معرفی کامل بویلر واتر تیوب‌، عملکرد‌، اجزا و ساختمان بویلر

بویلرها به‌عنوان قلب سیستم‌های گرمایشی و تولید بخار در صنایع مختلف، نقشی حیاتی در تأمین انرژی مورد نیاز دارند. از میان انواع مختلف بویلرها، بویلرهای واتر تیوب یا لوله آبی، به‌خاطر قابلیت‌های منحصربه‌فرد خود، به‌ویژه در فشارها و دماهای بالا، توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده‌اند. این بویلرها با طراحی خاصی که دارند، امکان تولید بخار و آب گرم در ظرفیت‌های بالا را فراهم می‌کنند و در بسیاری از صنایع، از جمله نیروگاه‌های حرارتی، پتروشیمی‌ها و صنایع غذایی، کاربرد گسترده‌ای دارند.

در این مقاله، به بررسی اجزای مختلف بویلر واترتیوب، نحوه عملکرد و مزایا و معایب آن‌ خواهیم پرداخت. همچنین، به مقایسه این بویلرها با بویلرهای فایرتیوب و تحلیل کاربردهای متنوع آن‌ها در صنایع مختلف خواهیم پرداخت. با توجه به تحولات روزافزون در فناوری و نیازهای متغیر صنعت، شناخت دقیق این نوع بویلرها می‌تواند به بهره‌وری بیشتر و بهینه‌سازی فرآیندها کمک کند.

برای آشنایی اولیه با بویلرها، می‌توانید مقاله تخصصی و جامع بویلر چیست را مطالعه کنید.

بویلر واتر تیوب چیست؟

بویلرها دسته‌ای از تجهیزات صنعتی هستند که عموماً برای تولید آب گرم یا بخار مورد نیاز صنایع یا سیستم‌های گرمایشی به کار می‌روند. بویلرها یا دیگ‌ها از نظر نوع ساختار و عملکرد به دو دسته واترتیوب و فایرتیوب تقسیم می‌شوند. بویلرهای واترتیوب یا لوله آبی دارای دیواره‌هایی هستند که آب داخل آن‌ها جریان پیدا می‌کند و معمولاً برای ظرفیت‌های بالاتر و فشارهای بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. از بویلر واتر تیوب در صنایع مختلف مانند نیروگاه‌ها، پتروشیمی‌ها، صنایع شیمیایی و … برای تولید آب گرم یا بخار استفاده می‌شود.

نحوه عملکرد بویلر واتر تیوب

بویلر واترتیوب از انرژی گرمایی حاصل از احتراق برای گرم کردن یک سیال استفاده می‌کند. این بویلرها به شکل محفظه‌هایی هستند که دیواره‌های آن‌ها از لوله‌های کنار هم قرار گرفته تشکیل می‌شود. داخل این لوله‌ها آب جریان پیدا می‌کند و در فضای داخلی محفظه نیز شعله تشکیل می‌شود. حرارت از طریق مکانیزم‌های تابشی، جابه‌جایی و رسانش از محصولات احتراق به آب منتقل شده و آب گرم یا بخار تولید می‌شود.

تفاوت بویلر واترتیوب و فایرتیوب

دیگ‌های واترتیوب و فایرتیوب به ترتیب «لوله آبی» و «لوله آتشی» نیز نامیده می‌شوند. همان طور که از نامگذاری آن‌ها می‌توان حدس زد، در بویلر واترتیوب یا لوله آبی، آب داخل لوله جریان پیدا می‌کند و در بویلرهای فایرتیوب یا لوله آتشی، شعله داخل یک محفظه لوله‌ای تشکیل شده و محصولات احتراق در لوله(ها) جریان پیدا می‌کنند.

بویلر بخار فایرتیوب عموماً برای ظرفیت‌های کمتر و فشارهای پایین‌تر از bar 30 مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای ظرفیت‌های زیاد یا فشارهای بالاتر از بویلر واتر تیوب استفاده می‌شود. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره بویلر فایرتیوب، می‌توانید مقاله “بویلر فایرتیوب چیست” را مطالعه کنید.

اجزا و ساختمان بویلر واترتیوب

یک بویلر واترتیوب یا لوله آبی از اجزاء متعددی تشکیل شده است که مهم‌ترین آن‌ها موارد زیر هستند:

محفظه احتراق

به فضای داخلی بویلر که احتراق در آن اتفاق می‌افتد، محفظه احتراق گفته می‌شود. دیواره‌های این محفظه از لوله‌های رایزر تشکیل شده است که با فاصله کم کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. در محفظه احتراق، سوخت و هوا با یکدیگر واکنش شیمیایی نشان داده و انرژی گرمایی تولید می‌شود.

