بلودان یا زیر آب زنی دیگ بخار (Bottom Blowdown) یکی از مهمترین عملیات نگهداری بویلرهای بخار است که نقش مستقیمی در حفظ راندمان انتقال حرارت، افزایش طول عمر دیگ بخار و جلوگیری از آسیب به سطوح حرارتی دارد. در طول کارکرد دیگ بخار، ذرات معلق، رسوبات و لجن حاصل از ناخالصیهای آب در کف بویلر تجمع پیدا میکنند و در صورت عدم تخلیه، میتوانند انتقال حرارت را مختل کرده و باعث افزایش دمای موضعی لولههای آتشخوار شوند.
در این مقاله از شرکت انرژی بخار آسیا، اصول زیر آب زنی دیگ بخار، روش صحیح انجام Bottom Blowdown، عوامل مؤثر بر دبی بلودان، ملاحظات طراحی خطوط و مخازن بلودان، الزامات ایمنی و روشهای اجرای بلودان اتوماتیک بررسی میشود.
بلودان (Bottom Blowdown) چیست؟
ذرات معلق موجود در آب دیگ بخار تا زمانی که آب داخل بویلر در حال گردش و تلاطم باشد، به صورت معلق باقی میمانند. اما به محض کاهش جریان یا توقف تلاطم، این ذرات در پایینترین قسمت دیگ بخار تهنشین میشوند.
اگر این رسوبات به طور منظم از سیستم خارج نشوند، به مرور زمان به صورت لایهای از لجن در کف بویلر تجمع پیدا کرده و انتقال حرارت از لولههای آتشخوار به آب را کاهش میدهند. ادامه این وضعیت باعث افزایش دمای فلز، کاهش راندمان و حتی خرابی لولههای دیگ بخار خواهد شد.
به همین دلیل، توصیه میشود رسوبات کف دیگ بخار به وسیله شیر بلودان نصبشده در پایینترین نقطه بویلر تخلیه شوند.
چرا زیر آب زنی کف دیگ بخار اهمیت دارد؟
هدف اصلی Bottom Blowdown حذف لجن و رسوبات سنگینی است که در پایین دیگ بخار جمع میشوند.
بهترین روش انجام این عملیات استفاده از:
- مدت زمان کوتاه
- باز شدن کامل شیر
- دبی زیاد
- تخلیه ناگهانی
است.
در این روش، جریان پرسرعت آب باعث میشود رسوبات از کف بویلر جدا شده و همراه آب تخلیه شوند.
چرا بلودان کوتاه بهتر از بلودان طولانی است؟
مدت زمان باز بودن شیر بلودان اهمیت فراوانی دارد. ممکن است تصور شود باز نگه داشتن شیر برای مدت طولانی باعث خروج رسوبات بیشتری میشود، اما در عمل چنین نیست.
روش توصیهشده عبارت است از:
- یک بلودان چهار ثانیهای هر هشت ساعت
این روش بسیار مؤثرتر از آن است که:
- در ابتدای شیفت، یک بلودان دوازده ثانیهای انجام شود و سپس تا پایان روز هیچ بلودانی صورت نگیرد.
علت این موضوع آن است که پس از هر بار تخلیه، رسوبات باقیمانده دوباره فرصت پیدا میکنند در کف دیگ تجمع پیدا کنند و در بلودان بعدی خارج شوند. در مقابل، باز نگه داشتن طولانی شیر، تنها مقدار بیشتری آب و انرژی را هدر میدهد، بدون آنکه رسوبات بیشتری تخلیه شوند.
آب بلودان پس از خروج از دیگ بخار به کجا منتقل میشود؟
آب خروجی از Bottom Blowdown دارای دمای بسیار بالا و انرژی زیادی است؛ بنابراین نمیتوان آن را مستقیماً وارد سیستم تخلیه کرد.
آب بلودان معمولاً به یکی از دو محل زیر هدایت میشود:
- حوضچه بلودان آجری (Blowdown Pit) که در زیر سطح زمین ساخته میشود.
- مخزن فلزی بلودان (Blowdown Vessel) که در بالای سطح زمین نصب میشود.
