حساب معدلات استهلاك الوقود لمصانع توليد الطاقة في توربين الغاز

وتمثل محطات توليد الطاقة الكهربائية الغازية عنصرا حاسما في الهياكل الأساسية الحديثة لتوليد الكهرباء، مما يتطلب إجراء حسابات دقيقة لاستهلاك الوقود للحفاظ على الكفاءة التشغيلية، وإدارة التكاليف بفعالية، وضمان الامتثال البيئي، وفهم كيفية حساب معدلات استهلاك الوقود بدقة أمر أساسي لمشغلي المنشآت والمهندسين ومديري الطاقة الذين يسعون إلى تحقيق الأداء الأمثل وتحقيق أقصى قدر من الربح في سوق للطاقة تتسم بقدر متزايد من المنافسة.

Understanding Fuel Consumption Fundamentals in Gas Turbines

ويُعَبَر عادة معدل استهلاك الوقود في محطات توليد الطاقة في التربينات الغازية على أنه معدل تدفق جماعي، يقاس بوحدات مثل الكيلوغرامات في الساعة (كغ/ساعة) أو باوند في الساعة (لب/ح) ويرتبط هذا القياس ارتباطا مباشرا بمنتج الطاقة المتولد، والكفاءة الحرارية للنظام، ومحتويات الطاقة التي يستهلكها الوقود، وتشكل العلاقة الأساسية بين هذه المتغيرات الأساس لجميع عمليات استهلاك الوقود.

وتنشئ الصيغة الأساسية لحساب استهلاك الوقود علاقة مباشرة بين إنتاج الطاقة ومدخلات الطاقة الوقودية، وعندما يولد توربين الغازي طاقة كهربائية، فإنه يحول الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود إلى طاقة آلية عن طريق الاحتراق، التي تحول بعد ذلك إلى طاقة كهربائية عن طريق مولد كهربائي، وتحدد كفاءة عملية التحويل هذه مقدار الوقود المطلوب لإنتاج كمية معينة من الناتج الكهربائي.

إن توربينات الغاز هي أجهزة لتحويل الطاقة الوقودية إلى طاقة كهربائية (عن طريق المولدات الكهربائية) أو الطاقة الميكانيكية، وتتبع عملية التحويل المبادئ الدينامية الحرارية، مع كون كفاءة تحويل الطاقة عاملا حاسما في تحديد معدلات استهلاك الوقود عموما.

العوامل الرئيسية التي تؤثر في حساب استهلاك الوقود

ويجب النظر في عدة معايير حاسمة عند حساب معدلات استهلاك الوقود لمحطات توليد الطاقة الاضطرابات الغازية، ويؤدي كل عامل دورا متميزا في تحديد الاحتياجات الإجمالية من الوقود والكفاءة التشغيلية للنظام.

متطلبات الناتج

ويمثل ناتج الطاقة الكهربائية، الذي يقاس عادة في الميغاوات أو الكيلوات، المحرك الرئيسي لاستهلاك الوقود، ويستلزم ارتفاع ناتج الطاقة زيادة استهلاك الوقود بصورة تناسبية، على افتراض أن الكفاءة لا تزال ثابتة، ويجب على محطات الطاقة أن توازن الطلب على الكهرباء مع استهلاك الوقود للحفاظ على القدرة الاقتصادية على البقاء مع تلبية احتياجات الشبكة.

الكفاءة الحرارية

وتمثل الكفاءة الحرارية (العاملة) نسبة إنتاج الطاقة المفيد إلى مجموع مدخلات الطاقة من احتراق الوقود، وقد بلغت نسبة التربينات الغازية المبكرة نحو 18 في المائة، والآن، يمكن أن تحقق التربينات الحديثة أكثر من 63 في المائة، وقد أدى هذا التحسن الهائل في الكفاءة بمرور الوقت إلى إحراز تقدم في علوم المواد وتكنولوجيات التبريد وتصميم الهوائيات.

وتتباين الكفاءة إلى حد كبير على أساس تصميم التربين وظروف التشغيل، وتعتمد هذه الظروف إلى حد كبير على الظروف الجوية ونوع الوقود، وتؤثر عوامل مثل درجة الحرارة المحيطة، والارتفاع، والرطوبة، وتكوين الوقود على الكفاءة الحرارية لعمليات التربين الغازي.

Fuel Energy Content

ويقاس محتوى الوقود من الطاقة إما باستخدام القيمة المنخفضة للتدفئة أو القيمة الأعلى للتدفئة، المعروفة أيضاً باسم القيمة الصافية للحسابات (NCV) والقيمة الإجمالية للحسابات، وتبعاً لما تستخدمه الاتفاقية، يمكن أن تنشأ اختلافات بنسبة 10 في المائة في الكفاءة الظاهرة لمصنع إطلاق الغاز، وبالتالي من المهم جداً معرفة الاتفاقية أو HCV أو LCV.