دیواره‌ها یا لوله‌های آب تشکیل دهنده آن‌ها حرارت تولید شده را جذب کرده و بدین ترتیب، آبی که داخل لوله‌ها جریان دارد گرم می‌شود و اگر بویلر از نوع دیگ بخار باشد تبخیر می‌شود.

برای جلوگیری از اتلاف انرژی، دیواره‌های محفظه احتراق از بیرون توسط عایق نسوز پوشانده می‌شوند.

مشعل بویلر واتر تیوب (RWT Burners)

بویلر‌های واتر تیوب برای ایفای نقش خود به مشعل‌هایی با عملکرد دقیق، پایدار و ایمن نیاز دارند تا انرژی ورودی مورد نیاز آن‌ها را با سوزاندن سوخت‌هایی نظیر گاز طبیعی، گازوئیل، مازوت، زغال سنگ و‌… تأمین کنند.

در بویلرهای واترتیوب، آب داخل لوله‌های سازنده دیواره‌های بویلر جریان دارد و این دیواره‌ها یک محفظه احتراق نسبتاً بزرگ را فراهم می‌کنند. لذا شعله می‌تواند قطر بیشتری داشته باشد و مشعل‌های این بویلرها نیز بر همین اساس طراحی می‌شوند. در بویلرهای واترتیوب بزرگ و متوسط معمولاً از مشعل‌های رجیستر (Register Burner) استفاده می‌شود که ممکن است به صورت تکی یا چند مشعل کنار هم به کار روند. در صورتی که یک بویلر دارای چند مشعل باشد، ورودی هوای مشعل‌ها می‌تواند به صورت جداگانه یا به صورت جعبه هوا (Windbox) در نظر گرفته شود.

فشار گاز ورودی این مشعل‌ها معمولاً در بازه barg 1 – 5/0 است که موجب می‌شود سوخت از طریق چندین نازل با سرعت زیاد در مسیر هوا تزریق شود. برای کاهش انتشار NOx در مشعل‌های بویلرهای واترتیوب از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از؛ مرحله‌بندی هوا، بافل‌های کاهش ناکس و بازگردش محصولات احتراق.

رادمن به عنوان یکی از واحدهای صنعتی پیشرو کشور در زمینه احتراق، چندین مدل مشعل بویلر واترتیوب نیز مطابق استانداردهای مختلف ملی و بین‌المللی در سبد محصولات خود دارد:

• مشعل‌های سری R-WT که با ظرفیت‌های 20 تا 60 مگاوات طراحی شده و می‌توانند با سوخت‌های گاز طبیعی، گاز مایع، گازوئیل و مازوت کار کنند و دارای قابلیت کنترل به صورت تدریجی (Modulating) هستند.
• مشعل‌های سری R-Hydro که نسل جدید مشعل‌های بویلرهای واترتیوب ساخت رادمن بوده و علاوه بر مزایای نسل‌های قبل، سازگار با طیف وسیعی از سوخت‌های گازی از گاز طبیعی تا هیدروژن خالص هستند. این مشعل‌ها در ظرفیت‌های 10 تا 40 مگاوات طراحی و تولید می‌گردند.

برای کسب اطلاعات بیشتر پیشنهاد می‌کنیم مقاله تخصصی معرفی مشعل صنعتی را مطالعه کنید‌.

درام بخار (Steam Drum)

به شکل یک مخزن استوانه‌ای افقی در بالای بویلر مشاهده می‌شود که لوله‌های رایزر (Riser) و پایین رونده (DownComer) به آن متصل شده‌اند. بخار در لوله‌های رایزر که اطراف محفظه احتراق قرار دارند تولید شده و در درام بالایی جمع می‌شوند. در درام بخار اجزائی مانند جداکننده‌های سیکلون برای جدا کردن ذرات آب مایع از بخار وجود دارند. این اجزاء ذرات آب مایع را از بخار حذف می‌کنند تا بخار خشک از درام خارج شود. همچنین برخی ترکیبات شیمیایی در درام بخار تزریق می‌شوند چرا که اغتشاش جریان داخل درام به اختلاط این ترکیبات با آب کمک می‌کند.

درام لجن (Mud Drum)

این درام در پایین‌ترین قسمت بویلر قرار گرفته و رسوبات و ناخالصی‌های موجود در آب را جمع می‌کند. در بعضی موارد بویلرها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که درام لجن جداگانه ندارند و هدرهای پایینی آب، کار درام را هم انجام می‌دهند.

