أجزاء ومكونات برج الحفر

مرجل البخار

مرجل البخار (Steam boiler) هو عبارة عن وعاء مغلق يتم فيه تسخين الماء  الى درجة غليانه وتحويله إلى بخار عند ضغط أعلى من الضغط الجوي، عن طريق التطبيق المباشر للطاقة من احتراق الوقود ويسمى أيضاً بمولد البخار (Steam generator).

المرجل هو جزء أساسي من نظام التدفئة العالمي في محطات توليد الطاقة. يعمل نظام المرجل مع نظام توزيع الحرارة ونظام انبعاث الحرارة وأنظمة التحكم حيث يعتبر هو المكون العمل الرئيسي لمحطات الطاقة الحرارية.

عادة ما يتم دمج المرجل مع نظام به العديد من المكونات. تُصنع المراجل الحديثة من سبائك الصلب لتتحمل الضغوط العالية ودرجات الحرارة المرتفعة للغاية.

مكونات أنظمة المراجل البخارية

يتكون تصميم المرجل من 3 مكونات رئيسية:

1. نظام تغذية المياه
2. نظام البخار
3. نظام الوقود

نظام تغذية المياه

يعمل على تنظيم الماء الذي سيتحول الى بخار في المراجل البخارية.

هناك نوعان من أنظمة تغذية المياه في المراجل:

• نظام التغذية المفتوح
• نظام التغذية مغلق

هناك نوعان من المصادر الرئيسية لمياه التغذية:

• البخار المكثف المُعاد من العمليات.
• الماء الخام القادمة من خارج عمليات وحدة المراجل (يسمى: الماء الإضافي).

نظام البخار

نظام البخار هو نوع من نظام التحكم الرئيسي في عملية المراجل. أنظمة البخار هي المسؤولة عن جمع والتحكم في كل البخار المتولد في العملية.

تقوم أنظمة البخار بإرسال البخار المتولد في العملية إلى نقطة الاستخدام عبر الأنابيب (نظام الأنابيب). طوال العملية ، يتم التحكم في ضغط البخار وتنظيمه بمساعدة أجزاء نظام المراجل مثل الصمامات ومقاييس ضغط البخار، إلخ.

نظام الوقود

يعتبر التزود بالوقود هو النظام القلب للمراجل ويتكون نظام الوقود من جميع المكونات والمعدات اللازمة لتغذية الوقود لتوليد الحرارة المطلوبة. تعتمد المعدات المطلوبة في نظام الوقود على نوع الوقود المستخدم في النظام.

تعريف بعض المصطلحات المستخدمة في المراجل البخارية

• غلاف المرجل (Boiler shell): يتكون هيكل المرجل من جسم أسطواني مجوف مكون من ألواح فولاذية مثبتة أو ملحومة معًا.
• الفرن (Furnace): الفرن هو جزء من المرجل يتم فيه حرق الوقود بشكل ملائم لإنتاج الحرارة. تستخدم هذه الحرارة في توليد البخار في المرجل.
• شبكة القضبان الحديدية (Grate): وهي المساحة التي يتم فيها حرق الوقود. وهي تتألف من مزيج من عدة قضبان من الحديد الزهر (cast-iron) مرتبة بحيث يمكن وضع الوقود عليها. يتم توفير بعض المساحة دائمًا بين قضيبين متتاليين بحيث يمكن أن يتدفق إلى الوقود من أسفل الشبكة ويسقط الرماد في حفرة الرماد المتوفرة تحت الشبكة. قد تكون الشبكة على شكل دائري أو مستطيل.
• مساحة شبكة القضبان الحديدية: وهي المنطقة التي يحترق عليها الوقود. تقاس مساحة الشبكة بالمتر مربع.
• سطح التسخين: هو سطح المرجل الذي يتعرض للغازات الساخنة من جانب والماء من الجانب الآخر.
• مساحة الماء ومساحة البخار: مساحة الماء هي حجم المرجل الذي يشغله الماء.  يطلق على المساحة المتبقية مساحة البخار لأنها ضرورية لتخزين البخار في المرجل حتى يتم سحبها عبر أنبوب البخار.
• غازات المدخنة (Flue gases): غازات المداخن هي غازات ساخنة تنتج بسبب مزيج الوقود في فرن المرجل. يحتوي غاز المداخن عادةً على بخار الماء (H₂O) وثاني أكسيد الكاربون (CO₂) وأول أكسيد الكاربون (CO) وأيضاً النيتروجين (N₂).  يشمل غاز المداخن نواتج كاملة وغير كاملة من نواتج إحتراق الوقود.

