معرفی کامل بویلر بخار؛ عملکرد، اجزا و کاربردها

بویلرهای بخار امروزه به دلیل نقش اساسی‌شان در تولید بخار برای نیروگاه‌های حرارتی، پالایشگاه‌ها، صنایع غذایی و سیستم‌های گرمایشی از اهمیت قابل‌توجهی برخوردارند. این تجهیزات انرژی حرارتی را به بخار تبدیل می‌کنندبخار به عنوان حامل انرژی کارآمد، برای حرکت توربین‌ها و تولید برق استفاده می‌شود. همچنین می‌تواند در سیستم‌های گرمایشی به انتقال حرارت کمک کند یا در فرآیندهای شیمیایی در صنایع مختلف به کار رود. بویلرهای بخار با فناوری‌های پیشرفته و منابع انرژی تجدیدپذیر، به کاهش انتشار آلاینده‌ها و بهبود کارایی انرژی کمک می‌کنند. این ویژگی‌ها آنها را در راستای توسعه پایدار مهم می‌سازد.

بویلر بخار چیست؟

دیگ بخار یک دستگاه تولید کننده بخار است که با استفاده از انرژی گرمایی، آب را به بخار تبدیل می‌کند. انرژی حاصل شده از سوخت های فسیلی (مانند گازطبیعی و گازوئیل) به آب منتقل شده و موجب گرم شدن آب و در نهایت تبدیل آن به بخار با فشار و دمای بالا می‌گردد. این بخار به عنوان یکی از منابع مهم انرژی در صنعت استفاده می‌شود. بخار تولید شده توسط بویلر می‌تواند به‌عنوان یک منبع حرارتی برای گرمایش یا برای تولید برق استفاده شود.

انواع بویلر بخار

بویلر بخار از لحاظ ساختاری به دو دسته اصلی واترتیوب و فایرتیوب  تقسیم می‌شود. هر یک از این دو نوع طراحی مزایا و معایب خود را دارند و برای کاربردهای مختلف مناسب هستند.

بویلر بخار فایرتیوب

در این نوع بویلر بخار، گازهای داغ ناشی از احتراق از درون لوله‌ها عبور می‌کنند و آب در اطراف این لوله‌ها قرار دارد. حرارت از طریق دیواره لوله به آب منتقل شده و آن را به بخار تبدیل می‌کند. این نوع بویلرها برای تولید بخار با فشار پایین تا متوسط مناسب هستند.

مزایا: ساخت ساده، هزینه کمتر و مناسب برای ظرفیت‌های متوسط و پایین.

معایب: بازده حرارتی پایین‌تر و توان تولید فشار بخار کمتر نسبت به بویلرهای واتر تیوب.

بویلر بخار واترتیوب

در این نوع بویلر، آب داخل لوله‌ها جریان دارد و توسط حرارت ناشی از گازهای داغ حاصل از احتراق که در خارج از لوله‌ها قرار دارد، به بخار تبدیل می‌شود. این بویلرها به‌طور خاص برای تولید بخار در فشار و دمای بالا طراحی شده است و معمولاً در صنایع بزرگ و نیروگاه‌ها به کار می‌رود.

مزایا: بازده حرارتی بالاتر، توان تولید بخار با فشار بالا و مناسب برای ظرفیت‌های بزرگ.

معایب: ساخت پیچیده‌تر و هزینه بالاتر.

جهت آشنایی کامل‌تر با این نوع بویلر، پیشنهاد می‌شود مقاله “معرفی کامل بویلر واترتیوب و تفاوت آن با بویلر فایرتیوب ” را بررسی کنید.

اجزای بویلر بخار

بویلرهای بخار، چه از نوع فایرتیوب و چه از نوع واترتیوب، از اجزای متعددی تشکیل شده‌اند که هر کدام نقش مهمی در عملکرد صحیح و کارایی بویلر دارند. در ادامه با هرکدام از این اجزا آشنا خواهیم شد.

