۱. انواع بویلر نیروگاه
پس از مطرح شدن طرح نیام از سوی شرکت مپنا در راستای ایجاد نیروگاه‌های استاندارد که هدف اصلی آن صرفه‌جویی در زمان طراحی، خرید مواد خام و تجهیزات و ساخت واحد می‌باشد، بویلر بازیاب نیز به عنوان یکی از تجهیزات اصلی سیکل ترکیبی در جهت تامین این اهداف قرار گرفت. از آنجا که هرگونه فعالیت خرید عبارت از مواد خام یا تجهیزات و نیز ساخت بویلر پس از شروع طراحی انجام می‌شود و با توجه به تعداد زیاد مدارک طراحی و زمان‌بر بودن تهیه آنها به علت وجود توالی در صدور مدارک ایده تیپ‌سازی بویلرها شکل گرفت.
در نیروگاه‌های قدیمی ساخته شده در کشور (CC6) که شامل نیروگاه‌های فارس، خوی، منتظر قایم، شهید رجایی، شریعتی و نیشابور می‌باشند بویلرهای بازیاب نصب شده کوچک و بدون مشعل کمکی (unfired) می‌باشند. نیروگاه‌های جدید ساخته شده (۲۲ واحد) و نیز در دست اقدام شرکت مپنا اغلب از توربین‌های گازی V94.2 استفاده می‌نمایند. به علاوه توربین بخار مورد استفاده در این نیروگاه‌ها نیز دارای مدل یکسان می‌باشد. بویلرهای نیروگاه‌های جدید نیز همه از مشعل کمکی بهره می‌برند. بویلرهای ۲۲ واحد با استفاده از خروجی توربین‌های گاز V94.2 بخار با شرایط یکسان به شرح جدول (۱) تولید می‌نمایند.
با توجه به یکسان بودن توربین بخار در همه سایت‌های آینده شرایط بخار مورد نیاز نیز که محصول خروجی از بویلر بازیاب است یکسان می‌باشد. با در نظر گرفتن این مطلب تیپ‌سازی بویلرها با فرضیات زیر آغاز گردید:
– شرایط بخار خروجی بویلرها مطابق جدول (۱) می‌باشد.
– گارانتی برای دمای متوسط محیط انجام می‌شود و در صورت تغییر این شرایط اندازه و ابعاد بعضی تجهیزات ممکن است تغییر نماید.
جدول (۱)- شرایط بخار خروجی از بویلرها
۲. علل و مزایای تیپ‌سازی انواع بویلر نیروگاه
علت اصلی تیپ‌سازی انواع بویلر نیروگاه تمرکز بر افزایش کیفیت می‌باشد. اهداف کیفیت بالا، قیمت پایین و زمان‌های راهبری کوتاه فقط با طراحی و مهندسی پیشاپیش واحدها تحقق می‌یابد. نزدیکی هر چه بیشتر به نیازهای کارفرما بدون نیاز به طراحی دوباره اجزای اصلی واحدها یک ضرورت است. بنابراین مزایای تیپ‌سازی بویلرها بدین قرار می‌باشد:
– امکان ارایه یک General Arrangement یکسان – با این آرایش یکسان زمان مورد نیاز برای تهیه مدارک Detail تا ۲۰٪ کاهش خواهد یافت. همچنین مدرک ICW برای این نوع بویلرها یکسان خواهد بود. توجه شود که در هر سایت جدید طراحی سطوح حرارتی انجام خواهد شد و نقشه‌های Detail هارپ‌ها و Casing در پاره‌ای از موارد اصلاح خواهد شد اما این تغییرات جزیی بوده و آرایش محلی بویلر را دستخوش تغییر نخواهد کرد.
– خرید مواد خام – مزیت عمده تیپ‌سازی تهیه مشخصات مواد خام شامل لوله‌ها، فین‌ها، Casing و درام‌ها و سازه بویلر و دودکش می‌باشد. با توجه به ثابت نمودن این مشخصات در هر تیپ امکان خرید مواد خام یک بویلر قبل از شروع طراحی وجود دارد.
– امکان عقد قرارداد جهت خرید تجهیزات – تیپ‌سازی و تهیه آرایش یکسان برای بویلر بازیاب این مزیت را فراهم می‌آورد که با بررسی نحوه تغییرات سیال آب و بخار و همچنین دود خروج توربین گاز، محدوده تغییرات ورودی‌های هر تجهیز مشخص شده و امکان خرید بسیاری از آنها مانند پمپ، دی‌اریتور، دایورتر دمپر و تا حد زیادی مشعل‌ها وجود دارد و با بررسی سازندگان مخلتف می‌توان مناسب‌ترین آنها را انتخاب نمود.
