مقدمة

نظرة عامة على لوائح الغلايات، مع تقييم أنواع الوقود والمقارنات.

سيُركَّز هذا الكتلة من دورة البخار والمكثفات على تصميم ومضمونات بيت الغلايات والتطبيقات داخله. بيت غلايات مُصمَّم ومُشغَّل ومُصان بشكل جيد هو قلب منشأة بخار فعالة.

ومع ذلك، هناك عدد من العقبات التي قد تمنع هذا المثالي. يُنظر إلى بيت الغلايات ومحتوياته أحيانًا على أنه ليس أكثر من إزعاج ضروري وحتى في بيئة واعية بالطاقة حاليًا، قياس تدفق البخار الدقيق والتخصيص الصحيح للتكاليف على المستخدمين المختلفين ليس عالميًا. هذا يمكن أن يعني أن تحسينات الكفاءة ومشاريع توفير التكاليف المتعلقة بيت الغلايات قد يصعب تبريرها للمستخدم النهائي. في كثير من الحالات، بيت الغلايات وتوفر البخار هما مسؤولية مدير الهندسة، وبالتالي تُرى أي مشاكل في الكفاءة على أنها مشاكله. من المهم تذكر أن غلاية البخار هي وعاء مضغوط يحتوي على ماء ساخن جدًا وبخار عند أكثر من 100 درجة مئوية، وتصميمها وتشغيلها مُغطَّان بعدد من المعايير واللوائح المعقدة.

للأسباب المذكورة أعلاه، يجب على المستخدم تأكيد التشريعات الوطنية والمحلية والجارية.

هدف هذه الوحدة هو تزويد المصمم والمُشغِّل والمُصان لبيت الغلايات بفهم للمواصفات المطلوبة في تطوير الغلاية ومعداتها المُرتبطة. غلايات البخار الحديثة تأتي بجميع الأحجام لتناسب التطبيقات الكبيرة والصغيرة. بشكل عام، حيث تُطلب أكثر من غلاية واحدة لتلبية الطلب، يصبح من المجدي اقتصاديًا إيواء منشأة الغلاية في موقع مركزي، حيث يمكن أن تكون تكاليف التركيب والتشغيل أقل بشكل ملحوظ من المنشآت المُوزعة. على سبيل المثال، المركزية تُقدم الفوائد التالية على استخدام غلايات أصغر مُوزعة:

• المزيد من الخيارات في الوقود والتعريفة.
• يُستخدم الغلايات المتطابقة بشكل متكرر في غرف الغلايات المركزية مما يُقلل قطع الغيار والمخزون والتكاليف.
• استعادة الحرارة سهلة التنفيذ لأفضل عوائد.
• تقليل الإشراف اليدوي يُحرر العمالة لمهام أخرى في الموقع.
• تحجيم اقتصادي لمنشأة الغلاية لتناسب الطلب المُتنوِّع.
• يسهل مراقبة التحكم في انبعاثات العادم.
• يسهل مراقبة بروتوكولات السلامة والكفاءة.

وقود الغلايات

أكثر ثلاثة أنواع شيوعًا من الوقود المُستخدم في غلايات البخار هي الفحم والزيت والغاز. ومع ذلك، يُستخدم أيضًا النفايات الصناعية أو التجارية في غلايات معينة، إلى جانب الكهرباء لغلايات الإلكترود. الفحم الفحم هو المصطلح العام المُعطى لعائلة من الوقودات الصلبة ذات محتوى كربون عالٍ. هناك عدة أنواع من الفحم ضمن هذه العائلة، كل منها يرتبط بمراحل تكوين الفحم ومحتوى الكربون. هذه المراحل هي:

• الخث.
• الفحم الحنطي أو الفحم البني.
• القاري.
• نصف قاري.
• الأنثراسيت. تميل أنواع القاري والأنثراسيت للاستخدام كوقود غلاية. في المملكة المتحدة، ينخفض استخدام الفحم الكتلي لتشغيل غلايات الغلاف. هناك عدد من الأسباب لذلك بما في ذلك: التوفر والتكلفة - مع استنفاد العديد من طبقات الفحم، تُنتَج كميات أقل من الفحم في المملكة المتحدة مقارنة بالماضي، ويجب توقع استمرار تراجعه. سرعة الاستجابة لتغيرات الحمل - مع الفحم الكتلي، هناك تأخير زمني كبير بين:
• حدوث طلب على الحرارة.
• إدخال الفحم إلى الغلاية.
• اشتعال الفحم.
• إنتاج البخار لتلبية الطلب. لتغلب على هذا التأخير، تحتاج الغلايات المُصمَّمة لحرق الفحم إلى احتواء كمية أكبر من الماء عند درجة حرارة الإشباع لتوفير احتياطي الطاقة لتغطية هذا التأخير. هذا بدوره يعني أن الغلايات أكبر، وبالتالي أكثر تكلفة في الشراء، وتشغِّل مساحة تصنيع منتجات أكثر قيمة. الرماد - يُنتَج الرماد عند حرق الفحم. قد يكون إزالة الرماد مُحرجًا، وعادة يتطلب تدخلًا يدويًا وتقليل كمية البخار المتاحة أثناء عملية إزالة الرماد. يجب بعد ذلك التخلص من الرماد، وقد يكون مكلفًا بحد ذاته. معدات التغذية - هناك عدد من الترتيبات المختلفة بما في ذلك أجهزة التغذية الخطية والرذاذ وأجهزة التغذية بسلسلة المحرقة. الموضوع المشترك هو أنها جميعها تحتاج صيانة كبيرة. الانبعاثات- يحتوي الفحم في المتوسط على 1.5% كبريت (S) بالوزن، لكن قد يصل هذا المستوى إلى 3% حسب مكان تعدين الفحم. أثناء عملية الاحتراق:
• سيندمج الكبريت مع الأكسجين (O2) من الهواء لتكوين SO2 أو SO3.
• سيندمج الهيدروجين (H) من الوقود مع الأكسجين (O2) من الهواء لتكوين الماء (H2O). بعد اكتمال عملية الاحتراق، سيندمج SO3 مع الماء (H2O) لإنتاج حمض الكبريتيك (H2SO4)، الذي يمكن أن يتكثف في المدخنة مُسببًا تآكلًا إذا لم تُحافَظ على درجات حرارة المدخنة الصحيحة. بديلًا، يُحمَّل إلى الغلاف الجوي مع غازات المدخنة. يُعاد هذا الحمض الكبريتيكي إلى الأرض مع المطر، مُسببًا:
• تلف في هيكل المباني.
• أضرار للنباتات والغطاء النباتي. الرماد المُنتَج من الفحم خفيف، وجزء منه سيُحمَّل حتمًا مع غازات العادم، إلى المدخنة ويُطرد كجزيئات إلى البيئة. ومع ذلك، لا يزال الفحم يُستخدم لتشغيل العديد من غلايات الأنبوب المائي الكبيرة جدًا الموجودة في محطات الطاقة. بسبب النطاق الكبير لهذه العمليات، يصبح من المجدي تطوير حلول للمشاكل المذكورة أعلاه، وقد يكون هناك أيضًا ضغط حكومي لاستخدام وقود مُنتَج محليًا، لأمن الإمداد الكهربائي الوطني.
• الفحم المُستخدم في محطات الطвая يُطحَن إلى مسحوق ناعم جدًا، يُشار إليه عمومًا بـ ‘الوقود المسحوق’، ويُختصر عادة بـ ‘pf’.
• حجم الجزيئات الصغير للوقود المسحوق يعني أن نسبة مساحة السطح إلى الحجم تزداد بشكل كبير، مما يجعل الاحتراق سريعًا جدًا، ويُغلب على مشكلة سرعة الاستجابة عند استخدام الفحم الكتلي.
• حجم الجزيئات الصغير يعني أيضًا أن الوقود المسحوق يتدفق بسهولة كبيرة،شبه السائل، ويُدخل إلى فرن الغلاية عبر المشاعلات، مُستبعدًا أجهزة التغذية المُستخدمة مع الفحم الكتلي.
• لزيادة مرونة وتخفيض الغلاية، قد يكون هناك أكثر من 30 مشعاع للوقود المسحوق حول الجدران والسطح للغلاية، كل منها يمكن التحكم به بشكل مستقل لزيادة أو تقليل الحرارة في منطقة معينة من الفرن. على سبيل المثال، للتحكم في درجة حرارة البخار المُغادر للمُسخِّن الزائد. بخصوص جودة الغازات المُطلقة إلى الغلاف الجوي:
• ستُوجَّه غازات الغلاية عبر مُرسب كهروستاتيكي حيث تجذب الألواح المشحونة كهربائيًا الرماد والجزيئات الأخرى، مُزيلتها من تيار الغاز.
• ستُزال المواد الكبريتية في غاز الغسيل.
• الانبعاث النهائي إلى البيئة سيكون بجودة عالية. يمكن إنتاج حوالي 8 كجم من البخار من حرق 1 كجم من الفحم. الزيت يُستخلص وقود الزيت للغلاية من البقايا المُنتَجة من البترول الخام بعد تقطيره لإنتاج زيوت أخف مثل البنزين والبارافين والكيروسين والديزل أو زيت الغاز. تتوفر درجات مختلفة، كل منها مناسب لتصنيفات غلاية مختلفة؛ الدرجات كالتالي:
• الفئة D - الديزل أو زيت الغاز.
• الفئة E - وقود زيت خفيف.
• الفئة F - وقود زيت متوسط.
• الفئة G - وقود زيت ثقيل. بدأ الزيت يُنافس الفحم كوقود غلاية مفضل في المملكة المتحدة خلال الخمسينيات. جاء هذا جزئيًا من رعاية وزارة الوقود والطاقة آنذاك لأبحاث تحسين منشأة الغلاية. مزايا الزيت على الفحم تشمل:
• وقت استجابة أقصر بين الطلب وإنتاج كمية البخار المطلوبة.
• هذا يعني أن كمية أقل من الطاقة يجب تخزينها في ماء الغلاية. يمكن أن تكون الغلاية أصغر، مُشعِّة حرارة أقل إلى البيئة، مع تحسن لاحق في الكفاءة.
• الحجم الأصغر يعني أيضًا أن الغلاية تشغل مساحة إنتاج أقل.
• أُزيلت أجهزة التغذية الميكانيكية، مما قلّل عبء الصيانة.
• يحتوي الزيت فقط على آثار من الرماد، مما يُلغي فعليًا مشكلة معالجة الرماد والتخلص منه.
• أُزيلت الصعوبات المُصادفة في استقبال الفحم وتخزينه ومعالجته. يمكن إنتاج حوالي 15 كجم من البخار من 1 كجم من الزيت، أو 14 كجم من البخار من 1 لتر من الزيت. الغاز الغاز هو شكل من أشكال وقود الغلاية سهل الاحتراق، مع الهواء الزائد بشكل قليل جدًا. يتوفر وقود الغاز بأشكال مختلفة:
• الغاز الطبيعي - هذا غاز أُنتَج (طبيعيًا) تحت الأرض. يُستخدم في حالته الطبيعية (باستثناء إزالة الشوائب)، ويحتوي على نسبة عالية من الميثان.
• الغازات البترولية المساله (LPG) - هذه غازات تُنتَج من تكرير البترول وتُخزَّن بعد ذلك تحت الضغط في حالة سائلة حتى تُستخدم. أكثر أشكال LPG شيوعًا هي البروبان والبيوتان. في أواخر الستينيات أدى توفر الغاز الطبيعي (مثل ذلك من بحر الشمال) إلى مزيد من التطورات في الغلايات. مزايا حرق الغاز على حرق الزيت تشمل:
• تخزين الوقود ليس مشكلة؛ يُنقل الغاز عبر الأنابيب مباشرة إلى بيت الغلاية.
• فقط أثر من الكبريت موجود في الغاز الطبيعي، مما يعني أن كمية حمض الكبريتيك في غاز المدخنة تكاد تكون صفر. يمكن إنتاج حوالي 42 كجم من البخار من 1 ثيرم من الغاز (ما يُعادل 105.5 ميجاجول) لغلاية 10 بار ضغط زائد، بكفاءة تشغيلية إجمالية 80%. النفايات كوقود رئيسي هناك جانبان لذلك: مواد النفايات - هنا، تُحرق النفايات لإنتاج حرارة، تُستخدم لإنتاج البخار. قد تشمل الدوافع التخلص الآمن والصحيح من المواد الخطرة. المستشفى سيكون مثالًا جيدًا:
• في هذه الظروف، قد يكون الاحتراق الصحيح والكامل لمواد النفايات صعبًا، يتطلب مشاعلات متطورة، والتحكم في نسب الهواء ومراقبة الانبعاثات، خاصة الجسيمات. قد تكون تكلفة هذا التخلص عالية، ويُسترد فقط جزء من التكلفة باستخدام الحرارة المُنتجة لإنتاج البخار. ومع ذلك، الاقتصاديات الإجمالية للنظام، مع الأخذ في الاعتبار تكلفة التخلص من النفايات بطرق أخرى، قد تكون جذابة.
• استخدام النفايات كوقود قد يتضمن الاستخدام الاقتصادي للنفايات القابلة للاحتراق من عملية ما. تشمل الأمثلة اللحاء المُزال من الخشب في مصانع الورق، والسيقان (القصب) في مصانع قصب السكر وأحيانًا حتى نفايات مزرعة دجاج. ستكون عملية الاحتراق مرة أخرى معقدة نسبيًا، لكن الاقتصاديات الإجمالية لتكلفة التخلص من النفايات وإنتاج البخار لتطبيقات أخرى في الموقع يمكن أن تجعل مثل هذه الأنظمة جذابة. الحرارة الهائمة - هنا، قد تُوجَّه غازات ساخنة من عملية ما، مثل فرن صهر، عبر غلاية بهدف تحسين كفاءة المنشأة. تختلف الأنظمة من هذا النوع في مستوى تعقيدها حسب الطلب على البخار داخل المنشأة. إذا لم يكن هناك طلب على البخار في العملية، قد يُسخَّن البخار ثم يُستخدم لتوليد الكهرباء. هذا النوع من التكنولوجيا يصبح شائعًا في منشآت التوليد المشترك للحرارة والطاقة (CHP):
• تُشغِّل توربين غاز مُولِّدًا لإنتاج الكهرباء.
• تُوجَّه غازات عادم التوربين الساخنة (عادة 500 درجة مئوية) إلى غلاية، تُنتج بخار مُشبع للاستخدام في المنشأة. كفاءات عالية جدًا متاحة مع هذا النوع من المنشآت. قد تشمل فوائد أخرى إما أمن الإمداد الكهربائي في الموقع، أو القدرة على بيع الكهرباء بعلاوة لشركة الكهرباء الوطنية.

