مُخزِّنات البخار

نظرة شاملة على الحاجة إلى تخزين البخار لتلبية طلبات الأحمال القصوى في صناعات محددة، بما في ذلك تصميم وبناء وتشغيل مُخزِّنة البخار، مع الحسابات.

الغرض من مُخزِّنة البخار هو إطلاق البخار عندما يكون الطلب أكبر من قدرة الغلاية على الإمداد في ذلك الوقت، واستقبال البخار عندما يكون الطلب منخفضًا. تُعتبر مُخزِّنات البخار أحيانًا بقايا “عصر البخار” بقليل من التطبيقات في الصناعة الحديثة.

تصميم الغلايات

الغلايات المعاصرة أصغر بكثير من مثيلاتها منذ 30 عامًا فقط. هذا التقلص في حجم الغلاية ناتج عن المستخدمين، الذين يطالبون بأن تكون الغلايات:

• أكثر كفاءة من حيث مدخلات الوقود إلى مخرجات البخار.
• أكثر استجابة للتغيرات في الطلب.
• أصغر، وأقل مساحة أرضية.
• أرخص في الشراء والتركيب. تم تلبية هذه الأهداف جزئيًا من خلال مُتحكّمات/حرائق أكثر تطورًا اليوم تستجيب بشكل أسرع وأدق للتغيرات في الطلب مقارنة بسنوات مضت. ومع ذلك، تتأثر استجابة الغلاية للتغيرات في الطلب أيضًا بقوانين الطبيعة، على سبيل المثال: كمية الماء المُراد تسخينه ومساحة نقل الحرارة المتاحة لنقل تلك الحرارة من لهب الحريق إلى الماء. تم تحسين أوقات الاستجابة عن طريق تقليل الأبعاد الخارجية للغلاية جسديًا لأي إخراج معين، وحشو الداخل بالأنابيب لزيادة مساحة نقل الحرارة. هذا يعني أن الغلاية الحديثة تحتفظ بكمية ماء أقل، ومساحة نقل الحرارة لكل كجم ماء أكبر. ضع في اعتبارك الوضع اليوم:

1. يزداد طلب البخار من المنشآت، وينخفض الضغط في الغلاية إلى نقطة تعيين مُتحكّم الحريق.
2. يُنظّف مُتحكّم الحريق غرفة الاحتراق، ويُشعل الحريق.
3. مساحة نقل الحرارة الكبيرة وكتلة الماء الأقل يجمعان لإبخار الماء بسرعة في الغلاية لتلبية الطلب على البخار. كما هو مُغطَّى في الوحدة 3.7، ‘تجهيزات ومُلحقات الغلاية’، الطاقة المُخزَّنة في الغلاية موجودة في الماء المُحتفَّز بدرجة حرارة التشبع. كلما زادت كمية الماء داخل الغلاية، زادت كمية الطاقة المُخزَّنة للتعامل مع التغيرات في الطلب/الحمل. يقارن الجدول 3.22.1 بين غلاية لانكشاير قديمة من الخمسينيات وغلاية حديثة مُعلَّبة. لاحظ أن الغلاية المُعلَّبة الحديثة تحتوي على 20% فقط من الماء الموجود في غلاية لانكشاير مُصنَّفة بنفس الطاقة. من هنا يتبع أن احتياطي الطاقة المُحتفَّز في الغلاية المُعلَّبة الحديثة هو 20% فقط من غلاية لانكشاير. هذا يُشير إلى أن الغلاية المُعلَّبة الحديثة لا تستطيع التعامل مع الطلب القصوى بنفس الطريقة التي كانت تستطيعها غلاية لانكشاير القديمة. لاحظ أيضًا من الجدول 3.22.1 أن “معدل إطلاق البخار” من سطح الماء داخل الغلاية المُعلَّبة الحديثة ارتفع بعامل 2.7. هذا يعني أن البخار لديه 1/2.7 (40%) فقط من الوقت المتاح في غلاية لانكشاير للفصل عن الماء. في أوقات الطلب القصوى قد يعني هذا أن بخارًا مبللاً يُصدَّر من الغلاية المُعلَّبة الحديثة، وربما بضغط أقل من الضغط المُصمَّمة للعمل به - مُغطَّى في الوحدة 3.12 ‘التحكم في TDS في ماء الغلاية’. الماء المُحمَّل مع البخار سيكون متسخًا (حوالي 3000 ppm TDS)، وسيُلوّث صمامات التحكم وأسطح نقل الحرارة. قد يُعيق حتى بعض الفوهات الأصغر في أجهزة استشعار الضغط، وفواصص البخار وما إلى ذلك. ملاحظة: المعلومات لإنشاء الجدول 3.22.1 مُقدَّمة من Thermsave. الوحدات الإمبراطورية موضحة أيضًا في الجدول لتقديم نظرة على العوامل المُطبَّقة في تصميم الغلايات في الماضي.

الطلب القصوى

طلبات البخار على أي منشآت معالجة نادرًا ما تكون ثابتة، لكن حجم ونوع التقلبات يعتمد على التطبيق والصناعة. قد تحدث القمم مرة في الأسبوع أو حتى مرة في اليوم أثناء التشغيل. أكبر المشاكل الناتجة عن الطلب القصوى مرتبطة عادةً بصناعات المعالجة الدفعية:

• التخمير.
• النسيج.
• التنظيف الجاف.
• التعبئة.
• مُصنِّعو كتل الخرسانة الخفيفة.
• مناطق متخصصة من صناعة صنع الصلب.
• صناعات المطاط ذات الأوتوكلافات الكبيرة. لهذه العمليات قد تكون القمم ثقيلة وطويلة الأجل، وتُقاس بأجزاء من الساعة. بدلاً من ذلك، يمكن أن تتكون دورات الحمل من قمم قصيرة الأجل متكررة بمدة قصيرة لكن بمعدل تدفق آني مرتفع جدًا:
• تشطيب الجوارب.
• المطاط.
• تشكيل البلاستيك والستيرين.
• تقشير البخار.
• التعقيم في المستشفيات والمنشآت الصناعية. الشكل 3.22.1 يُظهر أن في كل حالة تكون الطلبات شبه فورية والقمم أعلى بكثير من الحمل المتوسط. نتيجة الطلب المفاجئ على منشأة الغلاية هو انخفاض في الضغط في الغلاية، لأن الغلاية ومعدات الاحتراق المرتبطة بها لا تستطيع توليد البخار بالمعدل الذي يُسحب فيه. الطلب القصوى وانخفاضات الضغط اللاحقة قد يكون لها عواقب خطيرة على إنتاج المصنع. في أسوأ الحالات، النتيجة هي “قفل” الغلاية، بسبب ارتفاع مستوى الماء الناتج عن الغليان السريع، متبوعًا بانهياره. يُرى هذا كإنذار مستوى ماء منخفض من أجهزة التحكم بالمستوى. في أفضل الحالات، البخار المُنتَج مبلل ومُلوَّث. هذا، مع انخفاض الضغط، يمكن أن يُؤدي إلى:
• زيادة أوقات المعالجة.
• تقليل جودة المنتج أو حتى تلف أو فقدان المنتج.
• مطرقة الماء في خطوط البخار الرئيسية مُسببة ضيقًا للأنابيب والتجهيزات، وخطر محتمل على الأفراد. لمنشأة الغلاية، الطلب القصوى مسؤول عن:
• مستوى أعلى من الصيانة.
• تقليل عمر الغلاية.
• تقليل كفاءة الوقود. هذا لأن معدات الاحتراق تدور باستمرار من حريق منخفض إلى مرتفع، وتُغلق حتى خلال فترات الطلب المنخفض جدًا، فقط لتعمل مرة أخرى بعد بضع دقائق، مع جميع تأثيرات التبريد قبل وبعد التنظيف. قد تُستخدم غلايات متعددة أو كبيرة الحجم في محاولة للتعامل مع الطلب القصوى (والانخفاضات اللاحقة في الطلب) والتي تُؤدي حتمًا إلى كفاءات منخفضة. لتوضيح هذه النقطة، يمكن افتراض أن:
• لمتوسط غلاية بخار، أقل من 1% من الخسائر ناتجة عن الإشعاع الحراري من غلاف الغلاية (مثلاً: 1% من التصنيف المستمر الأقصى (MCR) للغلاية).
• إذا كانت الغلاية تُنتج 50% من MCR، تكون الخسائر الناتجة عن الإشعاع 2% نسبةً لمعدل إنتاجها.
• إذا كانت الغلاية تُنتج 25% من MCR تكون الخسائر 4% من معدل إنتاجها. وهكذا، حتى يتم فقط الحفاظ على ضغط الغلاية دون تصدير أي بخار إلى المصنع. عند هذه النقطة، 1% من MCR هو خسارة 100% نسبةً لمعدل إنتاج البخار. إذا رُكِّبت منشأة الغلاية لذروات الأحمال، تظهر مشاكل بسبب التحديد الكبير نسبيًا لمتوسط الطلب. في الممارسة العملية، قد تُغلق الغلاية خلال فترة الطلب المنخفض. إذا تبع ذلك ارتفاع مفاجئ في الطلب والغلاية لا تعمل، قد تحدث حالة إنذار. ستُصدر إنذارات، قد تُقفل الغلاية وسيكون استرداد البخار بطيئًا وشاقًا. باختصار، القمم مسؤولة عن:
• فقدان الإنتاج.
• تقليل جودة المنتج.
• زيادة أوقات الإنتاج.
• بخار منخفض الجودة من الغلاية.
• كفاءة وقود منخفضة.
• تكاليف صيانة عالية.
• تقليل عمر الغلاية.

تقنيات تسوية الأحمال

الغلايات الحديثة فعالة جدًا عندما تكون محملة بشكل صحيح وتستجيب بسرعة لزيادات الأحمال، بشرط أن تكون الغلاية تعمل. ومع ذلك، لا تستطيع الغلايات الأنبوبية التقليدية عمومًا تلبية الطلب القصوى الكبير بشكل مُرضٍ ويجب حمايتها من الأحمال الكبيرة المتقلبة. تُستخدم طرق مختلفة في محاولة لإنشاء نمط حمل مستقر لحماية منشأة الغلاية من تأثيرات الأحمال الكبيرة المتقلبة.

الطرق الهندسية:

يمكن استخدام صمامات الحفاظ على الضغط (تُسمى أيضًا صمامات الفائض) كأجهزة لخفض الحمولة عن طريق عزل الأجزاء غير الضرورية من المنشآت وإعطاء الأولوية للمنشآت الضرورية، يوضَّح الترتيب النموذجي في الشكل 3.22.2. نجاح هذه الطريقة يعتمد مرة أخرى على شدة القمم وافتراض أن الغلاية تعمل عند تطور الذروة. يمكن أيضًا تركيب صمامات الفائض مباشرة على الغلاية أو على خط البخار الرئيسي إلى المصنع، كما هو موضح في الشكل 3.22.3. يجب أن يكون ضغط التعيين:

• أقل من ضغط تحكم “الحريق المرتفع”، لمنع أي تعارض بين مُتحكّم الفائض ومُتحكّمات الحريق.
• مرتفعًا بما يكفي للحفاظ على ضغط آمن في الغلاية. من حيث تحديد حجم صمام الفائض، المتطلب هو الحد الأدنى من انخفاض الضغط. كمؤشر عام، يجب التفكير في صمام بحجم الخط. مُتحكّم مستوى الماء ثنائي أو ثلاثي العناصر. يمكن أن تكون ناجحة بشرط أن لا تكون القمم عنيفة والغلاية تعمل عند تطور الذروة؛ يجب أن يكون لدى الغلاية أيضًا سعة كافية. المُتحكّم ثنائي العناصر يستخدم مدخلات من مُتحكّمات مستوى ماء الغلاية ومعدل تدفق البخار لتحديد موضع صمام مُتحكّم ماء التغذية. المُتحكّم ثلاثي العناصر يستخدم العناصر أعلاه بالإضافة إلى مدخل من جهاز قياس تدفق ماء التغذية للتحكم في معدل تدفق ماء التغذية الداخل، بدلاً من مجرد موضع صمام مُتحكّم ماء التغذية. (هذا العنصر الثالث مناسب فقط للغلايات التي تستخدم مُتحكّم مستوى مُعدِّل في بيوت غلايات بحلقة رئيسية لماء التغذية.) مثال 3.22.1 غلاية مُصنَّفة بـ 5000 كجم/ساعة ‘من وعند’ إعدادات ضغط الحريق المرتفع/المنخفض هي 11.3/12.0 بار g على التوالي (12.3/13.0 بار a). تعيين صمام الفائض هو 11.0 بار g (12.0 بار a).

