هل يمكن لمحطة التوليد المشترك للحرارة والكهرباء (CHP) بالغاز الطبيعي، بقدرة 18–150 kW، أن تعمل بحمل منخفض؟

نعم، يمكن لنظام توليد مشترك للحرارة والكهرباء (CHP) يعمل بالغاز الطبيعي بقدرة 18-150kW أن يعمل عند حمل منخفض، شريطة أن تظل نقطة التشغيل ضمن النطاق المعتمد من الشركة المصنّعة. تصف القدرة على التشغيل المستمر تصنيف الخدمة، لكنها لا تضمن تشغيلًا موثوقًا وفعالًا عند كل مستوى من مستويات الخرج. عندما ينخفض الطلب الكهربائي في المبنى ليلًا بينما يستمر الطلب على الماء الساخن، قد يكون استمرار تشغيل نظام CHP مفيدًا، أو قد يؤدي إلى استهلاك الوقود من دون إنتاج كمية كافية من الكهرباء والحرارة ذات القيمة.

يعتمد القرار على المحرك المحدد، وأدوات التحكم في المولد، ودائرة استعادة الحرارة، ومتطلبات الانبعاثات. قبل خفض الخرج، حدّد الحد الأدنى المسموح به للحمل الكهربائي المستمر، وتحقق من استمرار إمكانية استخدام الحرارة المستعادة، وتأكد من أن وضع التشغيل يدعم الخفض المقصود. لا توجد نسبة واحدة للحد الأدنى للحمل تنطبق على جميع الوحدات ضمن نطاق 18–150 kW.

التشغيل المستمر والحد الأدنى للحمل حدّان مختلفان

يجب قراءة تصنيف التشغيل المستمر إلى جانب شروط التصنيف التي تحددها الشركة المصنّعة، بما في ذلك جودة الوقود ودرجة الحرارة المحيطة والارتفاع عن سطح البحر وترتيبات التبريد ومتطلبات الصيانة. ولا يحدد هذا التصنيف وحده قدرة المحرك على خفض الحمل. كما أن التشغيل لفترة وجيزة بخرج منخفض أثناء المزامنة أو الإيقاف يختلف عن البقاء عند هذا المستوى لساعات.

استخدم الخرج الكهربائي المقنن الملائم للموقع عند حساب نسبة الحمل، بدلًا من افتراض أن القدرة الاسمية المتاحة على لوحة البيانات تظل متاحة في جميع الظروف:

نسبة الحمل الكهربائي = الخرج الكهربائي الفعلي ÷ الخرج الكهربائي المقنن الملائم × 100.

لا تستخدم تيار المولد بدلًا من القدرة الفعلية من دون مراعاة الجهد ومعامل القدرة. فقد يمر في الوحدة تيار كبير في حين لا تنتج سوى قدرة قليلة بوحدة kW، لذلك لا يُعد التيار وحده مؤشرًا موثوقًا على حمل المحرك.

يؤثر وضع التحكم أيضًا. يمكن لنظام CHP المتصل بالشبكة عمومًا ضبط نقطة ضبط القدرة بوحدة kW ضمن الحدود المهيأة. أما الوحدة المعزولة عن الشبكة، فيجب أن توازن بين الطلب المتصل بها مع الحفاظ على الجهد والتردد؛ ويتطلب رفع خرجها وجود حمل إضافي أو تخزين أو وسيلة أخرى معتمدة لامتصاص القدرة. ولا يؤدي تغيير نقطة الضبط وحده إلى إنشاء طلب.

ما الذي يتغير عند انخفاض الخرج؟

تنخفض الكفاءة الكهربائية عمومًا عند خفض الحمل، لأن خسائر الاحتكاك والضخ واستهلاك الأنظمة المساعدة تصبح أكبر مقارنةً بالخرج المفيد. قيّم صافي الكهرباء المقدمة إلى الموقع، لا خرج المولد الإجمالي فحسب. فقد تستهلك المضخات والمراوح وغيرها من الأنظمة المساعدة حصة أكبر من الكهرباء المولدة عند الحمل المنخفض.

ليس من الضروري أن ينخفض استرداد الحرارة بالتناسب المباشر مع الخرج الكهربائي. إذ تتغير مساهمتا مياه تبريد غلاف المحرك والعادم بطرائق مختلفة، وقد تتغير نسبة الحرارة إلى القدرة. وقد تؤدي درجة حرارة العادم المنخفضة إلى تقليل فائدة الحرارة المستمدة من العادم للاستخدامات التي تتطلب درجات حرارة أعلى، حتى عندما يواصل النظام إنتاج الماء الساخن.

يمثل استقرار الاحتراق حدًا آخر. فبحسب تصميم المحرك ومعايرته، قد يؤدي التشغيل المستمر عند حمل منخفض إلى زيادة التفاوت بين دورات المحرك أو الإخفاق في الإشعال أو أول أكسيد الكربون أو الهيدروكربونات غير المحترقة. وتتطلب محركات الاحتراق الفقير تحكمًا مناسبًا في نسبة الهواء إلى الوقود والإشعال ضمن نطاق التشغيل المعتمد بالكامل. لا تفترض أن نتائج الانبعاثات التي تحققت عند الحمل المقنن تظل صالحة عند الحد الأدنى للحمل.

عند تركيب نظام لمعالجة العادم اللاحقة، يجب أيضًا مراعاة درجة حرارته ومتطلبات تشغيله. فاستقرار درجة حرارة سائل التبريد لا يثبت أن ظروف الاحتراق أو معالجة العادم اللاحقة مقبولة. وبالمثل، لا ينبغي تطبيق قواعد «التكدس الرطب» الخاصة بمحركات الديزل مباشرةً على محرك يعمل بالغاز الطبيعي؛ بل يجب اتباع إرشادات التشغيل المحددة من الشركة المصنّعة لمحرك الغاز.

حدّد نطاق التشغيل قبل تغيير الجداول

اطلب وثائق خاصة بالطراز بدلًا من الاعتماد على تصريح عام بأن المعدة «تدعم التشغيل بحمل جزئي». وتشمل المعلومات اللازمة لاتخاذ قرار بشأن التشغيل المستمر عند حمل منخفض ما يلي:

• الحد الأدنى للخرج الكهربائي المستمر: ميّز بين التشغيل المستمر والسماح بخفض الحمل مؤقتًا، وفترات الإحماء والتبريد.
• أداء الحمل الجزئي: احصل على بيانات استهلاك الوقود والكفاءة الكهربائية الصافية والحرارة القابلة للاسترداد ودرجة حرارة الإمداد عند نقاط التشغيل ذات الصلة.
• حدود التحكم: تحقّق من معدلات رفع الحمل المسموح بها، والحد الأدنى لزمني التشغيل والإيقاف، وظروف المزامنة، وإعدادات الحماية من القدرة العكسية.
• ظروف الاحتراق والانبعاثات: حدّد حدود جودة الوقود ومتطلبات المراقبة وأي قيود على الحمل مرتبطة بمعالجة العادم اللاحقة.
• متطلبات طرح الحرارة: تحقّق مما يحدث عندما يتعذر على الموقع استيعاب الحرارة المستعادة، وما إذا كان نظام التبريد المركب يسمح بمواصلة التشغيل.

لا تكفي ميزات التحكم وحدها لتحديد تصنيف الحد الأدنى للحمل. فعلى سبيل المثال، يذكر مولد الغاز في حاوية بقدرة 1000kW، الطراز AMC1000NS، نظامًا إلكترونيًا للتحكم في السرعة، وتحكمًا مغلق الحلقة في الوقود بالاحتراق الفقير، وتشغيلًا آليًا بزر واحد. وهو خارج نطاق 18–150 kW، وهذه المواصفات لا تحدد حد خفض الحمل لوحدة CHP صغيرة ولا تثبت أداء استعادة الحرارة. قيّم الطراز المركب فعليًا بدلًا من نقل إمكانات التشغيل من منتج إلى آخر.

تقييم عملي للتشغيل عند حمل منخفض

ابدأ بسجلات الطلب في الموقع. حدّد أوقات انخفاض الطلب الكهربائي ومدة هذه الفترات وما إذا كان يوجد طلب حراري مفيد بالتزامن معها. فقد يخفي متوسط الحمل اليومي عدة ساعات يكون فيها الحمل أدنى من الحد الأدنى المسموح به للوحدة.

1. سجّل خط أساس مستقرًا. عند نقطة تشغيل معتمدة، سجّل الخرج الكهربائي واستهلاك الوقود ودرجات حرارة سائل التبريد ودرجات حرارة الإمداد والعودة في دائرة الحرارة ومعدل التدفق وقراءات العادم عند توفرها والإنذارات النشطة.
2. لا تخفض الخرج إلا باستخدام أدوات التحكم المعتمدة. اتبع إجراءات التشغيل أو التكليف التي تحددها الشركة المصنّعة. انتظر حتى تستقر القراءات عند كل خطوة مسموح بها؛ وتجنب إجراء تعديلات عشوائية على الوقود أو الإشعال أو الحماية.
3. تحقّق من توصيل الحرارة المفيدة. افحص درجة الحرارة ومعدل التدفق عند العملية المخدومة أو دائرة التخزين. فحرارة سائل تبريد المحرك المرتفعة لا تثبت أن المبنى يتلقى حرارة مفيدة.
4. قارن بين الاستقرار والاستهلاك. ابحث عن تذبذب السرعة، ومؤشرات الإخفاق في الإشعال، والتغير غير الطبيعي في درجة حرارة العادم، وارتفاع استهلاك الوقود لكل صافي kWh، أو تحذيرات نظام معالجة العادم اللاحقة.
5. وثّق نطاق التشغيل القابل للاستخدام. سجّل القيود المرتبطة بالطلب وظروف الوقود وطرح الحرارة ووضع التحكم. اعتبر ذلك إجراء تشغيل خاصًا بالموقع، لا بديلًا عن حدود الشركة المصنّعة.

استخدم أجهزة القياس المركبة ونقاط القياس المعتمدة. تتطلب اختبارات الاحتراق وضبط نظام الغاز والتحقق من الانبعاثات معدات مناسبة وموظفين مؤهلين. لا تتجاوز مطلقًا أي إيقاف وقائي لتوسيع نطاق التشغيل عند الحمل المنخفض.

اختر جدول التشغيل الذي يلائم احتياجات الكهرباء والحرارة معًا

يمكن لخزان تخزين حراري أن يفصل ساعات تشغيل نظام CHP عن ساعات استخدام الحرارة، لكنه لا يلغي متطلبات الحد الأدنى للحمل الكهربائي للمحرك. وتحدد سعته القابلة للاستخدام وحدود درجة حرارته وفواقده أثناء التوقف وأدوات التحكم في الشحن ما إذا كان يتيح فترات تشغيل مجدية.

عند وجود وحدات متعددة، قد يكون تشغيل عدد أقل من الآلات عند حمل مناسب أفضل من خفض حمل كل الآلات. أما عند وجود وحدة واحدة، فقد يكون التشغيل وفق جدول محدد أفضل من تعديل الحمل باستمرار. خذ في الحسبان عدد مرات التشغيل المسموح بها ومتطلبات الإحماء وآثار الصيانة؛ فالتشغيل والإيقاف المتكرران ليسا تحسينًا تلقائيًا.

متى لا يكون التشغيل المستقر هو الخيار المناسب؟

قيّم تكلفة الوقود مقارنةً بقيمة صافي الكهرباء وقيمة الحرارة المفيدة عند نقطة التشغيل المقصودة. أدرج استهلاك الأنظمة المساعدة وقيود تصدير الكهرباء ومخصصات الصيانة وتكلفة الحرارة البديلة أو كهرباء الشبكة. ولا ينبغي احتساب الحرارة المطروحة عبر مبرد بالقيمة الاقتصادية نفسها للحرارة التي تحل محل وقود الغلاية.

يُعد استمرار الإخفاق في الإشعال أو تذبذب السرعة أو درجات الحرارة غير الطبيعية أو إنذارات الانبعاثات أو تكرار حالات التوقف الوقائي أسبابًا لمغادرة نقطة التشغيل المشكوك فيها باتباع الإجراء المعتمد والتحقق من السبب. وحتى في غياب الإنذارات، قد يبرر انخفاض توصيل الحرارة المفيدة أو الاستهلاك المفرط للوقود اختيار جدول تشغيل مختلف. الحد الأدنى المقبول هو نقطة التشغيل التي تظل معتمدة من الشركة المصنّعة ومستقرة ومتوافقة مع متطلبات الانبعاثات حيثما ينطبق ذلك ومجدية للموقع، لا مجرد أدنى إعداد بوحدة kW يقبله نظام التحكم.