سودارس : أداء وكفاءة محطات توليد الكهرباء(5) .. بقلم: د. عمر بادي

شكرا على الإبلاغ!

سيتم حجب هذه الصورة تلقائيا عندما يتم الإبلاغ عنها من طرف عدة أشخاص.

أداء وكفاءة محطات توليد الكهرباء(5) .. بقلم: د. عمر بادي

و حائز على القيد نشر في سودانيل يوم 29 - 10 - 2015

عنوان البريد الإلكتروني هذا محمي من روبوتات السبام. يجب عليك تفعيل الجافاسكربت لرؤيته.
عمود : محور اللقيا
هذه المقالة سوف تكون عن تطبيق و نقل التكنولوجيا الحديثة في مجال توليد الكهرباء , وهي الأخيرة في سلسلة مقالاتي عن أداء و كفاءة محطات توليد الكهرباء التي بلغت خمس مقالات , بجانب مقالات أخرى كنت قد كتبتها قبل هذه السلسلة تختص بالكهرباء , مثل : ( التربينات الغازية .. ما لها و ما عليها ) , ( كيف نتفادى تطفئة الكهرباء الشاملة ) , ( التأثيرات الكهرومائية لسد النهضة الأثيوبي ) , ( التأثيرات الكهرومائية لسد النهضة الأثيوبي (2) ) , ( الهيئة القومية للكهرباء ... وداعا ) . هذه السلسلة من المقالات العلمية كانت تلبية لإخوة أعزاء أشاروا علي أن أكتب لهم عن توليد الكهرباء لأن غالبية الناس ليسوا على دراية بذلك , و عندما باشرت الكتابة في هذه السلسلة تداخل معي و كاتبني في بريدي الإلكتروني إخوة أعزاء معظمهم من المهندسين و المختصين مشيدين و مشجعين لي و طالبين أن أمدهم ببعض ما فاتهم من تلك المقالات و فيهم طالبو العلم في الجامعات و المهندسون و أصحاب البحوث الذين يحضرون لدراسات عليا , و أيضا وصلني عرض من مجلة علمية و من مركز للأبحاث أن أكتب هذه المقالات باللغة الإنجليزية و أراسلهم . كل هذه المقالات يمكن الحصول عليها من محرك البحث ( قوقل ) عند كتابة إسم المقالة صحيحا كما هو . لقد كان همي أن أزيل بمقالاتي العلمية تلك بعضا من الأمية المعرفية في مجال توليد الكهرباء أو أن أزيد من ذلك الوعي المعرفي , و لم يكن غرضي ذوي الإختصاص , فلله الحمد و الشكر أن جعل تلك المقالات ذات أهمية لأهل الإختصاص في هندسة توليد الكهرباء .
هذه المقالة كما ذكرت سوف تكون عن تطبيق التكنولوجيا الحديثة في مجال توليد الكهرباء و نقل هذه التكنولوجيا الحديثة إلى السودان . إن الهدف الأساسي من تطبيق التكنولوجيا الحديثة هو : 1 –تقليل تكلفة إنتاج الطاقة المولدة من الكهرباء . 2 – زيادة معدل إنتاجية الطاقة المولدة من نفس الماكينات . 3 – رفع كفاءة ماكينات توليد الكهرباء . 4 – تقليل إستهلاك الوقود العالي التكلفة أو إبداله بوقود أقل تكلفة . 5 – تقليل آثار التلوث من إنبعاثات الغازات الخارجة من المداخن . كل هذه الأهداف الأساسية من تطبيق التكنولوجيا الحديثة سوف أبينها عمليا في بقية هذه المقالة .
