أساليب للحد من التلوث فى وحدات توليد الطاقة
تناولنا فى الجزء الأول الأساليب والتقنيات المستخدمة للحد والتقليل من التلوثات والغازات الناتجة عن الغلايات ومولدات الديزل والتوربينات وفى الجزء الثانى والأخير سنتناول كيفية التحكم فى تشغيل وحدات التوليد للوصول لأعلى كفاءة ممكنة فى التعامل معها .
م. محمد عز الدين الشربينى
التحكم فى التشغيل
التحكم فى تشغيل وحدات معالجة المياه
يوضح الجدول (3) العناصر التى ينبغى رصدها فى وحدات معالجة المياه .
التحكم فى تشغيل الغلايات
تتكون أنظمة التحكم من مجموعة من العناصر التى تتحكم فى العديد من المعايير الكمية التى تشير إليها سلسلة من أجهزة القياس والرصد بحيث يمكنها إيقاف عمليات التشغيل عند تخطى أى من المعايير الكمية المرصودة حدود التشغيل الآمن أو السليم .
وتتراوح أنظمة التحكم بين أنظمة بسيطة تعتمد على التحكم اليدوى فى تشغيل الصمامات ومنظمات السحب (dampers) وأنظمة بالغة التعقيد يتم التحكم فيها بواسطة البرمجيات بشكل شبه تام بمجرد تصميم برنامج التحكم ومراجعات. وتجدر الإشارة فى هذا الصدد إلى العبارة التالية : لكى تكون قادرا على التحكم يجب أن تكون قادرا على اخذ القياسات وهى عبارة تنطبق على نظامى التحكم اليدوى والأتوماتيكى .
وأنظمة التحكم اليدوى شائعة الاستخدام فى الغلايات ذات السعة الصغيرة وهى أنظمة شاقة حيث تتطلب المتابعة المستمرة لكافة معدات القياس لضمان ثبات ظروف التشغيل الآمن كما تتضمن وجود أنظمة للإنذار لتنبيه العاملين إلى وجوب اتخاذ اجراءات تصحيحة فور حدوث تغير بيانات الرصد .
ويتطلب التحكم السليم فى تشغيل الغلاية تنظيم المعايير الكمية التالية وفقا لنظم الغلايات المختلفة :
1- تنظيم المدخلات الحرارية لتناسب مع المخرجات الحرارية المرغوبة .
2- تنظيم نسبة الوقود إلى الهواء لتوفير أفضل ظروف الاحتراق .
3- تنظيم معدل دفق مياه تغذية غلايات البخار ليتناسب مع معدل سريان مخرجات الغلاية من بخار .
4- تنظيم ضغط غرفة الاحتراق فى غلايات السحب المتوازن balanced – boilers draught للإبقاء على المستوى ضغط سلبى بسيط فى جانب الغاز .
5- التحكم فى درجة حرارة البخار فى مناطق توليد درجات الحرارة الفائقة وذلك لحماية المحمصات وشبكة أنابيب البخار والأجهزة التى يستخدم فيها البخار من درجات الحرارة فائقة الارتفاع .
6- درجة امان عملية الاحتراق (التحكم فى الموقد) وتتراوح درجة التعقد فى أنظمة التحكم الأوتوماتيكى وفى مجالات استخدامها وفى معداتها بين وأنظمة “تشغيل / إيقاف” بسيطة كتلك المستخدمة فى غلايات مواسير اللهب الصغير وأنظمة التحكم بالتضمين (modulating schemes) بالغة التعقيد التى تتضمن وحدات العرض المرئى (Visual display) وإمكانيات تخزين البيانات البرمجية وهى الأنظمة المتبعة فى بعض الغلايات الكبيرة .
ضغط الغلاية , القياس والتنفيس والدلالة
دلالة قراءات الضغط : تعتبر قياسات الضغط ودرجة الحرارة المرتبطة بها والتحكم فيهما من أهم إجراءات التحكم فى تشغيل الغلايات لذلك يجب أن تكون مواضع رصد هذه القياسات واضحة بحيث يسهل على العاملين أخذ القياسات لضمان أمان وسلامة المنشآة وإن ارتفاع مؤشر الضغط عن العلامة الحدية لضغط التشغيل على مقياس الضغط ينذر بوجوب الخفض الفورى للمدخلات الحرارية. أما أنخفاض المؤشر (انخفاض الضغط) فيعنى ان الطلب على الحرارة يزيد عن المدخلات الحرارية وذلك يستلزم زيادة معدل الإشعال ويستخدم مقياس “بوردون” للضغط للحصول على هذه القياسات (Bourdon gauge) وهو يتكون من أنبوب مرن مفلطح منثنى على شكل منحنى يستقيم بزيادة الضغط الداخلى ويتصل طرفه بمؤشر يتحرك على تدريج دائرى .
