۱-۲-۵ طبقه بندی انواع بویلرها بر اساس چگونگی گردش سیال عامل
۱-۲-۵-۱ سیستم گردش طبیعی
دارای لوله­های عمودی است و جریان داغ گازهای عبوری از آن­ها افقی می­باشد. در این سیستم، اختلاف دانسیته بین سیال سرد در لوله­های پایین برنده با مخلوط آب و بخار در لوله­های بالابرنده، موجب ایجاد نیروی رانش شده و سیال را در مدار چرخشی خود به حرکت در می ­آورد.

شکل۱-۴: بویلر بازیاب حرارت با انواع سیستم گردش آب a) گردش طبیعی b)گردش اجباری c) یک بار گذر
۱-۲-۵-۲ سیستم گردش اجباری
دراین سیستم لوله­های حامل سیال عامل، افقی بوده و جریان گازهای عبوری از لوله­ها، عمودی است. در سیستم گردش اجباری نیروی رانش سایل از لوله های افقی مولد بخار، توسط پمپ تولید می­ شود.
۱-۲-۵-۳ بویلرهای یکبار گذر (فوق بحرانی)(Once Through Boiler):
بویلر­های بدون درام که دارای فشار فوق بحرانی می­باشند به بویلرهای بنسون معروفند. در این نوع بویلر طراحی مجموعه محفظه­ی احتراق و لوله­های دیواره­ای به نحوی است که کلیه­ آب تغذیه کننده­ موجود در لوله­های دیواره­ای پس از طی محفظه­ی احتراق و لوله­های دیواره­ای به بخار تبدیل شده و مستقیماً به سمت مافوق­گرم­کن­ها هدایت می­گردند، لذا این بویلرها بدون درام هستند. از آنجایی­که بویلرهای بنسون دارای فشار بالایی هستند، تکنولوژی پیشرفته­ای برای ساخت آن­ها مورد نیاز است، ولی به علت عدم وجود درام، وزن کمتری نسبت به بویلرهای زیر فشار بحرانی (درام­دار) دارند. در بویلرهای بنسون حجم مشخصی از آب تغذیه با یکبار گردش در بویلر باید به بخار تبدیل شود. به عبارت دیگر عدد سیرکولاسیون، یک می­باشد. ولی از آنجا که این بویلرها بالای فشار بحرانی کار می کنند، برای افزایش طول لوله­های دیواره­ای، بر خلاف بویلرهای درام دار لوله­ها را به­ صورت مورب در روی دیواره­ها طراحی می­ کنند تا ارتفاع بویلر کاهش یابد. همچنین ضخامت لوله­های دیواره‌ای به علت بالا بودن فشار، بیشتر از ضخامت لوله­های بویلرهای درام­دار است. در ابتدای راه ­اندازی بویلرهای بنسون برای جداسازی آب و بخار از هم از سیکلون استفاده می­ کنند که با بهره گرفتن از خاصیت گریز از مرکز، آب و بخار را از هم جدا می­ کند و در حالت کارکرد دائم بویلر, از مدار خارج می­گردند. همچنین به علت پایین بودن عدد سیرکولاسیون کنترل آن­ها نسبت به بویلرهای درام­دار دشوارتر است و به دلیل نداشتن درام در شرایط اضطراری ذخیره آب و بخار نخواهند داشت.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۱-۲-۶ طبقه بندی بویلرهای سیکل ترکیبی بر اساس سیستم آتش­زایی
بر این اساس دو نوع بویلر بازیاب حرارت می ­تواند وجود داشته باشد :
۱-۲-۶-۱ بویلر بازیاب حرارت بدون احتراق اضافی
در این نوع ، دود خروجی از اگزوز توربین گاز که حجم بالا و دمای زیادی (دمای گاز خروجی در بار اسمی در حدود ۵۰۰ درجه سانتی ­گراد است) دارد به بویلر بازیاب حرارت هدایت می­ شود و به جای مشعل و سوخت در واحدهای بخاری، جهت تولید حرارت به کار می رود. بخار تولید شده نیز توربین بخار را به چرخش در می آورد. این امر باعث بالا رفتن راندمان مجموعه نیروگاهی می گردد، ضمن آنکه هزینه­ های بهره برداری به ازای هر کیلووات تا حد قابل ملاحظه­ای کاهش پیدا می­ کند. این مجموعه برای تولید برق پایه استفاده می­ شود و کارآیی آن در صورتی که فقط برای تولید برق به کار رود تا بیش از ۵۰ درصد هم بالا می رود.
در مناطق سردسیر با بکارگیری توربین بخار با فشار خروجی زیاد (Back pressure) به جای کندانسور و برج­خنک­کن در تأمین آب گرم و بخار مصرفی گرمایش مناطق شهری و صنعتی نیز استفاده می­ شود که در این صورت راندمان تا ۸۰ درصد هم افزایش می یابد.
در شکل زیر نمونه ­ای از شمای حرارتی نیروگاه­های سیکل ترکیبی بدون مشعل آورده شده است:

شکل ۱-۵: شمای حرارتی یک نیروگاه سیکل ترکیبی بدون مشعل
۱-۲-۶-۲ بویلرهای بازیاب حرارت با احتراق اضافی
در نیروگاه­های سیکل ترکیبی بدون مشعل، کارکرد بخش بخار وابستگی کامل به کارکرد توربین گاز دارد. در مواردی که نیاز به کارکرد دائمی بخش بخار وجود دارد با تعبیه­ی مشعل در بویلر، می­توان به هنگام کاهش قدرت توربین گاز به علت تغییر شرایط محیطی کاهش قدرت توربین بخار را به حداقل رساند و حتی به گونه ­ای طراحی را انجام داد که در صورت توقف بخش گاز کارکرد قسمت بخار با اشکال مواجه نگردد، عملکرد مستقل این دو بخش تأمین می­ شود و بدین ترتیب، این نوع نیروگاه­ها شکل گرفته­اند.
این نوع سیکل ترکیبی عموماً به منظور بالا بردن قدرت و جلوگیری از نوسانات قدرت توربین بخار با تغییر بار توربین­گاز به کار گرفته می شود. امکان کارکرد واحد بخار در نقطه کار مناسب­تر با تعبیه مشعل ساده، به کارگیری سوخت مناسب و استفاده از گاز داغ خروجی توربین­گاز به عنوان هوای دم عملی است. به کارگیری این نوع واحدها در مواردی که علاوه بر تامین انرژی الکتریکی، تأمین آب مصرفی و یا بخار مورد نیاز واحدهای صنعتی نیز مد نظر باشد، عمومیت دارد .
شکل زیر نمونه ای از شمای حرارتی نیروگاه­های سیکل ترکیبی با مشعل را نمایش می­دهد :