امروزه استفاده از مخزن بلودان به دلیل ایمنی بیشتر و کنترل بهتر فشار، راهکار متداولتری محسوب میشود.
چه عواملی ظرفیت سیستم بلودان را تعیین میکنند؟
ظرفیت جریان آب هنگام زیر آب زنی به سه عامل اصلی بستگی دارد:
- فشار کاری دیگ بخار
- قطر خط بلودان
- طول خط بلودان بین دیگ بخار و مخزن بلودان
این سه پارامتر مستقیماً بر میزان دبی خروجی، افت فشار و ابعاد مخزن بلودان تأثیر میگذارند.
در طراحیهای صنعتی معمولاً طول معادل خط بلودان حداقل ۷٫۵ متر در نظر گرفته میشود. علاوه بر طول واقعی لوله، وجود زانوها، شیر یکطرفه، اتصالات و خود شیر بلودان نیز باعث افزایش افت فشار میشود. ازاینرو این تجهیزات به صورت «طول معادل لوله مستقیم» در محاسبات لحاظ میشوند.
محاسبه دبی تقریبی بلودان
در صورتی که طول معادل خط بلودان کمتر از ۷٫۵ متر باشد، لازم است مخزن بلودان بر اساس دبی بیشتری طراحی شود.
در این حالت، فشار دیگ بخار در ضریب ۱٫۱۵ ضرب شده و مقدار حاصل برای تعیین نرخ بلودان از نمودار استفاده میشود.
اما اگر طول خط بلودان بیش از ۷٫۵ متر باشد، مقدار دبی مستقیماً از نمودار قابل استخراج است.
مثال
اگر:
- فشار دیگ بخار 10 bar(g) باشد.
- قطر خط بلودان 40 میلیمتر باشد.
- طول معادل خط 10 متر محاسبه شود،
طبق نمودار، دبی تقریبی بلودان برابر خواهد بود با:
6.2 kg/s
انرژی موجود در آب بلودان (Energy Content of Blowdown)
یکی از مهمترین نکاتی که هنگام طراحی سیستم بلودان باید در نظر گرفته شود، مقدار بسیار زیاد انرژی موجود در آب تخلیهشده از دیگ بخار است.
آبی که از طریق شیر بلودان از دیگ خارج میشود، در دمای اشباع و فشار کاری بویلر قرار دارد. بنابراین انرژی حرارتی آن برابر با آنتالپی مایع اشباع (hf) در همان فشار است.
در مثال ارائهشده در متن مرجع، فشار کاری دیگ بخار 10 bar(g) در نظر گرفته شده است. بر اساس جداول بخار، آنتالپی مایع اشباع در این فشار برابر است با:
hf = 782 kJ/kg
از آنجا که در مثال قبل، دبی بلودان برابر 6.2 kg/s محاسبه شد، نرخ آزاد شدن انرژی از دیگ بخار به صورت زیر خواهد بود:
782 × 6.2 = 4.85 MW
این مقدار نشان میدهد که حتی در مدت زمان کوتاه بلودان، انرژی بسیار قابل توجهی از دیگ بخار خارج میشود. به همین دلیل طراحی صحیح خطوط بلودان، تجهیزات تخلیه و مخزن بلودان از اهمیت بالایی برخوردار است.
تغییر حجم آب هنگام زیر آب زنی دیگ بخار
موضوع مهم دیگری که در طراحی سیستم بلودان باید مورد توجه قرار گیرد، تغییر بسیار زیاد حجم سیال پس از کاهش فشار است.
اگر شیر بلودان به مدت ۳ ثانیه باز بماند، مقدار آب خارجشده از دیگ بخار برابر خواهد بود با:
6.2 kg/s × 3 s = 18.6 kg
حجم این مقدار آب قبل از افت فشار تقریباً برابر است با:
18.6 × 0.001 = 0.0186 m³
در نگاه اول این حجم چندان زیاد به نظر نمیرسد، اما شرایط پس از خروج آب از دیگ بخار کاملاً متفاوت است.
تشکیل فلش استیم (Flash Steam)
زمانی که آب اشباع تحت فشار دیگ بخار ناگهان به فشار اتمسفر میرسد، بخشی از آن به صورت آنی تبخیر شده و به فلش استیم (Flash Steam) تبدیل میشود.