هدرها (Headers)

هدرها به شکل استوانه‌های افقی در بالا و پایین بویلر که تعداد زیادی لوله از آن‌ها منشعب شده است، قابل مشاهده هستند. هدرها سیال عامل را از لوله‌های مختلف جمع‌آوری کرده یا بین چند لوله تقسیم می‌کنند. به طور کلی دو نوع هدر در یک دیگ واتر تیوب وجود دارند:

• هدر بالایی: آب گرم و بخار را از رایزرها جمع‌آوری کرده و به درام بخار ارسال می‌کند.
• هدر پایینی: در ورودی لوله‌های رایزر قرار گرفته و آب را بین رایزرها توزیع می‌کند.

لوله‌های آب

آب بویلر در داخل لوله‌های آب جریان پیدا کرده و حرارت را از محفظه احتراق دریافت می‌کند. لوله‌های آب بویلر واترتیوب به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• بالارونده یا رایزر: آب گرم و بخار در لوله‌های رایزر از پایین به سمت درام بالایی جریان پیدا می‌کند.
• پایین رونده یا دان کامر: آب خنک از طریق لوله‌های پایین رونده از درام بخار به سمت پایین جریان می‌یابد.

سوپرهیتر (Superheater)

بخار خارج شده از درام بخار در حالت اشباع است و با از دست دادن حرارت تقطیر می‌شود. برای این که دمای بخار بیشتر از دمای اشباع آن شده و بخار به حالت سوپرهیت در آید از یک مبدل حرارتی به نام سوپرهیتر استفاده می‌شود. البته یک بویلر واترتیوب می‌تواند دارای چند سوپرهیتر باشد. در سوپرهیتر، حرارت از محصولات احتراق به بخار منتقل شده و بخار سوپرهیت از آن خارج می‌شود.

اکونومایزر (Economizer)

دود یا محصولات احتراق خروجی بویلر هنوز حاوی مقدار زیادی حرارت هستند. برای استفاده از این حرارت و افزایش بازده سیستم، می‌توان از اکونومایزر استفاده کرد که نوعی مبدل حرارتی است. آب سرد ورودی قبل از ورود به لوله‌های اصلی به اکونومایزر می‌رود. در عین حال، محصولات احتراق خروجی بویلر نیز از اکونومایزر عبور می‌کنند. با این کار، آب ورودی بویلر پیش گرم شده و انرژی گرمایی موجود در محصولات احتراق نیز به شکل مفید مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بازگرمکن (Reheater)

در برخی از نیروگاه‌های بخار، بخار ورودی به توربین پس از چند مرحله انبساط، مجدداً وارد بویلر شده، مقداری انرژی جذب کرده و به مراحل بعدی توربین وارد می‌شوند. برای این کار، باید یک مبدل حرارتی دیگر به نام بازگرمکن نیز در بویلر تعبیه شود.

دودکش (Stack)

محصولات احتراق در آخرین مرحله وارد دودکش شده و به اتمسفر تخلیه می‌شوند. البته می‌توان برای حذف بعضی از آلاینده‌های خطرناک و کاهش آلایندگی سیستم دود خروجی را قبل از تخلیه به اتمسفر فیلتر کرد.

 پمپ آب تغذیه (Feedwater Pump)

پمپ آب تغذیه وظیفه گردش آب در سیستم و تأمین فشار آب یا بخار لازم را بر عهده دارد.

اجزاء جانبی بویلر واتر تیوب

اجزاء جانبی بویلر شامل اجزاء کنترلی، ابزار دقیق و شیرآلات مختلف می‌شود که برخی از آن‌ها عبارتند از:

• نشانگر سطح (Water Level Indicator)
• شیر اطمینان
• شیر تخلیه یا بلودان (Blowdown Valve)
• سیستم کنترل شامل کنترلر، سنسورها، عملگرها، نشانگرها و …
• سیستم FGR

دسته بندی بویلرهای واترتیوب

بویلرهای واتر تیوب از جنبه‌های مختلفی دسته‌بندی می‌شوند.

نوع سیال عامل: سیال عامل می‌تواند آب، روغن، نمک مذاب و … باشد.

حالت سیال عامل خروجی: در بویلرهای آب گرم، خروجی به صورت آب مایع گرم و در بویلرهای بخار، خروجی به صورت بخار اشباع یا سوپرهیت است.

مکانیزم گردش آب: مکانیزم گردش آب در بویلر ممکن است از نوع طبیعی یا اجباری باشد. در بویلر واترتیوب با گردش طبیعی، جریان آب با استفاده از اختلاف چگالی سیال داخل لوله‌های رایزر و پایین رونده ایجاد می‌شود. در بویلرهای واترتیوب با گردش اجباری، یک پمپ بین درام بخار و درام لجن نصب شده و این پمپ جریان داخل لوله‌های رایزر و پایین رونده را برقرار می‌کند.

