١- بهره برداری از بویلر نیروگاه
بویلر یا دیگ‌های بخار در واحدهای مولد بخار عبارتند از کوره دیگ بعلاوه تجهیزات فرعی دیگر مثل دستگاه احتراق سوخت، المان‌های سوپرهیتر، ري‌هيتر و اکونومایزر، پمپ‌های چرخاننده و … ولی در واقع کلمه دیگ فقط به آن قسمت از این واحد که در آن آب تبخیر می‌شود اطلاق می‌گردد. تجهیزات گران‌قیمت نیروگاهی مانند بویلر نیروگاه با گذشت زمان و افزایش عمر کارکرد آنها دچار استهلاک و کاهش راندمان می‌گردند. در واقع بویلرها در نیروگاه‌های بزرگ حرارتی با توجه به شرایط کاری آنها از آسیب‌پذیرترین قسمت‌های نیروگاه می‌باشند. در بهره‌برداری نرمال باید بویلر از جهات مختلف مانند دما، فشار و شرایط شیمیایی سیكل آب و بخار، سیستم سوخت و احتراق و غیره همیشه تحت کنترل پیوسته باشد. زیرا در بویلر با دمای بالای ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد در مرکز کوره سر و کار داریم که در صورت غفلت چند دقیقه‌ای شدن سریع بعضی قسمت‌ها over heat احتمال را در بر خواهد داشت. با توجه به شرایط کاری در بویلرها، حتی در بهره‌برداری نرمال عمر آنها از تمام تجهیزات نیروگاهی بسیار کمتر می‌باشد. و اغلب با اعمال و تحميل حالت کاملا غیرعادی بهره‌برداری در کاهش عمر و فرسایش تجهیزات بویلرها تسریع می‌گردد. و در این مقاله خلاصه‌وار به مواردی از این نوع تحمیل‌ها تحت عنوان حالت‌های غیرعادی (تنگناهائی) در بهره‌برداری اشاره می‌گردد.
۲- تنگناها و مشکلات بهره برداری از بویلر نیروگاه
اولین عامل از این نوع بهره‌برداری از بویلر نیروگاه که مورد اشاره قرار می‌گیرد عبارت است از تحمیل اختلاف نیاز در اوج بار شبکه با مواقع کم‌باری آن بر نیروگاه‌ها. زیرا شبکه برق کشور ما با توجه به نوع مصرف آن دارای اختلاف فاحش بین مصرف در پیک و غیرپیک می‌باشد. این اختلاف مصرف باعث گردیده تا در شبانه‌روز چند بار تولیدی واحدهای حرارتی بزرگ بخار به حدود ۵۰ درصد کاهش و دوباره افزایش یابد. این نوسانات MCR بار تولیدی از یک طرف منجر به کاهش راندمان و افزایش هزینه‌های تولید شده و از طرف دیگر شوک و تنش‌های حرارتی بر بعضی از قسمت‌های بویلر اعمال می‌کند.
پیامد های کاهش راندمان بویلر نیروگاه
کاهش راندمان عوامل زیر را می‌توان نام برد:
1- افزایش مصرف داخلی در اثر مصرف برق مانند فید 6KV در الکتروپمپ‌های بی‌سی پمپ‌ها (B.C.P)، (F.W.P) پمپ‌ها و غیره.
2- افزایش سوخت مصرفی در اثر بالا هوای اضافی در صد. ثابت ماندن و بدون تغییر بودن فلوی پمپ در برج‌های تر (C.W.P)های آب برج.
