:: حالات الاضطرابات الناجمة عن فقدان الكفاءة المشتركة في محطات الطاقة الحرارية: الاستراتيجيات والحلول

ولا تزال محطات الطاقة الحرارية تشكل عنصرا حاسما في توليد الكهرباء على الصعيد العالمي، ولكنها تواجه تحديات مستمرة في الحفاظ على الكفاءة المثلى، إذ إن فهم ومعالجة الخسائر في الكفاءة أمر أساسي لمشغلي النبات الذين يسعون إلى تحقيق أقصى قدر من إنتاج الطاقة، والحد من استهلاك الوقود، وتقليل التكاليف التشغيلية إلى أدنى حد، ويستكشف هذا الدليل الشامل المشهد المعقد لكفاءة محطات الطاقة الحرارية، ويدرس الأسباب الجذرية لتدهور الأداء، ويوفر استراتيجيات عملية للتحسين.

فهم كفاءة محطة الطاقة الحرارية

ويحول مصنع الطاقة الحرارية النموذجي 38 في المائة من الطاقة الحرارية في الفحم أو الكتلة الحيوية إلى الكهرباء، على الرغم من أن كفاءة محطات الطاقة الحرارية يمكن أن تتفاوت من 20 في المائة إلى 50 في المائة، وتقاس كفاءة محطات توليد الطاقة بمعدل الحرارة فيها، وهو مقدار الطاقة اللازمة لتوليد كيلوات ساعة واحدة (كيلوواط) من الكهرباء، محسوبة بتقسيم 412 3 وحدة حرارية (بوتو)

وفي محطات الطاقة الحرارية المعاصرة، تضيع نسبة 56 في المائة إلى 67 في المائة من الطاقة التي تُستخدم فيها، وتُحدث هذه الخسائر الكبيرة في جميع مراحل عملية تحويل الطاقة، من احتراق الوقود إلى إنتاج الكهرباء، ومن ثم فهم أين وسبب حدوث هذه الخسائر هو الخطوة الأولى نحو تنفيذ استراتيجيات فعالة لتحسين الطاقة.

المصادر الرئيسية لفقدان الكفاءة في محطات الطاقة الحرارية

فقدان المركبات ومركبات الرنكين

وتُعرض أكبر الخسائر في مرحلة تكديس البخار في دورة الرنكين (17 في المائة من الخسائر)، والمغلي (14 في المائة)، والخسائر في الاضطرابات (9 في المائة)، والحرارة المفقودة في هواء العادم (8%)، وتسخين الوقود (4 في المائة)، وخسائر المولدات (2 في المائة)، والمرافق النباتية (2 في المائة)، وتمثل مرحلة التكديس أكبر مصدر وحيد لخسائر في دورة الطاقة الحرارية، حيث يكون هذا الفرق في عوامل الحرارة.

فالكائن الوحيد له كفاءة بنسبة 50 في المائة، مما يجعله مجال تركيز حاسم لجهود التحسين، ويُطلق الجزء الرئيسي من الحرارة في تبريد المياه التي تُدخل إلى برج التبريد عبر المخزن، وهذا التسخين غير مستعمل ويقلل من العمل المفيد، وهذا الحد من الحرارة الأساسية يعني أن الطاقة الكبيرة يجب رفضها للبيئة لإكمال دورة البخار.

فقدان الكفاءة

ويمثل المغلي مصدرا رئيسيا آخر لتدهور الكفاءة، وقد تشمل حالة أساسية معقولة 86 في المائة من كفاءة المغلي، و90 في المائة من كفاءة التربين، و97 في المائة من كفاءة المولدات، و8.5 في المائة من الخسائر الإضافية، وتحدث خسائر في المركب من خلال آليات متعددة تؤدي بشكل جماعي إلى خفض قدرة المصنع على تحويل الطاقة الوقودية إلى بخار قابل للاستخدام.

يمكن التفكير في فقدان الحرارة المعقولة بقدر ما يمكن أن تشعر به مباشرة مع مقياس الحرارة - يدخل الهواء الاحتراق محطة الطاقة الخاصة بك في ظروف المحيطة، وغاز المداخن يستنفد من الطرف البارد من سخان الجو الغالي في درجة حرارة مرتفعة، مع وجود درجة حرارة أكبر من غازات العادم، وفقد حرارة أقل حساسة للبيئة، وتشمل الخسائر الحرارية المعقولة الأخرى التي تحتوي على المقياس.

كما أن الوقود الأحفوري، مثل الفحم والغاز الطبيعي (الوقود غير المتجددة)، والإفراج عن الطاقة أقل مما هو مطلوب بسبب عدم كفاءة الاحتراق، مما يقلل من الكفاءة العامة لمصانع الطاقة الحرارية، ويسهم عدم اكتمال الاحتراق، ونسب الوقود غير الصالح للبث، والخسائر الحرارية من خلال الإشعاع، وتشويه جميع العوامل في خفض أداء المغلي.

تدهور الأداء في توربين

إن التوربينات البخارية تخضع لخسائر مختلفة في الكفاءة تتراكم بمرور الوقت، فالتوربين البخاري هو جهاز آلي يحتوي على أجزاء كثيرة من اللبس والدموع بسبب الحركة، مع وجود خسائر لا رجعة فيها مثل الاحتكاك والخسائر في الضغط، وهذه الخسائر الميكانيكية تقلل من قدرة التوربين على تحويل طاقة البخار إلى طاقة ميكانيكية تناوبية بكفاءة.

وفي ظل الظروف المثالية، يمكن لنظام دورة التربين فوق الصوتية أن يحول البخار إلى طاقة تناوبية بنسبة 54 في المائة أو أعلى من الكفاءة، ويمكن أن تحقق دورات التربين الفائقة الأهمية 50 في المائة من الكفاءة، ويمكن أن تحقق دورات التربين دون الحرجة كفاءة بنسبة 46 في المائة، غير أن الأداء الفعلي يقصر عادة عن هذه الحدود النظرية نظراً لمختلف آليات التحلل والقيود التشغيلية.