صمامات الأمان : يتم تصميم الغلايات بحيث تتحمل مستويات محددة من الضغط ولا ينبغى تحت أى ظرف تعريض الغلاية لمستويات ضغط أعلى من تلك المحددة بمواصفاتها . وتكفى أجهزة قياس الضغط السالف ذكرها لتجنب ارتفاع الضغط عن المستويات المحددة أما فى غلايات البخار والمياه الساخنة فيلزم تركيب صمامات أمان لتنفيس الضغط .
التحكم فى الاحتراق
ويتضمن التحكم فى الاحتراق كلا من التحكم فى المدخلات الحرارية والتحكم نسبة الوقود إلى الهواء . ويتم تصميم أنظمة التحكم فى الاحتراق لتسمح بتوفير كميات الهواء المناسبة لإحتراق الوقود بكفاءة عالية دون تولد الدخان مع أقل قدر من انبعاثات المدخنة الضارة .
ويعتبر ضغط البخار عند مخرج الغلاية هو المؤشر الاساسى الذى تعتمد عليه أنظمة التحكم فى الاحتراق فى غلايات البخار أما فى حالة غلايات المياه الساخنة فتعتبر درجة حرارة المياة الخارجة هى مؤشر التحكم الأساسى لذلك فإن اساليب التحكم فى الاحتراق تضمن فى نفس الوقت التحكم فى الاحتراق تضمن فى نفس الوقت التحكم فى ضغط الغلاية من خلال التحكم فى المدخلات الحرارية .
أنظمة التحكم فى الاحتراق
هناك ثلاثة أنظمة أساسية للتحكم فى الاحتراق تنظم متغيرات متعددة مثل الوقود وسريان (تيار) الهواء :
- التحكم المتتابع (Series) الذى يتضمن سلسلة مؤشرات التحكم حيث يؤدى أى تغير يطرأ على مؤشر التحكم الرئيسى فيها (ضغط البخار) إلى إحداث تغير فى سريان الهواء اللازم للإحتراق والذى يؤدى بدوره إلى تغير فى دفق الوقود.
- التحكم على التوازى (Parallel) حيث يؤدى أى تغير يطرأ على مؤشر التحكم الرئيسى إلى ضبط دفق الوقود وتيار الهواء اللازم للإحتراق فى ان واحد وهو يمثل نظاما نمطيا للتحكم الموقعى (Positional Control) .
نظام التحكم المتتابع / المتوازى حيث يؤدى أى تغير يطرأ على مؤشر التحكم الرئيسى إلى تعديل فى سريان تيار الهواء اللازم للإحتراق وحيث إن سريان البخار يتناسب تقريبا مع سريان الهواء فإن أى تغير يطرأ على سريان البخار (نتيجة تغير فى أحمال المعدات التى يستخدم فيها البخار) يترتب عليه تعديل مناسب فى دفق الوقود كما فى شكل 1.
أنواع أنظمة التحكم فى الاحتراق (بلاك)
هناك ثلاثة أنواع رئيسية للتحكم الأوتوماتيكى فى الاحتراق :
أنظمة تشغيل / إيقاف (On / Off) أنظمة تحديد الموضع (Positioning) أنظمة المعايرة (metering)
أ) أنظمة التشغيل/ الإيقاف
تستخدم هذه الأنظمة في غلايات البخار وتعتمد على إيقاف تدفق وقود الاحتراق وسريان تيار الهواء اللازم الاحتراق في حالة وصول ضغط البخار إلى قيمة حدية محددة فيبدأ ضغط البخار في الانخفاض نظرًا لاستمرار طلب الأحمال عليه حتى يصل إلى قيمة حدية دنيا محددة مسبقًا عندئذ يعاد تشغيل تدفق الوقود وتيار الهواء.
تعتمد غلايات المياه الساخنة على درجات حرارة المياه العالية والمنخفضة كمؤشرات للإيقاف والتشغيل وينشأ عنها تغير مستمر في ضغط البخار مثل أنظمة التحكم المستخدمة في أجهزة التسخين المنزلية التي تعتمد على إشعال الغاز ويقتصر استخدام هذه الأنظمة على الوحدات الصغيرة للحصول على المياه الساخنة أو البخار المشبع بينما لا تصلح لتوليد البخار المحمص فخلال فترات “الإيقاف” لا يوفر هذا النظام تيارًا من الغازات التي تستمد الحرارة المطلوبة من السخانات الفائقة وهناك أيضًا أنواع متعددة من نظام “التشغيل/ الإيقاف” مثل نظام “عالي/ منخفض/ إيقاف” (high/ low/ of) الذي يعتمد على ثلاث وحدات للتحكم بدلًا من وحدتين.
