اختيار المحولات لمصانع الغاز الطبيعي المسال: تحديد الأحجام لمحركات الضواغط، والتصدي للتآكل الساحلي والمناطق الخطرة

 

في ديسمبر الماضي، أرسل إلينا مقاول هندسي وتشغيلي وتشغيلي (EPC) في منطقة الخليج مواصفات فنية لستة وحدات بجهد ١٣,٨ كيلوفولت تغذّي محركات ضواغط المبردات في خط سائل الغاز الطبيعي. وكانت قيمة الكيلوفولت أمبير مذكورةً، وكذلك نسبة التداخل، أما نظام الطلاء فقد وُصف بكلمات ثلاث: «من الدرجة البحرية». وهذه العبارة لا تُبلغ مصنّع المحولات تقريبًا أي شيء. ولذلك، قبل أن نقدّم عرض الأسعار، طرحنا سؤالين: أين توضع كل وحدة بالنسبة إلى منطقة العمليات؟ وما هو طيف التوافقيات عند مدخل المحرك؟ وقد أدّى الجوابان إلى تعديل تصميم أربع من أصل ست وحدات.

ا محول لمحطات سائل الغاز الطبيعي ليس مجرد رقم عادي للكيلوفولت أمبير يحمل اسم لوحة بيانات مختلفًا. بل إنه يقع حيث تتداخل ثلاث مجموعات من المتطلبات: التشغيل المستمر الثقيل الناتج عن محركات التردد المتغير الكبيرة، والبيئة البحرية التي تأكل الطلاء كأنه غذاء، ونظام السلامة المكتوب حول الوقاية من الحرائق والغازات بدلًا من الراحة الكهربائية. وهذا التداخل يزداد ازدحامًا. إذ بلغ متوسط صادرات الولايات المتحدة من سائل الغاز الطبيعي ١٧,٤ مليار قدم مكعب يوميًّا في النصف الأول من عام ٢٠٢٦، أي بزيادة ٢٣٪ عن نفس الفترة من عام ٢٠٢٥ مع تشغيل منشأة بلوكمينز بكامل طاقتها، وتصدير مرحلة كوربوس كريستي الثالثة من ستّ وحدات من أصل سبع وحدات، وبدء شحن غاز طبيعي مُسال من منشأة غولدن باس ابتداءً من أبريل ٢٠٢٦، وفقًا لـ تحليل إدارة معلومات الطاقة للغاز الطبيعي المسال ومن المتوقع أن تتضاعف طاقة التصدير في أمريكا الشمالية تقريبًا بحلول عام ٢٠٢٩، وباستثناء حالات نادرة جدًّا، تقع جميع هذه الوحدات على السواحل.

لماذا يعمل محول الطاقة في محطات الغاز الطبيعي المسال بشكل أشدّ مما يوحي به تصنيفه القياسي

 

ابدأ بالحمل التشغيلي. فوحدة التسييل عبارة عن عملية مستمرة، وليست مصنَّعًا يعمل بنظام الورديات. وتُدار ضواغط التبريد عند حملٍ عالٍ لعدة أشهر متواصلة، بينما يتراوح متوسط عامل الحمل خلال أسبوعٍ عادي بين ٨٠٪ و٩٥٪. ولا توجد ليلة هادئة يوم الأحد تسمح بتبريد الملفات تدريجيًّا، لذا فإن التصاميم المستمدة من ممارسات المباني التجارية تكون غير كافية لتحمل هذا النوع من الأحمال التشغيلية.

ثم أضف البيئة. فموقع إنتاج الغاز الطبيعي المسال على ساحل الخليج أو في شمال إفريقيا أو جنوب شرق آسيا يجمع بين درجة حرارة محيطة تصميمية تبلغ ٤٥ °م، وهواء مشبع بالملح، وبعض المواقع تتعرّض للأعاصير. وتتعرّض وحدة الخارج لهذه العوامل الثلاثة جميعها، بينما تتعرّض وحدة الداخل للرطوبة والتكثّف بدلًا منها. وتحمل المواصفات الميكانيكية — مثل نظام الطلاء، والحشوات، وأجهزة التهوية، وعناصر التسخين — وزنًا يعادل وزن المواصفات الكهربائية.

