محوّلات كهربائية لمصانع تحلية المياه: تحديد سعة أحمال مضخات التناضح العكسي، والتشويش الكهربائي، وحماية التآكل

 

أرسل إلينا مُقاول هندسيٌّ وتشغيليٌّ (EPC) يعمل على محطة تحلية مياه البحر باستخدام تقنية التناضح العكسي في منطقة جبل علي في شهر آذار/مارس رسمًا بيانيًّا أحاديَّ الخط مع مذكَّرة توضيحيَّة تصف النطاق الكهربائيَّ بأنه «نهائيٌّ في جوهره». وأظهر الرسم وجود محول واحد سعته ٢٠ ميغا فولت أمبير عند جهد ٣٣/١١ كيلوفولت، ودرجة حرارة محيط تصميميَّة قدرها ٤٥°م، وحدَّادَ عَشَرَة محركات لضخَّ المياه عالي الضغط متَّصلة بشبكة مشتركة بجهد ١١ كيلوفولت. وغيَّرت سؤالان مواصفات المحول قبل طلب أيِّ شيء: ما درجة الحرارة الفعليَّة للمحيط في شهر تموز/يوليو، وكم عدد هذه المحركات التي تبدأ التشغيل خلال نافذة زمنيَّة واحدة مدتها عشر دقائق. وإنَّ إجابتي السؤالين تدفعان باتجاه زيادة حجم المحول الخاص بمحطة تحلية المياه للخدمة بما يفوق بكثير ما تشير إليه قائمة الأحمال.

على الورق، يبدو محول التحلية كجهاز بسيط للحمل الأساسي — رقم واحد بوحدة الكيلوفولت أمبير. أما في الخدمة الفعلية، فيعمل باستمرار في ظروف حرارية عالية، ويوفر الطاقة للمحركات التي تكون كبيرة نسبيًّا مقارنة بالحمل المتصل بالمصنع، ويمتص التشوهات التوافقية الناتجة عن المحركات ذات التردد المتغير المستخدمة في مضخات تغذية الغشاء، ويقف في هواء مشبع بالملح يهاجم كل غلافٍ ومُوصِلٍ وبرغيٍّ في الموقع. ويغطي هذا الدليل أربعة قرارات تحدد ما إذا كان الوحدة ستستمر في العمل طوال عمرها التصميمي.

 

لماذا تحملات التحلية تخرق مواصفات المحولات القياسية

إن عملية التناضح العكسي لمياه البحر هي عملية تعمل باستمرار دون انقطاع. فالمصنع يأخذ عطلة في عطلة نهاية الأسبوع، لكن خط التحلية لا يفعل ذلك. وأكبر مستهلكي الطاقة الكهربائية فيه هي المضخات ذات الضغط العالي، والتي تعمل عند نقطة تشغيل ثابتة لمعظم ساعات اليوم. وتُظهر دراسات الطاقة المنشورة الخاصة بعمليات التناضح العكسي لمياه البحر أن استهلاك الطاقة النوعي يبلغ تقريبًا ٢٫٥ إلى ٣٫٥ كيلوواط ساعة لكل متر مكعب بعد تركيب أجهزة استعادة الطاقة، ويرتفع إلى ٣٫٥ إلى ٥٫٥ كيلوواط ساعة/م³ في الحالات التي تكون فيها استعادة الطاقة أقل كفاءة.

طبّق هذه الحسابات على مصنع بسعة ٣٠٠٠٠٠ متر مكعب يوميًا ويستقر الطلب الكهربائي عند نحو ٣٠ إلى ٤٠ ميغاواط من الحمل المستمر — قبل احتساب معالجة التمهيد والضخ الناقل والأنظمة المساعدة. وبرامج مثل برنامج إدارة المكتب الأمريكي لإعادة الاستصلاح المعني بأبحاث تحلية المياه وتنقيتها برنامج تحلية المياه وتنقيتها للأبحاث توجد تحديدًا لخفض هذا الرقم الخاص بالطاقة، ما يُظهر أين تتركز التكاليف: فالماء هو المنتج، والكهرباء هي أكبر تكلفة تشغيلية واحدة.