نحوه ساخت: از نظر نحوه ساخت، دیگ‌های واترتیوب به دو دسته معمولی و پکیجی تقسیم می‌شوند. بویلرهای پکیجی که برای ظرفیت‌های پایین‌تر به کار می‌روند، در کارخانه مونتاژ شده و شامل اجزاء مختلف بویلر و مشعل آن هستند. بویلرهای واترتیوب معمولی در محل نصب مونتاژ می‌شوند و برای ظرفیت‌های بالاتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شکل طراحی: بویلرهای واترتیوب پکیجی از نظر محل قرارگیری درام‌ها و مشعل معمولاً به سه دسته تیپ O، تیپ A و تیپ D تقسیم می‌شوند که در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

بویلرهای چگالشی واترتیوب

بویلرهای واترتیوب چگالشی به نحوی طراحی می‌شوند که از حداکثر انرژی گرمایی حاصل از احتراق استفاده کنند به نحوی که دمای محصولات احتراق در دودکش آن‌ها به کمتر از 50 درجه سانتی‌گراد می‌رسدمحصولات احتراق سوخت‌های فسیلی معمولاً حاوی مقدار قابل توجهی بخار آب هستند. در این محدوده دمایی، بخشی از بخار آب موجود در محصولات تقطیر می‌شود. به این ترتیب، از گرمای نهان بخار آب نیز بهره‌برداری می‌شود.

بویلرهای چگالشی معمولاً محدود به ظرفیت‌های پایین بوده و تنها برای تأمین آب گرم به کار برده می‌شوندساختمان این بویلرها با بویلرهای واترتیوب عادی متفاوت است. مبدل حرارتی آن‌ها به صورت فشرده‌تر و از جنس متفاوتی ساخته می‌شود.

مزایای بویلرهای واتر تیوب

• بویلرهای واتر تیوب نسبت به بویلرهای فایرتیوب توان تحمل فشارهای بالاتری را دارند.
• بویلرهای واتر تیوب می‌توانند ظرفیت‌های بالاتری را نسبت به بویلرهای فایرتیوب تأمین کنند.
• یک بویلر واترتیوب نسبت به یک بویلر فایرتیوب با ظرفیت مشابه، حجم آب کمتری دارد و این موجب می‌شود که بویلر واتر تیوب بتواند سریع‌تر به تغییرات بار گرمایشی پاسخ دهد.
• این بویلر‌ها دارای طراحی ایمن‌تر و عمر کاری بالاتری هستند.

معایب بویلرهای واتر تیوب

• هزینه اولیه بیشتر در مقایسه با بویلرهای فایرتیوب
• نسبت به بویلرهای فایرتیوب فضای بیشتری اشغال می‌کنند.
• تعمیر و نگهداری سخت‌تر و پر هزینه‌تر
• محدودیت در ساخت به صورت پکیج کامل مونتاژ شده با توجه به فشار کاری بالا

کاربرد بویلرهای واتر تیوب

بویلرهای واترتیوب در بخش‌های مختلف صنعتی و تجاری برای تأمین آب گرم یا بخار به کار برده می‌شوند. بعضی موارد کاربرد این بویلرها عبارتند از:

• نیروگاه‌های حرارتی
• صنایع شیمیایی و پتروشیمی‌ها
• صنایع غذایی
• گرمایش ساختمان‌ها خصوصاً سیستم‌های گرمایش منطقه‌ای
• صنایع نساجی
• صنایع دارویی

تحول صنعت با بویلرهای واترتیوب؛ کاربردها و قابلیت‌ها

بویلرهای واتر تیوب یا لوله آبی دسته‌ای از بویلرها هستند که در مقایسه با بویلرهای فایرتیوب، برای فشارها، دماها و ظرفیت‌های بالاتر به کار می‌روند. این بویلرها به طور کلی دارای یک محفظه احتراق هستند که دیواره‌های آن از لوله‌های متعدد با فاصله کم نسبت به یکدیگر تشکیل می‌شوند. آب داخل لوله‌های دیواره محفظه جریان پیدا می‌کند و فرآیند احتراق در فضای داخل محفظه که توسط این دیواره‌ها محصور شده است انجام می‌گیرد. بدین ترتیب، حرارت تولید شده در اثر سوختن سوخت توسط آب در جریان داخل دیواره‌ها جذب می‌شود.

مهم‌ترین مزیت بویلر واترتیوب، امکان طراحی آن‌ برای فشارها، دماها و ظرفیت‌های بالا است که این امر موجب گسترش استفاده از آن‌ در واحدهای صنعتی بزرگ خصوصاً نیروگاه‌های حرارتی شده است. در این مقاله به معرفی بویلر واتر تیوب و عملکرد و انواع آن پرداختیم امیدواریم‌. در صورتی که سوالی درباره بویلر واتر تیوب یا نحوه انتخاب آن دارید می‌توانید در قسمت کامنت‌ها از ما بپرسید‌.