أما العامل الثالث فيُفاجئ المشترين القادمين من المصانع الصناعية العادية: فهذه الأحمال غنية بالتوافقيات، وهذه مسألة تتعلّق بتحديد الحجم لا مجرد ملاحظة ثانوية تتعلق بجودة الطاقة.

الحمل الذي يُحدّد حجم الوحدة: محركات الضواغط والتوافقيات

 

عادةً ما تكون ضواغط البروبان وضواغط خليط المبردات المستخدمة في القاطرات الحديثة آلات تتراوح قدرتها بين ٤ ميغاواط و٣٠ ميغاواط، وتُشغَّل بواسطة محركات جهدها ٦,٦ كيلوفولت أو ١٣,٨ كيلوفولت، وهي تُ питَّى في الغالب من محركات تردد متغير. ويستهلك محرك التردد المتغير ذي الستة أطراف تيارًا غنيًّا بالتوافقيات الخامسة والسابعة. أما الانتقال إلى ترتيب ثمانية عشر طرفًا أو أربعة وعشرين طرفًا، أو إلى واجهة أمامية نشطة، فيقلل التشويه بشكل كبير دون إزالته تمامًا.

لا تظهر التيارات التوافقية ببساطة فوق الموجة الأساسية؛ بل تُسبِّب خسائر دوامية وخسائر مشتتة في الملفات والأجزاء الإنشائية، وهذه الخسائر تركِّز الحرارة عند النقطة الأشد سخونة في الملف — وهي بالضبط النقطة التي تحدد عمر العزل. تخفيض التحميل بسبب التوافقيات هو التصحيح المُطبَّق، و IEEE C57.110 هو المرجع الذي يعتمده معظم محدِّدي المواصفات في أمريكا الشمالية: فهو يبيّن الطرق المتبعة لتحديد القدرة الفعلية التي يمكن أن يحملها محولٌ مغمورٌ بالسائل أو محولٌ جافٌّ عندما يكون جزءٌ من حمله غير جيبي الشكل. وتُعالَج حدود التشويه عند نقطة الربط بشكل منفصل وفق معيار IEEE 519. بالنسبة إلى محول لمحطات سائل الغاز الطبيعي يجب أن يأتي هذا النطاق من مورد المحرك، وليس من قالب جاهز.

هذه هي الجزء الذي يُغيّر التصميم. ففي محرك التشغيل المباشر، عادةً ما تُحدَّد سعة المحول استنادًا إلى كيلوفولت أمبير الابتدائية عند التشغيل. أما في محرك الضاغط المُغذَّى بواسطة محول ترددي متغير (VFD)، فإن التيار الابتدائي يخضع للتحكم بواسطة المحول، وبالتالي لم يعد الحدث الحاسم في تحديد السعة. وغالبًا ما تُحدَّد سعة الوحدة استنادًا إلى الحمل المستمر بالإضافة إلى التسخين الناتج عن التوافقيات — وأحيانًا استنادًا إلى قدرة المحول على التحمُّل أثناء انخفاض الجهد، وهي قدرة تعتمد على المقاومة التحتية بدلًا من كيلوفولت أمبير. ولقد شاهدنا في إحدى الحالات أن محولًا تردديًا توقف عن العمل أثناء مرحلة التشغيل التجريبي بسبب اختيار المقاومة التحتية بناءً فقط على اعتبارات تنسيق القصر الكهربائي.