1. بناءً على سرعة حوالي 25 م/ث، يُختار خط بخار رئيسي 100 مم.
2. Kvs لصمام مُتحكّم فائض DN100 قياسي هو 160 م3/ساعة
3. باستخدام معادلة تدفق الكتلة التالية للبخار المشبع يمكن حساب الضغط بعد صمام الفائض (P2): في هذا المثال، عند الحريق المنخفض، يُعطى ضغط الغلاية 12 بار g (13 بار a). يمكن حسابه من المعادلة 3.21.2 أن الضغط بعد صمام الفائض المفتوح بالكامل هو 11.89 بار g (12.89 بار a). وبالتالي، يكون انخفاض الضغط صغيرًا (0.11 بار) ولن يكون ملحوظًا في التشغيل العادي. ومع ذلك، إذا انخفض الضغط إلى 11.0 بار g، سيبدأ صمام الفائض بالإغلاق للحفاظ على ضغط المنبع. النطاق النسبي على المُتحكّم يجب ضبطه بأضيق نطاق ممكن دون أن يُسبّب الصمام “بحثًا” حول نقطة التعيين. كلا الطريقتين لتطبيق صمامات الحفاظ على الضغط قد تقدم حماية لمنشأة الغلاية، لكنها لن تتغلب على المتطلب الأساسي من مزيد من البخار للعملية.

طرق الإدارة

تشمل هذه، على سبيل المثال، بدء متتالي للعمليات للحفاظ على أحمال الذروة بأدنى مستوى ممكن. طريقة تسوية القمم هذه يمكن أن تفيد منشأة الغلاية لكن قد تكون ضارة ومُقيِّدة للإنتاج، لها نفس تأثير صمام الحفاظ على الضغط إلى حد كبير. ومع ذلك، من المستحيل تسوية القمم القصيرة الأجل باستخدام طرق الإدارة فقط. في مصنع تفرض فيه العديد من العمليات الفردية مثل هذه القمم، يمكن أن يكون لهذا تأثير تسوية على الحمل، لكن بالقدر نفسه، من الممكن أيضًا أن تصل القمم للعديد من العمليات الفردية في وقت واحد، مع آثار كارثية. إذا لم توفر الطرق أعلاه الاستقرار المطلوب في الطلب، فقد حان الوقت للتفكير في وسيلة لتخزين البخار.

مُخزِّنة البخار

الوسيلة الأكثر ملاءمة لتوفير بخار جاف نظيف بشكل فوري، لتلبية الطلب القصوى هي استخدام طريقة لتخزين البخار بحيث يمكن “إطلاقه” عند الحاجة. تخزين البخار كغاز تحت ضغط ليس عمليًا بسبب حجم التخزين الهائل المطلوب عند ضغوط الغلاية العادية. يُوضَّح هذا بشكل أفضل في مثال: في المثال المُستخدم لاحقًا في هذه الوحدة، يُستخدَم وعاء بحجم 52.4 م3.

