سوپرهیترها

«سوپرهیترها»

1-1-سوپرهیترها

برای استفاده بیشتر از انرژی وحرارت بخار وافزایش راندمان درنیروگاه ها، بخاراشباع تولیدشده دراپراتور را با عبور از سوپرهیترها به صورت فوق گرم(سوپرهیت)در می آورند.بخار با ورود به سوپرهیترها خشک شده و لذا جذب بیشتر گرما باعث بالا رفتن دمای آن می گردد.یک سوپرهیتر شامل هدرهای ورودی وخروجی ولوله هایی می باشد که بین این دو هدر قرار دارند.در بویلرهای مدرن، سوپرهیترها به چند قسمت می شوند و بدین ترتیب کنترل دمای بخار خروجی سوپرهیترها نیز آسان می گردد.سوپرهیترها و ری هیترها برای فشارهای بالا ودماهای بالاتر از 540 درجه سانتی گراد طراحی شده اند ونیاز به آلیاژهای با استحکام بالا دارند.سوپرهیترهای مولدهای بخار نیروگاهی از لوله هایی با قطر خارجی 2تا3 اینچ ساخته می شوند.(در مصارف دریایی، از لوله های کوچکتری به قطر تقریبی نصف قطرهای مذکور استفاده می شود(برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)شهای فشاری پایین تر هستند و درمقابل فشار بهتر می توانند مقاومت کنند.در لوله های با قطر های بزرگتر، افت فشار جریان بخار کمتر است وهم تراز شدن آنها ساده تراست.از پره گذاری سطح خارجی لوله ها خودداری می شود زیرا که پره ها تنشهای گرمایی را افزایش می دهند و تمیز کردن آنها نیز دشوارتر است.دندانه دار کردن سطح داخلی لوله نیز مانند آنچه در لوله های آبی دیگر متداول است ضرورتی ندارد چون مسایل ناشی ازDNBدر اینجا مطرح نیست.

2-1-دی سوپرهیتر(اتمپریتور)

اتمپریتور یک ولو نیوماتیکی است که با اسپری کردن آب در داخل بخار دمای آن را تنظیم می کند.در صورتی که بخار در فرآیند استفاده می شود، اتمپریتور بعد از سوپرهیتر قرار می گیرد.اگر بخار به توربین بخار وارد شود، باید اتمپریتور بین دو سوپرهیتر قرارگیرد.زیرا در حالت قبل ممکن است قطره آب در بخار باقی بماند وهمچنین کیفیت بخار کاهش یابد.آب مورد نیاز برای اسپری از خروجی بویلر فید پمپ وقبل از ولو کنترل سطح برداشت می شود.

4-1-سوپرهیتر با احتراق جداگانه

گاهی سوپرهیترهایی که خود دارای مشعل،دمنده،اتاق احتراق، سیستم کنترل وقسمت های دیگر مستقل ازبویلر هستند که مورداستفاده قرار می گیرند.این نوع سوپرهیترها حتی ممکن است برای بیش از یک درام به کاربرده شود.آهنگ احتراق طوری تنظیم می شود که منحنی دمای بخار درمقابل بار یک منحنی هموار باشد.به کارگیری این سیستم، در نیروگاه های بزرگ برق به طورکلی اقتصادی نیست ولی معمولا آن را در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می دهند.

5-1-انواع سوپرهیترها از نظر نوع تبادل حرارت

سوپرهیترها به وسیله دو مکانیزم جابجایی(Conduction) محصولات احتراق و تششع (Radiation)، حرارت حاصل از احتراق را جذب می کنند.میزان حرارت جذب شده توسط هریک از این مکانیزم ها بستگی به محل قرارگیری سوپرهیترها دارد. براساس نحوه جذب انرژی، سوپرهیترها را می توان به انواع زیر تقسیم بندی کرد:

– سوپرهیترهای تشعشعی

– سوپرهیترهای جابه جایی

– سوپرهیترهای تشعشعی – جابه جایی(Mixed)

با تعبیه سوپرهیتر جابه جایی وتشعشعی به صورت سری می توان نرخ سریع تغییرات دمای بخار چه افزایشی چه کاهشی جلوگیری نمود و به یک پروفیل دمای یکنواخت برای بخار سوپرهیت دست یافت.