– امکان ساخت – با توجه به اینکه در هر تیپ مشخصات هارپ‌ها کاملاً یکسان نمی‌باشد نمی‌توان کل یک بویلر را از قبل ساخت اما می‌توان نقاط مشترک در هر تیپ را مشخص و سفارش ساخت آن را داد. این بخش‌ها بیشتر شامل داکت ورودی، دایورتر دمپر، درام‌ها، تانک‌ها و دودکش می‌باشد. در مورد هارپ‌ها تا ۵۰٪ امکان ساخت قبل از طراحی وجود دارد.
٣. شیوه و مراحل بررسی انواع بویلر نیروگاه
همانگونه که ذکر شد با توجه به مشخص بودن نیاز نیروگاه‌های سیکل ترکیبی کشور به بویلرهای بازیاب و مشخص بودن پروژه‌های سیکل ترکیبی در دست ساخت شرکت مپنا تعداد بویلرهای آینده مشخص می‌باشد. پراکندگی و محل این پروژه‌ها در شکل (۱) نشان داده شده است. جهت صرفه‌جویی در زمان طراحی و ساخت و کاهش هزینه‌ها تهیه مدل‌های استاندارد در راستای طرح نیام و جهت طراحی و ساخت بویلر با آرایش یکسان برای توربین‌های گاز V94.2 و جا دادن هر یک از این بویلرها در مدل‌های استاندارد مزبور مدنظر قرار گرفت و بررسی و مطالعه روی سایت‌های آینده انجام شد. بدین ترتیب که با توجه به مشخصات سایت از قبیل دما و فشار (ارتفاع) و نیز مشخصات توربین گاز و با توجه به تجربیات قبلی شرکت مپنا بویلر مدل‌های مختلف استاندارد تعریف شد.
شکل (1) – پراکندگی سیکل‌های ترکیبی آینده
با مقایسه دما و دبی دود خروجی از توربین گاز (که بر آرایش سطوح حرارتی بویلر موثر است) هریک از بویلرها در یکی از این سه مدل جا گرفتند. همچنین ارتفاع سایت‌ها به علت تاثیر بر دانستیه دود و در نتیجه افت فشار بویلر پارامتر مهمی است که باید در این تقسیم‌بندی مدنظر قرار می‌گرفت. با در نظر داشتن این مطلب که توربین‌های آینده مدل v5 & v3 V94.2 می‌باشند بررسی روی نحوه تغییرات مشخصات دود خروجی از آنها با توجه به دمای محیط انجام گرفت.
از تحلیل این مشخصات (به شکل‌های ۲ و ۳ توجه شود) نتایج زیر حاصل می‌شود.
– تغییرات دبی دود توربین گاز: بین ۳۹۰ تا ۵۴۰ کیلوگرم بر ثانیه
– تغییرات دمای دود خروجی: بین ۵۴۵ تا ۵۷۰ درجه سانتی‌گراد
اطلاعاتی که در مورد خروجی توربین‌های گاز سایت‌های مختلف در دست است نیز موید این مطلب می‌باشد که تغییرات مشخصات خروجی توربین گاز در محدوده مذکور قرار می‌گیرد. مشخصات سایت و دود خروجی از توربین‌های آنها در جدول (۲) نشان آورده شده است. پس از برآورد شرایط بخار خروجی از بویلرها و شرایط دود ورودی به آنها سه مدل انتخاب گردید.
جدول (۲)- مشخصات برخی از سایت‌های آینده و دود خروجی از توربین‌های گازی
شکل (۲)- تغییرات دبی و دمای دود خروجی توربین‌های V94.2 v3 با دمای محیط
شکل (۳)- تغییرات دبی و دمای دود خروجی توربین‌های V94.2 v5 با دمای محیط
۴. المان‌های اصلی یک بویلر بازیاب دوفشاره با هوازدای داخلی
یک بویلر بازیاب دوفشاره به طور معمول از بخش‌های HP و LP تشکیل می‌گردد که هر کدام از این بخش‌ها دارای اکونومایزر، اواپراتور و سوپرهیتر مستقل می‌باشند. همچنین یک اواپراتور کم‌فشار مستقل جهت تامین بخار مورد نیاز هوازدا در انتهای بویلر نصب می‌شود. با توجه به پایین بودن دمای آب کندانس ورودی به بویلر بازیاب، به منظور بازیافت بیشتر دود خروجی و کاهش مصرف بخار مورد نیاز هوازدا از یک المان پیش‌گرمکن (CP) استفاده می‌شود. وظیفه این المان گرمایش آب ورودی تا نزدیک دمای بهره‌برداری از هوازدا می‌باشد(شکل ۴).
