غلايات الأنبوب المائي

وصف لغلايات الأنبوب المائي بما في ذلك التشغيل والأنواع والفوائد؛ كذلك ملخص موجز حول كيفية تطبيقها على التوليد المشترك للحرارة والطاقة.

غلايات الأنبوب المائي

تختلف غلايات الأنبوب المائي عن غلايات الغلاف في أن الماء يتدفق داخل الأنابيب، مع محيط مصادر الحرارة. بالرجوع إلى معادلة إجهاد الحزام (المعادلة 3.2.1)، من السهل ملاحظة أنه بسبب أن قطر الأنبوب أصغر بشكل ملحوظ، يمكن تحمل ضغوط أعلى بكثير لنفس الإجهاد. تُستخدم غلايات الأنبوب المائي في تطبيقات محطات الطاقة التي تتطلب:

إنتاج بخار عالٍ (حتى 500 كجم/ثانية).
بخار عالي الضغط (حتى 160 بار).
بخار مُسخَّن زائدًا (حتى 550 درجة مئوية). ومع ذلك، تُصنع غلايات الأنبوب المائي أيضًا بأحجام تُنافس غلايات الغلاف. يمكن تصنيع غلايات الأنبوب المائي الصغيرة وتركيبها في وحدة واحدة، تمامًا كغلايات الغلاف المُجمَّعة، بينما عادة ما تُصنع الوحدات الكبيرة في أقسام للتركيب في الموقع. تعمل العديد من غلايات الأنبوب المائي على مبدأ تداول الماء الطبيعي (المعروف أيضًا باسم ‘التسيّف الحراري’). هذا موضوع يستحق تغطيته قبل النظر في الأنواع المختلفة من غلايات الأنبوب المائي المتاحة. يساعد الشكل 3.3.2 في شرح هذا المبدأ:
يُدخل مغذية أبرد في طبل البخار خلف حاجز، حيث بسبب كثافة الماء البارد الأكبر، يهبط في ‘أنبوب الهبوط’ نحو الطبل السفلي أو ‘الطبل الموحل’، مُزيحًا الماء الأدفأ إلى الأنابيب الأمامية.
التسخين المستمر يُنشئ فقاعات بخار في الأنابيب الأمامية، التي تُفصل طبيعيًا عن الماء الساخن في طبل البخار، وتؤخذ. ومع ذلك، عندما يزداد ضغط غلاية الأنبوب المائي، ينخفض الفرق بين كثافة الماء والبخار المُشبع، وبالتالي يحدث تداول أقل. للحفاظ على نفس مستوى إنتاج البخار عند ضغوط تصميم أعلى، يجب زيادة المسافة بين الطبل السفلي وطبل البخار، أو يجب تقديم وسيلة تداول قسري. أقسام غلاية الأنبوب المائي يمكن استخراج الطاقة من مصدر الحرارة كإشعاع أو حمل وتوصيل. الفرن أو قسم الإشعاع هذه منطقة مفتوحة تستوعب اللهب (الألهب) من المشعل (المشاعلات). إذا سُمح للهب بالاتصال بأنابيب الغلاية، سيحدث تآكل جدي وفشل الأنبوب في النهاية. جدران قسم الفرن مُبطَّنة بأنابيب مُجنَّحة تُسمى ألواح غشاء، مُصمَّمة لامتصاص الحرارة الإشعاعية من اللهب.

قسم الحمل

صُمِّم هذا الجزء لامتصاص الحرارة من الغازات الساخنة بالتوصيل والحمل. قد تحتتوي الغلايات الكبيرة على عدة بنوك أنابيب (تُسمى أيضًا مُعلقات) على التوالي، للحصول على أقصى طاقة من الغازات الساخنة. تعيين غلاية الأنبوب المائي عادة تُصنَّف غلايات الأنبوب المائي وفقًا لخصائص محددة، انظر الجدول 3.3.1.

تخطيطات غلاية الأنبوب المائي البديلة

تعمل التخطيطات التالية على نفس مبادئ غلايات الأنبوب المائي الأخرى، ومتوفرة بسعات من 5,000 كجم/ساعة إلى 180,000 كجم/ساعة. غلاية طبل طولي كانت غلاية الطبل الطولي النوع الأصلي من غلاية الأنبوب المائي التي تعمل على مبدأ التسيّف الحراري (انظر الشكل 3.3.5). يُغذَّى مغذية أبرد في طبل، يوضع طوليًا فوق مصدر الحرارة. يسقط الماء الأبرد عبر رأس تداول خلفي مائل إلى عدة أنابيب مُسخَّنة مائلة. مع ارتفاع درجة حرارة الماء أثناء مروره عبر الأنابيب المائلة، يغلي وتنخفض كثافته، وبالتالي يُتداول الماء الساخن والبخار عبر الأنابيب المائلة إلى رأس التداول الأمامي الذي يُغذِّي الطبل. في الطبل، تُفصل فقاعات البخار عن الماء ويُؤخذ البخار. تتراوح السعات النموذجية لغلايات الطبل الطولي من 2,250 كجم/ساعة إلى 36,000 كجم/ساعة.

