تعمل محطات طاقة التوربينات الغازية على مبدأ دورة Brayton ، وهي عملية ديناميكية حرارية تحول طاقة الوقود إلى طاقة ميكانيكية ، والتي تتحول بعد ذلك إلى طاقة كهربائية. تتضمن العملية عدة مراحل رئيسية:
كمية الهواء وضغطه
تبدأ العملية بتناول الهواء المحيط ، والذي يتم رسمه في قسم الضاغط في التوربين. يضغط الضاغط ، الذي غالبًا ما يكون جهاز محوري أو طرد مركزي متعدد المراحل ، على مستوى عالٍ-بشكل كبير من 10 إلى 30 ضعف ضغطه الأصلي. ثم يتم توجيه هذا الهواء المضغوط إلى غرفة الاحتراق.
يتم خلط الاحتراق
في غرفة الاحتراق ، والغاز الطبيعي (أو وقود آخر) مع الهواء المضغوط وإشعاله. تولد عملية الاحتراق غازات درجات حرارة عالية للغاية ، حيث تصل إلى درجات حرارة تصل إلى 1500 درجة مئوية (2،732 درجة فهرنهايت). تتوسع هذه الغازات الساخنة بسرعة ، مما يخلق طاقة عالية الضغط.
التوسع من خلال التوربينات ،
يتم توجيه الغازات ذات درجة الحرارة العالية من خلال شفرات التوربينات. مع توسيع الغازات وتبرد ، تدور شفرات التوربينات ، وتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. يتم توصيل التوربينات بمولد عبر رمح ، يدور المولد لإنتاج الكهرباء.
استرداد العادم والحرارة (اختياري)
في محطات طاقة التوربينات الغازية للدورة البسيطة ، يتم إطلاق غازات العادم في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، في محطات الطاقة المجمعة للدورة ، يلتقط مولد بخار استرداد الحرارة (HRSG) حرارة النفايات من العادم. يتم استخدام هذه الحرارة لإنتاج البخار ، مما يدفع التوربينات البخارية الثانوية ، مما يزيد من الكفاءة. هذه هي السمة الرئيسية لمحطات توليد الطاقة الحديثة ، مما يعزز بشكل كبير إجمالي إنتاج الطاقة.
تكون العملية برمتها فعالة للغاية ، خاصة في تكوينات الدورة المشتركة ، حيث يمكن أن تصل الكفاءة الإجمالية إلى 60 ٪ ، مما يتجاوز بكثير محطات الطاقة التقليدية التي تعمل بالفحم.
يمكن تصنيف محطات طاقة التوربينات الغازية إلى نوعين رئيسيين استنادًا إلى تصميمها والكفاءة التشغيلية: محطات طاقة دورة بسيطة ومجتمعة.
تعد محطات الطاقة في الدورة البسيطة ، والمعروفة أيضًا باسم محطات الدورة المفتوحة ، من أشكال توليد طاقة التوربينات الغازية. وهي تتكون من ضاغط ، وغرفة احتراق ، وتوربينات ، مع تفريغ غازات العادم مباشرة في الغلاف الجوي.
الميزات الرئيسية:
التكلفة الأولية المنخفضة: مصانع الدورة البسيطة أقل تكلفة للبناء مقارنةً بنباتات الدورة المشتركة.
بدء التشغيل بشكل أسرع: يمكن أن تصل إلى الطاقة الكاملة في دقائق ، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الطاقة الذروة (توفير الكهرباء خلال فترات الذروة للطلب).
كفاءة أقل: عادةً ما يحققون كفاءة تبلغ حوالي 30-40 ٪ ، لأنها لا تسترد حرارة النفايات.
حالات الاستخدام:
غالبًا ما تستخدم محطات طاقة غاز الدورة البسيطة في المناطق التي يتقلب فيها الطلب على الكهرباء بشكل كبير ، كما هو الحال خلال أيام الصيف الحارة عند طفرات الطلب على تكييف الهواء. كما أنها تعمل في المناطق النائية حيث يكون اتصال الشبكة أمرًا صعبًا.