ويستثني هذا المقياس الحراري الطاقة الحرارية التي يمكن استرجاعها من بخار الماء في غازات العادم، بينما يشمل هذا المقياس الهوائي المائي هذا الحرارة الكامنة، وبالنسبة للغاز الطبيعي، فإن مستوى الأشعة فوق البنفسجية يقل عادة عن مستوى HHV بنسبة 10 في المائة، وهذا التمييز حاسم عند إجراء حسابات استهلاك الوقود، حيث أن استخدام قيمة التدفئة الخاطئة يمكن أن يؤدي إلى أخطاء كبيرة في تقديرات استهلاك الوقود.

وبالنسبة للغاز الطبيعي، تتراوح قيم التدفئة النموذجية بين 35 و55 ميغاجول/كغ (ميغاجولات لكل كيلوغرام) تبعاً للتكوين، وعادة ما تكون للوقود السائل مثل الديزل قيم تدفئة تبلغ 42.6 ميغاغرام/كغم، ويجب تحديد قيمة التدفئة المحددة استناداً إلى تركيب الوقود الفعلي الذي يُستخدم في محطة توليد الطاقة.

The Fundamental Fuel Consumption Formula

والمعادلة الأساسية لحساب معدل استهلاك الوقود في محطات توليد الطاقة في التربينات الغازية هي:

Fuel Consumption Rate = Power Output / (Thermal Efficiency × Fuel Energy Content)]

ويمكن التعبير عن هذه الصيغة الرياضي على النحو التالي:

⁇ _fuel = P/ (V × LHV)]]

أين:

• ⁇ _fuel] = معدل تدفق كتل الوقود (كغ/ح أو كغم/ز)
• P] = ناتج الطاقة (كيلوواط أو ميغاواط)
• = الكفاءة الحرارية (مكتظة كدمية، مثل 0.35 ل35 في المائة)
• LHV] = القيمة المنخفضة للتسخين للوقود (MJ/kg أو kJ/kg)

وعند استخدام هذه الصيغة، من الضروري ضمان اتساق الوحدة، وينبغي التعبير عن السلطة في الكيلوات (كيلوواط)، وينبغي أن تكون قيمة التدفئة في كيلوجولات لكل كيلوغرام (كغم/كغم) أو ميغاجولات لكل كيلوغرام (ميغاجول/كغم) وأن يكون معدل استهلاك الوقود الناتج عن ذلك في كيلوغرامات في الثانية (كغم/كغم) التي يمكن تحويلها بعد ذلك إلى 600 ساعة

معدل الحرارة كمقياس بديل

معدل الحرارة هو مصطلح شائع الاستخدام في محطات الطاقة لبيان كفاءة محطات توليد الطاقة، ومعدل الحرارة هو عكس الكفاءة: معدل حرارة أقل هو أفضل، ويمثل معدل الحرارة كمية مدخلات الطاقة اللازمة لتوليد كيلوات ساعة واحدة من الناتج الكهربائي.

معدل الحرارة هو مقياس للطاقة الحرارية اللازمة لإنتاج كيلوواط ساعة من الكهرباء، وهو ما يعبر عنه في الوحدات الحرارية البريطانية لكل كيلوات ساعة (BTU/KWh). وفي الوحدات المتوسطة، كثيرا ما يُعبر عن معدل الحرارة في كيلوجولات لكل كيلوات ساعة (كليو جي/كه) أو ميغاجولز لكل كيلوات ساعة.

وتراوحت معدلات الحرارة في توربينات الغاز الصناعي بين 000 9 و 000 15 وحدة من وحدات مكافحة الإرهاب/كواه.() وتتحقق محطات الدورة المجمَّعة معدلات حرارة أقل باستخدام الحرارة المستعادة من خلال توربينات البخار، ومقابل ذلك، في عام 2015، كانت تكنولوجيا الدراجات المركبة التي تطلق الغاز الطبيعي تعمل بمعدل حراري متوسط قدره 340 7 بيتو/كواه.

ويمكن التعبير عن العلاقة بين معدل الحرارة والكفاءة على النحو التالي:

Efficiency (%) = 412 3 / / / / / / / / / / / × 100]

وللتعبير عن كفاءة المولد أو محطة توليد الطاقة كنسبة مئوية، تقسم المحتوى المكافئ من Btu لـ كيلوواط من الكهرباء (412 3 بتو) بمعدل الحرارة، مثلا، إذا كان معدل الحرارة 500 10 بتو، فإن الكفاءة تبلغ 33 في المائة، وإذا كان معدل الحرارة 500 7 بتو، فإن الكفاءة تبلغ 45 في المائة.