1-5-1-سوپرهیترهای تشعشعی (Radiant Superheater)

این سوپرهیترها معمولا بالای مشعلها قرار دارند و بخش اعظم حرارت خود را از طریق تشعشع دریافت می کنند وبه همین دلیل به سوپرهیترهای تشعشعی معروفند.دیواره ها یا پلاتنهای تشعشعی در ناحیه کوره از این نوع می باشند.نیاز به گرمای بیشتر بالاخره موجب شد که سوپرهیترها به دماهای بالا نزدیکتر شوند و درعرض شعله احتراق قرار بگیر(برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)ش داده شد تا ضرایب کلی انتقال گرما یابند وطرح کلی سوپرهیترها نیز اصلاح شد تا فلزات آن در برابر دماهای مورد انتظار بالاتر مقاوم باشد.

این گونه اصطلاحات سوپرهیترها منجر به این شد که انتقال گرما بین گازهای گرم و شعله از یک طرف و سطوح خارجی لوله ها از طرف دیگر عمدتا به روش تابش باشد.این طرح بعدا به سوپرهیترها تشعشعی(تابشیRadiant) معروف شد.انتقال گرمای تابشی با اختلاف(T⁴_f-T⁴_W) متناسب است که در آن T_W ,T_f   به ترتیب دماهای مطلق شعله وسطح لوله است.به خاطر اینکه  T _f بسیار بزرگترازT_W است، انتقال گرما اساسا با  T⁴ _fمتناسب می شود،چون T _fشدیدا تحت تاثیر بار نیست،از این رو انتقال گرما برای جریان جرمی واحد بخار، با افزایش جریان بخار،کاهش میابد.بنابراین افزایش جریان بخار به دلیل افزایش تقاضای بار موجب تقلیل دمای بخار خروجی می شود، که البته این اثر با آنچه برای سوپرهیترهای همرفتی وجود دارد مغایرت دارد.سوپرهیترهای تشعشعی به صورت صفحات مسطح یا چندین قسمت مسطح که به (برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)ی در حدود چندین متر از همدیگر قرار دارند، چیده می شود.به دنبال آنها معمولا قسمت هایی با فاصله کم از یک دیگر قرار داده میشوند که از هر دو فرآیند تشعشع و جا بجایی بهره می گیرند.

2-5-1-سوپر هیترهای جابجایی ( Convective Superheater)

انتقال حرارت جابجایی به ویژگی های جریان گاز(سرعت و مقدار)بسیار وابسته است. از طرفی در حداکثر بار یا تولید بخار، گاز بیشترین مقدار را دارد؛ بنابر این انتقال حرارت جابجایی بسیار زیاد است.

این نوع سوپر هیتر ها معمولا در گذرگاه ها و دیواره ی آن ها قرار دارند و به دلیل دوری از مشعل ها جذب انرژی آن ها، بیشتر به صورت جابجایی است. انتخاب نوع سوپر هیتر بستگی به روش کنترل درجه حرارت بخار خروجی دارد. با پایین آمدن بار، سرعت محصولات احتراق پایین می آید. لذا ضریب انتقال حرارت جابجایی h₀   کم می شود.بنابراین دربارهای پایین،سوپرهیترهای جابه جایی انرژی کمتری دریافت می نمایند.ولی سوپرهیترهای تشعشعی،این موضوع به صورت عکس اتفاق می افتد وبا کاهش بار، انرژی دریافتی سوپرهیترهای تشعشعی افزایش میابد.

