توربين ضغط خلفي للاستخلاص

توربين بخاري ذو ضغط خلفي لاستخلاص البخار

تُعدّ توربينة البخار ذات الضغط الخلفي المُستخرجة من المعدات الحرارية الأساسية في أنظمة التوليد المشترك للحرارة والطاقة. وتكمن ميزتها الرئيسية في دمج وظيفتي استخراج البخار الوسيط وتصريف البخار ذي الضغط الخلفي. فهي قادرة على استخراج البخار عند ضغط مُحدد مسبقًا لتزويد المستخدمين ذوي الاحتياجات العالية، مع الاستفادة في الوقت نفسه من كامل بخار العادم النهائي، الذي يتميز بضغط خلفي أعلى من الضغط الجوي، للتدفئة عند الضغط المنخفض. وهذا يُحقق استخدامًا مُتتاليًا فعالًا لطاقة البخار دون أي فقد في مصدر التبريد للمكثف. وباعتبارها قطعة أساسية في الإنتاج الصناعي وأنظمة التدفئة المركزية في المدن، فإنها تتكيف بدقة مع متطلبات المستخدمين للحرارة متعددة الضغوط، مُوازنةً بين كفاءة الطاقة العالية والاستقرار العالي، وتُقدم قيمة تطبيقية كبيرة ضمن أنظمة إمداد الطاقة منخفضة الكربون.

يرتكز مبدأ عملها على الاستخدام المرحلي لطاقة البخار، وتتميز بعملية واضحة وقابلة للتحكم: يدخل البخار النقي إلى قسم الضغط العالي عبر غلاف المدخل، ويتمدد ويؤدي وظيفةً من خلال تفاعل الفوهات والشفرات المتحركة، مما يدفع الدوار لإنتاج الطاقة الميكانيكية. يُستخرج جزء من البخار من منفذ الاستخراج الوسيط لتزويد مستخدمي الضغط العالي، مع تثبيت ضغط الاستخراج بواسطة منظم ضغط (انحراف ≤ ±0.05 ميجا باسكال). يدخل البخار المتبقي إلى قسم الضغط المنخفض لمواصلة أداء وظيفته، ويُصرّف في النهاية بضغط خلفي يتراوح بين 0.12 و0.4 ميجا باسكال لتلبية متطلبات تدفئة المساحات وعمليات الضغط المنخفض. ينقسم مسار التدفق إلى قسمين: قسم الضغط العالي وقسم الضغط المنخفض. يمكن تنظيم تدفق البخار عبر قسم الضغط المنخفض بواسطة صمامات تحكم، بنطاق ضبط يتراوح بين 30% و100% من التدفق المقنن، مما يحقق التوازن بين استقرار إمداد الطاقة والكفاءة الاقتصادية.

يتم تحديد مدى ملاءمة الوحدة وأدائها من خلال معايير تصميمها الأساسية، والتي تتطلب اهتمامًا بالغًا أثناء عملية الاختيار:

1. معايير الاستخراج والضغط الخلفي: ضغط الاستخراج: 0.3-1.5 ميجا باسكال؛ الضغط الخلفي: 0.12-0.4 ميجا باسكال (أعلى من الضغط الجوي). يمكن تخصيص هذه المعايير بدقة وفقًا لمتطلبات المستخدم.

2. القدرة المقدرة: تتراوح من عدة مئات من الكيلوواط إلى عشرات الميغاواط، قابلة للتكيف مع سيناريوهات مختلفة الحجم مثل محطات الطاقة الصناعية الخاصة ومحطات الطاقة الحرارية الإقليمية.

3. الكفاءة الحرارية: في حالة عدم وجود فقد في مصدر التبريد، تبلغ الكفاءة الحرارية الإجمالية 80% أو أكثر. ويتفوق أداؤها الاقتصادي بشكل ملحوظ على التوربينات المكثفة التقليدية في ظل ظروف الحمل الحراري المستقر.

4. دقة التنظيم: يضمن التحكم الدقيق في ضغط الاستخراج والتدفق ملاءمة المعلمات والتكيف مع تقلبات الحمل الطفيفة.

يتوافق التصميم الهيكلي مع متطلبات إمداد الطاقة المزدوج، مع التركيز في خصائصه الأساسية على الاستقرار والكفاءة. تشمل المكونات الرئيسية غلاف المدخل، ومجموعة الفوهات، والأسطوانة، والدوار، ومنفذ الاستخراج، وآليات التحكم. تم تجهيز منفذ الاستخراج بأجهزة مانعة للتسرب لمنع تقلبات المعايير. يعزز الدوار المتكامل المصنوع بتقنية التشكيل قوة التحمل. تم تصميم شفرات أقسام الضغط العالي والمنخفض حسب الحاجة، مع جذور متصلة بوصلات لسانية لزيادة قدرة تحمل الأحمال. تم تركيب أجهزة تنظيم مزدوجة وأنظمة حماية متشابكة (للسرعة الزائدة، والضغط الخلفي المفرط)، مما يتيح إيقاف التشغيل السريع أثناء الظروف غير الطبيعية للحد من المخاطر. تُستخدم موانع تسرب متاهية عند وصلات الأسطوانة ونهايات العمود، كما تمت إضافة حلقات مانعة للتسرب إضافية إلى منفذ الاستخراج لتقليل تسرب البخار وفقدان الطاقة.

تجمع الخصائص التشغيلية بين مزايا كبيرة وقيود محددة:

1. المزايا الأساسية: كفاءة طاقة ممتازة - يُستخدم بخار العادم بالكامل للتدفئة، ويؤدي تنسيق الطاقة الحرارية إلى كفاءة شاملة فائقة. يتيح التصميم البسيط ذو نقاط العطل القليلة تشغيلًا سنويًا لمدة 8000 ساعة أو أكثر مع إمكانية التحكم في تكاليف التشغيل. يساهم استبدال مصادر الطاقة اللامركزية بنظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة في خفض استهلاك الوقود الأحفوري وانبعاثات الملوثات، بما يتماشى مع متطلبات خفض الانبعاثات الكربونية.

٢. القيود التشغيلية: يلتزم هذا النظام بمبدأ "توليد الطاقة يتبع الطلب على الحرارة"، مما يعني أن الحمل الكهربائي مرتبط ارتباطًا وثيقًا بتدفق بخار التدفئة الكلي ولا يمكن تنظيمه بشكل مستقل. لذا، يلزم ربط النظام بالشبكة أو تشغيله بالتوازي مع وحدات أخرى لتحقيق التوازن بين العرض والطلب على الطاقة. يكون الأداء الاقتصادي مثاليًا عند نقطة التصميم، بينما تنخفض الكفاءة عند التشغيل خارج نطاق التصميم، مما يجعله غير مناسب لحالات تقلبات الأحمال الشديدة.

تتركز تطبيقات هذه التقنية في المجالات ذات الأحمال الحرارية المستقرة ومتطلبات التدفئة متعددة الضغوط: إذ توفر محطات الطاقة الصناعية الخاصة في قطاعات مثل الكيماويات وصناعة الورق والصلب الكهرباء والبخار عالي الضغط ومنخفض الضغط في آنٍ واحد، مما يقلل من استهلاك الطاقة الإجمالي. أما محطات الطاقة الحرارية الإقليمية لتدفئة المناطق الحضرية، فتعطي الأولوية للتدفئة مع توليد الطاقة كمكمل في فصل الشتاء، وتتكيف مع متطلبات التدفئة الصناعية في غير مواسم التدفئة لضمان التشغيل المستقر على مدار العام. وفي أنظمة الطاقة الموزعة، يمكن لهذه التقنية أن تساعد في بناء أنظمة متكاملة لتوليد الطاقة والتدفئة، مما يعزز استقلالية ومرونة إمدادات الطاقة للمجمعات الصناعية والمجتمعات الكبيرة.

بالمقارنة مع أنواع التوربينات المماثلة، فإن الاختلافات الأساسية كبيرة:

1. مقارنة بين توربينات البخار المكثفة ذات الاستخراج: يتميز النوع ذو الضغط الخلفي بضغط عادم أعلى من الضغط الجوي، حيث يُستخدم العادم بالكامل للتدفئة دون أي فقد في مصدر التبريد. أما النوع المكثف، فيتميز بضغط عادم أقل من الضغط الجوي، حيث يُصرّف العادم إلى مكثف للتكثيف. ورغم إمكانية تعديل نسبة الحرارة إلى الطاقة فيه، إلا أن كفاءته في استهلاك الطاقة أقل.

٢. مقارنة بتوربينات البخار ذات الضغط الخلفي النقي: لا يوفر النوع ذو الضغط الخلفي النقي سوى بخار ذي ضغط واحد للتدفئة، مما يحد من استخداماته. أما النوع ذو الاستخلاص فيضيف وظيفة الاستخلاص الوسيط، مما يتيح التزويد المتزامن بالبخار عالي ومنخفض الضغط، وبالتالي تلبية نطاق أوسع من الاحتياجات.

باختصار، تُعدّ توربينة البخار ذات الضغط الخلفي المُستخرجة وحدة توليد طاقة حرارية وكهربائية عالية الكفاءة، مناسبة لحالات الأحمال الحرارية المستقرة. ورغم محدودية قدرتها على تنظيم الأحمال الكهربائية، إلا أنها، مع التكامل الأمثل مع النظام وربطها بالشبكة، تستطيع الاستفادة القصوى من خصائصها الموفرة للطاقة، والصديقة للبيئة، والموثوقة. وهي تُقدّم دعماً بالغ الأهمية للإنتاج الصناعي وإمدادات الطاقة المدنية، ما يجعلها تحتل مكانة بارزة ضمن أنظمة الطاقة منخفضة الكربون.