مواصفات محول الرياح البحرية: رذاذ الملح، ووزن المنصة، والتوافقيات الناتجة عن المحولات

أرسل لنا مقاول منصة مرةً واحدة مواصفات وحدة التصدير بجهد ١٣٢ كيلوفولت تتضمن تسعين صفحة من المتطلبات الكهربائية وسطرًا واحدًا فقط حول النقل: الحد الأقصى لوزن الرفع هو ٢٤٠ طنًا. بلغ وزن تصميمنا الأول ٢٦٢ طنًا مع زيت التبريد. وأعدنا تصميم الخزان وقسمنا خزان التوسع وقمنا بالشحن بوزن ٢٣٨ طنًا. وبقيت المواصفات الكهربائية دون تغيير. والرقم الذي حدد التصميم كان حد قدرة الرافعة.

تستمر طاقة الرياح البحرية في تسجيل أرقام قياسية لم تُدركها بعدُ فرق المشتريات البرية. وفي عام ٢٠٢٥، تم ربط ٩٫٣ جيجاواط من القدرات الجديدة للرياح البحرية بالشبكة على مستوى العالم ليصل المجموع العالمي إلى ٩٢٫٥ جيجاواط وبتجاوز متوسط قدرة التوربينات المركَّبة لأول مرة عتبة ١٠ ميغاواط، وفقًا لتقرير GWEC العالمي لطاقة الرياح البحرية لعام ٢٠٢٦ كل ميغاواط في تلك القيمة يمر عبر محولين على الأقل: وحدة رفع عند التوربين أو منصة المصفوفة، و محول تصدير يرفع جهد الجمع إلى ١٣٢ كيلوفولت أو ٢٢٠ كيلوفولت للكابل البحري.

معظم وحدات التصدير المطلوبة اليوم تُحدد وفق مواصفات محول طاقة أرضي مع نظام طلاء أكثر ثقلاً. وهنا بالضبط تتكبّد المشاريع خسائر. فهناك ثلاثة قيود تميّز محول الرياح البحرية عن أي محول آخر يقع داخل ساحة مسيجة على اليابسة: الملح، والوزن، والتوقيع التوافقي للإلكترونيات الكهربائية.

 

 

واجب جمع الطاقة وواجب التصدير ليسا نفس المهمة

 

يعمل محول الجمع عند جهد ٣٣ كيلوفولت أو ٦٦ كيلوفولت، ويستقبل الناتج المجمّع لثمانية إلى خمسة عشر توربيناً. و محول تصدير الخطوات التي ترفع الجهد إلى مستوى النقل — عادةً ١٣٢ كيلوفولت أو ٢٢٠ كيلوفولت أو ٢٧٥ كيلوفولت — وتنقل الطاقة من كامل مزرعة الرياح عبر أصل واحد. وفي مشروع بقدرة جيجاواط واحد، يعني ذلك عادةً وحدتين أو ثلاث وحدات من فئة ٣٠٠ ميغا فولت أمبير تعمل بالتوازي، أو وحدة واحدة بقدرة ٤٠٠ ميغا فولت أمبير مع استراتيجية احتياطية لا يستطيع معظم المالكين تبرير تكلفتها.

ملفّ الأداء الوظيفي هو ما يغيّر التصميم. فوحدة رفع جهد المولد في محطة حرارية أرضية تعمل عند حمل ثابت يتراوح بين ٨٥٪ و٩٥٪ لعقودٍ عديدة. أما الوحدة البحرية فهي تتبع سرعة الرياح: متوسط حمل ٤٠٪، وفترات طويلة عند ٢٠٪، ثم أسابيع عند ١٠٠٪ عندما تهب الرياح وتكون كابلات التصدير متاحة. التغير الدوري في درجة الحرارة بهذا المدى يؤثّر في العزل وهيكل التثبيت بطريقة لا تتعرّض لها الوحدات المشغَّلة باستمرار. ولهذا السبب بالذات، نضبط ضغط مشابك اللفات وعزم تشديد براغي القلب لتحمل التشغيل الدوري بدلًا من التشغيل المستمر.

المقاومة التحتية هي قرارٌ هادئ. فقيمة مقاومة تبلغ ١٢,٥٪ في وحدة قدرتها ١٨٠ ميغا فولت أمبير، وفولتيتها ٢٢٠/٦٦ كيلوفولت، تحدّ من تيار القصر عند لوحة التوزيع على المنصة، لكنها في المقابل تزيد من سقوط الجهد تحت الحمْل وتستهلك طاقةً رجعيةً لا تتوفّر للمنصة القدرة على تعويضها. ولذلك، يجب الاتفاق على قيمة المقاومة التحتية مع مهندسي الكابلات ولوحات التوزيع قبل إغلاق تصميم المحول. ولاحظ أيضًا أن آي إي سي/آي إي إي إي ٦٠٠٧٦-١٦ يغطي المحولات المُستخدمة في تطبيقات توربينات الرياح حتى جهد ٧٢,٥ كيلوفولت؛ أما وحدة التصدير فهي عادةً خارج نطاق تطبيق هذا المعيار، ويتم تحديدها وفق معيار آي إي سي ٦٠٠٧٦-١ مع ملحق مشروع خاص.

