دليل اختيار محولات مصانع الأسمنت: تحديد السعة لتشغيل الطواحين، والتوافقيات، والغبار

طلب منا محطة طحن في غرب إفريقيا إعادة اقتباس وحدة سعتها ٨ ميغا فولت أمبير في الربع الماضي. كانت الوحدة الأصلية محولة مصنع أسمنت قد طُلبت استنادًا إلى الحمل التشغيلي الفعلي للطاحونة، وعلى امتداد أحد عشر شهرًا، كانت تُخفض جهد الحافلة بشكل كبير عند كل بدء تشغيل للطاحونة الخام، لدرجة أن جهاز التحكم في بدء التشغيل رفض الاستمرار في حالة التشغيل. لم يقِس أحد القدرة الظاهرية اللازمة للبدء. وافتَرض الجميع أن المحولة هي المشكلة — أو ما هو أسوأ من ذلك، افترضوا أنها ليست المشكلة.

الأسمنت من الصناعات القليلة التي يهيمن فيها الحمل الكهربائي على عدد قليل من المحركات الكبيرة جدًّا، والتي تبدأ التشغيل وهي محمَّلة، وتستمر في العمل لأشهر دون توقف حقيقي. محولة مصنع أسمنت في هذه المهمة، تقوم المحولة بمهام اثنتين في آنٍ واحد: فهي تحمل حملًا ثابتًا يعمل على مدار الساعة، كما تمتص التيار الأولي الناتج عن الآلات التي تبلغ قدرتها الظاهرية عند التشغيل عدة أضعاف سعتها الذاتية. وإذا أخطأت في أيٍّ من هذين الجزأين، ستظهر العطلات أثناء مرحلة التشغيل التجريبي، وليس أثناء الاختبارات المصنعية.

 

 

 

كيف يؤثر ملف تحميل مصنع أسمنت على المواصفة القياسية

يستهلك مصنع أسمنت حديث ما يقارب ١١٠ إلى ١٢٠ كيلوواط ساعة من الطاقة الكهربائية لكل طن من الأسمنت، وتُشكِّل المحركات الكهربائية الغالبية العظمى من هذه الكمية — إذ تشير التقييمات الصناعية إلى أن حمل المحركات يمثِّل ٦٥ إلى ٧٥ في المئة من استهلاك المصنع للطاقة الكهربائية. ويتركَّز الجزء الأكبر من هذا الحمل في عملية التكسير: وهي طاحونة المواد الأولية، وطاحونة الأسمنت، وفي الخطوط الأحدث أيضًا، الصحافة الأسطوانية، وكلٌّ منها يُدار بواسطة محرك رئيسي بقدرة تتراوح بين ٣ إلى ٦ ميغاواط.

يتفق طرف الطلب. وتشير دراسة وزارة الطاقة الأمريكية حول استهلاك محطات إنتاج الإسمنت للطاقة الكهربائية إلى أن مطاحن الطحن الكبيرة تُشكِّل أكبر حمل كهربائي وحيد في الموقع، وتلاحظ أن هذه المحطات عادةً ما تعمل باستمرار لعدة أشهر بين عمليات الإيقاف. وكلا الرقمين مهمان في تحديد المواصفات: فمحطّةٌ لا تشهد دورة حمل يومية تحمل معامل حمل يتراوح بين ٠,٨ و٠,٩ من القدرة الاسمية لها لفترات طويلة، وهي حالة حرارية تختلف تمامًا عن محطة صناعية تصل فيها الأحمال إلى ذروتها مرتين يوميًّا. ويتم تتبع السياق على مستوى القطاع في صفحة قطاع الإسمنت لدى وكالة الطاقة الدولية ، أما البيانات الأساسية الخاصة بالمحطات فهي مستمدة من دراسة مختبر لورنس بيركلي الوطني / وزارة الطاقة الأمريكية الخاصة بصناعة الإسمنت .

وهناك ثلاث كميات تُحدَّد في مواصفات مشاريع الإسمنت بشكل غير كافٍ أكثر من أي كميات أخرى: القدرة الظاهرية (kVA) اللازمة لتشغيل المحركات، والمحتوى التوافقي الناتج عن محركات المطاحن، والظروف الجوية الفعلية ومستويات الغبار في الموقع. ويتناول باقي هذا الدليل كلًّا من هذه الكميات بالترتيب الذي تسبب به عادةً المشاكل.

