مقدمة

إن التوربينات الغازية من بين أهم الأصول في توليد الطاقة، ودفع الطائرات، والعمليات الصناعية مثل ضغط النفط والغاز، وقدرتها على تحويل الوقود إلى طاقة آلية ذات كثافة عالية في الطاقة، مما يجعلها لا غنى عنها في الهياكل الأساسية الحديثة، غير أن ظروف التشغيل القصوى تزيد درجات الحرارة، والضغوط، وسرعة التناوب، وتواجه تحديات كبيرة في الموثوقية والكفاءة، بل إن تدهور الأداء في مجال الطاقة قد يؤدي إلى زيادة في تكلفة الوقود.

إن التوربينات الغازية الحديثة هي آلات معقدة تضم آلاف المكونات، ولا يمكن لأساليب الرصد التقليدية، مثل التفتيش اليدوي الدوري أو سجلات البيانات اللاسلكية، أن تلتقط الأحداث السريعة التي تسبق الفشل في كثير من الأحيان، وتغير أجهزة الاستشعار الضوئي هذه النموذج، وهي أجهزة مدمجة ذات قدرة منخفضة يمكن نشرها في أكثر المواقع التي يتعذر الوصول إليها، وعندما تكون مدمجة مع أجهزة القياس الغامضة للغاز.

دور أجهزة الاستشعار عن طريق اليوت في رصد توربين الغاز

أما أجهزة الاستشعار التي تستخدم في التوربينات الغازية فهي ليست جهازاً واحداً بل شبكة موزعة من الأدوات المتخصصة، فهي تقيس الكميات المادية - الحرارة، والضغط، والهزاء، والسرعة التناوبية، وتدفق الوقود، وحتى الانبعاثات المستقلة، وتحوّلها إلى إشارات رقمية، كما أن بروتوكولات الاتصالات اللاسلكية، مثل لو راوان، وزيغبي، أو اختبارات البوليسترال غير البولية، تُرسلية، تُنقل هذه البيانات إلى البوابات المحلية ذات القيمة المضافة مباشرة.

أنواع الاستشعار والنشر

كما أن أجهزة الاستشعار المشتركة التي تستخدم في أجهزة الاستربة الغازية لا تتضمن أجهزة الكشف عن الحرارة والمقاومة (RDs) بالنسبة للحرارة، وقياسات الإجهاد، وأجهزة التكديس الحرارية التي تستخدم في أجهزة التهوية، ومنتجات الضغط في مراحل الضغط وأجهزة الاستشعار التي تعمل بالثديث عند سرعة التناوب.

اقتناء البيانات وتجهيزها

وتولد بيانات الاستشعار عن طريق الفرو في ترددات عالية - كثيراً آلاف العينات في الثانية لأغراض الاهتزاز، إذ إن تحويل جميع البيانات الخام إلى السحابة غير عملي بسبب القيود المفروضة على نطاق الترددات والقصور، وبالتالي فإن نقاط الانذار المسبقة عن طريق البروز تتجاوز على الصعيد المحلي، وتستخرج سمات مثل قيم الذروة، ومستويات العمق السحابي، والاتجاهات.

البارامترات الحرجة لرصد الأداء

ويعتمد الرصد الفعال للاضطرابات الغازية على قياس مجموعة مختارة بعناية من البارامترات، ويوفر كل بارامتر معلومات عن جانب محدد من دورة الدينامية الحرارية أو السلامة الميكانيكية، ويقلل ذلك أهم المعايير والأساس المنطقي لقياسها.

رصد التدرج

وقد يكون التدرج هو أكثر المؤشرات معلوماتية عن صحة التربين، وتشمل نقاط القياس الرئيسية درجات الحرارة المضغوطة والمنطلقة، ودرجة حرارة المحرقة (الحرارة) ودرجة حرارة الغاز الطبيعي، ودرجة حرارة حرارة حرارة التربين، ودرجة حرارة الحرارة المفاجئة، ودرجة الحرارة المتسارعة، حيث يؤثر مباشرة على الكفاءة الحرارية والإجهاد المادي.

