هذه المقالة سوف تكون عن الدراسة التي قمت بها في محطة توليد كهرباء بحري الحرارية ( محطة الشهيد محمود شريف ) من أجل تطوير عمل التوربينتين الغازيتين المتواجدتين داخل المحطة , و ذلك تطبيقا للتكنولوجيا الحديثة بتحويلهما من نظام الدورة البسيطة Simple cycle الى نظام الدورة الموحدة Combined cycle . إن أول ماكينات تعمل بنظام الدورة الموحدة كان قد تم إنشاؤها في عام 1950 تطبيقا للفكرة , و لكن فقد تطور نظام الدورة الموحدة و كثر إستعماله في محطات توليد الكهرباء بعد الحرب العربية – الاسرائيلية في أكتوبر 1973 و التي إرتفع بعدها سعر البترول من 3 دولار/ البرميل الى 30 دولار/البرميل و بذلك صار الاقتصاد في تكاليف توليد الكهرباء ضرورياً , و هذه هي ميزة الدورة الموحدة فهي تضيف طاقة مولدة من التوربينة البخارية بدون أية زيادة في استهلاك الوقود و ذلك باستغلالها لحرارة الغازات الخارجة من مداخن التوربينات الغازية في تسخين ماء التغذية و تحويله الى بخار ليدير التوربينة البخارية . لقد نحوت في هذه الدراسة منحى البحث العلمي الميداني الذي يبين معطيات التوربينتين الغازيتين ثم ما ينبغي أن تكون عليه غلاية الإسترجاع الحراري بناءً على حرارة الغازات الخارجة من المدخنة و إنسيابها . بعد ذلك إستعنت بمرجع مجلة ( عالم التوربينات الغازية ) و الذي به مخططات بيانية لشركة ( جنرال اليكتريك ) الأمريكية عن غلايات الإسترجاع الحراري , و بناءً على معلومات الغلاية التي إخترتها توصلت إلى خواص البخار المنتج من ضغط و حرارة و إنسياب و تحصلت على حرارة الغازات عند مخرج الغلاية . إن البخار المولد من حرارة الغازات الخارجة من مدخنة التوربينة الغازية و حسب المعطيات التصميمية يكون كافيا لتشغيل توربينة بخارية بطاقة قدرتها نصف قدرة التوربينة الغازية , و من أجل إستمرارية التوربينة البخارية في العمل فعادة يتم تجميع البخار من غلايات أكثر من توربينة غازية في أنبوب واحد ليغذي التوربينة البخارية , فتجد توربينة بخارية واحدة لتوربينتين غازيتين أو لثلاث أو لأربع توربينات غازية , و تكون دائما قدرة التوربينة البخارية تعادل نصف قدرة مجموع التوربينات الغازية الموحدة معها . في ذلك الوقت وصل إلى الهيئة القومية للكهرباء عرض من شركة المقاول الاسكندنافي برميستور و وين لتشييد توربينة بخارية من أجل أن تعمل التوربينتان الغازيتان بنظام الدورة الموحدة , و قد تم تحويل العرض لي لدراسته , فقارنت مواصفات البخار المولد بما توصلت له فوجدته متقاربا , و لم يشمل العرض المقدم توفير مياه التغذية و مياه التبريد و تبريد مياه التبريد و لا توفير الوقود للاشعال الاضافي , و ترك كل تلك الأمور للهيئة . لذلك سعيت لإثبات مواءمة ذلك العرض لإمكانيات المحطة في ما تركوه لنا و وجدت أن الفائض في مياه التغذية و مياه التبريد و تبريد مياه التبريد كافٍ لتشغيل نظام الدورة الموحدة . إن مواصفات التوربينتين الغازيتين كانت كالآتي : النوع – جنرال اليكتريك فريم 5 , القدرة – 21 ميغاوات لكل توربينة , المصنّع – نوفو بيقنوني , المولد – أنسالدو . تم التركيب و الإشراف على إختبار و تشغيل التوربينتين الغازيتين بواسطة شركة برميستور و وين في عام 1992 , ثم قدمت نفس الشركة عرضا لإضافة غلايتي إسترجاع حراري و توربينة بخارية لكي يعملوا مع التوربينتين الغازيتين بنظام الدورة الموحدة . من أجل ضمان عمل التوربينة البخارية بطاقتها الكاملة عند توقف توربينة غازية واحدة أو توقف التوربينتين الغازيتين عن الخدمة , توجب عمل التعديلات اللازمة لايجاد إشعال إضافي Supplementary firing عن طريق تركيب شعلتين لحرق الوقود داخل كل من غلايتي الإسترجاع الحراري على أن يوصل لهم الوقود من الخط الرئيسي لوحدتي المرحلة الأولى بعد مضخات النقل الثلاثة و عادة تعمل منهما أثنتان في الخدمة و الثالثة تكون إحتياطية و يكون إنسيابهما 20 طن/الساعة بينما إنسياب وحدتي المرحلة الأولى يساوي 16.8 طن/الساعة