طبق محاسبات ارائهشده
در فشار 10 bar(g) حدود:
16 درصد
از جرم آب به بخار تبدیل میشود.
از طرف دیگر، هر کیلوگرم بخار در فشار اتمسفر حجمی برابر با:
1.673 m³
اشغال میکند.
بنابراین حجم بخار حاصل از 18.6 کیلوگرم آب دیگ بخار برابر خواهد بود با:
(18.6 × 16%) × 1.673 = 4.98 m³
این در حالی است که حجم آب باقیمانده تنها برابر است با:
(18.6 × 84%) × 0.001 = 0.0156 m³
چرا این تغییر حجم اهمیت دارد؟
نتایج این محاسبات نشان میدهد که تنها در چند ثانیه، حجم بسیار کمی از آب میتواند به چندین مترمکعب بخار تبدیل شود.
به همین دلیل، در لحظه باز شدن شیر بلودان، دو پدیده مهم به طور همزمان رخ میدهد:
- آزاد شدن انرژی بسیار زیاد
- افزایش ناگهانی حجم سیال در اثر تشکیل فلش استیم
این دو عامل نیروهای واکنشی بسیار بزرگی در خطوط بلودان ایجاد میکنند. ازاینرو، عملیات زیر آب زنی دیگ بخار باید همواره با رعایت کامل اصول ایمنی و با استفاده از تجهیزات مناسب انجام شود.
الزامات ایمنی در طراحی سیستم بلودان
به دلیل انرژی زیاد آب بلودان و نیروهای ناشی از آزاد شدن فلش استیم، طراحی و اجرای سیستم بلودان در بسیاری از کشورها تحت مقررات ایمنی قرار دارد.
در انگلستان قوانین و دستورالعملهای متعددی توسط سازمان Health & Safety Executive (HSE) برای این منظور تدوین شدهاند که از جمله آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- Factories Act (1961)
- Health and Safety at Work Act (1974)
- Public Health Act (1936)
- Guidance Notes PM60 و PM5
- Pressure Systems Regulations (1989)
- European Pressure Equipment Directive (PED)
اگرچه این مقررات مربوط به انگلستان هستند، اما بسیاری از کشورها الزامات مشابهی برای بهرهبرداری ایمن از دیگهای بخار دارند.
صرفنظر از استاندارد مورد استفاده، سه اصل اساسی همواره باید رعایت شود:
- استفاده از اصول مهندسی صحیح
- اجرای مناسب تجهیزات و خطوط لوله
- رعایت کامل الزامات ایمنی
اهمیت ایزولاسیون در سیستمهای چند دیگ بخار
در واحدهایی که چند دیگ بخار به طور همزمان کار میکنند، طراحی سیستم بلودان اهمیت بیشتری پیدا میکند.
تجهیزات کنترل TDS و خطوط بلودان باید به گونهای طراحی شوند که فشار یا جریان یک دیگ بخار به دیگ دیگر منتقل نشود.
برای این منظور، استفاده از تجهیزات زیر ضروری است:
- شیر یکطرفه (Non-return Valve)
- شیر قطع و وصل (Isolation Valve)
وجود این تجهیزات مانع از آن میشود که هنگام خاموش بودن یکی از دیگهای بخار، فشار یا بخار تولیدشده توسط دیگ دیگر وارد آن شود.
در غیر این صورت، علاوه بر آسیب دیدن تجهیزات، احتمال ایجاد شرایط خطرناک برای کارکنانی که در حال تعمیر یا بازرسی دیگ خاموش هستند نیز وجود خواهد داشت.
شیر بلودان اتوماتیک دیگ بخار (Timer Controlled Automatic Bottom Blowdown)
در سالهای اخیر امکان اتوماتیک کردن فرآیند زیرآبزنی دیگ بخار فراهم شده است. در این روش، شیر بلودان توسط یک تایمر قابل برنامهریزی و یک عملگر پنوماتیکی کنترل میشود تا در زمانهای مشخص و برای مدت زمان از پیش تعیینشده باز و بسته شود.
