محولات محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية: تحديد المواصفات لمقاومة تآكل كبريتيد الهيدروجين، والحمل المستمر، والمواقع النائية

أرسل لنا مشغِّل محطة حرارية أرضية في وادي الصدع وحدة رفع جهد سعتها ١٢ ميغا فولت أمبير لإخضاعها للفحص بعد ثمانية عشر شهراً من التشغيل. لم يفشل أي جزء كهربائياً. أما ما فشل فكان الطلاء: فقد تقرَّح طلاء خزان المحول حتى ظهر الفولاذ العاري على طول صف المبادلات الحرارية، وتحوَّلت درابزينات النحاس إلى اللون الأخضر-الأسود، واصطبغ هلام السيليكا في جهاز التنفس بلون داكن خلال أسابيع قليلة من بدء التشغيل. والسبب هو كبريتيد الهيدروجين، ذلك الغاز نفسه الذي يجعل الحقل الحراري الأرضي جديراً بالتنقيب، وهو يهاجم كل ما يُثبَّت عليه.

وُضِعَ التقييم الصحيح للوحدة. لكنها لم تُحدَّد بشكلٍ صحيح. ويُقرِّر هذا الفرق ما إذا كانت محوِّل محطة طاقة حرارية أرضية يوفِّر لك خدمةً أساسيةً لمدة خمسة وعشرين عامًا أم يُستبعد عند أول عطلٍ رئيسي.

 

 

لماذا تُعد الطاقة الحرارية الأرضية واجبًا أصعب من الطاقة الشمسية أو الرياح

توصِف وزارة الطاقة الأمريكية الطاقة الحرارية الأرضية بأنها طاقة أساسية بمعدل توافر عامل السعة يبلغ نحو ٩٠٪، أي أن محطة الطاقة الحرارية الأرضية تعمل بإنتاجٍ أقصى تقريبًا باستمرارٍ، بينما توازن بين الموارد المتقطعة مثل الرياح والطاقة الشمسية. وهذا الرقم الوحيد يعيد تشكيل واجب المحوِّل. ويمكنك قراءة الوصف الكامل على موقع مكتب الطاقة الحرارية الأرضية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية .

لا تتقدَّم المحوِّلات في العمر بسبب الحمولة القصوى، بل تتقدَّم في العمر بسبب مدة بقائها عند درجة حرارة مرتفعة. فالمُحوِّل في مزرعة شمسية يتعرَّض لحملٍ شديدٍ بعد الظهر، ثم يمرُّ بليلةٍ طويلةٍ باردةٍ للتعافي. أما مُحوِّل الطاقة الحرارية الأرضية فلا يحظى أبدًا بهذه الفترة التعافية. فهو يبقى قريبًا من حمولته المُصنَّفة طوال الليل، وطوال عطلات نهاية الأسبوع، وطوال عمر التشغيل الكامل للمحطة.

الجدول أدناه يوضح سبب اختلاف المواصفات الثلاثة رغم تساوي تصنيف الكيلوفولت-أمبير.

نوع النبات	عامل السعة	نمط حمل المحول	الإجهاد السائد
الطاقة الشمسية الكهروضوئية	20% - 25%	منحنى الحمل اليومي، ووقت التوقف الليلي	التمدد والانكماش الحراري، والتشويهات التوافقيّة الناتجة عن العاكسات
رياح	٣٠٪ – ٤٥٪	غير منتظم، متغيّر للغاية	التشغيل المتكرر، والتشويهات التوافقيّة الناتجة عن الحمل
الطاقة الحرارية الجوفية	حوالي 90%	قرب الحمل من القيمة الاسمية، على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع	ارتفاع درجة حرارة بقعة السخونة في الملفات بشكل مستمر، وتآكل كبريتيد الهيدروجين، وصعوبة الوصول إلى الموقع النائي

 

كبريتيد الهيدروجين: آلية الفشل التي نادرًا ما تظهر في ورقة المواصفات

يظهر كبريتيد الهيدروجين في بخار وملح مصادر الطاقة الحرارية الأرضية بتركيزات تتراوح بين بضعة أجزاء في المليون وعددٍ من المئات. وهو لا يشكّل خطر اشتعال عند هذه المستويات، ولذلك بالضبط يُهمَل في عمليات الشراء. أما ما يمثله فعلاً فهو عامل تآكل للمعادن. تآكل كبريتيد الهيدروجين يهاجم النحاس والفضة بشكل تفضيلي، مكوّنًا أفلام سلفيد ترفع مقاومة التوصيل عند كل وصلة مربوطة أو مطلية في مسار التيار.

وبالتطبيق العملي، فهذا يعني درابزينات العزل (bushing studs)، ونقاط تلامس منظم الجهد (tap changer contacts)، ونقاط توصيل أسلاك التحكم، وأي وصلة مطلية بالفضة داخل صندوق الطرفيات. وقد فتحنا وحدات حرارية أرضية كانت عزل لفاتها سليمة تمامًا، بينما كانت نقاط تلامس منظم الجهد هي السبب الوحيد لاستبعاد الوحدة من الخدمة. والحل يكمن في اختيار المواد: تجنّب الطلاء بالفضة تمامًا في الطلبيات الخاصة بالطاقة الحرارية الأرضية، واستخدم بدلاً منها سطوح تلامس نحاسية مطلية بالقصدير أو نيكلية، واحكم إغلاق خزانة التحكم باستخدام حشوة مطاطية بدلًا من فتحات تهوية مشبّكة.

نظام حفظ الزيت مهمٌ بنفس القدر. فخزان التوسع المفتوح يسحب يوميًّا هواءً مشبعًا بغاز كبريتيد الهيدروجين (H2S) إلى داخل الزيت كلما انكمش الفراغ العلوي للخزان. أما في التطبيقات الجوفية الحرارية، فإننا نحدّد استخدام جهاز تنفُّس مغلق مزوَّد بمُجفِّف هواء، أو تصميمًا مغلقًا تمامًا بشكل محكم. محول غاطس في الزيت وباتخاذ هذا القرار الوحيد، نحمي الزيت والعزل واتصالات منظم التبديل في الوقت نفسه.

 

تحديد سعة محول محطة الطاقة الجوفية الحرارية لمُعامل قدرة بنسبة ٩٠٪

أَجرِ الحسابات الرياضية قبل اختيار السعة المُقرَّرة. ففي حالة معامل قدرة بنسبة ٩٠٪ عامل السعة ، تتراكم لدى وحدة الطاقة الجوفية الحرارية نحو ٧٨٨٠ ساعة تشغيلٍ محمَّلة سنويًّا، بينما تتراكم لدى محطة الطاقة الشمسية ذات معامل القدرة ٢٥٪ نحو ٢١٩٠ ساعة فقط. وبالتالي، يقضي محول الطاقة الجوفية الحرارية ما يقارب ثلاثة أضعاف ونصف عدد الساعات عند درجات حرارة مرتفعة كل سنة، والشيخوخة الحرارية تراكمية.

هذا هو السبب في أننا نحدّد ارتفاع درجة حرارة لفائف التحويلة بمقدار ٥٥ كلفن للتطبيقات الجيولوجية الحرارية، بدلًا من القيمة الافتراضية البالغة ٦٥ كلفن التي تنص عليها معظم مواصفات التوزيع. ويسهم خفض ارتفاع درجة الحرارة المُصمَّم في خفض درجة حرارة النقطة الأشد سخونة، ما يطيل عمر العزل الكهربائي. والمقايضة هنا حقيقية: فتوقع زيادة حجم القلب الحديدي، وزيادة مساحة المبرِّد، وزيادة وزن الخزان لنفس القدرة الظاهرة بالكيلوفولت أمبير.

عادةً ما ترفع محولات رفع جهد المولدات في محطات التبخر السريع والمحطات الثنائية جهد المولد من نطاق يتراوح بين ٤,١٦ كيلوفولت و١٣,٨ كيلوفولت إلى جهد جامع قدره ٣٤,٥ كيلوفولت أو إلى اتصال نقل بجهد يتراوح بين ٦٩ كيلوفولت و١٣٨ كيلوفولت. ويجب تحديد حجم الوحدة استنادًا إلى القدرة الظاهرية للمولد (بالميغا فولت أمبير) بالإضافة إلى الحمل الاستهلاكي الداخلي للمحطة — مثل أبراج التبريد، ومضخات المياه الدائرية، وأنظمة التفريغ، واستخلاص الغاز — ثم التأكد من التصنيف مقابل ملف الحمل الفعلي بدلًا من رقم واحد مطبوع على اللوحة التعريفية. وإذا كانت المحطة تتوقع التشغيل فوق القدرة المُعلَّقة على اللوحة التعريفية خلال الفترات الغنية بالبخار، فاطلب توثيق القدرة على التحميل الزائد وفق دليل تحميل IEEE C57.91 بدلًا من افتراضها.

 

التبريد، والطلاء، ومواصفات نظام الدهان

توجد مواقع الطاقة الحرارية الجوفية غالبًا على السواحل أو في المناطق البركانية، لذا تتراكم عاملان مسببان للتآكل: كبريتيد الهيدروجين القادم من الجانب العملي، وأملاح الكلوريد الموجودة في الهواء البحري. ونظام الطلاء يُعد بندًا تفصيليًّا في المواصفات الفنية، وليس مجرد تفصيل للتشطيب النهائي. وعليك تحديد فئة التآكل في طلب العروض (RFQ) والالتزام بها مع المورد. تصنيف البيئات حسب المعيار الدولي ISO 12944-2 يُعرِّف الفئات من C1 إلى CX، وهو اللغة المشتركة التي يتفق عليها كلٌّ من المشترين والمصنِّعين؛ أما الفئة C5-M فهي التي تشمل التعرُّض للسواحل والبيئات البحرية.

لطلبات الطاقة الحرارية الجوفية الساحلية، نقدِّم اقتباسًا لأنظمة طلاء تتضمَّن طبقة أولية إيبوكسية، وطبقة وسيطة إيبوكسية، وطبقة خارجية بولي يوريثان، وبسمك إجمالي جاف يتراوح حول ٣٢٠ ميكرومتر، وتُطبَّق على سطح مغلفن بالغمر الساخن أو مُنظَّف بالرمل. أما أجنحة المبرِّدات فتتطلَّب معاملة منفصلة: ففي محطات الطاقة الحرارية الجوفية، تتراكم الأتربة ومركبات الكبريتيد على هذه الأجنحة، ولذلك فإن طبقة الطلاء الرقيقة التي قد تكون مناسبة في المناطق الداخلية قد تزول تمامًا خلال موسمين فقط. لذا يجب تحديد متطلبات حماية أجنحة المبرِّدات من التآكل بشكل صريح.

كذلك يتطلب التبريد نفسه إعادة نظرٍ ثانية. فالوحدة التي تعمل بالقرب من حملها الاسمي على مدار ٢٤ ساعة يوميًّا في بيئة تتراوح حرارتها بين ٤٠ و٥٠ درجة مئوية لا تمتلك هامشًا يُذكر لفقدان الأداء. ويجب التحقق من درجة حرارة النقطة الساخنة في الملفات، المحسوبة عند درجة الحرارة المحيطة في الموقع بدلًا من ٣٠ درجة مئوية، والتأكد من تحديد مراحل التبريد المعتمدة على المراوح مع إمدادات طاقة مستقلة، بحيث لا يؤدي عطل في دائرة التحكم إلى فقدان مرحلة التبريد الثانية.

 

الارتفاع عن سطح البحر ومناطق الزلازل ونقل الوحدة إلى الموقع

يقع العديد من حقول الطاقة الحرارية الأرضية في العالم على ارتفاع يزيد عن ١٠٠٠ متر: مثل مجمع أولكاريا في كينيا، وبعض أجزاء إندونيسيا، ومعظم منطقة شق شرق إفريقيا. فكلا مقاومة العزل وأداء التبريد ينخفضان مع الارتفاع، وبالتالي فإن الوحدة المُحدَّدة عند مستوى سطح البحر ليست هي نفسها عند ارتفاع ٢٠٠٠ متر. ويجب تطبيق عوامل خفض التصنيف على مستوى العزل وحساب التبريد، كما يجب أن يظهر هذا الحساب في تقرير الاختبار بدلًا من ذكره كادعاءٍ فقط.

يُعَدُّ التصميم المقاوم للزلازل القيد الجغرافي الثاني. فتقع حقول وادي الصدع، وأيسلندا، وإندونيسيا، وكاليفورنيا جميعها في مناطق زلزالية نشطة، ويُعَدُّ المحول أثقل عنصرٍ في المحطة الفرعية. وهذا يعني ضرورة تصميم التثبيت، ومتانة لوحة القاعدة، وفي مشاريع المرافق العامة، اجتياز الاختبار الزلزالي وفق معيار IEEE 693. أما الركيزة الملحومة العامة فهي ليست تصميمًا مقاومًا للزلازل.

ثم تأتي عوامل اللوجستيات، التي تفاجئ المشترين أكثر من أي معامل كهربائي آخر. فعادةً ما تصل الطرق المؤدية إلى حقول الطاقة الحرارية الأرضية عبر طرق وصول طويلة ذات سطح غير جيِّد، ومحدودية صارمة في الوزن المسموح به لكل محور. وقد يكون شحن وحدة كاملة التجميع وزنها ٤٠ طنًا إلى موقع بعيد أمرًا مستحيلاً. والحل العملي هو تصميم يُرسل على أجزاء: خزان يُشحن بعد إفراغ الزيت منه، ومبرِّدات تُعبَّأ في صناديق منفصلة، ومُوصِلات تُرسل في علب مخصصة، مع توثيق تسلسل تركيبها في الموقع وقيم العزوم المطلوبة. و نطاق المحولات المغمورة بالزيت يُزوَّد عادةً بهذه التركيبة في مشاريع التوليد النائية.