و يمكن زيادة ضغط الوقود بواسطة حابس التحكم , و يجب تركيب سخان للوقود قبل الشعلتين في كل غلاية من أجل خفض اللزوجة , و يجب تركيب مروحة لدفع الهواء الى داخل كل غلاية كي يحترق مع الوقود . عند توقف توربينة غازية واحدة يتم اشعال شعلتي الغلاية المتصلة بها بعد تشغيل مروحة دفع الهواء من أجل تعويض حرارة غازات تلك التوربينة الغازية المتوقفة , و عند توقف التوربينتين الغازيتين يتم اشعال الشعلتين في كل من الغلايتين , و بذلك تظل التوربينة البخارية تعمل بطاقتها الكاملة طوال الوقت . بالنسبة لماء التغذية لغلاية الإسترجاع الحراري فقد تم تشييد محطة جديدة لإنتاج مياه التغذية في محطة الكهرباء بها وحدتان تنتج كل وحدة 50 متر3/الساعة بينما إستهلاك وحدتي المرحلة الأولى 2 * 5 متر3/الساعة و إستهلاك وحدتي المرحلة الثانية 2 * 10 متر3/الساعة بينما إستهلاك غلايتي الإسترجاع الحراري أقل من 5 متر3/الساعة , و بذلك لا غضاضة من الاكتفاء فقط بوحدتي مياه التغذية الموجودة و توصيل خط أنابيب منهما . بالنسبة لمياه التبريد تم حساب إنسياب المياه عند تشغيل مضخات المرحلة الأولى و الثانية و مقارنة ذلك بكمية إنسياب المياه في المكثفات و في مبردات الزيوت و مبردات مياه التبريد ذات الدورة المغلقة . في كل مرحلة توجد 4 مضخات و يمكن الإكتفاء بتشغيل 3 مضخات في كل مرحلة و ترك المضخة الرابعة إحتياطية , و بذلك يكون مجموع الإنسياب في المرحلتين 51822 متر3/الساعة بينما إنسياب المياه في مكثفات و مبردات الزيوت و مياه التبريد في وحدات المرحلتين الأولى و الثانية و في الدورة الموحدة ( المتوقع ) 44280 متر3/الساعة , و بذلك لا غضاضة من الاكتفاء فقط بمياه التبريد الموجودة و يكفي توصيل خط أنابيب من الخط الرئيسي لمياه التبريد في المرحلة الأولى و خط آخر من الخط الرئيسي لمياه التبريد في المرحلة الثانية و ضمهما معا في خط رئيسي جديد ليغذي الدورة الموحدة . بالنسبة لتبريد مياه التبريد بواسطة مراوح الهواء في الرشاشات Cooling towers فان حرارتها عند مدخلها للرشاشات تساوي 34 درجة مئوية و تكون حرارتها عند مخرجها من الرشاشات 29 درجة مئوية . توجد 6 مراوح للرشاشات في المرحلة الأولى و مثلهم في المرحلة الثانية , بينما عادة تكون 4 مراوح في الخدمة في المرحلة الأولى و 4 في المرحلة الثانية و الباقيات إحتياطيات , و بذلك يمكن وضع 5 مراوح من كل مرحلة في الخدمة و توصيل خطوط أنابيب من الدورة الموحدة لنقل مياه التبريد منها و تبريدها في رشاشات المرحلتين الأولى و الثانية مع التحكم في ضخ مياه التبريد منها لأي من رشاشات المرحلتين , و بذلك لا غضاضة من الاكتفاء فقط برشاشات تبريد مياه التبريد الموجودة . من أجل تقليل كمية النوكس NOx في الغازات الخارجة من التوربينة الغازية و المسببة للأمطار الحمضية و للتلوث يتم مد خط أنبوبي من التوربينة البخارية الى غرفة الاحتراق في التوربينة الغازية و ذلك لأنه عند احتراق الوقود يتكون أوكسيد النيتروجين نتيجة لأكسدة النيتروجين الذي في الوقود و الذي في الهواء , و لذلك يوجد نوعان من النوكس هما النوكس الحراري و نوكس الوقود , و الأكثر تواجداً هو النوكس الحراري , و لذلك فان الإقلال منه يكون عن طريق تحديد كمية الأوكسجين الذي سيحرق الوقود أو تقليل حرارة الإحتراق , و لذلك يتم ضخ البخار ليقلل من كمية الهواء الثانوي Secondary air الزائد و بذلك تقليل حرارة الاحتراق و هكذا يتم تقليل النوكس . ان الأداء التشغيلي للدورة الموحدة يثبت أن أي تغيير في حمل التوربينات الغازية من القدرة الكلية إلى القدرة الجزئية سوف ينتج تغييرا في حمل التوربينة البخارية و سوف يؤدي الى تغيير في إستهلاك الوقود , و هذه المتغيرات الثلاثة هي المكونات لحساب الكفاءة في الدورة الموحدة . إن المعادلة المباشرة للكفاءة في الدورة الموحدة بدون إشعال إضافي تعادل : E = (Wgts + Wst) 3600 / Qf * GCV حيث أن : E– الكفاءة Wgts– الأحمال على التوربينات