هل يمكن لوحدة التوليد المشترك للحرارة والكهرباء (CHP) بالغاز الطبيعي بقدرة 18–150 kW توفير الماء الساخن للعمليات الصناعية؟

نعم—يمكن لوحدة CHP تعمل بالغاز الطبيعي بقدرة 18-150kW توفير ماء ساخن للعمليات من خلال استعادة حرارة مياه تبريد المحرك وحرارة العادم. من المهم التحقق من ذلك: فالقدرة الكهربائية وحدها لا تحدد مقدار الحرارة القابلة للاستخدام التي يمكن للوحدة توفيرها، ولا درجة حرارتها أو مدة توفيرها. وقد لا يكون النظام الذي يؤدي جيدًا في التسخين المسبق المستمر لمياه الغسيل مناسبًا لدفعات إنتاج قصيرة وعالية الحرارة.

بالنسبة إلى المقيمين الفنيين، يبدأ القرار بثلاثة متطلبات للعملية: درجة حرارة الإمداد، ومعدل تدفق المياه، وجدول التشغيل. ويجب مطابقة هذه المتطلبات مع أداء استعادة الحرارة الذي تم التحقق منه، لا مع القدرة الاسمية للمولد فحسب. والهدف هو توفير حرارة موثوقة للعملية من دون التأثير سلبًا في تبريد المحرك أو التشغيل الكهربائي أو استمرارية الإنتاج.

ابدأ بمتطلبات الماء الساخن، لا بحجم المولد

يشير نطاق 18–150 kW عادةً إلى القدرة الكهربائية؛ لذا تحقق مما إذا كان المورد يذكر إجمالي خرج المولد أم صافي الخرج بعد احتساب الأحمال المساعدة للوحدة. أما القدرة الحرارية فهي مواصفة منفصلة. فقد تختلف المحركات ذات القدرات الكهربائية المتقاربة في كمية الحرارة القابلة للاستعادة، وترتيبات التبريد، ودرجات حرارة التشغيل المسموح بها.

لحساب متطلبات تسخين المياه، تُستخدم المعادلة الأساسية التالية:

القدرة الحرارية المطلوبة (kW) = معدل تدفق كتلة الماء (kg/s) × 4.18 × ارتفاع درجة الحرارة (°C)

على سبيل المثال، يتطلب تسخين 2 m³/h من الماء من 20°C إلى 70°C قدرة حرارية تقارب 116 kW، بافتراض أن كثافة الماء تقارب 1,000 kg/m³. وهذا يمثل الحمل الحراري على جانب الماء فقط؛ ويجب تقييم فاقد الأنابيب وفاقد التخزين وهوامش التصميم بشكل منفصل. ولا يعني ذلك أن مولدًا بقدرة كهربائية 116 kW سيوفر بالضبط هذه الكمية من الحرارة القابلة للاستعادة.

ميّز بين تسخين المياه العذبة وإعادة التدوير. فلدائرة عملية يعود الماء فيها عند 60°C ويُمد عند 70°C متطلبات مختلفة عن تدفق مماثل من الماء الوارد الذي يُسخّن من 20°C. وقد يؤدي الخلط بين معدل تدفق التدوير واستهلاك المياه العذبة إلى تشويه اختيار المعدات بدرجة كبيرة.

ما مصادر الحرارة المستعادة التي يمكن أن تبلغ درجة الحرارة المطلوبة؟

يوفر نظام CHP بمحرك يعمل بالغاز عادةً مصدرين رئيسيين للحرارة. وتختلف درجات حرارتهما وقيود تشغيلهما، لذلك لا ينبغي التعامل معهما على أنهما سعة حرارية قابلة للاستبدال فيما بينها.

تعمل بعض تصاميم CHP للمحركات بدوائر مياه تبريد غلاف المحرك عند درجات تقارب 80–90°C، لكن هذا نطاق هندسي استرشادي، وليس مواصفة لوحدة بعينها. ويجب أن تبقى مياه العملية التي تُسخّن عبر مبادل حراري أقل من درجة حرارة الجانب الساخن بهامش اقتراب عملي. لذلك لا يمكن ضمان إمداد العملية عند 85°C تلقائيًا من دائرة سائل تبريد عند 85°C.

قد تتيح استعادة حرارة العادم رفع درجة الحرارة أكثر. لكن ارتفاع حرارة العادم لا يعني إنتاجًا غير محدود للماء الساخن. ويجب على المورد إثبات القدرة الحرارية عند درجتي حرارة الدخول والخروج المطلوبتين للعملية، مع الالتزام بحدود المحرك والمبادل الحراري.

