1. المعرفة الأساسية بالتوربينات الغازية

تتكون التوربينات الغازية بشكل أساسي من ثلاثة مكونات رئيسية: ضاغط, غرفة الاحتراقو التوربيناتتُعرف دورة التوربينات الغازية عادةً باسم دورة بسيطةوهو التكوين الأكثر استخدامًا. ومع ذلك، توربينات غازية شديدة التحمل غالباً ما تستخدم دورة مركبة خطة لتعزيز الكفاءة. تاريخياً، تطورت التوربينات الغازية عبر مسارات تقنية مختلفة. توربينات الغاز المشتقة من الهواءتُشتق المحركات المستخدمة في التطبيقات الصناعية والبحرية من محركات طائرات معدلة. في المقابل، توربينات غازية صناعية شديدة التحمل تم تطويرها بناءً على مفاهيم التوربينات البخارية التقليدية وتستخدم بشكل أساسي في المحركات الميكانيكية وتوليد الطاقة على نطاق واسع.

يمكن تصور التوربين الغازي على أنه ثلاثة أقسام من اليسار إلى اليمين: ضاغط (أزرق), غرفة الاحتراق (باللون الأحمر)و توربين (أصفر).

2. تصنيف التوربينات الغازية

على الصعيد العالمي، تعمل عشرات الشركات في مجال البحث والتصميم والتصنيع لتوربينات الغاز. حاليًا، الشركات الأربع التي أتقنت تمامًا تكنولوجيا التوربينات الغازية الثقيلة . جنرال إلكتريك (GE) من الولايات المتحدة، سيمنز من ألمانيا، ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة (MHI) من اليابان (التي حصلت في البداية على ترخيص التكنولوجيا من شركة وستنجهاوس في الولايات المتحدة)، و أنسالدو من إيطاليا. ووفقًا للسيد تشن شيوين، نائب رئيس مجلس إدارة شركة شنغهاي إلكتريك غاز توربين المحدودة، لا يوجد معيار دولي لتصنيف نماذج توربينات الغاز، وقد أصبحت الفروقات بينها غير واضحة بشكل متزايد. وبناءً على المعلومات المتاحة، يمكن تصنيف توربينات الغاز على النحو التالي:

2.1 التصنيف حسب درجة حرارة الاحتراق (بزيادات قدرها 100 درجة مئوية):

• جنرال إلكتريك (GE):
  • الفئة E: 1100 درجة مئوية
  • الفئة F: 1200 درجة مئوية
  • الفئة H: 1400 درجة مئوية
• ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة (MHI):
  • الفئة F: 1400 درجة مئوية
  • الفئة G: 1500 درجة مئوية
  • الفئة H: منتج اختبار وسيط
  • الفئة J: 1600–1700 درجة مئوية
• سيمنز:
  • الطرازات الأقدم (V64.3A، V84.3A، V94.3A): الفئة 6F
  • الطرازات الأحدث (SGT6-5000F، SGT-8000H):
    • الفئة F: 1200 درجة مئوية
    • الفئة H: 1500 درجة مئوية

2.2 تصنيف التوربينات الغازية الثقيلة حسب الإنتاج:

تُصنف توربينات الغاز الثقيلة لتوليد الطاقة عادةً حسب قدرتها الإنتاجية عندما تتراوح درجة حرارة الاحتراق بين 1100 درجة مئوية و 1500 درجة مئوية:

• فئة B≤100 ميجاواط
• الفئة E100-200 ميغاواط
• الفئة F200-300 ميغاواط
• الفئة G/H300-400 ميغاواط

ومع ذلك، ونظرًا للتطور السريع في إنتاج التوربينات الغازية، فقد أصبحت طريقة التصنيف هذه قديمة نوعًا ما.