وبمجرد معرفة معدل الحرارة، يمكن حساب استهلاك الوقود بتكثيف معدل الحرارة من خلال إنتاج الطاقة وقسمتها من قيمة تدفئة الوقود، وهذا يوفر نهجا بديلا لحساب استهلاك الوقود يستخدم على نطاق واسع في صناعة توليد الطاقة.

احتساب استهلاك الوقود على أساس الخطوة الواحدة

للتوضيح التطبيق العملي لحسابات استهلاك الوقود، دعونا نعمل من خلال مثال مفصل باستخدام معايير تشغيل واقعية لمصنع طاقة توربين الغاز.

البارامترات

• Power Output (P): ] 50 MW = 000 50 كيلوواط
• Thermal Efficiency (The:] 35% = 0.35
• Fuel Type:] Natural Gas
• Lower Heating Value (LHV): ] 48 MJ/kg = 488,000 kJ/kg

عملية الحساب

Step 1:] Convert all units to consistent format

• القوة: 000 50 كيلوواط
• الكفاءة: 0.35 (غير متجانس)
• LHV: 48,000 kJ/kg

Step 2:] Apply the fuel consumption formula

⁇ _fuel = P/ (V × LHV)]]

⁇ _fuel = 000 50 كيلوواط/0 (0.35 × 48,000 kJ/kg)

⁇ _fuel = 000 50 / 800 16 ]

⁇ _fuel = 2.976 كيلوغرام/س]

Step 3:] Convert to hourly consumption

⁇ _fuel = 2.976 كيلوغرام/ساعة x 600 3 /ساعة = 714 10 كيلوغرام/ساعة

ولذلك، فإن هذه الاضطرابات الغازية ال ٥٠ التي تعمل بنسبة ٣٥ في المائة مع وقود الغاز الطبيعي ستستهلك نحو ٧١٤ ١٠ كيلوغراما )أو نحو ١٠,٧ طنا متريا( من الغاز الطبيعي في الساعة من التشغيل.

استهلاك الوقود اليومي والسنوي

ولفهم النطاق الكامل لاحتياجات الوقود، يمكننا أن نوسع نطاق هذه الحسابات لتشمل الاستهلاك اليومي والسنوي:

[استهلاك يومي (24 ساعة): ]

714 10 كيلوغرام/ساعة = 136 257 كيلوغرام/يوم × 257 طنا متريا/يوم

الاستهلاك السنوي (760 8 ساعة): ]

714 10 كيلوغرام/ساعة 760 8 كيلوغراماً = 640 854 93 كيلوغراماً/سنة زهاء 855 93 طناً مترياً/سنة

وتفترض هذه الأرقام استمرار التشغيل بكامل طاقتها، وهو ما نادرا ما يحدث في العمليات الفعلية لمحطة توليد الطاقة، وسيتفاوت استهلاك الوقود في العالم الحقيقي على أساس عوامل الحمولة، وجداول الصيانة، وأنماط الطلب على الشبكات.

العوامل التي تؤثر على كفاءة استخدام السلاحف في إنتاج الغازات واستهلاك الوقود

وهناك عوامل تشغيلية وبيئية عديدة تؤثر على كفاءة التوربينات الغازية، وبالتالي على معدلات استهلاكها من الوقود، وهذا فهم أساسي لتوقعات استهلاك الوقود الدقيقة واستراتيجيات الاستخدام الأمثل.

آثار الحرارة المحيطة

ويعاني كل توربين من الغاز من انخفاض الأداء أثناء التشغيل، حيث أن أحد أسباب هذا التدهور هو ارتفاع درجات الحرارة المحيطة، ويؤدي إلى تدهور الأداء إلى فقدان ناتج الطاقة وارتفاع استهلاك الوقود، وتتأثر توربينات الغاز بوجه خاص بدرجة الحرارة المرتفعة لأن ارتفاع درجات الحرارة يقلل من كثافة الهواء، ويقلل من معدل التدفق الجماعي عن طريق الحامض.

ويمكن أن يرتفع ارتفاع الارتفاع الساخن الناتج بنسبة 30 في المائة أو أكثر، وهذا الأثر الكبير في تقدير القيمة يعني أن استهلاك الوقود لكل وحدة من نواتج الطاقة يزيد بدرجة كبيرة في ظروف عمل محيطية ساخنة، حيث أن التوربين يجب أن يعمل بجد لإنتاج نفس الناتج الكهربائي.

Altitude and Atmospheric Pressure

ويؤثر الارتفاع على أداء توربين الغاز من خلال تأثيره على الضغط الجوي والكثافة الجوية، ويمثل الارتفاع: حوالي 3.5 في المائة لكل 000 1 قدم عامل تقدير ناتج الطاقة المعتاد، وفي ارتفاع الارتفاعات، يعني انخفاض كثافة الهواء أن الأوكسجين أقل توافراً للاحتراق، مما يتطلب تعديلات على معدلات تدفق الوقود ويحتمل أن يقلل من الكفاءة العامة.