رصد الضغط

ويمكن أن تؤدي القراءات المضغوطة في مراحل الضغط والزوارق (إذا كانت موجودة) وعادم الديكور إلى حساب نسبة الضغط ومؤشرات الأداء الرئيسية في كفاءة التربين، كما أن انخفاض ضغط التصريف الضغط على الإجهاد يمكن أن يشير إلى التشويش أو اللوم أو العطلات في الصمامات المشتعلة.

تحليل اليقظة

ويُعد رصد التذبذب حجر الزاوية في التشخيص الميكانيكي، إذ أن المعالم التي تُركَّب على المساكن المحملة، والأغلفة، والسرقات التي تُلتقط من الترددات المتدنية، والترددات العالية على الموجات، والزيوت التي تُحدِّد في كثير من الأحيان الأشعة فوق البنفسجية، والعلامات التي تُحدث في الترددات المتوسطة، مع زيادة في سرعة التحول

السرعة التناوبية وتدفق الوقود

إن قياس سرعة التناوب أمر أساسي للسلامة، حيث أن الإفراط في السرعة يمكن أن يسبب إخفاقاً في الدوار الكارثي، إذ أن أجهزة الاستشعار التي تستخدم أجهزة التقاط غير متجانسة أو بصرية توفر قراءات سريعة ودقيقة، ويمكن قياس تدفق الوقود باستخدام الكوريوليس أو أجهزة قياس التدفق الحراري، وتغذي حسابات الكفاءة (معدل الحرارة) وتقديرات الوقود الكهربي، مع اقتران إنتاج الطاقة الكهربائية.

فوائد الرصد الذي يمكن استخدامه

ويحقق اعتماد أجهزة استشعار عن طريق استخدام النفط في رصد أداء توربين الغاز مزايا قابلة للقياس عبر مجالات العمليات والمالية والسلامة، وتفصل الفروع التالية الفوائد الرئيسية.

الصيانة الافتراضية

وربما كان أهم الفوائد هو الانتقال من الصيانة الجارية أو المقررة إلى الصيانة المتوقعة، فبيانات التحلل الأولي تتيح الكشف المبكر عن اتجاهات التدهور - مثل الزيادة التدريجية في درجة حرارة العادم أو ارتفاع مستويات الاستهلاك التي يتعين التخطيط لها في الأوقات المثلى، مثلاً، فإن محطة توليد الطاقة تستخدم في رصد أيوت في أسطول من توربينات المرفقات تبلغ نسبة النقصان فيها 35 في المائة في التكاليف غير المتوقعة.

تعزيز السلامة والامتثال

وتوفر أجهزة الاستشعار عن طريق التحلل الأولي إنذارات عن الظروف الخطرة مثل تسرب الهيدروجين (في محطات الدورة المشتركة)، وتسرب الغاز، والتسخين المفرط، أو الإفراط في السرعة، ويمكن أن يؤدي التكامل مع نظم مراقبة النباتات تلقائياً إلى تعثر الاضطرابات إذا اختُرقت عتبات الأمان، وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب الأنظمة البيئية رصد الانبعاثات بالنسبة للثدي أكسيد النيتروز، وثاني أكسيد الكربون، كما أن أجهزة الاستشعار العقارية، غالباً ما توفر في مسارات الأكسجينية (مثلاً).

الكفاءة التشغيلية ووفورات التكاليف

ويتيح الرصد المستمر للمشغلين تحسين معايير التشغيل على جميع مستويات الحمولة، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تعديل محركات الشاحنات أو التبريد الجوي استنادا إلى درجة الحرارة الحقيقية وبيانات الضغط إلى تحسين كفاءة الدورة مجتمعة بنسبة 1 إلى 2 في المائة، وفي حين يبدو ذلك صغيرا، فإنه بالنسبة لـ 500 ميغاواط تعمل محطة توربينية تعمل بـ 000 8 ساعة في السنة، فإن زيادة الكفاءة بنسبة 1 في المائة تترجم إلى وفورات في الوقود تبلغ حوالي 000 400 دولار سنويا (الإنتاج).