مشعل

یکی از اجزای اصلی در بویلر بخار،مشعل است که نقش کلیدی در فرآیند احتراق ایفا می‌کند. وظیفه اصلی مشعل ترکیب سوخت (مانند گاز، گازوئیل، مازوت) با هوای مورد نیاز برای احتراق به نسبت مناسب است. این ترکیب به ایجاد شعله‌ای مؤثر و پایدار منجر می‌شود که حرارت لازم برای گرم کردن آب و تبدیل آن به بخار را تأمین می‌کند. طراحی صحیح مشعل تأثیر زیادی بر میزان تولید بخار و راندمان بویلر دارد.

محفظه احتراق

یکی دیگر از اجزای دیگ بخار محفظه احتراق است که فرآیند احتراق سوخت در آن انجام می‌شود. در این بخش، حرارت حاصل از احتراق به آب منتقل شده و باعث تولید بخار می‌شود. طراحی محفظه احتراق باید به گونه‌ای باشد که احتراق تا حد امکان به طور کامل انجام شده و از تشکیل آلاینده‌های مانند ناکس و کربن‌دی‌اکسید جلوگیری شود. همچنین ابعاد محفظه احتراق باید به گونه‌ای باشد که از برخورد شعله با دیواره‌های محفظه احتراق جلوگیری شود. در نتیجه تطابق مشعل و بویلر الزامی است.

لوله‌های آبی و لوله‌های دود

لوله‌های آبی در بویلرهای بخار واترتیوب طراحی شده‌اند تا آب درون آن‌ها جریان داشته باشد و حرارت را از محصولات احتراق جذب کنند، که این امر به تولید بخار با فشار بالا منجر می‌شود. در مقابل، لوله‌های دود در بویلرهای بخار فایرتیوب کاربرد دارند. در بویلرهای بخار فایرتیوب، محصولات احتراق از داخل لوله‌های دود عبور کرده و حرارت را به آب اطراف منتقل می‌کنند. بویلرهای بخار فایرتیوب معمولاً برای تولید بخار با فشار پایین تا متوسط مناسب است

دودکش

یکی دیگر از اجزای دیگ بخار، دودکش است که وظیفه هدایت محصولات احتراق به خارج از بویلر را بر عهده دارد. ارتفاع دودکش در عملکرد بهینه سیستم بویلر بخار و ایجاد مکش مناسب برای تخلیه محصولات احتراق اهمیت دارد.

اکونومایزر

نوعی مبدل حرارتی است که در سیستم‌های بویلر بخار برای بازیابی حرارت از گازهای حاصل از احتراق استفاده می‌شود و قبل از ورود گازهای داغ به دودکش قرار می‌گیرد. در اکونومایزر با تبادل حرارت بین گازهای داغ و آب تغذیه بویلر، دمای آب افزایش پیدا می‌کند. بدین ترتیب مقدار انرژی لازم برای تبدیل آب به بخار را کاهش می‌دهد. این امر باعث کاهش مصرف سوخت و هزینه‌های عملیاتی می‌شود و به افزایش راندمان بویلر کمک می‌کند.

سوپرهیتر

یک نوع مبدل حرارتی دیگر است در آن که بخار اشباع به بخار داغ (سوپرهیت) تبدیل می‌‌شود. استفاده از سوپرهیتر در بویلرهای بخار مزایای قابل توجهی دارد که شامل افزایش کارایی حرارتی، کاهش مصرف سوخت و بهبود کیفیت بخارمی‌شود. با افزایش دمای بخار به دمایی بالاتر از دمای اشباع، سوپرهیتر به بهره‌وری سیستم کمک کرده و امکان تولید بخار با کیفیت بالاتر و فشار بیشتر را فراهم می‌کند. این امر باعث افزایش توان تولیدی بویلر منجر شده و هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد.