إن التكنولوجيا الحديثة في محطات توليد الكهرباء الحرارية تتمثل في الآتي :
1 – تحويل التوربينات الغازية من نظام الدورة البسيطة Simple cycle الى نظام الدورة الموحدة Combined cycle :
المقصود من الدورة الموحدة هو توحيد عمل التوربينات الغازية مع عمل التوربينات البخارية في دورة حرارية واحدة , و عادة يتم تشييد غلايات للاسترجاع الحراري تمرر عليها الغازات الخارجة من المداخن من أجل إنتاج بخار محمص ذي حرارة و ضغط عاليين و يتم تجميع هذا البخار من عدد من التوربينات الغازية في أنبوب رئيسي يدخله للتوربينة البخارية لتولد كهرباء تكون قدرتها نصف مجموع قدرة التوربينات الغازية بدون أي زيادة في استهلاك الوقود , و قد كتبت عن ذلك باسهاب في مقالتي رقم (4) في هذه السلسلة من مقالاتي .
فوائد الدورة الموحدة تتمثل في زيادة الكهرباء المولدة بنفس الوقود المستهلك , و تتمثل في تقليل تكلفة الانشاء مقارنة بكمية الكهرباء المولدة و ذلك لعدم الضرورة لتعقيدات الغلاية و لخزانات إضافية للوقود و لمضخات كثر , و تتمثل في تقليل زمن التشييد لعدم وجود الأشياء التي تم ذكرها , و تتمثل في تقليل تعرفة إنتاج الكيلوات /ساعة من الكهرباء , و تتمثل في ارتفاع الكفاءة الى 43% !
2 – تحويل التوربينات الغازية من نظام الدورة البسيطة Simple cycle الى نظام التوليد المشارك Co-generation :
المقصود من التوليد المشارك هو أن تشارك التوربينة الغازية توليدها للكهرباء بانتاجها للبخار من حرارة الغازات الخارجة من المدخنة في دورة حرارية مشتركة , و ذلك بتشييد غلاية للاسترجاع الحراري تمرر عليها الغازات الخارجة و تكون مبسطة في تصميمها كي تنتج بخارا ذا ضغط منخفض يتم إستعماله في الصناعة أو في التدفئة أو في تسخين الماء المالح الحارBrine في مبخرات غرف الومض المتعددة المراحل لتحلية مياه البحر , و قد أبنت ذلك باسهاب في مقالتي رقم (1) في سلسلة مقالاتي هذه .
فوائد التوليد المشارك تتمثل في انتاج بخار بدون أي زيادة في استهلاك الوقود , و بذلك كما بينت في مقالتي رقم (1) المذكورة أعلاه فإن كفاءة التوربينة الغازية ذات الدورة البسيطة بدون غلاية للاسترجاع الحراري تعادل 28.5% , بينما كفاءتها مع غلاية الاسترجاع الحراري لإنتاج البخار ذي الضغط المنخفض تعادل 59.2%
3 – تركيب مبردات Chillers للهواء الداخل للتوربينة الغازية Turbine Inlet Air Cooling ( TIAC ) : هذه التكنولوجيا الحديثة و المتطورة تعمل على تبريد الهواء الداخل إلى التوربينة بعد مروره على فلاتر التنقية , و ذلك عن طريق تمرير الهواء عبر كويل من الأنابيب تجري بداخلها مياه مبردة . هذا المسلك كما يقول المصنعون هو ( خديعة ) للتوربينة الغازية كي تحس أنها تعمل في مناخ بارد ! عندما تقل حرارة الهواء تزيد كثافته و بذلك يزيد إنسيابه الوزني Mass flow , و أيضا يزيد إنسياب الوقود كي يشعل كل الهواء المضاف حتى يحافظ على نسبة الهواء/الوقود , و بذلك تزيد الطاقة الحرارية فتزيد الطاقة الكهربائية المولدة . إن مبردات الهواء الداخل للتوربينة تعمل عن طريق التبادل الحراري بين الماء المبرد Chilled water و الهواء , و الماء المبرد يأتي من وحدة التبريد التي تحتوي على : أ- غاز مبرد Refrigerant و مضخات لتدويره , ب- خزان ضخم به الماء المثلج و به مضخات لتدوير الماء المبردعلى التوربينات الغازية و مضخات لتدوير الماء المبرد على المبخر , ج- عدد من المبخرات Evaporators على رأس الخزان الضخم لإنتاج الثلج عن طريق التبادل الحراري بين الغاز و الماء المبرد و توجد مضخات لتدوير الغاز السائل خلال المبخرات ليأخذ الحرارة من الماء المبرد و يصير بخارا , د- مكابس الغاز Compressors تأخذ بخار الغاز و تضغطه , ه- المكثف Condenser يبرد بخار الغاز عن طريق الهواء , و- حابس التمدد Expansion valve يقلل من حرارة و ضغط الغاز .