 

رسم خريطة الحمل الكهربائي لمصنع تناضح عكسي بحري

وقبل تحديد أحجام المعدات، قسّم المصنع إلى مجموعات حمل. فهذه المجموعات تتصرف بشكل مختلف، وفي المنشآت الكبيرة غالبًا ما تُغذَّى من حافلات كهربائية مختلفة.

 

مجموعة الأحمال	التقييم النموذجي	طبيعة التشغيل
مضخات التناضح العكسي ذات الضغط العالي	من ٣ إلى ٨ ميغاواط لكل منها، وبجهد ١١ كيلوفولت أو ٦,٦ كيلوفولت	حمل أساسي مستمر؛ باستخدام محركات تردد متغير أو بدء تشغيل لطيف
أجهزة استعادة الطاقة	٠٫٥–٢ ميغاواط	تشغيل مستمر، يتتبع وظيفة المضخة عالية الضغط
المضخات المعزِّزة ومضخات النقل	٢٠٠ كيلوواط–٢ ميغاواط	تشغيل مستمر مع بدء تشغيل متكرر
المعالجة الأولية (المرشحات، التزود بالمواد الكيميائية)	١٠٠–٨٠٠ كيلوواط	متقطع
المرافق المساعدة (أنظمة التكييف والتهوية وتوزيع الهواء، والإضاءة، وأنظمة التحكم)	٣٠٠–١٥٠٠ كيلوواط	ثابت، ومحتوى توافقي منخفض

 

مجموعة المضخات ذات الضغط العالي تتحكم في كل شيء آخر. وفي محطة تحلية مياه بحرية باستخدام التناضح العكسي بثمانية خطوط إنتاج، يمكن أن تصل الحمل المتصل للمضخات ذات الضغط العالي وحدها إلى ٤٠–٥٠ ميغاواط. وتهم المجموعات الأخرى بالنسبة للحافلة المساعدة، لكن مجموعة المضخات هي التي تحدد تصنيف المحول الرئيسي، ونظام التبريد، والقدرة على تحمل الأعطال التي يجب أن يصمد أمامها الوحدة.

 

تحديد حجم المحول لخدمة محطة التحلية

أ المحول الخاص بمحطة تحلية المياه يتم تحديد حجم الخدمة بناءً على ثلاثة عوامل في آنٍ واحد: الحمل المستمر، وحمل بدء التشغيل لأكبر محرك، ومحتوى التوافقيات في المحركات الكهربائية المتغيرة السرعة. والوحدات التي تصل غير مُصنَّفة بالحجم المناسب تفشل تقريبًا دائمًا بسبب العامل الأول وحده.

ابدأ بالحمل المستمر. اجمع القدرات المُسجَّلة على لوحات بيانات المحركات، وطبِّق معامل طلب واقعي — ما بين ٠,٨٥ و٠,٩٥ لمحطة تعمل عند إنتاجها التصميمي — ثم أضف الحمل الخاص بالحافلة المساعدة. وبعد ذلك تحقق من بدء تشغيل المحركات: فمثلاً، مضخة ذات ضغط عالٍ سعتها ٦ ميغاواط يبدأ التشغيل المباشر عبر الخط بسحب تيار يبلغ خمسة إلى ستة أضعاف التيار المُصنَّف لمدة عدة ثوانٍ، ويجب أن يبقى الانخفاض الناتج في الجهد عند طرفي المحرك ضمن الحدود التي يقبلها كلٌّ من العملية الصناعية وشركة التوزيع الكهربائي. وتقلِّل مبدئات التشغيل اللينة والمحركات ذات التردد المتغير من هذا التيار الابتدائي، لكنها لا تلغي الحاجة إلى أن يزود المحول بهذا التيار.

 