شیر اطمینان

دیگر اجزای بویلر بخار،شیر اطمینان است که این شیر وظیفه جلوگیری از افزایش فشار بیش از حد در بویلر بخار را بر عهده دارد. شیر اطمینان یک تجهیز ایمنی است. زمانی که فشار بخار آب در بویلر از حد مجاز فراتر رود، به طور خودکار باز می‌شود. سپس بخار را به خارج از بویلر تخلیه می‌کند.این عمل به جلوگیری از خطرات جدی مانند انفجار یا آسیب به تجهیزات کمک می‌کند.

شیر بلودان (Blow down valve)

شیر آب زیرکش (که به آن شیر بلودان نیز گفته می‌شود) یک دیگر از اجزای دیگ بخار است که در پایین‌ دیگ بخار نصب می‌شود و به منظور تخلیه آب و جلوگیری از انباشت رسوبات طراحی شده است. رسوبات می‌توانند منجر به کاهش کارایی بویلر و انسداد لوله‌ها شوند. با استفاده منظم از شیر بلودان، امکان انباشت رسوبات کاهش می‌یابد و به طول عمر سیستم کمک می‌شود.

لول کنترل یا سطح سنج آب (Water control level)

یکی دیگر از تجهیزات بویلر بخار، لول کنترل یا سطح سنج آب است که وظیفه لول‌کنترل در بویلرهای بخار اندازه‌گیری و کنترل سطح آب در بویلر است. این ابزار به طور مداوم سطح آب را اندازه‌گیری کرده و اطلاعات را به سیستم کنترل یا اپراتور ارسال می‌کند تا از وجود آب کافی در بویلر اطمینان حاصل شود. لول کنترل بویلر بخار، چهار حالت low low ، low، high و high high مربوط به سطح آب را بررسی می‌کند:

• در صورتی که سطح آب در حالت low low باشد، پمپ و مشعل خاموش شده و سیستم آلارم می‌دهد. در این حالت سطح آب آنقدر پایین است که ممکن است لوله‌‌ها آسیب جدی ببینند.
• در صورتی که سطح آب در حالت  low باشد، یعنی مقدار آب داخل بویلر کاهش یافته و پمپ آب روشن می‌شود.
• درصورتی که سطح آب در حالت high باشد، یعنی آب بیشتر از مقدار مورد نیاز وارد بویلرشده و پمپ خاموش می‌شود.
• در صورتی که سطح آب در حالت high high باشد، مقدار آب فراتر از حد مجاز بوده وپمپ و مشعل خاموش شده و سیستم آلارم می‌دهد.

شرکت پاکمن از لول‌کنترل‌های مادولار نوع خازنی و هدایتی استفاده می‌کند. همچنین، کنترلرهای مشعل و بویلر هوشمند را به کار می‌برد. این فناوری‌ها به افزایش ایمنی، کارایی و عملکرد بهینه بویلر کمک کرده و در صرفه‌جویی مصرف انرژی مؤثرند.

گیج دما و فشار

بویلرهای بخار برای اندازه گیری در سیستم بویلر بخار از گیج دما و فشار استفاده می‌کنند. گیج‌های دما و فشار به طور لحظه‌ای دما و فشار بخار تولید شده را اندازه‌گیری کرده و اطلاعات لازم را به اپراتور یا سیستم کنترل ارائه می‌دهند. این گیج‌ها به اپراتور کمک می‌کنند تا از وجود دما و فشار در محدوده‌های ایمن و کارآمد اطمینان حاصل کند.

