توربينات بخارية ذات درجة حرارة منخفضة وضغط منخفض

توربينات بخارية منخفضة الحرارة والضغط

التوربين البخاري ذو الضغط والحرارة المنخفضين هو جهاز لتوليد الطاقة الحرارية مصمم للعمل في ظروف بخار منخفضة الحرارة والضغط. تكمن قيمته الأساسية في استعادة وتحويل الطاقة الحرارية منخفضة الجودة بكفاءة، مما يجعله واسع الاستخدام في المراحل النهائية لاستغلال الطاقة. يعتمد مبدأ عمله على التمدد التدريجي للبخار عبر شفرات متعددة المراحل، محولًا الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. يُصرّف البخار الخارج، بعد أداء وظيفته، إلى مكثف حيث يتكثف إلى ماء، مكونًا دورة طاقة مغلقة. هذا يُفعّل بشكل فعال الاستفادة من مصادر الطاقة منخفضة الجودة مثل الحرارة المهدرة والطاقة الحرارية الأرضية.

معايير المعلمات الأساسية

يتم تحديد أداء وملاءمة التوربينات البخارية ذات درجة الحرارة المنخفضة والضغط المنخفض من خلال عدة معايير رئيسية، والتي تشكل الأساس الضروري للاختيار والتحسين التشغيلي، كما هو مفصل أدناه:

1. السعة المقدرة: يتراوح النطاق النموذجي من عشرات إلى مئات الكيلوواط. ويمكن تخصيصها بمرونة وفقًا لحجم الحرارة المهدرة واحتياجات التدفئة، مما يجعلها مناسبة لسيناريوهات استعادة الطاقة الصغيرة والمتوسطة الحجم.

2. الكفاءة التشغيلية: تعتمد بشكل أساسي على تصميم مسار التدفق، ودقة تصنيع المكونات، ومطابقة ظروف التشغيل. تبلغ الكفاءة التشغيلية التقليدية 20% أو أكثر، ويمكن تحسينها بشكل أكبر من خلال تحسين التنسيق بين المراحل.

3. نسبة التبريد إلى التدفئة: هي نسبة قدرة التبريد المُزوَّدة إلى الحرارة المُستهلكة في وحدة الزمن، وتُعدّ مؤشراً رئيسياً لتوازن الطاقة. وعادةً ما تُحافظ على هذه النسبة أعلى من 1.5 لضمان استقرار الحمل.

٤. معايير البخار: يتراوح ضغط المدخل عادةً بين ٠.١ و ٠.٤ ميجا باسكال. وتُضبط درجات حرارة المدخل والمخرج لتناسب ظروف درجات الحرارة المنخفضة. ويُعدّ التوافق الدقيق بين مصدر الحرارة في المنبع ومعدات التكثيف في المصب أمرًا بالغ الأهمية لضمان استقرار التشغيل.

5. السرعة المقدرة: عادة ≤3000 دورة في الدقيقة، وغالبًا ما تتوافق مع متطلبات سرعة المولدات المتزامنة لتحقيق تحويل مستقر للطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

الخصائص الهيكلية

يُراعي التصميم الهيكلي لتوربينات البخار ذات درجة الحرارة والضغط المنخفضين ظروف التشغيل ذات الضغط السلبي والمعاملات المنخفضة. وتتمحور الميزات الأساسية حول أسطوانة الضغط المنخفض وأنظمتها المساعدة، كما يلي:

1. الوضع الهيكلي وظروف التشغيل: في الوحدات متعددة الأسطوانات، يُمثل هذا القسم قسم أسطوانة الضغط المنخفض. وبالمقارنة مع أسطوانات الضغط العالي والمتوسط، فإن هيكله أكبر حجماً ويعمل كلياً تحت ظروف الضغط السلبي (الفراغ)، بما يتناسب مع متطلبات تمدد بخار العادم.

2. تصميم المكون الأساسي: تُعدّ الأسطوانة منخفضة الضغط المكون الأساسي، وهي مُصممة بهيكل ملحوم مزدوج الطبقات لتحمل تقلبات الحمل الحراري. وهي مُجهزة بأجهزة حماية مثل صمامات كسر الفراغ لمنع دخول الهواء، الذي قد يؤدي إلى انخفاض مستوى الفراغ وارتفاع غير طبيعي في درجة حرارة العادم.