فحص تحديد الأبعاد	ما يجب التحقق منه	الهدف التصميمي النموذجي
التقييم المستمر	الحمل المستمر مع تطبيق عامل الطلب بعد تصحيح درجة الحرارة المحيطة	لا يجوز التشغيل المستمر فوق القدرة الظاهرة المُحددة على اللوحة الإسمية
تشغيل المحرك	بدء تشغيل أكبر مضخة مع تشغيل جميع الأحمال الأخرى	انخفاض الجهد داخل المصنع وضمن حدود شركة التوزيع
واجب التوافقيات	عدد نبضات المحرك وطيف التيار التوافقي	حساب التخفيض وفق معيار آي-إي-إي C57.110
سعة احتياطية	القطارات المستقبلية أو استبدال الغشاء	قدرة احتياطية تتراوح بين ١٥٪ و٢٥٪ من الكيلوفولت أمبير
قدرة تحمل العطل	تيار العطل في الموقع الناتج عن شركة التوزيع الكهربائية	تم التحقق من قدرة التحمل أمام القصر الدائري
تقييم الخسائر	خسائر التشغيل بدون حمل والخسائر تحت الحمل، المُحسوبة كقيمة رأسمالية على مدى عمر الخدمة	أدنى تكلفة إجمالية للملكية، وليس أدنى سعر شراء

 

الحمل التوافقي الناتج عن مضخات الضغط العالي الخاضعة للتحكم بواسطة محركات التردد المتغير (VFD)

تقريبًا كل جديد تحلية مياه بحرية باستخدام التناضح العكسي يُشغل مضخاته ذات الضغط العالي عبر محركات التردد المتغير، لأن التحكم في تدفق مضخة بقدرة ٦ ميغاواط باستخدام صمامات التحكم يُهدر طاقةً أكثر مما تكلفه المحرك. كما أن المحرك يشكّل المصدر الرئيسي لتشويه التيار في المنشأة. فمحرك الستة نبضات يولّد توافقيات مميزة عند الرتب: ٥، ٧، ١١، و١٣؛ بينما يلغي تكوين الاثني عشر نبضة التوافقيتين الخامسة والسابعة عند المحول؛ أما الترتيب الثماني عشر نبضة فيرفع رتبة أول توافقيٍّ ذي أهميةٍ كبيرةٍ إلى ما هو أعلى.

يدفع المحول ثمن تلك التوافقيات مرتين. فالخسائر الإضافية الناتجة عن التيارات الدوامية والخسائر المتناثرة تسخّن لفائف المحول أكثر مما تسببه تيارات الحمل وحدها، ولذلك يحتاج المحول المشغّل تحت تأثير توافقيات إلى تصنيف عامل كي (K-factor) أو تخفيض مكافئ في قدرته المُحتسبة وفقًا لـ IEEE C57.110 بدلًا من رقم كيلوفولت أمبير مأخوذٍ من كتالوج. ويجب أن تبقى التشويهات التراكمية عند نقطة الاتصال المشتركة ضمن الحدود التي تفرضها شركة التوزيع الكهربائي — ويتم التحقق منها عند التشغيل الأولي، وليس في مرحلة الرسومات التصميمية. والـ رابطة معايير الهندسة الكهربائية والإلكترونية (IEEE) تنشر هذه الهيئة حدود التوافقيات التي تستند إليها شركات التوزيع الكهربائي في أمريكا الشمالية، وهي جديرة بالقراءة قبل اختيار مورِّد المحركات، لا بعده.

وهناك عادةٌ في وضع المواصفات تقلل معظم هذه المخاطر: اطلب من مورِّد المحركات طيف التيارات التوافقية عند نقطة التشغيل الفعلية، وليس قيمة إجمالي التشويه (THD) المذكورة في ورقة البيانات عند الحمل الكامل. فمحطات الأغشية نادرًا ما تعمل عند الحمل الكامل لفترات طويلة، كما أن التشويه يكون عادةً أسوأ في نطاق الأحمال الجزئية، أي حيث تعمل المحطة فعليًّا.

 

التآكل ودرجة حرارة البيئة وتخفيض التصنيف على ساحل الخليج

تُعَدُّ محطة التحلية أقسى بيئة كهربائية يُطلَب من المحول العمل فيها. فهباء الملح والرطوبة العالية وحرارة الموقع المحيطة — والتي قد تتجاوز ٤٥°م لأشهرٍ عديدة على ساحل الخليج — تهاجم المعدات وتصنيفاتها في الوقت نفسه.

تبدأ حماية التآكل من مواصفات الغلاف. ISO 12944-8 ، الجزء الخاص من سلسلة ISO 12944 الذي ينظّم كيفية تحديد أنظمة الدهانات الواقية للأعمال الجديدة، هو المرجع الذي يشير إليه معظم المقاولين الأوروبيين والشرق أوسطيين في المواصفات. وعمليًّا، هذا يعني نظامًا موثَّقًا لفئة التآكل البحري C5-M ، وهيكل فولاذي مغلفن بالغمر الساخن أو طبقة طلاء معادلة، ومثبتات من الفولاذ المقاوم للصدأ في جميع الأجزاء، ووصلات كمّية محكمة الإغلاق.