صنع القرار

(ب) تجميع البيانات من المئات من أجهزة الاستشعار إلى لوحات القياس التي تقدم مؤشرات الأداء الرئيسية مثل معدل الحرارة، والتوافر، ومعدل التجاوز القسري؛ ويمكن لمديري الأسطول أن يقارنوا الأداء عبر التربينات المتعددة، وأن يحددوا أفضل الممارسات، وأن يوحدوا إجراءات التشغيل.() ويمكن إعادة تدريب نماذج التعلم التي تحلل البيانات التاريخية عن الأخطاء باستخدام بيانات جديدة عن الأخطاء في استخدام تكنولوجيا المعلومات، مما يؤدي باستمرار إلى تحسين دقة التنبؤ.

تحديات التنفيذ والحلول

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن نشر أجهزة استشعار عن طريق التربينات الغازية يشكل عدة تحديات تقنية وتنظيمية، والاعتراف بهذه التحديات وتنفيذ حلول مثبتة أمر أساسي لبرنامج رصد ناجح.

أمن البيانات وخصوصيتها

وقد يؤدي جهاز الاستشعار عن طريق التحلل إلى زيادة سطح الهجوم على التهديدات الإلكترونية، كما يمكن للمستشعر المهين أن يقدم بيانات كاذبة أو أن يكون بمثابة نقطة دخول لشبكات المراقبة الصناعية، ومن أجل التخفيف من ذلك، يجب على أجهزة الاستشعار عن طريق التحلل أن تدعم التشفير القوي (TLS 1.3)، والتوثيق عن الأجهزة، والتحديثات المنتظمة عن البرمجيات الحاسوبية، كما أن تقسيم الشبكة أمر بالغ الأهمية: ينبغي أن تتدفق بيانات الاستشعار من خلال مداخل مفردة للكشف تشمل نظم المراقبة الأساسية.

حجم البيانات والتحليلات

ويمكن أن يولد توربين واحد ترابيا من بيانات الاهتزاز سنويا، حيث أن تخزين جميع البيانات الخام في السحابة مكلف وبطيء في التساؤل، والحل هو نهج البيانات المترابطة: تخزن أجهزة الحواف بيانات عالية الاستبانة قصيرة الأجل (مثلا، آخر 72 ساعة) بينما تحتفظ بيانات الخزن السحابي بمؤشرات منخفضة الاستبانة (مثل متوسطات الساعة) بالإضافة إلى بيانات أولية عن الأحداث التي تُعَلَّت عليها علامات.

التكامل مع نظم الإرث

(ب) استخدام بروتوكولات الملكية (مودبوس، هارت، جي مارك السادس، سيمينس تي 3000) - يجب أن تكون أجهزة الاستشعار التابعة للوقود قادرة على تغذية البيانات في هذه النظم أو التعايش دون توقف العمليات، وباستخدام أجهزة للطرق التي تترجم بين البروتوكولات اللاسلكية وشبكات الحقل القديمة نهج واحد، يتمثل نهج آخر في تركيب أجهزة مستقلة للتحكم في البيانات.

الحساسية والطابع المعايرة

ويجب أن يصمد الحساسات في مسار الغاز الساخن في درجات الحرارة التي تتجاوز ٥٠٠ ١ درجة مئوية، والبخار العالي الضغط، ومنتجات الاحتراق التآكل التآكلية، وفي حين أن أجهزة الاستشعار الحديثة قوية، فإنها لا تزال تنجرف بمرور الوقت وتتطلب معايرة دورية، كما أن البطاريات التي لا تعرف الكلل تحتاج إلى استبدال أو إعادة شحن، وتشمل الحلول استخدام جني الحرارة من الحرارة.