الغازية Wst– الحمل على التوربينة البخارية 3600 –القيمة الحرارية ( كيلوجول/كيلوات) Qf– استهلاك الوقود GCV– القيمة الحرارية للوقود ( كيلوجول/كيلوغرام) قمت بعمل برمجة من خلال الكمبيوتر لمحاكاة قيمة الكفاءة Efficiency simulationعن طريق إدخال هذه المتغيرات الثلاثة بدون إعتبار للمنحنيات التصحيحية . عالميا يوجد نظامان للمحاكاة للدورة الموحدة : نظام آبروسAdvanced Process Simulator و يستعمل في نطاق واسع للبيئة و للطاقة النووية و لتحلية المياه , و نظام آسميAmerican Society of Mechanical Engineers و هو خاص بالدورة الموحدة . لكي يتم تقصي الكفاءة المتوقعة للدورة الموحدة في محطة توليد كهرباء بحري الحرارية فقد قمت بجمع معلومات عن إستهلاك الوقود في كل توربينة غازية عند السرعة الكاملة بدون حمل FSNL (صفر ميغاوات) و كان 2 طن/الساعة , و عند نصف الحمل (10.5 ميغاوات) و كان 3,89 طن/الساعة , و عند الحمل الكامل ( 21 ميغاوات) و كان 7.2 طن/الساعة . نوع الوقود هو جازولين و سعرته الحرارية 44000 كيلوجول/كيلوغرام . أما التوربينة البخارية فقد كان حملها التصميمي الكامل 27.828 ميغاوات . لكي أتوصل إلى رسم بياني لعلاقة الحمل/الوقود فقد وضعت برنامجا مصغرا للمحاكاة في ثلاث حالات : الحالة الأولى – التوربينتان الغازيتان في الحمل الكامل 21 + 21 ميغاوات و التوربينة البخارية في الحمل الكامل 27.828 ميغاوات , المجموع 69.828 ميغاوات و الوقود 14.4 طن/الساعة الحالة الثانية – توربينة غازية في الحمل الكامل و الأخرى في نصف الحمل 21 + 10.5 ميغاوات و التوربينة البخارية يكون حملها 20.865 ميغاوات , المجموع 52.37 ميغاوات و الوقود 11.1 طن/الساعة . الحالة الثالثة – توربينة غازية واحدة في الحمل الكامل و الأخرى خارج الخدمة 21 ميغاوات و التوربينة البخارية يكون حملها 13.63 ميغاوات , المجموع 34.63 ميغاوات و الوقود 7.2 طن/ الساعة . بذلك تم رسم المنحنى البياني لعلاقة قدرة الحمل / الوقود في الدورة الموحدة المقترحة في محطة توليد كهرباء بحري الحرارية , على جانبه الرأسي إستهلاك الوقود و على جانبه الأفقي القدرة المولدة . بذلك صار من الممكن حساب كفاءة الدورة الموحدة بكل سهولة متى عرفنا مجموع الأحمال على التوربينتين الغازيتين و التوربينة البخارية و ما يقابلها من إستهلاك للوقود . لنأخذ مثلا الحالات الثلاثة أعلاه فتكون الكفاءة فيها : 39.67% و 38.63% و 39.35% . لقد أدخلت علاقة الحمل/الوقود أعلاه في برنامج المحاكاة و بذلك أمكن رسم منحنى بياني لكفاءة الدورة الموحدة مقابل الحمل . ان الكفاءة التي تحصلت عليها أقل بعض الشيء عن المطلوب ربما لاستهلاك التوربينتين الغازيتين في العمل قبل التفكير بتحويلهما الى دورة موحدة , لأنه في دول أخرى وصلت كفاءة الدورة الموحدة إلى 43% . كانت تكلفة العرض المقدم من شركة برميستور و وين الإسكندنافية لإنشاء و إختبار و تشغيل غلايتين ذاتي إسترجاع حراري و توربينة بخارية و مولد و شاملة المضخات و المبادلات الحرارية و القنوات و المحولات و المفاتيح الكهربائية و طبلونات التحكم , كل ذلك بتكلفة 19,881,950 دولار , و كما أبنت فإن أعمال مياه التغذية و مياه التبريد و تبريد مياه التبريد لم تكلف كثيرا . هذه التكلفة قليلة لأن متوسط تكلفة الميغاوات الواحد تساوي واحد مليون دولار . لقد أوضحت كل ذلك في تقريري و أوضحت أن تنفيذ هذا المشروع يؤدي إلى إدخال تكنولوجيا الدورة الموحدة الحديثة إلى السودان , و لكن رغم ذلك لم تقم إدارة الهيئة على تنفيذ هذا المشروع ! بذلك تأخر إدخال تكنولوجيا الدورة الموحدة الحديثة إلى السودان حتى عام 2003 حين تم إنشاء بلوكين للدورة الموحدة في محطة توليد كهرباء قري بقدرة (2 * 41 + 40 ) أي 122 ميغاوات لكل بلوك . د. عمر محمد صالح بادي دكتوراة في الهندسة الميكانيكية ( قوى ) مهندس مستشار في شركة سعودكونسلت السعودية و كاتب صحفي حائز على القيد الصحفي [email protected]