سیستم کنترل بویلر

این سیستم، که به عنوان کنترل پنل نیز شناخته می‌شود برای نظارت، کنترل و مدیریت عملکرد بویلر و مشعل طراحی شده است. سیستم کنترل بویلر به اپراتورها امکان می‌دهد تا پارامترهای کلیدی بویلر را در زمان واقعی بررسی کنند و تنظیمات لازم را برای بهینه‌سازی عملکرد و ایمنی سیستم انجام دهند. اجزای اصلی سیستم کنترل شامل پنل نمایشگر، حسگرها، PLCها و سیستم‌های ایمنی است. کنترلر AutoFlame یکی از بهترین سیستم‌های کنترلی است که شرکت پاکمن برای کنترل همزمان بویلر و مشعل از آن بهره می‌گیرد.

علاوه بر اجزای اصلی، موتورخانه بویلرهای بخار دارای تجهیزات جانبی متعددی است. این تجهیزات شامل پمپ آب تغذیه، دی‌اریتور، محفظه کندانس و محفظه بلودان (محفظه آب زیرکش) می‌شوند. همچنین سیستم اسمز معکوس، فیلتر و سختی‌گیر آب نیز در این موتورخانه وجود دارند.این اجزا برای عملکرد بهینه و ایمن دیگ بخار ضروری هستند.

پمپ آب تغذیه

در بویلر بخار یکی از انواع پمپ‌های طبقاتی، پمپ آب تغدیه است که وظیفه پمپاژ آب مورد نیاز بویلر را بر عهده دارد. این پمپ، آب را از مخازن آب ذخیره به داخل بویلر پمپاژ می‌کند تا فرآیند تبدیل آب به بخار به طور مداوم ادامه یابد. پمپ آب تغذیه باید فشار کافی داشته باشد تا آب را به داخل بویلر، که معمولاً تحت فشار بالاست، وارد کند. پمپ آب تغذیه معمولا بعد از دی اریتور قرار می‌گیرد.

دی اریتور (Deaerator)

یک تجهیز حیاتی در سیستم‌های بویلر بخار است که وظیفه اصلی آن حذف گازهای محلول در آب، به ویژه اکسیژن و کربن ‌دی‌اکسید، از آب تغذیه بویلر است. وجود گاز کربن دی‌اکسید در آب، باعث تشکیل اسید کربنیک می‌شود. اسیدی شدن آب موجب خوردگی تجهیزات و کاهش طول عمر آنها می‌شود. بنابراین حذف این گازها باعث افزایش عمر تجهیزات، بهبود راندمان بویلر و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری می‌شود. عملکرد دی اریتور به این صورت است که آب ورودی (معمولا ترکیب آب محفظه کندانس و آب تصفیه شده است) از بالا وارد دی اریتور شده و سپس وارد محفظه دی اریتور می‌شود.

بخشی از بخار تولیدی بویلر، از پایین وارد دی اریتور شده و باعث افزایش دمای آب داخل می‌شود. با توجه به اینکه قابلیت انحلال پذیری گازها در آب با افزایش دما کاهش می‌یابد، با ورود بخار آب و افزایش دمای آب داخل دی اریتور،  گازهای اکسیژن و کربن دی‌اکسید محلول، از آب جدا شده و از بالای دی‌اریتور خارج می‌شوند. در نهایت آب خروجی از دی اریتور از طریق پمپ آب تغذیه وارد بویلر می‌شود. یکی دیگر از مزایای استفاده از دی اریتور، پیش گرمایش آب ورودی به بویلر تا دمای حدود 100 درجه سانتیگراد است.

دی‌اریتورها معمولا در ارتفاعی بالاتر از بقیه تجهیزات قراردارند. این کار باعث می‌شود که هم فشار هیدرواستاتیک بیشتری در ورودی بویلر ایجاد شده و هم از وقوع پدیده کاویتاسیون در پمپ آب تغذیه جلوگیری ‌شود.