قضايا نظام المكثفات والتبريد

ويعود انخفاض درجة الكثافة أساسا إلى إضعاف الأنابيب وضخ الهواء في الجرعة، مع انخفاض معدلات نقل الحرارة، في حين يؤدي ارتفاع الهواء في الجرعة مباشرة إلى زيادة الضغط على المكثف وتحلل نوعية المياه، وتخلق هذه المسائل أثرا متتاليا على أداء النباتات عموما.

وبما أن المهمة الرئيسية للجهاز هي تكديس البخار الذي يتدفق من المرحلة الأخيرة من توربين البخار إلى الشكل السائل، فمن المستصوب للغاية من وجهة نظر الديناميكية الحرارية أن يحدث ذلك بأقل درجة حرارة ممكنة، حيث أن تخفيض درجة الحرارة المكثفة يقلل من الضغط على التربين، الذي يحسن أداء توربينات.

النظم المساعدة واللواح الموازية

وتستهلك المعدات الإضافية جزءا كبيرا من الكهرباء التي تولدها المصنع، وتشمل كفاءة المكوّنات في مصنع مرجعي نسبة 87 في المائة من كفاءة المغلي، وكفاءة توربين بنسبة 40 في المائة، وكفاءة المولدات بنسبة 98 في المائة، ونسبة 6 في المائة من الحمولة الإضافية، مما يؤدي إلى كفاءة إجمالية قدرها 32 في المائة، ومعدل حراري صافي قدره 600 10 كيلوواط، وتشمل هذه الحمولات الإضافية مضخات التغذية، والمؤن، ومعدات مكافحة التلوث.

فالكهرباء والمضخات والمحركات في جميع أنحاء المصنع تستهلك الكهرباء للحفاظ على العمليات، إذ أن عدم كفاءة السيارات والمعدات الزائدة الحجم وضعف استراتيجيات الرقابة يمكن أن يسهم جميعها في الاستهلاك المفرط للطاقة الكمالية، مما يقلل من الناتج الكهربائي الصافي المتاح للبيع إلى الشبكة.

تدهور المعدات والهياكل الأساسية القديمة

ويبلغ متوسط محطات توليد الطاقة العاملة بالفحم الآن 40 عاما، وعلى مدى أربعة عقود، تعرضت هذه النباتات للتعديلات والإصلاحات المادية، وعانت من تدهور في السن، وتشكل هذه الهياكل الأساسية الناشئة تحديات فريدة في سبيل الحفاظ على الكفاءة المثلى.

وقد شمل العديد من هذه التعديلات إضافة ضوابط للانبعاثات، التي عادة ما يكون لها أثر سلبي على معدل الحرارة، ومنذ البداية الأولى، غيرت وحدات كثيرة إمدادات الوقود فيها، وخفض حجم الموظفين، ودعيت إلى عمليات مرنة تخلق آثارا ضارة على معدلات الحرارة، وكثيرا ما يؤدي الأثر التراكمي لهذه التغييرات إلى تدهور تدريجي في الأداء قد لا يلاحظ دون رصد سليم.

ومع عدم وجود إنذارات بشأن الخسائر في أداء الحمولة الجزئية، قد لا تكتشف المواقع حدوث تدهور في المعدات، وعندما تُرسل إلى حمولة أساسية، قد لا تكون قادرة على الالتزام بالشبكة - في حالة واحدة تقل عن 25 ميغاواط، حيث فقدت قرابة مليون دولار في الكفاءة التشغيلية بينما تعمل في حالة غير مكتشفة متدهورة في جزء منها، وهذا المثال يوضح الآثار المالية لخسائر الكفاءة غير المكتشفة.

التأثيرات العملية المرنة

وفي كل مرة يُطفأ فيها مصنع للطاقة الكهربائية ويُحدث فيها الغلاية وخطوط البخار والتوربين والعناصر المساعدة ضغوطاً حرارية كبيرة لا يمكن تجنبها، مما يتسبب في أضرار، ويزيد من سوء العناصر العالية الحرارة بسبب الظاهرة التي تسمى التفاعل المزدحم، ويتراكم هذا الضرر الذي يلحقه التقلب بمرور الوقت، ويقلل من العمر المكوني ويزيد من متطلبات الصيانة.

وتشير العملية المرنة إلى قدرة المصنع على العمل في شكل حمولة جزئية، وعبء يتبع، وطرق التدوير (على نحو وخارج) استجابة للظروف الاقتصادية وزيادة استخدام جيل غير الفحم، مع وجود ظروف تشغيل مرنة تؤدي إلى تخفيضات في كفاءة النباتات وزيادة تدهورها و/أو صيانة المكونات، ومع تزايد انتشار مصادر الطاقة المتجددة، تعمل النباتات الحرارية بشكل متزايد في هذا الأسلوب المرن، مما يعجل بتدهور الكفاءة.

الاستراتيجيات الشاملة لحل المشاكل

رصد الأداء وتشخيصه

وتستخدم استخبارات الأداء النباتية ذات الموثوقية قدرات مزدوجة رقمية متقدمة لتحليل تدهور الأداء واسترداده عبر نظام النبات، وباستخدام اتجاهات الأداء هذه، وكذلك الاسترداد المتوقع استنادا إلى الأداء التاريخي، وهي تحسن من الوضوح وبالتالي الإنتاجية والكفاءة عموما، وتوفر نظم الرصد الحديثة رؤية آنية للأداء النباتي تتيح الصيانة الاستباقية والارتقاء الأمثل.