ثم يُحدِّد ارتفاع درجة الحرارة الهامشَ المسموح به. وتحدد المواصفة القياسية IEEE C57.12.00 عمودين شائعين للوحدات المغمورة بالسوائل: ارتفاع متوسط لحرارة اللفائف بمقدار ٥٥ °م مع نقطة ساخنة تبلغ ٦٥ °م، أو ارتفاع متوسط بمقدار ٦٥ °م مع نقطة ساخنة تبلغ ٨٠ °م. وعادةً ما تقع مواصفات LNG ضمن العمود الثاني، لأن ذلك يوفِّر هامشًا إضافيًّا للحمل في بيئات ذات حرارة مرتفعة دون الحاجة إلى زيادة مساحة المبرِّد. ومع ذلك، فإن هذا الخيار يستهلك جزءًا من هامش العزل، ولذلك يتطلَّب إجراء دراسة تفصيلية للحمل بدلًا من الاعتماد على افتراضات عامة.

عادةٌ نتبعها في قسم الاقتباسات لدينا: عند استلام ورقة بيانات محرك ضاغط لا تتضمَّن طيفًا توافقيًّا، نطلب توفيره. وفي مشروعٍ حديثٍ، أدَّى الفرق بين الطيف التوافقي النموذجي ذي النبضات الستة الوارد في قالب المشتري والترتيب الفعلي لمحرك الضاغط إلى خفض التصنيف الموصى به بمقدار خطوتين قياسيتين. ولو تم افتراض الأمر بطريقة عكسية، لتحول هذا الفرق نفسه من وسيلة لتوفير التكلفة إلى سببٍ مباشرٍ للفشل.

 

محوِّل مغمور بالزيت أم محوِّل راتنجي مصبوب؟ دع الموقع هو الذي يقرِّر.

 

هذا هو القرار الأول في أي مشروع غاز طبيعي مُسال، وليس قرارًا كهربائيًّا في الحقيقة. بل تُقرِّر رسمة التصنيف المكاني للمناطق واستراتيجية حماية المنشآت من الحرائق ما يجوز تركيبه وأين؛ وبعد ذلك فقط تكتسب مقارنة التقنيات أهميتها.

نقطة القرار	محول غاطس في الزيت	متحول راتيني مسبك
تركيب عادي	فناء خارجي بجانب خط المعالجة، على منصة مزودة بنظام احتواء الزيوت	غرفة كهربائية داخلية أو غرفة مجاورة لغرفة التحكم
سلوك الحريق	الزيت المعدني قابل للاشتعال؛ لذا يتطلب مسافات فاصلة وحواجز مقاومة للحريق ونظام احتواء	لفائف معزولة بإيبوكسي، ذاتية الإطفاء، ومنخفضة الحمل الحراري
نطاق التصنيف النموذجي	من ٥ ميغا فولت أمبير إلى ٦٠ ميغا فولت أمبير فأكثر	من ٠٫٥ ميغا فولت أمبير إلى ١٥ ميغا فولت أمبير
الوزن والمساحة الأرضية	أثقل؛ تم التخطيط مبكرًا لأساسات المنشأة ووصول الرافعات	أخف وزنًا؛ أسهل في المنازل الكهربائية الوحدوية
التبريد	تبريد بالزيت طبيعي أو تبريد بالزيت مع مراوح ومجموعات مبرِّدة	تبريد طبيعي أو تبريد بمراوح مع تهوية الغرفة
التآكل الخارجي	تعرُّض عالٍ؛ يتطلب نظام طلاء ISO 12944 C5-M	تعرُّض منخفض، محمي بواسطة غلاف المبنى
نظام الصيانة	اختبار الزيت، وفحص المنفَّسات والجوانات، وتنظيف المبرِّدات	التنظيف، وفحص العزوم، والمسح الحراري بالأشعة تحت الحمراء
أفضل ملاءمة في الموقع	التوزيع الرئيسي للجهد المتوسط والتغذية الخارجية للضواغط الكبيرة	توزيع الجهد المنخفض/المتوسط، وأنظمة التغذية غير المنقطعة (UPS)، والأحمال المساعدة الغنية بالتشويهات التوافقية داخل المبنى

 

لاحظ أن الجدول لا يُعلن عن فائز. فمعظم مشاريع الغاز الطبيعي المسال الساحلية التي نقدّم عروضها تستخدم كلا التقنيتين في نفس الخط الإنتاجي: وحدة محول غاطس في الزيت في الفناء لحمل حمولة التبريد الأساسية أو حمولة المرافق، و متحول راتيني مسبك وحدات داخل غرفة الكهرباء لتغذية لوحات التوزيع وأنظمة التغذية غير المنقطعة (UPS) والأحمال المساعدة الغنية بالتشويهات التوافقية، حيث يكون انسكاب الزيت غير مقبول على الإطلاق.