ب) أنظمة تحديد الموضع (Control System Positioning) في هذه الأنظمة تتصل منظمات دفق الوقود بمنظمات سحب الهواء (أو مفاتيح سرعة مراوح السحب) ميكانيكيًا بحيث تظل منظمات سحب تيار الهواء في نفس الوضع طالما بقيت منظمات دفق الوقود دون تغير في موضعها ويتضمن الاتصال الميكانيكي بين جهازي التحكم كامل لتحويل الحركة (cam) تتحدد هيئتها خلال اختبار التشغيل (Commissioning) بإحداث تعديلات يدوية في منظمات دفق الوقود ومنظمات سحب الهواء (dampers) لتوفر أفضل ظروف الاحتراق لاحمال تشغيل الغلاية وتسمى هذه “الأنظمة الدائرة المفتوحة ” (Open- loop) حيث يفترض أن يبقى سريان الهواء من خلال منظمات السحب ثابتًا عند موضع معين، وأن يبقى دفق الوقود من خلال منظم الدفق أيضًا ثابتًا طالما بقيت المنظمات في مواضعها.
تستخدم هذه الأنظمة بشكل تقليدي في غلايات مواسير اللهب، حيث ترتبط مؤشرات التحكم في الضغط بعدد من المجسمات. يختص أحد هذه المجسات بإرسال إشارة إلى منظم دفق الوقود (الذي يرتبط بدوره بمنظم سحب هواء الاحتراق) في حالة وصول مستوى الضغط للقيمة الحدية (المضبوطة سلفًا) فيتولى منظم دفق الوقود إيقاف وصول الوقود إلى معدات الاحتراق، مصحوبًا بإنذار صوتي ومرئي بوجوب اتخاذ إجراءات تصحيحية يدويًا، ويستخدم هذا النظام للتحكم في الغلايات الأوتوماتيكية، ويختص المحبس الثاني بإرسال إشارة كهربية تتناسب شدتها مع قيمة تغير مستوى الضغط عن القيمة الحدية إلى محرك مؤازر (servomotor) متصل بمنظم دفق الوقود ومنظم هواء الاحتراق (أو مفاتيح التحكم في سرعة مراوح السحب) فيعاد تصحيح أوضاعها للوصول بمستوى الضغط إلى القيمة الحدية.
ج- أنظمة التحكم العياري/ التضميني (systems metering modulating control) تحتاج هذه الأنظمة إلى معدات لقياس دفق الوقود أو سريان هواء الاحتراق، في هذه الأنظمة يتم تنظيم دفق الوقود وهواء الاحتراق بواسطة المؤشر الرئيسي للتحكم وهو ضغط البخار. حيث يشير الانخفاض في مستوى الضغط إلى وجوب زيادة مدخلات الوقود/ أو الهواء. عندئذ يقاس دفق الوقود وسريان هواء الاختراق وتقارن (مقارنة ارتجاعية) القياسات في جهاز التحكم في النسبة (ratio controller) ويتم تعديل نسبة الهواء إلى وقود بتشغيل منظم دفق أو سريان أحدهما حتى الوصول إلى النسبة المطلوبة المحددة سلفا. وبذلك يمكن الحفاظ على ظروف الاحتراق المناسبة بغض النظر عن حدوث تغيرات في مقاومة النظام أو خصائص معدات التحكم.
وتسمى هذه الأنظمة أنظمة الدائرة المغلقة. ويمكن بواسطة جهاز التحكم في نسبة الوقود إلى الهواء تعديل دفق الوقود أو سريان هواء الاحتراق يدويًا بسهولة أثناء تشغيل الغلاية للوصول إلى النسبة المناسبة المحددة سلفا. في حالة وجود إنذار بخصوص دفق الوقود أو تغير في خصائصه ينتج عنه تغير في المدخلات الحرارية للغلاية.
نفاثات السناج (Soot blowers) لضمان المحافظة على أفضل أداء وأعلى كفاءة حرارية للغلاية يجب الحفاظ على أسطح التسخين نظيفة باستمرار. مما يستوجب الإزالة المستمرة للمواد التي تترسب على المواسير نتيجة احتراق الوقود. ويؤدي عدم إزالة تلك المترسبات إلى انخفاض معدل انتقال الحرارة من الغازات إلى أسطح التسخين وارتفاع درجة حرارة الغاز.