أنواع المراجل البخارية وتصنيفاتها

هناك عدة تصنيفات للمراجل ولكل تصنيف يحتوي على عدة أنواع من المراجل البخارية كما في الآتي:

حسب وضعية الماء والغازات الساخنة

1. مرجل أنبوب اللهب (Fire Tube Boiler): مراجل أنابيب اللهب هي تلك المراجل التي تنتج فيها الغازات الساخنة عن طريق إحتراق الوقود في فرن المرجل أثناء مرورها في طريقها إلى المدخنة عبر عدد من الأنابيب (تسمى أنابيب الوقود أو أنابيب الدخان) مغمورة في الماء، حيث تنتقل الحرارة من الغازات الساخنة إلى الماء عبر جدران الأنابيب. يعرف هذا النوع أيضاً بإسم مرجل إنبوب الدخان (Smoke tube boiler).
2. مرجل أنبوب الماء (Water Tube Boiler): مراجل أنابيب المياه هي تلك المراجل التي يتدفق فيها الماء عبر عدد من الأنابيب (تسمى أنابيب المياه) والغازات الساخنة الناتجة عن احتراق الوقود في فرن المرجل أثناء توجهها إلى مدخنة تمر حول الأنابيب. تنتقل الحرارة من الغازات الساخنة إلى الماء عبر جدران أنابيب المياه.

Fire Tube Boiler & Water Tube Boiler.

حسب محور الهيكل

1. مرجل عمودي (Vertical Boiler): في هذا النوع يكون شكل المرجل ذو محور عمودي.
2. مرجل أفقي (Horizontal Boiler): في هذا النوع يكون شكل المرجل ذو محور افقي.

حسب موقع الفرن

1. مرجل إحتراق خارجي (External Fired Boiler): في هذا النوع يكون الفرن وشبكة القضبان الحديدية (Grate) مفصولة عن غلاف المرجل.
2. مرجل إحتراق داخلي (Internally Fired Boiler): في هذا النوع من المراجل يتم وضع الفرن داخل غلاف المرجل.

حسب الضغط

1. مرجل الضغط المنخفض (Low-pressure Boiler): هذا النوع من المراجل ينتج البخار عند ضغط 15-20 bar. يستخدم هذا في عملية التسخين.
2. مرجل الضغط المتوسط (Medium-pressure Boiler): لديها ضغط تشغيل للبخار من 20 bar إلى 80 bar. يتم استخدامه لتوليد الطاقة أو عملية التسخين.
3. مرجل الضغط المرتفع (High-pressure Boiler): يكون ضغطه فوق 80 bar.

حسب طريقة التدوير

1. تدوير طبيعي (Natural Circulation)

الوعاء الذي يحتوي على الماء يتم تسخينه من الأسفل، حيث يتم تسخين الماء في الجزء السفلي وبالتالي تقل كثافته مقارنة بكثافة الماء في الجزء العلوي من الوعاء ، ونتيجة لذلك، وبسبب إختلاف الكثافة يرتفع جزء الماء الساخن قليل الكثافة الى الاعلى ويهبط جزء الماء عالي الكثافة الى الاسفل، وبالتالي يتم إنشاء تيار الحمل الحراري في الماء حتى يصبح كل الماء بنفس درجة الحرارة. يطلق على هذا النوع من التدوير بالتدوير الطبيعي.

إيجابيات التدوير الطبيعي

• يساعد الدوران الطبيعي للمياه في الحفاظ على درجة حرارة موحدة حقيقية في كل مكان داخل المرجل بحيث يتم منع التمدد غير المتكافئ لأجزاء مختلفة من المرجل.
• التدوير الطبيعي للمياه يسمح بهروب او نفاذ البخار من سطح التسخين بمجرد تشكيله. إذا لم يهرب البخار بسرعة بعد تكوينه، فلن تظل ألواح المراجل على اتصال دائم بالماء ونتيجة لذلك، قد ترتفع درجة حرارة هذه الألواح.

2. تدوير قسري (Forced Circulation)

في التدوير القسري، تُستخدم المضخات للحفاظ على التدفق المستمر للمياه في المرجل. في مثل هذه الحالة، يتم تدوير الماء بسبب الضغط الناتج عن المضخة.

تم اعتماد نظام الدوران القسري في المراجل ذات الضغط العالي والسعة العالية وكلها عبارة عن مراجل من نوع أنبوب الماء.

إيجابيات التدوير القسري

• يكون معدل انتقال الحرارة من غازات إنبوب المدخنة إلى الماء أعلى.
• يمكن استخدام الأنابيب ذات الأقطار الأصغر نسبيًا. هذا يقلل من الوزن الإجمالي للمرجل.
• يمكن ان يتطلب تقليل عدد الأوعية الاسطوانية.
• يتطلب تشكيل أقل لحراشف المراجل.
• يمكن توليد البخار بسرعة.
• يمكن تلبية تذبذب الحمل بسهولة دون الاستعانة بأي جهاز معقد يتم التحكم فيه.
• احتمال ارتفاع درجة حرارة الألواح في الحد الأدنى.
• يكون الوزن لكل وحدة كتلة من البخار المتولد أقل.

