ما هو التوربين البخاري ذو سحب البخار وأين يُستخدم؟

ينتج توربين البخار ذي السحب قدرة ميكانيكية أو كهرباء، مع تحويل جزء من تدفق البخار عند مرحلة وسيطة واحدة أو أكثر. ويمكن للبخار المسحوب توفير الحرارة لعملية صناعية أو شبكة تدفئة مركزية أو معدات داخل محطة الطاقة نفسها. أما البخار المتبقي في التوربين فيواصل التمدد وينتج قدرة إضافية.

يكمن الفرق الأساسي في أن السحب يتيح مخرجًا للبخار قبل العادم النهائي للتوربين. ويمكن بذلك توفير حرارة مفيدة إلى جانب الطاقة، لكنه يغيّر أيضًا كمية البخار المتبقية لتوليد الطاقة في المراحل اللاحقة. وتعتمد جدوى هذا الترتيب إلى حد كبير على احتياجات الموقع من البخار وكيفية تغير تلك الاحتياجات بمرور الوقت.

كيف يعمل توربين البخار ذي السحب؟

يدخل البخار إلى التوربين بضغط ودرجة حرارة مرتفعين نسبيًا. وأثناء مروره عبر صفوف الريش المتعاقبة، يتمدد وينقل الطاقة إلى عمود الدوران. ويمكن للعمود تشغيل مولد أو معدات ميكانيكية مثل ضاغط أو مضخة.

في مرحلة وسيطة محددة، يخرج جزء من البخار عبر وصلة سحب. ويعتمد ضغطه ودرجة حرارته على نقطة السحب وظروف التشغيل. أما البخار المتبقي فيواصل مروره عبر المراحل اللاحقة حتى يصل إلى عادم التوربين.

لنفترض وجود مصنع يحتاج إلى الكهرباء وبخار متوسط الضغط لعملية إنتاج. فبدلًا من تمرير كامل بخار الغلاية عبر التوربين إلى أدنى ضغط، يمكن للمصنع تحويل جزء منه عند ضغط وسيط ملائم للعملية. ويطلق البخار المسحوب حرارته في معدات العملية، ويمكن جمع المكثفات الناتجة وإعادتها إلى نظام الغلاية متى سمحت الظروف بذلك.

لا يؤدي السحب إلى توليد طاقة إضافية. فالبخار الذي يُسحب قبل المراحل النهائية للتوربين لا يمكنه إنتاج الطاقة التي كان سيولدها هناك. وتأتي الفائدة المحتملة من استخدام الطاقة الحرارية المتبقية في البخار المسحوب بدلًا من التعامل معها على أنها حرارة مهدرة.

السحب المنظّم وغير المنظّم

لا تعمل جميع نقاط السحب بالطريقة نفسها. ففي ترتيبالسحب المنظّم، تتحكم الصمامات وأنظمة التحكم في التوربين بالظروف المحيطة بنقطة السحب للمساعدة في الحفاظ على ضغط بخار محدد عند تغير الطلب. وقد يكون ذلك مفيدًا عندما تتطلب العملية إمدادًا بضغط مستقر نسبيًا. ومع ذلك، يظل تدفق السحب والضغط الممكن تحقيقهما خاضعين لتصميم التوربين وحدود تشغيله.

أما في ترتيبالسحب غير المنظّم، فيُسحب البخار من مرحلة وسيطة من دون تنظيم مخصص لضغط السحب. ويتغير ذلك الضغط مع حمل التوربين وتدفق البخار. وقد يكون السحب غير المنظّم مناسبًا عندما تستطيع المعدات المتصلة تحمّل هذه التغيرات، كما في بعض ترتيبات تسخين مياه التغذية.

قد يحتوي التوربين على أكثر من نقطة سحب واحدة لتزويد البخار بمستويات ضغط مختلفة. لكن يجب أن يتوافق كل اتصال إضافي مع ميزان البخار الكلي ونظام التحكم. ولا ينبغي افتراض أن كل نقطة سحب قادرة على توفير ضغط مستقل ومنظّم.

توربينات السحب والتكثيف وتوربينات السحب والضغط الخلفي

يصف السحب موضع إخراج البخار من التوربين؛ لكنه لا يصف بحد ذاته ما يحدث للبخار المتبقي. ويختلف ترتيبان شائعان في ظروف العادم النهائية.

يمررتوربين السحب والتكثيف البخار المتبقي عبر مراحل الضغط المنخفض ثم إلى المكثف. ويعمل المكثف، في ظروف التكثيف العادية، بضغط دون الضغط الجوي، مما يتيح مزيدًا من التمدد وبالتالي توليد طاقة أكبر من البخار غير المسحوب. ويلزم نظام تبريد لإزالة الحرارة من المكثف.

أما توربين السحب والضغط الخلفي فيُخرج البخار المتبقي بضغط أعلى من الضغط الجوي لاستخدامه في التدفئة أو في عملية صناعية، بدلًا من تصريفه إلى مكثف يعمل تحت التفريغ. ولذلك يمكنه توفير البخار عند نقطة سحب وسيطة وعند عادم التوربين. ويرتبط إنتاج الطاقة ارتباطًا وثيقًا بكمية البخار التي يمكن لمستخدمي الحرارة المتصلين استيعابها، ما لم يوفّر النظام الأوسع مخرجًا مناسبًا آخر للبخار.

تُفيد هذه التصنيفات عند مراجعة أوصاف المعدات. فعلى سبيل المثال، تضم مجموعة توربينات البخار ترتيبات السحب والتكثيف والسحب والضغط الخلفي. ويكتسب هذا الفرق أهمية لأن المحطة التي تحتاج إلى بخار عادم منخفض الضغط للعملية تتطلب ترتيبًا لنظام البخار مختلفًا عن محطة مصممة للعمل مع مكثف.