تایمر باید قابلیت انجام موارد زیر را داشته باشد:
- باز کردن شیر در زمان مشخص
- باز نگه داشتن شیر برای چند ثانیه تعیینشده
- بستن خودکار شیر پس از پایان زمان تنظیم شده
مزیت اصلی این سیستم آن است که عملیات زیرآبزنی بدون وابستگی به اپراتور و بهصورت منظم انجام میشود. در نتیجه علاوه بر حفظ کیفیت آب دیگ بخار، اپراتور نیز میتواند زمان خود را صرف سایر وظایف بهرهبرداری کند.
شرکت انرژی بخار آسیا بهعنوان نماینده رسمی آیواز ترکیه، شیر بلودان اتوماتیک بویلر مدل DBV-10 آیواز ترکیه را برای اتوماتیکسازی عملیات زیرآبزنی دیگ بخار ارائه میکند. این تجهیز برای اجرای منظم عملیات بلودان در سیستمهای بخار طراحی شده و میتواند در کنار سیستمهای کنترل مناسب مورد استفاده قرار گیرد.
در نیروگاهها و موتورخانههایی که چند دیگ بخار به یک مخزن بلودان مشترک متصل هستند، نباید بیش از یک شیر بلودان بهطور همزمان باز شود؛ زیرا این موضوع باعث اضافهبار روی مخزن بلودان خواهد شد. سادهترین راهکار، تنظیم زمان عملکرد هر تایمر بهگونهای است که عملیات زیرآبزنی دیگهای مختلف به ترتیب انجام شود.
مخزن بلودان (Blowdown Vessel)
استانداردهای بریتانیا استفاده از مخزن بلودان را نسبت به چاهکهای سنتی زیرآبزنی ترجیح میدهند. راهنمای PM60 سازمان HSE نیز الزامات طراحی این مخازن را تشریح کرده است.
در گذشته ورودی مخزن بهصورت مماسی (Tangential) طراحی میشد، اما این روش باعث کاهش استحکام مکانیکی مخزن در محل اتصال ورودی میشد.
امروزه طراحی توصیهشده به این صورت است که:
- خط بلودان بهصورت شعاعی (Radial) وارد مخزن شود.
- در داخل مخزن از دیفیوزر (Diffuser) استفاده گردد.
این آرایش علاوه بر افزایش استحکام مکانیکی، میزان فرسایش داخلی مخزن را نیز کاهش میدهد.
استاندارد ساخت مخزن بلودان
مخزن بلودان باید مطابق دستورالعمل تجهیزات تحت فشار اروپا (European Pressure Equipment Directive – PED) برای گازهای گروه ۲ ساخته شود.
از آنجا که مخزن بلودان یک مخزن تحت فشار محسوب میشود، باید امکانات لازم برای بازرسی دورهای نیز در آن پیشبینی شود؛ از جمله:
- دریچه بازدید
- اتصال تخلیه
- تجهیزات لازم برای انجام بازرسیهای دورهای
فشار و دمای طراحی مخزن بلودان
مطابق راهنمای HSE:
- فشار طراحی مخزن باید حداقل ۲۵ درصد فشار کاری حداکثر دیگ بخار باشد.
- دمای طراحی نیز باید حداقل برابر با دمای اشباع متناظر با فشار طراحی مخزن انتخاب شود.
تعیین ظرفیت مخزن بلودان
ظرفیت مخزن بلودان به فشار کاری دیگ و قطر خط بلودان بستگی دارد، اما چند الزام مهم نیز باید رعایت شود:
- قطر لوله ونت باید به اندازهای باشد که فشار داخل مخزن از ۰٫۳۵ بار گیج بیشتر نشود.
- حجم آب داخل مخزن باید به گونهای انتخاب شود که دمای آب خروجی سرریز از ۴۳ درجه سانتیگراد بیشتر نباشد.
نحوه عملکرد مخزن بلودان
مخزن بلودان باید همواره مقداری آب در داخل خود داشته باشد.
- حجم آب موجود در مخزن باید حداقل دو برابر حجم آب تخلیهشده در هر عملیات بلودان باشد.
- تقریباً نیمی از حجم مخزن با آب و نیم دیگر با فضای هوا اشغال شود.