• ضغط الشحن هو 10 بار g (حجم نوعي = 0.177 م3/كجم).
• ضغط التفريغ هو 5 بار g (حجم نوعي = 0.315 م3/كجم). بناءً على هذه المعلمات، الطاقة الناتجة المُخزَّنة والجاهزة للإطلاق الفوري إلى المنشآت موجودة في 130 كجم من البخار. هذا يُعادل 5.2% فقط من الطاقة المُخزَّنة والجاهزة للاستخدام، مقارنة بمُخزِّنة مملوءة بالماء. في الممارسة العملية هناك طريقتان لتوليد البخار:
• بإضافة حرارة إلى الماء المغلي، بشكل غير مباشر عبر أنبوب احتراق وحريق، كما في غلاية تقليدية.
• بخفض الضغط على الماء المُخزَّن عند درجة حرارة تشبعه. هذا يُؤدي إلى فائض من الطاقة في الماء، مما يُسبب تحول نسبة من الماء إلى بخار. هذه الظاهرة تُعرف بـ “التوميض”، والمعدات المُستخدمة لتخزين الماء المضغوط تُسمى مُخزِّنة البخار. هناك، من حيث المبدأ، نوعان من الأنظمة المتاحة لتخزين البخار؛ مُخزِّنة انخفاض الضغط ومُخزِّنة الضغط الثابت. تنظر هذه الوحدة في النوع الأول فقط. مُخزِّنة البخار هي، في جوهرها، امتداد لسعة تخزين الطاقة للغلاية (الغلايات). عندما يكون طلب البخار من المنشآت منخفضًا، والغلاية قادرة على توليد مزيد من البخار المطلوب، يُحقَّن البخار الفائض في كتلة من الماء المُخزَّن تحت الضغط. عبر فترة زمنية ستزداد درجة حرارة محتوى الماء المُخزَّن وضغطه حتى تصل أخيرًا إلى درجة حرارة التشبع للضغط الذي تعمل به الغلاية. سيتجاوز الطلب قدرة الغلاية عندما:
• يُطبَّق حمل أسرع من قدرة الغلاية على الاستجابة - مثلاً، قد تُطفأ الحريقات ويجب إكمال دورة تنظيف قبل أن يمكن إشعال الحريق بأمان. قد يستغرق هذا حتى 5 دقائق، وبدلًا من إضافة حرارة إلى الغلاية، ستُسبّب دورة التنظيف تأثير تبريد خفيف على الماء في الغلاية. أضف إلى هذا حقيقة أن توميض ماء الغلاية سيُسبب انخفاضًا في مستوى الماء، ونظام مُتحكّم مستوى الغلاية سيُعوّض تلقائيًا بإحضار ماء تغذية عند، مثلاً، 90 درجة مئوية. سيكون لهذا تأثير إخماد على الماء الموجود بالفعل عند درجة حرارة التشبع، وسيُفاقم الوضع.
• يحدث طلب ثقيل عبر فترة أطول من المعتاد. في كلا الحالتين، النتيجة هي انخفاض في الضغط داخل مُخزِّنة البخار، وبسبب هذا سيتوميض بعض الماء الساخن إلى بخار. المعدل الذي يتوميض به الماء إلى بخار هو دالة لضغط التخزين، ومعدل الحاجة إلى البخار من النظام المُغذَّى. الشحن تتكون مُخزِّنة البخار ذات انخفاض الضغط من وعاء أسطواني مضغوط مملوء جزئيًا بالماء، عند نقطة بين 50% و 90% ممتلئة حسب التطبيق. يُحقَّن البخار تحت سطح الماء بواسطة توزيع مُجمَّع، مُجهَّز بسلسلة من حاقنات البخار، حتى يصبح كل محتوى الماء عند الضغط ودرجة الحرارة المطلوبين. من الطبيعي أن يرتفع وينخفض مستوى الماء أثناء الشحن والتفريغ. إذا شُحنت مُخزِّنة البخار باستخدام بخار مشبع (أو مبلل)، قد يكون هناك ربح صغير في الماء بسبب خسائر الإشعاع من الوعاء. عادةً، يُطلَّق كتلة بخار أكبر قليلًا مما يُستقبل. تُثبَّت فاصلة بخار (نوع طافية كروية) عند مستوى العمل وتُعمل كمُحدد مستوى، مُفرغة كمية صغيرة من الماء الفائض إلى نظام إرجاع المكثف. ومع ذلك، إذا شُحنت مُخزِّنة البخار باستخدام بخار مُسخَّن زائدًا، أو كانت خسائر الإشعاع صغيرة جدًا، سيكون هناك فقدان تدريجي للماء بسبب التبخر، ويُحتاج صمام تغذية أو مضخة، تحت مُتحكّم مكاشافات المستوى، لتعويض النقص. التفريغ مع حدوث انخفاض في الضغط في مُخزِّنة البخار مع الماء المُخزَّن عند درجة حرارة التشبع، سيتوميض البخار بالمعدل المطلوب من أي حمل يتجاوز سعة الغلاية؛ وبالتالي ستُلبَّى حالة الحمل الزائد. عندما يُتبع الحمل الزائد بطلب أقل من سعة الغلاية تُشحن مُخزِّنة البخار باستخدام البخار الفائض من الغلاية. هذه دورة الشحن والتفريغ تُفسر اسم “مُخزِّنة البخار” وتسمح للغلاية باستمرار بالعمل حتى تصنيفها المستمر الأقصى. دورة الشحن/التفريغ تحتاج المُخزِّنة إلى أن تكون مشحونة بالكامل في بداية فترة تفريغها، لتعمل بشكل صحيح. للسماح بذلك، يجب تلبية حدثين رئيسيين:

1. يجب أن يكون هناك وقت كافٍ من نهاية فترة حمل زائد إلى بداية التالية، لإعادة شحن الماء المُخزَّن في المُخزِّنة.
2. يجب أن يكون متوسط طلب البخار خارج الحمل أقل من سعة الغلاية (التصنيف المستمر الأقصى أو MCR)، بحيث تكون سعة الغلاية الفائضة كافية لإعادة شحن الماء المُخزَّن في المُخزِّنة خلال أوقات خارج الذروة. معايير أخرى مهمة أيضًا لضمان أن المُخزِّنة لديها سعة كافية، ويجب تلبيتها بالتصميم:
3. يجب تخزين ماء كافٍ لتوفير كمية البخار المُومض المطلوبة خلال فترة التفريغ. يمكن تلبية هذا بضمان أن حجم المُخزِّنة كبير بما يكفي.
4. معدلات إطلاق البخار المرتفعة ستُنتج بخارًا مبللًا. السرعة ومعدل التدفق الذي يُطلَّق به البخار المُومض من سطح الماء يجب أن يكونا أقل من قيمة مُحددة مسبقًا. يمكن تلبية هذا بضمان أن مساحة سطح الماء كبيرة بما يكفي، وهذا بدوره يعتمد على حجم المُخزِّنة.
5. يجب أن تكون سعة التبخر كافية. هذا يعتمد على الضغط الذي يُخزَّن فيه الماء عند الشحن الكامل (ضغط الغلاية) وضغط التشغيل الأدنى للمُخزِّنة في نهاية فترة التفريغ (ضغط تصميم المُخزِّنة). كلما زاد الفرق بين هذين الضغطين زاد إنتاج البخار المُومض.
6. يجب أن يكون ضغط تصميم المُخزِّنة أعلى من ضغط التوزيع المصب. هذا ضروري لإنشاء فرق ضغط عبر صمام خفض الضغط المصب (PRV)، للسماح بالتدفق المطلوب من المُخزِّنة إلى المنشآت. كلما اقترب ضغط المُخزِّنة من ضغط التوزيع صغرت المُخزِّنة لكن هذا يُعطي أيضًا فرق ضغط أصغر عبر PRV. هذا يتطلب PRV أكبر؛ كبير بما يكفي لتمرير أقصى طلب حمل زائد عندما تكون المُخزِّنة عند ضغط تصميمها (الحد الأدنى من الضغط في المُخزِّنة في نهاية فترة التفريغ).