نسبة الضغط

وتشمل العوامل التي تؤثر على الأداء نسب الضغط ودرجات حرارة التوربين، وتفضي المعدلات المرتفعة ودرجات الحرارة إلى أداء أفضل، ونسبة الضغط التي تُعرَّف بأنها نسبة ضغط التصريف الضغطي إلى ضغط الخيوط، هي معالم أساسية للتصميم تؤثر تأثيراً كبيراً على الكفاءة الحرارية.

وتتجه تصميمات توربينية مختلفة إلى تحقيق أقصى حد لمختلف نسب الضغط، وترمي أطر التقلبات العالية إلى العمل بنسب منخفضة تبلغ نحو 18:1، مقارنة بمجموعات الطاقة المتجددة التي تبلغ نسبة الـ 30:1 تقريباً، وتصل إلى التوربينات المشتقية، مع ارتفاع نسب الضغط فيها، وتحقق عادة كفاءة في استخدام الوقود ولكنها قد تكون أكثر حساسية لظروف التشغيل.

درجة حرارة توربين

وتمثل درجة حرارة الشاحن درجة حرارة غازات الاحتراق التي تدخل إلى قسم التربين، وتحسن درجات الحرارة المرتفعة عموماً الكفاءة الحرارية بزيادة التفاوت في درجات الحرارة عبر التربين، غير أن القيود المادية ومتطلبات التبريد تحد من درجات الحرارة القصوى للتشغيل، وتستخدم التوربينات الغازية الحديثة مواد متقدمة ونظماً للتبريد المتطورة للعمل في درجات حرارة أعلى بشكل متزايد، مع الحفاظ على سلامة المكونات.

تدهور العنصر

ويتكون توربين الغاز من عدة مكونات - توربين، وجهاز احتراق وضغط، وعندما تتغير خصائص أي من هذه المكونات، قد يكون هناك ارتفاع في معدل الحرارة وفقدان ناتج الطاقة، مما سيزيد من تكاليف الوقود التي تكبدتها محطة توليد الطاقة.

ويحدث الضغط الضغط على المكثفات عندما تتراكم الملوثات في الهواء الطلق على شفرات الضغط، مما يقلل من التدفق الكتلي للهواء ويقلل من كفاءة الضغط، ونتيجة لذلك، ارتفاع درجات الحرارة التشغيلية، وانخفاض إنتاج الطاقة، وارتفاع معدل الحرارة، والاستمرارية المنتظمة، بما في ذلك غسل الضغط والتفتيش المفروم، أمر أساسي للحفاظ على المعدلات المثلى لاستهلاك الوقود.

طرق حسابية متطورة والنظر فيها

وفي حين أن الصيغة الأساسية لاستهلاك الوقود توفر نقطة انطلاق جيدة، فإن أساليب الحساب الأكثر تطورا تمثل متغيرات إضافية وظروف تشغيل تؤثر على أداء العالم الحقيقي.

العملية الجزئية

ونادرا ما تعمل التوربينات الغازية بشكل مستمر بعبء كامل، وتؤدي عملية الشحن الجزئي عادة إلى انخفاض الكفاءة مقارنة بتشغيل نقطة التصميم، وتتفاوت منحنى الكفاءة مع الحمولة، مما يدل عموما على الكفاءة المثلى عند أو قرب الحمولة الكاملة، مع انخفاض الكفاءة في الحمولات الأدنى، ويجب أن تُحسب حسابات استهلاك الوقود لبيانات الحمولة الفعلية للتربين بمرور الوقت.

ومن النهج النموذجي إيجاد منحنى للأداء يتصل بالكفاءة بالنسبة المئوية للحمولة، فعلى سبيل المثال، قد تكون للتوربين الذي يعمل بنسبة 50 في المائة كفاءة بنسبة 30 في المائة مقارنة بنسبة 35 في المائة بالعبء الكامل، وهذا التخفيض في الكفاءة بنسبة 5 في المائة، يترجم إلى استهلاك محدد للوقود بنسبة 17 في المائة تقريبا لكل وحدة من نواتج الطاقة.

أسعار الوقود

ويمكن أن يتفاوت تركيب الغاز الطبيعي اختلافا كبيرا حسب المصدر والتجهيز، إذ أن قيمة التدفئة والكثافة وخصائص الاحتراق تتوقف جميعها على الخليط المحدد من الميثان والبروبان والهيدروكربونات الأخرى الموجودة في الوقود، كما أن بعض إمدادات الغاز الطبيعي تحتوي أيضا على غازات غير معتدلة مثل النيتروجين وثاني أكسيد الكربون، مما يقلل من قيمة التدفئة ويؤثر على كفاءة الاحتراق.