آب اشباع خروجی از هوازدا توسط یک پمپ آب تغذیه به بخش‌های HP و LP فرستاده می‌شود. با توجه به فشار کم بخش LP و اختلاف کم دمای آب تغذیه و آب درام LP از اکونومایزر در این بخش صرف‌نظر شده است. اکونومایزر بخش HP نیز به دو قسمت تقسیم می‌شود.
شکل (۴)- المان‌های یک بویلر بازیاب دوفشاره
موازنه بین این دو قسمت به گونه‌ای است که انرژی لازم بخش LP تامین گردد. دمای دود ورودی به سوپرهیتر LP باید به گونه‌ای باشد که دمای بخار C°۲۳۰ در آن تامین شود و نیز سوپرهیتر HP باید به گونه‌ای سایز زده شود که دمای بخار C°۵۲۰ را تامین نماید.
شکل (۵) – نمای یک بویلر بازیاب دوفشاره از کنار
خروجی توربین‌های گاز V94.2 تقریباً در هیچ نقطه‌ای از ایران قادر به تولید مقدار بخار مورد نیاز توربین بخار نیستند و استفاده از احتراق اضافی اجتناب‌ناپذیر است. اما ظرفیت این احتراق اضافی در سایت‌های مختلف با توجه به شرایط دود خروجی توربین گاز متفاوت است. هر چه دبی دود خروجی توربین گاز بیشتر باشد (مانند سایت‌های با ارتفاع کم) ظرفیت احتراق اضافی کاهش می‌یابد و دمای دود بعد از داکت برنر نیز کم است. لذا عموماً به سطح سوپرهیتر بیشتری نیاز است. برعکس در المان‌های آخر مانند پیش گرمکن و بخش LP دبی دود بالا بوده و به سطح کمتری نیاز است. هرچه دبی دود خروجی توربین گاز کاهش یابد(با افزایش ارتفاع)، ظرفیت احتراق اضافی بیشتر می‌شود و در صورت عدم کاهش سطح سوپرهیتر HP میزان آب اسپری مورد نیاز افزایش شدیدی می‌یابد. علاوه بر این دمای سطح سوپرهیتر بیشتر شده و به فلزات مقاوم‌تر نیاز است. در این موارد تنها راه چاره کاهش سطح سوپرهیتر و یا قرار دادن مشعل‌ها میان سطوح حرارتی به منظور جلوگیری از افزایش زیاد جذب حرارت در سوپرهیتر می‌باشد. همچنین به علت دبی دود پایین به سطح حرارتی بیشتری در المان‌های آخر نیاز است.
۵. تشریح مدل‌های انتخابی انواع بویلر نیروگاه
با توجه به امکان تنظیم دمای دود توسط مشعل‌های کمکی در تعیین مدل بویلرها دبی دود ملاک عمل قرار گرفت. بدین ترتیب که دبی زیر kg/s۴۱۵ در تیپ اول، دبی بالاتر از kg/s۴۷۵ در تیپ سوم و دبی بین kg/s۴۶۰ – ۴۲۵ در تیپ دوم جای گرفتند. محدوده kg/s۴۲۵ – ۴۱۵ و نیز kg/s۴۶۰ – ۴۷۵ محدوده‌های مرزی سه مدل مختلف می‌باشد که تعیین مدل بویلری با این مشخصات دود نیاز به بررسی دقیق‌تر دمای دود، ارتفاع سایت، دمای آب تغذیه و شرایط بارهای غیر از بار طراحی می‌باشد.
1-5. انواع بویلر نیروگاه : بویلر تیپ ۱
پروژه‌های با دبی دود کمتر از kg/s۴۱۵ در این دسته قرار می‌گیرند که از آن جمله پروژه اصفهان را می‌توان نام برد. با توجه به ارتفاع سایت این پروژه‌ها درمی‌یابیم که به دلیل ارتفاع بالا و در نتیجه کاهش دانسیته دود دبی دود خروجی از توربین پایین است و برای جبران آن باید ظرفیت مشعل‌ها افزایش یابد. با افزایش ظرفیت مشعل‌ها دمای دود خروجی از آنها بالا می‌رود و جهت جلوگیری از افزایش دمای طراحی لوله‌های سوپرهیتر و کاهش میزان آب اسپری مشعل‌ها بعد از اولین ردیف سوپرهیتر (میان سطوح حرارتی) قرار می‌گیرد. شکل (۶) شماتیک آرایش بویلرهای این تیپ را نمایش می‌دهد.