ويستخدم التوأم الرقمي الموجود على الفيزياء أداء الناتج ومعدل الحرارة لمقارنة كيفية أداء المصنع لطريقة عمله الفعلي، وتتيح هذه المقارنة للمشغلين تحديد مجالات محددة من التدهور وتحديد كمية تأثير مختلف خسائر الكفاءة على أداء النباتات عموما.

وتؤدي مرافق محطات توليد الطاقة التي لديها برامج لتحسين معدلات الحرارة أفضل من تلك التي لا توجد بها برامج من هذا القبيل، حيث يوفر برنامج لتحسين معدل الحرارة عادة معلومات كافية لاتخاذ القرارات فيما يتعلق بإجراءات الصيانة في الوقت المناسب، والتسويات التشغيلية، والتعديلات المادية.() ويعد إنشاء برنامج رصد رسمي أمرا أساسيا لتحسين الكفاءة بشكل مستدام.

تحليل معدل الحرارة النظامي

وطريقة فقدان الحرارة لتحديد معدل الحرارة تكسر أساساً محطة الطاقة إلى ثلاثة نظم فرعية تحدث فيها عملية تحويل الطاقة: المغلي، حيث تتحول حرارة الوقود إلى طاقة البخار؛ والتربين، حيث تتحول حرارة البخار إلى طاقة تناوب آلية؛ والمولد، حيث تتحول الطاقة التناوبية إلى طاقة كهربائية إجمالية وصافية، مع وضع طريقة لسحب صندوق حول كل نظام فرعي وتحديد كفاءة عملية التحويل.

ويتيح هذا النهج المنهجي لمهندسي النبات عزل مصادر محددة من فقدان الكفاءة وتحديد أولويات جهود التحسين القائمة على التأثير المحتمل، وثمة مشكلة كبيرة تتمثل في استخدام طريقة المدخلات/النواتج لتحديد معدل الحرارة، إذا ما تغير معدل الحرارة من حالة إلى أخرى، فليس لديك أي فكرة عما أدى إلى التغيير - وهو المغلي الأقل كفاءة في حرق الوقود، أو انخفاض كفاءة استخدام التربين بسبب ارتفاع معدل الضغط، أو يتطلب أسلوبا أكثر دقة في استخدام الطاقة الكهربائية.

تحديد مجالات محددة من المشاكل

وتمثل شجرة الأهداف عشرة أهداف محددة تمكّن من قيادة الهدف العالمي من خسائر أسعار حرارة تعادلات القوة الشرائية التي تم تحديدها: خسائر في المركب؛ خسائر في نظام كوندينستيات/FW؛ خسائر في شبكات المياه التي تم تحديدها؛ خسائر في التربة؛ خسائر في الظروف المادية؛ خسائر إضافية تم تحديدها؛ خسائر إضافية في البخار؛ خسائر في مناولة الوقود تم تحديدها؛ ويكفل هذا النهج المنظم إجراء تقييم شامل لجميع مصادر الخسارة المحتملة.

وينبغي أن تركز بروتوكولات التفتيش والاختبار المنتظمة على مؤشرات الأداء الرئيسية لكل نظام رئيسي، ويكشف وضع هذه المعايير بمرور الوقت عن تدهور تدريجي قد لا يُلاحظ إلا بعد تراكم خسائر كبيرة في الكفاءة.

الحلول اللازمة لتحسين الكفاءة

استراتيجيات الاستخدام الأمثل للمركب

ويمكن تخفيض الخسائر الحرارية الحساسة عن طريق وضع ضوابط محسنة للاحتراق تسمح بتدقيق مستوى الهواء الزائد في مشغلي الفرن بغية خفض مستوى الأكسجين الزائد في الفرن، كما أن الهواء الحرقي المسبق الذي يحمل حرارة النفايات من المصنع سيزيد من الكفاءة، كما أن هذه التحسينات المباشرة نسبيا يمكن أن تحقق مكاسب في الكفاءة يمكن قياسها.

ويمكن تخفيض الخسائر غير المحترقة عن طريق تحسين تمارين المغلي والمحرقة، حيث يمكن لبعض النباتات أن تكسب أكثر من 1 في المائة من صافي الكفاءة نتيجة انخفاض كمية الضبط أو الاستثمار في رأس المال، كما أن عمليات الاحتراق الأمثل تكفل الحد الأقصى لاستخراج الطاقة من الوقود مع التقليل إلى أدنى حد من النفايات.

وتُحدِّد النظم الذكية لتفجيرات الأحذية أمثل جداول التنظيف وتخفض إلى أدنى حدّ من الأنبوب المغسول المفرط، مما يحسن كفاءة النقل الحرّي، ويُعد الحفاظ على أسطح نقل الحرارة النظيفة أمراً بالغ الأهمية في كفاءة تشغيل المغلي، ويمكن للنظم الآلية أن تحقق أقصى قدر من تواتر التنظيف من أجل تحقيق التوازن بين المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة والطاقة التي تستهلكها عملية التنظيف نفسها.

ويعزز تحسين العزل العزل على خطوط البخار والصمامات والمعدات للتقليل إلى أدنى حد من الخسائر الحرارية وتحسين الكفاءة الحرارية عموما، في حين يكفل التفتيش المنتظم على المكونات وصيانتها استعادة حرارة فعالة من غازات المداخن وتسخين مياه الغليان، وتمنع هذه التحسينات التي تركز على الصيانة تدهور الكفاءة تدريجيا بمرور الوقت.

تعزيزات أجهزة التربين والمولدات

وخلال السنوات العشرين الماضية، أجرى عدد متزايد من محطات الطاقة النووية والفورانية تعديلات لزيادة تقدير الطاقة و/أو تحسين معدل الحرارة في وحدات مختارة من خلال رفع مستوى المولدات الكهربائية في البخار وتحسينات إلى المكونات الإضافية، مع ما أبلغ عنه من تحسن في معدل الحرارة يعزى إلى تعديلات في نطاق يتراوح بين 2 و 4 في المائة.