الرشّ الملحي: حماية التآكل معيارٌ فنيٌّ وليس لون طلاء

 

يُصنَّف جو المناطق البحرية الخارجية على أنه C5-M أو CX وفقًا للمعيار ISO 12944. وهذا التصنيف ليس زخرفيًّا: بل يحدِّد الحد الأدنى لسماكة طبقة الطلاء الجاف، ونظام الطلاء المطلوب، ومدة الاختبار — والتي تبلغ عادةً ١٤٤٠ ساعة من رش ملح متعادل لتصنيف C5-M، وتزداد بشكل كبير لتصنيف CX. أما الخزان الذي يُطلَى بنظام C3 المُخصَّص للبيئات البرية، فيظهر عليه تكوُّن الفقاعات عند حواف اللحامات خلال سنتين أو ثلاث سنوات فقط عند تركيبه على منصة في بحر الشمال.

ويتكوَّن نظام C5-M القابل للتطبيق من طبقة أولية غنية بالزنك بسماكة تقارب ٨٠ ميكرومتر، وطبقة وسيطة إيبوكسية بسماكة ١٢٠ ميكرومتر، وطبقة خارجية بولي يوريثانية بسماكة ٦٠ ميكرومتر — أي ما مجموعه نحو ٢٦٠ ميكرومتر. أما بالنسبة لتصنيف CX، فتزيد السماكة الإجمالية لنفس التراكيب إلى ٣٢٠ ميكرومتر أو أكثر، مع تطبيق طبقات إضافية (Stripe coats) على كل لحمة وكل مسمار وكل حافة، لأن هذه المناطق هي التي الحماية من التآكل تنخفض فيها السماكة أولًا.

الطلاء يشكّل نصف المهمة. تشمل العناصر التي يجب أن ترد في نفس البند: الأجزاء المعدنية المغلفنة بالغمر الساخن أو المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ من الدرجة 316، والواشات العازلة بين البراغي المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ومُبرِّدات الألومنيوم، وصمام التهوية الذي يمنع دخول الهواء المشبع بالملح إلى الخزان، والخزائن ذات درجة الحماية IP66 لمعدات المراقبة. وفي مصنعنا، لا تدور الخلافات مع مقاولي المنصة تقريبًا أبدًا حول لفائف المحول، بل تدور حول ما إذا كانت قاعدة لوحة البيانات، ونقاط التأريض، ولوحة فتحات كابلات الدخل قد شُمِلت في جدول الطلاء.

الوزن وواجهة المنصة

 

يحدّد هيكل الجزء العلوي والساق الرافعة الخاصة بسفينة التركيب ميزانية وزن صارمة لسطح المنصة. وعادةً ما يكون المحول أثقل عنصرٍ منفردٍ على هذا السطح، ولذلك يجب استبعاد كل كيلوغرام يتجاوز حد الرفع من التصميم — ولا يمكن التفاوض بشأنه مع مشغل الرافعة. وتوفر الجدول ١ تفصيلًا واقعيًّا لوحدة تصدير سعتها ١٨٠ ميغا فولت أمبير، وبجهدين ٢٢٠/٦٦ كيلوفولت. وهذه الأرقام تمثّل قيمًا نموذجية وليست عامة، لكن النسب بين مكونات الوزن تبقى ثابتة.

المكوّن	الكتلة النموذجية (طن)
القلب واللفائف؛	104
الخزان والغطاء والعناصر المُقوِّية	42
الزيت العازل	58
المبردات ومراوح التبريد	12
الحلقات المطاطية والملحقات	6
الإطار القاعدي ووسائد الرفع	4
المجموع، مملوء بالزيت	226

ينتج عن تلك الجدولتين قراران. أولاً: ما إذا كانت الوحدة تُنقل وهي مملوءة بالزيت أم فارغة من الزيت مع وضع الزيت في براميل. ويؤدي تصريف الزيت إلى إزالة ٥٠–٦٠ طنًا من الحمل المرفوع، مما قد يُحدث الفرق بين رافعة عادية ورافعة ثقيلة؛ أما التكلفة فهي تتطلب تعبئة النيتروجين وتثبيت الحمولة أثناء النقل وتمديد فترة التشغيل الأولي على المنصة. وثانياً: موقع مركز الثقل. وتشكل علامات مركز الثقل ومواقع نقاط الرفع ووسائد الرفع بيانات واجهة يحتاجها المهندس الإنشائي أثناء مراجعة الرسومات، وليس عند الشحن.