محفظه کندانس (Condensate tank)

محفظه کندانس بخشی از سیستم بویلر بخار است که وظیفه جمع‌آوری و ذخیره آب حاصل از چگالش بخار آّب را بر عهده دارد. هنگامی که بخار در فرآیندهای گرمایشی یا تجهیزاتی مثل تله بخار به آب تبدیل می‌شود، این آب به محفظه کندانس بازمی‌گردد. آب کندانس شده هنوز دارای انرژی حرارتی است که می‌توان از آن دوباره استفاده کرد. از این رو، آب تقطیر شده وارد محفظه دی اریتور شده و گازهای محلول در آن جدا می‌شود. در نهایت این آب از طریق پمپ آب تغذیه به بویلر بازگردانده شده تا دوباره به بخار تبدیل شود.

مخزن بلودان (Blow down tank)

آب خارج شده از شیر بلودان، دارای دما و فشار بالایی است. برای هدایت آب بلودان به فاضلاب، ضروری است که بخار فلش (flash steam) موجود در لوله‌ها تخلیه شده و دمای آب ورودی به فاضلاب نیز کاهش یابد. به همین دلیل از مخزن بلودان استفاده می‌شود. با ورود آب با فشار و دمای بالا به داخل مخزن بلودان، فشار آن کاهش پیدا می‌کند. بخار فلش از قسمت ونت بالای مخزن به اتمسفر تخلیه شده و آب جمع آوری شده از پایین مخزن، وارد فاضلاب می‌شود. برای کاهش دمای آب، از یک سیال خنک‌کننده استفاده می شود.

در برخی موارد، برای بهبود راندمان سیستم، بخار خروجی از ونت مخزن بلودان به مصرف‌کننده منتقل شده و مشابه با بخار تولیدی بویلر بخار مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین می‌توان آب داخل مخزن بلودان را به داخل یک مبدل حرارتی منتقل و از انرژی آن استفاده کرده و سپس آن را به فاضلاب تخلیه نمود.

سیستم اسمز معکوس (Reverse Osmosis)

یکی از روش‌های تصفیه آب سیستم اسمز معکوس است که برای حذف ذرات درشت مانند آلودگی‌ها و رسوباتی مثل نمک از آب تغذیه بویلر استفاده می‌شود. اسمز یک فرایند فیزیکی است که در آن آب تصفیه نشده از درون یک غشای نیمه تراوا عبور می‌کند. منافذ غشای نیمه تراوا به مولکول های آب اجازه می دهد تا از آن عبور کنند. نمک در سمت ورودی باقی می‌ماند و از سیستم استخراج می‌شود. استفاده از سیستم اسمز معکوس در بویلرهای بخار به طور چشمگیری کیفیت آب تغذیه را بهبود می‌بخشد و به کاهش تشکیل رسوب در بویلر کمک می‌کند. رسوبات ناشی از نمک‌ و سایر آلایندگی‌ها می‌توانند منجر به آسیب به تجهیزات و کاهش عمر آنها شوند.

فیلتر و سختی‌گیر آب

دو تجهیز مهم در سیستم دیگ بخار هستند که به بهبود کیفیت آب تغذیه و جلوگیری از تشکیل رسوب کمک می‌کنند. فیلتر آب، معمولاً برای حذف آلاینده‌های درشت از آب تغذیه استفاده می‌شود. این فیلترها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که آب را از میان لایه‌های مختلف فیلتر عبور می‌دهند و ذرات بزرگ‌تر را جدا می‌کنند. با این کار، کیفیت آب تغذیه بهبود یافته و خطرات ناشی از رسوب‌گذاری در بویلر کاهش می‌یابد.  سختی‌گیر آب به منظور حذف یون‌های کلسیم و منیزیم که باعث سختی آب می‌شوند، به کار می‌رود.

این یون‌ها می‌توانند منجر به تشکیل رسوبات سخت در بویلر شوند که به نوبه خود کارایی سیستم را کاهش و هزینه‌های نگهداری را افزایش می‌دهد. سختی‌گیرها معمولاً با استفاده از فرآیند تبادل یونی عمل می‌کنند؛ در این فرآیند، یون‌های کلسیم و منیزیم با یون‌های سدیم جایگزین شده و در اصطلاح آب نرم‌تری برای استفاده در بویلر تولید می‌شود.