3. خصائص الشفرات والدوار: في ظروف الضغط المنخفض، يزداد الحجم النوعي للبخار بشكل كبير. تتطلب شفرات المرحلة النهائية تصميمًا أطول لاستيعاب معدل التدفق الحجمي الكبير وتحمل الأحمال الميكانيكية العالية. يتميز جذر الشفرة بتصميم هيكلي معقد، يفي بمعايير السلامة الصناعية الصارمة.

4. نظام منع التسرب: بيئة الفراغ عند طرفي أسطوانة الضغط المنخفض تجعلها عرضة لتسرب الهواء، مما يجعل نظام منع تسرب العمود بالغ الأهمية. غالبًا ما تستخدم الوحدات الحديثة أنظمة منع تسرب ذاتية، تستخدم بخارًا مبردًا متسربًا من موانع تسرب عمود أسطوانات الضغط العالي والمتوسط ​​كمصدر بخار لمنع التسرب لأطراف عمود الضغط المنخفض. يوازن هذا النهج بين فعالية منع التسرب واستعادة الحرارة المهدرة.

5. آلية الحماية التشغيلية: يعتمد النظام على المكثف للحفاظ على مستوى عالٍ من الفراغ لضمان الكفاءة. أثناء بدء التشغيل أو في ظروف الحمل المنخفض، يجب الحفاظ على تدفق بخار التبريد بنسبة 5% إلى 10% كحد أدنى من التدفق التصميمي لمنع ارتفاع درجة الحرارة وتلف أسطوانة الضغط المنخفض الناتج عن احتكاك الهواء.

الخصائص التشغيلية

1. كفاءة عالية وتوفير الطاقة: تم تصميمه خصيصًا للطاقة الحرارية منخفضة الدرجة، ويمكنه استعادة الموارد بالكامل مثل الحرارة المهدرة الصناعية والطاقة الحرارية الأرضية التي يصعب استخدامها بالوسائل التقليدية، مما يتيح استخدام الطاقة المتسلسلة دون هدر إضافي للطاقة.

٢. حماية البيئة وخفض الانبعاثات: من خلال استعادة الحرارة المهدرة لاستبدال استهلاك الوقود الأحفوري، يتم تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والملوثات. ويتماشى هذا مع السياسات البيئية منخفضة الكربون ويدعم التحول في هيكل الطاقة.

3. موثوقية عالية: يتميز التصميم الهيكلي بالبساطة، مع انخفاض التآكل وعمر خدمة طويل للمكونات الأساسية. متطلبات الصيانة اليومية ضئيلة، مما يسمح بالتكيف مع التشغيل المستمر طويل الأمد بتكاليف تشغيل يمكن التحكم بها.

سيناريوهات التطبيق

بفضل قدرتها على التكيف مع المعايير المنخفضة ومزاياها في الكفاءة وتوفير الطاقة، تُستخدم التوربينات البخارية ذات درجة الحرارة المنخفضة والضغط المنخفض على نطاق واسع في المجالات التالية:

1. نظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة (CHP): مناسب لمشاريع التوليد المشترك للحرارة والطاقة الصغيرة والمتوسطة الحجم، حيث يتم استعادة الحرارة المهدرة من توليد الطاقة لأغراض التدفئة. وهذا يتيح الإمداد المنسق للطاقة الكهربائية والحرارية، مما يحسن كفاءة الطاقة الشاملة.

2. استعادة الحرارة المهدرة الصناعية: تستخدم في صناعات مثل الكيماويات وصناعة الورق والصلب، لاستعادة الحرارة المهدرة ذات درجة الحرارة المنخفضة من عمليات الإنتاج وتحويلها إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية، مما يقلل من استهلاك الطاقة في المؤسسة.

3. توليد الطاقة الحرارية الأرضية: يتكيف مع خصائص المعلمات المنخفضة للموارد الحرارية الأرضية، ويحول طاقة البخار الحراري الأرضي إلى كهرباء من أجل الاستخدام الفعال للطاقة النظيفة.

باختصار، تركز التوربينات البخارية منخفضة الحرارة والضغط على الاستخدام الأمثل للطاقة الحرارية منخفضة الجودة، إذ تجمع بين مزايا مثل توفير الطاقة وحماية البيئة والموثوقية. ومن خلال المطابقة الدقيقة للمعايير وظروف التشغيل، تلعب دورًا لا غنى عنه في أنظمة استعادة الطاقة والاستخدام المتتالي، مما يوفر دعمًا تقنيًا هامًا لتطوير الصناعات منخفضة الكربون والطاقة النظيفة.