كيف يُولّد التوربين الغازي الطاقة في منشأة صناعية؟

تُولِّد التوربينة الغازية الطاقة عن طريق ضغط الهواء وخلطه بالوقود وحرق الخليط لإنتاج غازات عالية الحرارة تُدير التوربينة والمولّد.

في المنشآت الصناعية، توفر هذه العملية كهرباء موثوقة، ويمكنها أيضًا توفير حرارة مفيدة للإنتاج.

يساعد فهم آلية عمل كل مرحلة مهندسي المنشآت ومديري الطاقة على تقييم الكفاءة ومتطلبات التشغيل ودور التوربينات الغازية في أنظمة الطاقة المتكاملة.

كيف تُنتج التوربينة الغازية الكهرباء؟

تحوّل التوربينة الغازية الطاقة الكيميائية في الوقود إلى قدرة ميكانيكية على عمود الدوران. ثم يحوّل المولّد هذه القدرة الميكانيكية إلى كهرباء لتشغيل معدات المنشأة أو إمداد الشبكة.

تستمر العملية طوال فترة تشغيل الوحدة. يدخل الهواء إلى الآلة، ويمر بمراحل الضغط والاحتراق، ثم يتمدد عبر ريش التوربينة قبل خروجه على شكل عادم ساخن.

على خلاف التوربينة البخارية التي تتطلب بخارًا من مصدر حراري منفصل، تنتج التوربينة الغازية غازات التشغيل مباشرة داخل نظام الاحتراق الخاص بها.

1. سحب الهواء وضغطه

يدخل الهواء المحيط عبر نظام سحب، حيث تزيل المرشحات الجسيمات العالقة التي قد تسبب اتساخ الضاغط أو تلفه. ثم يرفع الضاغط ضغط الهواء.

يتطلب الضغط قدرة ميكانيكية كبيرة. ويُستخدم جزء من قدرة عمود التوربينة لتشغيل الضاغط، بينما يمكن استخدام القدرة المتبقية لتشغيل مولّد أو معدات أخرى.

تؤثر درجة حرارة الهواء، لأن الهواء الساخن أقل كثافة. في الأيام الأكثر دفئًا، تسحب التوربينة عمومًا كمية أقل من الهواء من حيث الكتلة، ما قد يقلل القدرة المتاحة.

2. خلط الوقود والاحتراق

يتدفق الهواء المضغوط إلى غرفة الاحتراق، حيث يُضاف الوقود ويُحرق. وتوفر الغازات الناتجة عالية الحرارة الطاقة اللازمة لتدوير التوربينة.

الغاز الطبيعي وقود شائع، مع أن بعض الآلات يمكنها استخدام أنواع الوقود السائل أو خلطات وقود أخرى معتمدة. وتعتمد القدرة الفعلية على استخدام أنواع الوقود على تصميم التوربينة ونظام الاحتراق.

تضبط أنظمة التحكم في الاحتراق إمداد الوقود ودرجات حرارة التشغيل. كما تؤثر متطلبات الانبعاثات في اختيار غرفة الاحتراق، وقد تستلزم معالجة إضافية للعادم في موقع المنشأة.

3. التمدد عبر التوربينة

تتمدد الغازات الساخنة عبر صفوف من الريش الثابتة والريش الدوارة. وأثناء مرورها، تنقل الطاقة إلى الدوّار وتدير العمود.

بحسب تكوين الآلة، قد تدير التوربينة الضاغط والمولّد عبر عمود مشترك، أو قد تدير توربينة قدرة منفصلة المولّد.

تكتسب مواد الريش وأنظمة التبريد وحدود التشغيل أهمية كبيرة، إذ يجب أن تتحمل مكونات التوربينة درجات الحرارة العالية والإجهادات الميكانيكية طوال عمرها التشغيلي.

4. توليد الكهرباء والعادم

يدير العمود الدوّار مولّدًا ينتج الطاقة الكهربائية عن طريق الحث الكهرومغناطيسي. ثم تهيئ المعدات الكهربائية هذه الطاقة وتحميها وتوزعها على أحمال المنشأة.

يظل العادم الخارج من التوربينة ساخنًا. ويمكن للمنشأة تصريفه عبر مدخنة أو استعادة جزء من حرارته لإنتاج البخار وعمليات أخرى.

ماذا يحدث لحرارة العادم؟

في منظومة الدورة البسيطة، تولّد التوربينة الكهرباء من دون استخدام عادمها لإنتاج طاقة إضافية. ويتميز هذا الترتيب ببساطته النسبية، ويمكن أن يدعم التشغيل المرن.

في محطة الدورة المركبة، يمر العادم عبر مولّد بخار لاستعادة الحرارة. ويُستخدم البخار الناتج لتشغيل توربينة بخارية متصلة بمولّد آخر أو بترتيب آخر للأعمدة.

تنتج منظومات الدورة المركبة عمومًا كهرباء أكثر من كمية الوقود نفسها، لكنها تتطلب معدات إضافية وأنظمة مياه، كما تزيد من تعقيد التشغيل. وتعتمد ملاءمتها على الحمل وظروف الموقع.

يستخدم نظام التوليد المشترك للحرارة والكهرباء، المعروف أيضًا باسم CHP، الحرارة المستعادة في عملية مفيدة، مثل إنتاج البخار أو تسخين المياه أو توفير الحرارة للتجفيف الصناعي.

يمكن لنظام CHP تحسين الاستخدام الإجمالي للوقود عندما تحتاج المنشأة باستمرار إلى الكهرباء والحرارة معًا. وتعتمد فائدته على مدى توافق الحرارة المستعادة مع احتياجات العملية الفعلية.

تختلف الكفاءة الكهربائية عن إجمالي استخدام الوقود. وقد تشمل أرقام CHP الحرارة المفيدة إلى جانب الكهرباء، لذا لا ينبغي مقارنتها مباشرة بالكفاءة الكهربائية وحدها.

ما موقع التوربينة الغازية في المنشأة الصناعية؟

يمكن أن تكون التوربينة الغازية مصدرًا رئيسيًا للكهرباء، أو أن تقلل الاعتماد على مشتريات الشبكة، أو أن تزود منشأة صناعية مخصصة بالطاقة. ويعتمد ترتيب التشغيل على متطلبات الموقع.

تعمل بعض المنظومات باستمرار عند مستوى قريب من حملها المستهدف. بينما تعمل منظومات أخرى خلال فترات ارتفاع الطلب، أو عندما تكون أسعار الشبكة غير مواتية، أو عندما تحتاج إحدى العمليات إلى قدرة إضافية.

يمكن للتوربينات الغازية أيضًا تشغيل الضواغط أو غيرها من المعدات الدوارة مباشرة. وفي هذا الترتيب، تُستخدم قدرة العمود في العملية من دون تحويلها أولًا إلى كهرباء.

بالنسبة إلى المنشآت التي تدرس التوليد في الموقع، ليس بالضرورة أن يكون الخيار الأنسب هو أكبر توربينة، بل التكوين الذي يلائم الطلب على الكهرباء والحرارة وساعات التشغيل.

ما العوامل التي تحدد الكفاءة والقدرة الناتجة؟

تُعد بيانات الأداء المنشورة نقطة انطلاق مفيدة، لكن ينبغي للمنشأة تقييم القدرة الناتجة في ظروفها الخاصة. إذ يمكن لعدة عوامل أن تغير القدرة المسلّمة واستهلاك الوقود.

• الظروف المحيطة: تؤثر درجة الحرارة والارتفاع عن سطح البحر والرطوبة في هواء الدخول وأداء التوربينة. وغالبًا ما تقلل درجات الحرارة المرتفعة والارتفاعات العالية القدرة المتاحة.
• حمل التشغيل: قد تنخفض الكفاءة عند التشغيل بحمل جزئي. راجع ملف الطلب المتوقع بدلًا من افتراض أن الوحدة ستعمل دائمًا عند قدرتها الاسمية.
• خصائص الوقود: تؤثر القيمة الحرارية والضغط والتركيب واستقرار الإمداد في متطلبات المعدات واستهلاك الوقود. تحقّق من توافق الوقود المقترح مع مواصفات الشركة المصنّعة.
• الأحمال المساعدة: تستهلك المضخات ومعدات التبريد والتهوية والأنظمة المساندة الأخرى الكهرباء. لذلك تكون القدرة الصافية للمنشأة أقل من إجمالي قدرة المولّد.
• حالة المعدات: قد يؤدي اتساخ الضاغط وتآكل المكونات وتدهور موانع التسرب إلى انخفاض الأداء. وينبغي أن تأخذ خطط الصيانة في الحسبان الفحص والتنظيف واستبدال المكونات.