این فضا امکان جداسازی مناسب بخار فلش از آب را فراهم میکند.
سیستم ونت (Vent)
لوله ونت باید بخار فلش را با ایمنی کامل به اتمسفر هدایت کند و از خروج آب همراه بخار جلوگیری نماید.
به همین دلیل توصیه میشود:
- مسیر ونت تا حد امکان مستقیم باشد.
- در انتهای آن از Vent Head استفاده شود.
اتصال گیج فشار
از آنجا که مخزن بلودان یک مخزن تحت فشار است، وجود محل نصب فشارسنج (Pressure Gauge) الزامی است تا امکان انجام آزمونها و بازرسیهای دورهای فراهم شود.
سیستم خنککننده
اگر دمای آب خروجی مخزن از مقدار مجاز بیشتر باشد، باید یک سیستم خنککننده روی مخزن نصب شود.
اقتصادیترین راهکار استفاده از شیر کنترل خودکار (Self-acting Control Valve) است.
در این سیستم:
- با افزایش دمای آب از مقدار تنظیمشده،
- شیر بهصورت خودکار باز میشود،
- آب سرد شبکه وارد مخزن شده،
- و دمای آب خروجی کاهش پیدا میکند.
الزامات نصب در سیستمهای چند دیگ بخار
در سیستمهایی که چند دیگ بخار به یک مخزن بلودان متصل هستند، راهنمای PM60 چند نکته مهم را بیان میکند.
عملکرد
در هر لحظه فقط یک دیگ بخار مجاز به انجام عملیات بلودان است.
به همین دلیل ظرفیت مخزن بلودان همیشه بر اساس دیگی انتخاب میشود که:
- بیشترین فشار کاری را دارد.
- بزرگترین قطر خط بلودان را دارد.
لولهکشی
در سیستمهای چند بویلر توصیه میشود:
- خطوط Bottom Blowdown و TDS Blowdown بهصورت جداگانه تا مخزن ادامه پیدا کنند.
- اتصال این خطوط تنها در محل مخزن انجام شود و نه در کنار دیگ بخار.
علاوه بر این، برای رعایت الزامات مربوط به کنترل سطح آب، یک اتصال مجزا نیز برای تخلیه آب از محفظههای کنترل سطح و گیجهای شیشهای سطح آب در نظر گرفته میشود.
شیرآلات مورد نیاز
هر خط بلودان که وارد کلکتور ورودی مخزن میشود باید مجهز به یکی از آرایشهای زیر باشد:
- شیر یکطرفه همراه با شیر قطعکن
- یا شیر Screw-down Non-return
هدف از نصب این تجهیزات جلوگیری از ورود بخار یا آب داغ تحت فشار از یک دیگ فعال به داخل دیگی است که برای تعمیرات از مدار خارج شده و احتمال حضور افراد در داخل آن وجود دارد.
استفاده از دو شیر مجزا راهکار مناسبتری است؛ زیرا شیر یکطرفه به دلیل عملکرد مداوم به مرور دچار سایش خواهد شد و وجود شیر ایزولاسیون امکان تعمیر یا تعویض آن را فراهم میکند.
زیرآبزنی دیگ بخار تنها یک عملیات تخلیه آب نیست، بلکه بخشی اساسی از مدیریت کیفیت آب و ایمنی بویلر محسوب میشود. همانطور که در این مقاله و بر اساس راهنمای فنی Spirax Sarco بررسی شد، انتخاب صحیح نرخ بلودان، طراحی مناسب خط تخلیه، استفاده از مخزن بلودان استاندارد، رعایت الزامات ایمنی و بهکارگیری شیر بلودان اتوماتیک نقش مهمی در افزایش عمر دیگ بخار و کاهش خطرات بهرهبرداری دارند.
برای اجرای این فرآیند در سیستمهای بخار صنعتی، انرژی بخار آسیا بهعنوان نماینده رسمی آیواز ترکیه، شیر بلودان اتوماتیک بویلر مدل DBV-10 آیواز ترکیه را در سبد محصولات خود ارائه میکند که میتواند در کنار طراحی صحیح سیستم بلودان، به انجام منظم و ایمن عملیات زیرآبزنی کمک کند.