ویژگی‌ها بویلر تیپ ۱
1- به علت دبی دود پایین ظرفیت داکت برنر بالا است و جهت کاهش میزان آب اسپری و کاهش دمای طراحی سوپرهیتر و افزایش دمای بخار در حالت Unfired، داکت برنر در بین سطوح حرارتی سوپرهیتر قرار می‌گیرد.
2- به علت دمای بالا در ورودی به اواپراتور HP سایز این اواپراتورها کمترین سطح را در بین تیپ‌های مختلف دارد.
3- در ماژول‌های پایین‌دست مثل پیش‌گرمکن و اواپراتور LP و اواپراتور دی‌اریتور به علت دبی پایین دود بیشترین سطح نسبت به بقیه تیپ‌ها مورد نیاز است.
4- به علت آب اسپری نسبتاً بالا، دبی بخار تولیدی در درام کاهش یافته و سایز درام HP در این تیپ کوچک‌ترین سایز در بین تیپ‌ها می‌باشد.
5- گرچه در حال حاضر بیش از یک نمونه از این بویلرها وجود ندارد ولی چون محدوده دبی فوق به علت تغییر ارتفاع سایت می‌باشد ارتفاع دسته لوله‌ها به شدت تابع ارتفاع سایت و دانسیته دود است. در پروژه‌های ۲۲ واحد در این محدوده از دبی، ارتفاع دسته لوله‌ها از ۷/۱۵ تا ۱۹ متر متغیر بوده است. لذا ثابت کردن یک ارتفاع مشخص در محدوده دبی‌های پایین تبعات مالی زیادی دارد.
2-5. انواع بویلر نیروگاه : بویلر تیپ ۲
پروژه‌های با دبی دود kg/s۴۶۰ – ۴۲۵ در این دسته جای می‌گیرند که شامل سایت‌های قاین، فارس، ارومیه، اردبیل، طوس، پرند، کاشان و پارس جنوبی می‌شود. ارتفاع سایت در این پروژه‌ها کمتر از m۱۵۳۰ می‌باشد. بنابراین دبی دود توربین و ظرفیت مشعل‌های کمکی در حد متوسط می‌باشد و به همین علت دمای دود خروجی از مشعل نیز خیلی بالا نیست و مشعل‌ها در داکت ورودی به بویلر قرار می‌گیرند.
ویژگی‌های بویلر تیپ ۲
1- دبی دود و ظرفیت مشعل‌ها در این تیپ متوسط است و به علت بالا نبودن دمای دود بعد از آنها، مشعل‌ها در داکت ورودی قرار می‌گیرند.
2- از لحاظ تعداد ردیف لوله‌ها بین تیپ اول و سوم قرار دارند.
3- هر چه دبی دود افزایش می‌یابد طول درام نیز افزایش می‌یابد.
4- ارتفاع دسته لوله‌ها در این تیپ ثابت و برابر ۱۹متر می‌باشد.
شکل (6)- شماتیک آرایش بویلرهای تیپ 1
شکل (7)- شماتیک آرایش بویلرهای تیپ 2
3-5. انواع بویلر نیروگاه : بویلر تیپ ۳
ارتفاع سایت برای بویلرهای این دسته پایین و اغلب هم‌سطح دریا می‌باشد. در نتیجه دبی دود توربین گاز بالا بوده و مشعل‌ها ظرفیت پایینی دارند. محل قرارگیری مشعل‌ها در داکت ورودی به بویلر می‌باشد. به علت ظرفیت پایین مشعل که موجب پایین بودن دمای دود خروجی از آن می‌شود برای به دست آوردن دمای مطلوب باید سطح سوپرهیتر نسبت به تیپ‌های 1 و ۲ افزایش یابد.
ویژگی‌های بویلر تیپ ۳
1- برعکس تیپ اول در این تیپ سطوح اولیه مانند اواپراتور HP سطح زیادی دارند ولی سطوح انتهایی کوچک‌تر می‌باشد.