درطرحهای پیشین، سوپرهیترها در بالا یا درپشت ردیف لوله های آبی(Waterwall) قرار می گرفتند تا از شعله احتراق و دماهای بالا محفوظ بمانند.به این صورت طریقه ی اصلی انتقال گرما بین گازهای احتراق ولوله های سوپرهیترها،جابه جایی(Convection) است و این سوپرهیترها به سوپرهیترهای همرفتی(Convection Superheater)معروف است.برجسته ترین ویژگی این سوپرهیترها،جوابدهی آن به تغییرات بار است. هنگامی که تقاضا برای بخار افزایش میابد، برجریان سوخت وهوا واز این رو بر جریان (برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)یب انتقال گرمای جابه جایی هم در داخل وهم در خارج لوله ها افزایش میابد که این هم موجب افزایش تندتر ضریب کلی انتقال حرارت بین گازها وبخار نسبت به افزایش آهنگ جرمی جریان بخار می شود.(دمای احتراق برحسب بار محسوسا تغییر نمی کند)بنابراین بخار به ازای هر واحد آهنگ جرمی جریان،گرمای انتقالی بیشتری را جذب می کند ودمای آن بر حسب بار افزایش میابد.

6-1-انواع سوپرهیترها با توجه به شکل ظاهری و محل قرارگیری:

سوپرهیترها با توجه به نحوه قرارگیری لوله ها وهدرها، می توانند از انواع آویزان، افقی ویا L شکل باشند.تخلیله بخار تقطیرشده در سوپرهیتر های نوع افقی و Lب شکل به صورت طبیعی انجام می شود ونیازی به تخلیه اجباری ندارند.در هنگام روشن کردن مشعل ها نیز بخار به سهولت جریان میابد.

سوپرهیترهای نوع آویزان آنهایی هستند که ازبالا آویزان می شوند.مزیت آنها در محکم بودن تکیه گاه سازه آنهاست وعیب آنها درمسدود شدن جریان توسط بخار چگالش یافته پس از خاموشی سرد نیروگاه است،که برای رفع این مشکل راه اندازی مجدد به آهستگی انجام می شود تا آبی که درته جمع شده است به تدریج تخلیه شود.از سوی دیگر، واحدهای نوع L شکل از زیر ورودی پایه نگاه داشته می شوند.این واحدها جهت بخار چگالش یافته محل تخلیه مناسب دارند، ولی فاقد استحکام سازه های نوع آویزان، به ویژه در جریان گاز با سرعت زیاد هستند.استفاده ازواحدهای L شکل خیلی رایج نیست.واحدهای نوع افقی معمولا به طور افقی به وسیله کانال های قائم گاز که به موازات کوره اصلی قرار دارند نگهداری می شوند وگازهای گرم را پس از یک چرخش U شکل در بالا دریافت می کنند.آنه(برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)د و به این دلیل عمدتا از نوع جابه جایی هستند. این واحدها هم محل تخلیه مناسب وهم استحکام خوبی دارند.سوپرهیترها غالبا به مراحل اولیه وثانویه تقسیم می شوند تا انجام عملیات کنترل امکان پذیر باشد.

1-2-جنس آلیاژهای لوله های سوپرهیتر

انتخاب جنس مناسب برای لوله های سوپرهیتر یکی از مهمترین پارامترهای طراحی سوپرهیترها می باشد.درصد عناصر آلیاژی تاثیر زیادی برخواص فولاد، نظیر استحکام مکانیکی و قابلیت کاربرد آن دارد. بنابراین فولادها با جنسهای متفاوت دارای خواص وکاربرد های متفاوتی می باشند.ازطرفی محیط بهره برداری از قطعه نیز تاثیر قابل ملاحظه ای بر عمر کاری ومقاومت آن قطعه می گذارد، زیرا میزان مقاومت این قطعات در برابر مکانیزم های مختلف خرابی، به محیط کارکرد وجنس آنها بستگی دارد. از آنجا که لوله های سوپرهیتر تحت فشار داخلی در دمای بالا ودر محیط گازهای حاصل از احتراق بهره برداری می شوند مهم ترین مکانیزم های تخریب آنها خزش، سایش، خوردگی وتا حدودی خستگی حرارتی می باشند، لذا موارد استفاده برای ساخت لوله های سوپرهیترها باید دارای مقاومت به خوردگی سمت تنش، مقاومت به اکسیداسیون سمت بخار، استحکام گسیختگی خزشی ونیز قابلیت مونتاژ خوبی باشند.