تحديد حجم مُخزِّنة البخار

مُخزِّنة البخار في نظام البخار تُعطي سعة تخزين متزايدة. التصميم الصحيح لمُخزِّنة البخار يضمن التعامل مع أي معدل تدفق. لا توجد حدود نظرية لحجم مُخزِّنة البخار، لكن بالطبع الاعتبارات العملية ستفرض قيودًا. في الممارسة العملية يعتمد حجم مُخزِّنة البخار على التخزين المطلوب لتلبية الطلب القصوى، مع انخفاض ضغط مسموح به، مع توفير بخار جاف نظيف بسرعة إطلاق بخار مناسبة من سطح الماء. المثال 3.22.2 أدناه يُستخدم لحساب إمكانات سعة البخار في مُخزِّنة بخار أفقية. مثال 3.22.2 الغلاية: التصنيف المستمر الأقصى = 5000 كجم/ساعة ضغط العمل العادي = 10 بار g (hf = 781 كيلوجول/كجم، من جداول البخار) فرق تحويل الحريق = 1 بار (0.5 بار على جانبي 10 بار g) متطلبات المنشآت: أقصى حمل زائد آني = 12000 كجم/ساعة ضغط التوزيع = 5 بار g على الرغم من أن أقصى حمل زائد آني هو 12000 كجم/ساعة، يجب استخدام القيمة المتوسطة للحمل الزائد لتحديد حجم المُخزِّنة. هذا يمنع التحديد غير الضروري لمُخزِّنة بالحجم الأكبر. بالقدر نفسه، من الضروري تحديد واستخدام متوسط حمل “خارج الذروة” في حساب الحجم. حمل خارج الذروة هو أي حمل أقل من MCR للغلاية. إيجاد القيمة المتوسطة للحمل الزائد وحمل خارج الذروة هناك ثلاث طرق ممكنة لتحديد الأحمال المتوسطة لمنشأة غلاية موجودة:

1. التخمين، بناءً على الخبرة.
2. الاستعلام عن مخططات إخراج البخار الحالية للغلاية لتحديد الأحمال المتوسطة والفترات الزمنية التي تحدث فيها.
3. برمجة حاسوب مقياس البخار لدمج حمولة البخار عبر فترات الحمل الزائد وحمل خارج الذروة. الطريقة 1 قد تثبت أنها متهورة، إذا انتهت مُخزِّنة مكلفة صغيرة جدًا.

ومع ذلك، إذا كانت منشأة الغلاية لا تزال في مرحلة التصميم، سيكون التخمين المُثقف هو الخيار الوحيد. من معرفة المصمم بالتركيب، يجب أن يكون من الممكن تقديم تقدير معقول لأقصى حمولة للمنشآت، تنوع الحمل، والأوقات التي تحدث فيها.

الطريقة 2 سهلة التنفيذ نسبيًا، وستُعطي نتيجة دقيقة بشكل معقول.

الطريقة 3 ستُوفر النتائج الأكثر دقة، وتكلفة مقياس البخار صغيرة نسبيًا مقارنة بالتكلفة الإجمالية لمشروع مُخزِّنة.

تُوضَّح الإجراءات التالية كيفية تحديد أحمال البخار المتوسطة من مخطط تسجيل موجود يُوضّح نمط الحمل. يُبنى الإجراء من الشكل 3.22.4، الذي يُوضّح نمط التدفق للمثال 3.22.2.

مُتحكّمات وتجهيزات مُخزِّنة البخار

يلي مراجعة للمعدات المطلوبة لتركيب مُخزِّنة بخار، مع بعض الإرشادات حول تحديد حجم واختيار المعدات المناسبة. باستخدام أرقام من المثال 3.22.2: الغلاية: التصنيف المستمر الأقصى = 5000 كجم/ساعة ضغط العمل العادي = 10 بار g المُخزِّنة: كتلة الماء المطلوبة لتخزين البخار = 65920 كجم (مشحونة بالكامل و 90% من حجم الوعاء) P1 (ضغط الغلاية) = 10 بار g (مشحونة بالكامل) P2 (ضغط التفريغ) = 6 بار g (مُفرغة بالكامل) متطلبات المنشآت: الضغط = 5 بار g أكبر متوسط حمل زائد = 10300 كجم/ساعة لمدة 30 دقيقة كل 95 دقيقة، منها 5000 كجم/ساعة تُغذَّى من الغلاية. من هذه الأرقام يمكن استنتاج أن 65920 كجم من الماء يجب تسخينها من درجة حرارة التشبع عند 6 بار g إلى درجة حرارة التشبع عند 10 بار g في 95 دقيقة. الأنابيب يجب تحديد حجم الأنابيب بين الغلاية ومُخزِّنة البخار، حسب الممارسة العادية، على سرعة بخار 25 إلى 30 م/ث وأقصى إخراج للغلاية. في حالة المثال 3.22.2، سيتطلب هذا خط أنابيب DN100 من الغلاية إلى المُخزِّنة، لحمل التصنيف المستمر الأقصى (MCR) للغلاية 5000 كجم/ساعة @ 10 بار g. يجب تحديد حجم الأنابيب من المُخزِّنة إلى PRV المصب على أقصى حمل زائد آني وسرعة لا تزيد عن 20 م/ث. سيتطلب هذا أنبوب DN250 اسمي لهذا المثال، مع ضغط تصميم مُخزِّنة 6 بار g. صمام الإيقاف يُلزم صمام إيقاف بحجم الخط بالإضافة إلى صمام تاج الغلاية. صمام إيقاف مُصنَّف بشكل مناسب، يُفضل من الصلب المُصبوب، سيكون مناسبًا. صمام الاختبار أو منع الرجوع يُلزم صمام اختبار بحجم الخط لمنع تدفق البخار العكسي إلى الغلاية في حالة إيقاف الغلاية عمدًا، أو ربما قفل الغلاية. صمام قرصي سيكون خيارًا مناسبًا. صمام الفائض صمام الفائض ضروري لضمان أن المتدفق من البخار من الغلاية إلى المُخزِّنة ضمن قدرة الغلاية. المثال 3.22.1 يُوضّح كيفية تحديد حجم الصمام. يمكن استخدام صمامات فائض ذاتية التشغيل بمشغل طيار في التركيبات الأصغر، بشرط أن يكون النطاق النسبي الضيق (وغير القابل للتعديل) مقبولًا. مُتحكّم هوائي وصمام مُتحكّم أكثر ملاءمة للتركيبات الأكبر، ويوفر ميزة نطاق نسبي قابل للتعديل. لهذا التطبيق، يُختار صمام مُتحكّم DN100 بمشغل هوائي مع قدرة تشغيل وإغلاق مناسبة.