2- حجم درام به علت تولید بخار زیاد در حالت مینیمم دمای محیط بسیار بزرگ می‌باشد و قطر معمول mm۱۹۸۰ که برای درام‌های HP در نظر گرفته شده بود کافی نمی‌باشد و نیاز به افزایش قطر به mm۲۱۳۴ می‌باشد.
3- دبی دود بسیار بالا و ظرفیت داکت برنر نیز بسیار کوچک است و به علت بالا نبودن دمای دود بعد از داکت برنر، مشعل‌ها در داکت ورودی قرار می‌گیرند. از آنجا که دبی مشعل کم است میزان افزایش دما بعد از آن ناچیز است و جهت حصول به شرایط دمای مطلوب نیاز به افزایش سطح سوپرهیتر می‌باشد.
4- ارتفاع دسته لوله‌ها در این تیپ ثابت و برابر ۱۹متر می‌باشد.
شکل (۸) – شماتیک آرایش بویلرهای تیپ ۳
۶. امکان ارایه یک تیپ برای همه بویلرهای آتی
موضوع فوق با توجه به موقعیت مشعل‌ها مقدور نیست. در مورد تیپ دو و سه گرچه مشعل‌ها در داکت ورودی قرار دارد اما تعداد ردیف‌ها در هر دو تیپ تفاوت عمده‌ای دارد که اگر بخواهیم در یک GA یکسان ترکیب نماییم موجب افزایش زیاد طول بویلر می‌گردد. در جدول (۳) ماکزیمم تعداد ردیف‌های لوله که در هر تیپ در نظر گرفته شده آورده شده است.
به عنوان مثال در صورت ادغام تیپ دو و سه مشکلات زیر به وجود خواهد آمد:
1- فضای اضافه در نظر گرفته شده نسبت به تیپ دو به حدود یک متر خواهد رسید.
۲- تعداد هارپ‌های یک ماژول افزایش یافته و در نهایت تعداد ستون‌ها و در نتیجه طول بویلر افزایش خواهد یافت.
۳- در تیپ دو ظرفیت مشعل‌ها بیشتر و همچنین عایق به کار رفته برای casing ضخیم‌تر است که با ترکیب دو تیپ باید عایق فوق باید برای تیپ سه هم استفاده شود.
جدول (۳)- ماکزیمم تعداد ردیف لوله در تیپ‌های مختلف
۴- به علت افت فشار بیشتر تیپ سه از دودکش با قطر بیشتر استفاده شده که می‌تواند در تیپ دو کاهش یابد.
۵- قطر درام HP در این دو تیپ متفاوت است.
۶- تعداد هارپ سوپرهیتر در دو تیپ متفاوت است که جهت قرار گرفتن دی‌سوپرهیتر در روی سطح زمین، ورودی بخار اشباع درام در تیپ دو از هدر بالایی سوپرهیتر و در تیپ سه از هدر پایینی سوپرهیتر انجام می‌گردد.
لذا با توجه به موارد بالا جهت انعطاف‌پذیر بودن طرح و مسایل اقتصادی به نظر می‌رسد ترکیب تیپ‌ها گزینه مناسبی نباشد.
جدول (۴)- مقایسه تیپ‌های مختلف
1- stack-bypass stack C.C.
۲- در صورتی که هر بویلر به طور جداگانه طراحی می‌شد نسبت به وضعیت تیپ شده که ماکزیمم فضا در نظر گرفته شده است.
۷. نتایج بررسی انواع بویلر نیروگاه
بررسی‌های انجام شده بر روی ساختار بویلر و نحوه تغییرات انرژی دود خروجی سیکل برایتون در توربین‌های گاز V94.2 و همچنین شرایط آب و هوایی مختلف ایران نشان می‌دهد که امکان دسته‌بندی ساختار بویلرها در سه تیپ وجود دارد. این تیپ‌ها از لحاظ اقتصادی افزایش هزینه ناچیزی دارند که می‌توان با برنامه‌ریزی بر خرید کل تجهیزات و مواد خام آن را جبران نمود. موضوع فوق علاوه بر تسریع روند طراحی و ساخت و نصب بویلر مشکلات کمبود برق را با سرعت بیشتری مرتفع می‌سازد. طراحی این تیپ‌ها به گونه‌ای است که فضای لازم برای دسته لوله‌ها در هر بویلر دیده شده به شکلی که سطوح حرارتی برای هر بویلر جداگانه سایز زده شده تا راندمان مناسب و بخار لازم گارانتی گردد.