3. تطوير التوربينات الغازية الدولية

سيمنز:

استخدم SGT5-8000H تُعدّ التوربينة الغازية العملاقة منتجًا رائدًا، إذ يبلغ وزنها 390 طنًا (ما يعادل وزن طائرة إيرباص A380 ممتلئة بالوقود)، ويبلغ طولها 13.1 مترًا، وعرضها 4.9 مترًا، وارتفاعها 4.9 مترًا. وتبلغ قدرتها الإنتاجية في الدورة المركبة 10 ... 595MWويمكنها تزويد مدينة صناعية كبيرة بالكهرباء. وتتحمل شفرات توربيناتها درجات حرارة تتجاوز 1500 درجة مئويةوتتجاوز درجة حرارة مدخل التوربينات في محركات GE90 التوربينية المروحية ومحركات F404 النفاثة. وتتجاوز سرعة طرف الشفرة 1700 كم / ساعة، مما يعرض كل شفرة لقوى طرد مركزي تعادل جاذبية الأرض 10,000 مرة. التفاوتات التصنيعية ضمن عشرات الميكروناتإذ أن حتى العيوب الطفيفة قد تجعل الشفرة غير قابلة للاستخدام. وكثيراً ما يُقال إن قيمة شفرة واحدة تعادل قيمة سيارة BMW.

ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة (MHI):

استخدم M701J توربين غازي فائق، بقدرة إنتاجية للدورة المركبة تبلغ 650MWيتميز بضاغط محوري مكون من 15 مرحلة بنسبة ضغط تبلغ 23:1يتم تبريد الموقد والتوربين المحوري ذي الأربع مراحل بالهواء، وتتضمن المراحل الثلاث الأولى تقنيات متقدمة مثل طبقات واقية من درجات الحرارة العالية, طبقات عازلة حرارية خزفيةو تبريد عالي الأداء باستخدام طبقة الهواءمع درجة حرارة مدخل التوربين التالية 1600 درجة مئويةيضمن ذلك إطالة عمر المكونات التي تعمل في درجات حرارة عالية. وتركز ابتكارات سلسلة J على خفض انبعاثات الكربون. في مارس 2020، تلقت شركة ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة طلبية لاثنين M501JAC تستخدم هذه التوربينات محركات توليد الطاقة من هيئة الطاقة بين الجبال في ولاية يوتا الأمريكية. وتعتمد هذه التوربينات على نظام احتراق جاف منخفض أكاسيد النيتروجين ومبرد بالهواء، ويمكنها العمل بقدرة تصل إلى وقود الهيدروجين المتجدد بنسبة 30%بالمقارنة مع محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم ذات القدرة المماثلة، فإن نظام الهيدروجين بنسبة 30% يقلل انبعاثات الكربون بنسبة أكثر من 75٪بينما يقضي نظام الهيدروجين بنسبة 100% على انبعاثات الكربون تمامًا. ويهدف المصنع إلى تحقيق توليد الكهرباء من الهيدروجين المتجدد بنسبة 100% بين شنومكس و شنومكس.

جنرال إلكتريك (GE):

استخدم سلسلة 9HA تُعدّ توربينات الغاز الثقيلة من أكثر توربينات الغاز ذات الدورة المركبة كفاءة على مستوى العالم. أحدثها 9HA.02 يتميز هذا الطراز بكفاءة دورة مركبة تتجاوز 64% وقوة خرج تبلغ 826MWمتفوقة على منافسيها. تستخدم جنرال إلكتريك أحدث التقنيات تقنية الطباعة 3D لتصنيع المكونات الرئيسية، مما يعزز الأداء والموثوقية بشكل أكبر.

خاتمة

يواصل قطاع توربينات الغاز تطوره، مدفوعًا بالابتكارات في المواد وتقنيات التبريد وأنظمة الاحتراق. وتقود شركات مثل سيمنز وميتسوبيشي للصناعات الثقيلة وجنرال إلكتريك هذا التطور بتوربينات توفر كفاءة غير مسبوقة، وقدرة إنتاجية عالية، واستدامة بيئية. ولا تقتصر هذه التطورات على تلبية الطلب المتزايد على الطاقة فحسب، بل تتوافق أيضًا مع الجهود العالمية الرامية إلى خفض انبعاثات الكربون والتحول إلى مصادر طاقة أنظف.