پیامدهای تنش‌های حرارتی بویلر نیروگاه
اعمال تنش‌های حرارتی در اثر بوجود آمدن اختلاف دما، با کاهش و افزایش بار تولیدی، اختلاف دما در بعضی از المان‌های بویلر افزایش می‌یابد. برای نمونه در بهره‌برداری با سوخت گاز در بار ۵۰ درصد تولیدی، اختلاف درجه حرارت بخار ری‌هیت دما بالا نسبت به حالت حداکثر بار بعضی مواقع به بیش از ۳۵ درجه سانتی‌گراد هم می‌رسد. در حالت افزایش بار که اغلب بدلیل نیاز شبکه و توانایی و جوابدهی واحد بطور سریع انجام می‌گیرد، در قسمت واتروال بعلت افزایش دمای موضعی در واتروال اورهیت‌های خفیف ایجاد شده و از طرف film دیگر بعلت تشکیل حالت فیلم بویلینگ و رسوب مواد شیمیایی محلول در آب boiling هایدات و مخفی (Hide Out) بویلر، ایجاد شدن مواد فسفات شرایط شیمیایی در آب بویلر از حالت تعادل خارج می‌گردد. مسایل فوق‌الذکر Over و Pitting در نهایت به دو صورت با ایجاد موضعی باعث سوراخ شدن واتروال شده و Heat در نهایت منجر به توقف تولید می‌گردد. از طرف دیگر عمر مفید هر نوع بویلر بستگی به تعداد خروج‌ها) خروجی‌های اختیاری و یا تریپ‌های اجباری بستگی دارد. و معمولا در بویلرهای بزرگ نیروگاهی کاهش‌های بار بیشتر از ۱۰ در صد را معادل خروج در نظر می‌گیرند. مورد دوم بهره‌برداری که اثر نامطلوب بر روی راندمان و عمر مفید بویلرهای بزرگ در نیروگاه‌ها ۱۶۰۷u دارد، استفاده از سوخت نامرغوب بخصوص مازوت سنگین در نیمی از بهره‌برداری در طول سال می‌باشد. با شروع فصل سرما و افزایش مصارف خانگی گاز، سوخت مصرفی تمام بویلرها از گاز به مازوت تغییر داده می‌شود. با توجه به اینکه فرمول کلی برای گازهای طبیعی می‌باشد و اغلب از چهار نوع به اسامی زیر می‌باشند: که دارای ارزش حرارتی (CH4) اتان ۹۵۰۰ می‌باشد kcal/kg. با ارزش حرارتی تقریبا (CH2) متان ۱۱۰۰۰۶kg/kcal با ارزش حرارتی (CH3) پروپان ۲۴۰۰۰۸kg/kcal حدودا که بهترین نوع گاز (CH4) بوتان ۱۰ بوده و دارای بالاترین ارزش حرارتی می‌باشد kg/kcal ۳۵۰۰ است که برابر. گاز جریان یافته در شبکه گاز سراسری شامل ۸۵ الی ۹۵ ( درصد از اتان و متان می‌باشد و بر این اساس ارزش حرارتی گاز تحویلی از شبکه به نیروگاه‌ها حدودا ۱۱۰۰۰ کیلوکالری بر کیلوگرم در نظر گرفته می‌شود. از آنجاییکه سوخت گاز تقریبا عاری از تمام ناخالصی‌های موجود در سوخت مایع می‌باشد، محصولات احتراق فقط از مواد و گازهایی دی‌اکسید کربن مانند بخار آب و ناکس (CO) منواکسید کربن، (CO2) تشکیل می‌یابد. گرچه بعضی از اثر و این مواد مانند زیان‌بار بر محیط‌زیست دارند ولی برای خود بویلر و تجهیزات جانبی آن، چه در زمان بهره‌برداری و چه در حالت خارج از مدار بودن هیچگونه آثار تخریبی و مضر ندارند. با کاهش دمای محیط، با قطع سوخت گاز از نیروگاه‌ها همه ساله از اواسط آبان ماه بالاجبار بهره‌برداری از بویلرها از سوخت گاز به سوخت مایع (مازوت) تبدیل می‌گردد. سوخت مازوت برخلاف گازهای طبیعی دارای فرمول منظمی نمی‌باشد و بطور کلی فرمول آن را می‌توان به شکل بیان کرد که می‌توانند هر عدد دلخواه باشند. یادآوری می‌شود اینکه در هر نوع سوخت با افزایش هیدروژن موجود در آن ارزش حرارتی آن سوخت نیز رقم بالاتری را نشان خواهد داد. علاوه بر هیدروژن و کربن موجود در سوخت مایع (مازوت) ناخالصی‌های فراوان از مواد فلزی و غیر فلزی نظیر وانادیوم، سدیم، منیزیم، گوگرد و غیره در آن موجود