معدل كفاءة استخدام الطاقة وتصميم توزيع الطاقة في أنظمة التبريد بالغاز الطبيعي المسال

Thread Content

فيما يلي مقال أعددته بنفسي، وأرحب ترحيبًا حارًا بجميع الأشخاص لمناقشته وتقديم النقد والتوجيه. مقدمة: في ظل متطلبات حماية البيئة وخفض الانبعاثات، يُعد استهلاك الطاقة في أنظمة التبريد أهم مؤشر يجب الانتباه إليه. بالنسبة لتشغيل مصانع الغاز الطبيعي المسال، وفي ظل ثبات تكلفة المعدات، فإن اختيار خطوط إنتاج كفوءة من حيث استهلاك الطاقة يُعد أهم وسيلة لتقليل النفقات وزيادة الإيرادات. بالنسبة لمنتجات التكييف، فإن درجة كفاءة استخدام الطاقة هي طريقة لتصنيف مستوى كفاءة هذه المنتجات. معامل كفاءة استخدام الطاقة هو نسبة القدرة التبريدية المحددة إلى القدرة المحددة (استهلاك الطاقة). وفقًا للوائح القياسية ذات الصلة، يتم تصنيف كفاءة استهلاك الطاقة في أجهزة التكييف إلى خمس فئات، وهي: 1، 2، 3، 4، 5. حيث تكون كفاءة الاستهلاك في الفئة الأولى 3.4 فأكثر، وفي الفئة الثانية من 3.2 إلى 3.4، وفي الفئة الثالثة من 3.0 إلى 3.2، وفي الفئة الرابعة من 2.8 إلى 3.0، وفي الفئة الخامسة من 2.6 إلى 2.8. ووفقًا للوائح، لا يُسمح ببيع المنتجات التي تكون كفاءتها في استخدام الطاقة أقل من المستوى الخامس، وهو الحد الأدنى للدخول إلى السوق. الخلفية الأساسية لعلامة كفاءة استخدام الطاقة هي اللون الأزرق، وفي الجزء العلوي منها توجد معلومات مثل “اسم المصنع” و“المواصفات والنموذج” ； أكثر ما يلفت الانتباه هو الجزء الأوسط من العلامة، حيث توجد علامات تشير إلى المستويات من 1 إلى 5، بدءًا من اللون الأخضر وصولاً إلى اللون الأحمر، كما يوجد على الجانب الأيسر رموز تشير إلى مستوى استهلاك الطاقة، من “استهلاك طاقة منخفض” إلى “استهلاك طاقة مرتفع”. أما في الزاوية العلوية اليمنى، فيتم عرض مستوى كفاءة استهلاك الطاقة لهذا المنتج. يوجد في الجزء السفلي من العلامة بيانات محددة لـ “معدل كفاءة استخدام الطاقة” و“القدرة الكهربائية المدخلة” و“كمية التبريد”. 1. تعريف معامل كفاءة الطاقة في نظام التبريد بالغاز الطبيعي المسال: يتكون نظام التبريد بالغاز الطبيعي المسال من عدة أجهزة رئيسية مثل مضخة الضاغط، والمكثف، وصمام J-T، وصندوق التبريد. كما أن نظام التبريد في عملية تحويل الغاز الطبيعي إلى حالة سائلة هو أيضًا نظام دوران مغلق. كما هو موضح في الرسم التالي: يتم تحويل مادة التبريد إلى حالة ذات درجة حرارة وضغط عاليين، وذلك بفضل عمل مضخة التبريد. بعد ذلك، يتم تبريد هذه المادة في جهاز التكثيف، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة التي امتصتها المادة. بعد ذلك، تدخل مادة التبريد إلى الخزان البارد، حيث تتم مبادلة الحرارة مع الغاز الطبيعي المنقى. تمتص مادة التبريد الحرارة من الغاز الطبيعي، ثم تعود مرة أخرى إلى مضخة التبريد لتخضع لعملية الضغط مرة أخرى، وبذلك تعود حالة مادة التبريد إلى حالتها الأصلية. معامل كفاءة استخدام الطاقة = حرارة الغاز الطبيعي الممتصة Q_الممتص / الطاقة المستخدمة في عملية الضغط W. الحرارة Q_abs الممتصة من الغاز الطبيعي هي الحرارة الظاهرية المطلقة أثناء عملية تكثيف الغاز الطبيعي، بالإضافة إلى الحرارة الخفية المطلقة أثناء عملية التحول الطوري، وهي في الواقع الحمل الحراري