فاعلية المحطات الشبه المشتركة الشمسية

فاعلية المحطات الشبه المشتركة الشمسية

د. حسين الربيعي

المعهد العالي للميكانيك والكهرباء / هون

ص. ب. : 61297 ، هون ، الجماهيرية الليبية

تم تقديم الورقة البحثية في المؤتمر الدولي الأردني الرابع للهندسة الميكانيكية ( JIMEC2001) ،

نقابة المهندسين الأردنيين ، للفترة 8 : 10 أكتوبر 2001  ، عمان ـ الأردن .

ملخص :

      إن الغاية الأساسية من هذه الدراسة هي بحث إمكانية تطوير التصميم الحراري لمحطات إنتاج الطاقة الكهربائية البخارية التقليدية للعمل بنظام شبه مشترك يتم فيه استغلال مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني في تجهيز كمية من الطاقة الحرارية للوحدة التربينية البخارية . وقد تم في البحث دراسة فاعلية تصاميم مختلفة لربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في التصميم الحراري للمحطة البخارية . وبصفة مقياس للفاعلية تم استخدام مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة لإنتاج الطاقة الكهربائية بالشبكة نتيجة لاستخدام مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية . وقد بينت نتائج الدراسة الفاعلية الاقتصادية والبيئية للتصاميم المقترحة . حيث بلغ مقدار التوفير الأدنى في كمية الوقود المستهلكة في الشبكة 177.5 ton/year لكل MW من الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية. وطبقا لذلك فإن مقدار الانخفاض في الطاقة الحرارية وكمية أكاسيد النتروجين المطروحة للوسط

المحيط 0.628 ton/year.MW , 5204 GJ/year.MW  .

1 ـ المقدمة :

      تعتبر الطاقة الكهربائية من الركائز الأساسية التي تقوم عليها النهضة العصرية بمختلف أشكالها والشريان الذي يغذي مختلف الأنشطة الاجتماعية والاقتصادية. وقد تركزت في السنوات الأخيرة معظم البحوث العلمية في مجال الطاقة حول وسائل ترشيد استهلاك المصادر التقليدية للطاقة والحفاظ على البيئة من مصادر التلوث  [ 1 , 2 ] . ونتج عن هذا التركيز استنباط وسائل وطرق متعددة لاستغلال المصادر الثانوية للطاقة ومصادر الطاقة الجديدة والمتجددة في إنتاج الطاقة الكهربائية . وتشير نتائج الدراسات الحديثة في مجال الطاقة الشمسية إلى فاعلية استخدام مصفوفات المجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني في إنتاج الطاقة الكهربائية والطاقة الحرارية اللازمة لبعض التطبيقات الصناعية

[ 3 ,4 ] . وكذلك بينت نتائج بعض الدراسات السابقة إمكانية زيادة الفاعلية الاقتصادية للمحطات الكهربائية الشمسية عن طريق تحقيق نظام مشترك لاشتغال هذه النوعية من المحطات على طاقة الإشعاع الشمسي والوقود التقليدي [ 2 , 3 ].

      وبناء على ما تقدم ولمواكبة حركة التقدم الصناعي والتطور التقني في مجال إنتاج الطاقة الكهربائية والإيفاء بالمتطلبات المستقبلية لاستهلاك المصادر التقليدية للطاقة والحفاظ على أدنى مستوى من التلوث للوسط المحيط سوف نتطرق في الدراسة الحالية إلى بحث فاعلية تطوير التصميم الحراري لمحطات إنتاج الطاقة الكهربائية البخارية التقليدية للعمل بنظام شيه مشترك يتم فيه استغلال مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني في تجهيز كمية من الطاقة الحرارية للوحدة التربينية البخارية . ومن الطبيعي في هذه الحالة لابد من الأخذ بعين الاعتبار تأثير الخواص والمواصفات التصميمية للوحدة التربينية البخارية والظروف المناخية وطبيعة الطقس في الموقع المدروس على فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية .

2 ـ التصميم الأساسي للمحطة البخارية :

      يتكون التصميم الأساسي للمحطة البخارية من مرجل بخاري بطاقة إنتاجية ( 338.26 ton/hr  ) ووحدة تربينية بخارية تكثيفية ذات محور واحد وقدرة تصميمية 120 MW . تعمل التربينة البخارية عند خواص ابتدائية للبخار

(To= 535 C ; Po= 128.47 bar   ) ومرحلة واحدة لعملية إعادة تسخين البخار في المرجل ( PRH= 29.87 bar  

 TRH= 535 C ;  ) كما هو موضح في الشكل ( 1 ).

      وتتكون التربينة البخارية من ثلاث اسطوانات ( HPT ; IPT ; LPT ) لتمدد البخار المجهز من المرجل

( TSB= 540 C ; PSB= 137.47 bar  ) وتتضمن ستة نقاط لاستنزاف البخار من هذه الاسطوانات لغرض التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية (  الجدول ( 1 )).

الجدول ( 1 ) خواص البخار عند نقاط الاستنزاف المختلفة من التربينة البخارية.