وتطبيق المعاطف المتقدمة على شفرات التربين يحسن الديناميكا الهوائية ويقلل من الخسائر ويعزز كفاءة التربين ومعدل الحرارة العام، وتخفض هذه المعاطف الاحتكاك وتحسن خصائص تدفق البخار، وتترجم إلى كفاءة أفضل في تحويل الطاقة.

وتمنع الصيانة المنتظمة للتربين، بما في ذلك استبدال ختم البخار، والتفتيش اللوّي والتحقق من المواءمة، تدهور الأداء تدريجياً، وتشمل مشاريع الإكرام الاستعاضة عن ختم البخار المضخة الغذائية، وإصلاح البخار وتسرب المياه، وتنظيف الغليان الكيميائي، وإصلاح مضخات التسخين الهوائي، وإصلاح منظومات صمامات الفلور.

تحسين نظام المكثفات والتبريد

إن الحفاظ على الأداء الأمثل للمكثفات أمر حاسم بالنسبة للكفاءة العامة للنباتات، وإذا ما استخدم التبريد مرة واحدة، فإن إضرار حوض التكثيف يمكن أن يكون كبيرا، ولكن إذا استخدم نظام التبريد المغلقة، يمكن التحكم في نوعية المياه المبردة، كما أن تنظيف الأنابيب بانتظام، وكشف التسرب الجوي وإصلاحه، ومعالجة المياه المبردة كلها تسهم في الحفاظ على التخلف المنخفض للوحوش.

وتسخين مياه الوجبات تسخن مياه الغلاة قبل دخولها المغلي لتوليد البخار، مع استخدام الحرارة لزيادة درجة حرارة المياه العذبة مباشرة من الدورة الحرارية، حيث يتم استخراج البخار من مختلف فروع التربين، ومن منظور الكفاءة، فإن الوسيلة الرئيسية لتحسين تشغيل مبادلات الحرارة هذه هي الحفاظ على فعاليتها التشغيلية.

نظم الرقابة المتقدمة والتألق

:: تحسين مقاييس واستراتيجيات الرقابة المتقدمة إلى أقصى حد ممكن، ودرجة الحرارة والبخارية، والضغط، فضلا عن تنسيق تشغيل مختلف نظم النبات لتحسين الكفاءة، ويمكن لنظم الرقابة الحديثة أن تكيف باستمرار معالم التشغيل للحفاظ على الكفاءة المثلى في مختلف ظروف الحمولة.

ورهنا بتعقيد نظام الشبكة العصبية المطبق، وبنوعية نظام إدارة العمليات المركب في محطة توليد الطاقة، يمكن أن يكون التحسن في معدل الحرارة كبيرا، حيث تبلغ نسبة التحسن المتوقعة في كفاءة المغليات 0-1.5 في المائة، وتتعلم هذه النظم الذكية من بيانات التشغيل لتعظيم الأداء تلقائيا.

ويمكن لبرامجيات الأداء أن تساعد على تحقيق الاستخدام الأمثل لمحطات الطاقة الحرارية عن طريق تحليل بيانات أجهزة الاستشعار وتحديد الفرص لتحسين الكفاءة وخفض التكاليف، والمساعدة في تحديد المجالات التي تستخدم فيها النباتات طاقة أكبر من اللازم، واقتراح تعديلات للحد من المسائل المتعلقة بتردي المعدات، كما أن تحقيق الاستخدام الأمثل في الوقت الحقيقي يتيح تحسين الكفاءة باستمرار.

دال - حركات الترددات المتغيرة والتفاوتات السريعة

ويطبق استخدام الـ 5 ديانات فولطية أيضاً على مضخات مياه غلاف المغلي، وعموماً، إذا قُيِّمت وحدة لديها تربين بخار أقدم يقل عن 350 ميغاواط، واستخدام مضخات مياه الغليان ذات المحرك الآلي، حيث يمكن اعتبار السائقين الرئيسيين عمليين من منظور الكفاءة، حيث تقدم الوحدات التي تدور في كثير من الأحيان أفضل النتائج عن خفض معدل الحرارة مع ضخات غلاف الفول، يليها السائل، واستخدام المزيد من المضخات المطفيفة السائل.

وتتيح حملات الترددات المتغيرة للمحركات العمل بأقصى سرعة لظروف الحمولة الحالية، مما يقلل استهلاك الطاقة مقارنة بالعملية المستمرة السرعة مع التحكم في القذف أو الرطوبة، وهذه التكنولوجيا فعالة بصفة خاصة بالنسبة للمراوح والمضخات وغيرها من المعدات الإضافية التي تعمل في مجموعة واسعة من شروط الحمل.

استعادة الحرارة والجيل المشترك

وعندما تنظرون إلى الكمية الهائلة من حرارة النفايات المنتجة في توليد الطاقة الحرارية، سيفهم المرء الحاجة إلى توفير الطاقة عن طريق توليد الكهرباء والبخار (أو الماء الساخن) في آن واحد للاستخدام الصناعي وتدفئة الفضاء، المعروف باسم الجيل المشترك، مع الإبلاغ عن أوجه الكفاءة التي تصل إلى 65 في المائة، وتلتقط نظم الجيل المشترك حرارة النفايات التي سترفض في البيئة، مما سيحسن كثيرا استخدام الطاقة عموما.

وفي دورة التنقيب، يحترق الوقود لإنتاج الطاقة الكهربائية أو الميكانيكية، وتُوفر حرارة النفايات الناتجة عن توليد الطاقة حرارة العمليات، بينما يحترق الوقود في دورة القاع لينتج أولا حرارة العمليات ويُستخدم حرارة النفايات الناتجة عن العمليات لتوليد الطاقة، ويتوقف الاختيار بين هذه التشكيلات على المطالب الحرارية والكهربائية المحددة للمرفق.

