شرح أداء التوربينات الغازية: معدل استهلاك الحرارة، القدرة المنتجة وظروف الموقع

إن القدرة الاسمية للتوربين الغازي ليست سوى نقطة البداية لتقييم المشروع. والمقارنة الأكثر فائدة هي مقدار الكهرباء الصافية التي يمكن للمحطة توفيرها في ظروف الموقع المطلوبة، وكمية الوقود التي تستهلكها لتحقيق ذلك، وما إذا كان بإمكانها الحفاظ على هذا الأداء ضمن نطاق التشغيل المتوقع. فقد توفر آلة ذات قدرة اسمية أعلى طاقة قابلة للاستخدام أقل من المتوقع في يوم حار، أو تستهلك وقودًا أكثر عند التشغيل بأقل من الحمل الكامل.

لذلك، يجب تقييم معدل الحرارة والقدرة الكهربائية وظروف الموقع معًا. إذ يعتمد كل رقم على مجموعة محددة من الحدود والافتراضات، ويجب أن تتطابق هذه الافتراضات قبل مقارنة العروض المتنافسة.

ما الذي يخبرك به معدل الحرارة عن استهلاك الوقود

يعبّر معدل الحرارة عن طاقة الوقود المورّدة إلى المحطة مقابل كل وحدة من الطاقة الكهربائية المنتجة. ويُذكر عادةً بوحدة kJ/kWh أو Btu/kWh. ويعني انخفاض معدل الحرارة الحاجة إلى طاقة وقود أقل لإنتاج المقدار نفسه من القدرة الكهربائية في ظل الظروف المحددة.

تكون العلاقة بين معدل الحرارة والكفاءة مباشرة عندما يستند كلاهما إلى أساس الطاقة وحدود المحطة نفسيهما. وبالاستناد إلى kJ/kWh، تساوي الكفاءة الكهربائية 3,600 مقسومًا على معدل الحرارة. ولا يكون هذا الحساب مفيدًا إلا إذا كانت الأرقام تصف مدخل الوقود نفسه ونقطة قياس الخرج الكهربائي نفسها.

هناك تمييزان غالبًا ما يغيّران المقارنة:

• الخرج الإجمالي مقابل الصافي: يُقاس الخرج الإجمالي عند أطراف المولد. أما الخرج الصافي فيُحسب بعد طرح الطاقة الكهربائية التي تستهلكها الأنظمة المساعدة ضمن حدود المحطة المتفق عليها. ويكون معدل الحرارة الصافي عادةً أعلى من الإجمالي، لأنه يستخدم الخرج الصافي الأقل في المقام.
• القيمة الحرارية الدنيا مقابل العليا: لا تشمل القيمة الحرارية الدنيا (LHV) الحرارة القابلة للاسترداد الناتجة عن تكاثف الماء في نواتج الاحتراق؛ بينما تشملها القيمة الحرارية العليا (HHV). وعند تساوي تدفق الوقود والخرج الكهربائي، يكون معدل الحرارة المستند إلى HHV أعلى. ويمكن لمقارنة قيمة مستندة إلى LHV بأخرى مستندة إلى HHV دون تحويل أن تجعل أحد العروض يبدو أكثر كفاءة مما هو عليه فعليًا.

تحقق أيضًا مما إذا كان الرقم المذكور يخص التوربين الغازي وحده أم المحطة بأكملها. تستخدم محطة الدورة المركبة حرارة عادم التوربين لإنتاج قدرة إضافية، لذا لا يمكن مقارنة معدل الحرارة للمحطة مباشرةً بمعدل الحرارة لوحدة تعمل بدورة بسيطة.

القدرة الاسمية لا تعني بالضرورة القدرة المتاحة في الموقع

تنشر الشركات المصنّعة عادةً بيانات الأداء في ظل ظروف مرجعية محددة. وتفيد هذه الأرقام في الفرز الأولي، لكنها لا تحل محل حساب أداء خاص بالموقع. فظروف هواء الدخول وفواقد الضغط وخصائص الوقود وحدود التشغيل، كلها تؤثر في القدرة المتاحة في موقع المشروع.

