عادةً ما يكون مولد الغاز الطبيعي الخيار الأفضل عندما يتوفر للموقع إمداد موثوق بالغاز عبر الأنابيب وتعمل المجموعة ساعات كثيرة سنويًا لتوفير قدرة أساسية أو مستمرة أو لتخفيض أحمال الذروة، لأن الوقود أقل تكلفة لكل وحدة طاقة في كثير من الأسواق، وفترات تغيير الزيت أطول، والانبعاثات أقل. وعادةً ما يكون مولد الديزل الخيار الأفضل للاحتياط في حالات الطوارئ والمواقع النائية والاستخدام المتنقل، لأنه يخزن وقوده في الموقع، ويستجيب سريعًا لإضافة أحمال كبيرة دفعة واحدة، وتكون تكلفة شرائه عادةً أقل لنفس القدرة بوحدة kW.
أهم النقاط
- تستخدم مجموعات توليد الغاز الطبيعي محركات ترددية بإشعال بالشرارة؛ وتستخدم مجموعات توليد الديزل الإشعال بالضغط، وتتميز عمومًا بكثافة قدرة أعلى عند السعة الحجمية نفسها.
- يُخزن وقود الديزل في الموقع، بينما يعتمد الغاز المنقول بالأنابيب على شبكة المرافق، وهو أمر مهم لأحمال الاحتياط المرتبطة بسلامة الأرواح، ويجب أن تقبله الجهة صاحبة الاختصاص.
- غالبًا ما تعمل محركات الغاز نحو 1000 ساعة بين تغييرات الزيت في خدمة الاحتياط، مقارنةً بنحو 250–300 ساعة المعتادة للديزل، وفقًا لإرشادات الشركات المصنّعة المنشورة.
- تعمل محركات الغاز ذات الاحتراق الفقير بكمية هواء زائدة لخفض NOx وتحسين الكفاءة؛ وتحتاج محركات الغاز ذات الاحتراق الغني إلى محول حفاز ثلاثي المسارات، لكنها تقليديًا أكثر سهولة في تقبّل الأحمال.
- يتفوق الديزل عادةً من حيث التكلفة الأولية والاستخدام الاحتياطي غير المتكرر؛ ويميل الغاز إلى التفوق من حيث تكلفة الوقود والصيانة عندما ترتفع ساعات التشغيل السنوية.
- لإنتاج كهرباء بتردد 60 Hz، يعمل مولد ذو أربعة أقطاب بسرعة 1800 rpm، ولتردد 50 Hz يعمل بسرعة 1500 rpm، أيًا كان الوقود الذي يحرقه المحرك.
كيف يعمل مولد الغاز الطبيعي؟
هو محرك ترددي بإشعال بالشرارة مقترن بمولد تيار متردد. تُضبط كمية الغاز بواسطة منظم وخلاط أو بواسطة الحقن في منافذ السحب، ثم يُخلط بالهواء ويُضغط ويُشعل بواسطة شمعات الإشعال؛ ويدير عمود المرفق المولد بالسرعة التزامنية لإنتاج الكهرباء.
تُشتق كثير من محركات الغاز الصناعية من كتل محركات الديزل. وتتشارك الكتلة وعمود المرفق والمحامل، لكن يُعدّل رأس الأسطوانات والمكابس ونسبة الانضغاط، ويحل نظام إشعال محل الحاقنات، ويُضاف إلى المحرك مسار تجهيز الغاز وصمام خانق ونظام للتحكم في نسبة الهواء إلى الوقود. ولأن المحرك الذي يعمل بالإشعال بالشرارة يجب أن يتجنب الطرق، فإن النسخة الغازية من كتلة المحرك تكون عادةً ذات قدرة مقننة أقل من نسخة الديزل ذات السعة الحجمية نفسها.
تسود استراتيجيتان للاحتراق:
- الاحتراق الغني (المتكافئ كيميائيًا): يعمل بنسبة الهواء إلى الوقود الصحيحة كيميائيًا. تكون درجة حرارة العادم وانبعاثات NOx أعلى، لذا يلزم عادةً محول حفاز ثلاثي المسارات، لكن الاستجابة لإضافة الأحمال جيدة تقليديًا.
- الاحتراق الفقير: يعمل بكمية هواء زائدة، مما يخفض درجة حرارة الاحتراق وانبعاثات NOx، ويحسن عادةً كفاءة استهلاك الوقود. تستخدم محركات الاحتراق الفقير الحديثة الشحن التوربيني وأنظمة تحكم سريعة لتحسين تقبّل الأحمال.
مولد الغاز الطبيعي مقارنةً بمولد الديزل: كيف يُقارنان؟
يناسب كل من الوقودين أنماط تشغيل مختلفة. يلخص الجدول المفاضلات المعتادة؛ وتختلف الطرازات الفردية، لذا راجع ورقة بيانات مجموعة التوليد.
| العامل | مجموعة توليد بالغاز الطبيعي | مجموعة توليد بالديزل |
|---|---|---|
| الإشعال | إشعال بالشرارة | إشعال بالضغط |
| إمداد الوقود | شبكة أنابيب المرافق، CNG أو LNG، غاز الحقول، الغاز الحيوي | مخزن في الموقع في خزان القاعدة أو خزان يومي |
| مشكلات تخزين الوقود | لا توجد في الموقع عند استخدام الغاز المنقول بالأنابيب | يتقادم الوقود ويحتاج إلى الفحص والتنقية |
| تقبّل الأحمال المضافة دفعة واحدة | جيد في المحركات الحديثة المصممة للعمل الاحتياطي، بحسب الطراز | الأقوى تقليديًا |
| كثافة القدرة | أقل لكل لتر من السعة الحجمية | أعلى |
| التكلفة الأولية لكل kW | أعلى عادةً | أقل عادةً، خصوصًا حيث يُسمح بمعيار Tier 2 أو ما يعادله |
| الفاصل الزمني لتغيير الزيت | غالبًا نحو 1000 h | غالبًا 250–500 h، بحسب الطراز |
| الانبعاثات | جسيمات وNOx أقل، خصوصًا مع الاحتراق الفقير | يحتاج إلى معالجة لاحقة للعادم لتلبية الحدود الصارمة للتشغيل غير الطارئ |
| الاستخدام الأنسب | القدرة الأساسية، التشغيل المستمر، التوليد المشترك للحرارة والكهرباء CHP، تخفيض أحمال الذروة | الاحتياط للطوارئ، المواقع النائية، الاستخدام المتنقل، الاستخدام البحري |
هل مولد الغاز الطبيعي الاحتياطي موثوق بما يكفي للعمل الاحتياطي؟
نعم، لكثير من المواقع التجارية، لكن يجب أن تقبل الجهة المسؤولة عن تطبيق الكود مصدر الوقود. يجب أن تعيد أنظمة NFPA 110 Type 10 الطاقة خلال 10 ثوانٍ، ويمكن لمجموعات توليد الغاز الحالية من كبرى الشركات المصنّعة تحقيق ذلك، رغم أن القدرة على الاستجابة لإضافة الأحمال ما زالت تختلف بين طرازات الغاز أكثر مما تختلف بين طرازات الديزل.
المسألة الأهم هي أمن إمداد الوقود. يعتمد مولد الغاز الطبيعي الاحتياطي على استمرار ضغط شبكة الأنابيب أثناء انقطاع الكهرباء. غالبًا ما تصمد إمدادات الغاز عبر شبكة المرافق أمام العواصف والفيضانات بصورة أفضل من عمليات توصيل الديزل، لكن الزلازل أو الإيقاف المتعمد قد يقطعانها. وفي المستشفيات وغيرها من الأحمال المرتبطة بسلامة الأرواح، يحتاج مهندس التصميم وشركة الغاز والجهة صاحبة الاختصاص عادةً إلى الاتفاق على اعتبار غاز شبكة المرافق مصدرًا موثوقًا. وحيث لا يُقبل ذلك، يكون الديزل أو نظام الوقود المزدوج هو الحل المعتاد.
أين تكون مجموعات توليد الغاز الطبيعي أكثر ملاءمة؟
تكون مجموعات توليد الغاز الطبيعي مجدية عندما ترتفع ساعات التشغيل ويكون الغاز متاحًا ومنخفض التكلفة. وتشمل التطبيقات المعتادة:
- القدرة الأساسية لمواقع النفط والغاز، حيث يُستخدم غاز الحقول أو الغاز المصاحب الذي كان سيُحرق في الشعلة وقودًا للمحرك. يجب التحقق من جودة الغاز ورقم الميثان والقيمة الحرارية، وغالبًا ما تُخفَّض القدرة المقننة للمحركات عند استخدام الغاز الغني أو المحتوي على كبريتيد الهيدروجين.
- التوليد المشترك للحرارة والكهرباء (CHP) في المصانع والبيوت المحمية والفنادق، مع استرداد حرارة مياه قمصان التبريد والعادم.
- تخفيض أحمال الذروة والاستجابة للطلب، حيث تعمل المجموعات خلال فترات ارتفاع تعرفة الكهرباء.
- مشروعات الغاز الحيوي وغاز مدافن النفايات، عادةً مع تنقية الغاز وقدرة مقننة مخصصة للمحرك.
- الاحتياط للمواقع التجارية حيث تقبل الجهة المختصة الغاز المنقول بالأنابيب ويرغب المالكون في تجنب صيانة وقود الديزل.