ويستكشف استخدام حرارة النفايات فرص استخدام حرارة النفايات في العمليات في الموقع، مثل التجفيف أو التسخين أو التسخين في الفضاء، لتحقيق أقصى قدر من استخدام الطاقة، وحتى بدون التنفيذ الكامل للتوليد المشترك، فإن استخلاص واستخدام حرارة النفايات في العمليات المساعدة يمكن أن يحسن كفاءة النباتات عموما.

أفضل الممارسات لتحقيق الكفاءة المستدامة

برامج الصيانة الوقائية

فالعمليات السليمة في مجال الصيانة والتشغيل هي أمر أساسي لمنع فقدان الكفاءة، حيث أن الإهمال يمكن أن يؤدي إلى تدهور المعدات وانخفاض الأداء، ويعالج برنامج شامل للتعهد الوقائي المسائل المحتملة قبل أن تسفر عن خسائر كبيرة في الكفاءة أو عن إخفاق في المعدات.

وينبغي أن تشمل جداول التفتيش المنتظمة جميع نظم النبات الرئيسية، مع إيلاء اهتمام خاص للعناصر المعروفة بأنها تتحلل بمرور الوقت، ويتيح الكشف المبكر عن اللبس، والضغط، والتسرب، وغير ذلك من المسائل التدخل في الوقت المناسب قبل أن تصبح الخسائر في الكفاءة كبيرة.

فالالصيانة الافتراضية لا تحسن الإنتاجية فحسب، بل يمكن أيضا أن تنقذ الملايين من النفقات التي تتجنبها، والأهم من ذلك أنها يمكن أن تقلل من وقت التعطل غير المخطط له، ومن خلال رصد حالة المعدات والتنبؤ بالفشل قبل حدوثها، يمكن للنباتات أن تحدد مواعيد الصيانة أثناء فترات الإجازات المقررة، وتخفض إلى أدنى حد من خسائر الإنتاج.

التنظيف الكيميائي ومعالجة المياه

ويزيل التنظيف الكيميائي للسفن الودائع التي تقلل من كفاءة نقل الحرارة ويمكن أن تؤدي إلى فشل الأنابيب، ويمنع الرصد والعلاج المنتظمان لكيمياء المياه تكوين المقياس، ويتآكل، ويغذيان أداء المغلي والمكثفات المتردي، ويعد الحفاظ على كيمياء المياه السليمة أحد أكثر الطرق فعالية من حيث التكلفة للحفاظ على كفاءة النبات.

ويعيد تنظيف الأنابيب في كوندينسر، سواء عن طريق الأساليب الميكانيكية أو المعالجة الكيميائية، القدرة على نقل الحرارة ويقلل من الضغط، وينبغي أن يستند تواتر التنظيف إلى رصد معايير أداء المكثفات، مع التنظيف المقرر قبل أن تصبح الخسائر في الكفاءة كبيرة.

كشف النفايات الجوية وإصلاحها

ويزيد الضغط الجوي في المكثفات وغيرها من النظم المنخفضة الضغط من التخلف ويقلل من الكفاءة، ويمكن أن تحدد الدراسات الاستقصائية المنتظمة لكشف التسرب باستخدام أساليب تتجاوز الحدود أو غيرها من الأساليب التسربات التي قد لا تُلاحظ، ويحول الإصلاح السريع للتسربات المحددة دون استمرار فقدان الكفاءة.

وتمثل تسربات الدخان في جميع أنحاء المصنع خسائر في الكفاءة ومخاطر السلامة، ويعالج برنامج منهجي لكشف التسرب وإصلاحه هذه المسائل، مع إيلاء الأولوية للتسرب العالي الضغط الذي يمثل أكبر خسارة في الطاقة.

الاعتبارات الاقتصادية والعودة إلى الاستثمار

ويؤثر تدهور معدل الحرارة تأثيرا مباشرا على اقتصاديات تكاليف الوقود في مرافق توليد الطاقة، حيث تزيد نسبة الحرارة بنسبة 1 في المائة عادة تكاليف الوقود بنسبة 1 في المائة بالنسبة لنفس ناتج الطاقة، كما أن المرافق الصناعية الكبيرة التي تواجه الملايين من النفقات السنوية الإضافية، ويساعد فهم الأثر الاقتصادي لخسائر الكفاءة على تبرير الاستثمارات في مجال التحسين.

وشملت مشاريع الإكرام تحديثات لفقمات البخار، واستبدال أجزاء توربين، ونظم تزحلق الذكاء، وتصريف المغليات الآلية، ونظم تجفيف الفحم، وسُلّات التسخين، والتغليف الأمثل، مع خفض معدل الحرارة من 0.1 في المائة إلى 2.5 في المائة، وتظهر الفوائد الصافية الإيجابية للمشروع من 000 30 دولار/سنة إلى 2.9 مليون دولار/سنة.

وحددت الدراسات ما يقرب من 200 تحسين في معدل الحرارة، مما يمثل انخفاضا في الانبعاثات على نطاق الأسطول يبلغ نحو 5 في المائة، حيث أن نحو 30 إجراء قد يخلق وفورات كبيرة في الوقود يمكن أن يتم بها مع عائد للاستثمار تقل عن ثلاثة أشهر، كما أن العديد من التحسينات في الكفاءة تتيح فترات انتكاس سريعة، مما يجعلها استثمارات جذابة حتى في ظروف السوق غير مؤكدة.

وتصبح مشاريع تحسين الكفاءة جذابة اقتصاديا عندما ينخفض معدل الحرارة بدرجة كبيرة، مع رفع مستوى عناصر التربين أو تنفيذ نظم رقابة متقدمة قادرة على استعادة الأداء، وتراوحت فترة الانتكاس لهذه الاستثمارات في كثير من الأحيان بين سنتين وأربع سنوات، بل يمكن تبرير الاستثمارات الرأسمالية الأكبر حجما عندما تكون خسائر الكفاءة كبيرة.