عند وجود التزام بتوريد الطاقة، حدّد الخرج المطلوب عند نقطة تسليم الطاقة، وليس عند أطراف المولد فقط. وقد يشمل الفرق الأحمال المساعدة للمحطة وفواقد المحولات وغيرها من الأحمال ضمن الحدود المتفق عليها. وينبغي أن يوضح العرض أيًّا من هذه العناصر مشمول في الحساب وأيًّا منها مستبعد.

كما أن نقطة التشغيل ذات الصلة مهمة. فقد لا تفي محطة صُممت على أساس متوسط درجة الحرارة السنوي بالمتطلبات عندما يبلغ الطلب ذروته في الطقس الأكثر حرارة. وعلى العكس، قد يؤدي التصميم وفقًا لأشد الظروف قسوة فقط إلى تشغيل المعدات معظم عمرها عند جزء من الحمل غير كفؤ. ويتوقف القرار على السعة المطلوبة، وعواقب نقصها، وساعات التشغيل المتوقعة عند كل حمل.

كيف تؤثر ظروف الموقع في أداء التوربين الغازي

درجة الحرارة المحيطة والارتفاع عن سطح البحر

مع ارتفاع درجة حرارة هواء الدخول، تنخفض كثافته عمومًا. وعندئذٍ يسحب الضاغط كتلة هواء أقل عند معدل التدفق الحجمي نفسه، ما يؤدي عمومًا إلى انخفاض قدرة التوربين المتاحة. وقد يتراجع معدل الحرارة أيضًا، إلا أن مقدار ذلك يعتمد على الآلة وأنظمة التحكم فيها. ويؤثر الارتفاع الكبير عن سطح البحر على نحو مماثل بسبب انخفاض الضغط الجوي؛ إذ تؤدي كثافة هواء الدخول الأقل عمومًا إلى انخفاض تدفق الكتلة والقدرة المتاحة.

قيّم الخرج استنادًا إلى ملف درجات الحرارة في الموقع بدلًا من قيمة اسمية واحدة لدرجة الحرارة المحيطة. وغالبًا ما تكون الظروف الأهم هي تلك التي تُطلب فيها السعة بموجب العقد، وتلك التي سيُستهلك فيها معظم الوقود. وقد تختلف هذه الظروف.

فواقد الضغط عند الدخول والعادم

تُحدث مرشحات الهواء وكواتم الصوت ومجاري الهواء ومعدات تبريد هواء الدخول فواقد ضغط قبل وصول الهواء إلى الضاغط. وعلى جانب العادم، تضيف كواتم الصوت ومجاري الهواء ومعدات استعادة الحرارة ضغطًا خلفيًا. وقد يؤدي كلاهما إلى خفض الخرج والتأثير في معدل الحرارة.

ينبغي تقييم الفواقد في ظروف تشغيل واقعية، بما في ذلك تأثير اتساخ المرشح وترتيب العادم المقترح. فقد لا يمثّل حساب الأداء المستند إلى مدخل نظيف ومنخفض الفواقد التشغيل قرب الحد الأقصى المسموح به قبل استبدال المرشح. وبالمثل، لا يمكن افتراض احتفاظ التوربين بالخرج نفسه عند توصيله بمعدات استعادة الحرارة، إذا كان تقييمه قد أُجري باستخدام مكدس عادم بسيط.

الرطوبة والوقود ومياه التبريد

يمكن أن تؤثر الرطوبة في خصائص هواء الدخول وأداء أنظمة التبريد التبخيري. كما يؤثر تركيب الوقود وقيمته الحرارية في تدفق الوقود وسلوك الاحتراق وأنظمة التحكم في الانبعاثات؛ وقد تؤثر التغيّرات أيضًا في حدود التشغيل. وينبغي أن تمثّل مواصفات الوقود المستخدمة في حساب الأداء الإمدادات المتوقعة، بما في ذلك النطاق المسموح به، لا التركيب الاسمي فقط.

في مشاريع الدورة المركبة، يمكن أن تؤثر درجة حرارة مياه التبريد ومدى توافرها في دورة البخار، وبالتالي في إجمالي خرج المحطة. ولن يلتقط تقييم التوربين الغازي وحده هذا التأثير.