حسب استخدام المراجل

1. مرجل ثابت (Stationary Boiler): لتوليد الطاقة الحرارية وللأعمال العملية (في الصناعات الكيميائية والصغيرة والنسيجية).
2. مرجل مقطور (locomotive boiler): تستخدم في المحركات البخارية للقاطرات.
3. مرجل بحري (Marine boiler): تستخدم في البواخر.

حسب الوعاء الاسطواني

1. مرجل ذات وعاء إسطواني واحد (Single drum Boiler)
2. مرجل ذات أوعية إسطوانية متعددة (Multi drum Boiler)

حسب طبيعة الجفاف

1. مرجل الجفاف القسري (Forced drought Boiler)
2. مرجل الجفاف الطبيعي (Natural drought Boiler)

حسب الفرن

1. مرجل ذو فرن واحد (Single furnace Boiler)
2. مرجل ذو فرن مزدوج (Dual furnace Boiler)

حسب إحتراق الوقود

1. مرجل إحتراق القود صلب
2. مرجل إحتراق الوقود سائل
3. مرجل إحتراق الوقود الغازي

أنواع الوقود المستخدمة في المراجل البخارية

الوقود الصلب

• الخشب
• الفحم
• قوالب الفحم (Briquettes)
• فحم الـ coke
• قشر الأرز (Rice Husk)

الوقود السائل

• زيت الديزل الخفيف (LDO)
• زيت الفرن

الوقود الغازي

• الغاز الطبيعي المسال (LPG)
• سوائل الغاز الطبيعي (LNG)
• الغاز الطبيعي بالأنابيب (PNG): يمكن استخدامه لإجراء الاحتراق لغرض معين.

متطلبات المراجل البخارية

يجب أن تفي المراجل البخارية بالمتطلبات التالية:,

1. السلامة: يجب أن يكون المرجل آمن في ظروف التشغيل المطلوبة.
2. إمكانية الوصول: يجب أن تكون الأجزاء المختلفة من المرجل متاحة للإصلاح واعمال صيانة.
3. السعة: يجب أن بكون المرجل قادر على إمداد البخار حسب المتطلبات.
4. الكفاءة: للسماح بالتشغيل الفعال، يجب أن تكون الغلاية قادرة على امتصاص أقصى قدر من الحرارة الناتجة عن احتراق الوقود في الفرن.
5. يجب أن تكون بسيطًا في البناء وأن تكون تكلفة صيانتها منخفضة.
6. يجب أن تكون تكلفتها الأولية منخفضة.
7. يجب ألا يكون للمرجل مفاصل معرضة للهب.
8. يجب أن تكون قادرة على البدء والتحميل بسرعة.

 يمكن قياس أداء المرجل من حيث قدرته التبخرية وتسمى أيضًا قدرة المرجل. يتم تعريفه على أنه كمية الماء المتبخر أو البخار الناتج بالكيلو جرام في الساعة. يمكن التعبير عنها أيضًا بالكيلوغرام لكل كيلوغرام من الوقود المحروق أو كجم / ساعة / م 2 من سطح التسخين.

إستخدامات المراجل البخارية

1. تشغيل المحركات البخارية.
2. تشغيل التوربينات البخارية.
3. تشغيل المضخات الترددية.
4. تشغيل العملية الصناعية في الهندسة الكيميائية.
5. لإنتاج الماء الساخن المطلوب توفيره للغرفة في المناطق شديدة البرودة.
6. في محطات الطاقة الحرارية.
7. المحتوى الحراري للبخار كبير وبالتالي فهو مناسب لعملية التسخين في العديد من الصناعات مثل مصانع السكر ومصانع النسيج وصناعة الألبان وأيضًا في الصناعات الكيميائية.

المصادر

1. "What is Boiler? Boiler Components & Application of Boiler System". (د.ت). thermodyneboilers.com. تم الإسترجاع 2020-11-30.
2. "Steam boiler pdf". (د.ت). uotechnology.edu.iq. تم الإسترجاع 2020-11-30.
3. "Boiler: Definition, Types, Applications, Necessity, and Fuel Used [With PDF]". (د.ت). learnmechanical.com. تم الإسترجاع 2020-11-30.

إقرأ أيضاً

• العازلات النفطية
• المبادلات الحرارية
• الصمامات النفطية
• صمامات السيطرة
• معدات قياس الضغط
• عدادات النفط والغاز

تعديل المقال