 

تحديد الأحجام بناءً على بدء تشغيل محركات المطاحن، وليس بناءً على القدرة الكهربائية المستهلكة أثناء التشغيل

يصل عادةً طلب العروض المبدئي مع حمل التوصيل بالكيلوواط وطلب «محول مناسب». هذه المعلومات غير كافية لتحديد حجم المحول. محولة مصنع أسمنت إن القدرة الظاهرة الأولية (kVA) عند التشغيل هي ما يُحدِّد انخفاض الجهد، وهذه القدرة الظاهرة الأولية تتحدد بتيار القفل الدوراني وليس بالقدرة التشغيلية.

خُذ مثلاً محركاً لمطحنة خام بقدرة ٤ ميغاواط وفولتية ٦,٦ كيلوفولت، وتيار قفل دوراني يساوي ستة أضعاف تيار الحمل الكامل، وكفاءة ٠,٩٤ ومعامل قدرة ٠,٩٠. إن القدرة الظاهرة المُصنَّفة للمحرك تبلغ نحو ٤,٧ ميغافولت أمبير، وبالتالي فإن القدرة الظاهرة الأولية عند التشغيل تصل إلى نحو ٢٨ ميغافولت أمبير — أي ما يعادل تقريباً ستة أضعاف القدرة الظاهرة المُصنَّفة للمحرك. ويمكن تقدير انخفاض جهد الحافلة الناتج عن ذلك بالعلاقة التالية: (القدرة الظاهرة الأولية عند التشغيل × نسبة إعاقة المحول بالمئة) ÷ قدرة المحول المُصنَّفة. وبتجاهل إعاقة مصدر التغذية — وهو افتراضٌ صالحٌ فقط عند وجود تغذية شبكة كهربائية صلبة — تصبح الحسابات كما يلي:

تصنيف المحول.	العائق	انخفاض تقريبي في جهد الحافلة عند تشغيل مطحنة بقدرة ظاهرة أولية ٢٨ ميغافولت أمبير	قراءة عملية
٦ ميغافولت أمبير	7.5%	35%	لن يثبت مفتاح تشغيل المطحنة؛ وسيؤدي حماية المحرك إلى الانقطاع
١٠ ميغافولت أمبير	7.5%	21%	حالة حرجة — يتطلب الأمر استخدام طريقة تشغيل ذات جهد منخفض أو تشغيل لطيف
١٦ ميغافولت أمبير	8.0%	14%	يمكن تشغيله من مصدر ثابت؛ تحقق من مستوى العطل في الاتجاه الصاعد
٢٠ ميغا فولت أمبير	8.0%	11%	بدء التشغيل مريح، لكن تأكَّد من قدرة التحمُّل عند حدوث القصر الكهربائي

 

وبالتالي، يبدأ تحديد حجم المحول في موقع إنتاج الأسمنت من قائمة المحركات بدلًا من إجمالي الأحمال المتصلة. وتعتمد هذه الأرقام على افتراض أن الطاحونة هي المحرك الكبير الوحيد الذي يبدأ التشغيل، وأن المصدر كافٍ قوةً لتجاهله. أما في الواقع، فإن تغذية المرفق العام الضعيفة تحد من الانخفاض في الجهد بغض النظر عن حجم المحول، ويصبح الحل المطلوب هو استخدام جهاز بدء تشغيل لطيف أو محول تردد متغير أو إجراء دراسة خاصة ببدء تشغيل المحركات بدلًا من زيادة حجم المحول. محول غاطس في الزيت .انخفاض جهد بدء تشغيل المحرك، والتيار عند حالة القفل الدوراني، والمقاومة وقد ورد شرحٌ أكثر تفصيلًا لهذه العناصر في دليلنا الخاص ببدء تشغيل المحركات.