لذلك يتم تركيب نفاثات السناج في معظم الغلايات التي تستخدم الوقود الصلب وبعض الغلايات التي تستخدم الغاز والنفط في الإشعال (وفقا لخصائص كل نوع) وكذلك في غلايات الحرارة المهدورة (Waste Heat boilers) وذلك لضمان تنظيف أسطح التسخين أثناء تشغيل الغلاية.
وتقوم نفاثات السناجب بضح نفخات موجهة من البخار أو الهواء المضغوط على أسطح التسخين وذلك لتخليصها من السناج وأية مواد أخرى مترسبة عليها، وهناك أنواع متعددة من نفاثات السناج متعددة الفونيات، النفاثات الثابتةـ، النفاثات الانسحابية.
تتكون نفاثات السناج متعددة الفونيات (شكل 2) من ماسورة من الصلب قطرها 50- 64 مم تنفذ من خلال جدار الغلاية، والماسورة مزودة بفونيات متعددة تقوم بإطلاق تيار من البخار (أو أي وسط آخر) ويتناسب وضع الفونيات النفاثة على الماسورة مع الفراغات الموجودة بين مواسير الغلاية ليسمح بتنظيف ممرات الغازات الساخنة بين المواسير ويمكن تدوير نفاثات السناج حول محورها بزاوية تصل إلى 280 بحيث يسهل تنظيف أكبر مساحة ممكن من أسطح التسخين، وفي حالة الاحتياج لتدوير نفاثات السناج حول محورها 360 درجة يتم استخدام مواسير لها صفين من الفونيات المتقابلة قطريا. يمكنها الدوران على المحور بزاوية قدرها 180 درجة ويقدر شعاع التنظيف الفعال (of cleaning effective radius) مقاسًا من محور الماسورة بحوالي. تستخدم نفايات السناج متعددة الفونيات الثابتة (التي تظل معرضة لتيارات الغازات الساخنة لفترات طويلة) في تنظيف الغلايات في الحالات التي لا تزيد فيها درجة الحرارة على 1000 درجة مئوية، نظرا لعدم توافر المواد المناسبة لتصميم نفاثات السناج الثابتة التي تناسب درجات الحرارة الأعلى. لذلك فإن استخداماتها تقتصر على تنظيف أسطح الموفرات (economizers) والأسطح المسخنة بواسطة الهواء وأسطح الحمل الحراري البخاري (conection evaporative). أما نفاثات السناج الانسحابية فتستخدم في الحالات التي تزيد فيها درجات الحرارة المدى الذي تصلح فيه النفاثات الثابتة. وهناك أنواع قصيرة وطويلة من النفاثات الانسحابية، في الأنواع القصيرة شكل (2) تكون الماسورة مزودة بفونيات طرفية تبرز خلف جدار الغلاية مباشرة، ويمكن استخدامها في تنظيف
مواسير جدران غرفة الاحتراق أو أسطح الحمل الحراري في الغلايات الضيقة. عند الانتهاء من عملية التنظيف تسحب الماسورة من تيار الغازات الساخنة.
أما في حالة وجود استخدام نفاثات السناج الانسحابية الطويلة فيمكن تحريك الماسورة وتدويرها على المحور بحيث تمر في تيار الغازات الساخنة وتغطي اتساع الغلاية بالكامل بحيث يأخذ تيار الغازات الساخنة تبدأ الفونيات على الفور في إطلاق البخار، وذلك لضمان تبريد الماسورة بشكل مناسب. وتستمر الفونيات في إطلاق البخار أثناء عودتها وحتى يتم سحبها. ويصل طول ماسورة بعض النفاثات الانسحابية إلى 15 مترًا وفقًا لحجم الغلاية. وفي المواسير الطويلة تتقابل الفونيات الطرفية عند نهاية الماسورة لضمان إتزانها أثناء إطلاق تيارات البخار المنضغط فلا ينشأ عنه انحناء في الماسورة. وتزود الغلايات كبيرة الحجم بنفاثات للسناج على جانبيها وذلك لاختصار طول الماسورة. ويراعى عند تصميم الغلاية وجود الخلوصات الكافية (allowance) عند أسطح التسخين التي تسمح بانحناء ماسورة نفاثات السناج تحت ثقل وزنها.