معدات حقن البخار

يجب أن يُغذّي أنبوب مدخل بخار بحجم مناسب إلى مستوى جيد تحت سطح الماء ونظام توزيع بخار مُجمَّع كما هو موضح في الشكل 3.22.6. يُحقَّن البخار في الماء. من المهم تذكر أن سعة الحاقن ستقل مع ارتفاع الضغط في الوعاء، حيث يقل فرق الضغط بين البخار المُحقَّن وضغط الوعاء. عند معدلات التدفق المنخفضة جدًا، سيميل البخار إلى الخروج من الحاقنات الأقرب إلى أنبوب مدخل البخار. يجب أن يوفر تصميم أنبوب المدخل (المداخل) ونظام التوزيع، مع وضع الحاقنات، حقنًا متساويًا للبخار عبر طول المُخزِّنة بغض النظر عن معدل تدفق البخار الفعلي. التفريغ من الحاقنات سيكون ماءً ساخنًا جدًا وبخارًا، مع بعض فقاعات البخار المتكثف محتملًا، بسرعة عالية جدًا، مُعززًا الاضطراب والخلط في كتلة الماء. يجب ألا تفرغ مباشرة ضد جدران الوعاء أو بالقرب منها. قد يكون التركيب بزاوية مُوصى به من هذا المنطلق. من الأفضل أيضًا زوايا باتجاهات مختلفة للمساعدة في التوزيع الأكثر تساويًا. ترتيب اسمي موضوح في الشكل 3.22.6. في الأوعية الطويلة جدًا، قد يتحقق توزيع أكثر انتظامًا باستخدام أنابيب مدخل أو أكثر. في هذه الحالات، من المهم جدًا ربط أنابيب المدخل معًا بعناية من خط الإمداد الرئيسي. يجب تركيب جميع الحاقنات بأدنى مستوى ممكن في المُخزِّنة لضمان أقصى رأس سائل ممكن فوقها. قد يكون مناسبًا أيضًا تركيب الحاقنات بزاوية خفيفة لتجنب تآكل الوعاء. جداول تحديد الحجم من المُصنِّعين ستعطي قيمة Kvs لحاقنات البخار (انظر الجدول 3.22.2) باستخدام البيانات من الجدول 3.22.2 والرجوع إلى الشكل 3.22.8، مقتطف من مخطط حجم البخار المشبع الشكل 3.22.9:

1. ارسم خطًا أفقيًا إلى اليمين من محور ‘x’ عند 11 بار a (10 بار g) حتى يتقاطع مع خط انخفاض الضغط الحرج، النقطة (A).
2. ارسم خطًا عموديًا نزولًا من النقطة (A) حتى يتقاطع مع قيمة Kvs للحاقن، النقطة (B)، (مثلاً Kvs 5.8 لحاقن IM25M).
3. ارسم خطًا أفقيًا إلى اليسار، حتى يتقاطع مع محور ‘y’، النقطة (C). القيمة الموضحة ستكون سعة الحاقن. (حوالي 760 كجم/ساعة لهذا المثال).

تحديد حجم وكمية الحاقنات

يُعطي التمرين أعلاه سعة 760 كجم/ساعة لحاقن واحد؛ لكن هذا ينطبق فقط على بداية فترة الشحن، عندما يكون ضغط الوعاء عند أدنى مستوى، وسعة الحاقن عند أعلى مستوى. يجب التذكر أنه مع حقن المزيد من البخار في الوعاء، سيزداد ضغط الوعاء، مُقللاً فعليًا سعات الحاقنات، حتى قد يتساوى ضغط الوعاء أخيرًا مع ضغط الغلاية، ولا يمكن أن يحدث تدفق. لهذا السبب، ليس عمليًا استخدام معدل التدفق الواحد (الأعلى)، 760 كجم/ساعة في هذا المثال. بدلًا من ذلك، من الضروري إيجاد متوسط معدل الحقن عبر فترة الشحن. يمكن ذلك باستخدام المعادلة 3.21.2 لحساب التدفق عند ضغوط مختلفة للوعاء. في هذا المثال، سيتغير ضغط الوعاء بين 6 بار g و 10 بار g. كلما زاد عدد الضغوط المأخوذة زادت الدقة، لكن بشكل عام، أخذ زيادات عند 10% من الفرق بين ضغط الغلاية وضغط التخزين سيُعطي قيمة متوسطة موثوقة. يُوضّح الجدول 3.22.3 الحسابات لحاقن IN25 (1”) بـ Kv قدره 5.8. يُقسَّم إجمالي التدفق 6076 كجم/ساعة على عدد الإدخالات. يجب تذكر إدراج الإدخال الصفر أيضًا؛ وبالتالي هناك أحد عشر إدخالًا للنظر فيه. يُلاحَظ أن متوسط التدفق 553 كجم/ساعة أقل من أقصى سعة 759 كجم/ساعة. إذا استُخدمت السعة القصوى لتحديد كمية الحاقنات، فلن يُختار عدد كافٍ من الحاقنات. يمكن تحديد عدد الحاقنات المطلوبة بقسمة تدفق البخار على كمية ما يمكن لحاقن واحد توريده. ملاحظة: عدد من الحاقنات الأصغر أفضل من حاقن واحد كبير لضمان خلط مناسب داخل مُخزِّنة البخار. مخطط تحديد الحجم هذا تجريبي ولا يجب استخدامه للتطبيقات الحرجة.

حساب الوقت المطلوب لإعادة شحن الوعاء

من أنماط الحمل الموضحة في الشكل 3.22.4، أُثبت أن الحد الأدنى من الوقت بين دورات الشحن هو 95 دقيقة. من الضروري الآن التحقق من أن الوعاء يمكن إعادة شحنه في وقت أقل من هذا. أُثبت أن كمية البخار المُستخدمة خلال فترة التفريغ هي 2650 كجم. متوسط تدفق البخار الفائض المتاح خلال فترة إعادة الشحن حُسب من الشكل 3.22.4 بقيمة 2916 كجم/ساعة. الوقت المطلوب لإعادة الشحن يتناسب مع نسبة كتلة البخار المُستخدمة خلال التفريغ إلى معدل تدفق البخار الفائض خلال فترة خارج الذروة: بما أن وقت إعادة الشحن المطلوب أقل من الوقت بين أقصر دورة حمل زائد 95 دقيقة، يمكن للمُخزِّنة تلبية التوازن بين وقت الحمل الزائد ووقت إعادة الشحن.

