الغلايات ووصف وحدات توليد الطاقة
د.م/ سامح أمين عبد العزيز إبراهيم
هناك أنواعا مختلفة من الغلايات أبسطها هو الغلايات الأسطوانية ذات الغلاف (Shell type boiler) والتي يتم تسخينها بواسطة لهب مسلط على جدران ماسورة اللهب. وينبغي عند اختيار نوع الغلاية، أو تصميمها، أن تتم مراجعة العوامل الحرارية والهيدروليكية والإنشائية ونوع الوقود ومنظومة الاحتراق، لتناسب أغراض التشغيل وتختلف المشاكل المرتبطة بالغلايات عموما تبعا لنوع الغلاية ونظام تشغيلها، لذلك فإنه من المناسب الإلمام ببعض المصطلحات مثل، الغلاية، مولدات البخار، غلايات الضغط الحرج، الضغط المنخفض، الضغط العالي، البخار، وغلايات تسخين المياه الساخنة (hot water heating boil- ers)، وغلايات الإمداد بالمياه الساخنة وتتضمن مواد القوانين المختلفة، وكذلك الرموز المدونة على الغلايات، التعريفات التالية الخاصة بمتطلبات التركيب أو إعادة التفتيش، وتراخيص تشغيل الغلايات.
الغلاية أو مولد البخار:
هي وعاء ضغط محكم يتم تسخين السوائل بداخله (غالبا المياه)، فإذا كان الغرض من استخدام الغلاية هو الحصول على المياه الساخنة فيطلق عليها اسم “غلاية المياه الساخنة” (hot-water boil). أما إذا كان الغرض من استخدام الغلاية هو توليد البخار (الرطب، المشبع، أو المحمص) تحت ضغط مرتفع فيطلق عليها اسم “مولد البخار” (steam generator) يتم تسخين المياه في الغلاية بواسطة الحرارة الناتجة عن حرق الوقود (صلب، سائل، غازي) أو باستخدام الكهرباء أو الطاقة النووية. وتنتقل الحرارة إلى المياه داخل الغلاية عن طريق أسطح التسخين.
ويتطلب تشغيل الغلاية وصيانتها والتفتيش عليها فريقا من الفنيين على مستوى عال من التدريب. كما يحتم التطوير المستمر في تقنيات التحكم وأجهزة القياس إلمام القائمين بتشغيل الغلاية بإجراءات التحكم القائمة على أساس نظام متكامل يتضمن المتغيرات التالية:
- أحمال التدفق الحراري Load flow for heat، توليد الطاقة الكهربية.
- تدفق الوقود وكفاءة الاحتراق.
- تدفق الهواء اللازم للاحتراق التام الذي ينتج عنه أقل تركيز للملوثات.
- معدلات تدفق المياه والبخار لمتابعة التغير في الأحمال.
- حالة ومعدلات سريان عوادم احتراق الوقود للحصول على أكبر قدر من الطاقة الحرارية.
كما يتطلب تشغيل الوحدات الأوتوماتيكية معرفة أساليب التشغيل الأمثل وكيفية عمل نظم التشغيل للحصول على أفضل النتائج غير أن تشغيل الوحدات الأوتوماتيكية لا يغني عن الإلمام التام بأساليب التشغيل اليدوي التي يتم اللجوء إليها في حالة حدوث أعطال طارئه مما يلزم القائمين على عمليات التشغيل بمعرفة كافة تفاصيل نظام الغلاية حتى يتمكنوا من إصلاح الأعطال بشكل سريع وفي حالة استحالة الوصول إلى موقع العطل بالغلاية فإنه يمكن بواسطة أجهزة القياس الحديثة والبرمجيات تتبع العمليات في مختلف مراحل نظام الغلاية لمعرفة إذا ما كان العطل مرتبط فقط بأجهزة أم أن أحد مكونات النظام أصابه عطل كهربي أو ميكانيكي.
وصف وحدات توليد الطاقة:
تعتبر وحدات توليد البخار هي أهم مصادر الطاقة في المنشآت الصناعية وتتضمن تلك الوحدات خطين رئيسيين، خط الوقود وخط المياه، وهما خطان منفصلان تماما عن بعضهما من حيث انتقال الكتلة (mass transfer)، والعلاقة الوحيدة بين الخطين تتم من خلال انتقال الحرارة الناتجة من حرق الوقود إلى المياه والتي ينتج عنها توليد البخار. ويمكن التفريق بين وحدات توليد البخار المختلفة اعتمادا على ما يلي:
- تصنيف الغلايات وفقا لنوع وحدة توليد البخار.
