تحليل وتطبيق تكنولوجيا درجات الحرارة العالية والمنخفضة لمولدات البخار

1، التعريف الأساسي والأساس الديناميكي الحراري لمعلمات درجات الحرارة العالية والمنخفضة

إن تقسيم درجات الحرارة العالية والمنخفضة لمولدات البخار ليس قيمة مطلقة، ولكنه إجماع صناعي تم تشكيله على أساس مبادئ الديناميكا الحرارية والممارسات الهندسية. أساسها الأساسي هو نظرية دورة كارنو - يتم تحديد أعلى كفاءة للمحرك الحراري من خلال الفرق في درجة الحرارة بين مصدر الحرارة والمصدر البارد. وكلما زاد الفرق في درجات الحرارة، زادت كفاءة تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.

(1) تعريف وخصائص معلمات درجة الحرارة العالية

في المجال الصناعي، يتم تعريف درجة حرارة البخار الرئيسية لمولدات البخار ذات درجة الحرارة المرتفعة-عادةً بأنها 500 درجة أو أعلى، ويكون الضغط الداعم في الغالب في حدود 10 ميجا باسكال-30 ميجا باسكال. يمكن لبعض الوحدات فوق الحرجة أن تصل إلى ما فوق 600 درجة أو 25 ميجاباسكال. الهدف الأساسي لنطاق المعلمة هذا هو زيادة الفرق في درجة الحرارة إلى أقصى حد وتعزيز الكفاءة الحرارية لتتجاوز 40%، أو حتى تصل إلى أكثر من 45%. يعتمد تطبيق معلمات درجات الحرارة المرتفعة-على احتراق مصادر الطاقة-عالية الجودة (مثل الفحم والغاز الطبيعي) أو التفاعلات النووية. يتم تسخين المياه إلى درجة حرارة عالية- وبخار عالي الضغط من خلال غلايات أو مفاعلات، ثم يتم دفعها للدوران بسرعة عالية لتوليد الكهرباء.

(2) تعريف وخصائص معلمات درجة الحرارة المنخفضة

عادة ما تكون درجة حرارة البخار الرئيسية لمولدات البخار ذات درجة الحرارة المنخفضة-أقل من 300 درجة، ويمكن لبعض أنظمة استعادة الحرارة المهدورة خفضها إلى 80 درجة -250 درجة، مع ضغوط غالبًا ما تكون أقل من 2.5 ميجاباسكال. لا يتمثل المنطق الأساسي لهذه الأنظمة في السعي لتحقيق الكفاءة القصوى، بل في استخدام الطاقة الحرارية المنخفضة{10} (مثل حرارة النفايات الصناعية، والطاقة الشمسية، والطاقة الحرارية الأرضية) لتحقيق "تحويل النفايات إلى كنز". على الرغم من أن كفاءتها الحرارية عمومًا تتراوح بين 10% -25%، إلا أنها تستطيع تحويل الحرارة المهدرة في الأصل إلى طاقة كهربائية، وهو ما يتميز بتوفير الطاقة-والقيمة البيئية. لا يعتمد تنفيذ معلمات درجات الحرارة المنخفضة- على استهلاك الطاقة عالي الكثافة، بل يتكيف مع خصائص درجات الحرارة لمصادر الحرارة المنخفضة الدرجة من خلال سوائل العمل الخاصة أو تقنيات التدوير.

2، الاختلافات في المسارات الفنية لمولدات البخار ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة

يؤدي الاختلاف في معلمات درجة الحرارة بشكل مباشر إلى اختلافات كبيرة في المكونات الأساسية، وأنماط الدورة، وتصميم نظام مولدات البخار، مما يشكل مسارين تقنيين مختلفين تمامًا.

(1) مولد بخار بدرجة حرارة عالية: السعي التكنولوجي لتحقيق الكفاءة القصوى

تمتلك مولدات البخار ذات درجة الحرارة العالية، الممثلة بمحطات الطاقة الحرارية والنووية التقليدية، جوهرًا تقنيًا يتمثل في "مقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة الضغط العالي"، وتحقق توليدًا فعالاً للطاقة من خلال ترقيات المواد وتحسين النظام. بالنسبة للمكونات الأساسية، تحتاج المعدات الرئيسية مثل شفرات التوربينات وخطوط أنابيب الغلايات إلى استخدام مواد خاصة مثل السبائك القائمة على النيكل والفولاذ المقاوم للحرارة- لمقاومة الأكسدة والتآكل والتعب في بيئات درجات الحرارة المرتفعة والضغط العالي؛ فيما يتعلق بالتدوير، يتم استخدام دورة رانكين بشكل شائع، والتي تولد بخارًا عالي الحرارة-وضغطًا عاليًا-من خلال الغلاية. بعد عمل التوربين البخاري، يتم تبريد بخار العادم إلى الماء بواسطة مكثف، ثم يتم ضغطه بواسطة مضخة تغذية وإرساله مرة أخرى إلى المرجل لتشكيل دورة مغلقة؛ في تصميم النظام، يلزم وجود أجهزة معقدة للتحكم في درجة الحرارة وتقليل الضغط لضمان ثبات معلمات البخار وتجنب تلف المعدات بسبب تقلبات درجات الحرارة.