شکل ۱-۶: نمونه ­ای از شمای حرارتی نیروگاه­های سیکل ترکیبی با مشعل
بویلرهای بازیاب حرارت با نصب سیستم احتراق اضافی به دو صورت زیر می­باشد:
۱-۲-۶-۲-۱ بویلرهای با مشعل اضافی محدود شده
این نوع بویلرها مشابه واحدهای بدون احتراق اضافی می­باشند. در این نوع از بویلرها، حدکثر دمای گازهای خروجی از توربین باید بین ۹۰۰-۸۰۰ درجه سلسیوس باشد. سوخت مورد استفاده در این بویلرها می ­تواند مازوت یا گاز باشد ولی در بویلرهای ساده و بدون خنک­کن، محفظه­ی احتراق با سوخت گاز مناسب­تر است، زیرا هم انتقال حرارت تشعشعی کمتر و هم قابلیت اشتعال بیشتری دارند. انواع مختلفی از سوخت­ها را می­توان در بویلرها مورد استفاده قرار داد که رایج­ترین نوع سوخت برای آن گاز متان یا گاز طبیعی است.
۱-۲-۶-۲-۲ استفاده از توربین گاز جهت پیش گرم کردن هوای دم بویلر
این نوع سیکل ترکیبی مشابهت زیادی با سیکل بخار معمولی دارد با این تفاوت که در نیروگاه بخاری ساده از سیستم پیش­گرم­کن هوا و فن تأمین کننده هوای دم که خود مصرف کننده انرژی است استفاده می­گردد. لیکن در این گونه سیکل ترکیبی، سیستم گرمایش و فن دمنده هوای احتراق کوره را توربین گاز بر عهده گرفته است. بدین ترتیب راندمان واحد بخاری ساده با جانشین کردن سیستم تأمین هوای دم با توربین گاز، به­ طور نسبی بهبود می­یابد.
معمولاً این نوع سیکل ترکیبی در نیروگاه­های بخاری بزرگ که سوخت آن ذغال سنگ و یا مازوت می­باشد، به کار می­رود. قدرت تولیدی توربین گاز در این نوع سیکل حداکثر ۲۰ درصد قدرت تولید کل نیروگاه است.
۱-۲-۶-۲-۳ بویلرهای با حداکثر احتراق اضافی
در نیروگاه­هایی که از این نوع بویلرها استفاده می­ کنند اساس کار سیکل بخار می­باشد و توربین گاز برای بهبود راندمان کلی نیروگاه به کار می­رود. پروسه بخار تقریباً مشابه نیروگاه­های بخاری معمولی بوده و در بیشتر موارد نیروگاه شامل باز گرم­کن و چند گرم­کن آب تغذیه می­باشد.
۱- ۲-۷ طبقه بندی بویلرهای بازیاب حرارت بر اساس سطوح فشار بخار
اساس کار نیروگاه­های سیکل ترکیبی، به بازیافت انرژی موجود در جریان گازهای داغ خروجی از توربین گاز و تولید بخار در بویلر بازیاب حرارت بین واحدهای گاز و بخار در بویلر بازیاب حرارت صورت می­گیرد لذا سطوح مختلف فشار به کار گرفته شده در ساختار آن­ها، مهمترین نقش را در میزان بازیافت انرژی ایفا می­ کنند.
۱-۲-۷-۱ بویلرهای بازیاب حرارت تک فشاره
ساده­ترین نوع بویلرهای بازیاب حرارت، انواع تک فشار آن­ها می­باشد که درسیکل­های ترکیبی مورد استفاده قرار می­گیرد. سیکل­های تک فشار در ساده­ترین حالت خود، شامل یک یا چند توربین گاز، یک بویلر بازیاب حرارت، یک توربین بخار تحت کندانس و یک کندانسور می­باشد.

شکل۱-۸:پرفیل دمایی بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا

شکل۱-۷:شماتیک بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا
اما عمده­ترین اشکال سیستم­های تک فشار در این حالت، عدم استفاده­ی کامل از انرژی دود خروجی توربین گاز می­باشد. راه حل ساده­ی جبران این عیب، استفاده از یک مبدل حرارتی اضافی دود و استفاده از این انرژی برای پیش­گرم کردن آب تغذیه می­باشد. این مبدل باید به گونه ­ای طراحی گردد که دمای دود خروجی از بویلر به زیر نقطه­ی شبنم نرسد. بنابراین فرستادن مستقیم آب خروجی از کندانسور به داخل بویلر غیر ممکن است. برای این منظور آب خروجی کندانسور را ابتدا به وسیله­ پیش گرم­کن­هایی داخل بویلر پیش­گرم کرده و سپس به منظور هوازدایی و جداکردن اکسیژن و سایر گازهای محلول در سیال عامل، آن را وارد هوازدا می­ کنند. بخار مورد نیاز جهت تغذیه­ی هوازدا را یا می­توان مستقیماً از بخار تولید شده توسط بویلر فراهم نمود و یا از یک مولد بخار مستقل جهت تولید آن استفاده کرد.
در این نوع از سیکل­ها فقط یک سطح فشار مطرح است و لذا یک درام با مولد بخار مربوط در بویلر در نظر گرفته می­ شود که می ­تواند دارای گردش طبیعی و اجباری باشد. در این نوع از سیکل­ها، حرارت دفع شده از کندانسور حدود نصف حرارت دفع شده از نیروگاه بخار معمولی با اندازه­ مشابه است و آب مورد نیاز سیستم خنک کن آن نیز حدود نصف نیروگاه معمولی است.
۱-۲-۷-۲ بویلرهای بازیاب حرارت چند فشاره
یکی از راه­های کاهش بازگشت­ناپذیری خارجی ناشی از وجود اختلاف درجه حرارت بین جریان گازهای داغ خروجی از توربین گاز و جریان آب/بخار در سیکل رانکین، تقسیم این دو سیکل به چند سطح فشار مختلف می­باشد.
در شکل (۱-۹a) پروفیل دما – حرارت جریان گاز با آب را در یک سیکل بخار نشان داده می­دهد. همانطور که در این شکل مشاهده می­ شود، در سطوح فشار پایین­تر (P₂)، امکان جذب حرارت بیشتری وجود دارد. در شکل (۱-۹b) میزان تلفات اگزرژی (T₀ / T)، برحسب تابعی از حرارت (q) ترسیم شده است. همانطور که ملاحظه می­گردد در سطوح فشار بالا، اختلاف دما یا بازگشت­ناپذیری­ها در نواحی دما بالا (ناحیه­ی C) کاهش می­یابد و تلفات در نواحی دما پایین(ناحیه­ی A) بیشتر است. در سطوح فشار پایین، تلفات در نواحی دما (ناحیه­ی C) بالا غالب می­باشد. بنابراین هرگاه سطح C+B+ A می­نیمم باشد تلفات اگزرژی حداقل بوده و این به معنی وجود سطح فشار بهینه است.

