מכפיל כוח

מכפיל כוח

שילוב צ'ילרים בתהליך ייצור החשמל בתחנות כוח באמצעות קוגנרציה ושיטות קירור באמצעות קיטור במחזור ספיגה ובמחזור דחיסה

מהנדס יוני מלאכי
תגליות הגז הטבעי, פריסת רשת החלוקה הארצית וההצטרפות למשק החשמל של תחנות כוח פרטיות, מייצרות הזדמנויות חדשות לאספקת כוח וחום לצרכני קצה עתירי אנרגיה וזאת באמצעות הקמת תחנות כוח ייעודיות הממוקמות בקרבתם. 
תחנות מסוג זה תהיינה ערוכות לספק כוח בדמות אנרגיה חשמלית במחזור פשוט, או מחזור משולב, וכן אנרגיית חום בדמות קיטור הדרוש לתהליכי ייצור שונים. חידוש נוסף הינו השימוש בקיטור לצורך הנעת צ’ילרים, הקרוי בעגה המקצועית - טריגנרציה, דהיינו ייצור חשמל, חום וקור תחת קורת גג תחנת כוח אחת.
 
תרמו-דינמיקה בסיסית של תחנות כוח:
מחזור משולב - טורבינת בעירה וטורבינת קיטור
תחנת-הכוח הראשונה בארץ ישראל אותה הקים פנחס רוטנברג ב-1923, היתה מסוג דיזל-גנראטור וכושר הייצור שלה היה כ-300 קילוואט. בשנת 1935 הוקמה בחיפה תחנת-הכוח הקיטורית הראשונה והתחנות הבאות שנוספו עם השנים מוקמו לאורך חופי הארץ, כיוו שטכנולוגיית הייצור הקיטורית חייבה קירבה למאגרי מים אדירים שתפקידם לקרר את יחידות הייצור. יחידות אלה התבססו על מזוט כחומר גלם לייצור חשמל והחל משנות ה-80 הוקמו תחנות-כוח שהתבססו על פחם.
במהלך השנים הכניסה חברת חשמל יחידות ייצור מסוג טורבינות גז אשר טכנולוגיית הקירור שלהן מאפשרת למקמן הרחק מחוף הים. כיום מתבסס משק החשמל בישראל על שני קווים ראשיים, לאורכם נפרסות תחנות-הכוח בישראל: קו החוף של יחידות הייצור הקיטוריות, ולצידו - הקו הפנים-ארצי המבוסס על טורבינות גז ויחידות במחזור משולב.
מחזור משולב (מחז”מ) נחשב לחידוש המוביל בתחום שיפור נצילות תהליך הייצור וכיום כל היחידות הנרכשות ונבנות הן בטכנולוגיה זו. המחז”מ הוא שילוב של טורבינת בעירה וטורבינת קיטור המנצל את החום השיורי הנפלט מגזי הפליטה של טורבינת הבעירה במחזור ברייטון, להפקת קיטור במחזור משני לצורך הנעת טורבינה/ות לייצור נוסף של אנרגיה חשמלית במחזור רנקין (ראה ציור מס’ 1). 
ניצול חום שיורי מגזי פליטת טורבינת בעירה, באמצעות מחולל קיטור להשבת חום, לצורך הפקת חשמל במחזור משולב (מקור- ERG)
 
 
בעוד שבמחזור משולב שאינו כולל קוגנרציה, מופנית כל תפוקת הקיטור לייצור חשמל באמצעות טורבינת הקיטור, הרי שבתחנות כוח הכוללות קוגנרציה, מופנה חלק מן הקיטור או כולו להפקת חום. הקמת תחנות מסוג זה בסמיכות לצרכני קיטור מאפשרת ניצול יעיל יותר של החום השיורי המופק באמצעות מחולל הקיטור להשבת החום.
 
