مولد البخار فوق الحرج

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Supercritical steam generator" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (September 2014) (Learn how and when to remove this message)

مولد البخار فوق الحرج هو نوع من الغلايات التي تعمل عند ضغط ودرجة حرارة فوق الحرج ، وتستخدم بشكل متكرر في إنتاج الطاقة الكهربائية .

على النقيض من الغلاية دون الحرجة التي تتشكل فيها فقاعات البخار، يعمل مولد البخار فوق الحرج فوق الضغط الحرج  - 22 ميجا باسكال (3200  رطل / بوصة مربعة) ودرجة حرارة 374 درجة مئوية (705 درجة فهرنهايت). في ظل هذه الظروف، تنخفض كثافة الماء السائل بسلاسة دون أي تغيير في الطور، لتصبح غير قابلة للتمييز عن البخار . تنخفض درجة حرارة الماء إلى ما دون النقطة الحرجة أثناء عمله في توربين عالي الضغط ويدخل مكثف المولد ، مما يؤدي إلى استخدام وقود أقل قليلاً. تكون كفاءة محطات الطاقة ذات مولدات البخار فوق الحرج أعلى من تلك الموجودة بالبخار دون الحرج لأن الكفاءة الديناميكية الحرارية ترتبط ارتباطًا مباشرًا بحجم انخفاض درجة حرارتها. عند الضغط فوق الحرج، يتم تحويل البخار ذو درجة الحرارة الأعلى بكفاءة أكبر إلى طاقة ميكانيكية في التوربين (كما هو موضح في نظرية كارنو ).

من الناحية الفنية، لا ينبغي استخدام مصطلح "مرجل" لمولد البخار تحت الضغط فوق الحرج لأن الغليان لا يحدث.

يشار أحيانًا إلى مولدات البخار فوق الحرجة المعاصرة باسم غلايات بنسون. ^[1] في عام 1922، حصل مارك بنسون على براءة اختراع لغلاية مصممة لتحويل الماء إلى بخار تحت ضغط مرتفع.

كانت السلامة هي الشاغل الرئيسي وراء مفهوم بينسون. تم تصميم مولدات البخار في وقت سابق لضغوط منخفضة نسبيًا تصل إلى حوالي 100  بار (10  ميجا باسكال ؛ 1450  رطل/بوصة مربعة)، وهو ما يتوافق مع أحدث التقنيات في تطوير توربينات البخار في ذلك الوقت. كانت إحدى خصائصها التقنية المميزة هي أسطوانة فصل الماء/البخار المثبتة بمسامير. كانت هذه الأسطوانات هي المكان الذي تنتهي فيه الأنابيب المملوءة بالماء بعد مرورها عبر فرن الغلاية.

كانت براميل الرأس هذه مخصصة لملءها جزئيًا بالماء وفوق الماء كانت هناك مساحة مملوءة بحاجز حيث يتجمع بخار الماء والبخار من الغلاية. تم جمع قطرات الماء المحملة بواسطة الحواجز وإعادتها إلى وعاء الماء. تم ضخ البخار الجاف في الغالب من البرميل كمخرج بخار منفصل للغلاية. كانت هذه البراميل غالبًا مصدرًا لانفجارات الغلايات ، وعادة ما كانت العواقب كارثية.

ومع ذلك، يمكن القضاء على هذه الأسطوانة تمامًا إذا تم تجنب عملية فصل التبخر تمامًا. سيحدث هذا إذا دخل الماء إلى الغلاية عند ضغط أعلى من الضغط الحرج (3206 رطل لكل بوصة مربعة، 22.10 ميجا باسكال)؛ تم تسخينه إلى درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة (706 درجة فهرنهايت، 374 درجة مئوية) ثم تمدد (من خلال فوهة بسيطة) لتجفيف البخار عند ضغط أقل من الحرج. يمكن الحصول على ذلك من خلال صمام الخانق الموجود أسفل قسم المبخر في الغلاية.

مع استمرار تطوير تكنولوجيا بنسون، سرعان ما ابتعد تصميم الغلايات عن المفهوم الأصلي الذي قدمه مارك بنسون. في عام 1929، بدأت غلاية اختبار تم بناؤها في عام 1927 في العمل في محطة الطاقة الحرارية في جارتنفيلد في برلين لأول مرة في الوضع دون الحرج مع صمام خانق مفتوح بالكامل. بدأت غلاية بنسون الثانية العمل في عام 1930 بدون صمام ضغط عند ضغوط تتراوح بين 40 و180 بار (4 و18 ميجا باسكال؛ 580 و2611 رطل/بوصة مربعة) في مصنع الكابلات في برلين. مثل هذا التطبيق ولادة غلاية بنسون الحديثة ذات الضغط المتغير. بعد هذا التطوير، لم تعد براءة الاختراع الأصلية مستخدمة. ومع ذلك، تم الاحتفاظ باسم "غلاية بنسون".