همان طور که اشاره شد سوپرهیترها برای فشارهای بالا و دماهای بالاتر از 540درجه سانتی گراد طراحی می شوند ونیاز به آلیاژهای با استحکام بالا دارند.وجود فشار بالای بخار سبب استفاده از لوله های ضخیم در سوپرهیتر می شود.همچنین لوله های ضخیم از سمت جداره خارجی در معرض دمای بالاتری قرار دارند.(لوله های ضخیم تر مقاومت حرارتی بیشتری نسبت به لوله های نازکتر دارند ل(برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!) گیرند)و واکنش های شیمیایی نیز در دماهای بالا فعال ترند،لذا این لوله ها بیشتر در معرض خوردگی جداره ی خارجی قرار می گیرند. این مساله در مورد سوخت هایی با درصد ناخالصی بالا مهمتر است.

2-2-تقسیم بندی آلیاژهای رایج در ساخت سوپرهیتر

مواد رایج در ساخت لوله های سوپرهیتر را می توان به صورت زیر تقسیم بندی نمود:

1-فولاد های کربنی

2-فولاد های کربن- مولیبدن

3-فولاد های کم آلیاژ مقاوم در برابر خزش

4-فولاد های زنگ نزن

1-2-2-فولاد های کربنی

فولادهای کربنی به دلایلی نظیر قیمت کم، خصوصیات فیزیکی متنوع و قابلیت شکل دهی بالا کاربرد گسترده ای در ساخت مخازن تحت فشار قرار دارند.این فولاد ها در محیط غیرخورنده، از پرکاربردترین فولاد ها برای کارکرد در محدوده دمایی 29- الی425درجه سانتی گراد در پالایشگاه ها و صنایع پتروشیمی می باشند.اگرچه استاندارد ASME تنش این آلیاژ ها را در دماهای بالاتر از 425 درجه سانتی گراد مجاز دانسته است ولی به این نکته که کارکرد طولانی مدت در دماهای بالا سبب گرافیته شدن کاربید های آهن می شود نیز اشاره کرده است.گرافیته شدن فرآیندی است که به مدت زمان کلوکرد در دماهای بالاتر از 425درجه سانتی گراد وابسته است و (برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)ب، فولاد ضعیف شده و استحکام آن کاهش میابد.فولادهای کربنی در دماهای بالاتر از 375 درجه سانتی گراد(700درجه فارنهایت) تحت تاثیر خزش قرار می گیرند و استحکام آنها با گذشت زمان کاهش میابد.با افزایش دما تنش گسیختگی در زمان مشخص کاهش میابد.

3-2-2-فولاد های کم آلیاژ مقاوم در برابر خزش

فولادهای کم آلیاژ به خزش معمولا حاوی 0.5-1 درصد مولیبدن هستند که استحکام خزشی آنها را بالا می برد ودر حدود 0.5-9 درصد کروم دارند که برای بالا بردن خصوصیاتی نظیر مقاومت در برابر گرافیته شدن به آنها اضافه می شود.

ممکن است مقادیر کمی از سایر کاربیدساز ها نظیر وانادیوم، تیتانیوم و نیوبیوم به منظور بهبود استحکام و زیر ساختاربه آنها اضافه شود.قابلیت جوشکاری وتغییر سختی نیز فاکتوری است که در افزودن عناصر آلیاژی به این آلیاژها در نظر گرفته می شود.سه نوع عمومی فولاد های کم آلیاژ مقاوم در برابر خزش شامل فولادهای زیر هستند:

1-3-2-2- فولادهای کروم- مولی

به طور کلی فولادهایی که دارای کروم ومولیبدن باشند را به نام فولادهای کروم-مولی می شناسند.این فولادها به طور گسترده در صنایع شیمیایی و نیروگاه ها وخصوصا درساخت مبدلهای حرارتی، لوله های سوپرهیتر ومخارن تحت فشار به کار می روند.مزیت اصلی این فولادها مقاومت بالای آنها در برابر خزش و کروم به تنهایی مقاومت به خوردگی را در این نوع فولادها بالا می برد.مقاومت خزشی فولاد های کروم- مولبیدن عمدتا از دو منبع زیر تامین می شود:

-استحکام دهی محلول جامد با افزودن عناصر آلیاژی(Solid Solution Strenghtening) درشبکه فریت نظیر کروم، مولیبدن وکربن

-افزایش استحکام با رسوب دهی کاربیدها(PrecipitationHardening)

دمای بهره برداری این فولادها برای لوله های بویلر510 تا حداکثر540 درجه سانتی گراد می باشد و به همین دلیل در ساخت مراحل میانی سوپرهیترها به طور گسترده ای به کار می روند.

معمولا مقاومت خزشی با افزایش مولیبدن و کروم افزایش می یابد.البته این موضوع همیشه صادق نیست.مولیبدن با مکانیزم ایجاد محلول جامد و ایجاد کاربیدهای مولیبدن دار، استحکام را افزایش می دهد.تاثیر میزان کروم و مولیبدن بر مقاومت فولاد، در برابر خزش غیرخطی است، به عبارت دیگر تاثیر این دو عنصر مختلط می باشد.

مثلا فولاد نوع (2.25Cr-1Mo) مقاومت خزشی بالاتری نسبت (برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)ساله در شکل(5-2) نشان داده است.

فولادهای کروم- مولی، در انواع مختلف و با ترکیبات مختلف ساخته می شوند شکل(6-2).فولادهای به کار رفته در ساخت لوله های سوپرهیتر عموما به صورت آنیل شده هستند، اما براساس نرخ سرد شدن در این عملیات حرارتی، ریزساختار آنها ممکن است به صورت فریت-پریت ویا فریت- بینیت باشد.

4-2-2-فولادهای زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن به فولادهایی گفته می شود که حداقل 12درصد کروم داشته باشند. مهم ترین خاصیت این فولاد ها مقاومت به خوردگی بالای آنهاست.چهار نوع موجود از این فولادها عبارت کروم دار فریتی، فولادهای آستنیتی، فولادهای رسوب سخت شونده(Precipition-Hardenable) وفولادهای مارتنزیتی.

فولادهای آستنیتی(کروم- نیکل دار) در دمای اتاق، ساختار آستینیتی خود را حفظ می کنند، بنابراین عملیات حرارتی پذیر نمی باشند.این فولادها خاصیت آهنربایی ندارند مگر زمانی که کار سرد شوند.با کار سرد می توان استحکام این فولادها را نیز بسیار افزایش داد.

همه فولادهای داریای کروم- نیکل را می توان جوشکاری کرد اما ماشین کاری آنها به علت تمایل به کار سختی مشکل است و مقاومت به خوردگی آنها خیلی بیشتر از فولادهایی است که تنها نیکل دارند.هرگاه بخواهیم با افزایش درصد کروم، مقاومت به خوردگی این فولادها را به گونه ای افزایش دهیم که خواص آستنیتی جسم باقی بماند، باید درصد نیکل را افزایش دهیم.

از میان فولادهای زنگ نزن، فولادهای کروم- (برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)عه فولادهای زنگ نزن آستنیتی هستند، به طور گسترده ای در مراحل پایانی سوپرهیترها به کار می روند ومعمولا به لوله های فریتی که در مراحل اولیه سوپرهیتر ها به کار می روند، جوش داده می شوند.به همین دلیل در ادامه به بررسی بیشتر در مورد این فولادها پرداخته می شود.