عملکرد بویلر بخار

عملکرد به فرآیند تبدیل آب به بخار و استفاده از آن برای تولید انرژی یا گرما مربوط می‌شود. برای تأمین آب لازم، از پمپ آب تغذیه استفاده می‌شود که آب را به داخل بویلر پمپاژ کرده و فشار آن را افزایش می‌دهد. آب تغذیه قبل از ورود به بویلر، ابتدا در سیستم اسمز معکوس و سختی‌گیر آب، املاح و یون‌های مضر آن مانند کلسیم و منیزیم حذف می‌شوند تا از تشکیل رسوب در بویلر جلوگیری شود. سپس در دی‌اریتور، گازهای محلول مانند اکسیژن و دی‌اکسید کربن از آب جدا شده تا از خوردگی تجهیزات جلوگیری شود.

در داخل بویلر، سوخت (مانند گاز طبیعی یا گازوئیل) و هوا در مشعل با نسبت مناسب مخلوط شده، احتراق صورت گرفته و شعله تشکیل می‌شود. انرژی حرارتی حاصل از گازهای احتراق به آب موجود در بویلر منتقل می‌شود و با افزایش دما، آب به بخار تبدیل می‌گردد. برای افزایش کارایی، از اکونومایزر برای پیش‌گرم کردن آب تغذیه و از سوپرهیتر برای تولید بخار داغ استفاده می‌شود تا از انرژی گازهای داغ پیش از خروج از دودکش استفاده شود.

محفظه کندانس نیز بخار کندانس شده در تله‌های بخار را به آب تبدیل کرده و دوباره به چرخه برمی‌گرداند. در نهایت، بخار تولید شده به سیستم‌های مصرف‌کننده مانند توربین‌های بخار یا مبدل‌های حرارتی هدایت می‌شود تا انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی یا گرما تبدیل شود.

کاربردهای بویلر بخار

بویلرهای بخار در صنعت برای تولید بخار به منظور استفاده در فرآیندهای مختلف به کار می‌روند. این بخار در تولید برق در نیروگاه‌ها، گرمایش در مبدل‌های صنعتی، فرآیند استریلیزاسیون در صنایع پزشکی و پخت و پز در صنایع غذایی نقش حیاتی دارد. در پالایشگاه‌ها نیز بخار برای انجام فرآیندهایی مانند تقطیر نفت خام به محصولات مختلف (مثل بنزین، گازوئیل و سایر فرآورده‌ها) به کار می‌رود.

بویلر بخار کلید پیشرفت صنعت

بویلر بخار به عنوان یکی از ارکان اساسی در فرآیندهای صنعتی، نقشی کلیدی در پیشرفت و توسعه صنایع ایفا می‌کند. با توانایی تولید بخار با کیفیت بالا و تأمین انرژی مورد نیاز برای سیستم‌های حرارتی، بویلرهای بخار به بهبود کارایی و کاهش هزینه‌های عملیاتی در صنایع کمک می‌کنند. بدین ترتیب دیگ بخار همچنان به عنوان کلید پیشرفت صنعت و رمز موفقیت در تحقق اهداف توسعه پایدار باقی می‌ماند.

گروه صنعتی پاکمن با هدف ارائه راهکارهای نوین و کارآمد برای تأمین نیازهای حرارتی صنایع، بویلرهای متنوعی از جمله بویلرهای آب و بخار را تولید می‌کند. این بویلرها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند به راحتی با سیستم‌های موجود سازگار شوند و در عین حال از نظر ایمنی و عملکرد در بالاترین سطح ممکن قرار دارند. با توجه به تجربه و تخصص این گروه در حوزه بویلرها، محصولات پاکمن به عنوان یک گزینه مطمئن و اقتصادی برای صنایع مختلف در نظر گرفته می‌شوند.