می‌باشند. هر یک از این مواد ناخالص هر کدام به نوعی اثر غیر مفید و مضر بر راندمان و عمر مفید خود و تجهیزات جانبی آن در بویلرهای نیروگاهی دارند. در بهره‌برداری از بویلر همیشه با دو قسمت سر و کار داریم. بخشی از بویلر که محفظه احتراق در دیگ و منطقه سوپرهیترها را شامل می‌گردد، را منطقه سطوح داغ و خیلی گرم می‌نامند. دمای گازهای محصولات احتراق در مناطق داغ همیشه بالای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌باشد. در مناطقی از بویلر که دمای گازهای محصولات احتراق در آنها کمتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌باشد، مناطق سرد می‌گویند و اثر تخریبی مواد ناخالصی موجود در سوخت مایع در هر یک از این قسمت‌های دوگانه بویلر متفاوت می‌باشد. مثلا در سطوح داغ با افزایش دما اثر تخریبی افزایش می‌یابد و برعکس در سطوح سرد با کاهش دما اثر زیانباری این ناخالصی‌ها خود را بیشتر نمایان می‌کنند. با شروع بهره‌برداری با سوخت مایع مواد موجود در آن از قبیل وانادیوم، منیزیم، سدیم، گوگرد و غیره به صورت دوده روی لوله‌های واتروال، ری‌هیتر، سوپرهیتر، اکونومایزر می‌نشینند. با ادامه استفاده از سوخت مازوت به تدریج بر ضخامت این رسوبات افزوده می‌گردد و با افزایش ضخامت لایه رسوب بر روی المان‌های بویلر نظیر واتروال، سوپرهیترها اکونومایزر، این رسوب‌ها مانند یک سپر عایق حرارتی مانع رسیدن و انتقال راحت حرارت برای آب و بخار شده باعث کاهش جذب حرارت توسط این المان می‌گردد.
اثرات تخریبی مصرف سوخت مایع در بویلر نیروگاه
بطور کلی اثرات تخریبی مصرف سوخت مایع را در بویلرهای بزرگ نیروگاهی به صورت خلاصه فهرست‌وار به صورت زیر می‌توان ذکر نمود.
١. رسوب
با افزایش رسوب روی لوله‌های واتروال‌ها و عدم انتقال بهتر حرارت از کوره به بدنه لوله‌های واتروال با افت تولید بخار مواجه شده و برای تولید بخار مورد نیاز مجبور به وارد کردن سوخت بیشتر از قبل می‌شویم.
٢. فولینگ
در اثر مصرف سوخت مایع مازوت سنگین و یا نیمه‌سنگین بمرور با حادث شدن عمل فولینگ توسط دوده و ناخالصی‌های موجود در سوخت مایع در روی لوله‌های فیندار اکونومایزر عمل انتقال حرارت از گازهای داغ خروجی از بویلر به آب در حال گذر از داخل آن به خوبی انجام نمی‌پذیرد، و دمای آب ورودی به درام بویلر با دمای کمتر از دمای نقطه جوشش ) دمای طراحی شده وارد واتروال‌ها می‌گردد. بنابراین برای افزایش دمای آب در حال گردش در واتروال‌ها و رساندن دمای آن به دمای طراحی باید اول مقداری سوخت مصرف گردد تا دمای آب موجود در واتروال‌ها به نقطه جوشش رسانیده شود و برای این منظور نیاز به افزایش مصرف سوخت خواهیم داشت.
٣. افزایش مصرف سوخت
نتایج حاصل از موارد ۱ و ۲ منجر به آن می‌گردد تا اینکه سوخت ورودی به کوره به مراتب بیشتر از سوخت مورد نیاز برای تولید یک بار معین باشد و در نتیجه افزایش سوخت، دما در تمام قسمت‌های بویلر افزایش یافته و ما آثار آن را بصورت افزایش در فلوی آب اسپری در بخار سوپرهیت و ری‌هیت مشاهده می‌کنیم. بطور کلی نشستن رسوب روی سطوح حرارتی مانع انتقال حرارت گردیده و در صورت افزایش لایه رسوب نشسته بر روی یک سطح با کاهش بیشتر انتقال حرارت همراه بوده و طبق آزمایش‌های انجام گرفته با کاهش 9 درصد شروع شده و در صورت رسیدن ضخامت رسوب به حدود ۱۶ اینچ ۶۹ درصد از انتقال حرارت کاهش می‌یابد.
