حلول فراغ محطات الطاقة الحرارية الأرضية: تحسين استخلاص البخار وإزالة NCG

في توليد الطاقة الحرارية الأرضية - سواء باستخدام تقنيات Flash Steam أو Double Flash أو Direct Dry Steam - المحرك الأساسي لكفاءة المحطة هو الدلتا الديناميكية الحرارية بين ضغط رأس البئر الحراري الأرضي وفراغ مكثف التوربينات في اتجاه مجرى النهر. إن الحفاظ على فراغ عميق ومستقر داخل السطح الرئيسي أو المكثف الجوي يسمح للبخار الحراري الأرضي بالتمدد بالكامل عبر ريش التوربينات، والتقاط أقصى قدر من المحتوى الحراري وتحويل الطاقة الحرارية المهدرة إلى كهرباء نظيفة على نطاق الشبكة.

ومع ذلك، على عكس محطات الوقود الأحفوري التقليدية أو محطات الطاقة النووية التي تعمل بدورات المياه النقية ذات الحلقة المغلقة، تواجه محطات الطاقة الحرارية الأرضية تحديًا تشغيليًا شديدًا: الغازات غير القابلة للتكثيف (NCGs) . يحتوي البخار الحراري الأرضي بشكل طبيعي على تركيزات كبيرة من NCGs، في المقام الأول ثاني أكسيد الكربون، وكبريتيد الهيدروجين، والأمونيا، وتتبع الميثان. إذا لم يتم استخراج هذه الغازات بشكل مستمر وقوي من المكثف، فإنها تسبب اضمحلال الفراغ، وعزل أنابيب المكثف، وارتفاع الضغط الخلفي للتوربينات، ويمكن أن تقلل إجمالي إنتاج محطة الطاقة بنسبة تصل إلى 25٪ أو أكثر.

نموذج الطاقة الحرارية الأرضية: لماذا يملي فراغ المكثف إنتاج ميجاوات

يتناسب صافي الطاقة المولدة بواسطة التوربينات البخارية الحرارية الأرضية بشكل مباشر مع انخفاض الضغط عبر مراحل التوربينات. كلما انخفض الضغط عند جانب العادم (المكثف)، زادت نسبة تمدد التوربين، وزاد عدد الميجاوات المنتجة من نفس الحجم من السائل الحراري الأرضي.

نظرًا لأنه لا يمكن تكثيف NCGs في الماء السائل بواسطة مصفوفات أبراج التبريد القياسية، فإنها تتراكم بسرعة في المنطقة الباردة للمكثف. تعمل أنظمة التفريغ الصناعية كقوة استخلاص حركية أساسية، حيث تعمل بشكل مستمر على كنس حواجز الغاز العازلة خارج النظام للحفاظ على غلاف الفراغ العميق.

ديناميات استخلاص الغاز غير القابل للتكثيف (NCG).

اعتمادًا على الخزان الجيولوجي، يمكن أن يتراوح محتوى NCG في البخار الحراري الأرضي من 0.5% يمكن التحكم فيه إلى 10% أو أعلى من حيث الوزن. يحدد تكوين حمل الغاز هذا منحنى الإزاحة الحجمي الذي تتطلبه جزيرة الفراغ.

• حاجز التراكم: عندما يتكثف البخار إلى ماء على الأسطح الخارجية لأنابيب المكثف، فإنه يترك وراءه طبقة حدودية غازية عالية التركيز من ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين. تخلق هذه الطبقة حاجزًا للمقاومة الحرارية، مما يؤدي إلى انخفاض معامل نقل الحرارة للمكثف.

• حل الاستخلاص بالتفريغ: يتم وضع مدخل الأنابيب المفرغة بشكل استراتيجي في القسم الأكثر برودة من المكثف (منطقة تبريد الغاز) لسحب هذه الغازات الثقيلة بشكل مستمر. يجب أن توفر الحزمة المفرغة قدرة شفط حجمية هائلة لسحب هذه الغازات ذات الضغط المنخفض المتوسعة للغاية حتى تصل إلى ضغط التفريغ الجوي.

الحل الهندسي الهجين – الجمع بين القاذفات والمضخات الحلقية السائلة

بالنسبة لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق المرافق، نادرًا ما يكون الاعتماد على تقنية تفريغ واحدة فعالاً. يتم توحيد المرافق عالية الإنتاجية في أنظمة الفراغ الهجين كمعيار ذهبي ديناميكي حراري.

تسلسل العملية الهجينة:

1. قاذفات البخار النفاثة للمرحلتين الأولى والثانية: عند مستويات الفراغ العميق (على سبيل المثال، 50 إلى 100 ملي بار مطلق)، يكون حجم الغاز ضخمًا جدًا بالنسبة للمضخات الميكانيكية وحدها. تستخدم قاذفات البخار النفاثة البخار الدافع عالي الضغط من رأس البئر لضغط NCGs كبيرة الحجم حتى ضغط متوسط، وتفريغها في مكثف بيني.