يظل الديزل الخيار المعتاد للمناجم النائية، وإمداد مواقع الإنشاء بالكهرباء، والسفن والوحدات البحرية، وأي موقع يجب نقل الوقود إليه.
محرك ترددي أم توربين يعمل بالغاز الطبيعي؟
في معظم المشروعات التي تقل قدرتها عن بضعة ميغاواط، يكون المحرك الترددي هو الخيار المعتاد. يتميز مولد التوربين العامل بالغاز الطبيعي بصغر حجمه وخفة وزنه قياسًا بقدرته، ويناسب المحطات الكبيرة ذات التشغيل المستمر ومحطات الكهرباء الغازية ذات الدورة المركبة، لكن توربينات الدورة البسيطة تفقد الكفاءة عند الحمل الجزئي وتتأثر بدرجة الحرارة المحيطة. أما محركات الغاز فتحافظ على كفاءة جيدة عند الحمل الجزئي، ويمكن تركيب عدة وحدات منها لتشغيل الوحدات وإيقافها بما يتوافق مع الطلب.
هذا النهج القائم على الوحدات هو سبب إنشاء كثير من محطات توليد الكهرباء بالغاز بقدرات تبلغ عدة ميغاواط باستخدام مجموعات متعددة من المحركات والمولدات بقدرة 1 MW أو أكثر، بدلًا من توربين واحد. ينبغي لمشتري المولدات الكبيرة مقارنة الكفاءة عند الحمل الجزئي، وزمن بدء التشغيل، والصيانة، وشبكة الخدمة المحلية، وليس القدرة المبينة على لوحة البيانات فقط.
ما تكلفة امتلاك مولد غاز طبيعي؟
تعتمد التكلفة الإجمالية على ساعات التشغيل أكثر من اعتمادها على سعر الشراء. عادةً ما تكون التكلفة الأولية لكل kW لمجموعة الغاز أعلى منها لمجموعة الديزل، وتُضاف إليها تكاليف خط الغاز والمنظم والتصاريح، لكن تكاليف الوقود والصيانة لكل ساعة تشغيل تكون أقل في كثير من المناطق. وغالبًا ما يكون الديزل أقل تكلفة إجمالًا عندما تعمل المجموعة للاختبار فقط وأثناء الانقطاعات العرضية.
أهم العوامل المحددة للتكلفة هي:
- القدرة المقننة والحجم: وحدة بقدرة 20 kW وأخرى بقدرة 2 MW منتجان مختلفان تمامًا، وينخفض السعر لكل kW مع زيادة الحجم.
- متطلبات الانبعاثات: في الولايات المتحدة، يمكن لمجموعات الديزل المخصصة للطوارئ عمومًا استخدام محركات معتمدة وفق Tier 2 أو Tier 3، لكن محركات الديزل غير المخصصة للطوارئ تحتاج عادةً إلى Tier 4 Final، مما يضيف معالجة لاحقة للعادم ويقلص فارق التكلفة مع الغاز.
- نسبة أسعار الوقود بين الغاز المنقول بالأنابيب وCNG والديزل في سوقك.
- ساعات التشغيل السنوية، التي تضاعف أثر الفارق في تكلفة الوقود والصيانة.
- الغلاف وأنظمة التحكم ولوحات التوصيل على التوازي.
كدليل تقريبي لاستهلاك الوقود، تستهلك مجموعة توليد الديزل عند حمل مناسب عادةً نحو 0.25 لتر لكل kWh، بينما تحتاج مجموعة غاز متوسطة الحجم عادةً إلى نحو 0.3 متر مكعب من الغاز المنقول بالأنابيب لكل kWh. ويختلف الرقمان حسب الطراز والحمل وجودة الغاز، لذا استخدم منحنيات الاستهلاك في ورقة البيانات لأي دراسة جدوى. يبلغ متوسط القيمة الحرارية للغاز المنقول بالأنابيب نحو 1000 Btu لكل قدم مكعب قياسي (نحو 37 MJ لكل متر مكعب)، لكن القيمة الحرارية الفعلية تختلف بحسب مصدر الإمداد.
هل يمكن تشغيل مولد بالغاز الطبيعي المضغوط؟
نعم. يُخزن الغاز الطبيعي المضغوط عادةً عند ضغط يقارب 200–250 bar (3000–3600 psi)، ويُخفض ضغطه عبر منظم إلى الضغط المنخفض الذي يحتاج إليه المحرك. تُستخدم مقطورات CNG لتوفير طاقة مؤقتة أو انتقالية حيث لا توجد شبكة أنابيب، ويمكن أن يخدم LNG مواقع أكبر تعتمد على القدرة الأساسية، رغم أن تبخر LNG يجعله غير ملائم للاحتياط مع فترات توقف طويلة. ونادرًا ما تفيد البنية التحتية للتزود بوقود CNG المخصصة للشاحنات والحافلات العاملة بالغاز الطبيعي مجموعة توليد ثابتة بصورة مباشرة؛ فمعظم المواقع تتلقى الغاز عبر الأنابيب.