درجة حرارة الرجوع مهمة بقدر أهمية درجة حرارة الإمداد. فارتفاع درجة حرارة رجوع العملية يقلل فرق الحرارة المتاح للاستعادة. اطلب بيانات الأداء الحراري عند ظروف الرجوع الفعلية لديك، بدلًا من قبول قيمة خرج حراري قِيست باستخدام ماء دخول أبرد بكثير.

قيّم وحدة CHP تعمل بالغاز الطبيعي بقدرة 18-150kW على امتداد يوم التشغيل

لا يجيب تصنيف القدرة الحرارية عند الحمل الكامل إلا عن سؤال واحد يتعلق بالتشغيل. فنادرًا ما تحافظ المنشآت على طلب ثابت تمامًا على الكهرباء والحرارة، وقد لا يرتفع هذا الطلب وينخفض بالتزامن.

إذا اتبع المولد حمل الكهرباء في الموقع، فسيتغير إنتاج الحرارة تبعًا لحمل المحرك. وإذا اتبع الطلب الحراري، فيجب أن يكون الموقع قادرًا على استهلاك الكهرباء الناتجة أو تصديرها وفق قواعد الربط بالشبكة المعمول بها. ولا ينبغي افتراض أي من الاستراتيجيتين قبل التحقق من التوصيل الكهربائي وجدول العملية.

اطلب بيانات الأداء الكهربائي والحراري القابل للاستعادة عند عدة نقاط تشغيل ضمن نطاق الحمل المسموح به. ويجب أن تشمل استهلاك الوقود والطاقة المساعدة ودرجات حرارة الماء الساخن والظروف المحيطة. لا تفترض أن القدرة الحرارية تنخفض بنسبة مباشرة مع القدرة الكهربائية؛ إذ يتغير توزيع الحرارة والكفاءة مع الحمل.

من المفيد إجراء فحص أولي برسم العناصر التالية على المحور الزمني نفسه:

• الطلب الكهربائي للموقع وأي قيود على تصدير الكهرباء.
• طلب العملية على الحرارة، بما في ذلك دورات بدء التشغيل والتنظيف.
• درجة حرارة الإمداد المطلوبة ودرجة حرارة الرجوع المتوقعة.
• توقفات الإنتاج وأعمال الصيانة المخطط لها للمحرك.

تتميز التطبيقات الأكثر ملاءمة بتداخل كبير بين الطلب الكهربائي والطلب على الحرارة المفيدة. وقد يؤدي اختيار وحدة أكبر لتلبية ذروة تدفئة قصيرة إلى طرح الحرارة أو تشغيل الوحدة بكفاءة منخفضة خلال جزء كبير من اليوم.

صمّم نظامًا للماء الساخن، لا مجرد وصلة لاستعادة الحرارة

في كثير من تطبيقات العمليات، ينبغي فصل دائرة سائل تبريد المحرك هيدروليكيًا عن دائرة مياه العملية باستخدام مبادل حراري مختار على النحو المناسب. ويحمي ذلك خصائص سائل التبريد، ويبسط إدارة الضغط، ويحد من مخاطر التلوث. وقد تتطلب التطبيقات الحساسة للنظافة تدابير فصل إضافية بموجب المعايير ذات الصلة.

ينبغي أن يشمل تصميم الدمج المضخات وأوعية التمدد وإزالة الهواء ومعالجة المياه والعزل وأجهزة القياس والحماية من الضغط. ويجب أن تحافظ صمامات التحكم على درجات حرارة المحرك ضمن الحدود المقبولة، مع تنظيم إمداد حرارة العملية. ويجب ألا تؤدي استعادة الحرارة في نظام CHP أبدًا إلى إضعاف قدرة المحرك على التبريد بأمان.

يمكن لخزان الموازنة تخفيف الفروق قصيرة الأمد بين إنتاج الحرارة واستهلاكها، لكنه لا يعوض إلى أجل غير مسمى عن وحدة أصغر من المطلوب. حدّد حجم التخزين بناءً على عجز الطاقة والتغير المسموح به في درجة الحرارة، بدلًا من اختيار سعة الخزان بالتخمين.

لنفترض أن عملية تحتاج إلى 50 kW إضافية لمدة 30 دقيقة: يبلغ العجز 25 kWh. وتخزن كمية مياه مثالية قدرها 1 m³، مع تغير قابل للاستخدام في درجة الحرارة بمقدار 20°C، نحو 23 kWh. أما سعة التخزين القابلة للاستخدام فعليًا فستكون أقل أو ستخضع لقيود أخرى بسبب الفواقد والخلط والتطبق ودرجة حرارة الإمداد الدنيا المقبولة.

بالنسبة إلى الماء الساخن الضروري للإنتاج، احتفظ بسخان احتياطي أو سخان تشذيب ذي سعة مناسبة. ويمكنه تغطية فترات توقف المحرك وبدء التشغيل على البارد وذروات الطلب ودرجات الحرارة التي تتجاوز قدرة دائرة الاستعادة. وعندما يتعين استمرار توليد الكهرباء دون وجود طلب على الحرارة، يجب توفير مسار مناسب لتصريف الحرارة.

تحقق من مسار العادم بالكامل

يجب تقييم مبادل استعادة حرارة العادم بالتزامن مع كواتم الصوت والأنابيب وأي معدات لمكافحة الانبعاثات. وتُعدمعدات معالجة العادم من AMICO ذات صلة بواجهة معالجة الغاز هذه، إلا أن ملاءمتها وتكوينها يتطلبان تأكيدًا خاصًا بالتطبيق.

اطلب حساب فاقد الضغط الإجمالي للعادم وظروف درجات الحرارة المطلوبة لأي مكونات لمكافحة الانبعاثات. فقد يؤثر موضع المعدات في كل من استعادة الحرارة وأداء الانبعاثات. كما ينبغي الاهتمام بإدارة المكثفات واختيار المواد عند التفكير في درجات حرارة عادم منخفضة.

ما الذي ينبغي طلبه قبل اعتماد عرض المورد؟

تجمع AMICO Gas Power Co., Ltd. بين تصنيع معدات الطاقة بالغاز وتطوير الطاقة الموزعة وتقنيات التحكم. وبالنسبة إلى المُقيّم، يُعد هذا سببًا لطلب عرض متكامل للمحرك واستعادة الحرارة وأنظمة التحكم، لا لافتراض قدرة معينة على توفير الماء الساخن من دون بيانات داعمة.

ينبغي أن يتضمن العرض الجاهز لاتخاذ القرار ما يلي:

• الأداء الاسمي وأداء الحمل الجزئي: صافي الخرج الكهربائي، ومدخل الوقود مع بيان أساس القيمة الحرارية، والخرج الحراري القابل للاستعادة بحسب المصدر.
• ظروف حرارية محددة: معدل التدفق المضمون، ودرجتا حرارة الإمداد والرجوع، وحدود سائل التبريد، ودرجات حرارة الاقتراب في المبادل الحراري.
• تخفيض الأداء وفق ظروف الموقع: آثار الارتفاع عن سطح البحر ودرجة الحرارة المحيطة وتركيب الغاز الطبيعي وضغطه المحددين.
• وثائق الدمج: المخطط الهيدروليكي، وحساب فاقد ضغط العادم، وتسلسل التحكم، ومسؤوليات الواجهات.
• متطلبات التشغيل: سلوك بدء التشغيل، والحد الأدنى للحمل المسموح به، واحتياجات الصيانة، والتدفئة الاحتياطية، وتصريف الحرارة.
• معايير القبول: طريقة اختبار تؤكد الأداء الكهربائي والحراري القابل للاستخدام في الوقت نفسه، وفق الظروف المتفق عليها.

كن حذرًا عند تقييم قيمة «الكفاءة الإجمالية» المعلنة. فهي لا تكون ذات معنى إلا عند وضوح أساس احتساب الوقود واستهلاك الطاقة المساعدة وظروف الحرارة القابلة للاستعادة. ولا ينبغي احتساب الحرارة التي لا تستطيع العملية استيعابها عند درجة الحرارة المطلوبة كطاقة مفيدة في اقتصاديات المشروع.

الخلاصة العملية للاختيار

تُعد وحدة CHP تعمل بالغاز الطبيعي بقدرة 18–150 kW خيارًا مناسبًا لتوفير الماء الساخن للعمليات عندما تتوافق القدرة الحرارية التي تم التحقق منها مع طلب مستمر ودرجات حرارة ملائمة. ويكون التوافق عادةً أسهل مع التسخين المسبق المستمر ودوائر الماء الساخن الثابتة منه مع متطلبات متقطعة وعالية الحرارة.

غالبًا لا تكون الوحدة الأنسب هي التي تغطي كل ذروة تدفئة، بل التي تلبي حملًا أساسيًا محددًا بوضوح، وتتكامل بأمان مع المنشأة، وتعمل إلى جانب التخزين أو التدفئة الاحتياطية عند الحاجة. اعتمد النظام بناءً على الأداء المضمون على جانب الماء والتوافق التشغيلي، لا على القدرة الكهربائية وحدها.