التوسع الحراري في مكونات محطات الطاقة الحرارية الأرضية والنظر في التصميم

إن الطاقة الحرارية الأرضية تولد إمدادات ثابتة من الطاقة المتجددة بواسطة التلقيم إلى درجة الحرارة الهائلة المخزنة تحت سطح الأرض، وعلى عكس ما يحدث من تغيرات في الطاقة الشمسية أو الرياح، فإن الموارد الحرارية الأرضية يمكن أن تولد الكهرباء على مدار الساعة، ولكن الظروف القاسية تحت سطح الأرض تفرض متطلبات تتطلب استخدام معدات النباتات، كما أن الثلوجات التي ترتفع إلى السطح يمكن أن تصل إلى درجات حرارة تزيد على ٣٥٠ درجة مئوية في نظم التحلل العالي.

أساسيات التوسع الحراري

وفي حالة حدوث تذبذب وتقلصات عند التبريد، فإن ظاهرة كمية من معامل التوسع الحراري، وفي الصلبات الأرضية، يؤدي التوسع الحراري إلى حدوث علاقة [تتتراوح بين 10 و6 درجات] بين ارتفاع في الحرارة، و10 درجات مئوية فقط، حيث تؤدي المادة إلى حدوث زيادة في طول الطول، و10 درجات مئوية.

والتوسع الحراري يولد أيضا ضغوطا ثانوية عندما يقيد التنقل، وخلافا للإجهادات الأولية من الضغط أو الوزن، فإن الضغوط الثانوية تحد من الذات لأنها تنتج غلة محلية تعيد توزيع الحمولة، غير أن تكرار التدوير الحراري يسبب فشلا في الدراجة إذا تجاوز النطاق الضئيل الحد الأقصى لمعدلات تحمل المواد، ويبقى نظام " أس إم بي أو " و " مدوجة " في سلالة الضغط على هذا من خلال منحنى ضغط الدم.

3 - تشكيلات الطاقة الحرارية الأرضية والموجزات الحرارية

وتنقسم محطات الطاقة الحرارية الأرضية إلى ثلاث فئات عريضة، كل منها يفرض توقيعا حراريا متميزا على مكوناتها، ويحدد التشكيلة بشكل مباشر نطاقات الحرارة ومستويات الضغط وأنماط التدوير التي يجب أن تتواكب معها المعدات.

دري ستام نباتات

وقد لوحظت محطات البخار الجافة، مثل تلك الموجودة في الجيزر في كاليفورنيا، وهي تُوجّه البخار الطبيعي مباشرة من الخزان إلى التربين، ويمكن أن تتجاوز هذه البخار 200 درجة مئوية وتبرد تدريجياً من خلال مراحل التربين، ولكن الصمامات المتراكمة في أعلى المجرى ترتفع درجة الحرارة الكاملة في المستودعات مع تقلبات طفيفة خلال التشغيل العادي.

Flash Steam Plants

كما أن مصانع البخار، وهي أكثر أنواعها شيوعا، وفصلها عن ارتفاع الضغط، وارتفاع درجة الحرارة إلى مراحل البخار والسائل، وتخلق خطوط التدفق المتناثرة ذات المرحلتين، وخطوط البخار تعمل عند درجات حرارة تتراوح بين 180 درجة مئوية و280 درجة مئوية، مع انخفاض درجة الحرارة المفاجئة عند ظهور سلسلة الضغط.

مصانع المركبات الثنائية

وتنتقل النباتات المولدة للدموع من الحرارة الأرضية (نحو 100 إلى 180 درجة مئوية) إلى سوائل عمل ثانوية مثل الأيزوفينتين أو R134a عن طريق مبادلات الحرارة، بينما تكون درجة الحرارة القصوى أقل من تلك الموجودة في النباتات الوميضية، فإن الفرق في درجة الحرارة بين الرنة والسوائل العضوية يمكن أن يؤدي إلى توسع كبير في مبادلات التلوين والإطارات الحرارية.