2. المكثفات الداخلية ذات الاتصال المباشر: يقوم المكثف الداخلي برش ماء التبريد مباشرة في تيار الغاز، مما يؤدي إلى تكثيف البخار الدافع وتقليل حمل الغاز الحجمي بشكل كبير بنسبة تصل إلى 80%.

3. مرحلة دعم مضخة التفريغ الحلقية السائلة (LRVP): تتولى مضخة التفريغ الحلقية السائلة ذات المرحلتين للخدمة الشاقة الضغط المتوسط، مما يضغط على NCGs المركزة المتبقية من المكثف الداخلي حتى الضغط الجوي، حيث يتم توجيهها إلى نظام تقليل كبريتيد الهيدروجين أو برج التبريد.

   يؤدي دمج LRVPs كمرحلة الدعم النهائية إلى تقليل إجمالي استهلاك البخار الدافع بنسبة تصل إلى 35% مقارنة بشبكات القاذف النقية متعددة المراحل، مما يوفر البخار الثمين لتوربينات الطاقة الرئيسية.

علوم المواد الشديدة – التغلب على التآكل الناتج عن ارتفاع نسبة كبريتيد الهيدروجين (H2S) والكلوريد

تحمل الغازات الحرارية الأرضية والبخار خليطًا كيميائيًا شديد التآكل. عندما يذوب كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون في مصفوفة الماء البخاري المتكثف، فإنهما يشكلان جيبًا سائلًا حامضًا شديد الحموضة يحتوي على كلوريدات عدوانية تؤدي إلى حدوث تشقق فوري كلفاني وتآكل الإجهاد في الفولاذ القياسي.

الأسئلة الشائعة التشغيلية:

1. لماذا تعتبر المضخات الحلقية السائلة أفضل من المضخات اللولبية الجافة لإخلاء مكثف الطاقة الحرارية الأرضية؟

   يعد استخراج البخار الحراري الأرضي عملية رطبة بطبيعتها. يكون تيار الغاز الذي يدخل الجزيرة المفرغة مشبعًا بنسبة 100% ببخار الماء وقطرات دقيقة من مكثفات الطاقة الحرارية الأرضية. تتمتع المضخات اللولبية الجافة بخلوصات داخلية ضيقة للغاية وتعمل في درجات حرارة عالية؛ يمكن أن يتسبب ترحيل السائل في حدوث صدمة حرارية أو قفل هيدروليكي ميكانيكي. تستخدم المضخات الحلقية السائلة مانع تسرب سائل، مما يعني أنها تمتص بسهولة كتل الماء الضخمة والأبخرة القابلة للتكثيف دون أي خطر حدوث ضرر ميكانيكي داخلي، مع الحفاظ على مسار ضغط متساوي الحرارة ومقاوم للانفجار.

2. كيف تؤثر الترقية إلى نظام التفريغ الهجين على صافي توليد الميغاواط لمحطة الطاقة الحرارية الأرضية؟

   تتطلب أنظمة قاذف البخار النقي كميات هائلة من البخار الدافع عالي الضغط لتشغيلها. كل رطل من البخار المستخدم لقيادة القاذف هو بخار لا يمكن توجيهه عبر توربينات الطاقة لتوليد كهرباء الشبكة. من خلال استبدال المراحل النهائية من القاذفات بمضخات التفريغ الحلقية السائلة عالية الكفاءة، تقلل المحطة بشكل كبير من استهلاك البخار الدافع. تتم إعادة توجيه هذا البخار 'المحفوظ' إلى التوربين الرئيسي، مما يؤدي بشكل مباشر إلى زيادة صافي إنتاج ميجاوات لمحطة الطاقة.

3. ما هو بروتوكول الصيانة الذي يمنع التجويف في مضخات التفريغ الحلقية السائلة الحرارية الأرضية؟

   يحدث التجويف عندما ينخفض ​​ضغط التشغيل داخل المضخة إلى أقل من ضغط البخار لمياه الختم الخاصة بها، مما يتسبب في انهيار فقاعات الماء المدمرة بعنف على شفرات المكره المزدوجة. وهذا أمر شائع جدًا في فصل الصيف عندما ترتفع درجات حرارة مياه برج التبريد. يحل Wordfik هذه المشكلة من خلال دمج الصمامات الالتفافية المضادة للتجويف الأوتوماتيكية التي تحقن تيارًا صغيرًا من الغاز غير القابل للتكثيف أو السائل المبرد مباشرة في غرفة المضخة عند تجاوز عتبات البخار، مما يخفف موجات الصدمة ويحافظ على عمر المكره.