عند مقارنة الخيارات، اطلب من المورّدين ضمان الأداء في الظروف المحددة للموقع. وتحقق مما إذا كانت الأرقام إجمالية أم صافية، ومن الأحمال المساعدة المشمولة فيها.

في أنظمة CHP، قارن الحرارة القابلة للاستعادة بدرجة الحرارة والضغط والتوقيت التي تتطلبها العملية. فالحرارة التي لا يمكن استخدامها عند توفرها تكون فائدتها العملية محدودة.

ما الذي ينبغي للمشغلين معرفته عن الموثوقية والصيانة؟

لا يعتمد التشغيل الموثوق على التوربينة وحدها. إذ يؤثر إمداد الوقود وترشيح هواء الدخول وأنظمة التحكم والحماية الكهربائية وترتيبات التبريد جميعها في جاهزية المنظومة.

يراقب المشغلون درجات الحرارة والاهتزاز والضغوط وغيرها من المؤشرات لرصد التغيرات في حالة الآلة. ويمكن لتتبّع هذه القراءات بمرور الوقت أن يساعد فرق الصيانة على فحص المشكلات قبل تفاقمها.

تعتمد جداول الصيانة على الطراز وساعات التشغيل وعدد مرات بدء التشغيل ونوع الوقود ودورة التشغيل. وقد تؤثر عمليات البدء والإيقاف المتكررة في فترات الفحص على نحو يختلف عن التشغيل المستقر.

قبل اختيار المعدات، راجع مدى توفر قطع الغيار ودعم الخدمة ومتطلبات التوقف المخطط له. فقد لا يعوّض انخفاض السعر الأولي عن فترات التوقف الطويلة أو ارتفاع تكاليف دورة الحياة.

تستحق أيضًا حدود الانبعاثات وقيود الضوضاء ومتطلبات التصاريح اهتمامًا مبكرًا. فقد تؤثر هذه المتطلبات في اختيار المعدات وتكلفة المشروع والوقت اللازم لتشغيل المنشأة.

ما المعدات الأخرى التي قد تكون ذات صلة؟

غالبًا ما تتضمن مشاريع الطاقة الصناعية عدة حزم من المعدات. وتورد SINO-QNP معدات التوربوماكينات، بما في ذلك التوربينات الغازية والتوربينات البخارية والضواغط والمولّدات، إلى جانب الخدمات الهندسية وخدمات المشاريع.

لتطبيقات الضخ المنفصلة، تشمل مجموعة مضخاتالطين طرازَي NF وPZ المصممين والمصنّعين وفقًا لمعايير API.

يمكن تشغيل هذه المضخات بمحركات الديزل أو المحركات الكهربائية. وهي منفصلة عن عملية توليد الطاقة بالتوربينة الغازية، وينبغي اختيارها بما يتناسب مع استخدام الضخ المقصود.

كيف ينبغي للمنشأة تقييم خياراتها؟

ابدأ بإعداد ملف زمني للطلب على الكهرباء والحرارة حسب الساعة، ثم حدّد ساعات التشغيل المتوقعة وأنواع الوقود المتاحة وترتيبات الشبكة وأي حاجة إلى قدرة احتياطية.

قارن بين تكوينات الدورة البسيطة والدورة المركبة وCHP باستخدام القدرة الصافية الخاصة بالموقع وتكاليف الوقود والصيانة والنفقات الرأسمالية وقيمة الحرارة القابلة للاستخدام على مدى عمر المشروع.

تُولّد التوربينة الغازية الكهرباء بتحويل طاقة الوقود إلى قدرة على عمود الدوران، بينما يمكن لعادمها أن يدعم توليدًا إضافيًا أو توفير الحرارة الصناعية. ويعتمد أفضل تكوين على الطلب الفعلي للمنشأة.