أمن الإمداد

ما هي عواقب عدم توفر البخار للمنشأة؟ الغاز، على سبيل المثال، قد يكون متاحًا بأسعار مُميزة، بشرط قبول إمداد قابل للانقطاع. هذا يعني أن شركة الغاز ستزود بالوقود لديها فائض. ومع ذلك، إذا اقترب الطلب على الوقود من حدود الإمداد، ربما بسبب التغير الموسمي، فقد يُقطع الإمداد، ربما بإشعار قصير جدًا. كبديل، قد يختار مستخدمي الغلاية تحديد مشاعلات وقود مزدوج التي يمكن تشغيلها بالغاز عندما يكون متاحًا بالتعريفة المنخفضة، لكن لديها القدرة على التبديل إلى حرق الزيت عندما لا يكون الغاز متاحًا. القدرة على الوقود المزدوج هي بالطبع خيار رأسمالي أكثر تكلفة، واحتمالية عدم توفر الغاز قد تكون صغيرة. ومع ذلك، تكلفة توقف المنشأة بسبب عدم توفر البخار عادة تكون أكبر بشكل ملحوظ من التكلفة الإضافية.

تخزين الوقود

هذه ليست مشكلة عند استخدام إمداد غاز رئيسي، باستثناء حيث يُستخدم نظام وقود مزدوج. ومع ذلك تصبح تدريجيًا أكثر إشكالية إذا استُخدم غاز مُعبأ، زيوت خفيفة، زيوت ثقيلة ووقود صلب. تشمل المشاكل:

• كم سيُخزَّن، وأين.
• كيفية تخزين المواد القابلة للاحتراق بسلام.
• تكلفة الحفاظ على درجة حرارة الزيوت الثقيلة لتكون بلزوجة مناسبة للمعدات.
• كيفية قياس معدل استهلاك الوقود بدقة.
• اعتبار خسائر التخزين.

تصميم الغلاية

يجب أن يكون مُصنِّع الغلاية على علم بالوقود المُراد استخدامه عند تصميم الغلاية. هذا لأن الوقودات المختلفة تُنتج درجات حرارة لهب مختلفة وخصائص احتراق مختلفة. على سبيل المثال:

• يُنتج الزيت لهب مُتوهج، وجزء كبير من الحرارة يُنقل بالإشعاع داخل الفرن.
• يُنتج الغاز لهبًا أزرق شفافًا، وجزء أقل من الحرارة يُنقل بالإشعاع داخل الفرن. على غلاية مُصمَّمة فقط للاستخدام مع الزيت، تغيير الوقود إلى الغاز قد يُؤدي إلى دخول غازات بدرجة حرارة أعلى إلى الممر الأول للأنابيب الحرارية، مُسببة إجهادًا حراريًا إضافيًا، ومؤدية إلى فشل مبكر في الغلاية.

أنواع الغلايات

أهداف الغلاية هي:

• إطلاق الطاقة في الوقود بأكبر قدر من الكفاءة.
• نقل الطاقة المُطلقة إلى الماء وإنتاج البخار بأكبر قدر من الكفاءة.
• فصل البخار عن الماء جاهزًا للتصدير إلى المنشأة، حيث يمكن نقل الطاقة إلى العملية بأكبر قدر من الكفاءة. طُوِّر عدد من أنواع الغلايات المختلفة لتناسب تطبيقات البخار المتنوعة.