لذلك، يوفر حجم المُخزِّنة 7 أمتار طول و 4 أمتار قطر سعة كافية لهذا المثال المحدد.

مقياس الضغط

يُلزم مقياس ضغط مُناسب النطاق لعرض الضغط داخل مُخزِّنة البخار. من الأفضل أن يُعلَّم لعرض:

• الحد الأدنى من الضغط (ضغط بخار المنشآت).
• أقصى ضغط (ضغط بخار الغلاية).
• أقصى ضغط تشغيل للوعاء.

صمام الأمان

إذا كان أقصى ضغط تشغيل للمُخزِّنة يساوي أو يتجاوز ضغط الغلاية، فقد لا يُلزم صمام أمان. ومع ذلك، قد يقلق المستخدم بشأن سيناريوهات أخرى أقل وضوحًا. على سبيل المثال، في حالة حريق منشأة، إذا كانت المُخزِّنة مشحونة بالكامل وجميع المداخل والمخارج مُغلقة، يمكن أن يزداد الضغط في المُخزِّنة. من الضروري مناقشة مُفتّش التأمين قبل اتخاذ قرار. كما هو الحال مع جميع تركيبات صمامات الأمان، يجب أن يكون التفريغ إلى منطقة آمنة عبر أنبوب تهوية بحجم مناسب ومسحوب بشكل صحيح.

فتحة تهوية وكاسح فراغ

عند بدء مُخزِّنة البخار من البارد، تكون فراغ البخار مملوء بالهواء. هذا الهواء ليس له قيمة حرارية، بل سيؤثر سلبًا على أداء منشأة البخار (كما هو مُوضَّح في قانون دالتون) وسيُغطّي أيضًا أسطح نقل الحرارة. سيُسبب الهواء أيضًا تآكلًا في نظام المكثف. يمكن تنظيف الهواء باستخدام صنبور بسيط، يُترك مفتوحًا عادةً حتى تصل مُخزِّنة البخار إلى ضغط حوالي 0.5 بار. بديل للصنبور هو فتحة تهوية مُوازنة الضغط، والتي لا تُعفّف فقط مُشغّل منشأة الغلاية من مهمة التنظيف اليدوي للهواء (وبالتالي ضمان تنفيذها بالفعل)، لكنها أكثر موثوقية في تنظيف أي غازات أخرى تتراكم في الوعاء أثناء الاستخدام. في المقابل، عند إيقاف مُخزِّنة البخار، يتكتّف البخار في فراغ البخار ويُخلّي فراغًا. هذا الفراغ يُسبب ضغطًا على الوعاء من الخارج، ويمكن أن يُؤدي إلى تسريب الهواء عبر أبواب الفحص. كاسح الفراغ سيتجنب هذا الوضع.

صنبور التصريف

يُستخدم هذا الصنبور لتصريف الوعاء لأعمال الصيانة والفحص. صمام DN40 سيكون مناسبًا لحجم المُخزِّنة في المثال 3.22.2.

الفائض

يجب تركيب فاصلة طافية كروية مع تهوية حرارية مُدمجة كما في الشكل 3.22.10. عند التركيب كما هو موضح، لن يرتفع مستوى الماء داخل المُخزِّنة فوق هذه النقطة لأن الفاصلة ستعمل كصمام فائض آلي. عند انخفاض مستوى الماء، أي عندما يُسحب البخار بمعدل أسرع مما يُستبدل، ستُغلق الفاصلة تلقائيًا لمنع تسريب البخار. استخدام فاصلة طافية مع كبسولة حرارية مُدمجة كجهاز تحديد مستوى يُوفر ميزة إضافية لتهوية الهواء. يجب تركيب الفاصلة بالقرب من مقياس الزجاج. يجب توجيه التفريغ من الفاصلة إلى خزان تغذية الغلاية، مع الحذر من تجنب ضغط خلفي مفرط أو رفع. حجم الفاصلة الطافية/الحرارية سيتغير حسب حجم المُخزِّنة، وسيكون عادةً بحجم DN32 أو DN40 للمثال 3.22.2.

مقياس مستوى الماء

لن يكون التغير في المستوى داخل مُخزِّنة البخار كبيرًا لأن 5% فقط (تقريبًا) من كتلة الماء ستتوميض إلى بخار، ومع ذلك، من الضروري وسيلة لعرض مستوى الماء. من الواضح أن المقياس يجب أن يكون مُصنَّفًا للعمل عند أقصى ضغط تشغيل لمُخزِّنة البخار. ومع ذلك، من حيث مخزون التخزين وتوحيد معايير المنشآت، هناك ميزة في استخدام مقياس مشابه للغلاية. يُلزم مقياس زجاجي واحد فقط.

محطة خفض الضغط

تُثبَّت محطة خفض ضغط عند التفريغ. مع فتح صمام خفض الضغط للحفاظ على الضغط المصب، يحدث انخفاض في الضغط في مُخزِّنة البخار مُتسببًا في توميض بعض الماء إلى بخار. يجب تحديد حجم صمام خفض الضغط بناءً على البيانات التالية: P1 = ضغط المُخزِّنة (6 بار g في المثال) P2 = ضغط المنشآت (5 بار g في المثال) ΔP = 6 - 5 = 1 بار معدل التدفق = أقصى معدل تدفق حمل زائد (12000 كجم/ساعة في المثال) يمكن الآن اختيار صمام مناسب إما من مخططات تحديد حجم المُصنِّع أو باستخدام مخطط حجم البخار المشبع الموضوح في الشكل 3.22.9. لأحجام تصل إلى DN80، صمام ذاتي التشغيل بمشغل طيار سيكون مناسبًا، بينما صمام مُتحكّم بمشغل هوائي مناسب للأحجام الأكبر.

الأنابيب

من المناسب في هذه المرحلة التحقق من أن الأنابيب بين محطة خفض ضغط مُخزِّنة البخار والمنشآت مُحددة الحجم بشكل كافٍ. يجب تحديد حجم هذا الأنبوب حسب الممارسة العادية على سرعة بخار 25 إلى 30 م/ث، لكن باستخدام معدل التدفق القصوى من مُخزِّنة البخار عند ضغط المنشآت، في هذه الحالة 5 بار g.