أين يُستخدم البخار المسحوب؟

يتمثل التطبيق الأكثر شيوعًا فيالتوليد المشترك للحرارة والطاقة، حيث يدعم نظام البخار نفسه توليد الكهرباء والتدفئة المفيدة. ويُستخدم السحب أيضًا داخل محطات الطاقة، حتى عندما لا يُورَّد البخار إلى عملية صناعية خارجية.

• صناعة اللب والورق: يمكن للبخار تلبية احتياجات مثل التجفيف وغيرها من عمليات التسخين، بينما يزود التوربين المنشأة بالطاقة. ويعتمد ضغط السحب المطلوب على شبكة البخار في المصنع وظروف التشغيل.
• المنشآت الكيميائية ومصافي التكرير: يمكن استخدام البخار متوسط الضغط في التدفئة واحتياجات العمليات الأخرى. وقد تكون هناك حاجة إلى أكثر من مستوى ضغط واحد، ما يجعل ميزان البخار في الموقع عاملًا مهمًا في تصميم التوربين.
• إنتاج الأغذية والمشروبات: يمكن للبخار المسحوب توفير الحرارة أو الطهي أو التجفيف أو التنظيف عند توفر نظام بخار ملائم. ويجب مراعاة متطلبات جودة البخار وفصله عن المنتج لكل استخدام.
• التدفئة المركزية: يمكن للبخار المسحوب تسخين المياه في مبادلات حرارية لتوزيعها على المباني. ويتغير الطلب على التدفئة باختلاف الطقس والفصول، مما يؤثر في كل من تدفق السحب وإنتاج الكهرباء.
• محطات توليد الطاقة: يمكن للبخار المسحوب من المراحل الوسيطة تسخين مياه تغذية الغلاية قبل عودتها إلى مولد البخار. ويحسّن ترتيب التسخين التجديدي هذا الأداء الديناميكي الحراري لدورة البخار، مع أنه يقلل كمية البخار المتاحة للمراحل اللاحقة من التوربين.
• أنظمة الكتلة الحيوية وتحويل النفايات إلى طاقة واستغلال الحرارة المهدرة: عندما تنتج هذه المصادر بخارًا مناسبًا، يمكن للسحب تلبية احتياجات مستخدم حراري إلى جانب توليد الطاقة. وتعتمد جدوى هذا الترتيب على موثوقية مصدر البخار وتوقيت توفره، وكذلك على الطلب على الحرارة.

لا تستلزم هذه التطبيقات استخدام السحب في كل منشأة. فقد لا يكون لدى محطة لا تستخدم عمليًا البخار متوسط الضغط سبب وجيه لتحويله عن التوربين. وفي المقابل، قد تستفيد منشأة ذات حمل حراري كبير من دراسة السحب كجزء من نظامها المتكامل للبخار والطاقة.

ما العوامل التي تحدد مدى ملاءمة السحب؟

يجب النظر في ضغط البخار ودرجة حرارته قبل تحديد تكوين التوربين. إذ يجب أن يصل البخار إلى مستخدم الحرارة بالظروف التي يحتاج إليها، مع احتساب خسائر الضغط في الأنابيب ومعدات التحكم. وقد يؤدي اختيار نقطة سحب لمجرد توفرها في التوربين إلى ضغط غير كافٍ للعملية أو إلى استخدام بخار أعلى من المستوى المطلوب.

يجب النظر إلى الطلب على الحرارة والطلب على الطاقة معًا. فإذا ارتفع الطلب على بخار العملية، فقد يُسحب مزيد من البخار وتتبقى كمية أقل لتوليد الطاقة في المراحل اللاحقة. وإذا انخفض الطلب على الحرارة، فيجب أن يكون النظام قادرًا على التعامل مع تغير التدفق. ويمكن لوحدة السحب والتكثيف مواصلة تمرير كمية مناسبة من البخار نحو المكثف ضمن حدود تصميمها؛ أما ترتيب الضغط الخلفي فيحتاج إلى استخدام مناسب لبخار العادم أو إلى تدبير بديل له.

تغير ظروف التشغيل لا يقل أهمية عن نقطة التصميم. إذ يمكن أن تتغير جداول الإنتاج وأحمال التدفئة الموسمية ومخرجات الغلاية والطلب على المولد. ويساعد تحديد الحدين الأدنى والأقصى لتدفق السحب، ونطاق التحكم في الضغط، وحدود تحميل التوربين، وظروف بدء التشغيل على تقييم قدرة الترتيب على تلبية احتياجات الموقع في ظل هذه التغيرات.

تؤثر ترتيبات المكثفات والتبريد في النظام بأكمله. ويمكن لاستعادة المكثفات النظيفة أن تقلل الحاجة إلى مياه التعويض وتحافظ على الحرارة، لكن ترتيبات الإرجاع تعتمد على ظروف العملية ومخاطر التلوث. كما يحتاج توربين التكثيف إلى نظام مناسب للتبريد والتعامل مع المكثفات؛ وينبغي النظر في هذه المتطلبات إلى جانب إمكانية زيادة توليد الطاقة.

لذلك، من الأفضل فهم توربين السحب على أنه وسيلة لتوزيع طاقة البخار بين توليد الطاقة وواحدة أو أكثر من مهام الاستفادة الحرارية. ولا تعتمد ملاءمته على التوربين وحده، بل على ضغوط نظام البخار الكامل ومعدلات تدفقه وجداول تشغيله والمعدات المتصلة به أيضًا.