العناصر الحاسمة التي أثرها التوسع الحراري

ويخضع كل جزء من المعادن تقريبا في مصنع للحرارة الأرضية للحركة الحرارية، ولكن بعض المكونات معرضة بشكل خاص لتراكم الإجهاد والضرر البدين، ويسترشد فهم آليات الفشل في كل نوع من أنواع المكونات بقرارات التصميم وأولويات التفتيش.

Piping Systems and Manifolds

إن شبكات التعبئة تحمل درجة حرارة، وبخار نظيف، ومياه تبريد، وتزيد من طولها 24 إلى 48 بوصة في خطوط البخار الرئيسية، وتخلق فترات طويلة بين المرساة توسعاً كاملاً، وبدون مرونة كافية، فإن الأنابيب والزبابات تجتاز فترات تنازل تتجاوز حدود تصميمها، وتختلف المسألة الكلاسيكية بين خطي البطن ونسيج الدعم المختار.

وثمة مجال آخر حاسم هو الوصل بين البئر والرقائق السطحية، حيث إن آبار الطاقة الحرارية الأرضية تنتج عادة سوائل تسخن غطاء الرأس الكهرومغناطيسي مع ارتفاع السوائل، في حين أن خط التدفق المرفق قد يكون في درجة حرارة المحيط أثناء الإغلاق، ويمكن أن يلقي التفرق بين الرأس والأرضية الأولى ضغطا كبيرا على مدافن الرأس وارتباطها بالغطاء.

معدات التربينات والتناوب

ويشهد التربينات الحرارية الأرضية، ولا سيما في المصانع الوميضية، درجات حرارة قريبة من التشبع، ويزيد حجم التربين، والدوار، والبلود من جميع درجات الحرارة عند مستويات مختلفة أثناء بدء التشغيل، ويحد الدوار الذي يحتوي على الكتلة الحرارية الأصغر ويعرض للبخار على سطحه، ويزيد سرعة التموين الثقيل.

وحتى ذلك، يمكن أن تؤدي عملية التقلبات الدورية إلى شقات الدهن الحراري في الغلاف الداخلي أو إلى الصلة بين صدر البخار وغطاء التربين، ويقود صدر البخار الذي يوصل بخار عالي السرعة إلى صمامات التحكم، ويختبر أكثر التقلبات الحرارية حدة لأنه يرى درجة حرارة ثابتة كاملة أثناء التشغيل ويبرد بسرعة عند اختلالات الصمامات.

مبادلات حرارة ومكثفات

وفي النباتات الثنائية، يواجه مبادلات الحرارة الأولية فرقا كبيرا في درجات الحرارة بين جانبي الرنة والسيولة العضوية، وهذا الفرق في درجات الحرارة عبر مجموعة الطبق أو الحزمة الأنبوبية يؤدي إلى توسع حراري بين القصف والأنابيب، وإذا لم تكن مفاصل الغاز المحتوية على الرصاص مصممة بقدر كاف من المرونة، فإن التسربات يمكن أن تتطور، وتلوث حلقة العمل أو تسمح بدخول مركب الكهرباء.

أما مصانع البخار المباشر في محطات البخار، وإن كانت أبسط، فلا تزال تشهد توسعاً عندما تكون كميات كبيرة من مزيج مياه التبريد مع العادم الديكي، ويجب أن تستوعب قذيفة التوربين تغييرات بُعدية من كل من مخروط البخار الجديد ومجرى مياه التبريد، وفي بعض التصاميم، ترسخت قذيفة التكسير في مشعلات التربين المرنة، وتسمح بالإنزالة على الرواسب.

الصمامات، والعلامات، والبحار

وتشهد قيمة خدمات الطاقة الحرارية الأرضية توسعاً في الجسم وتوسعاً متمايزاً بين الجذع والجسم، كما أن الصمامات الكبيرة المستخدمة في العزلة على خطوط البخار يمكن أن تتراكم إذا توسعت الهيئة أكثر من الجذع، مما يتسبب في تسارع وتيرة استخدام الغازات المحتوية على الغازات، ويزيد من سرعة استخدام التصفيق المرن للأختام.