وبالنسبة لعمليات حساب استهلاك الوقود الدقيقة، ينبغي تحليل التكوين الفعلي للوقود بصورة منتظمة، وينبغي تحديث قيم التدفئة تبعا لذلك، وتشمل محطات الطاقة الحديثة الكثير من المصانع المحللات المستمرة للوقود التي توفر بيانات آنية عن تركيب الوقود وقيمة التدفئة.

استهلاك السلطة الإضافية

وينبغي أن يمثل ناتج الطاقة المستخدم في حسابات استهلاك الوقود ناتج الطاقة الصافي - الكهرباء التي يتم تسليمها إلى الشبكة بعد حساب استهلاك الطاقة المساعدة - وتحتاج محطات توليد الطاقة في الغازات إلى الكهرباء لمختلف النظم المساعدة بما في ذلك:

• ضغط غاز الوقود وتكييفه
• مضخات المياه المبردة
• نظم زيوت التطهير
• نظم الرقابة والتأهيل
• نظم الإضاءة والاختبارات الفوقية
• معدات مراقبة الانبعاثات

ويتراوح استهلاك الطاقة الإضافية عادة بين 1.3 في المائة من الناتج الإجمالي للطاقة في التوربينات الغازية البسيطة للدورة ويمكن أن يكون أعلى بالنسبة لمصانع الدورة المدمجة مع معدات إضافية لدورة البخار.

اتحادات العضلات المشتركة واستهلاك الوقود

وتدمج محطات توليد الطاقة الكهربائية في دورة مختلطة تربين الغاز مع توربين البخاري لتحقيق كفاءة عامة أعلى بكثير، وتوجَّه غازات العادم من توربين الغاز، التي لا تزال تحتوي على طاقة حرارية كبيرة، من خلال مولد لبخار لاسترداد الحرارة لإنتاج البخار من أجل توربين البخار.

وفي عام 2015، كانت تكنولوجيا دورة الغاز الطبيعي المشتعلة مجتمعة تعمل بمعدل حراري متوسطه 340 7 من طراز Btu/kWh. وعلى النقيض من ذلك، كانت المولدات ذات الدراجة الطبيعية ذات الدراجة البسيطة التي تشمل عدة أنواع تكنولوجية متميزة (التهاب الغاز، ومحركات الاحتراق الداخلي، وتربينات البخار) تعمل بمعدل حراري متوسط وزنه قدره 788 9 من طراز Btu/kWh.

ويمثل هذا الاستهلاك حوالي 25 في المائة من استهلاك الوقود لكل كيلوواط ساعة بالنسبة لمصانع الدورة المشتركة مقارنة بعملية الدورة البسيطة، ويمكن لمصانع الدورة المدمجة الحديثة أن تحقق الكفاءة الحرارية التي تتجاوز 60 في المائة، مقارنة بنسبة 35 إلى 40 في المائة بالنسبة للتركات الغازية البسيطة.

وبالنسبة لمصانع الدورة المشتركة، يجب أن يُحسب حساب استهلاك الوقود لمجموع ناتج الطاقة من كل من توربين الغاز والتوربين البخاري:

Fuel Consumption Rate = (P_]GT] + P_ST) / (_]])

Where P_GT is the gas turbine power output, P_ST] is the steam turbine power output, and _]combined] is the overall combined cycle efficiency.

الآثار الاقتصادية لاستهلاك الوقود

وتمثل تكاليف الوقود عادة 60-8 في المائة من مجموع تكاليف التشغيل لمصانع توليد الطاقة الاضطرابات الغازية، مما يجعل استهلاك الوقود العامل المهيمن في الاقتصاد التشغيلي، وعندما يتعلق الأمر بتوليد الطاقة، يمكن أن تتجاوز تكاليف التشغيل 1 مليون دولار بالنسبة لفقدان الطاقة بنسبة 3 في المائة وزيادة استهلاك الوقود بنسبة 1 في المائة.

ويتطلب فهم الأثر الاقتصادي لاستهلاك الوقود تحويل معدلات استهلاك الوقود المادي إلى تكاليف نقدية، مما ينطوي على مضاعفة معدل استهلاك الوقود حسب تكلفة الوحدة:

Fuel Cost ($/h) = معدل استهلاك الوقود (kg/h) × Fuel Price ($/kg)]

وبالنسبة للغاز الطبيعي، كثيرا ما تُقتبس الأسعار بالدولار لكل مليون وحدة حرارية بريطانية (دولار/ميغا بتو) بدلا من الكيلوغرام، وفي هذه الحالة، يتطلب التحويل حساب قيمة التدفئة للوقود:

Fuel Cost ($/h) = [Fuel Consumption Rate (kg/h) × LHV (MMMBtu/kg)] × Fuel Price ($/MMBtu)]

وباستخدام مثالنا السابق على استهلاك من أنواع توربينات مصفحة تبلغ مساحته 50 ميغاواط، ويستهلك 714 10 كيلوغراما من الغاز الطبيعي، ويصل سعر الوقود إلى 4.00 دولارات/MMBtu، ورافعة مصفحة تبلغ 45.5 ميغابتو لكل 000 1 كيلوغرام (الشكل بالنسبة للغاز الطبيعي):

تكلفة الوقود = [714 10 كيلوغرام/ساعة × 0.0455 ميغابتو/كغ] × 4.00 دولار/MMBtu = 950 1 دولارا/ساعة

ويمثل هذا المبلغ، على مدى سنة كاملة من التشغيل (760 8 ساعة)، حوالي 17.1 مليون دولار من تكاليف الوقود، بل إن التحسينات الصغيرة في الكفاءة يمكن أن تحقق وفورات كبيرة في التكاليف، ومن شأن تحسين الكفاءة بنسبة 1 في المائة أن يقلل من تكاليف الوقود السنوية بنحو 000 171 دولار.

الاعتبارات البيئية وحسابات الانبعاثات

ويرتبط استهلاك الوقود ارتباطاً مباشراً بانبعاثات ثاني أكسيد الكربون والملوثات الأخرى، ويعد حساب الانبعاثات أساسياً للامتثال البيئي، ومحاسبة الكربون، وبرامج الاتجار بالانبعاثات.

وبالنسبة لحرق الغاز الطبيعي، يبلغ معامل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون نحو 2.75 كلغ من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام من الغاز الطبيعي المحترق (يختلف هذا اختلافاً طفيفاً مع تركيب الغاز) وباستخدام مثالنا الذي يستهلكه توربين 10.714 كغم/ساعة من الغاز الطبيعي:

CO2 Emissions = 714 10 كيلوغراماً من الوقود/ساعة x 2.75 كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون/كغم من الوقود = 464 29 كيلوغراماً من ثاني أكسيد الكربون/ساعة ]

وهذا يعادل حوالي 29.5 طنا متريا من ثاني أكسيد الكربون في الساعة، أو 000 258 طن متري في السنة من أجل التشغيل المستمر، وهذه الحسابات المتعلقة بالانبعاثات حاسمة بالنسبة لما يلي:

• الامتثال التنظيمي لحدود الانبعاثات
• ضريبة الكربون أو المشاركة في برنامج الحد الأقصى والتجارة
• الإبلاغ عن الاستدامة المؤسسية
• تقييمات الأثر البيئي
• مقارنة مع تكنولوجيات الجيل البديل

وتتوقف الانبعاثات الأخرى، بما فيها أكسيد النيتروجين، وثاني أكسيد الكربون، والهيدروكربونات غير المحترقة، أيضاً على معدلات استهلاك الوقود وكفاءة الاحتراق، وتستخدم توربينات الغاز الحديثة تكنولوجيات مختلفة لمراقبة الانبعاثات، بما في ذلك أجهزة الاحتراق الجاف ذات النيتروجين، والماء أو الحقن البخاري، والتقليل من التحفيز الانتقائي للتقليل إلى أدنى حد من تكوين الملوثات.

استراتيجيات الرصد والتعظيم

ويعد الرصد المستمر لاستهلاك الوقود وكفاءته أمرا أساسيا لأفضل عمليات محطات توليد الطاقة، وتدمج نظم التحكم في توربين الغاز الحديثة قدرات رصد متطورة تتبع مؤشرات الأداء الرئيسية في الوقت الحقيقي.

نظم رصد الأداء

قياس نظم الرصد المتقدمة وتسجيل العديد من المعايير بما في ذلك:

• معدل تدفق الوقود (الكتلة أو الحجم)
• ناتج الطاقة (المجموعات والصافي)
• ظروف عمل (الزمنة، الضغط، الرطوبة)
• ظروف العزل والتصريف
• حافة السلاحف ودرجات حرارة العادم
• تركيب الغازات الثابتة والانبعاثات

وتتيح هذه القياسات حساب الكفاءة في الوقت الحقيقي ومعدل الحرارة، مما يتيح للمشغلين تحديد تدهور الأداء وتحقيق الحد الأمثل من معايير التشغيل، ويمكن أن تشير حالات الانحراف عن الأداء المتوقع إلى احتياجات الصيانة أو القضايا التشغيلية التي تتطلب الاهتمام.

التقنيات الملائمة لتحقيق الكفاءة

ويمكن أن تؤدي عدة استراتيجيات إلى تحسين كفاءة توربين الغاز والحد من استهلاك الوقود:

Inlet Air Coling:] Reducing inlet air temperature through evaporative cooling, chiller systems, or thermal energy storage can significantly improve power output and efficiency, particularly in hot climates. A 10°F reduction inlet air temperature can improve power output by approximately 5-7%.