- تصنيف الغلايات وفقا للاستخدام.
- تصنيف الغلايات وفقا لنوع الوقود.
- تقنيات معالجة المياه.
وهناك وحدات أخرى لتوليد الطاقة يتم استخدامها في الصناعة مثل
- مولدات الديزل.
- التوربينات الغازية.
تصنيف الغلايات وفقا لنوع وحدة توليد البخار:
لا يوجد ارتباط مباشر بين أنواع الغلايات وانبعاث الملوثات في ظروف التشغيل العادية، ومع ذلك فإن الإلمام بكيفية تشغيل كل نوع منها يلقي الضوء على عمليات التحكم في التشغيل لتجنب الأعطال من خلال الصيانة الوقائية.
ويمكن تصنيف الغلايات المستخدمة في الصناعة إلى:
- غلايات مواسير اللهب أو غلايات الغلاف الجدارى (Fire tube or Shell).
- غلايات مواسير المياه.
- الغلايات المركبة (مواسير لهب ومواسير مياه).
وتنقسم أنواع غلايات مواسير المياه وفقا لأسلوب صناعتها إلى
- غلايات سابقة التجميع (تجميع المصنع) (shop – as – sembled).
- غلايات نسقية (modular)
- غلايات تجمع بالمواقع (site as – sembled).
غلايات مواسير اللهب (Fire – tube boiler):
في هذا النوع من الغلايات تتدفق الغازات الساخنة الناتجة عن الاحتراق عبر مسارات (غالبا ما تكون على شكل مواسير) تمر داخل وعاء للماء. كما يحتوى هذا الوعاء أيضا على ماسورة كبيرة (ماسورة اللهب (Flame tube يتم بداخلها حرق الوقود. غالبا ما تستخدم غلايات مواسير اللهب لإغراض التسخين والأغراض التجارية والاستخدامات الصناعية وتؤثر متطلبات انتقال الحرارة على شكل الغلاية وتركيبها بحيث يسمح تصميها باستخلاص ونقل أكبر قدر من الطاقة الحرارية الناتجة عن الاحتراق إلى المياه.
ويمكن تصنيف غلايات مواسير اللهب إلى: غلايات مواسير اللهب أفقية العائدة (Horizontal- return – tubular)، الغلايات الاقتصادية أو غلايات صندوق الاحتراق ) Fire box)، غلايات القطارات المزودة بصندوق الاحتراق (type locomotive firebox)، غلايات مواسير لهب القائمة، الغلايات القائمة عديمة المواسير، الغلاية البحرية (الغلاية الاسكتلندية) (Sctch ma- rinc) وهذا النوع الأخير من الغلايات شائع الاستخدام للأغراض الصناعية ولأغراض التسخين، وهي غلاية مواسير لهب ذات سعة تصل إلى 20000كجم/ الساعة، أما غلايات مواسير المياه فتستخدم في السعات الأكبر، وحيث أن الغلايات البحرية هي الأكثر استخداما صناعيا وتجاريا فإن كافة غلايات مواسير اللهب الواردة في هذه الدراسة يقصد بها هذا النوع من الغلايات وتستخدم غلايات مواسير اللهب أساسا في الخدمات البحرية إذ يمكن تصميم غلايات منضغطة الحجم من هذا النوع لا تحتل مساحة كبيرة حيث أن الفرن يمثل جزءا أساسيا من تصميم الغلاية.
وتباع غلايات اللهب في صفقات شاملة تتضمن وعاء الضغط (pressure vessel)، الحارق، المنظمات والمكونات الأخرى مجمعة على شكل وحدة يتم اختبارها بالكامل من قبل المصنع قبل شحنها إلى الجهة المطلوبة، ويتم تسليمها كمنتج سابق التركيب ومعد ليحتل مكانه المحدد داخل المنشأة بسرعة بعد توصيله بمصادر الكهرباء وخط إمداد الوقود والمياه وفي بعض الحالات يتضمن سعر الغلاية ثمن أجهزة الإشعال. ويتولى أحد الفنيين المتخصصين من طرف الشركة المنتجة إجراءات بدء تشغيل الغلاية في المنشأة الصناعية وإعادة ضبط مفاتيح التحكم والتأكد من سلامة عمل الغلاية بالإضافة إلى قيامه بتدريب أحد العاملين بالمنشأة على كيفية التعامل مع الأعطال التي قد تطرأ أثناء التشغيل. وحتى وقت قريب في مصر كانت الشركة المنتجة لهذا النوع من الغلايات هي “شركة النصر للمراجل البخارية وأوعية الضغط” والتي أصبح أسمها بعد التخصيص بابكوك وويلكوكس (Babcock & Wilcox) وحاليا تسمى المجموعة العالمية لصناعة الغلايات والمنشآت المعدنية.