اختيار المواد للتوافق الحراري

إن اختيار المواد المناسبة هو أول خط دفاع ضد الضرر الذي يلحق بالتوسع الحراري، إذ أن المادة المثالية تجمع بين معامل منخفض للتوسع الحراري وبين مقاومة التآكل العالية، وحسنة الصلاحية، وكلفة معقولة، ولا توجد سبيكة واحدة تفي بجميع هذه المعايير، لذا يجب على المهندسين أن يوازنوا بين المفاضلات القائمة على شروط الخدمة المحددة.

- استخدام الفولاذ غير القابل للصدأ مثل 316 لام و 317 لال على نطاق واسع في الرصيف الحراري الجيولوجي والسفن بسبب مقاومة التآكل في الأساطيل التي تحتوي على الكلوريدات والكبريتيدات الهيدروجينية، غير أن معامل التكتل الحرارية فيها عالية نسبياً من 16 إلى 18 درجة 10 إلى 6 درجات مئوية/درجة مئوية من الحرارة، وهي تتحرك بدرجة كبيرة مع تغيرات في درجات الحرارة.

أما بالنسبة للدعم الهيكلي والملحقات الخارجية، فإن فولاذ الكربون يمكن أن يستخدم بعزلة دقيقة لتجنب التآكل الغارق، حيث أن درجة حرارة كلورتها تبلغ حوالي 12 درجة مئوية من 10 إلى 6 درجات مئوية، تكون قريبة بما يكفي من درجة حرارة الفولاذ غير الملموس التي يمكن استيعابها بالتوسيع المتمايز في ملحقات ملحة دون ضغط شديد، شريطة أن تكون التفاصيل المشتركة مصممة بمرونة كافية.

ويعاني الفولاذ الخام غير القابل للصدأ مثل النوعين 409 و439 من قيم أقل من قيم CTE (نحو 10-11 × 10-6 /س) ومقاومة التآكل الحاد الحسنة، ولكن قوتها الميكانيكية تنخفض بسرعة أكبر عند درجات حرارة أعلى من درجات الحرارة المرتفعة، وتستخدم أحياناً في معالجة عوامل الضغط الحراري في محطات ثنائية حيث تظل درجات الحرارة القصوى أقل من 200 درجة مئوية.

الاستراتيجيات التصميمية وتقنيات التخفيف

وتشتمل النباتات الحديثة الحرارية الأرضية على عناصر تصميم متعددة لاستيعاب التوسع الحراري مع الحفاظ على الضغوط في حدود الرموز، وتتمثل الفلسفة العامة في توفير المرونة الخاضعة للرقابة، وضمان مسارات تنقل يمكن التنبؤ بها، وتفادي القيود غير المقصودة التي تركز على الضغط.

توسيع نطاق الأنشطة: الأنواع والتطبيقات

فعمليات التوسع التي تُسمى أيضاً بـ (بيلوز) هي الطريقة الأكثر مباشرة لاستيعاب الحركة الافتراضية والفقية والغير العادية في نظام الرصيف، وأجهزة التحميل المميتة التي تُصنع من الإكوان ذي الشلالات العالية أو الصلب اللاصق يمكن أن تضغط وتمتد بشكل كبير في حدودها المحددة، وفي خطوط البخار الحراري الأرضية، والتناوب المائل والزرقي المشترك

وتتوقف الحياة التصاميمية للتوسع المشترك على عدد الدورات الحرارية التي تختبرها وحجم الحركة في كل دورة، وتُقيَّم عادةً بحجم يتراوح بين 000 1 و 000 10 دورة من دورات الكوكائين، ولكن النظم الحرارية الأرضية التي تُحدث يومياً وتغلقها يمكن أن تستنفد هذه الحياة في فترة تتراوح بين 3 و30 سنة.

نظم الرسوب والدعم

فبدلاً من الاعتماد على المجارير فقط، يستخدم الكثير من المصممين المرونة الطبيعية في مخططات الرصيف، حيث تؤدي حلقات التوسع - الأنحناءات على شكل وحدات متحركة طويلة ومباشرة من خلال الإقراض بدلاً من أن تُستخدم من خلال مجموعة ميكانيكية، ويتجاهلون الأنابيب وطول الساق، في كثير من الأحيان، إلى إبقاء الضغوط في حدود مسموح بها، حيث يقل وزن التركيب عن 50 في المائة من القوة السائلية للمواد عند درجة الحرارة.

ويجب أن تسمح ترتيبات الدعم بالانهيار الحر في الوقت الذي تُقيّد فيه الاهتزاز، كما أن لوحات الشرائح المنخفضة الارتداد التي تُصنع من PTFE أو المعادن المحملة بالغرافيت شائعة في إطار خطوط البخار، وتُستخدم الدعم المتحرك في الأنابيب الأكبر التي يفرض فيها الاحتكاك المتصاعد أعباء مفرطة على الهيكل، وتوضع نقاط الاندور في إطار استراتيجي لتقسيم نظام التربيع إلى أجزاء يمكن أن تتحرك بصورة مستقلة دون تحميل.

تحليل العناصر الثابتة ونمذجة الإجهاد

ويعتمد تصميم النبات الحرارية الأرضية الحديثة على تحليل العناصر المحددة للتنبؤ بسلوك التوسع الحراري والتحقق من أن الضغوط لا تزال في حدود مقبولة، وتخضع النماذج الثلاثة الأبعاد لنظام الصمامات، بما في ذلك جميع الدعم والمراسي والآلات المعدّة، للمجموعة الكاملة من حالات الحمولة الحرارية التي تحددها ظروف التشغيل، ويُفسّر التحليل توزيع الحرارة على طول الأنابيب، وتركيز عناصر الإجهاد المرتبطة بالنماذج، والمرونة

الرصد المؤقت والصيانة

معرفة كيفية تحرك عنصر ما وما هو الإجهاد الذي يُحدثه هو أمر حيوي للتحقق من افتراضات التصميم وكشف علامات الاستغاثة المبكرة، وقد تُركّب أجهزة الكشف عن الحرارة السطحية والمقاومة على أجهزة الرصد الحيوية بالقرب من المرساة والمزمار لتسجيل ملامح درجات الحرارة على مر الزمن، ويمكن أن تقيس أجهزة قياس درجة الحرارة التي تم تمويلها على الجدران الأنابيب الإجهاد في الوقت الحقيقي، وكثيرا ما تُوزَّع البيانات في نظم الرقابة على الآلات الحديثة

ويكشف الترميز الحراري تحت الحمراء أثناء عمليات النبات عن بؤر ساخنة عند تسرب المفاصل أو عدم العزل، مما قد يشير إلى حركة مفرطة تخلت عن الختم، كما يستخدم التصوير الحراري لكشف التوزيع غير المتساوي للحرارة عبر قذائف مبادلات الحرارة، مما يمكن أن يشير إلى وجود تدفق داخلي أو كتلة من الأنابيب، ويخلق الجمع بين بيانات الرصد هذه وبين تحليل العناصر الزعنفة توأمة الرقمية في نظام الصيانة.

ولا تزال عمليات التفتيش المنتظمة على المجرى المتحرك تشكل عنصرا أساسيا في الرصد الإلكتروني، إذ يبحث المشغلون عن علامات على حركة مفرطة مثل أدلة الأنابيب المضللة، والعزل المتصدع في الملاعب، وينبئ الدعم المشوّه، أو أدلة على فرك الفولاذ من الصلب الهيكلي، وهذه المؤشرات البصرية، مقترنة بالبيانات الواردة من أجهزة الاستشعار، توفر صورة شاملة عن صحة التوسع الحراري للمصنع.

المعايير الصناعية والإطار التنظيمي

ويجب أن يلتزم مصممو محطات الطاقة الحرارية الأرضية بزجاجة من الطاقة، وسفن الضغط، ورموز خاصة بالحرارة الأرضية، وفي الولايات المتحدة، ينظم النظام الآلي للمعاملات (ASME B31.1) عملية تحديد ضغط الطاقة، التي تشمل خطوط البخار وثاني أكسيد الكربون الساخن في خدمة الحرارة الأرضية، ويطبق القسم الثامن من مدونة قواعد المركبات والضغط على المفصلين، والدبابات الوميضية، ومبادلات الحرارية.