 

 

كيف تعد شركة ريان إلكترك وحدةً للعمل في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية

يمر كل طلبٍ متعلقٍ بالطاقة الحرارية الأرضية بقائمة مواصفات مختلفة عن تلك الخاصة بوحدة التوزيع القياسية. وتُسجَّل بدائل المواد في قائمة المكونات لتمكين المشتري من مراجعتها: عدم استخدام التوصيلات المطلية بالفضة، والحفاظ على الزيت بشكل محكم، والطلاء من النوع C5-M، والتحقق من خفض القدرة الكهربائية وفق الارتفاع، وتثبيت الوحدة ضد الزلازل مع توثيق ذلك. ثم يحتوي تقرير الاختبار الروتيني على بيانات مقاومة التبريد ونسبة التحويل اللازمة لإدخال النظام التشغيل، والمُقاسة وفق المواقع الفعلية للمقابض المورَّدة.

نَبني في منشأة تبلغ مساحتها ١٢٠٠٠٠ متر مربع، ومزودة بأكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار و٣٧ براءة اختراع، ونمتلك شهادات الاعتماد من جهات مثل يو إل (UL) وسي إس إيه (CSA) وآي إي إي إي (IEEE) وديكرا (DEKRA) وسي إن إيه إس (CNAS) وسي إي (CE). ومنذ عام ٢٠٢٣، تعمل شركة ريان إلكتريك (Ryan Electric) كشريك رسمي في مشروع مشترك مع شركة إيتن (Eaton)، ما عزَّز معايير التوثيق التي نلتزم بها. والوحدات التي نُرسلها إلى المواقع ذات التآكل العالي أو المرتفعة أو النائية تُبنى على نفس المنصة التي نُصمِّمها لعملائنا في مراكز البيانات والمرافق العامة والتعدين، مع تحديد مواصفاتها بدقة وفق الظروف الفعلية للموقع.

 

ما الذي يجب تضمينه في طلب عرض أسعار لمحوِّل الطاقة الحرارية الأرضية

معظم طلبات عروض الأسعار للطاقة الحرارية الأرضية التي نتلقاها تذكر الجهد والتصنيف والمقاومة فقط، ثم تتوقف عند هذا الحد. وهذه العناصر الثلاثة لا تصف متطلبات التشغيل في البيئات الحرارية الأرضية. أضف هذه المدخلات السبعة، وسيصبح العرض الذي تتلقاه قابلاً للمقارنة بين المورِّدين:

تركيز غاز كبريتيد الهيدروجين (H2S). التركيز المقاس بالجزء من المليون (ppm) في البخار أو المياه المالحة، مع تحديد ما إذا كان الموقع ساحليًا أم لا.

درجة حرارة الجو المحيط بالموقع وارتفاعه عن سطح البحر. أقصى درجة حرارة محيطة مُصمَّمة بالدرجة المئوية والارتفاع عن مستوى سطح البحر.

فئة التآكل ونظام الطلاء. فئة معيار الآيزو ١٢٩٤٤-٢ بالإضافة إلى سمك طبقة الطلاء الجاف المطلوب.

ملف الحمل وعامل السعة. عدد الساعات السنوية المتوقعة للتشغيل تحت الحمل، وليس فقط القدرة الاسميّة بالكيلوفولت أمبير.

ارتفاع درجة حرارة لفائف المحول وحدّ الحرارة الأقصى. اذكر ارتفاع الدرجة المطلوب، أو اطلب من المورِّد تبرير القيمة الافتراضية.

المتطلبات الزلزالية. ما إذا كانت مؤهَّلة وفق معيار آي إي إي إي ٦٩٣ أم أن معايير التثبيت الخاصة بالموقع هي التي تنطبق.

حدود النقل. أقصى وزن لقطعة واحدة، والقيود المرورية، وما إذا كان من المتوقع تركيبها في الموقع.

 

قبل تحديد وحدة الطاقة الحرارية الأرضية التالية

أرسل إلينا بيانات الموقع — تركيز غاز كبريتيد الهيدروجين، والظروف المحيطة، والارتفاع عن سطح البحر، والمنطقة الزلزالية، وملف الأحمال — وسيقوم فريق هندستنا بإعداد ورقة مواصفات توضح بدائل المواد، وحساب التبريد، وخطة النقل. ونفضل مناقشة نظام الطلاء على الورق بدلًا من استبدال مجموعة مبردات في الموقع.

عن المؤلف: كتبت هذه المقالة فرقة الهندسة في شركة ريان إلكترك (ريان ترانسفورمرز جيانغسو)، وهي شركة مصنعة لمحولات الراتنج المصبوب والمحولات الغاطسة في الزيت والمحولات المركبة على القواعد، وتخدم العملاء في قطاع المرافق العامة ومراكز البيانات وتوليد الطاقة المتجددة والصناعات منذ عام ٢٠٠٧. ويعمل الفريق يوميًّا وفق متطلبات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE C57) واللجنة الدولية للتقييس (IEC 60076)، ويدعم المطورين ومتعهدي التصميم والبناء (EPC) خلال مراحل تحديد المواصفات واختبارات المصنع وتشغيل المنشآت في الموقع.