وهناك نظامان لحركة غازات العادم الساخنة داخل غلايات مواسير اللهب: غلايات الإرجاع الجاف وغلايات الإرجاع الرطب (wet and dry- back furnace) ويتشابه تصميم النظامان من حيث وجود الجدار الأسطواني الخارجي للغلاية والفرن ومواسير اللهب الأمامية والخلفية وفي نظام الإرجاع الجاف تنطلق غازات العادم الساخنة من ماسورة اللهب (الفرن) حتى تصل إلى المنطقة الخلفية للغلاية فتدخل في غرفة الإرجاع المزودة عند نهايتها بطوب حراري فينعكس مسار الغازات صوب أنابيب اللهب في مقدمة الغلاية حيث تصل إلى صندوق الدخان الأمامي فيعكس اتجاهها للمرة الثانية صوب المنطقة الخلفية للغلاية إلى المدخنة، ويطلق على هذا النوع من الغلايات: غلايات ثلاثية المسار (الممرات) (three – pass boilers). أما في نظام الإرجاع الرطب فإن غرفة الإرجاع الموجودة في المنطقة الخلفية من الغلاية تكون محاطة تماما بالمياه لذلك لا يلزم وجود طوب حراري.
نظرا لكبر مساحة أسطح التسخين في غلايات الإرجاع الجاف فإنها تعد أسرع في إنتاج البخار من غلايات الإرجاع الرطب، وتكون تصميماتها أكثر انضغطا وأسهل في التركيب. وهي قليلة الانتشار في الوقت الحالي.
يتم تصميم أفران غلايات مواسير اللهب بحيث تستطيع تحمل مستويات الضغط المرتفع التي تتعرض لها، وتحتاج الغلايات ذات الأفران الضخمة إلى أحد أساليب التثبيت التالية:
- تمويج جدران الفرن (corrugating).
- تقسيم الفرن إلى قطاعات تربط بينها كمرات تقوية (stiffening flanges).
- استخدام دعامات تقوية ملحومة.
- تركيب مسامير تثبيت (stay bolts) بين الفرن والغلاف الخارجي.
يصل قطر غلاف غلاية مواسير اللهب إلى حوالي ثلاثة أمتار، وتكون مساحة مقطع المنطقة العلوية للغلاية كبيرة، لذلك تحتاج هذه المنطقة إلى دعامات تثبيت قطرية يتراوح قطرها بين 2-3 بوصة.
يتضمن تصميم الغلايات الضخمة، حيث تزيد المدخلات الحرارية عن 12 ميجاوات، أكثر من فرن واحد (اثنين أو أكثر) يوضح (شكل رقم1) مقطعا في إحدى غلايات مواسير اللهب ثلاثية الممرات، التي تسمح بالاحتفاظ بسرعة عالية وثابتة لغازات العادم. تفقد غازات العادم حرارتها أثناء مرورها خلال ممرات الغلاية الثلاثية عن طريق انتقال الحرارة للمياه ويتبع انخفاض درجة حرارة الغازات انخفاض في حجمها. لذلك يراعى أثناء التصميم تخفيض عدد المواسير تدريجيا لتتناسب مع انخفاض حجم غازات العادم للحفاظ على سرعتها وعلى معدل انتقال الحرارة ثابتا. وتنتقل الحرارة في الفرن عن طريق الإشعاع الحراري، ويوفر الفرن حوالي 65٪ من المخرجات الحرارية للغلاية على الرغم من احتوائه على 7 أو 8٪ فقط من مساحة أسطح التسخين الكلية ويراعى في تصميم الفرن أن يسمح حجمه بإتمام احتراق مزيج الهواء والوقود قبل وصول غازات العادم إلى ممرات المواسير. ويراعى التصميمات ألا يزيد معدل إطلاق الحرارة في الفرن (heat – reease) عن 1.8 ميجاوات/م3 من حجم الفرن، وإلا تصبح نسبة الهواء إلى الوقود حرجة، حيث قد تؤدي المعدلات الحرارية التي تزيد عن 1.8 ميجاوات م3 إلى استمرار احتراق الوقود حتى مدخل الممر الثاني للمواسير فيتسبب ذلك في تشقق نهايات المواسير واللحامات بين الفرن وألواح المواسير الخلفية. وتصل درجة حرارة غازات العادم في غرفة الإرجاع إلى 950م، في حالة استخدام الوقود السائل، وإلى 1150م في حالة استخدام الوقود الغازي. ويؤدي ترسب القشور أو أية مواد أخرى إلى زيادة التشققات والتصدعات بسبب معدلات إطلاق الحرارة الزائدة. لذلك فإن المعالجة السليمة لمياه التغذية تعد من أهم الإجراءات التي تضمن التشغيل الآمن والكفاءة العالية لانتقال الحرارة.