(أ) إن مكتب تكنولوجيا الطاقة الحرارية الأرضية التابع لوزارة الطاقة (FLT: 1) يدعم البحث في مواد متقدمة وتقنيات مبتكرة لإدارة التوسع التي تجد طريقها في نهاية المطاف إلى تنقيحات رمزية، وعلى الصعيد الدولي، قامت البلدان التي لديها برامج كبيرة في مجال الطاقة الحرارية الأرضية مثل أيسلندا ونيوزيلندا وإندونيسيا بوضع مكملات خاصة بها للمدونات الدولية التي تعالج ظروفاً محلية معينة مثل التحميل السيزمي، بالإضافة إلى معايير الضغط الحراري.

دراسات الحالة والدروس المستفادة

وقد أظهرت التجربة من محطات التشغيل مرارا أن التوسيع الحراري الناقص يمكن أن يؤدي إلى إخفاقات شديدة، ففي إحدى المصانع المفاجئة في الفلبين، طور خط البخار الرئيسي شقا مفترقا في وصلة فرعية، بعد خمس سنوات فقط من التشغيل، كشف التحليل عن أن المرساة قد تم تركيبها بالقرب من اللحام، مما يحد من التوسع الحر، ويخلق لحظة مائلة تدور فيها كل تركيز بارد.

في حالة أخرى في نيوزيلندا، تمّ تصميم لوحة بنزين بجانب نسيج على مُبادِل حرارة مُنكسرة بعد سلسلة من رحلات النبات السريع، وصممت ورقة الأنبوب مع حد أدنى للتوسع المتباين بين قذيفة الإبرنة الساخنة وجانب المبرد، وخلال الرحلة، انخفض معدل الحرارة المُغلقة بسرعة بينما ظلت النسيجات تُعيد تشغيلها

ويوضح مثال ثالث من مصنع البخار الجاف في كاليفورنيا أهمية صيانة الدعم، وقد أُصيب الدعم في خط البخار في سطحه المنهار، مما زاد من الاحتكاك إلى النقطة التي لا يمكن فيها للأنبوب أن يتحرك بحرية، وأدى القيد الناجم عن ذلك إلى وجود مفاصل في صمام قريب لتسريب البخار المشبع بالحرارة، مما أدى إلى توقف حالة الطوارئ، واستعيض عن ذلك الدعم بأمثلة منخفضة القيمة.

التكنولوجيات الناشئة في إدارة التوسع

وينتج البحث والتطوير الجاريان أدوات ومواد جديدة لزيادة تحسين إدارة التوسع الحراري في النباتات الحرارية الأرضية، ويجري تطوير السبيكات المتقدمة ذات الحرارة العالية مع قيم مبيدات الآفات المصممة خصيصاً من خلال علوم المواد الحاسوبية، ومن ذلك مثلاً توسيع نطاق التفكك بالأوكسيدات، وبعض المحاور الكبيرة التي تستخدم الكوبالت، مع تقليل المقاومة الزاحفة الاستثنائية، رغم أن إنتاجها من المسحوقات المضغوطة يؤدي إلى زيادة المرونة.

ومن ناحية الرصد، فإن شبكات الاستشعار اللاسلكية التي تستمد طاقتها من حرق الحوائط الحرارية أو التدرج الحراري تؤدي إلى خفض تكلفة تركيب الأجهزة، كما أن الاستشعار الصوتي الموزع باستخدام الكابلات الضوئية الألياف يجري اختباره لكشف التوقيع الصوتي على الشق العديمي الضئيل أثناء التشغيل، مقترناً بمنصات رقمية، تتيح هذه أجهزة الاستشعار للمشغلين القيام بتصويرات

خاتمة

فالتوسع الحراري هو واقع مادي لا يمكن تجنبه في محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية، ولكن مع الهندسة الممنهجة يمكن تحويله من محرك للفشل إلى مواصفات قابلة للإدارة، ولا يمكن للباحثين الناجحين أن يدمجوا بين اختيار المواد المزودة بالثبات، والتطبيق المتعمد لمفاصل التوسع، والمرونة في الأنابيب، ونظم الدعم القوية، والرصد الذكي الذي يوفر الإنذار المبكر بالمشاكل، مع تزايد صناعات الحرارية والنباتات التي تدفع إلى العمل في إطار مزيد من المرونة