 

التشويش التوافقي: لماذا تتوقف المواصفات المتوافقة مع المحولات المتغيرة عادةً عند منتصف الطريق

معظم خطوط الإسمنت التي بُنِيَت أو حُدِّثَت في العقد الماضي تُشغِّل مطاحنها ومراوحها عبر محركات تردد متغير، ومحرك التردد المتغير ذا الستة أقطاب يستهلك تيارًا كهربائيًّا يحتوي على ترددات توافقية خامسة وسابعة غزيرة قبل أي ترشيح. وتؤدي هذه التيارات إلى أمرين: تشويه شريط التوزيع في المصنع، وتوليد خسائر إضافية ناتجة عن التيارات الدوامية داخل لفات المحول، والتي تظهر على هيئة مناطق ساخنة محلية بدلًا من ارتفاعٍ في درجة حرارة الزيت يُظهره مقياس حرارة الزيت. والنتيجة بالنسبة لـ محولة مصنع أسمنت هي أن درجة الحرارة الأعلى في لفائف المحول — وليس درجة حرارة زيت السطح — تصبح الشرط المحدِّد.

تحدد معايير IEEE 519 الحدود القصوى للتيارات التوافقية المقاسة عند نقطة الاتصال المشتركة، ولنسب قصر الدائرة المعتادة في شريط توزيع المصنع فإن حد التشويه الكلي للطلب يقع في الخانة الآحادية — وهذا هو السبب في أن الجهات المُنظِّمة تطلب التحقق الفعلي من الامتثال، لا مجرد التصنيف المذكور K-rating. التوافقية الناتجة عن محركات التردد المتغير هي بالتالي مدخلٌ في المواصفات، وليس مشكلةً تظهر لاحقًا.

توجد محولات ذات معامل كي (K-factor) لهذا التحميل بالضبط، وهي الحل القياسي في الحالات التي توجد فيها هذه الأحمال بكميات كبيرة. التوافقية الناتجة عن محركات التردد المتغير ورقم معامل كي هو مجموع المربعات النسبية للتيارات التوافقيّة مضروبةً بمربع رتبتها عبر جميع الرتب التوافقيّة: فمثلاً، يُسهم توافقي خامس بنسبة ٢٥٪ بمقدار ٠٫٢٥² × ٥² = ٦٫٢٥ وحدة نسبية من فقدان التيارات الدوامية وحده. وتُصنع الوحدات ذات معامل كي-٤ وكي-٩ وكي-١٣ بحيث تبقى خسائر اللفائف والقلب ضمن الحدود التصميمية المسموح بها عند هذا الطيف التوافقي، ويُعرَّف هذا الترميز في معيار UL الخاص بالمحولات الجافة.

بالنسبة للوحدات الكبيرة محول غاطس في الزيت لا يكفي اعتماد تصنيف معامل كي وحده. ويتم التعامل مع المسألة الحرارية عن طريق تخفيض قدرة الوحدة وفقاً للطيف التوافقي الفعلي، وهو ما يصفه معيار IEEE C57.110، وعن طريق طلب إظهار حسابات فقدان الطاقة التوافقيّة من المورد بدلًا من الاعتماد على لاحقة مطبوعة على اللوحة التعريفية. وفي الحالات التي يكون فيها الطيف التوافقي شديدًا، فإن الحل الهندسي الأقل تكلفة غالبًا ما يكون في الموقع السابق: مثل تكوين ذو اثني عشر نبضة، أو واجهة أمامية نشطة، أو مجموعة مرشحات غير متناغمة على حافلة المحرك.

 

الغبار والحرارة والتبريد: ظروف الموقع التي تحدد الغلاف الواقي

يُحدَّد ارتفاع درجة حرارة المحول بالنسبة إلى أقصى درجة حرارة محيطة تبلغ ٤٠°م وفقًا للمعيار المعتاد آي إي سي ٦٠٠٧٦. أما محطات إنتاج الأسمنت في منطقة الخليج والمنطقة الساحلية (الساحل) وبعض أجزاء جنوب آسيا، فهي عادةً ما تسجِّل درجات حرارة في الظل تتراوح بين ٤٥ و٥٠°م، مع إضافات من الحرارة المشعة المنبعثة من قشور الأفران الدوارة وأبراج ما قبل التسخين، مما يزيد العبء المحلي. وعندما تتجاوز درجة الحرارة المحيطة القيمة المرجعية، يجب خفض تصنيف الوحدة (تخفيض قدرتها التشغيلية)، أو طلبها بانحدار تصميمي أقل؛ فاستخدام نفس التصنيف يؤدي ببساطة إلى ارتفاع درجة حرارتها أثناء التشغيل وتقدُّمها في العمر بشكل أسرع.