دراسات الحالة والنتائج الحقيقية للعالم

نتائج مشروع الصيانة

وشملت مشاريع الإكرام الاستعاضة عن ختم البخار المضخة الغذائية، وإصلاح البخار وتسرب المياه، وتنظيف الغليان الكيميائي، وإصلاح الهواء الغلي في الجرعة، وتنظيف الفحم المائي، وإصلاح المضخات المكثفة، وإصلاح نظم تهدئة غاز المداخن، مع تخفيض معدل الحرارة من 0.03 إلى 1.5 في المائة، ونسبة الاستحقاق السنوية للنفقة إلى 100.

وتدل هذه النتائج على أن أنشطة الصيانة البسيطة نسبيا يمكن أن تؤدي إلى تحسينات كبيرة في الكفاءة، وتبرز المجموعة الواسعة من نسب تكاليف الاستحقاقات أهمية اختيار المشاريع على نحو سليم استنادا إلى الظروف الخاصة بالنباتات وأنماط التدهور.

رصد النجاح

وكشفت المعلومات الاستخبارية عن أن الفائدة في الشرق الأوسط كانت أقل من الاستحقاق، حيث أوصى المستشار بتوقيت أمثل لتنظيفات غسل المياه خارج الإنترنت لكي تدار بكفاءة أكبر، وتحرق الوقود الأقل، ومن ثم تنتج انبعاثات أقل، بينما توفر أيضاً نقصاً إضافياً في الأداء في جميع معدات النباتات التي تسبب تدهوراً في معدل الحرارة والقدرة، مع قيام فريق النبات بتحليل التأثيرات المحددة، بعد التوصيات، وتحقيق أعلى قدرة نباتية مسجلة.

محطة توليد الطاقة تعمل بالفحم كانت تستعد للتحول إلى غاز لكن طلبت من شركة (إي بي آي) إجراء تقييم لمعدل الحرارة الذي حدد العديد من الإجراءات لتحسين أداء المصنع وبعد اتخاذ الإجراءات الموصى بها، لا تزال المحطة تعمل اليوم، في حين ساعدت في مثال آخر على تحديد سبب مشكلة نظام التبريد، مما قلل من عقوبة الأداء الحالية بأكثر من 50 في المائة، مما أدى إلى وفورات سنوية في تكاليف الوقود تبلغ نحو 000 75 دولار.

الاستراتيجيات التنفيذية لتحقيق الاستخدام الأمثل

الاستخدام الأمثل

إن تشغيل محطات الطاقة الحرارية في نقاط الحمل الأمثل يزيد من الكفاءة، فمعظم النباتات لديها نقطة راحة حيث تكون الكفاءة أعلى، عادة ما تتراوح بين 70 في المائة و 100 في المائة من القدرة المقيّمة، ويتيح فهم منحنى الكفاءة الخاصة بالنباتات للمشغلين تحقيق الحد الأمثل من قرارات الإرسال وتقليل معدل الحرارة إلى أدنى حد خلال ظروف حمولة مختلفة.

وإذا ما عملت المفاعلة بشكل مرن، فإنه يمكن أن تحقق معدل حرارة أقل باستخدام محركات السرعة المتغيرة، ورصد الأداء، وتحقيق الاستخدام الأمثل لنظام التبريد، وتقليل الأشعة فوق البنفسجية إلى أدنى حد بالنسبة للحرارة والتدفق والضغط، وحتى عندما يكون من الضروري القيام بالتدوير أو قاذفة الحمل، فإن الاهتمام الدقيق بارامترات التشغيل يمكن أن يقلل إلى أدنى حد من عقوبات الكفاءة.

درجة الحرارة والضغط

وتتوقف الكفاءة الحرارية لمصانع طاقة البخار على درجة حرارة وضغط البخار الذي يدخل التربين، وهذا هو السبب في اعتماد درجة حرارة عالية وضغط من البخار الذي يدخل إلى التربين لزيادة الكفاءة الحرارية، بينما من جهة أخرى، تزداد الكفاءة الحرارية مع انخفاض درجة الحرارة وضغط البخار في المركب.

ويتطلب الحفاظ على ظروف البخار التصميمي تدقيق نظام المراقبة وتحديد معايرة منتظمة للتأشيرات، والانحراف عن المعايير المثلى للبخار، سواء بسبب تدهور المعدات أو مسائل نظام المراقبة، يؤثر مباشرة على الكفاءة وينبغي التصدي لها على وجه السرعة.

التكتل الأمثل

إن تحقيق أقصى قدر من الاحتراق يكفل حرق الوقود بالكامل مع التقليل إلى أدنى حد من الهواء الزائد، ويؤدي إلى حدوث احتراق غير كامل وخسائر في الوقود غير المحترق، بينما يزيد الكثير من الخسائر في الحرارة المعقولة في غاز المداخن، كما أن نظم مراقبة الاحتراق الحديثة يمكن أن تكيف باستمرار نسب الوقود الجوي للحفاظ على الظروف المثلى.

وتحافظ عمليات التفتيش والتسويات المنتظمة على أنماط مناسبة للهب وخصائص الخلط، ويمكن أن تؤدي عمليات الحرق التي تصيبها أضرار كبيرة إلى تدهور كفاءة الاحتراق وينبغي إصلاحها أو استبدالها كجزء من الصيانة الروتينية.

تحديد مواعيد الأداء

رصد الأداء و القياسات المرجعية بانتظام يرصدان ويحدّدان أداء معدل الحرارة في المصنع قياساً على معايير الصناعة وأفضل الممارسات لتحديد المجالات التي يمكن تحسينها وتتبع التقدم المحرز، فمقارنة أداء النباتات بالوحدات المماثلة أو معايير الصناعة تساعد على تحديد الفرص المتاحة للتحسين وتتحقق من فعالية الجهود الرامية إلى تحقيق الحد الأمثل.