درجة حرارة البيئة هي الفخ الثاني، وهو الفخ الذي يقلل السعة بهدوء. ووفق قواعد التصحيح الخاصة بدرجة حرارة البيئة في IEC 60076-2 ومعيار آي-إي-إي-إي سي 57.12.00، تنخفض الزيادة المسموحة في درجة حرارة لفائف المحول بشكلٍ متوسِّطٍ كلما ارتفعت درجة الحرارة المحيطة في الموقع فوق القيمة المرجعية. فلا يمكن لمصنعٍ يقع في بيئة تزيد حرارتها عن القيمة المرجعية بمقدار ١٠°م أن يكتفي بتحسين عزله فقط — بل إما أن يقبل انخفاضاً في الزيادة المسموحة لدرجة الحرارة، أو أن يتنازل عن قيمته الاسمية بالكيلوفولت أمبير. ونلاحظ هذا الأمر باستمرار في الاستفسارات الواردة من دول الخليج، حيث ترد درجة الحرارة المحيطة التصميمية في وثائق المناقصة على أنها «٤٥°م»، ثم يتبيَّن لاحقاً أنها تبلغ ٥٠°م في الموقع الفعلي.

وتستحق أنظمة التبريد نفس درجة التدقيق. ففي الهواء الساكن الحار والرطب على السواحل، لا تؤدي مجموعة المبرِّدات ذات التبريد بالزيت والهواء الطبيعي (أُونان) أداءها وفق ما هو محدَّد في لوحة المواصفات، ولذلك فإن المصانع الساحلية تحدِّد عادةً استخدام نظام تبريد بالزيت والهواء القسري (أُوناف)، مع بيان أدائه عند درجة الحرارة المحيطة التصميمية في الموقع، وليس عند القيمة المرجعية القياسية. المحول المغمور بالزيت ولهذا السبب أيضاً، يجب أن تُناقَش الجهود الرامية إلى خفض الخسائر في النواة والحاجة إلى هامش تبريد أكبر في جلسة واحدة.

 

 

ما تقدِّمه شركة ريان إلكترك للمشاريع الخاصة بتقطير المياه المالحة

نفس الأربعة أسئلة التي تُقرِّر مصير كل المحول الخاص بمحطة تحلية المياه نقدّم عروض أسعار، لذا فإن مراجعة الهندسة تكون معيارية بدلًا من أن تكون عفوية. ونُصنّع كلا جزأي المشكلة في مصنعنا الذي تبلغ مساحته ١٢٠٠٠٠ متر مربع في جيانغسو بالصين. و المحول المغمور بالزيت يصل نطاق منتجاتنا من ١٠ كيلوفولت إلى ٢٠٠ ميغا فولت أمبير مع وحدات تبريد من النوع ONAN/ONAF ومغيرات التوصيل تحت التحميل؛ أما المحولات الجافة من نوع الراتنج المصبوب والمحولات الجافة ذات العزل المغمور بالراتنج (VPI) فتغطي غرف التبديل الداخلية والدوائر الكهربائية المساعدة. وقد بدأت شركة رايان إلكترك في تصنيع المحولات منذ عام ٢٠٠٧، وتمتلك ٣٧ براءة اختراع، وتدير أكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار، وتعمل شريكًا في مشروع مشترك مع شركة إيتن منذ عام ٢٠٢٣.

بالنسبة للمشاريع الساحلية، يشمل النطاق القياسي نظام طلاء معتمد من الفئة C5-M موثَّقٌ رسميًّا، و اختبار الرشّ الملحي لمدة 1,000 ساعة بالنسبة لتراكم الطلاء، واختبارات التحقق من قِبل العميل في مختبرنا المعتمد من قِبل DEKRA وCNAS وفقًا للمعايير IEC 60076-1 وIEEE C57.12.90 قبل الشحن.

