متى تكون مجموعات مولدات الغاز مناسبة للتوليد المشترك للحرارة والطاقة

تُعد مجموعات مولدات الغاز مناسبة للتوليد المشترك للحرارة والطاقة عندما يحدث الطلب على الكهرباء والطلب على الحرارة المفيدة في الموقع نفسه ولساعات كافية تبرر تشغيل المحرك بشكل مستمر. فالخرج الكهربائي ليس سوى جزء من القيمة. يلتقط نظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة الحرارة من دوائر تبريد المحرك وغازات العادم، ثم ينقلها إلى الماء الساخن أو مياه العمليات أو تدفئة المساحات أو التجفيف أو أي حمل حراري محلي آخر. وعندما تكون هذه الحرارة مطلوبة بالفعل أثناء تشغيل المولد، يصبح الوقود الذي كان سيُفقد لولا ذلك عبر المشعات ومعدات العادم مصدراً منتجاً للطاقة.

نادراً ما تُحدَّد أفضل فرص التوليد المشترك للحرارة والطاقة من خلال فاتورة مرافق مرتفعة واحدة. بل تُحدَّد من خلال تداخل مستقر: يحتاج الموقع إلى الطاقة، ويحتاج إلى حرارة بدرجة حرارة قابلة للاستخدام، ويمكنه استخدام كليهما في الوقت نفسه تقريباً. وغالباً ما تكون المنشآت ذات تدوير الماء الساخن المستمر، أو عمليات الغسل، أو تسخين العمليات بدرجات حرارة منخفضة أو متوسطة، أو الطلب على الماء الساخن الصحي على مدار العام، ذات خصائص أوضح للتوليد المشترك للحرارة والطاقة من المواقع التي لا يظهر فيها الحمل الحراري إلا خلال موسم تدفئة قصير.

ابدأ بالحمل الحراري، وليس بقدرة المولد

من الأخطاء الشائعة في المراحل المبكرة تحديد حجم مولد الغاز بناءً على ذروة الطلب الكهربائي واعتبار الحرارة المستردة فائدة إضافية. وقد يؤدي هذا النهج إلى تشغيل المحرك في وقت لا توجد فيه وجهة لاستخدام الحرارة. وتقلل الحرارة المهدرة من الميزة العملية للتوليد المشترك للحرارة والطاقة، وقد تفرض التشغيل بالحمل الجزئي أو التدوير أو استخدام معدات غير ضرورية لتصريف الحرارة.

بدلاً من ذلك، أنشئ تصوراً للحمل الحراري بالساعة قبل اختيار قدرة التوليد. وافصل الطلب على الحرارة بحسب درجة الحرارة والغرض. فالمياه المطلوبة بدرجة حرارة معتدلة للتنظيف أو التسخين المسبق أو التوزيع المائي تختلف عن الطلب على البخار أو عملية تتطلب درجة حرارة تغذية أعلى بكثير. ويمكن لاسترداد مياه غلاف المحرك أن يخدم العديد من المهام ذات درجات الحرارة المنخفضة مباشرة، بينما يتطلب استرداد حرارة العادم غالباً مبادلاً حرارياً وأنظمة تحكم مصممة بعناية لمطابقة درجة حرارة التسليم المطلوبة.

كما تؤثر الموسمية في الإجابة. فقد يبدو مبنى ذو طلب كبير على التدفئة في الشتاء جذاباً على مخطط الاستهلاك السنوي للغاز، إلا أن وحدة التوليد المشترك للحرارة والطاقة قد يكون استخدامها محدوداً في الأشهر الدافئة. وعلى النقيض، قد يمتلك موقع عمليات ذو مياه غسيل مستقرة أو تدفئة للإنتاج حملاً أقصى أصغر، لكن باستفادة حرارية أفضل على مدار العام. ويمكن للتخزين الحراري أن يخفف حالات عدم التطابق القصيرة، لكنه لا يستطيع حل فترة طويلة لا تجد فيها الحرارة المستردة وجهة مفيدة.

عندما يدعم نمط التشغيل التوليد المشترك للحرارة والطاقة

تُعد مجموعات مولدات الغاز ملائمة للتوليد المشترك للحرارة والطاقة عندما تتيح ساعات التشغيل الطويلة والأحمال المتوقعة تشغيل المحرك والمولد الكهربائي ودائرة استرداد الحرارة والواجهة الكهربائية كنظام منسق. ويكون تحسين التشغيل المستمر أو المنتظم وفق جدول أسهل من عمليات البدء القصيرة وغير المنتظمة. ويمكن أن يقلل التشغيل المتكرر بالإيقاف والتشغيل من الوقت المتاح لاسترداد الطاقة، كما يزيد من أهمية التسلسل والإحماء والتبريد وتخطيط الصيانة.