ويشكِّل الغبار النصف الثاني من المشكلة، وهو مشكلة تبريد أولًا قبل أن يكون مشكلة نظافة. فغبار الأسمنت وغبار المواد الأولية ناعم القوام، قاعدي الطابع، وموصل كهربائي خفيف بمجرد امتصاصه للرطوبة، لذا فهو يُكوِّن جسورًا توصيلية على طول مسارات التسرب حول العوازل ومربعات الطرفية. كما أنه يملأ الفراغات الموجودة في جدران الخزان المموجة وفي زعانف المبادلات الحرارية، وهي المناطق التي تُولِّد فيها عملية التبريد جزءًا كبيرًا من أدائها. محول غاطس في الزيت يُفرِّغ معظم حرارته. وعند انسداد مرشحات وحدة التبريد القسري، تفقد هذه الوحدة تصنيفها القسري بالكامل، وتعود إلى تصنيفها للتبريد الذاتي في اللحظة بالذات التي يعمل فيها المصنع بأقصى طاقته.

وما يعنيه ذلك في مرحلة تحديد المواصفات: زيادة المسافة بين الأجنحة أو المبرِّدات في المواقع شديدة الغبار، واستخدام غلاف إنهاء بتصنيف IP54 أو أعلى، وختم وتجهيزات مانعة للتسرب مُصنَّفة لتحمل الغبار القاعدي، وتركيب مؤشرٍ لمراقبة فرق الضغط باستمرار على أي مجموعة تبريد قسري كي يرى فريق الصيانة مدى امتلاء المرشحات قبل أن يؤثِّر ذلك سلباً على السعة الإنتاجية. أما عند استخدام وحدة جافة داخل غرفة التحكم الكهربائي (MCC)، فإن اختيار الغلاف يتبع نفس المنطق: المرشح، الختم، وتحديد فترة التنظيف. المحولات المُحدَّدة للمواقع الحارة والغبارية تتبع مجموعة قواعد مماثلة.

 

الشهادات وأدلّة الاختبار المطلوبة أثناء اختبار التسليم النهائي (FAT)

في مشاريع الأسمنت في أمريكا الشمالية، تُحسم مسألة التصديق قبل مسألة الأداء، لأن المفتش يصل ومعه قائمة. ويجب أن تحمل الوحدات المملوءة سائلًا والوحدات الجافة العلامات المُعتمدة الخاصة بفئتها؛ أما المواقع الكندية فتتطلب علامات CSA أو ما يعادلها المعتمد، بينما تغطي الأسواق الخاضعة لمعايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) المعيار IEC 60076، مع تطبيق الجزء IEC 60076-11 على الوحدات الجافة. وتحدد المواصفات العامة وأساليب الاختبار للوحدات المغمورة سائلًا في المعايير IEEE C57.12.00 وIEEE C57.12.90.

وراء هذه المرحلة، تُجرى اختبارات قبول المصنع التي تُحدِّد ما إذا كان مشروع إنتاج الأسمنت سيحقِّق جدول التسليم أم لا. وتتضمن الاختبارات الأساسية قياس النسبة والقطبية ومقاومة اللفائف وفقدان الطاقة عند حالة عدم التحميل وفقدان الطاقة عند التحميل والمحاثة والجهد المطبق والجهد المستحث، بالإضافة إلى ارتفاع درجة الحرارة والنبضة كاختبارات نوعية. وهناك اختباران إضافيان يستحقان قضاء يومٍ إضافي في غرفة الاختبار: أولهما تقرير مُقاسٌ لارتفاع درجة الحرارة مرتبطٌ بدرجة حرارة الجو المحيط في الموقع بدلًا من الإشارة العامة لقيمة ٤٠°م، وثانيهما تحليل استجابة التردد الممسوح (إف آر إيه) الذي يُجرى قبل الشحن لإنشاء بصمة فريدة، مما يسمح باكتشاف أي أضرار ناتجة عن النقل عند الموقع عبر المقارنة مع البصمة الأصلية، بدلًا من الخوض في نقاشات غير مجدية.

 

كيف نُصنِّع ونختبر الوحدات المصمَّمة لمهام إنتاج الأسمنت

تُصنِّع شركة رايان إلكترك المحولات التوزيعية والمحولات الكهربائية منذ عام ٢٠٠٧ من قاعدة إنتاجية تبلغ مساحتها ١٢٠٠٠٠ متر مربع، وتضم أكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار وتحوز ٣٧ براءة اختراع، كما أقامت شراكة مشتركة مع شركة إيتن منذ عام ٢٠٢٣. وتُنتَج وحدات مهام إنتاج الأسمنت على نفس خطوط الإنتاج المُستخدمة في مشاريع المرافق العامة ومراكز البيانات، وفي كلٍّ من محول غاطس في الزيت والبناء من النوع الجاف.

 

 

في مشاريع الإسمنت، نقيس فقدان الطاقة بدون حمل وفقدان الطاقة تحت الحمل في كل وحدة بدلًا من الاعتماد على القيم التصميمية المُقدَّرة، ونعتبر هامش فقدان التوافقيات حسابًا خاصًا بكل مشروع، يتحدد وفق جدول تشغيل المحركات الذي يحدده العميل. وأول مستند يطلبه مهندسو التطبيقات لدينا ليس مواصفات المحول، بل قائمة المحركات — أي عدد المحركات، وعدد النبضات لكل منها، وما إذا كان هناك طاحونة أسطوانية ضمن الدائرة الكهربائية — لأن هذه القائمة تحدد عامل كي (K-factor)، وفئة الممانعة، ونوع التبريد، بالترتيب المذكور.

والعادة الأخرى التي توفر أسابيع من وقت التشغيل الأولي هي التعبئة والتغليف. فمعظم مصانع الإسمنت تقع في المناطق الداخلية، ما يعني أن النقل إلى الموقع يتم عبر الطرق البرية أو السكك الحديدية بعد الوصول إلى الميناء؛ ولذلك تُثبَّت الوحدات لتحمل الصدمات الناتجة عن النقل البري، ويُشحن الزيت في براميل محكمة الإغلاق في التصنيفات الأكبر، وتُرفق بصمة تحليل الاستجابة الترددية للصلابة (SFRA) مع تقرير الاختبار ليتمكن الفريق الميداني من استخدامها كمرجع مبدئي للمقارنة.

 

الطلب وفق نافذة إيقاف الفرن الدوار

مصنع الإسمنت لا يتوقف من أجل المحول. بل يتوقف بسبب إيقاف التشغيل، وتُحدَّد تاريخ إيقاف التشغيل وفقًا لحمل الفرن، ولذلك يجب أن تبدأ ساعة الشراء عدًّا تنازليًّا من ذلك التاريخ بدلًا من العد التصاعدي من تاريخ الطلب. تحديد حجم المحول وتخطيط مدة التوريد ينتميان كلاهما إلى تلك الساعة.

أرسل إلينا المخطط ذا السطر الواحد، وقائمة المحركات، والظروف البيئية في الموقع، وتاريخ إيقاف التشغيل، وسنُزوِّدك بتصنيف المحول، وفئة الممانعة، وترتيب التبريد، والتاريخ المطلوب. اتصل بفريق هندسة التطبيقات لدينا على البريد الإلكتروني [email protected] أو على الرقم +86-15371760308، وسنُجري حسابات بدء التشغيل والتوافقيات استنادًا إلى قائمة محركاتك الفعلية.

حول المؤلف: أعدّ هذا الدليل فريق هندسة التطبيقات في شركة جيانغسو رايان للكهرباء المحدودة (ريان ترانسفورمرز)، التي صمّمت وصنّعت محولات غامرة بالزيت ومحولات جافة لأنواع مختلفة من العملاء الصناعيين، وشركات التوزيع الكهربائي، ومراكز البيانات منذ عام ٢٠٠٧. ويُجيب الفريق الهندسي مباشرةً على الأسئلة الخاصة بكل مشروعٍ تتعلّق بتشغيل المحطات، أو خفض القدرة بسبب التوافقيات، أو خفض القدرة بسبب درجة حرارة الموقع المحيطة، عبر البريد الإلكتروني [email protected].