۴. تشکیل اکسیدهای خورنده
در موقع بهره‌برداری با سوخت مایع مازوت سنگین و یا نیمه‌سنگی فلزات موجود در آن مانند وانادیوم، منیزیم و سدیم با اکسیژن موجود در هوای احتراق ترکیب شده و اکسیدهای این فلزات را تولید می‌کند. مانن و این اکسیدها به صورت جسم جامد و به شکل دوده در روی لوله‌های واتروال‌ها و سوپرهیترها می‌نشینند. این رسوب‌ها بخصوص اکسید وانادات در محیط‌های داغ کوره که در آنها دما بالاتر از ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌باشد بشكل مذاب درآمده و روی سطح بیرونی لوله‌ها را می‌پوشاند. چون شکل مایع این اکسید خاصیت خورندگی شدید دارد در نتیجه هر کجا این اکسید به صورت مایع تشکیل می‌گردد به مرور سطح بیرونی گوشت لوله‌های واتروال‌ها و سوپرهیترها خورده شده و از ضخامت آنها کاسته می‌شود و با ادامه این شیوه بهره‌برداری در نهایت با نازک شدن جداره، لوله‌ها مقاومت خود را از دست داده و شروع به بریدن و ترکیدن می‌کنند. با ترکیدن هر کدام از این لوله‌های نازک شده در بویلر، مجبور به خروج اضطراری واحد از مدار شده و اقدام به ترمیم لوله و یا لوله‌های آسیب‌دیده می‌گردد.
۵. دوده و خاکستر
اثر سوء دیگر بهره‌برداری با سوخت نامرغوب مازوت ریزش ناخالصی‌های موجود در آن به صورت دوده و خاکستر در مناطق سرد بویلر نظیر اکونومایزر، ژانگستروم‌ها و کانال‌های دود می‌باشند. بخصوص در اکونومایزر با ایجاد عمل فولینگ توسط مخلوطی از خاکستر فلزات و گوگرد موجود در مازوت بر روی لوله‌های فیندار آن منجر به کاهش شدید انتقال حرارت از گازهای گرم خروجی از بویلر به آب ورودی به درام (در بویلرهای درام‌دار) می‌گردد. و لازم به ذکر است که با افزایش ضخمت این رسوب بر روی لوله‌های اکونومایزر بعضی مواقع دمای آب ورودی تا ۳۵ درصد نیز کاهش می‌یابد. همانطور که قبلا اشاره گردیده است کاهش دمای آب ورودی به بویلر یکی از خطرناک‌ترین واردکننده تنش‌های حرارتی به قسمت‌های واتروال‌ها و سوپرهیترها در بویلر در حال بهره‌برداری می‌باشد.
۶. خوردگی به دلیل تولید اسیدسولفوریک
دود خروجی از بویلر که حاصل احتراق سوخت نامرغوب مازوت می‌باشد در محیط‌های سرد مانند گرمکن‌های هوای احتراق و کانال‌های دود (Air Heater) با تشکیل نقطه شبنم برای گاز و ترکیب آن با (SO3) سولفیت بخار آب موجود در دود تولید اسیدسولفوریک می‌کند که بشدت خورنده بوده و جداره کانال‌های دود و بسکت‌های گرمکن‌های هوا را از بین می‌برد. این عمل با کاهش دما شدت می‌یابد. مورد سومی که بر عمر مفید و راندمان بویلرهای نیروگاهی اثر منفی می‌گذارد، مسئله ارتباط پیش‌بینی تولید نیروگاه با برنامه‌های بازار برق می‌باشد. چون پس از تشکیل بازار برق مسئولین بهره‌برداری باید اظهار آمادگی نیروگاه برای تولید بار در حداقل ۲۴ ساعت بعد را به این بازار بصورت کتبی اعلام نمایند. از آنجاییکه نیروگاه برای تولید خود ابراز آمادگی کرده و مدیریت شبکه هم روی این تولید برنامه‌ریزی نموده است، بنابراین در صورت خلف وعده از طرف نیروگاه و عدم تولید مقدار ابراز شده قبلی، نیروگاه با جریمه سنگین مواجه می‌گردد. بر این اساس وقتی بویلر با حوادث محدودی از قبیل نشتی در واتروال