K	5	4	D	3	2	1	Point
0.05	0.70	2.15	4.87	9.43	16.23	29.87	P bar
34.80	108.81	211.05	296.25	381.90	460.22	329.34	T C

3 ـ التصاميم المدروسة للمحطة الشبه المشتركة الشمسية :

     التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية يتضمن مصفوفة مجمعات شمسية تركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني إضافة إلى الأجزاء السابقة الذكر في التصميم الأساسي للمحطة البخارية ( الفقرة 2 ). حيث يتم وفقا للتصميم المقترح استغلال مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في تجهيز كمية من الطاقة الحرارية للوحدة التربينية البخارية عن طريق منظومة التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية . مما يؤدي ذلك إلى هبوط كمية البخار المستنزفة من التربينة لغرض التسخين الاسترجاعي لميه التغذية . ومن ثم انخفاض معدل استهلاك الوقود للمرجل نتيجة لهبوط كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية. حيث تعتمد طريقة عمل التصميم المقترح في النظام الشبه المشترك على الخواص والمواصفات التصميمية للوحدة التربينية البخارية. لذلك تضمن موضوع الدراسة الطرق التالية لاشتغال المحطة في النظام الشبه المشترك :

ـ الطريقة الأولى ( في حالة وجود احتياطي على زيادة معدل تدفق البخار في المراحل الأخيرة من التربينة البخارية وكمية

                     الطاقة الكهربائية المنتجة للمولد ) :

   في هذه الطريقة تعمل الوحدة التربينية البخارية عند معدل التدفق التصميمي لكمية البخار المجهزة من المرجل

 ( Do = con.  ) ويتم داخل التربينة البخارية تمدد كمية البخار الغير مستنزفة لعملية التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية. مما يؤدي ذلك إلى زيادة معدل تدفق البخار إلى المكثف (  DK = var. ) وارتفاع كمية الطاقة الكهربائية المنتجة للتربينة البخارية (   NE = var.  ).

الشكل ( 1 ) التصميم الأساسي للمحطة البخارية.

ـ الطريقة الثانية ( في حالة عدم وجود احتياطي على زيادة الطاقة الكهربائية للمولد ):

   في هذه الطريقة يتم داخل التربينة البخارية تمدد كمية البخار الغير مستنزفة لعملية التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية

( DK = var.  ) . وبهذه الحالة للحفاظ على كمية ثابته للطاقة الكهربائية المنتجة ( NE = con.   ) للوحدة التربينية البخارية يتم تقليل كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية (  Do = var.    ) . مما يؤدي ذلك إلى هبوط معدل استهلاك الوقود للمرجل .

ـ الطريقة الثالثة ( في حالة عدم وجود احتياطي على زيادة معدل تدفق البخار في المراحل الأخيرة من التربينة البخارية ):

   في هذه الطريقة يتم تقليل كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية ( Do = var.  ) بمقدار أكبر من كمية البخار الغير مستنزفة لعملية التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية. وذلك للحفاظ على المعدل التصميمي لتدفق البخار في المرحلة الأخيرة من التربينة البخارية (  DK= con.  ). مما يؤدي ذلك إلى هبوط كمية الطاقة الكهربائية المنتجة ( NE = var. ) للوحدة التربينية البخارية وانخفاض معدل استهلاك الوقود للمرجل .

     مما تقدم يتبين إن فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية سوف تعتمد على طريقة ربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في التصميم الحراري للمحطة البخارية . هذا بالإضافة إلى المحددات التقنية لعمل المحطة في النظام الشبه المشترك الشمسي . لذلك تم في الدراسة الحالية اقتراح التصاميم التالية لربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في منظومة التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية :

1.3 ـ التصميم المدروس الأول :

        يتم وفقا للتصميم المقترح ( الشكل (2  ) ) ربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية بخزان نزع الهواء والغازات المذابة في مياه التغذية ( D ). وبذلك في حالة وجود الإشعاع الشمسي يتم تجهيز كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية إلى منظومة التسخين الإسترجاعي لمياه التغذية . مما يؤدي ذلك إلى هبوط كمية البخار المستنزفة من التربينة البخارية إلى خزان نزع الهواء والغازات المذابة . ومن ثم إما زيادة الطاقة الكهربائية المنتجة للوحدة التربينية البخارية في حالة الطريقة الأولى لاشتغال المحطة في النظام الشبه المشترك أو انخفاض كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية في حالة الطرق الأخرى لعمل المحطة الشبه المشتركة الشمسية . وبالتالي هبوط كمية الوقود المستهلكة إنتاج الطاقة الكهربائية.

الشكل ( 2 ) التصميم المدروس الأول لربط مصفوفة المجمعات الشمسية في المحطة البخارية .

      وبناء على ما تقدم سوف تعتمد كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية على الطاقة الحرارية المطلوبة لتسخين مياه التغذية والمتكثف الأساسي في خزان نزع الهواء والغازات المذابة وكذلك على المحددات التقنية لطريقة عمل التصميم المقترح للمحطة في النظام الشبه المشترك .

2.3 ـ التصميم المدروس الثاني :

        كما هو معروف عند استخدام عملية إعادة التسخين للبخار في التصميم الحراري للمحطة البخارية تكون أقصى درجة حرارة للبخار المستنزف من التربينة البخارية لغرض التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية هي عند نقطة الاستنزاف الواقعة بعد عملية إعادة التسخين مباشرة .

      وبذلك لتقليل مقدار الفقد في اكسيرجي البخار المستنزف لعملية التسخين الاسترجاعي وزيادة فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية تم تطوير التصميم المدروس الأول ( الفقرة 1.3 ). حيث يتم وفقا للتصميم المقترح ( الشكل (  3)) تجهيز كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية للمسخن الحراري الثاني ( FWH2 ). مما يؤدي ذلك إلى هبوط كمية البخار المستنزفة من التربينة البخارية للمسخنات الحرارية الثاني( FWH2 ) والثالث (FWH3  ) وخزان نزع الهواء والغازات المذابة ( D ). وبذلك سوف تعتمد كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية على كمية الطاقة الحرارية اللازمة لتسخين مياه التغذية في المسخن الحراري الثاني هذا بالإضافة إلى المحددات التقنية لطريقة عمل التصميم المقترح في النظام الشبه المشترك .

الشكل (3  ) التصميم المدروس الثاني لربط مصفوفة المجمعات الشمسية في المحطة البخارية.       

يتبع ...........