 

 

أحمال النقل تشكل حالة تصميم مستقلة بذاتها. وغالبًا ما تنص مواصفات المشروع على ٣ جـ تسارع عمودي و٢ جـ تسارع طولي أثناء النقل البحري، وهو أشدُّ وطأةً من الحالة الزلزالية في معظم المواقع الأوروبية. ويجب التحقق من تثبيت القلب المغناطيسي وتثبيت اللفائف والدعائم الداخلية للخزان أمام هذه الظروف، ويجب أن يرد هذا التحقق في تقرير التصميم لا في مذكّرة الشحن.

التوافقيات الناتجة عن المحولات وهامش الحرارة

 

نادرًا ما يتعرَّض محول التصدير في مزرعة رياح بحرية حديثة لموجة جيبية نقية لفترة طويلة. فروابط التيار المستمر عالي الجهد (HVDC) ووحدات التعويض الاستاتيكية للطاقة التفاعلية (STATCOMs) ومحولات التوربينات تُدخل توافقياتٍ تسخِّن اللفائف عبر خسائر التيارات الدوامية، وتتغيَّر الطيف التوافقي بتغيُّر تكوين الشبكة. ويحدِّد معيار IEEE C57.110 طريقة حساب معامل الخسائر التوافقيّة؛ أما النتيجة العملية فهي إما تخفيض القدرة المُسموح بها أو رفع درجة فئة التبريد.

هذا هو الجزء الذي يغفله معظم المشترين. ففئة التبريد ليست تسمية ثابتة. فالوحدة ذات التبريد بالزيت والهواء الطبيعي/الهواء الاصطناعي (ONAN/ONAF) التي تحمل قدرة ١٨٠ ميغا فولت أمبير مع تشغيل المراوح قد تحمل فقط ١٣٠ ميغا فولت أمبير عند إيقاف المراوح. فإذا اشترط المنصة وجود هامش احتياطي من المراوح بنسبة N+1، فيجب أن تُثبت المحولة قدرتها التشغيلية مع خروج مجموعة تبريد واحدة عن الخدمة — وهذا الشرط يؤثر على مساحة المبادل الحراري، وأبعاد الخزان، وفي النهاية على الوزن الذي يجب أن ترفعه الرافعة. التبريد والوزن والقدرة التشغيلية مشكلة واحدة، وليست ثلاث مشكلات.

إن ارتفاع درجة الحرارة هو المعيار الذي يجب أن تُلزم به المورد. فارتفاع قدره ٦٥ كلفن في بيئة ذات حرارة محيطة ٤٠°م يبدو سخيًّا حتى توضع الوحدة داخل غلاف عازل للصوت حيث تصل الحرارة المحلية إلى ٥٠°م. أما الوحدات البحرية فهي غالبًا ما تحتاج إلى تصميم يراعي ارتفاعًا حراريًّا قدره ٦٠ كلفن أو إلى تصحيح صريح لدرجة الحرارة المحيطة في الضمان، لأن الفرق بين ٦٠ كلفن و٦٥ كلفن يعادل تقريبًا ثمانية في المئة من القدرة التشغيلية المستمرة. توافقيات المحول وهذا يجعل الهامش أكثر أهمية، لا أقل: فالخسائر الناتجة عن التوافقيات تتجمع في نفس النقطة الساخنة التي يُكتب الضمان بناءً عليها.

اختبارات المصنع التي تتنبأ فعليًّا بقدرة التحمل في البيئات البحرية

 

إن شهادة الاختبار الروتيني تثبت أن الوحدة مطابقة لتصميمها. لكنها لا تثبت أن الوحدة ستتحمل عشرين عامًا وخمس سنوات من التعرُّض للملح والتغيرات الحرارية. وللاستخدام البحري، يجب أن تتضمَّن اختبارات قبول المصنع الخاصة بمحوِّل الرياح البحرية البنود التالية، والتي يراقبها مهندس المالك أو جهة خارجية مثل شركة دنڤ أو مكتب فيريتاس.

• النسبة والاستقطاب عند كل درجة تشغيل (تَب)، بالإضافة إلى مقاومة اللفائف لكل طور

• المعاوقة وفقدان الحمل عند ١٠٠٪ و٥٠٪ من التيار المُصنَّف، وفقدان عدم التحميل والتيار عند حالة عدم التحميل

• ارتفاع درجة الحرارة عند ١٠٠٪ و١١٠٪ من التصنيف، مع تسجيل تدرُّج درجة الحرارة داخل اللفائف

• التفريغ الجزئي عند ١,٣ Um/√٣، مع حد أقصى قدره ١٠٠ بي سي للوحدات المغمورة بالزيت

• تأثير الصاعقة على لفائف الجهد العالي، واختبار شفط الفراغ وضغط الخزان

• مستوى الصوت على بعد متر واحد، والذي يتراوح عادةً بين ٧٥ و٨٠ ديسيبل (أ)