شکل ۱-۹: تأثیر فشار بخار زنده بر انرژی مصرفی و تلفات اگزرژی کلی
از این رو، در برخی طراحی­های بویلرهای بازیاب حرارت، علاوه بر استفاده از یک سطح فشار بالا برای تولید بخار، از یک سطح فشار پایین نیز استفاده می­ شود. در شکل (۱-۱۰) شماتیک سیکل ترکیبی دو فشاره ساده که در طراحی آن از این نوع بویلرها استفاده شده و فاقد بازگرم­کن بخار و در شکل (۱-۱۱) دیاگرام توزیع دما- حرارت مربوط به آن نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می­ شود، در داخل پوسته­ی بویلر، از دو سطح فشار بالا به منظور تغذیه­ی توربین فشار بالا و سطح فشار پایین برای تغذیه­ی توربین فشار پایین استفاده شده است.
بخار خروجی از طبقه فشار بالای توربین، به سمت طبقه­ی فشار پایین توربین هدایت می­ شود و پس از مخلوط شدن با بخار فشار پایین، وارد طبقه فشار پایین توربین می­ شود. هر سطح فشار دارای اکونومایزر، مولد بخار و مافوق­گرم­کن می­باشد.

شکل۱-۱۱: پرفیل دمایی سیکل دو فشاره همراه با هوازدا

شکل ۱-۱۰: شماتیک سیکل دوفشاره همراه با هوازدا تغذیه­ی مستقل
با مقایسه­ شکل پرفیل دمایی سیکل تک فشاره با سیکل دو فشاره مشاهده می­ شود که اختلاف دمای بین جریان گازهای داغ و بخار در سیکل­های ترکیبی دو فشار از سیکل­های تک فشار کمتر می­باشد که این امر، بزرگترین مزیت سیکل­های دو فشار را نسبت به سیکل­های تک فشار بیان می­ کند. زیرا بازگشت­ناپذیری­های خارجی در آن­ها به حداقل رسیده است، و درنتیجه کار خروجی بزرگتری قابل دسترسی می­باشد.
با توجه به شکل (۱-۱۲) و (۱-۱۳) همانطور که ملاحظه می­ شود سیکل­های سه فشاره دارای سه سطح فشار مختلف می­باشند و درنتیجه نسبت به بویلرهای تک و دو فشاره دارای بازگشت ناپذیری کمتری می­باشند.

شکل۱-۱۳: پرفیل دمایی سیکل سه فشاره در حضور هوازدا

شکل۱-۱۲: شماتیک سیکل سه فشاره در حضور هوازد