الترتيبات النموذجية لمُخزِّنات البخار:

يُوضّح الشكل 3.22.11 كل البخار المُنتَج من منشأة الغلاية مارًا عبر مُخزِّنة البخار. هذا هو الترتيب الأكثر حداثة والمُفضَّل عمومًا. الترتيب الموضح في الشكل 3.22.12 كان أكثر شيوعًا في الماضي ولا يزال مفيدًا عندما يجب وضع مُخزِّنة البخار على مسافة من خط البخار الرئيسي. ومع ذلك، يجب فحص صمامات الاختبار بانتظام، لأن مزيج الصمامات “العالقة” و”المارّة” يمكن أن يُؤدي إلى شحن البخار في مُخزِّنة البخار فوق سطح البخار، مما لا يُقدم أي فائدة. يُوضّح الشكل 3.22.13 ترتيبًا حيث يُطلب بخار بضغط الغلاية وكذلك بخار بضغط أقل. بعض تطبيقات المعالجة لا تحتمل البخار المنخفض الضغط، وقد يُطلب بخار بضغط الغلاية في جميع الأوقات (عادةً لعملية التجفيف). إذا سبب حمولة الذروة من مستخدمي الضغط العالي، سيشعر صمام الحفاظ على الضغط في الشكل 3.22.13 بانخفاض الضغط، ويُعدِّل نحو مقعده، مُحافِظًا بذلك على بخار الضغط العالي لمستخدمي الضغط العالي، تاركًا مُخزِّنة البخار لتغذية الطلب المنخفض الضغط خلال هذه الفترة. بهذه الطريقة يُمدّد النظام حمولة منخفضة الضغط مُتخلبة عبر مُخزِّنة البخار ويُضمن أقصى معدل تدفق ممكن للحمولة الضغط العالي بفعل صمام الحفاظ على الضغط. في الشكل 3.22.14، تعمل الغلاية بضغط تصميمها العادي، مثلاً 10 بار، ويمر البخار إلى أحمال مُتغيرة لا تتطلب أكثر من 5 بار مثلاً. صمام خفض الضغط A يخفض الضغط بين رأس الغلاية وخط التوزيع الرئيسي في المنشآت، مستجيبًا للضغط المُستشعر في خط ال5 بار. إذا تجاوز طلب البخار سعة الإمداد من الغلاية، وانخفض الضغط في خط الضغط المنخفض الرئيسي إلى أقل من 4.8 بار مثلاً، سيبدأ الصمام B بالفتح ويُكمّل الإمداد. هذا يسحب البخار من مُخزِّنة البخار، وعبر فترة مُستدامة سينخفض ضغط مُخزِّنة البخار. يستجيب الصمام B للضغط المصب في خط التوزيع الرئيسي، مُعملًا كصمام خفض ضغط أيضًا. يجب أن تتطابق سعته مع معدل التفريغ المسموح به لمُخزِّنة البخار، وسيكون أصغر من صمام خفض الضغط A. الصمام C هو صمام حفاظ على الضغط، يستجيب لضغط الغلاية. إذا ارتفع الضغط بسبب تقليل الطلب من المنشآت، يفتح صمام الحفاظ على الضغط C. يُسمح لبخار بالدخول إلى مُخزِّنة البخار التي تُشحن نحو أقصى ضغط لها، أقل بقليل من ضغط الغلاية. صمام خفض الضغط B يكون مُغلقًا في هذا الوقت لأن المنشآت تتلقى بخارًا كافيًا عبر (صمام خفض الضغط المغلق جزئيًا) A.

الاعتبارات العملية لمُخزِّنات البخار

المُجتازات في أي منشأة، يجب على مُدير الهندسة بذل جهد لتقديم خدمة دنيا على الأقل في حالة احتياج مُخزِّنة البخار ومعداتها المرتبطة إلى الصيانة أو حدوث عطل. سيشمل ذلك توفير عزل كافٍ وآمن للمُخزِّنة بصمامات، وربما وسيلة لحماية الغلاية من الحمل الزائد إذا لم يمكن تجنب التغيرات الكبيرة في الطلب. الحل الأكثر وضوحًا هنا هو صمام حفاظ على ضغط احتياطي.

الخلاصة

مُخزِّنات البخار ليست بقايا قديمة من الماضي. في الواقع، بعيدًا عن ذلك. رُكِّبت مُخزِّنات البخار في جميع أنحاء الصناعة الحديثة بما في ذلك التقنيات الحيوية، وتعقيم المستشفيات والمنشآت الصناعية، وأجهزة اختبار المنتجات، والطباعة وتصنيع الأغذية، فضلاً عن الصناعات الأكثر تقليدية مثل مصانع التخمير ودور الصباغة. أصبحت الغلايات الحديثة أصغر وهناك أيضًا زيادة في استخدام الغلايات الأنبوبية الصغيرة، وغلايات اللفائف، وغلايات حلقة، وكلها فعالة، لكنها تُقلل من السعة الحرارية للنظام، وتُجعله عرضة لمشاكل حمولة الذروة. هناك العديد من التطبيقات الإضافية لمُخزِّنات البخار. للقمم طويلة الأجل التي يجب على منشأة الغلاية التعامل معها في نهاية المطاف، يمكن استخدام مُخزِّنة بخار لتخزين 5 دقائق من معدل تدفق الذروة مثلاً، مُفسحة المجال أمام منشأة الغلاية للوصول إلى الإنتاج المناسب بأمان. يمكن أيضًا استخدام مُخزِّنات البخار مع غلايات المولدات الكهربائية أو غلايات المُسخِّنات الغائرة بحيث يمكن توليد البخار خارج الذروة، تخزينه، واستخدامه خلال أوقات الذروة. الاحتمالات لا نهائية. في الخلاصة، مُخزِّنة البخار أداة فعالة، حيث قد تُوفر الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لتوفير البخار لعملية دفعية. شكر وتقدير تُقدّم Spirax Sarco شكرها وتقديرها للمساعدة والمعلومات المقدمة من: Wilson Steam Storage Ltd., Chesterfield, Derbyshire, S41 8NG