3، سيناريوهات التطبيق البانورامية لمولدات البخار ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة

تحدد خصائص معلمات درجة الحرارة أن سيناريوهات التطبيق لنوعين من مولدات البخار لها حدود واضحة، تغطي مجالين رئيسيين: مصدر طاقة مركزي واسع النطاق واسترداد الحرارة المهدرة الموزعة.

(1) مولد بخار ذو درجة حرارة عالية: القوة الرئيسية لإمدادات الطاقة-المركزية واسعة النطاق

أصبحت مولدات البخار ذات درجات الحرارة العالية، بما تتميز به من طاقة وكفاءة عالية، هي الخيار الأساسي لإمدادات الطاقة المركزية-الواسعة النطاق. من حيث سيناريوهات التطبيق، يتم توزيع محطات الطاقة الحرارية الكبيرة بشكل أساسي في المناطق الغنية بالفحم أو مراكز التحميل، مما يلبي احتياجات الكهرباء للإنتاج الصناعي الإقليمي والحياة السكنية من خلال توليد الطاقة الحرارية، بقدرة وحدة واحدة تصل إلى مليون كيلووات؛ تعتمد محطات الطاقة النووية على كثافة الطاقة العالية للوقود النووي وتقع في مناطق ذات طلب مرتفع على الطاقة ومتطلبات بيئية، مما يوفر حملًا أساسيًا ثابتًا من الكهرباء للمنطقة ويقترب من الصفر من انبعاثات الكربون.

بالإضافة إلى ذلك، تعد مولدات البخار ذات درجات الحرارة المرتفعة-مناسبة أيضًا لمحطات الطاقة الصناعية الكبيرة المملوكة ذاتيًا، مثل المؤسسات الكبيرة في صناعات الصلب والكيماويات وغيرها من الصناعات. إنهم يولدون الكهرباء عن طريق حرق الوقود المنتج ذاتيًا أو استخدام الحرارة المهدرة أثناء العملية (قسم درجة الحرارة المرتفعة-) لتلبية احتياجات إنتاجهم من الكهرباء وتقليل الاعتماد على مشتريات الطاقة الخارجية.

4، اتجاه تنمية الصناعة: التطور التعاوني لمسارات درجات الحرارة العالية والمنخفضة

نظرًا لانتقال الطاقة وهدف "الكربون المزدوج"، فإن مولدات البخار ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة-لا يمكن استبدالها بشكل متبادل، ولكنها تظهر اتجاه تطوير منسقًا لـ "ترقية النهاية العالية والتوسعة المنخفضة-النهاية".

(1) مسار درجات الحرارة المرتفعة: الارتقاء نحو العمليات فوق الحرجة والنظيفة

ستستمر مولدات البخار ذات درجات الحرارة المرتفعة في التطور نحو انبعاثات فوق حرجة وقريبة من الصفر. فمن ناحية، من خلال الاختراقات في تكنولوجيا المواد، يمكن زيادة درجة حرارة وضغط البخار الرئيسي بشكل أكبر، مما يعزز التحسين المستمر في الكفاءة الحرارية وتقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون لكل وحدة توليد الكهرباء؛ من ناحية أخرى، من خلال الجمع بين تكنولوجيا احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS)، يمكن تحقيق انبعاثات قريبة من الصفر من الطاقة الحرارية، مما يمكنها من الاستمرار في لعب دور استقرار في كهرباء الحمل الأساسي في هيكل الطاقة مع نسبة متزايدة من الطاقة الجديدة.

(2) مسار درجات الحرارة المنخفضة: التوسع نحو النطاق والقدرة العالية على التكيف

ستوفر مولدات البخار ذات درجات الحرارة المنخفضة فرصة مزدوجة للتطبيقات واسعة النطاق والتحديث التكنولوجي. فيما يتعلق بنطاق التطبيق، ومع تشديد سياسات توفير الطاقة الصناعية- وزيادة الوعي باستعادة الحرارة المهدرة، سيتم نشر مولدات درجات الحرارة المنخفضة -ORC في المزيد من الصناعات، مما يشكل -سوقًا واسع النطاق لتوليد الطاقة الحرارية المهدرة؛ فيما يتعلق بالتحديث التكنولوجي، سنركز على البحث والتطوير لسوائل عمل جديدة وفعالة، وتحسين كفاءة التبادل الحراري، والتحكم الذكي في الأنظمة، مما يقلل تكلفة توليد الطاقة الحرارية المهدرة ذات درجة الحرارة المنخفضة، وتحسين القدرة على التكيف مع موارد الحرارة المهدرة بدرجات حرارة ومقاييس مختلفة، وتوسيع حدود الاستخدام للحرارة المهدرة ذات درجة الحرارة المنخفضة جدًا- (60 درجة -80 درجة ).