كيف تسوء عادةً استفسارات محولات التحلية

وتتكرر نمطية الفشل بما يكفي لوصفها بشكل عام. إذ تصدر شركة مقاولات هندسية وتشغيلية (EPC) مقرها الخليج مواصفات لمحول بقدرة ٢٥ ميغا فولت أمبير، وفرق جهد ٣٣/١١ كيلوفولت المحول المغمور بالزيت عند درجة حرارة محيطة مُصمَّمة تبلغ ٤٥°م، ويتم تحديد السعة استنادًا إلى القيمة الإجمالية المذكورة على لوحة بيانات المحرك. وبعد ذلك، تصل طيف التوافقيات الخاص بمورِّد المحرك ودرجة الحرارة المحيطة المسجَّلة في شهر يوليو في الموقع. وبذلك ترتفع السعة المطلوبة، وتتغيَّر خطة التبريد من نظام ONAN إلى ONAF، ويجب توسيع نطاق التعديل على التوصيلات. وإذا كانت الحصة الإنتاجية قد حُجزت مسبقًا وفق السعة الأصلية، فإن هذا التغيير يقع داخل فترة التسليم بدل أن يكون قبلها.

 

تحقق	ما يقدّمه المورّد الموثوق
أساس تحديد الأحجام	قائمة الأحمال مع عامل الطلب، مع إرفاق طيف التوافقيات الخاص بالمحرك
بيئة	حساب تخفيض السعة عند درجة الحرارة المحيطة في الموقع، والمُؤكدة كتابيًّا من قِبل المالك
التآكل	نظام طلاء C5-M موثَّق ودليل اختبار رش الملح
التبريد	أداء نظام ONAF مذكور عند درجة الحرارة المحيطة المُصمَّمة في الموقع، وليس عند الدرجة المرجعية القياسية
شهادة	تقارير الاختبار وفق معايير IEC 60076-1 / IEEE C57.12.90 للسعة المحددة بالضبط في العرض
جدول زمني	حجز الحصة الإنتاجية وفق تاريخ تشغيل المصنع، ومذكور كتابيًّا

 

لا شيء من هذه البنود غير مألوف. بل هي الأسئلة التي يجب الإجابة عنها قبل إغلاق الرسومات، والإجابة عنها متأخرةً هي ما يحوِّل الطلب الروتيني إلى عرض سعر جديد.

 

أرسل إلينا قائمة الأحمال قبل أن تُنهي تحديد المواصفات

إذا كنت تحدد خدمة المحول الخاص بمحطة تحلية المياه ، أرسل إلينا أربعة عناصر: السعة المُصنَّفة للمصنع بوحدة متر مكعب/يوم، وجدول مضخة الضغط العالي مع نوع المحرك أو المحرك الكهربائي، والبيئة التصميمية في الموقع التي يؤكدها المالك، والتيار القصيري ونطاق الجهد اللذان توفرهما شركة المرافق. وسيقوم مهندسونا بإرسال توصيةٍ بشأن التحجيم تتضمن نظام التبريد، وحساب الحمل التوافقي، ونظام حماية التآكل، ونافذة إنتاج واقعية.

اتصل بالفريق عبر ryantransformers.com وشمل الرسم أحادي الخط — حتى ملف PDF مُعلَّق يكفي للبدء. فمراجعة الرسم أسرع من إعادة اشتقاق قائمة الأحمال من جدول المواصفات، وفي المشاريع الساحلية فإن الرقم الخاص بالبيئة التصميمية وطيف المحرك هما العنصران اللذان يتغيران غالبًا ما يؤثران على الإجابة.

عن المؤلف: كُتِبَ هذَا المقالُ مِن قِبل فريق الهندسة في شركة ريان إلكترك (شركة جيانغسو ريان إلكترك المحدودة)، الشريك المشترك لشركة إيتن منذ عام ٢٠٢٣، والمصنِّعة للمحوِّلات المغمورة بالزيت والمحوِّلات ذات الراتنج المصبوب والمحوِّلات المركَّبة على القواعد في مقاطعة جيانغسو بالصين. وتقدِّم شركة ريان إلكترك خدماتها لشركات التوزيع الكهربائية، ومقاولي المشاريع الهندسية-الإشرافية-التنفيذية (EPC)، ومطوري البنية التحتية في أمريكا الشمالية وجنوب شرق آسيا والشرق الأوسط وأفريقيا.