع’ الجذابة للغاز تعني أنه هو الخيار الأغلبية العظمى من المؤسسات في المملكة المتحدة. ومع ذلك، تحتاج العديد من هذه المؤسسات إلى الاستمرار في العمل إذا انقطع إمداد الغاز. الترتيب المعتاد هو توفير إمداد وقود زيت في الموقع، واستخدامه لإشعال الغلاية عندما لا يكون الغاز متاحًا. أدى هذا إلى تطوير مشاعلات ‘الوقود المزدوج’. هذه المشاعلات مصممة بالغاز كوقود رئيسي، لكن لديها إمكانية إضافية لحرق وقود الزيت. الإشعار من شركة الغاز بأن الإمداد سينقطع قد يكون قصيرًا، لذا يُجرى التبديل إلى احتراق الزيت بأسرع ما يمكن، الإجراء المعتاد هو:

عزل خط إمداد الغاز.
فتح خط إمداد الزيت وتشغيل مضخة الوقود.
على لوحة تحكم المشعل، اختر ‘احتراق الزيت’. (سيغير هذا إعدادات الهواء للوقود المختلف).
تنقية وإعادة تشغيل الغلاية. يمكن إجراء هذه العملية في فترة قصيرة جدًا. في بعض المؤسسات قد يُجرى التبديل كجزء من ممارسة دورية لضمان أن المشغلين على دراية بالإجراء، وأي معدات ضرورية متاحة. ومع ذلك، لأن وقود الزيت هو فقط ‘احتياطي’، ويُستخدم على الأرجح لفترات قصيرة، قد تكون مرافق احتراق الزيت أساسية. على المنشآت الأكثر تطورًا، مع منشأة غلاية عالية التصنيف، قد تُسحب مشاعلات الغاز وتُستبدل بمشاعلات زيت.

أنظمة تحكم المشاعل

يجب أن يكون القارئ على علم بأن نظام تحكم المشعل لا يمكن النظر إليه بمعزل. المشعل، ونظام تحكم المشعل، ونظام التحكم في المستوى يجب أن تتوافق وتعمل بطريقة متكاملة لتلبية مطالب البخار للمنشأة بطريقة فعالة. ال الفقرات التالية تُحدد بشكل عام أنظمة تحكم المشاعل الأساسية. نظام تحكم تشغيل/إيقاف هذا هو أبسط نظام تحكم، ويعني أن المشعل إما يعمل بأقصى معدل أو مُطفأ. العيب الرئيسي لطريقة التحكم هذه هو أن الغلاية تتعرض لصدمات حرارية كبيرة ومتكررة في كل مرة تشتعل فيها. لذلك يجب استخدامها فقط للغلايات الصغيرة حتى 500 كجم/ساعة. مزايا نظام تحكم تشغيل/إيقاف:

بسيط.
الأقل تكلفة. عيوب نظام تحكم تشغيل/إيقاف:
إذا جاء حمل كبير على الغلاية بعد إطفاء المشعل مباشرة، تُقلَّل كمية البخار المتاحة. في أسوأ الحالات قد يؤدي ذلك إلى تغلي الغلاية وقفلها.
دورة حرارية. نظام تحكم عالٍ/منخفض/مُطفأ هذا نظام أكثر تعقيدًا قليلًا حيث يكون للمشعل معدل اشتعالان. يعمل المشعل أولاً بمعدل الاشتعال الأقل ثم ينتقل إلى الاشتعال الكامل حسب الحاجة، مُتغلبًا بذلك على أسوأ الصدمة الحرارية. يمكن للمشعل أيضًا العودة إلى موضع الاشتعال المنخفض عند الحمولات المنخفضة، مُقللًا مجددًا من الإجهاد الحراري داخل الغلاية. هذا النوع من الأنظمة يُثبَّت عادة على غلايات بإنتاج يصل إلى 5000 كجم/ساعة. مزايا التحكم العالي/المنخفض/المُطفأ:
الغلاية أكثر قدرة على الاستجابة للحمولات الكبيرة حيث يضمن موضع ‘الاشتعال المنخفض’ وجود طاقة مخزنة أكثر في الغلاية.
إذا طُبِّق الحمل الكبير عندما يكون المشعل على ‘اشتعال منخفض’، يمكنه الاستجابة فورًا بزيادة معدل الاشتعال إلى ‘اشتعال عالٍ’، على سبيل المثال يمكن حذف دورة التنقية. عيوب نظام تحكم عالٍ/منخفض/مُطفأ:
أكثر تعقيدًا من التحكم تشغيل/إيقاف.
أكثر تكلفة من التحكم تشغيل/إيقاف. نظام تحكم تعديلي تحكم المشعل التعديلي سيُغير معدل الاشتعال لمطابقة حمل الغلاية عبر نسبة التخفيض بالكامل. كلما أُغلق المشعل وأُعيد تشغيله، يجب تنقية النظام بتهوية هواء بارد عبر ممرات الغلاية. هذا يُهدر الطاقة ويُقلل من الكفاءة. التعديل الكامل يعني أن الغلاية تستمر في الاشتعال عبر النطاق بالكامل لتعظيم الكفاءة الحرارية وتقليل الإجهاد الحراري. هذا النوع من التحكم يمكن تركيبه على أي حجم غلاية، لكن يجب دائمًا تركيبه على الغلايات المُصنَّفة فوق 10000 كجم/ساعة. مزايا نظام تحكم تعديلي: الغلاية أكثر قدرة على تحمل الحمولات الكبيرة والمتغيرة. هذا لأن:
ضغط الغلاية يُحافظ في أعلى نطاق تحكمه، ومستوى الطاقة المخزنة في أقصاه.
إذا طُلِبت طاقة أكثر على إشعار قصير، يمكن لنظام التحكم الاستجابة فورًا بزيادة معدل الاشتعال، دون التوقف لدورة تنقية. عيوب نظام تحكم تعديلي:
الأكثر تكلفة.
الأكثر تعقيدًا.
مطلوب مشاعلات بقدرة تخفيض عالية.