ينبغي دراسة الطلب الكهربائي بما يتجاوز الإجمالي الشهري. راجع الحمل الأساسي والذروات اليومية وبدء تشغيل المحركات الكبيرة ومتطلبات القدرة غير الفعالة وأي حمل لا يمكنه تحمل انقطاع التحويل. وقد لا يكون المولد المصنف لخرج محدد مناسباً رغم ذلك إذا كان حمل الموقع المعتاد أقل بكثير من نطاق التشغيل المقصود، أو إذا كان حمل متقطع واحد يدفع الوحدة مراراً نحو حدها الأقصى. وقد يكون تشغيل عدة وحدات أصغر على التوازي أفضل عندما تتغير الأحمال الكهربائية والحرارية بشكل حاد، إذ يمكن تدرج القدرة بدلاً من إجبار محرك كبير واحد على العمل بكفاءة منخفضة.

يستحق توفر الوقود اهتماماً مماثلاً. يجب التحقق من ضغط إمداد الغاز الطبيعي، وتغيرات الضغط المسموح بها، وجودة الغاز، وترتيبات القياس، والسعة في المنبع عند نقطة توصيل الحزمة. فالإمداد الكافي للغلايات لا يكون كافياً تلقائياً للمحرك عند تغيرات الأحمال السريعة. وينبغي النظر في معالجة الوقود والترشيح وتنظيم الضغط وترتيبات الإغلاق كجزء من نطاق التوليد المشترك للحرارة والطاقة، بدلاً من تركها كتفاصيل متأخرة لأعمال الأنابيب.

يجب تصميم المرونة الكهربائية والاستخدام الحراري معاً

يمكن أن يدعم التوليد المشترك للحرارة والطاقة المرونة التشغيلية، لكن سلوكه أثناء اضطراب شبكة المرافق يعتمد على لوحات المفاتيح وفلسفة الحماية وأجهزة التحكم في المولد والأحمال المقصود إبقاؤها مزودة بالطاقة. وتتطلب الوحدة المتصلة على التوازي مع الشبكة استجابة محددة عند فقدان الشبكة. تحتاج بعض التطبيقات إلى انتقال محكوم إلى التشغيل المعزول؛ بينما صُممت تطبيقات أخرى للتوليد بالتوازي مع الشبكة فقط ويجب فصلها. ويجب أن يظل نظام استرداد الحرارة آمناً أيضاً أثناء حدث كهربائي، خصوصاً عندما تعتمد مضخات التدوير والصمامات ومعدات تصريف الحرارة على الطاقة.

ينبغي تحديد الأحمال الحرجة بحسب تسلسل تشغيلها الفعلي. فقد تختلف المضخات والتهوية وأجهزة التحكم والتبريد والضواغط ومعدات العمليات في تيارات البدء وأولويات إعادة التشغيل. ولا يكفي جمع قدرة لوحات بياناتها. يجب أن يأخذ التصميم الكهربائي في الحسبان بدء تشغيل المحركات والأحمال المولدة للتوافقيات ومستويات الأعطال ومتطلبات المزامنة وتنسيق الحماية. وعلى الجانب الحراري، ينبغي أن تحافظ المضخات على تدفق كافٍ عبر دائرة الاسترداد، وأن تتجنب صمامات التحكم تغيرات التدفق المفاجئة التي تؤدي إلى عدم استقرار درجات حرارة المخرج.

يمكن للترتيب داخل حاوية أن يبسّط تكامل الموقع عندما تكون المساحة أو التعرض للعوامل الجوية أو وقت التركيب محدوداً، لكنه لا يلغي متطلبات الأعمال المدنية والوصول. على سبيل المثال، يتمتع مولد غاز داخل حاوية بقدرة 250kW بقدرة 250 kW، وخرج 230/400 V و50 Hz، وأبعاد 4800 x 1900 x 2910 mm. ويجب مراجعة هذه التفاصيل إلى جانب إمكانية الوصول للرفع، وأحمال الأساسات، ومسارات الكابلات، ومسار أنابيب الغاز، وتصريف العادم، ومسارات هواء الاحتراق، والتهوية، ومساحة الصيانة. فقد يكون من السهل وضع حاوية ضمن مساحة الموقع من الناحية المادية، لكن قد تكون صيانتها صعبة إذا تعذر الوصول الآمن إلى الأبواب أو المشعات أو المرشحات أو المبادلات الحرارية.

استرداد الحرارة مشروع واجهات تكامل

تُعد حزمة المحرك مجرد حد واحد ضمن محطة توليد مشترك للحرارة والطاقة. وينجح المشروع أو يفشل عند الواجهات بين المولد والمبادلات الحرارية وخزان الموازنة ومضخات التوزيع وحلقة المبنى أو العمليات ولوحات المفاتيح ومنظومة الوقود ونظام التحكم. ويمنع تحديد مسؤولية هذه الواجهات مبكراً مشكلة مألوفة: يتم تشغيل المولد تجريبياً ويصبح الخرج الكهربائي متاحاً، لكن الدائرة الحرارية تكون غير مكتملة أو غير قادرة على استقبال الحرارة المستردة.