تقديم عرض سعر لـ محول غاطس في الزيت لموقع ساحلي يتوقف على أربعة عناصر: الحفاظ على الزيت (خزان مغلق مع غطاء من النيتروجين مقابل خزان توسع مع جهاز تنفس)، نظام الطلاء، التغيير تحت الحمل لموضع التبديل عند تقلبات جهد المرافق، والملحقات الواقية مثل صمام التفريغ الضغطي، ومرحل بوخهولتز، ومؤشر درجة حرارة اللفائف.

وبالنسبة لـ متحول راتيني مسبك والقائمة المكافئة تشمل فئة العزل مقابل درجة الحرارة المحيطة المُصمَّم لها، وتصنيف AN مقابل AF، ومعدل حماية الغلاف (IP)، والتخفيض الناتج عن التوافقيات عبر تصميم عامل K أو عبر حساب موثَّق. وفي الأماكن المغلقة، يصبح تهوية الغرفة جزءًا من مواصفات المحول، لأن الوحدة المبرَّدة بالمراوح تُفرِغ خسائرها في مساحة لم تُصمَّم أصلًا لاستيعاب هذه الخسائر.

المناطق الخطرة وفصل الحريق والقواعد التي تحدد التخطيط

 

محطات الغاز الطبيعي المسال ليست مصافي تكرير تحمل تسمية منتج مختلفة. NFPA 59A يحدد متطلبات موقع وتخطيط وبناء وحماية المنشآت التي تنتج وتخزن وتتعامل مع الغاز الطبيعي المسال، وفي الولايات المتحدة يتم دمجها بالإشارة إليها ضمن قواعد المنشآت الخاصة بالغاز الطبيعي المسال على المستوى الاتحادي في اللائحة الفيدرالية 49، الجزء 193 كلاهما يدفعان في الاتجاه نفسه: إبعاد مصادر الاشتعال عن مناطق التسرب، وإثبات ذلك على خطة الموقع. وعمليًّا، هذا يعني أن المحولات نادرًا ما تُركَّب داخل المناطق المصنَّفة؛ بل تُركَّب عادةً داخل المباني الكهربائية الواقعة في المناطق غير المصنَّفة، أو في فناء خارجي مزود بمسافات فاصلة مُحدَّدة، وأنظمة تصريف واحتواء وحماية من الحرائق.

والنتيجة الأولى هي زيادة المسافة. فعند إبعاد المبنى الكهربائي لأسباب تتعلق بالسلامة، تزداد أطوال كابلات التوصيل، مما يؤدي إلى ارتفاع انخفاض الجهد والتيار الاستقراري للكابلات، وزيادة طول مسار العطل، وبالتالي يجب تنسيق اختيار المقاومة مع المحركات وإعدادات الحماية بدلًا من نسخها من قالب جاهز — وهي المفاضلة التي وصفناها في دليلنا الخاص بـ معاوقة المحول .

الثاني هو الصياغة. ونلاحظ بانتظام جملة تطلب محولًا «مناسبًا للتركيب في المناطق الخطرة». ويمكن تركيب وحدة جافة النوع في بعض المواقع المصنَّفة، شريطة استخدام غلاف مناسب ونظام ضغط مناسب، لكن الحل الأرخص عادةً هو نقل الغرفة الكهربائية بدلًا من شراء محولٍ متخصص.