و یا سوپرهیتر مواجه می‌گردد، سعی می‌شود در صورت امکان بویلر را تا اتمام تاریخ پیش‌بینی شده در مدار نگهدارند. در این حالت در منطقه‌ای که نشتی بوجود آمده است، جت بخار با ایجاد مانع در مسیر حرکت گازهای داغ و انحراف این گازها از سمتی که دارای نشتی است به سمت دیگر در داخل کوره یک بی‌تعادلی حرارتی در بویلر ایجاد می‌گردد. زیرا در چنین حالتی دمای قسمتی که فلوی گازهای داغ در آن کاهش یافته پایین آمده و برعکس دمای قسمت دیگر که افزایش فلوی گازهای داغ را داشته است بالا می‌رود. با ادامه بهره‌برداری با چنین وضعیت در طول چندین ساعت بعلت تجاوز دمای بعضی از قسمت‌های بویلر از قبیل واتروال و سوپرهیتر از رنج مجاز خود موجب کاهش عمر و یا تشدید روند آسیب‌های در حین بهره‌برداری می‌گردد. در نهایت به بویلرهای نیروگاهی اجبارا صدماتی وارد می‌شود که در صورت ادامه تولید و بهره‌برداری با وجود نشتی‌های شدید در مناطق کوره و سوپرهیترها روند آسیب‌پذیری و خروج‌های اضطراری بویلر افزایش خواهد یافت.
٣- نتیجه‌گیری مشکلات بهره برداری از بویلر نیروگاه
با توجه به اینکه بویلرهای بزرگ نیروگاهی در واحدهای بخار رکن اساسی در تولید بار پایه در شبکه‌های برق کشور می‌باشند، اهمیت وجود آمادگی پیوسته و حفظ و افزایش عمر و بهره‌وری این بویلرها برای مدت زمانیکه به آن طراحی شده‌اند، بر همه مسئولین صنعت برق کشور روشن است. بنابراین لازم است برای کاهش هزینه‌های تولید و افزایش پایداری با در مدار بودن و جلوگیری از خروج‌های اضطراری ناخواسته با انجام اقداماتی ضروری اثر موارد سه‌گانه فوق‌الذکر را به حداقل برسانیم. برای نیل به این هدف لازم است اقدامات زیر حتما صورت عمل بخود پذیرد. در اولین قدم باید برای جلوگیری از کاهش‌های بار بیش از ۱۰ درصد در واحدهای بار پایه تدابیری اندیشیده شود. لذا بر این اساس باید اختلاف نیاز شبکه برق کشور به تولید در اوج مصرف را با زمان کم باری به حداقل رسانید که این امر به روش های مختلف از جمله طریق‌های ذکر شده در زیر قابل حصول است.
الف- کاهش مصارف خانگی در اوج بار با اعمال مدیریت مصرف •: بهبود و افزایش راندمان وسایل برقی خانگی، تدوین تعرفه‌های مختلف تشویقی و تنبیهی در جهت جلب همکاری افراد جامعه برای کاهش مصرف در اوج بار شبکه. سوق دادن شبکه برق کشور از حالت مصرف روشنائی به صنعتی •.ایجاد نیروگاه‌های بزرگ پمپاژ ذخیره‌ای.
ب- تامین سوخت مرغوب گاز برای تمام فصول سال و عدم انجام تغییرات و تبدیل سوخت بویلر از سوخت گاز به سوخت مایع مازوت سنگین و یا سبک
ج- بررسی و مطالعه و ارایه راه‌کارهای مناسب و تدوین دستورالعمل‌های بهره‌برداری برای مواقعی که نیروگاه پیش‌بینی و تعهد تولید کرده است ولی قبل از اتمام مدت تعهد، بویلر مواجه با نشتی‌هایی در داخل کوره از قبیل نشتی در المان‌های سوپرهیتر، واتروال، ری‌هیتر و یا اکونومایزر می‌گردد. در چنین مواقع سعی می‌شود برای جلوگیری از اعمال جریمه‌های سنگین به نیروگاه تا اتمام مدت زمان تعهد انجام شده بویلر را در مدار نگهدارند. البته این شرایط در حالتی است که پارامترهای مختلف بویلر قابل کنترل بوده و از حالت نرمال خود خارج نشده باشند.