Compressor Washing:] regular online and offline compressor washing removes fouling deposits, restoring compression efficiency and reducing fuel consumption.

Combustion Tuning:] Optimizing fuel-air ratios and combustion parameters ensures complete combustion while minimizing emissions. Proper tuning maintains top efficiency and prevents fuel waste.

Load Optimization:] Operating turbines at their most efficient load points when possible reduces specific fuel consumption. This may involve coordinating multiple units in a power plant to ensure each operates near opt efficiency.

Waste Heat Recovery:] Implementing combined cycle formations or other waste heat recovery systems dramatically improves overall plant efficiency by using exhaust energy that would otherwise be wasteted.

الاعتبارات العملية المتعلقة بمختلف أنواع الوقود

وفي حين أن الغاز الطبيعي هو أكثر أنواع الوقود شيوعاً في التوربينات الغازية، فإن هذه الآلات يمكن أن تعمل على أنواع مختلفة من الوقود، وكل منها له خصائص مميزة تؤثر على حسابات استهلاك الوقود.

الغاز الطبيعي

ويوفر الغاز الطبيعي الاحتراق النظيف، والكفاءة العالية، والانبعاثات المنخفضة نسبياً، وتتراوح هذه القيمة عادة بين 45 و50 ميغاغرام/كغ بحسب التركيبة، ويحتاج الغاز الطبيعي إلى الحد الأدنى من معالجة الوقود وينتج منتجات احتراقية أقل كثافة من الصيانة مقارنة بالوقود السائل.

الديزل والوقود الموزع

وترتفع كثافة الطاقة في الوقود السائل مثل الديزل (LHV حوالي 4243 ميغاجول/كغ) ولكنها تتطلب نظما أكثر تعقيدا لمناولة الوقود، وتنتج عملية احتراق الوقود السائل انبعاثات جزيئية أكبر ويمكن أن تؤدي إلى زيادة احتياجات الصيانة، ويجب أن تُحسب حسابات استهلاك الوقود لتأثيرات درجة حرارة الوقود على الكثافة وقيمة التدفئة.

القدرة المزدوجة

ويمكن أن تعمل الكثير من التوربينات الغازية على الوقود الغازي أو السائل، مما يوفر المرونة التشغيلية، وعندما يحسب استهلاك الوقود من التوربينات ذات الوقود المزدوج، من المهم ملاحظة أن الكفاءة قد تختلف اختلافا طفيفا بين أنواع الوقود بسبب خصائص الاحتراق وخسائر نظام الوقود، ويجب على المشغلين أن يحتفظوا بحسابات منفصلة لاستهلاك الوقود لكل نوع من أنواع الوقود استنادا إلى بيانات التشغيل الفعلية.

معايير الصناعة وأفضل الممارسات

وتوفر عدة معايير صناعية إرشادات لاختبارات أداء توربين الغاز وقياس استهلاك الوقود، ويضع المعيار الدولي للتوحيد القياسي 2314 شروطا مرجعية وإجراءات اختبارية لاختبارات قبول التربين الغازي، ويوفر الرقم 616 المواصفات الخاصة بالتربينات الغازية المستخدمة في خدمات صناعة النفط والكيميائي والغاز.

وتحدد هذه المعايير ما يلي:

• الشروط المرجعية لتقييم الأداء (نحو 15 درجة مئوية، مستوى البحر، الرطوبة النسبية بنسبة 60 في المائة)
• عوامل تصحيحية للظروف غير القياسية
• متطلبات الدقة في القياس
• إجراءات الاختبار وأساليب تحليل البيانات
• معايير تقييم ضمان الأداء

وعلى إثر هذه المعايير، تكفل الاتساق في تقييم الأداء وتتيح إجراء مقارنات ذات مغزى بين مختلف التربينات وظروف التشغيل.

أدوات البرمجيات وموارد حساب

وتستخدم مشغلو محطات توليد الطاقة الحديثة أدوات برمجية مختلفة لتبسيط حسابات استهلاك الوقود وتحليل الأداء، وتتراوح هذه الأدوات بين أجهزة حاسبة إلكترونية بسيطة وبرمجيات متطورة لنموذج الديناميا الحرارية.

وتتيح أدوات الحساب الأساسية للمشغلين إمكانية إدخال بارامترات التشغيل، وتحديد معدلات استهلاك الوقود والتكاليف والانبعاثات بسرعة، وتشمل مجموعات البرامجيات الأكثر تقدما نماذج دينامية حرارية مفصلة تُحسب للكفاءات المكوّنة، ونقل الحرارة، وخواص السائلة طوال دورة توربين الغاز.