• حدد المستهلك الحراري: سجل التدفق المطلوب ودرجة حرارة الرجوع وساعات التشغيل والحد الأدنى المقبول من مدخلات الحرارة والفترات التي يختفي فيها الحمل.
• احمِ دائرة المحرك: استخدم ترتيبات فصل أو تحكم مناسبة عندما تختلف جودة مياه العمليات أو الإضافات أو الضغط أو مخاطر التلوث عن حلقة تبريد المحرك.
• خطط للحرارة المهدرة: قد يكون المشع أو مسار تصريف بديل ضرورياً للتشغيل التجريبي وفترات الطلب المنخفض وحالات الأعطال. وينبغي تحديد حجمه وفقاً لمهمته الفعلية، لا بافتراض أنه وضع تشغيل دائم.
• نسّق أنظمة التحكم: يجب أن تكون الأحمال الكهربائية والطلب على الحرارة وحالة المضخات وموضع الصمامات ودرجة حرارة المحرك والإنذارات ظاهرة ضمن منطق تشغيل مشترك. ويجب ألا يخلق استرداد الحرارة حالة تفرض إيقافاً غير آمن للمحرك أو حدثاً لارتفاع حرارته.

تكتسب جودة التحكم أهمية خاصة مع المحركات ذات الاحتراق الفقير. يدعم التحكم المغلق الحلقة في الوقود والتنظيم الإلكتروني للسرعة توليداً مستقراً، لكن أنظمة التحكم على مستوى الموقع لا تزال بحاجة إلى تجنب تقلبات الأحمال السريعة وإجراءات الصمامات الحرارية سيئة التوقيت. ويمكن لحلقة استرداد الحرارة التي تفتح وتغلق بشكل مفاجئ أن تسبب عدم استقرار في درجات الحرارة حتى عندما يعمل المولد نفسه بصورة طبيعية.

الجدوى الاقتصادية تنتج عن توافق الاستخدام

المقارنة ذات الصلة ليست مجرد تكلفة الغاز مقابل تكلفة الكهرباء من الشبكة. تعتمد اقتصاديات التوليد المشترك للحرارة والطاقة على قيمة الكهرباء المنتجة في الموقع والوقود المستهلك وقيمة الحرارة المستردة التي تحل محل وقود أو مصدر طاقة آخر والتزامات الصيانة والساعات التي يكون فيها كلا المخرجين قابلاً للاستخدام. فالحرارة التي تُصرف لها قيمة اقتصادية ضئيلة، في حين أن الحرارة التي تحل محل حمل غلاية خلال وقت التشغيل الكهربائي المعتاد للمولد يمكن أن تغير جدوى المشروع بصورة ملموسة.

استخدم افتراضات تشغيل واقعية بدلاً من متوسط سنوي واحد. صمّم نموذجاً لأيام الأسبوع وعطلات نهاية الأسبوع بشكل منفصل عندما يختلف الطلب. وأدرج إيقافات الإنتاج المخططة وتأثيرات درجة الحرارة المحيطة على التهوية والتبريد وفترات الصيانة المتوقعة والفترات التي يكون فيها الطلب الحراري في أدنى مستوياته. ويمكن لمشروع ذي طلب ذروة متواضع وتوافق قوي مع الحمل الأساسي أن يكون أكثر عملية من مشروع ذي ذروات مثيرة للإعجاب وفترات خمول طويلة.

ينبغي اعتبار الصيانة قيداً تشغيلياً لا فكرة لاحقة. تؤثر فترات صيانة المحرك وإدارة الزيت وفحص نظام الإشعال والمرشحات وحالة مياه التبريد وتنظيف المبادل الحراري في جانب العادم وصيانة الصمامات أو المضخات جميعها في الإتاحة. وينبغي تصميم النظام الحراري بحيث تستمر خدمة الحرارة الأساسية عبر مصدر بديل أثناء الصيانة المخططة للمولد. وبالمثل، يجب أن يتضمن النظام الكهربائي ترتيباً محدداً للتغذية من الشبكة أو التوليد الاحتياطي عندما تكون وحدة التوليد المشترك للحرارة والطاقة غير متاحة.

يكون مشروع التوليد المشترك للحرارة والطاقة بالوقود الغازي أكثر قابلية للتبرير عندما يُعامل كنظام متوافق للطاقة والحرارة بدءاً من دراسة الأحمال الأولى وحتى التشغيل التجريبي. ويتميز التركيب المناسب باستخدام مستدام للحرارة المستردة، ونمط أحمال يحافظ على تشغيل المولد بصورة منتجة، وظروف وقود وموقع تدعم التشغيل الموثوق، وواجهات مصممة بالقدر نفسه من العناية الذي صُممت به حزمة التوليد ذاتها.