غلاية طبل عرضي

غلاية الطبل العرضي هي تنويع لغلاية الطبل الطولي حيث يُوضع الطبل بشكل عرضي لمصدر الحرارة كما هو موضح في الشكل 3.3.6. يعمل الطبل العرضي على نفس مبدأ الطبل الطولي باستثناء أنه يحقق درجة حرارة أكثر توحيدًا عبر الطبل. ومع ذلك، يخاطر بالتلف بسبب تداول خاطئ عند حمولات بخار عالية؛ إذا جُففت الأنابيب العلوية، يمكن أن ترتفع درجة حرارتها أكثر من اللازم وتفشل في النهاية. لدى غلاية الطبل العرضي أيضًا ميزة إضافية لتزويد عدد أكبر من الأنابيب المائلة بسبب موضعها العرضي. تتراوح السعات النموذجية لغلاية الطبل العرضي من 700 كجم/ساعة إلى 240,000 كجم/ساعة.

غلاية الأنبوب المنحني أو غلاية ستيرلنغ

مزيد من تطوير غلاية الأنبوب المائي هي غلاية الأنبوب المنحني أو غلاية ستيرلنغ الموضحة في الشكل 3.3.7. مرة أخرى تعمل على مبدأ درجة الحرارة وكثافة الماء، لكن تستخدم أربعة أطباق في التكوين التالي. يدخل المغذية الأبرد الطبل العلوي الأيسر، حيث يهبط بسبب الكثافة الأكبر، نحو الطبل السفلي أو طبل الماء. الماء داخل طبل الماء، والأنابيب المترابطة إلى الطبلين العلويَّن الآخرين، يُسخَّن، وفقاعات البخار المُنتجة تتصاعد إلى الأطباق العلوية حيث يُؤخذ البخار.

تسمح غلاية الأنبوب المنحني أو غلاية ستيرلنغ بمساحة سطح كبيرة لنقل الحرارة، فضلاً عن تعزيز تداول الماء الطبيعي.

مزايا غلايات الأنبوب المائي:

لديها محتوى ماء صغير، وبالتالي تستجيب بسرعة لتغيرات الحمل وإدخال الحرارة.
الأنابيب ذات القطر الصغير وطبل البخار يعني أن ضغوط بخار أعلى بكثير يمكن تحملها، وحتى 160 بار يُستخدم في محطات الطاقة.
قد يتضمن التصميم العديد من المشاعلات في أي من الجدران، مُعطيًا خيارات إطلاق أفقي أو عمودي، وfacility للتحكم في درجة الحرارة في أجزاء مختلفة من الغلاية. هذا مهم بشكل خاص إذا كانت الغلاية لديها مُسخِّن زائد متكامل، وتحتاج درجة حرارة البخار المُسخَّن زائدًا للتحكم.

عيوب غلايات الأنبوب المائي:

ليست بسيطة في الصنع بشكل مُجمَّع كغلايات الغلاف، مما يعني أن المزيد من العمل مطلوب في الموقع.
خيار المشاعلات المتعددة قد يعطي مرونة، لكن المشاعلات الثلاثين أو أكثر المُستخدمة في محطات الطاقة تعني أن أنظمة تحكم معقدة ضرورية.

منشأة التوليد المشترك للحرارة والطاقة (CHP)

غلايات الأنبوب المائي الموصوفة أعلاه عادة ذات سعة كبيرة. ومع ذلك، هناك طلب متزايد على غلايات صغيرة خاصة الغرض، غلايات حرارة هائمة أصغر لتُستخدم مع منشآت توربينات الغاز البرية. عدة أنواع من منشآت توربينات الغاز البخارية البرية مُستخدمة:

التوليد المشترك للحرارة والطاقة توجه هذه الأنظمة غازات العادم الساخنة من توربين الغاز (حوالي 500 درجة مئوية) عبر غلاية، يُنتَج فيها بخار مُشبع ويُستخدم كutility للمنشأة. التطبيقات النموذجية لهذه الأنظمة تكون في منشآت أو مواقع تكون فيها مطالب الكهرباء والبخار متناسبة ويمكن مطابقتها مع نظام CHP.

يمكن أن تصل الكفاءات إلى 90%.

منشأة الدورة المُدمجة هذه امتدادات لأنظمة CHP، ويُمرَّر البخار المُشبع عبر مُسخِّن زائد لإنتاج بخار مُسخَّن زائدًا. قد يُشغَّل المُسخِّن الزائد بشكل منفصل بسبب درجة حرارة منخفضة نسبيًا لعادم توربين الغاز. يُوجَّه البخار المُسخَّن زائد المُنتَج إلى تورينات بخارية تُشغِّل مُولِّدات إضافية، وتُولِّد الكهرباء. نسبة التخفيض في هذه المنشآت ضعيفة، بسبب الحاجة لدوران التوربين بسرعة مُتزامنة مع التردد الكهربائي. هذا يعني أنه عملي فقط تشغيل هذه المنشآت عند الحمل الكامل، مُقدِّمة الحمل الأساسي للبخار للمنشأة. بسبب درجة الحرارة المنخفضة نسبيًا لعادم توربين الغاز، مقارنة بلهب المشعل في غلاية تقليدية، تُطلب مساحة نقل حرارة أكبر بكثير لحمل حرارة مُعطى. أيضًا، لا حاجة لتوفير سكن للمشاعلات. لهذه الأسباب، تميل غلايات الأنبوب المائي لتوفير حل أفضل وأكثر إحكامًا. لأن الكفاءة عامل رئيسي مع صانعي القرار CHP، قد يتضمن تصميم هذه الغلايات مُوفِّر حرارة (مُسخِّن مغذية). إذا كانت المنشأة ‘دورة مُدمجة’ فقد يتضمن التصميم مُسخِّن زائد. ومع ذلك، قد تعني درجات الحرارة المنخفضة نسبيًا الحاجة لمشاعلات إضافية لرفع البخار إلى المواصفات المطلوبة للتوربينات البخارية.