ويوفر العديد من صناعات التربين برامجيات لرصد الأداء المأمون تدمج مع نظم مراقبة النباتات لتوفير حسابات الكفاءة في الوقت الحقيقي واتجاهات الأداء، ويمكن لهذه النظم أن تحذر المشغلين من تدهور الأداء وتوصي باستراتيجيات تحقيق الاستخدام الأمثل.

وبالنسبة للمهندسين والمشغلين الذين يسعون إلى تعميق فهمهم لأداء توربين الغاز، تتاح الموارد من منظمات مثل الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين ] و]U.S. Energy Information Administration]]، التي تقدم منشورات تقنية ومعايير وبيانات صناعية.

الاتجاهات المستقبلية في كفاءة استخدام السلاحف في صناعة الغاز

وتواصل صناعة توربين الغازات التقدم، حيث تركز البحث والتطوير المستمران على تحسين الكفاءة والحد من استهلاك الوقود، وترسم العديد من التكنولوجيات والاتجاهات الناشئة مستقبل توليد الطاقة الاضطراباتية الغازية.

فالأدوات المتقدمة القادرة على تحمل درجات الحرارة العالية تتيح زيادة درجات حرارة التوربين، وتحسين الكفاءة الحرارية مباشرة، ويجري تطوير المصفوفات الكيميائية والخطوط الخارقة المتقدمة ونشرها في التوربينات الجيل القادم.

فالصناعة المضافة (الطباعة 3D) تتيح إنتاج قياسات هندسية معقدة للتبريد وتعظيم الملامح الأيرودينامية التي كانت من المستحيل صنعها في السابق، وهذه التصميمات المتقدمة تحسن كفاءة المكونات ودوامتها.

التكنولوجيا الرقمية التوأم تخلق نماذج افتراضية من التوربينات الغازية التي تعكس أداء العالم الحقيقي في الوقت الحقيقي، هذه النماذج الرقمية تمكن من الصيانة التنبؤية، وتحسين الأداء، والتشخيصات المتقدمة التي تساعد على الحفاظ على كفاءة الذروة طوال حياة التربين التشغيلية.

ويكتسب الوقود الهيدروجيني والهيدروجين - القاحلة الاهتمام بوصفه مسارات محتملة لخفض انبعاثات الكربون من توليد الطاقة الاضطرابات الغازية، وفي حين أن الاحتراق الهيدروجيني يطرح تحديات تقنية تشمل ارتفاع درجات حرارة اللهب وخصائص الاحتراق المختلفة، فإن التنفيذ الناجح يمكن أن يقلل بشكل كبير من انبعاثات غازات الدفيئة مع الحفاظ على المرونة التشغيلية لتكنولوجيا التوربين الغازي.

خاتمة

ويتطلب حساب معدلات استهلاك الوقود لمصانع الطاقة التربينية الغازية فهم العلاقات الأساسية بين إنتاج الطاقة، والكفاءة الحرارية، ومحتويات الطاقة الوقود، أما الصيغة الأساسية - معدل الاستهلاك الفويلي = الناتج/الطاقة (مكون الطاقة الكفاءات) فتوفر الأساس لهذه الحسابات، ولكن التطبيقات في العالم الحقيقي يجب أن تشكل عوامل إضافية عديدة تشمل الظروف المحيطة، وعملية التغيُّر في مكونات الوقود.

إن حسابات استهلاك الوقود الدقيقة ضرورية للعمليات الاقتصادية والامتثال البيئي وتحقيق الاستخدام الأمثل للأداء، فمع أن تكاليف الوقود تمثل مصروفات التشغيل المهيمنة لمصانع الطاقة التي تعمل بالتوربينات الغازية، فإن التحسينات الصغيرة في الكفاءة يمكن أن تحقق فوائد اقتصادية كبيرة، كما أن نظم الرصد الحديثة واستراتيجيات الاستخدام الأمثل تمكن المشغلين من الحفاظ على الأداء الذروة وتقليل استهلاك الوقود إلى أدنى حد ممكن طوال فترة التشغيل للتربين.

ومع استمرار تطور صناعة توليد الطاقة الكهربائية، تظل التوربينات الغازية تكنولوجيا حاسمة لتوليد الكهرباء الموثوق بها والمرنة، وسيظل فهم استهلاك الوقود وتحقيقه على الوجه الأمثل أمرا أساسيا في نجاح عملية توربين الغاز، ودعم كل من القدرة التنافسية الاقتصادية وأهداف الاستدامة البيئية، ولزيادة الموارد التقنية في عمليات محطات توليد الطاقة وتحقيق الكفاءة على النحو الأمثل، زيارة الموقع الشبكي U.S. Department of Energy.]

سواء كنت مشغلاً لمحطة توليد الطاقة أو مديراً للمنشأة، تتقن حسابات استهلاك الوقود توفر الأساس لصنع القرار المستنير وتحسين الأداء المستمر في توليد الطاقة الاضطرابات الغازية.