קוגנרציה - ייצור משולב של כוח וחום
תחנות המשלבות ייצור אנרגיה חשמלית וניצול חום שיורי של גזי הפליטה לייצור קיטור מוקמות לאחרונה בסמיכות למפעלי תעשייה בעלי דרישה לתפוקות קיטור גבוהות כדוגמת בתי זיקוק, מפעלי ייצור תהליכי וכדומה. ייצור חום בשיטה זו מכונה בעגה המקצועית קו-גנרציה - דהיינו, שילוב של כוח וחום:CHP- Combined Heat & Power Generation.
לאחרונה מאופיין שימוש של אנרגיית חום ואנרגיית קור הניתנות להפקה באמצעות ניצול החום השיורי כנ”ל לייצור קיטור ומים קרים/תמלחת קרה למפעלי תעשייה בעלי דרישה לתפוקות גבוהות של קיטור ומים קרים/תמלחת קרה כדוגמת מחלבות, מפעלי ייצור בתעשיית הטכנולוגיה העלית ועוד.
ייצור חום בשיטה זו מכונה בעגה המקצועית טרי-גנרציה - דהיינו, שילוב של כוח, חום, וקור- CCHP- Combined Cooling, Heat & Power Generation. באמצעות ייצור משולב של כוח וחום ניתן להגדיל בעשרות אחוזים את יעילות ייצור האנרגיה המופקת מתחנת כוח במחזור משולב קו-גנרציה או טרי-גנרציה, וזאת ביחס לתחנת כוח קונבנציונלית (להמחשה, ראה ציור מס’ 2).
 

ניצול חום שיורי מגזי פליטת טורבינת בעירה להפקת כוח וחום, ביחס לתחנה קונבנציונלית (מקור- (Perfect-Green.

 
שילוב צ’ילרים בתהליך ייצור החשמל בתחנות כוח: 
קירור האוויר הנכנס לטורבינת הבעירה
תפוקת טורבינת הבעירה וצריכת חומר הדלק שלה תלויים בטמפרטורת האוויר הנכנס אליה. הסיבה לכך נעוצה בשני גורמים: הגורם העיקרי הינו ירידה בצפיפות האוויר ביחס הפוך לעליית טמפרטורת הסביבה, והגורם המשני הינו עלייה בשיעור עבודת המדחס ולפיכך ירידה בשיעור תפוקת הטורבינה. הבעיה מחריפה בעונת הקיץ שבה קיים אבדן שיא של תפוקה דווקא בעת ביקוש שיא לחשמל ובתעריפי פסגה גבוהים במיוחד.   
הפתרון המיטבי לבעיה ובמיוחד באקלים חם ולח כבאזורנו, הינו קירור מוקדם של האוויר הנכנס לחלל הטורבינה וזאת באמצעות מערכת צ’ילרים ומחליף חום אוויר/מים קרים המותקן בתא יניקת האוויר. הפתרון קרוי בעגה המקצועית: CTIAC- Combustion Turbine Inlet Air Cooling.  
לכל טורבינה עקומה המוגדרת על ידי היצרן ומאפיינת את שיעור ירידת התפוקה ביחס לעליית הטמפרטורה ואת שיעור עליית צריכת חומר הדלק של הטורבינה ביחס דומה כנ”ל (ראה ציור מס’ 3). 

שיעור ירידת התפוקה ושיעור עליית צריכת חומר הדלק של טורבינת בעירה ביחס לטמפ' האוויר בכניסה לטורבינה (מקור- TICA).

 
מערכת הצ’ילרים המשמשת לקירור האוויר בכניסה לטורבינה, לצורך הגדלת תפוקתה, מוזנת בדרך כלל על ידי מתח גבוה (ציור מס’ 4)
 
קירור האוויר הנכנס לטורבינה באמצעות מערכת צ'ילרים מוזנת מתח (מקור-TICA)
 
קירור האוויר הנכנס לטורבינה באמצעות מערכת צ'ילרים מוזנת קיטור (מקור- TICA)
 
, אך קיימת גם אפשרות של הפעלה באמצעות קיטור בטכנולוגיות שתפורטנה בהמשך (ציור מס’ 5). 
 