وتألفت عملية تقييم المنظمة من قياس الأداء الحراري للنباتات باستخدام بيانات النباتات التاريخية لتحديد المجالات التي يمكن تحسينها، مع تحقيق بعض الحالات تحسين كبير في معدل الحرارة مع إعادة الالتزام بأفضل الممارسات التشغيلية، ودون الحاجة إلى النفقات الرأسمالية على التكنولوجيا الجديدة، وأحيانا تأتي التحسينات الأكثر فعالية من العودة إلى مبادئ التشغيل الأساسية بدلا من رفع مستوى المعدات الباهظة التكاليف.

الاعتبارات البيئية والتنظيمية

ويؤدي انخفاض الكفاءة إلى زيادة انبعاثات غازات الدفيئة وغيرها من الملوثات، مما يؤدي إلى عواقب بيئية، بما في ذلك تلوث الهواء والمياه، ولا يؤدي تحسين كفاءة النباتات إلى خفض تكاليف الوقود فحسب، بل يؤدي أيضا إلى انخفاض الأثر البيئي لكل وحدة من وحدات الكهرباء المتولدة.

وينتج عن احتراق الوقود الأحفوري ووقود الكتلة الحيوية مجموعة واسعة من الملوثات الجوية التي تضر بصحة الناس والنظم الطبيعية، حيث تمثل محطات الطاقة الحرارية نحو 25 في المائة من انبعاثات غازات الدفيئة في الولايات المتحدة، رغم أن التحسينات الكبيرة في كفاءة محطات الطاقة الحرارية قد خفضت بدرجة كبيرة من حدة هذه الآثار بالنسبة لكل كيلوواط مقابل عالم لا يحقق مكاسب في الكفاءة.

وتمثل التحسينات في الكفاءة واحدة من أكثر الاستراتيجيات فعالية من حيث التكلفة لخفض الانبعاثات من محطات الطاقة الحرارية القائمة، فالاستخدام الأمثل في إيجاد حل استشاري حراري هو استراتيجية سريعة واقتصادية للمساعدة في الحد من الوقود والانبعاثات، مع وجود توأم رقمي معتمد على الفيزياء يتيح الأداء والانتعاش عبر معدات النباتات لتحسين الكفاءة والمساعدة على خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات المتقدمة

تكنولوجيا النظافة المجمعة

وقد زادت كفاءة محطات الغاز الطبيعي خلال العقود القليلة الماضية بسبب نشر ما يسمى بمصانع الدورة المشتركة التي يتم فيها ضبط بعض حرارة النفايات من حرق الغاز الطبيعي في توربينات الغاز واستخدامها لتوليد الكهرباء الإضافية في دورة تربين تقليدية، وتمثل تكنولوجيا الدورة المدمجة أحد أهم التطورات في كفاءة محطات توليد الطاقة الحرارية.

وبالنسبة لمصانع الفحم القائمة، يمكن أن تلتقط التطبيقات المشتركة للحرارة والطاقة أو دورات القاع الحرارة من النفايات للاستخدام المنتج، مما يحسن كفاءة المرافق عموما حتى لو ظلت كفاءة توليد الكهرباء مقيدة بالمعدات الموجودة.

المواد المتقدمة وأوضاع الحرج الفائقة الأهمية

وتتيح ظروف البخار الحرارية العالية الكفاءة الحرارية العالية عن طريق العمل في درجات حرارة مرتفعة والضغوط، وتشمل الاستراتيجيات تصميمات متقدمة، ونظم حرارة وكهرباء مشتركة، واستخدام مواد متقدمة للتقليل إلى أدنى حد من فقدان الحرارة وتعزيز عمليات الدينامية الحرارية، وفي حين أن إعادة تجهيز النباتات الحالية لهذه الظروف قد لا تكون عملية، فإن البناء الجديد، والتكنولوجيات الرئيسية قد تُعيد بناء القدرات.

والمواد المتقدمة التي تصمد أمام درجات الحرارة والضغوط العالية تتيح دورات الدينامية الحرارية الأكثر كفاءة، وتستمر البحوث في المواد التي يمكن أن تزيد من ظروف التشغيل، وتبشر بمكاسب إضافية في الكفاءة في تصميمات النباتات في المستقبل.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

ولا تزال تطبيقات الاستخبارات الفنية والتعلم الآلي في استخدام محطات توليد الطاقة في أمثل مراحلها المتقدمة، ويمكن لهذه النظم أن تحدد أنماطا معقدة في بيانات التشغيل التي قد يفتقدها المشغلون البشريون، مما يتيح استراتيجيات أمثل تطورا ونُهج الصيانة المتوقعة.

ويمكن للشبكات العصبية وغيرها من تكنولوجيات المعلومات المسبقة عن علم أن تتعلم استراتيجيات التحكم المثلى من البيانات التاريخية، وأن تحسن الأداء باستمرار مع تراكم المزيد من الخبرة التشغيلية، وتظهر هذه النظم وعدا خاصا بتحقيق أقصى قدر من العمليات المعقدة والمتعددة الشمول مثل مراقبة الاحتراق وإدارة دورة البخار.

تنفيذ برنامج شامل لتحسين الكفاءة

التقييم وإنشاء خط الأساس

وتتمثل الخطوة الأولى في أي برنامج لتحسين الكفاءة في وضع خط أساس دقيق للأداء الحالي، ويتطلب ذلك جمع بيانات شاملة في جميع النظم الرئيسية للنباتات، بما في ذلك استهلاك الوقود، والناتج الكهربائي، وظروف البخار، ومعايير المياه التبريدية، والحمولات الإضافية.