يتسبب استخدام أنواع الوقود التي تحتوي على الكبريت في ظهور مشاكل تآكل مكونات الغلاية. ويحدث التآكل عندما تنخفض درجات حرارة الأسطح أو المواسير إلى حد أدنى من نقطة الندى الحامضية (point acid dew) مثلما يحدث في أنظمة الإشعال (تشغيل/ إيقاف: firing on/off). ويصل التآكل إلى أعلى المعدلات عندما تنخفض درجة الحرارة إلى اقل من نقطة ندى الماء ويتطلب نظام “تشغيل/ إيقاف” للإشعال القيام بإجراءات كسح الفرن قبل الإشعال (purging)، والذي يترتب عليه تغير مستمر في درجات الحرارة يؤدي إلى زيادة في التشققات نتيجة لتعاقب حالات التمدد والانكماش. تميل التصميمات إلى تصغير حجم الغلاية مما يؤدي إلى صعوبة الوصول إلى أسطح التسخين للقيام بإجراءات التفتيش والصيانة، لذلك تتسبب المعدلات العالية لانتقال الحرارة في الغلايات الحديثة في التسخين الزائد (over heating) الذي يترتب عليه تفكيك ألواح المواسير وتشقق الوصلات بينها وتصدع اللحامات في مناطق التسخين الشديد، وحدوث انبعاجات في جسم الفرن وانخفاض المياه.
غلايات مواسير المياه
أدى تطور الصناعة خلال القرنين الماضيين إلى زيادة استخدامات الغلايات لتوليد البخار. وقد ارتبط التوسع في استخدام الغلايات بحدوث انفجارات ضخمة في بعض الحالات لأسباب مختلفة، حيث كانت الغلايات في تلك الفترة تتكون من وعاء ضغط يتعرض لمستويات ضغط داخلي مرتفعة تؤدي إلى وقوع إجهاد شد على الحوائط الداخلية للغلاية (tensile stress) معروف باسم الإجهاد الحلقي (loop stress) ويتم تقديره بواسطة المعادلة التالية:
| P X D | = | S |
| 2T |
حيث:
S الإجهاد الحلقي
P ضغط التشغيل الداخلي
D قطر الوعاء
T سمك المادة العدنية
ويتضح من المعادلة أنه: لأي قيمة لـ(S) فإن زيادة قطر الغلاية مع زيادة مخرجاتها ينبغي أن تصحبه زيادة في سمك المعدن (T). فإذا زادت قيمة ضغط التشغيل (P) فإن الوسيلة الوحيدة للحفاظ على ثبات قيمة (S) تنحصر إما في تصغير قطر الغلاية (D) أو زيادة سمك المعدن(T). والحل الأخير يؤدي إلى ارتفاع تكاليف صناعة الغلاية وزيادة حجمها. أما الحل الآخر وهو تصغير قطر الغلاية فيمثل حلا عمليا. ويمثل هذا التصور التصميم الأساسي لغلايات مواسير المياه حيث تتواجد المياه داخل مواسير تتدفق من حولها نواتج الاحتراق (الغازات الساخنة) كما هو موضح في (شكل رقم2) تتكون أسطح التسخين في الغلاية من مجموعة من المواسير، بعضها معرض مباشرة للهب والبعض الآخر معرض لتدفق الغازات الساخنة الناتجة عن احتراق الوقود.
وتزود مجموعات المواسير بعوارض حارفة (Baffles) تعمل على إيجاد مسارات متعددة لتيار الغازات الساخنة المتدفق لتزيد من كفاءة أسطح التسخين. وبهذا تنتقل الحرارة إلى المياه في الغلاية عبر مواسير رقيقة المقطع بسمك جدار الغلاية ذات مواسير اللهب. ويمكن بالتالي زيادة ضغط التشغيل (working pres – sure) أكثر مما هو متاح في غلايات مواسير اللهب. كما يمتاز هذا النوع عن غلايات مواسير اللهب من ناحية انخفاض الأضرار التي قد تنتج من حدوث تشققات بأحد المواسير إذا ما قورنت بالأضرار التي قد تنتج من جراء تصدع أو تشقق الحارق أو الجدار المحيط بالغلاية ذات مواسير اللهب. وقد استمر العمل بهذا التصميم لفترة طويلة رغم مستويات الضغط المحدودة التي يوفرها، ثم ظهرت الغلايات متعددة الأسطوانات (multi – drum boilers) وعرفت الأسطوانات السفلى التي تترسب فيها شوائب المياه باسطوانات الطين (mud drums).