يصل معدل استهلاك نفاثات السناج للبخار إلى 2- 4 أطنان/ ساعة وهو يمثل نسبة كبيرة من مخرجات البخار للغلايات الصناعية الصغيرة بالنسبة لتعاقب فترات التنظيف. وتقدر فترات التنظيف ببضعة دقائق وفقًا لاتساع الغلاية وعدد النفاثات المستخدمة. ونظرًا لمعدل استهلاك البخار المرتفع تستخدم نفاثات السناج على التوالي ولا تستخدم كلها مرة واحدة حرصًا على مخرجات الغلاية من البخار. ولهذا السبب أيضًا يفضل استخدام نفاثات السناج خلال فترات الأحمال المنخفضة. كما ينبغي أخذ احتياجات النفاثات من البخار في الاعتبار أثناء تصميم أنظمة مياه التغذية.
يمكن تشغيل نفاثات السناج متعددة الفونيات والنفايات الانسحابية يدويًا. غير أن كفاءة التنظيف في هذه الحالة تعتمد فقط على مهارة العامل في تحريك الماسورة لذلك يتزايد حاليًا استخدام نفاثات السناج ذات التحكم الإلكتروني كما هو متبع مع النفاثات الانسحابية الطويلة لضمان الحصول على كفاءة تنظيف مرتفعة ولضمان سحب الماسورة بشكل سليم من تيار الغازات الساخنة. كما يتزايد الاعتماد حاليًا على أنظمة التنظيف الأوتوماتيكي المتعاقب بواسطة معدات تحكم مبرمجة بحيث يتغير تعاقب عمليات التنظيف وفقًا لتغير متطلبات تنظيف الغلاية. ويمكن أيضًا التحكم في عمليات التنظيف بواسطة معدات التحكم عن بعد أو أنظمة التحكم في الموقع.
تستخدم نفاثات السناج عادة في غلايات مواسير المياه التي تعمل لفترات طويلة مما يستوجب وجود نظام للتنظيف المستمر. أما في غلايات مواسير اللهب. التي تعمل لفترات متقطعة فيتم التنظيف يدويًا في فترات توقف الغلاية بواسطة الفرش (brushes) وأنظمة تنظيف تعمل بالتفريغ لإزالة المترسبات السائبة. وهناك طريقة أخرى فعالة لإزالة المترسبات بإطلاق دفعات سريعة من الهواء المضغوط على كل ماسورة لهبية بواسطة “حربة النقر” التي توجه يدويًا على كل ماسورة.
وقد أدخلت حديثًا طريقة مبتكرة للتخلص من المواد المترسبة على مواسير الغلاية تعتمد على إطلاق نبضات سريعة وقصيرة من الهواء المضغوط في فراغ الغلاية. ويمكن ضبط تردد تلك النبضات لتتناغم مع تردد فراغ الغلاية الطبيعي مما يؤدي إلى تضخم الصوت ويؤدي إطلاق نبضات منضغطة إيجابية وسلبية متعاقبة إلى تمدد الغازات التي قد تتواجد في المواد المسامية المترسبة على المواسير لتتسبب في تفتيتها. ويتزايد حاليًا الإقبال على استخدام النفاثات الصوتية (sonic blowers) في غلايات مواسير اللهب وغلايات مواسير المياه بسبب كفاءتها في عمليات التنظيف.
مؤشر منسوب المياه
تستخدم أنظمة تحديد المياه أساسًا في غلايات البخار حيث يمكن رؤية منسوب المياه. ويتكون المؤشر من مقياس زجاجي بسيط أو مزدوج في حالة غلايات الضغط العالي. يتم تركيبه على إسطوانة البخار/ المياه أو على جدار الغلاية (شكل 4) ويجب أن تزود الغلاية بمقياسين كما يجب أن تتخذ كافة الاحتياطات التي تحمي العامل عند حدوث كسر في زجاج المقياس. كما يجب تركيب المقياس الزجاجي في موضع يسهل عنده أخذ القياسات من مستوى التشغيل وأن يكون المقياس مزودًا بإضافة كافية ويتراوح الخطأ في القياسات المأخوذة عن المقياس الزجاجي بين +125 مم من المنسوب العادي.
لقد تطورت أنظمة القياس في السنوات الأخيرة وأصبحت تتضمن أنظمة تعتمد على الأقطاب الحساسة لمنسوب المياه. إما باستخدام خاصية التوصيلية (conductivity) أو الكثافة (capacitance) وتوفر هذه الأجهزة قياسات واضحة على وحدات العرض المرئي بالإضافة إلى قدرتها على إصدار الإشارات التي يتم من خلالها تشغيل معدات التحكم والإنذار.