1957: كانت الوحدة 6 في محطة الطاقة فيلو في فيلو، أوهايو، أول وحدة تجارية لتوليد البخار والكهرباء فوق الحرجة في العالم، ^[2] ويمكنها العمل على المدى القصير عند مستويات فوق الحرجة. ^[3] استغرق الأمر حتى عام 2012 لافتتاح أول محطة تعمل بالفحم في الولايات المتحدة مصممة للعمل في درجات حرارة فوق الحرجة، وهي محطة الفحم جون دبليو تورك جونيور في أركنساس . ^[4]

تم التخطيط لابتكارين لتحسين مولدات البخار ذات المرة الواحدة ^{[ بحاجة لمصدر ]} :

• تم تشغيل نوع جديد من مولدات البخار لاستعادة الحرارة المعتمدة على غلاية بنسون بنجاح في محطة كوتام للطاقة ذات الدورة المركبة في وسط إنجلترا.
• تجمع الأنابيب الرأسية في جدران غرفة الاحتراق في مولدات البخار التي تعمل بالفحم بين مزايا التشغيل لنظام بينسون ومزايا التصميم للغلاية ذات الأسطوانة. بدأ بناء أول محطة مرجعية، محطة الطاقة ياومينج في الصين ، في عام 2001.

في 3 يونيو 2014، أعلنت منظمة البحوث الحكومية الأسترالية CSIRO أنها نجحت في توليد "بخار فوق حرج" عند ضغط 23.5 ميجا باسكال (3410 رطل/بوصة مربعة) و570 درجة مئوية (1060 درجة فهرنهايت) فيما تدعي أنه رقم قياسي عالمي للطاقة الحرارية الشمسية. ^[5]

تم العثور على هذه التعريفات المتعلقة بتوليد البخار في تقرير حول إنتاج الفحم في الصين حقق فيه مركز التقدم الأمريكي . ^[6]

• دون الحرج - ما يصل إلى 705  درجة فهرنهايت (374  درجة مئوية ) و3208  رطل لكل بوصة مربعة (221.2  بار ) ( النقطة الحرجة للمياه)
• فوق الحرج – حتى 1000–1050  درجة فهرنهايت (538–566  درجة مئوية )؛ يتطلب مواد متقدمة
• فوق الحرجة – ما يصل إلى 1400  درجة فهرنهايت (760  درجة مئوية ) ومستويات ضغط تبلغ 5000  رطل لكل بوصة مربعة (340  بار ) (الابتكارات الإضافية، غير المحددة، من شأنها أن تسمح بكفاءة أكبر)

يدخل بخار محطة الطاقة النووية عادةً إلى التوربينات عند قيم دون الحرجة - بالنسبة لمولدات البخار على شكل أنبوب على شكل حرف U 77 بار (1117 رطل/بوصة مربعة) و294 درجة مئوية (561 درجة فهرنهايت)، مع درجة حرارة وضغط مماثلين لمولدات البخار من نوع Once Through. ^[7]

يُستخدم مصطلح "تكنولوجيا فائقة الحرج المتقدمة" (AUSC) أو "تكنولوجيا 700 درجة مئوية" أحيانًا لوصف المولدات حيث تكون درجة حرارة الماء أعلى من 700 درجة مئوية (1292 درجة فهرنهايت). ^[8]

تم استخدام مصطلح كفاءة عالية وانبعاثات منخفضة ("HELE") من قبل صناعة الفحم لوصف توليد الفحم فوق الحرج وفائق الحرج. ^{[9] [10]}

ترسم أنظمة الطاقة ميتسوبيشي هيتاشي الرائدة في الصناعة (اعتبارًا من عام 2019) كفاءة توليد الطاقة من دورة التوربينات الغازية المركبة ( قيمة التسخين المنخفضة ) عند أقل من 55٪ لدرجة حرارة مدخل التوربينات الغازية 1250 درجة مئوية (2282 درجة فهرنهايت)، وحوالي 56٪ عند 1400 درجة مئوية (2552 درجة فهرنهايت)، وحوالي 58٪ عند 1500 درجة مئوية (2732 درجة فهرنهايت)، و64٪ عند 1600 درجة مئوية (2912 درجة فهرنهايت)، وكلها تتجاوز بكثير (بسبب كفاءة كارنو) عتبات AUSC أو تقنية Ultra-supercritical، والتي لا تزال محدودة بدرجة حرارة البخار. ^[11]

• مفاعل الماء فوق الحرج
• المرجل

• ثيرموبيديا، "غلاية بنسون"