لقد طبق عمليا تأثير مبردات الهواء الداخل للتوربينة الغازية TIAC في منطقة مدارية و ذلك عن طريق أخذ قراءات لأداء التوربينة الغازية بدون إستعمال مبرد الهواء و مع استعمال مبرد الهواء و كانت القراءات كالآتي :
بدون استعمال مبرد الهواء – حرارة الهواء 50 درجة مئوية , الرطوبة 10% , قدرة الحمل الكامل 57 ميغاوات , الكفاءة 29.56% .
مع استعمال مبرد الهواء – حرارة الهواء 10 درجات مئوية , الرطوبة 100% , قدرة الحمل الكامل 77 ميغاوات , الكفاءة 31.61% .
بذلك و نتيجة لتبريد الهواء الداخل للتوربينة الغازية الى 10 درجات مئوية , زادت قدرة الحمل الكلي 20 ميغاوات و زادت الكفاءة 2.05% !
4 – إستعمال الهواء بدلا عن الماء في تبريد مكثف التوربينة البخارية Air Cooled Condenser (ACC):
هذه التكنولوجيا الحديثة قد أنهت المقولة السائدة أن محطات التوربينات البخارية يتم تشييدها دائما بالقرب من الأنهار و البحار , و ذلك للحاجة الملحة لكميات كبيرة من مياه التبريد للمكثفات سواء عن طريق الدورة المفتوحة كما في حالة مياه البحر أو الدورة المغلقة كما في حالة مياه النهر , بجانب تعويض فاقد مياه التبريد للرشاشات ذوات الدورة المغلقة . مثلا , للتوربينة البخارية ذات القدرة الكاملة 400 ميغاوات فإن المكثف يحتاج إلى مياه تبريد بإنسياب 62 ألف متر مكعب /الساعة , و يحتاج إلى تعويض فاقد مياه التبريد للرشاشات بإنسياب يعادل 1.5% من إنسياب مياه تبريد المكثف . لقد صار بالإمكان بعد إتباع نظام تبريد المكثف بالهواء أن يتم تشييد التوربينة البخارية في الدورة الموحدة في المناطق المدارية بعيدا عن مصادر المياه و ربما حتى في الصحراء !
هذه التكنولوجيا الحديثة قد تم تجريبها في المناطق الباردة في أوربا و أمريكا , و قد تم تجريبها في المناطق المدارية منذ عام 1998 في محطة للدورة الموحدة لتوليد الكهرباء تم إنشاؤها في الداخل بعيدا عن البحار و الأنهار , بل و في منطقة شبه صحراوية , و الماء يتم ضخه من بئرين عميقتين داخل المحطة . لكي أصف المكثف المبرّد بالهواء فإنه لتربينة بخارية بقدرة كاملة تساوي 120 ميغاوات فانه يكون خارج مبنى التوربينة و موصلا مع مخرج التوربينة البخارية بأنبوب متناقص الحجم تخرج منه 4 أنابيب رأسية لتمرر البخار المكثف على السطح حيث تخرج منه أنابيب عدة صغيرة الحجم في شكل V مقلوب يمرر عليها الهواء من 20 مروحة حتى يتكثف البخار و يصير ماءً يتجمع بواسطة أنبوب و ينزل ليصب في خزان علي أرضية المكثف يعمل عمل البئر الساخنة Hot well في المكثف المبرد بالماء , و على أرضية المكثف توجد أيضا نازعات الهواء Air ejectors . حجم المكثف يساوي 45 X37 X10 متر و إرتفاعه من الأرض يساوي 30 متر . لمراوح الهواء سرعتان , سرعة منخفضة و سرعة عالية , و تستعمل السرعة المنخفضة أثناء العمل العادي , و تستعمل السرعة العالية عند إرتفاع حرارة الجو أكثر من 50 درجة مئوية أو عند توقف أكثر من مروحتين عن الخدمة , يساوي إنسياب هواء المراوح 11,516 متر3/الثانية و تساوي مساحة سطح أنابيب تبريد المكثف 4,023 متر2 و تساوي حرارة البخار 70 درجة مئوية و تساوي حرارة الماء المكثف 60 درجة مئوية و يكون كل المكثف المبرد بالهواء تحت الفراغ رغم ضخامته .
فوائد المكثف المبرد بالهواء تتمثل في إمكانية إنشاء محطات توليد الكهرباء البخارية في المناطق الجافة بعيدا عن الأنهار و البحار , و تتمثل في إمكانية إنشائها في أماكن إحتياج الطاقة و بذلك توفر تكلفة خطوط النقل , و تتمثل في إمكانية توفر تكلفة مياه التبريد و تبريد مياه التبريد من مضخات و رشاشات , و تتمثل في زيادة جاهزية التوربينة البخارية للعمل و بذلك تتمثل في زيادة الكفاءة .
5 – إعادة تسخين البخار Steam reheating في الغلاية للتوربينة البخارية ذات غرف الضغط العالي و المتوسط و المنخفض :
الغرض من إعادة تسخين البخار هو زيادة قدرة التوليد للتوربينة البخارية لتصل الى معدلات عليا مثل 700 ميغاوات عن طريق غلاية تعمل بالوقود الأحفوري و ليس عن طريق مفاعل نووي . يحمص البخارإلى 540 درجة مئوية و ضغط 170 بار في الغلاية ثم يدخل غرفة التوربينة ذات الضغط العالي و يخرج منها ليعود الى الغلاية و يحمص ثانية الى 540 درجة مئوية و يدخل غرفة التوربينة ذات الضغط المتوسط و يخرج منها الى غرفتي التوربينتين ذواتي الضغط المنخفض و منهما الى المكثف , و تتوصل أعمدة الدوار الثلاثة للتوربينة مع دوار المولد.
فوائد إعادة تسخين البخار في الغلاية تتمثل في إزدياد الطاقة الحرارية في البخار و بذلك إزدياد الطاقة المولدة في التوربينة البخارية , و تتمثل في إزدياد الكفاءة حسب قراءات الأداء الى 38.22% , أي بزيادة 5.22% عن معدل كفاءة التوربينة البخارية بدون إعادة تسخين للبخار و هو 33.0% .
6 – إزالة مخلفات حريق الوقود في الغازات الخارجة في المداخن لتقليل التلوث البيئي :
تمرر الغازات الخارجة من الغلاية على ثلاث وحدات قبل أن تنطلق في الهواء من المداخن , و هذه الوحدات هي –
أ – وحدة المقلل المساعد المختار Selective Catalytic Reduction (SCR) , مكانها في الغلاية بعد خروج الغازات من الفرن Furnace و قبل مسخن الهواء الدوار Rotary Air Heater . الغرض من هذه الوحدة هو إزالة النوكس ( أوكسيد النيتروجين NO ) من الغازات الخارجة من الغلاية و تستعمل فيها اليوريا Urea السائلة و التي تتحول الى غاز النشادر أو الأمونيا و من ثم يحصل التفاعل لتحويل النوكس في الغازات الخارجة الى غاز نيتروجين و بخار ماء كالآتي4NO+4NH3+O2 = 4N2+6H2O
ب – وحدة المرسبات الكهروستاتية Electrostatic Precipitators (ESP) , مكانها بعد مبنى الغلاية في إتجاه المدخنة و حجمها ثلث حجم الغلاية تقريبا . تأتيها الغازات الخارجة من الغلاية و تمر على قنوات داخل الوحدة بها ستارات معدنية مركبة على هيكل معزول و معلق على السطح من الداخل و تحتوي القنوات على أسلاك متعرجة عدة متصلة بالهيكل المعزول . توجد في سقف الوحدة أعداد من محولات التيار Rectifiers لتحويل التيار المتذبذب إلى تيارثابت و يوصل التيار بالهيكل المعزول وتوصل الستارات المعدنية بالأرض و عند توصيل التياريحدث حقل كهربائي ( كورونا) بواسطة الأسلاك المتعرجة التي تمثل الكترودات الإنسياب و بعملية الأيننة الموجبة و السالبة تتجه الجسيمات السالبة في الغازات الخارجة الى الالكترودات الموجبة في الستارات المعدنية السالبة أو الكترودات التجميع , و هكذا تتجمع شوائب الكربون و عند هز الستارات المعدنية تتساقط هذه الشوائب الكربونية إلى أسفل و تتجمع في سير يحملها إلى خزان لتفرغ منه في الشاحنات لتفريغها بعيدا .
كفاءة وحدة المرسبات الكهروستاتية تعادل –
E ={ Cin – Cout } / Cin = %85
E – الكفاءة
Cin – تركيز الكربون في الغازات عند المدخل
Cout- تركيز الكربون في الغازات عند المخرج
ج - وحدة إزالة الكبريت من الغازات الخارجة Flue Gas Desulphurization (FGD) , مكانها بعد وحدة المرسبات الكهروستاتية و قبل المدخنة و هي في حجمها مثل وحدة المرسبات الكهروستاتية . تأتيها الغازات الخارجة بعد دفعها بمروحتين , و الغرض منها إزالة السوكس (ثاني أوكسيد الكبريت) من الغازات الخارجة من الغلاية . تستعمل مياه تبريد مكثف التوربينة الراجعة إلى البحر في عملية التفاعل في الوحدة بعد رفعها بالمضخات و نثرها على جهاز الإمتصاص Absorber الذي تمرر عليه الغازات الخارجة , و بذلك يزول السوكس بعد تفاعله مع الماء فيكون - SO2 + H2O = H + HSO3
بعد ذلك يتم تسخين الغازات الخارجة بواسطة التبادل الحراري مع الغازات الداخلة في سخان الغازات الدوار حتى تكون حرارة الغازات الخارجة من المدخنة أعلا من نقطة الندى .
في حوض الأكسدة يضاف الهواء إلى الماء فيتم التفاعل – H+HSO3+O2 = SO4 + H2O
أيضا بعض الكربون من الغازات الخارجة يتفاعل مع الماء كالآتي - CO2 + H2O = H + HCO3 +O2 = H2O + CO2
من أجل معرفة مدى التلوث البيئي Environmental pollution من انبعاث Emission الغازات الخارجة من المدخنة يوجد نظام للقراءة الذاتية للغازات الخارجة Continuous Emission Monitoring System (CEMS) داخل المدخنة و موصل مع غرفة التحكم و يمكن بواسطته معرفة نسبة ال O2 و CO2 و CO و ضبطها بواسطة التحكم في انسياب الوقود و الهواء , و يمكن معرفة نسبة السواد في الغازات الخارجة Opacity و التي يجب ألا تتعدى 15% بناء على مواصفات هيئة الإرصاد و حماية البيئة Meteorological and Environmental Protection Association (MEPA) و من ضمن هذه المواصفات خلو الغازات الخارجة من السوكس و النوكس حتى لا يتحولا مع رطوبة الجو و الماء الى حمضي الكبريت و النيتريت و يسببا ما يسمى بالأمطار الحمضية .
يمكن أيضا أن يكون التلوث البيئي من الانبعاث المائي Aqueous emission عن طريق تلوث مياه الأنهار و البحار من المياه الملوثة التي استعملت في الصناعة , و لذلك يجب عمل المعالجات الكيميائية اللازمة لها حتى لا تؤثر في الحياة المائية . يمكن للمهتمين أن يجدوا الحد المسموح لانبعاثات الغازات في الجو و للانبعاثات المائية من (قوقل) في الانترنت .
د. عمر محمد صالح بادي
دكتوراة في الهندسة الميكانيكية ( قوى )
مهندس مستشار في شركة سعودكونسلت السعودية

انقر هنا لقراءة الخبر من مصدره.