تتحسن محطات طاقة التوربينات الغازية المجمعة عند تصميم الدورة البسيطة عن طريق التقاط حرارة النفايات من غازات العادم واستخدامها لتوليد الكهرباء الإضافية. يتم تحقيق ذلك من خلال مولد بخار استرداد الحرارة (HRSG) وتوربينات البخار.
الميزات الرئيسية:
كفاءة أعلى: يمكن لمحطات الدورة المشتركة تحقيق كفاءة من 50 إلى 60 ٪ ، مما يجعلها واحدة من أكثر أشكال توليد الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري كفاءة.
انبعاثات أقل: نظرًا لأنها تستخدم كميات أقل من الوقود لكل وحدة من محطات الكهرباء التي تم إنشاؤها ، تنتج محطات الدورة مجتمعة انبعاثات غازات الدفيئة مقارنة بالنباتات التي تعمل بالفحم.
مرونة أكبر: يمكنهم ضبط الإخراج بناءً على الطلب ، مما يجعلها مناسبة لكل من سلطة BaseLoad و Cainking.
حالات الاستخدام:
تستخدم محطات طاقة غاز الدورة المجمعة على نطاق واسع في البلدان المتقدمة حيث يكون استقرار الشبكة وكفاءته أمرًا بالغ الأهمية. فهي فعالة بشكل خاص في المناطق التي لديها إمدادات غاز طبيعي وفيرة ، مثل الولايات المتحدة وأوروبا وأجزاء من آسيا.
جدول المقارنة: محطات طاقة غاز الدورة المدمجة للدورة المشتركة
| ميزة | محطة طاقة غاز الغاز في الدورة البسيطة | محطة طاقة غاز دورة الدورة |
|---|---|---|
| كفاءة | 30-40 ٪ | 50-60 ٪ |
| التكلفة الأولية | أدنى | أعلى |
| وقت بدء التشغيل | أسرع (دقائق) | أبطأ (ساعات) |
| الانبعاثات | أعلى لكل وحدة من الطاقة | أقل لكل وحدة من الطاقة |
| أفضل حالة استخدام | قوة الذروة ، المناطق النائية | قوة باسيلوا ، شبكات عالية الطلب |
توفر محطات توليد التوربينات الغازية عدة مزايا على أشكال أخرى من توليد الطاقة ، وخاصة من حيث الكفاءة والتأثير البيئي والمرونة التشغيلية.
كما ذكرنا ، يمكن لمحطات الدورة المشتركة طاقة غاز تحقيق كفاءة تصل إلى 60 ٪ ، وهي أعلى بكثير من النباتات التي تعمل بالفحم (حوالي 33-40 ٪). يتم تحقيق هذه الكفاءة عن طريق التقاط وإعادة استخدام حرارة النفايات ، والتي يمكن أن تضيع في نبات دورة بسيطة.
انهيار الكفاءة:
توربينات الغاز (دورة برايتون): 30-40 ٪ الكفاءة.
التوربينات البخارية (دورة رانكين): كفاءة إضافية 20-30 ٪.
إجمالي الكفاءة المشتركة: ما يصل إلى 60 ٪.
هذه الكفاءة العالية تعني أن محطات توليد الطاقة في الغاز تستخدم وقودًا أقل لإنتاج نفس الكمية من الكهرباء ، مما يقلل من تكاليف التشغيل والتأثير البيئي.
الغاز الطبيعي يحرق أنظف من الفحم أو الزيت ، مما ينتج انبعاثات أقل بكثير عند استخدامها في محطات طاقة التوربينات الغازية. تشمل التخفيضات الرئيسية:
ثاني أكسيد الكربون (CO₂): ما يصل إلى 50 ٪ أقل من CO₂ لكل وحدة من الكهرباء مقارنة بالفحم.
أكاسيد النيتروجين (Nox): تستخدم توربينات الغاز الحديثة تقنيات الاحتراق المتقدمة لتقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين.
ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) والجسيمات المادة: صفر صفر تقريبًا والحد الأدنى من انبعاثات الجسيمات ، على عكس نباتات الفحم.
وهذا يجعل طاقة الغاز وقودًا انتقاليًا في التحرك نحو الطاقة المتجددة ، لأنه يساعد على تقليل انبعاثات الكربون لتوليد الكهرباء.