اختيار المحرك لمجموعة توليد بالغاز الطبيعي
بالنسبة إلى مصنّعي مجموعات التوليد، يحدد المحرك القدرة المقننة وحدود جودة الغاز وخطة الخدمة. تحقق من هذه النقاط قبل الطلب:
- القدرة المقننة عند 1500 أو 1800 rpm، للتشغيل الأساسي أو المستمر، عند ارتفاع موقعك ودرجة الحرارة المحيطة فيه.
- الحد الأدنى لرقم الميثان وضغط إمداد الغاز عند مدخل المحرك.
- توافق الإشعال والتحكم في نسبة الهواء إلى الوقود ومنظم السرعة مع وحدة التحكم لديك.
- فترات تغيير شمعات الإشعال والزيت وتوفر قطع الغيار.
من أمثلة الفئة المتوسطة محرك الغاز الطبيعي بقدرة 120 kW المبني على منصة WP6، وهو وحدة ذات ست أسطوانات تُستخدم لمجموعات التوليد والمعدات العاملة بالغاز؛ ويوضح مشروع مجموعات التوليد بالغاز الطبيعي كيفية توريد هذه المحركات إلى جهة تجميع. ولتجميع مجموعات الديزل، تظل المحركات ذات الست أسطوانات مثل محرك 6BT لمجموعات التوليد والاستخدام البحري شائعة. قارن مزيدًا من الخيارات في صفحتي محركات الغاز والبنزين ومحركات الديزل، واطلع على دليلنا حول كيفية تحديد قدرة مولد ديزل.
تورّد MARS محركات مجموعات توليد تعمل بالغاز والديزل بشروط FOB أو CIF شنغهاي، ويمكن إجراء اختبار تشغيل لكل محرك مع تقرير مكتوب وفيديو قبل الإرسال. لتأكيد القدرة المقننة وفق تحليل الغاز لديك، أرسل تفاصيل مشروعك.
الأسئلة الشائعة
هل مولد الغاز الطبيعي أفضل من مولد الديزل؟
لا يوجد خيار أفضل لكل مهمة. يتفوق الغاز الطبيعي عادةً عند التشغيل لساعات طويلة حيث يتوفر الغاز عبر الأنابيب، بينما يتفوق الديزل عادةً للاحتياط في حالات الطوارئ والمواقع النائية وأقل تكلفة أولية.
كم من الوقت يمكن أن يعمل مولد الغاز الطبيعي؟
مع إمداد موثوق عبر الأنابيب، يمكنه العمل طوال المدة التي يسمح بها تصنيف المحرك وخطة الصيانة، إذ لا يوجد خزان يحتاج إلى إعادة تعبئة. ويلزم تصنيف للتشغيل الأساسي أو المستمر لفترات التشغيل الطويلة دون مراقبة.
هل يمكن تحويل مولد ديزل للعمل بالغاز الطبيعي؟
يمكن تزويد مولد الديزل بطقم وقود مزدوج يستبدل جزءًا من الديزل بالغاز بعد الإحماء، لكنه يظل بحاجة إلى الديزل للإشعال. أما التحويل الكامل للعمل بالغاز مع الإشعال بالشرارة فيحتاج إلى رؤوس أسطوانات أو مكابس جديدة، ونظام إشعال وتحكم، ونادرًا ما يكون مجديًا اقتصاديًا.
ما قدرة مجموعة التوليد بالغاز الطبيعي التي أحتاج إليها؟
حدّد قدرتها كما تفعل مع أي مجموعة توليد: اجمع قدرة التشغيل بوحدة kW، وأضف أحمال بدء تشغيل المحركات الكهربائية، وحوّل إلى kVA عند معامل قدرة 0.8. ثم تحقق من أن الاستجابة العابرة لطراز الغاز المختار تلبي أكبر حمل يُضاف دفعة واحدة لديك.
ما مولد الغاز الطبيعي بسرعة 1800 rpm؟
هو مجموعة ذات أربعة أقطاب تنتج كهرباء بتردد 60 Hz، وهي شائعة في أمريكا الشمالية. تُفضل المجموعات الأبطأ بسرعة 1800 rpm و1500 rpm للتشغيل الأساسي والمستمر، لأنها تعمل بدرجات حرارة أقل وتتآكل ببطء أكبر من مجموعات 3600 rpm.