1-4-2-2-فولادهای زنگ نزن آستنیتی

به طور کلی فولادهای زنگ نزن آستنیتی به فولادهای پایه ی آهن گفته می شود که دارای 16تا 25 درصد کروم و تا 20 درصد نیکل باشند.ویژگی این فولادها چقرمگی استثنایی(Toughness)، استحکام بالا، داکتیلیته و شکل پذیری بسیار خوب آنهاست. عموما مقاومت به خوردگی آنها از فولادهای فریتی و مارتنیریتی بالاتر است و دماهای بالا استحکام زیادی دارند.همچنین در برابر اکسیداس(برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)ل در مراحل پایانی سوپرهیترها که دما وتنش زیاد است مورد استفاده قرار می گیرند.عملیات حرارتی محلول سازی این فولادها شامل حرارت دادن تا دمای 1095 درجه سانتی گراد(2000درجه فارنهایت) وسپس سرد کردن سریع می باشد.این نوع فولادها را نمی توان با عملیات حرارتی سخت کرد و برای سخت کردن آنها از کارسر(برای مشاهده متن کامل مقاله، آنرا بخرید!)شود.تاثیرات کارسرد بر استحکام این فولادها نیز با قرار گرفتن این فولادها در معرض دماهای بالا وتبلور مجدد از بین می رود.در شکل(9-2) تعدادی از فولادهای زنگ نزن آستنینی همراه با درصد عناصر تشکیل دهنده آورنده شده است.

فهرست مطالب

فصل اول
کلیات سوپرهیترها
1-1-سوپرهیترها 2
2-1-دی سوپرهیتر(اتمپریتور) 8
3-1-طراحی سوپرهیترها 9
4-1-سوپرهیتر با احتراق جداگانه 10
5-1-انواع سوپرهیترها از نظر نوع تبادل حرارت 11
1-5-1-سوپرهیترهای تشعشعی (Radiant Superheater) 11
2-5-1-سوپر هیتر های جابجایی ( Convective Superheater) 12

فصل دوم
آلیاژهای مورداستفاده در لــوله های سوپرهیتر
1-2-جنس آلیاژهای لوله های سوپرهیتر 19
2-2-تقسیم بندی آلیاژهای رایج در ساخت سوپرهیتر 20
1-2-2-فولاد های کربنی 20
2-2-2-فولادهای کربن- مولیبدن 21
3-2-2-فولاد های کم آلیاژ مقاوم در برابر خزش 23
1-3-2-2- فولادهای کروم- مولی 24
2-3-2-2-عملیات حرارتی مربوط به فولادهای کروم-مولی 28
4-2-2-فولادهای زنگ نزن 29
1-4-2-2-فولادهای زنگ نزن آستنیتی 30
2-4-2-2-خصوصیات کششی 35
3-2-مواد به کار رفته در ساخت سوپرهیترها براساس نرخ خوردگی 38
4-2-مواد به کار رفته در ساخت لوله های سوپرهیتر براساس دمای کارکرد 40
5-2- مواد رایج در ساخت لوله های تحت فشار بر اساس استاندارد ASTM 41
6-2- مواد رایج در ساخت سوپرهیتر بر اساس استاندارد(ASME) 46
7-2- مواد رایج در ساخت لوله های بویلر براساس استاندارد BS 48
8-2- فلز پرکننده جوشکاری (Filler Mental) 49

فصل سوم
خرابی سوپرهیترها
1-3- سوختن سوپرهیترها 55
1-1-3-انواع مکانیزمهای تخریب در سوپرهیتر اولیه وثانویه : 59

منابع 71

مقاله فوق دارای صفحه مشخصات، تصویر، جدول، فهرست مطالب (فصل بندی شده) و 71 صفحه متن (در قالب و ) با رعایت کامل صفحه بندی می باشد. همچنین فونت های کار شده برای متن مقاله  B Nazanin(14) و برای تیترهای داخل مقاله B Nazanin می باشند.

قیمت این مقاله 54400 تومان می باشد، جهت دریافت کامل متن مقاله (قابل ویرایش) بالای صفحه روی پرداخت و دریافت کلیک کنید

مشاهده فهرست مقالات الکترونیک

نوشته شده در 13 اردیبهشت 1404

لطفا پس از بهره مندی از مطالب فوق با نظر گرمت به من انرژی مثبت تزریق کن 🙂