وكانت الغلايات القديمة تتضمن حوائط من الطوب مبطنة من الداخل، حيث توجد مواسير المياه، بطوب حراري. ومع التطويرات التي طرأت على تصميم الغلايات، أصبحت الأسطح الخارجية لهذه الحوائط مغطاة جزئيا بمواسير للمياه وأطلق عليها حوائط المياه (water – walls)، تتصل المواسير بأسطوانة البخار إما مباشرة أو بواسطة مجمع توزيع (header). وتمتص حوائط المياه جزء من الطاقة الحرارية الناتجة عن الاشتغال لتخفيض درجة حرارة غازات العادم قبل وصولها على مجموعات مواسير الحمل الحراري (convection bank). ومع تطور التصميمات زادت المساحة المغطاة بمواسير المياه وانخفضت معها كمية الحرارة المفقودة عن طريق التسرب من الجدران إلى الجو.
وأدخلت تطويرات كثيرة على النظام الأساسي لغلايات مواسير المياه، فأصبح الحائط الطوبي الداخلي مغطى تماما بأسطح يتم تبريدها بواسطة المياه. وتتكون الجدران إما من مواسير متلامسة: “مواسير التماس” (tangent tubes) أو مواسير تتصل ببعضها بواسطة ألواح من الصلب ملحومة محوريا: “الجدران الملتحمة” (welded walls).
ومع ازدياد مستوى ضغط التشغيل واستخدام الموفرات (economizers) وسخانات الهواء لم تعد هناك حاجة لاستخدام عددا كبيرا من الأسطوانات في الغلاية، وأصبحت الغلايات ذات الأسطوانتين هي أكثر الأنواع شيوعا في الاستخدام الصناعي، إذ يصل مستوى ضغط التشغيل فيها إلى 100 بار. وهناك أيضا عددا من الأنواع غلايات مواسير المياه ذات أسطوانة واحدة متوافرة في الأسواق. يوضح (جدول رقم1) خصائص غلايات مواسير اللهب ومواسير المياه.
الغلايات المركبة (Composite Boilers)
تقوم فكرة تصميم هذا النوع الحديث من الغلايات على دمج طريقة تشغيل غلايات مواسير اللهب ومواسير المياه معا كما هو موضح في (شكل رقم3).
في هذا التصميم تم استبدال أسطوانة البخار ومجموعة مواسير الحمل الحراري
| مواسير اللهب | مواسير المياه |
| محدد بمقدار 20- 30 بار (20 بار للغلايات ذات الحجم الأكبر) | غير محدد |
| محدد بحوالي 20 ميجاوات | غير محدد |
| كافة أنواع الوقود التجاري | غير محددة حيث أنه يمكن تصميم الفرن ليناسب نوعاً معيناً من الوقود نظرا لاتساعه |
| منخفضة مقارنة بمواسير المياه | يمكن تجميعها بمحل البيع أو تركيبها في الموقع |
| 80%-85% (القيمة الحرارية الإجمالية) تبعاً لنوع الوقود ويمكن زيادة النسبة بتزويد الغلاية بالموفر | 85%- 90% (القيمة الحرارية الاحتمالية) تبعاً لنوع الوقود. الغلاية مزودة بالموفر أو بمسخن هواء متقدم ويمكن استخدام الاثنين لزيادة الكفاءة إلي حد أقصي |
| تسخين مياه توليد بخار للعمليات الصناعية | – توليد بخار للعمليات الصناعية
– توليد بخار لتوليد الطاقة الكهربية |
(جدول رقم1) خصائص غلايات مواسير اللهب وغلايات مواسير المياه
الخاصية بغلاية مواسير المياه التقليدية بغلاف جدار يحتوي علي عدد كبير من المواسير المجوفة أي تم استبدالها بغلاية مواسير لهب بدون الفرن. وهي هذا التصميم تتصل الجدران المائية للفرن بغلاية مواسير لهب تعمل أيضاً كأسطوانة للبخار بواسطة مجموعة من الأنابيب ويجمع هذا التصميم مميزات نوعي غلايات مواسير اللهب والمياه: فهو اقتصادي منخفض لإطلاق البخار، كما يتيح إمكانية ترتيب فرن مواسير المياه وحجماً متغيراً لغرفة الاشتعال يناسب معدات الإشعال الخاصة بنوعية