קו-גנרציה: קירור באמצעות קיטור
הקיטור המופק מניצול החום השיורי של גזי פליטת טורבינת הבעירה, יכול לשמש כמקור אנרגיה להנעת צ’ילרים לייצור מים קרים או תמלחת קרה (ציור מס’ 6).
שימוש בקיטור כמקור אנרגיה להנעת צ'ילרים למיזוג אוויר וקירור תהליכים (מקור- TICA)
הטכנולוגיות הרווחות הינן טכנולוגיית ספיגה, ו/או טכנולוגיית דחיסה.
 
שיטות קירור באמצעות קיטור
צ’ילר במחזור ספיגה
טכנולוגיה זו מתבססת על שילוב של חומר קירור מים, וחומר סופג ליתיום ברומיד. בניגוד לתהליך קירור רגיל שבו משתמשים במדחס מכני להסעת חומר הקירור מהמאדה למעבה, הרי שבתהליך הספיגה משתמשים בתהליך תרמו-כימי לצורך כך. בטכנולוגיה זו משמש הקיטור כמקור חום חיצוני להפרדת אדי המים (החומר המקרר) מתמיסת הליתיום ברומיד (החומר הסופג). תהליך הקירור מתבצע במאדה בתת-לחץ, ואקום של כ-1/100 אטמ’ (ציור מס’ 7). 
 

עיקרון פעולה בסיסי של צ'ילר ספיגה שבו משמש הקיטור כמקור חום חיצוני להפרדת חומר הקירור (מים) מחומר הספיגה (ליתיום ברומיד) (מקור- (Thermax

 

צ'ילר ספיגה מתוצרת YORK לתפוקות קירור שך 4800- 420 KW (מקור -JCI)

צ'ילר במחזור דחיסה

טכנולוגיה זו מתבססת על מחזור דחיסת אדים מהמאדה למעבה כאשר המדחס המכני המשמש לצורך כך, מונע באמצעות טורבינת קיטור. טכנולוגיה זו שימושית בעיקר בתפוקות קירור גבוהות שבהן מתקבל יתרון טכנו-כלכלי ליישום מערכות מסוג זה. מחזור הקיטור בצ’ילר מתבסס על עיקרון מחזור רנקין וכולל טורבינת קיטור ומעבה נפרד לעיבוי הקיטור (ראה ציור מס’ 9). 
עיקרון פעולה בסיסי של צ'ילר דחיסה שבו משמש הקיטור להנעת טורבינה (מקור- JCI).
 
 
סיכום
שילוב צ’ילרים באמצעות קוגנרציה בתחנות כוח באמצעות קיטור מתבצע בשני אופנים:
קירור האוויר הנכנס לטורבינת הבעירה לצורך שיפור יעילות ייצור החשמל של תחנת הכוח.
הפקת של מים קרים/תמלחת קרה לשימוש לצרכי מיזוג אוויר ו/או תהליכי צינון, מחוץ לתחנה.
הטכנולוגיות הרווחות בשימוש הינן: 
  • טכנולוגיית ספיגה - באמצעות תהליך תרמו-כימי שבו משמש הקיטור כמקור חום לצורך הפרדת חומר הקירור (מים), מהחומר הסופג (ליתיום-ברומיד).  
  • טכנולוגיית דחיסה - באמצעות מדחס מונע טורבינת קיטור, במעגל דחיסת אדים קונבנציונלי. 
השימוש בטכנולוגיות נקבע בהתאם ליישום הספציפי והיתרונות הטכנו-כלכליים הגלומים בו.
 

צ'ילר מונע טורבינת קיטור מתוצרת YORK לתפוקות קירור של KW 2400-9800 (מקור JCI).

 
 
 
* הכותב הוא סמנכ”ל תפעול במשב הנדסת קירור ומיזוג אוויר - אחת מהחברות הקבלניות המובילות בתחום מיזוג האוויר המרכזי והקירור התעשייתי בישראל. החברה שנוסדה ב-1965, מתמחה בביצוע פרויקטים רחבי היקף במרכזי אנרגיה, קמפוסים, מפעלי תעשייה וטכנולוגיה עילית, מוסדות ציבור, מרכזי מסחר וקניות ועוד, ומשמשת כנציגה הבלעדית של חברת York international בישראל.










פי.סי.חץ