الفعال للخزان البارد. الطاقة التي يولدها المضخة، W، هي الطاقة الفعالة لمضخة السائل المبرد. إذا كانت قدرة مصنع تحويل الغاز الطبيعي إلى حالة السائل 300 ألف متر مكعب في اليوم، وكانت الحمل الحراري للخزانات المبردة 3171 كيلوواط، بينما كانت القدرة الفعالة للضواغط 1000 كيلوواط، فإن معامل كفاءة نظام التبريد سيكون 3.171. أما إذا كانت قدرة الضواغط 2000 كيلوواط، فإن معامل كفاءة نظام التبريد سيكون 1.58. وإذا كان معامل الكفاءة أقل من المستوى الأدنى المطلوب في السوق وهو 2.6، فلا يُسمح ببيع هذا المنتج في السوق. 2. حساب حمل خزان التبريد في نظام تبريد الغاز الطبيعي المسال: يُعد خزان التبريد أحد المكونات الأساسية في نظام تبريد الغاز الطبيعي المسال، وتعتبر قدرته على التبريد أهم عامل لضمان إنتاج كميات كبيرة من الغاز الطبيعي المسال. في الرسم التوضيحي المذكور أعلاه، فإن كمية الحرارة التي يمتصها الصندوق البارد من الغاز الطبيعي في وحدة الزمن، تمثل قدرة الصندوق البارد على استيعاب الحرارة، ويمكن التعبير عن ذلك بوحدة الكيلوواط. يمكن حساب كمية الحرارة التي يمتصها الصندوق البارد في وحدة الزمن، بناءً على كمية الغاز الطبيعي المخطط معالجتها يوميًا. ويتم ذلك عن طريق حساب الحرارة الظاهرية الناتجة عن انخفاض درجة الحرارة داخل الصندوق البارد أثناء عملية تكثيف الغاز الطبيعي، أي الحرارة النوعية Qنوع، بالإضافة إلى الحرارة الخفية Qخفية الناتجة عن تحول الغاز الطبيعي من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة. على سبيل المثال، بالنسبة لمصنع تحويل الغاز الطبيعي إلى غاز طبيعي مسال يتعامل مع 300 ألف متر مكعب يوميًا، وبافتراض أن كثافة الغاز الطبيعي هي 0.72 كجم/م³، وأن السعة الحرارية النوعية له هي 2156 جول/كجم·كلفن، وأن فرق درجة الحرارة اللازم للتكثيف هو 260 درجة مئوية، فإن قيمة الطاقة الحرارية الظاهرة تكون كالتالي:
Q_ظاهري = 30×10000×0.72×2.156×260/(24×3600) = 1401 كيلوواط.
أما قيمة الطاقة الحرارية الكامنة لتبخير الغاز الطبيعي فهي 510.25 كيلوجول/م³، وبالتالي فإن قيمة الطاقة الحرارية الكامنة اللازمة لتكثيف 300 ألف متر مكعب من الغاز الطبيعي تكون كالتالي:
Q_كامن = 30×10000×510.25/(24×3600) = 1771.7 كيلوواط.
وبالتالي، فإن الحمل الحراري الإجمالي لنظام التبريد في هذا المصنع يكون 3171.7 كيلوواط.

3. تصميم نظام التبريد باستخدام غاز الـLNG:
من دورة حركة مادة التبريد المذكورة أعلاه، يتضح أن الطاقة الفعالة التي يتم امتصاصها من قبل الخزان البارد، بالإضافة إلى الطاقة الفعالة التي يتم تزويدها من قبل المضخة، يجب أن تُستخدم جميعها في تبريد مادة التبريد عبر الكوندينسر، وذلك لإزالة الطاقة الزائدة في مادة التبريد، وبالتالي إعادتها إلى حالتها الأصلية استعدادًا لبدء دورة التبريد التالية. إذًا، يجب أن تساوي طاقة التبريد الصادرة من مكثف السائل المبرد، والتي تُسمى Q_out، مجموع الحمل الحراري الفعال للخزان البارد، وهو Q_in، بالإضافة إلى الطاقة المستخدمة في ضغط السائل المبرد، والتي تُسمى W. أي أن: Q_out = Q_in + W. إذا كانت قدرة مكثف السائل المبرد غير كافية، فإن ذلك سيؤدي إلى عدم كفاية قدرة نظام التبريد، وبالتالي لن يتمكن النظام من إنتاج الكمية المطلوبة من السائل المبرد.