كفاءة الحمل الكامل ليست سوى جزء من تكلفة التشغيل

يكون معدل الحرارة عند الحمل الكامل مهمًا عندما تعمل الوحدة قرب سعتها الاسمية لفترات طويلة. أما في المحطات التي تواكب تغيرات الطلب، فقد يكون أداء الحمل الجزئي أكثر تأثيرًا. فعندما يتغير الخرج، يمكن لإعدادات التحكم والطاقة التي تستهلكها الأنظمة المساعدة أن تغيّرا معدل الحرارة الصافي. لذلك، لا يعني تحقيق وحدة أفضل قيمة عند الحمل الكامل بالضرورة أنها ستستهلك وقودًا أقل على مدار العام.

اطلب منحنى أداء يغطي نطاق الحمل المستهدف، واربطه بساعات التشغيل المتوقعة عند كل نقطة. وأدرج مرات بدء التشغيل والإيقاف وفترات الحد الأدنى للحمل عندما يكون لها أثر ملموس في استهلاك الوقود والتوافر. فهذا يوفّر تقديرًا لاستهلاك الوقود أكثر فائدة من ضرب معدل حرارة واحد في التوليد السنوي.

يوفّر تبريد هواء الدخول مقايضة ذات صلة. إذ يمكنه استعادة جزء من الخرج في الظروف الحارة عبر خفض درجة حرارة هواء دخول الضاغط، لكن يجب أيضًا أخذ تكلفة المعدات واستهلاكها للطاقة وفواقد الضغط واستهلاك المياه في بعض الأنظمة في الحسبان. وتتوقف جدواه على مدى تكرار الحاجة إلى السعة في درجات الحرارة المرتفعة، وما إذا كان الخرج الصافي الإضافي يبرر تلك التكاليف.

حدّد حدود الأداء والاختبار قبل مقارنة العروض

يبدأ التقييم الفني السليم بتحديد مجموعة مشتركة من الظروف لجميع مقدمي العروض. اطلب ضمانات الخرج ومعدل الحرارة في ظروف الموقع المحددة، إلى جانب منحنيات توضح تغير الأداء مع درجة الحرارة والحمل. وينبغي أن يوضح العرض صراحةً النقاط التالية:

• نقطة قياس الطاقة الكهربائية، والأحمال المساعدة المشمولة، والأساس الإجمالي أو الصافي.
• تركيب الوقود، وأساس القيمة الحرارية، وظروف إمداد الوقود المتوقعة.
• درجة الحرارة المحيطة والضغط والرطوبة، وفواقد الدخول والعادم المفترضة.
• تكوين المحطة، بما في ذلك أي معدات لاستعادة الحرارة أو تبريد هواء الدخول أو التحكم في الانبعاثات.
• ظروف التشغيل الخاصة بكل رقم، مثل الحمل وتكوين المعدات وظروف التبريد ذات الصلة.
• طريقة اختبار الأداء والأجهزة المستخدمة وإجراءات التصحيح وعدم يقين القياس وكيفية التعامل مع الانحرافات عن ظروف الاختبار.

ينبغي تحديد معايير الاختبار المعمول بها والمتطلبات التعاقدية بصورة متسقة في طلب تقديم العروض، والاتفاق عليها قبل اعتماد الضمانات النهائية. وتكتسب منحنيات التصحيح أهمية خاصة عندما يتعذر إجراء الاختبار في ظروف الضمان المحددة بدقة؛ إذ تحدد كيفية تحويل النتائج المقاسة إلى الأساس المتفق عليه.

في محطات الطاقة المتكاملة، تؤثر هذه الحدود أيضًا في الواجهات بين موردي المعدات والأطراف المسؤولة عن التصميم والإنشاء والتشغيل التجريبي. تقدم SINO-QNP خدمات EPC لمشاريع محطات الطاقة، بما في ذلك الهندسة والأنظمة المساعدة والتشغيل التجريبي. وفي مثل هذا النطاق، تتمثل الخطوة التالية المفيدة في مواءمة افتراضات أداء التوربين مع التصميم الفعلي للمحطة، وتحديد الجهة المسؤولة عن كل فاقد وحمل مساعد.

ليس أفضل عرض هو بالضرورة العرض ذو أدنى معدل حرارة معلن أو أعلى قدرة اسمية. بل هو العرض الذي يفي بمتطلبات السعة الصافية في ظروف الموقع ذات الصلة، ويقدم ملفًا موثوقًا لاستهلاك الوقود عبر نمط التشغيل المستهدف، ويحدد الأداء بشروط قابلة للاختبار.