Future Innovations in Gas Turbine Monitoring

ويتطور مجال رصد توربين الغازات المتطاولة من إيوت بسرعة، وتعود التكنولوجيات الناشئة بزيادة تعزيز قدرات الرصد، وتخفيض التكاليف، وفتح استراتيجيات تشغيلية جديدة.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وفي حين أن عتبات الإنذار القائمة على القواعد شائعة، فإن نماذج أجهزة الإنذار يمكن أن تكشف أنماطاً خفية قد يفتقدها البشر، كما أن تقنيات التعلم العميق، مثل أجهزة التأشيرات للكشف عن الشذوذ وربط الشبكات العصبية لتصنيف التوقيعات على اليقظة، يجري نشرها بالفعل، فعلى سبيل المثال، أظهرت شركة Siemens نماذج للتنبؤ ببقايا الإنتاجي من عناصر مسارات الغاز الساخن التي تتجاوز 90 في المائة من الدقة (المصدر: [FiimT:])

حواسيب حاسوبية مخفضة السرعة

ويتجاوز حساب السن مرحلة التجهيز الأولي بحيث يُستشف من أجهزة الاستشعار بالوزن الخفيف مباشرة من أجهزة الاستشعار أو البوابات القريبة، مما يتيح الاستجابة في إطار المرحلة الثانية من أجل البارامترات الحرجة مثل الكشف المفاجئ، فمثلاً، يستخدم المنهاج الرقمي لميتسواني المضغوط (المنبر الرقمي لأجهزة التموين المضغوطة) الحاسوب لكشف السلائف الطفية المضغوطة واتخاذ إجراءات تصحيحية قبل أن يتطور بشكل كامل.

التوائم الرقمية والحياكة

(ب) إن التكنولوجيا الرقمية المزدوجة تؤدي إلى تكرار فعلي للتربين الغازي الذي يستكمل باستمرار استناداً إلى بيانات الاستشعار عن طريق الساتل إيوت، ويمكن استخدام التوأم في محاكاة " ما إذا كانت " ، مثل اختبار أثر مختلف خلايا الوقود أو درجات الحرارة المحيطة على الأداء دون أن يخاطر بالموجود الحقيقي، كما يمكن من وضع علامات قياسية على أساس التحلل الرقمي لنموذج التكنولوجيا.

مواد الاستشعار المتقدمة و5G

ويمكن أن تعمل أجهزة الاستشعار الجيل القادم التي تبنى من كربيد السيليكون أو نيتريد الغاليوم (GaN) عند درجات حرارة تزيد على 600 درجة مئوية دون التبريد، مما يتيح التمركز المباشر في غرف الاحتراق، ويمكن لمستشعرات البرق الضوئية أن تقيس درجة الحرارة والإجهاد عند نقاط متعددة على طول ألياف واحدة، مع استبدال عشرات شبكات الاستشعار اللامعية.

خاتمة

وقد انتقل رصد أداء الاضطرابات الغازية باستخدام أجهزة الاستشعار عن طريق استخدام أجهزة الاستشعار عن طريق اليوت من مفهوم تجريبي إلى ممارسة ثبتت قيمتها، حيث تتابع باستمرار المعايير الحيوية - التأقلم، والضغط، والاهتزاز، والسرعة، وأجهزة تشغيل تدفق الوقود، وتكتسب الحاجة إلى منع الإخفاقات، وتحقيق الكفاءة المثلى، وتقليل التكاليف، والفوائد واضحة: الصيانة المتوقعة، وتعزيز السلامة، وتحسين كفاءة التشغيل بنسبة ١ إلى ٢ في المائة، وتحديات تنفيذ البيانات.

وفي المستقبل، فإن تقارب المعلومات المسبقة عن علم، والحساب الحاشف، والتوأم الرقمي، وتكنولوجيات الاستشعار المتقدمة، سيزيد من الحدود، وسيشكل توربين الغاز في المستقبل رصيداً مستقلاً يربط مركزه الصحي، ويكيف نفسه إلى أقصى حد، وينسق مع متطلبات الشبكة في الوقت الحقيقي، وستترتب على المنظمات التي تستثمر في البنية التحتية للمستقبل اليوم مواقع جيدة لاستخلاص المكاسب الناتجة عن الكفاءة والموثوقية والاستدامة والتي يتوقع أن تحققها غداً.