تآكل السواحل، والحرارة العالية في الجو، والأحمال الناتجة عن العواصف

 

التآكل هو آلية الفشل البطيئة في مشاريع الغاز الطبيعي المسال على السواحل، وهو نادرًا ما يهاجم الأماكن التي يتوقعها الناس. وعادةً ما تبقى جسم الخزان سليمًا إذا طُلي بلون جيد؛ أما أجنحة المشعاعات، وملحقات التبريد، والوصلات المُثبتة بالبراغي، والألواح التعريفية فهي أول ما يفشل. وللمواقع الواقعة ضمن نطاق رذاذ الملح، نحدد نظام طلاء وفق المعيار الآيزو ١٢٩٤٤ من الفئة جيم-٥-ميم للخزان والمشعاعات ولوحة القاعدة، وباستخدام براغٍ من الفولاذ المقاوم للصدأ أو المغلفنة بالغمر الساخن، وعلب كابلات محكمة الإغلاق. أما في الحالات التي يكون فيها غاز حمضي موجودًا أيضًا، فتتغيّر النقاشات مرة أخرى — وقد تناولنا ذلك في مقالتنا عن المحولات الخاصة بمحطات الطاقة الجوفية الحرارية .

تُعَدُّ درجة حرارة التصميم المحيطة العامل الثاني المؤثِّر في التكلفة. وتفترض التصنيفات القياسية متوسط درجة حرارة محيطة تبلغ ٤٠ °م، بينما تطلب المواقع الواقعة في منطقة الخليج والبحر الأحمر وغرب إفريقيا عادةً ٤٥ °م أو ٥٠ °م. ويتم دفع فرق التكلفة الناتج عن هذه الزيادة في مكانٍ ما: إما بزيادة حجم الوحدة، أو بإضافة مراحل تبريد إضافية، أو بقبول تصنيف تشغيلي مستمر منخفض مع توثيق دراسة التحميل التي تثبت كفايته. وعادةً ما يكتشف المشترون الذين ينسخون درجة الحرارة المحيطة الخاصة بالتصميم من مشروع سابق التكلفة الإضافية عند اعتماد الرسومات، حين لا يتبقَّى في الجدول الزمني أي هامش زمني.

وتكمِّل متطلبات العواصف والرطوبة المواصفات الميكانيكية: مثل تثبيت القاعدة ضد قوة الرياح أو الزلازل في الموقع، وتركيب سخانات لمكافحة التكثيف لليالي الرطبة، واختيار صمامات التنفيس والمواد الختمية المناسبة للهواء البحري. وشركتنا دليل اختيار المعدات للمناخ الاستوائي يغطي جانب التكثيف من هذه المتطلبات بمزيد من التفصيل.

مكان شركة ريان إلكترك

 

تُصنِّع شركة ريان إلكترك في مصنعٍ تبلغ مساحته ١٢٠٠٠٠ مترًا مربعًا في جيانغسو، وتتمتَّع بأكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار و٣٧ براءة اختراع، وقد بدأت في تصنيع المحولات منذ عام ٢٠٠٧. ومنذ عام ٢٠٢٣، تعمل الشركة كشريكٍ رسميٍّ في مشروع مشترك مع شركة إيتن، كما تشمل شهادات الجودة التي حصلت عليها موافقات الـUL والـCSA والـIEEE والـDEKRA والـCNAS والـCE.

في أعمال معالجة الغاز الطبيعي المسال والغاز، فإن أجزاء المصنع الأهم هي حوض الاختبار وحزمة الوثائق. ويمرُّ كل وحدةٍ بسلسلةٍ من الاختبارات تشمل قياس النسبة ومقاومة اللفات وخسارة التشغيل بدون حمل وخسارة الحمل والمقاومة العقدية، واختبارات العزل الكهربائي، وكذلك اختبار ارتفاع درجة الحرارة عند التحديد، بالإضافة إلى قياس التفريغ الجزئي في الوحدات ذات النوع الجاف. وعندما يحتاج المشتري إلى توثيق القدرة على تحمل التوافقيات، نحسب خفض التحميل الناتج عن التوافقيات استنادًا إلى طيف المحرك باستخدام منهجية الـIEEE C57.110، ونعرض الحساب الرياضي كاملاً، لأن ذكر قيمة خفض التحميل دون عرض خطوات الاستنتاج لا يُقدِّم فائدة تُذكر أثناء مراجعة المستندات المقدَّمة.