ويوفر اختبار معدلات الحرارة التفصيلية في ظل ظروف خاضعة للمراقبة أدق البيانات الأساسية، وينبغي إجراء هذا الاختبار بنقاط متعددة من الحمولات لفهم خصائص الكفاءة عبر نطاق التشغيل، ويتتبع الاختبارات المتكررة بانتظام اتجاهات الأداء ويصدق على جهود التحسين.

تحديد الأولويات والتخطيط

ومع تحديد أداء خط الأساس، ينبغي تحديد التحسينات المحتملة وتحديد أولوياتها استنادا إلى الفوائد المتوقعة، وتكاليف التنفيذ، والقيود التشغيلية، وينبغي تنفيذ المكاسب السريعة التي لا تتطلب سوى حد أدنى من رأس المال أولا من أجل تحقيق النجاحات المبكرة وبناء الزخم للبرنامج.

وتتطلب المشاريع الرأسمالية الأكبر تحليلا اقتصاديا دقيقا، لا بالنظر إلى الفوائد المباشرة من الكفاءة فحسب، بل أيضا إلى التأثير على الموثوقية وتكاليف الصيانة والمرونة التشغيلية، فالتكامل مع الجداول الزمنية المقررة يقلل إلى أدنى حد من خسائر الإنتاج أثناء التنفيذ.

التنفيذ والتحقق

ويتطلب التنفيذ الناجح إدارة دقيقة للمشاريع ومراقبة الجودة والتكليف، ويتحقق اختبار ما بعد التنفيذ من تحقيق الفوائد المتوقعة ويحدد أي مسائل تتطلب تصحيحا.

وتحسن توثيق الدروس المستفادة من كل مشروع من جهود التنفيذ المقبلة، وتساهم تبادل النجاحات والتحديات على نطاق المنظمة في بناء المعارف والقدرات المؤسسية لتحسين الكفاءة المستمر.

مواصلة تحسين الثقافة

ويتطلب استمرار التحسينات في الكفاءة دمج ثقافة التحسين المستمر في جميع أنحاء المنظمة، ويشمل ذلك التدريب المنتظم للمشغلين وموظفي الصيانة، ومقاييس أداء واضحة، والمساءلة، والاعتراف بإنجازات الكفاءة.

ويتيح الرصد المستمر واتجاه مؤشرات الأداء الرئيسية الكشف المبكر عن التدهور والتدخل في الوقت المناسب، ويحافظ استعراض الإدارة المنتظمة لمصفوف الكفاءة على التركيز التنظيمي ويكفل توافر الموارد لمبادرات التحسين.

خاتمة

وتنجم الخسائر في كفاءة محطات الطاقة الحرارية عن مصادر متعددة عبر عملية تحويل الطاقة بأكملها، من احتراق الوقود عن طريق توليد البخار إلى الناتج الكهربائي، وقد زاد متوسط كفاءة محطات الطاقة الحرارية التي تستخدم الوقود الأحفوري في الولايات المتحدة زيادة كبيرة، من 4 في المائة في عام 1900 إلى 43 في المائة في عام 2023، مع يعزى هذا التحسن إلى الحد من فقدان الحرارة في عمليات تحويل الطاقة الرئيسية الثلاث: احتراق الوقود، وتوليد البخار، وتوليد الكهرباء.

وفي حين أحرز تقدم كبير على مدى القرن الماضي، لا تزال هناك فرص كبيرة لتحسين كفاءة محطات الطاقة الحرارية القائمة، فالنهج المنهجية لكشف المشاكل التي تحدد مصادر معينة للخسائر تتيح تحقيق تحسينات محددة ذات أهداف ذات فوائد قابلة للقياس، ويمكن أن يحقق الجمع بين الصيانة السليمة، والتحسينات التشغيلية، ونظم المراقبة المتقدمة، والتحسينات في المعدات الانتقائية تحسينات في معدل الحرارة تتراوح بين أجزاء بنسبة مئوية ونسبة مئوية عديدة.

والفوائد الاقتصادية لتحسين الكفاءة كبيرة، حيث يؤدي انخفاض استهلاك الوقود إلى تحسين ربحية النباتات بصورة مباشرة، وتشمل الفوائد البيئية خفض الانبعاثات لكل وحدة من وحدات الكهرباء المولدة، ومساعدة النباتات على تلبية المتطلبات التنظيمية الصارمة بشكل متزايد، وبما أن المشهد المشهد المائي لتوليد الطاقة لا يزال يتطور مع زيادة التغلغل في مصادر الطاقة المتجددة، فإن الحفاظ على كفاءة النباتات الحرارية وتحسينها يصبح أكثر أهمية بالنسبة للقابلية للاستمرار الاقتصادي.

ويتطلب النجاح التزاماً من جميع مستويات المنظمة، بدءاً من مشغلي المنشآت إلى الإدارة العليا، ووضع برامج رسمية لتحسين الكفاءة، والاستثمار في قدرات الرصد والتشخيص، ومواصلة التركيز على التحسين المستمر، يمكِّن محطات الطاقة الحرارية من تحقيق الأداء الأمثل والحفاظ عليه، وزيارة [مكتب الطاقة للطاقة بكفاءة الطاقة والطاقة المتجددة [FLT:]

وليس الطريق إلى تحسين الكفاءة مشروعاً لمرة واحدة، بل هو رحلة مستمرة للقياس والتحليل والتحسين والتحقق، فالنبات التي تتبع هذا النهج هي نفسها التي تحرز نجاحاً طويل الأجل في سوق للطاقة تتسم بقدر متزايد من المنافسة والوعي البيئي، وبالنسبة لأفضل الممارسات والتوجيه التقني في هذا المجال، توفر جمعية المهندسين الميكانيكيين الأمريكية معايير وموارد قيمة لعملية التشغيل الأمثل للطاقة.