يمكن لمحطات طاقة التوربينات الغازية أن تتنافس أو لأسفل بسرعة استجابة للطلب على الشبكة. هذه المرونة مهمة لتحقيق التوازن بين مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية ، والتي هي متقطعة.
قوة الذروة: يمكن لمحطات الدورة البسيطة أن توفر الطاقة في غضون دقائق ، مما يجعلها مثالية للتعامل مع المسامير المفاجئة في الطلب.
طاقة BaseLoad: يمكن أن تعمل محطات الدورة مجتمعة بشكل مستمر ، مما يوفر طاقة مستقرة للشبكة.
على عكس محطات الطاقة البخارية التقليدية ، تتطلب توربينات الغاز ماء أقل بكثير للتبريد. تستخدم نباتات الدورة المجمعة حوالي 30-50 ٪ من الماء من النباتات التي تعمل بالفحم ، مما يجعلها أكثر استدامة في المناطق التي تدور حول المياه.
كانت تكلفة الغاز الطبيعي بشكل عام أقل وأكثر استقرارًا من الفحم أو النفط في السنوات الأخيرة ، مما يجعل طاقة الغاز جذابة اقتصاديًا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن انخفاض استهلاك الوقود في نباتات الدورة المشتركة يقلل من تكاليف التشغيل طويلة الأجل.
ومع ذلك ، هناك بعض التحديات:
الاعتماد على الغاز الطبيعي: يمكن أن تؤثر التقلبات في أسعار الغاز على الربحية.
تسرب الميثان: يمكن أن يؤدي استخراج الغاز الطبيعي والنقل إلى انبعاثات الميثان ، وهو غاز دفيئة قوي.
على الرغم من هذه المخاوف ، فإن التطورات في تكنولوجيا التوربينات الغازية واللوائح الأكثر صرامة تساعد على تخفيف هذه القضايا.
تلعب محطات توليد التوربينات الغازية دورًا حيويًا في أنظمة الطاقة الحديثة ، مما يوفر توازنًا بين الكفاءة والأداء البيئي والمرونة التشغيلية. سواء في تكوينات دورة بسيطة أو دورة مجمعة ، توفر هذه النباتات كهرباء موثوقة مع تقليل الانبعاثات مقارنة بالوقود الأحفوري التقليدي.
مع انتقال العالم نحو مستقبل منخفض الكربون ، من المحتمل أن تظل طاقة الغاز مكونًا رئيسيًا في مزيج الطاقة ، مما يكمل مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية. من خلال فهم كيفية عمل محطات الطاقة هذه ومزاياها ، يمكننا أن نقدر دورها بشكل أفضل في ضمان إمدادات طاقة مستقرة ومستدامة.
تولد محطة طاقة غاز في دورة بسيطة الكهرباء باستخدام توربينات غازية فقط ، بينما يضيف مصنع الدورة المدمجة مولدًا بخارًا للاسترداد الحراري وتوربينات بخارية لالتقاط حرارة النفايات ، مما يزيد من الكفاءة بشكل كبير.
تحقق محطات الدورة البسيطة كفاءة تتراوح بين 30 و 40 ٪ ، في حين يمكن أن تصل مصانع الدورة المشتركة إلى 60 ٪ ، مما يجعلها واحدة من أكثر أشكال توليد الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري كفاءة.
نعم ، تنتج محطات طاقة الغاز انبعاثات أقل بكثير (CO₂ ، Nox ، SO₂) مقارنة بنباتات الفحم. ومع ذلك ، فإن تسرب الميثان أثناء الاستخراج والنقل لا يزال مصدر قلق.
نعم ، يمكن أن تنفجر توربينات الغاز لأعلى أو لأسفل بسرعة ، مما يجعلها مثالية لموازنة مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الرياح والطاقة الشمسية.
من المتوقع أن تلعب طاقة الغاز دورًا انتقاليًا ، حيث سد الفجوة بين الوقود الأحفوري والمصلبات المتجددة. قد يؤدي التقدم في التقاط الكربون ومزج الهيدروجين إلى زيادة تعزيز استدامتها.