انتهت عملية الاستفسار عن ست وحدات في منطقة الخليج، التي تفتتح هذه المقالة، بحزمة مختلطة: ثلاث وحدات مملوءة بالزيت للاستخدام في الفناء الخارجي، وثلاث وحدات مصنوعة من راتنج مصبوب لمبنى الكهرباء، مع تخفيض قدرة الضاغط وفقًا للطيف التوافقي الفعلي لمورد المحرك — وهي الصورة الاعتيادية لحزمة محولات إنتاج الغاز الطبيعي المسال المُدارة جيدًا.

ما الذي يجب تضمينه في طلب العروض الخاص بك قبل الطلب

 

إذا كنت تعد استفسارًا لحزمة محولات لمشروع غاز طبيعي مسال أو محطة غاز، فإن هذه البنود السبعة هي ما يميّز عرض سعر يمكن مقارنته مباشرةً عن عرضٍ آخر يتطلّب إعادة صياغته بالكامل:

الطيف التوافقي، وليس رقمًا عامًّا بارزًا. اطلب من مورد المحرك تقديم الطيف التوافقي للتيار، وعدد النبضات، وترتيب الفلاتر. ولا يمكن استخدام قيمة واحدة فقط لمجموع التوافقيات (THD) لتخفيض قدرة اللفّة.

تصنيف المنطقة والموقع المقصود لكل وحدة، مستندًا إلى المخطط العام الحالي.

درجة الحرارة المحيطة التصميمية والارتفاع فوق مستوى سطح البحر وفئة التآكل مع ذكر فئة ISO 12944 بدقة بدلًا من وصفها.

عامل الحمل المستمر ونظام التكرار ، بالإضافة إلى مدة أي زيادة متوقعة في التحميل.

الهدف من الشهادة، ويُجمَّد قبل إغلاق التصميم. قائمة UL أو CSA، وتقارير الاختبار وفق معايير IEEE C57.12.00 وC57.12.90، أو وثائق IEC 60076 للمشاريع المستندة إلى معايير IEC.

اختبارات المراقبة والمستندات المقدَّمة. ، يتم الاتفاق عليها كتابيًّا قبل إصدار أمر الشراء.

قطع الغيار والعناصر ذات فترات التوريد الطويلة. وبما أن فترات تسليم المحولات الكبيرة ما زالت تُقاس بالسنوات، فإن خطة قطع الغيار والملحقات يجب أن تُدرَج في الطلب الأول.

إذا كنت تحدد خدمة محول لمحطات سائل الغاز الطبيعي ، أرسل مخطط الخط الواحد وظروف الموقع وطيف المحرك إلى فريق الهندسة لدينا عبر www.ryantransformers.com ، أو اكتب إلى [email protected]. وسوف تتلقى توصية بالتقييم، والحسابات الرياضية الخاصة بتخفيض التصنيف، وجدول الإنتاج الذي يعكس قائمة الانتظار الفعلية بدلًا من القائمة المتفائلة.

حول المؤلف

أعدَّ هذه المقالة فريق هندسة المحولات في شركة ريان إلكتريك. وتُصمِّم شركة ريان إلكتريك (ريان إلكتريك جيانغسو المحدودة) وتصنِّع محولات جافة من نوع الراتنج المصبوب ومحولات جافة من نوع التشريب الفراغي (VPI)، ومحولات غامقة في الزيت، ووحدات مركَّبة على القواعد (pad mounted units) في قاعدتها التصنيعية التي تبلغ مساحتها ١٢٠٠٠٠ متر مربع، وهي تعمل منذ عام ٢٠٢٣ كشريك رسمي في مشروع مشترك مع شركة إيتن. وتزود الشركة مشاريع الغاز الطبيعي المسال (LNG) ومعالجة الغاز ومراكز البيانات والصناعات والمرافق العامة في أمريكا الشمالية والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا وأفريقيا.