• مقاومة العزل الزيتي، بالإضافة إلى أخذ عيِّنات تحليل الغازات الذائبة (DGA) بعد اختبار ارتفاع درجة الحرارة

اثنتان من هذه النقاط تستحقان اهتمامًا أكبر مما تحظى به عادةً. التفريغ الجزئي هو أفضل مؤشر فردي على عيوب العزل التي تظهر بعد سنة من التشغيل الدوري. تحليل الغازات الذائبة (DGA) بعد ارتفاع درجة الحرارة — وليس قبله — يكشف عن ارتفاع حرارة موضعي لم تُسجله أجهزة القياس الحرارية أبدًا. نُجري كلا الاختبارين على كل وحدة من فئة التصدير، وندرج القيم المقاسة في التقرير بدلًا من وضع علامة «ناجح» فقط.

ما الذي يجب تضمينه في مواصفات محولات طاقة الرياح البحرية؟

 

إذا كنت تُعدّ المواصفات الخاصة بـ محول الرياح البحرية فإن هذه البنود الخمسة تؤدي عملًا أكثر أهميةً من صفحة كاملة من المتطلبات العامة.

• حد أقصى لوزن النقل ونصف قطر رافعة الرفع، مذكوران كقيمتين رقميتين ثابتتين مع تحديد حالة الزيت.

• نظام الطلاء حسب الفئة المحددة في معيار الآيزو ١٢٩٤٤، مع إجمالي سمك طبقة الطلاء (DFT)، ومتطلبات طبقة الطلاء الإضافية عند الحواف، ومدة اختبار رش الملح.

• احتياطي التبريد معبر عنه كتصنيف قدرة عند خروج مجموعة تبريد واحدة من الخدمة، وفي درجة الحرارة المحيطة الفعلية للموقع.

• الطيف التوافقي القادم من المحول والجهد العالي المباشر (HVDC)، مع اشتراط حساب عامل الفقد في العرض التقديمي.

• حقوق شاهد اختبار الزيت، وحدة ضغط التفريغ (PD)، ونقطة أخذ العيّنة لتحليل الغاز الذائب (DGA) بعد اختبار ارتفاع الحرارة.

مكان شركة ريان إلكترك

 

بدأنا تصنيع المحولات المغمورة بالزيت والمحولات الجافة في مقاطعة جيانغسو منذ عام ٢٠٠٧، على موقع مساحته ١٢٠٠٠٠ متر مربع، ومزود بأكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار، وحازنا ٣٧ براءة اختراع تغطي تصميم اللفائف والتبريد. ومنذ عام ٢٠٢٣، نعمل كشريك رسمي لشركة إيتن في مشروع مشترك، ما خضع وثائقنا وضوابط عملياتنا لنظام تدقيق الشريك بدلًا من نظام تدقيق العميل.

في مشاريع السواحل والمياه البحرية، نقوم بتقديم طلاء الحماية داخليًّا، وبالتالي يبقى نظام الحماية من التآكل من الفئة C5-M والطلاءات الحدّية تحت سيطرتنا الكاملة. كما تخضع كل وحدة مخصصة للتصدير لقياس التفريغ الجزئي وتحليل الغاز الذائب (DGA) بعد اختبار ارتفاع الحرارة قبل مغادرتها منطقة التجميع. وسيقوم مهندسونا بمراجعة مجموعة الرسومات الخاصة بواجهة المنصة مع فرقكم المسؤولة عن الهياكل والكابلات قبل إقرار التصميم النهائي للخزان. وكلما تمت هذه المناقشة في وقت مبكر، زادت وفرة الوزن المتحقَّقة.

إذا كنت تحدد مواصفات محول الرياح البحرية أو وحدة تصدير ساحلية، أرسل التصنيف وحدّ الوزن المسموح به للمنصة ودرجة حرارة الجو والطيف التوافقي. وسنُرسل لك تفصيلًا لوزن الوحدة وجدول الطلاء وخطة الاختبار — وهي الوثائق الثلاث التي تحدد ما إذا كانت الوحدة مناسبة للمنصة قبل أن يبدأ أي أحد في مناقشة السعر. يمكنك التواصل مع الفريق عبر ryan-transformers.com أو على البريد الإلكتروني [email protected].

عن المؤلف: كتب هذه المقالة فريق هندسة المحولات في شركة ريان إلكترك (محولات جيانغسو ريان)، الشريك المشترك لشركة إيتن والمصنّع المعتمَد من UL/CSA للمحولات المغمورة بالزيت والمحولات الجافة والمحولات المركّبة على القواعد، والتي تخدم مشاريع المرافق العامة والطاقة المتجددة والصناعية في أمريكا الشمالية وأوروبا والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا.