غلايات الغلاف

نظرة عامة على الأنواع المختلفة لغلايات الغلاف مع التخطيطات واعتبارات نقل الحرارة وإطلاق البخار فضلاً عن قيود الضغط والإنتاجية.

يمكن تعريف غلايات الغلاف على أنها تلك الغلايات التي تحتوي جميع أسطح نقل الحرارة داخل غلاف فولاذي. يمكن أيضًا الإشارة إلى غلايات الغلاف بأنها غلايات ‘أنبوب اللهب’ أو ‘أنبوب الدخان’ لأن منتجات الاحتراق تمر عبر أنابيب الغلاية، التي تنقل بدورها الحرارة إلى ماء الغلاية المحيط.

تُستخدم عدة تركيبات مختلفة لتخطيط الأنابيب في غلايات الغلاف، تتضمن عدد المرورات التي ستقوم بها الحرارة من فرن الغلاية بشكل مفيد قبل التصريف. يُوضِّح الشكلان 3.2.1a و3.2.1b تكوين غلاية عياري بمرورتين. يُوضِّح الشكل 3.2.1a غلاية ظهر جاف حيث تُعكس الغازات الساخنة عبر حجرة مُبطَّنة بالنارفيت على الألواح الخارجية للغلاية. يُوضِّح الشكل 3.2.1b طريقة أكثر كفاءة لعكس الغازات الساخنة عبر تكوين غلاية الظهر المبلل. حجرة الانعكاس محتوائية بالكامل داخل الغلاية. هذا يسمح بمساحة نقل حرارة أكبر، فضلاً عن السماح بتسخين ماء الغلاية في المكان الذي تكون فيه حرارة الفرن أكبر - على نهاية جدار الحجرة. من المهم ملاحظة أن غازات الاحتراق يجب تبريدها إلى 420 درجة مئوية على الأقل لغلايات الفولادي العادي و470 درجة مئوية لغلايات الفولاذ السبائكية قبل الدخول إلى حجرة الانعكاس. درجات الحرارة الزائدة عن هذا ستسبب ارتفاع الحرارة وتشقق ألواح نهاية الأنبوب. مُصمِّم الغلاية سيأخذ هذا بعين الاعتبار، وهي نقطة مهمة إذا كانت وقودات مختلفة قيد النظر. طُوِّرت عدة أنواع مختلفة من غلايات الغلاف، وسننظر فيها الآن بمزيد من التفصيل.

غلاية لانكشاير

طوَّر السير ويليام فيربرن غلاية لانكشاير عام 1844 من غلاية كورنيش ذات الممر الواحد لترويذيك. على الرغم من أن بضعة قليلة فقط لا تزال تعمل، إلا أنها كانت منتشرة وكانت سابقة للغلايات المتطورة وعالية الكفاءة المُستخدمة اليوم. تتكون غلاية لانكشاير من غلاف فولاذي كبير يتراوح طوله عادة بين 5 - 9 أمتار يمر عبره أنبوبا فرن كبيرا القطر يُسمَّيان الممرات. كان جزء من كل ممر مُموجًا لاستيعاب التمدد عند تسخين الغلاية، ومنع الانهيار تحت الضغط. يُثبَّت فرن عند مدخل كل ممر، في الطرف الأمامي من الغلاية. عادةً، يُرتَّب الفرن لحرق الفحم، سواء كان يُشغَّل يدويًا أو آليًا. مرَّت منتجات الاحتراق الغازية الساخنة من الفرن عبر الممرات المُموجة كبيرة القطر. نُقلت الحرارة من غازات الممر الساخنة إلى الماء المحيط بهذه الممرات. كانت الغلاية في إعداد بنائي يُرتَّب لتوجيه الغازات الساخنة المنطلقة من الممرات إلى الأسفل وتحت الغلاية، مُنقلة الحرارة عبر قاع غلاف الغلاية، وثانيًا على طول جوانب الغلاية قبل الخروج عبر المدخنة. التقى هذان الممران الجانبيان في مؤخرة الغلاية وغذَّا المدخنة. كانت هذه المرورات محاولة لاستخراج أقصى كمية من الطاقة من الغازات المنتجة الساخنة قبل إطلاقها إلى الغلاف الجوي. لاحقًا، تحسنت الكفاءة بإضافة مُوفِّر حرارة. مرَّ تيار الغاز، بعد المرور الثالث، عبر مُوفِّر الحرارة إلى المدخنة. سخَّن مُوفِّر الحرارة ماء التغذية وأسفر عن تحسين في الكفاءة الحرارية. من عيوب غلاية لانكشاير أن التسخين والتبريد المتكرر للغلاية، مع التمدد والانقباض الناتج، أخل بإعداد البناء والممرات. أدى هذا إلى تسرُّب الهواء، الذي أخل بصيغة الفرن. ستكون هذه الغلايات مكلفة جدًا الآن لإنتاجها، بسبب الكميات الكبيرة من المواد المُستخدمة والعمل المطلوب لبناء الإعداد الآجوري. كان للحجم الكبير وسعة الماء في هذه الغلايات عدد من المزايا المهمة:

• الطلبات المفاجئة الكبيرة للبخار، مثل تشغيل محرك رفع المنجم، يمكن تحمُّلها بسهولة لأن انخفاض ضغط الغلاية الناتج يُطلق كميات وفيرة من بخار الرش من ماء الغلاية المحتفظ عند درجة حرارة الإشباع. قد تكون هذه الغلايات مُشغَّلة يدويًا، وبالتالي سيكون الاستجابة لانخفاض ضغط الغلاية والطلب على مزيد من الوقود بطيئًا.
• الحجم الكبير من الماء يعني أنه على الرغم من أن معدل إنتاج البخار قد يختلف بشكل واسع، كان معدل تغير مستوى الماء بطيئًا نسبيًا. كان التحكم في مستوى الماء مرة أخرى يدويًا، وسيبدأ المشغّل إما مضخة تغذية مياه مُتحركة بالبخار، أو يُعدّل صمام تغذية المياه للحفاظ على مستوى الماء المطلوب.
• إنذار المستوى المنخفض كان ببساطة عوائم ينخفض مع مستوى الماء، ويفتح منفذًا لصافرة بخار عند الوصول إلى مستوى مُحدَّد مسبقًا.
• مساحة سطح الماء الكبيرة بالنسبة لمعدل إنتاج البخار تعني أن معدل إطلاق البخار من السطح (مُعبَّر عنه بالكيلوغرام لكل متر مربع) كان منخفضًا. هذه السرعة المنخفضة تعني أنه حتى مع ماء يحتوي على تركيزات عالية من المواد المذابة الكلية (TDS)، كانت هناك فرصة كافية لفصل جزيئات البخار والماء وتزويد المنشأة ببخار جاف. مع تطور أنظمة التحكم والمواد وتقنيات التصنيع لتصبح أكثر تطورًا وموثوقية وفعالية من حيث التكلفة، تغيَّر تصميم منشأة الغلاية.

الغلاية الاقتصادية (مرورتان، ظهر جاف)

كانت الغلاية الاقتصادية بمرورتين بنحو نصف حجم غلاية لانكشاير المكافئة فقط ولها كفاءة حرارية أعلى. كان لديها غلاف أسطواني خارجي يحتوي على ممرَّي فرن مُموجَين كبيرَي القطر يعملان كحجرات احتراق رئيسية. مرَّت غازات الممر الساخنة من ممرَّي الفرن في مؤخرة الغلاية إلى إعداد بنائي (ظهر جاف) وانعكست عبر عدد من الأنابيب صغيرة القطر المُرتَّبة فوق ممرَّي الفرن كبيرَي القطر. قدمت هذه الأنابيب الصغيرة القطر مساحة تسخين كبيرة للماء. خرجت غازات الممر من الغلاية في الأمام إلى مروحة سحب إجباري، التي نقلتها إلى المدخنة.

الغلاية الاقتصادية (ثلاث مرورات، ظهر مبلل)

مزيد من تطوير الغلاية الاقتصادية كان إنشاء غلاية ثلاث مرورات بظهر مبلل وهو تكوين معياري مُستخدم اليوم، (انظر الشكل 3.2.4). طوَّر هذا التصميم مع تقدم المواد وتقنية التصنيع: أُدخلت أنابيب معدنية أرفع مما سمح باستيعاب أنابيب أكثر، وتحسين معدلات نقل الحرارة، وجعل الغلايات نفسها أكثر إحكامًا. يُوضِّح الجدول 3.2.3 بيانات نقل الحرارة النموذجية لغلاية اقتصادية ثلاثية المرورات بظهر مبلل.

الغلاية المُجمَّعة

في أوائل الخمسينيات، رعت وزارة الوقود والطاقة البريطانية أبحاثًا لتحسين منشأة الغلاية. كان نتيجة هذا البحث الغلاية المُجمَّعة، الناتجة عن مزيد من التطوير على الغلاية الاقتصادية ثلاثية المرورات بظهر مبلل. في الغالب، صُمِّمت هذه الغلايات لاستخدام النفط بدلاً من الفحم. تُسمَّى الغلاية المُجمَّعة بهذا الاسم لأنها تأتي كحزمة كاملة مع المشعل وتحكمات المستوى ومضخة التغذية وجميع تجهيزات وحوامل الغلاية اللازمة. بمجرد توصيلها إلى الموقع لا يتطلب سوى أنابيب البخار والمياه والتفريغ، و إمداد الوقود والوصلات الكهربائية لتصبح قيد التشغيل. كان للتطوير أيضًا تأثير كبير على الحجم المادي للغلايات لإنتاجية معينة:

• أراد المُصنِّعون جعل الغلايات صغيرة قدر الإمكان للتوفير في المواد وبالتالي الحفاظ على تنافسية منتجاتهم.
• تُعزَّز الكفاءة بجعل الغلاية صغيرة قدر ما هو عملي؛ كلما كانت الغلاية أصغر وأقل مساحة سطح، قلَّت الحرارة المفقودة إلى البيئة. إلى حد ما، الوعي العالمي بضرورة العزل، والأداء العالي لمواد العزل الحديثة، يُقلل من هذه المشكلة.
• أراد المستهلكون الغلايات صغيرة قدر الإمكان لتقليل مساحة الأرضية اللازمة لبيت الغلايات، وبالتالي زيادة المساحة المتاحة لأغراض أخرى.
• الغلايات ذات الأبعاد الأصغر (لنفس إنتاج البخار) تميل إلى انخفاض تكلفة رأس المال. يُوضِّح الجدول 3.2.4 هذا以及其他 العوامل.

الإطلاق الحجمي للحرارة (kW/m3)

يُحسب هذا العامل بقسمة مدخلات الحرارة الكلية على حجم الماء في الغلاية. يربط فعليًا كمية البخار المُطلَّق تحت الحمولة القصوى بكمية الماء في الغلاية. كلما انخفض هذا الرقم، زادت كمية الطاقة المخزنة في الغلاية. لاحظ أن الرقم لغلاية حديثة مقارنة بغلاية لانكشاير، أكبر بعامل ثمانية تقريبًا، مُشيرًا إلى انخفاض في الطاقة المخزنة بمقدار مماثل. هذا يعني أن كمية أقل من الطاقة المخزنة متاحة في غلاية حديثة. أصبح هذا التطوير ممكنًا بفضل أنظمة التحكم التي تستجيب بسرعة وبإجراءات مناسبة لحماية الغلاية وتلبية الطلب.

معدل إطلاق البخار (kg/m2s)

يُحسب هذا العامل بقسمة كمية البخار المُنتَج في الثانية على مساحة مستوى الماء. كلما انخفض هذا الرقم، زادت الفرصة لفصل جزيئات الماء عن البخار وإنتاج بخار جاف. لاحظ أن رقم الغلاية الحديثة أكبر بعامل ثلاثة تقريبًا. هذا يعني أن هناك فرصة أقل لفصل البخار وقطرات الماء. يزداد هذا سوءًا بشكل كبير مع الماء ذو مستوى TDS المرتفع، والتحكم الدقيق ضروري للكفاءة وإنتاج بخار جاف. في أوقات زيادة الحمل السريعة، ستختبر الغلاية انخفاضًا في الضغط، الذي يعني بدوره أن كثافة البخار تنخفض، وتحدث معدلات إطلاق بخار أعلى، ويُصدَّر بخار أكثر رطوبة تدريجيًا من الغلاية.

غلايات أربع مرورات

الوحدات ذات الأربع مرورات هي الأكثر كفاءة حرارية بشكل محتمل، لكن نوع الوقود وظروف التشغيل قد تمنع استخدامها. عند تشغيل هذا النوع من الوحدات عند طلب منخفض بوقود ثقيل أو فحم، يمكن أن يكون نقل الحرارة من غازات الاحتراق كبيرًا جدًا. نتيجة لذلك، يمكن لدرجة حرارة غاز الممر الخارج أن تنخفض عن نقطة الندى الحمضية، مُسببة تآكل الممرات والمخربة وربما الغلاية نفسها. تتعرض وحدة الغلاية ذات الأربع مرورات أيضًا إلى إجهاد حراري أعلى، خاصة إذا حدثت تقلبات حمل كبيرة فجأة؛ يمكن أن تؤدي هذه إلى شقوق إجهاد أو أعطال داخل هيكل الغلاية. لهذه الأسباب، غلايات الأربع مرورات غير شائعة.

غلاية اللهب المعكوس/غلاية الإصبع

هذا تنويع على تصميم الغلاية التقليدي. حجرة الاحتراق على شكل إصبع، ويُشعل المشعل عبر المركز. يتضاعف اللهب على نفسه داخل حجرة الاحتراق ليصل إلى مقدمة الغلاية. أنابيب الدخان تُحيط بالإصبع وتنقل غازات الممر إلى مؤخرة الغلاية والمخربة.

قيود الضغط والإنتاجية لغلايات الغلاف

الإجهادات التي قد تُفرض على الغلاية محدودة بالمعايير الوطنية. أقصى إجهاد سيحدث حول محيط الأسطوانة. يُسمى هذا إجهاد ‘الحزام’ أو ‘المحيطي’. يمكن حساب قيمة هذا الإجهاد باستخدام المعادلة 3.2.1: من هذا يمكن استنتاج أن إجهاد الحزام يزداد مع زيادة القطر. للتعويض عن هذا سيستخدم مُصنِّع الغلاية لوحًا أسمك. ومع ذلك، هذا اللوح الأسمك أصعب في اللف وقد يحتاج إلى تخفيف الإجهاد عند سماكة لوح تتجاوز 32 ملم. من المشاكل في تصنيع الغلاية لف لوح الغلاف. مكابس صانعي الغلايات، كما هو موضح في الأشكال 3.2.7 و3.2.8، لا تستطيع تقويس أطراف اللوح وبالتالي ستترك جزءًا مسطحًا:

• يُعدَّل المكبس A إلى الأسفل لتقليل نصف قطر الانحناء.
• المكابس B وC مُحرَّكة بمحرك لسحب اللوح عبر المكابس.
• لا تستطيع المكابس تقويس أطراف اللوح. عند لحام الألواح معًا وضغط الغلاية، سيأخذ الغلاف مقطعًا دائريًا. عند إيقاف الغلاية، ستعود الألواح إلى شكلها ‘كما لُفَّ’. هذا التدوير يمكن أن يسبب شقوق إجهاد تحدث على مسافة ما من لحامات الغلاف. هذا مصدر قلق لمنفشي الغلايات الذين يطلبون بشكل دوري إزالة جميع لواحق الغلاية ثم يستخدمون قالبًا لتحديد دقة انحناء غلاف الغلاية. من الواضح، أن هذه المشكلة أكثر أهمية على الغلايات التي تختبر الكثير من التدوير، مثل الإيقاف كل ليلة ثم إعادة التشغيل كل صباح.

قيود الضغط

نقل الحرارة عبر أنابيب الفرن يكون بالتوصيل. من الطبيعي أن اللوح السميك لا ينقل الحرارة بسرعة اللوح الرقيق. اللوح الأسمك أيضًا قادر على تحمل قوة أكبر. هذا مهم بشكل خاص في أنابيب الفرن حيث يمكن لدرجة حرارة اللهب أن تصل إلى 1800 درجة مئوية، ويجب تحقيق توازن بين:

• لوح أسمك، لديه القوة الهيكلية لتحمل القوى المُولَّدة بالضغط داخل الغلاية.
• لوح أرفع، لديه القدرة على نقل الحرارة بشكل أسرع. المعادلة التي تربط سماكة اللوح بالقوة الهيكلية هي المعادلة 3.2.1: تُوضِّح المعادلة 3.2.1 أنه كلما قلَّت سماكة اللوح، زاد الإجهاد لنفس ضغط الغلاية. المعادلة التي تربط سماكة اللوح بنقل الحرارة هي المعادلة 2.5.1: تُوضِّح المعادلة 2.5.1 أنه كلما قلَّت سماكة اللوح، زاد نقل الحرارة. بتحويل كلتا المعادلتين لتعكس سماكة اللوح. لأي غلاية، إذا زادت معدل نقل الحرارة، ينخفض الحد الأقصى المسموح لضغط الغلاية. يُحقق تسوية مع سماكة جدار أنبوب الفرن بين 18 ملم و20 ملم. هذا يترجم إلى حد ضغط عملي لغلايات الغلاف يبلغ حوالي 27 بار.

قيود الإنتاجية

تُصنَّع غلايات الغلاف كوحدات مُجمَّعة مع جميع المعدات المساعدة المُثبَّتة في مكانها. بعد التصنيع، يجب نقل الغلاية المُجمَّعة إلى الموقع وأكبر غلاية يمكن نقلها بالطرق في المملكة المتحدة لها إنتاجية حوالي 27,000 كجم/ساعة. إذا طُلب أكثر من 27,000 كجم/ساعة، تُستخدم منشآت غلايات متعددة. ومع ذلك، هذا يوفر ميزة تحسين أمان الإمداد وتحسين قدرة التخفيض في المنشأة.

ملخص

غلاية الغلاف عالية الكفاءة والاستجابة اليوم هي نتيجة أكثر من 150 سنة من التطوير في:

• تصميم الغلاية والمشعل.
• علم المواد.
• تقنيات تصنيع الغلايات.
• أنظمة التحكم. لضمان تشغيلها الناجح وعالي الكفاءة، يجب على المستخدم:
• معرفة الظروف والبيئة وخصائص الطلب في المنشأة، وتحديد هذه الظروف بدقة لمُصنِّع الغلاية.
• توفير تخطيط وتركيب بيت غلايات يُعزز التشغيل والصيانة الجيدين.
• اختيار أنظمة التحكم التي تسمح للغلاية بالعمل بأمان وكفاءة.
• اختيار أنظمة التحكم التي ستدعم الغلاية في تزويد المنشأة ببخار جاف عند الضغوط ومعدلات التدفق المطلوبة.
• تحديد الوقود المُستخدم وإذا لزم الأمر، أين وكيف يُخزَّن احتياطي الوقود بأمان. مزايا غلايات الغلاف:
• يمكن شراء المنشأة بأكملها كحزمة كاملة، تحتاج فقط للتثبيت على أساسات أساسية، والتوصيل بالمياه والكهرباء والوقود وأنظمة البخار قبل التشغيل. هذا يعني أن تكاليف التركيب مُصغَّرة.
• ترتيب الحزمة هذا يعني أيضًا أنه من البسيط إعادة توطين غلاية غلاف مُجمَّعة.
• تحتوي غلاية الغلاف على كمية كبيرة من الماء عند درجة حرارة الإشباع، وبالتالي لديها كمية كبيرة من الطاقة المخزنة التي يمكن الاعتماد عليها للتعامل مع الحمولات المُطبَّقة سريعًا على المدى القصير. يمكن أن يكون هذا عيبًا أيضًا لأنه عند استخدام الطاقة في الماء المخزن، قد يستغرق بعض الوقت قبل إعادة بناء الاحتياطي.
• بناء غلاية الغلاف هو بشكل عام مباشر، مما يعني أن الصيانة بسيطة.
• غالبًا ما يكون لدى غلايات الغلاف أنبوب فرن واحد ومشعل واحد. هذا يعني أن أنظمة التحكم بسيطة نسبيًا.
• على الرغم من أن غلايات الغلاف يمكن تصميمها وبناؤها للعمل حتى 27 بار، إلا أن الغالبية تعمل عند 17 بار أو أقل. هذا الضغط المنخفض نسبيًا يعني أن المعدات المساعدة المُرتبطة متاحة بسهولة بأسعار تنافسية. عيوب غلايات الغلاف: مبدأ الحزمة يعني أن حوالي 27,000 كجم/ساعة هو الحد الأقصى لإنتاج غلاية الغلاف. إذا طُلب مزيد من البخار، يجب ربط عدة غلايات معًا. الأسطوانات كبيرة القطر المُستخدمة في بناء غلايات الغلاف تُحد فعليًا من ضغط تشغيلها إلى حوالي 27 بار. إذا احتاجت ضغوط أعلى، تُطلب غلاية أنبوب مائي.