لماذا تُعَدّ مقاومات الحرارة عالية الحرارة حاسمةً لعمليات محطات الطاقة؟

كيف توفر الثرمستورات ذات درجة الحرارة العالية الأمان الحراري الفوري في التطبيقات الحرجة لتوليد الطاقة

في سيناريوهات الانزلاق الحراري في محامل التوربينات والمحولات وأنظمة الغلايات

عندما تحدث ظاهرة الانفلات الحراري في محامل التوربينات أو المحولات أو أنابيب الغلايات، فإن أعطال المعدات تحدث فورًا. فعلى سبيل المثال، عند ارتفاع درجة حرارة المحامل إلى ما يزيد عن ٢٠٠ درجة مئوية، تتحلل مواد التشحيم. كما تفشل عوازل المحولات عند درجات الحرارة التي تتجاوز ١٥٠ درجة مئوية، وتتعرض أنابيب الغلايات التي تسخن بشكل مفرط لتكون طبقات ترسبية (كالتجليفات) تؤدي إلى تمزقها. وغالب أجهزة الاستشعار التقليدية بطيئة جدًّا للكشف عن هذه التغيرات السريعة في درجات الحرارة. أما مقاومات الحرارة عالية الحرارة (High temp thermistors) فهي مزوَّدة بتقنية تسمح لها بالكشف عن تراكم الحرارة غير الطبيعي والاستجابة له خلال أجزاء صغيرة جدًّا من الثانية. وتقوم مقاومات الحرارة العالية بأداء اختبار مقاومة كهربائية، لأن معدل تغير المقاومة فيها أسرع بنسبة ٩٠٪ مقارنةً بأجهزة الاستشعار التناظرية ثنائية الفلزات القديمة. وهذا يمنح مشغِّل المحطة القدرة على تفعيل نظام التبريد قبل الوصول إلى حالة الانفلات الحراري. وقد أظهرت التحليلات الحديثة التي قدَّمتها شركة دو باور سيستمز (Doe Power Systems) في عام ٢٠٢٣ أن تجنُّب هذه الانقطاعات غير المخطط لها يمكن أن يوفِّر للمحطات الكهربائية ما يقارب نصف مليون دولار أمريكي.

الأداء الدقيق هو أداء متفوقٌ بشكلٍ ملحوظ، حيث تتحمل المقاومات الحرارية درجات حرارة مرتفعة ضمن مدى تسامح ±٠٫٥°م من حمل حراري يتراوح بين ٠°م و٣٠٠°م، ولـ ١٠٠٠٠ دورة عند درجة حرارة ٤٠٠°م. كما أن المقاومات الحرارية تفوقت بشكلٍ كبيرٍ على مقاومات درجة الحرارة البلاتينية (RTDs)، التي تنحرف أكثر من ±٢°م بعد ١٠٠٠ دورة فقط عند درجة حرارة ٣٠٠°م. وتستخدم المقاومات الحرارية الحصرية مركبًا فريدًا من أكاسيد المعادن الذي يظهر تدهورًا بلوريًّا ضئيلًا جدًّا تحت إجهادات حرارية قصوى، مما يمنح هذه المقاومات القدرة على تحقيق فوائد جذابة مثل:

١. عدم وجود تداخل كهرومغناطيسي. وهذا يسهم في استقرار سلامة الإشارة حتى عند الاقتراب من معدات التبديل ذات الجهد ٢٠ كيلوفولت، وهو ما كان يُعتبر سابقًا أمرًا غير ممكن.

٢. انجراف الاستقرار. ويُوصَف هذا الانجراف بأنه انحراف في المعايرة أقل من ٠٫١٪ خلال ساعات التشغيل عند درجة حرارة ٤٠٠°م.

٣. عدم حدوث أي تدهور نتيجة أحمال الاهتزاز الميكانيكي البالغة ٥٠ جرامًا، وهي الأحمال النموذجية في بيئات تشغيل التوربينات.

أظهرت تقييمات المقاومات الحرارية (الثرمستورات) المستخدمة في محطات الدورة المركبة انخفاضًا بنسبة 70% في الإنذارات الكاذبة مقارنةً بالمستشعرات القديمة. ويسهم ذلك بشكلٍ كبيرٍ في تحسين ثقة التشغيل والسلامة العامة على حدٍّ سواء. وتتيح المقاومات الحرارية، بزمن استجابتها الذي يبلغ مستوى المايكروثانية، تحقيق درجة عالية من الثقة أثناء الأحداث الحرارية، إذ توفر الوقت التشغيلي اللازم لإيقاف التشغيل التنبؤي.

لماذا تكون المقاومات الحرارية ذات درجة الحرارة العالية أفضل من المستشعرات التقليدية في ظروف محطات الطاقة القاسية؟

المقاومات الحرارية مقابل مقاومات البلاتين الحرارية (RTDs): زمن الاستجابة والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

تتمتع مقاومات الحرارة عالية الحرارة بزمن استجابة يقترب من عشرة أضعاف زمن استجابة مقاومات درجة الحرارة البلاتينية القياسية (RTDs). ويمكن لمقاومات الحرارة أن تستشعر التغيرات في درجة الحرارة وتستجيب لها خلال ثانيتين فقط، وذلك نتيجة لتغيرات الحمل عند التوربين. وتكمن أهمية أزمنة الاستجابة السريعة في منع سلسلة من الأحداث، مثل ارتفاعات مفاجئة غير متوقعة في المستوى أو في الحمل قد تؤدي إلى ارتفاع حراري مفاجئ (Rush Inrush Heating) في المحولات. كما أنها مصنوعة من مواد توفر حمايةً ضد كلٍّ من التداخل الحراري والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، ما يمكنها من تقديم قراءات مستقرة لدرجة الحرارة، على عكس مقاومات درجة الحرارة البلاتينية (RTDs) التي قد تنحرف قراءاتها بمقدار ± ٣ درجات مئوية في محطات التبديل ذات الجهد ١٠٠ كيلوفولت. وفي غرف المولدات المليئة بالمعدات الكهربائية التي تُولِّد تداخلًا كهرومغناطيسيًّا، تُعَدُّ مقاومات الحرارة الحل الوحيد القابل للتطبيق لقياس درجة الحرارة بدقة دون تدخل مستمر في الإشارة.

معادن وسيراميك مانعة للتسرب تضمن متوسط زمن تشغيل قبل الفشل (MTBF) يبلغ ١٥ سنة عند تعرضها لغازات العادم التي تتجاوز درجة حرارتها ٤٠٠ درجة مئوية

اللحام بالليزر لإغلاق الوصلات المعدنية والخزفية بشكل محكم يوفر عمرًا افتراضيًّا يبلغ ١٥ عامًا للمعدات المُركَّبة في القنوات التي تصل درجة حرارة غاز العادم فيها إلى ٤٢٥ درجة مئوية. وتمنع هذه الإغلاقات دخول أكاسيد الكبريت، والتي قد تُدمِّر أجهزة الاستشعار غير المحمية بعد ١٨ شهرًا. وتُظهر الاختبارات وتقييمات التصميم أن هذه الإغلاقات تحافظ على دقة قياس تتراوح بين ±٠٫٥ درجة مئوية لأكثر من ٥٠٬٠٠٠ دورة حرارية. أما وحدات مقاومات الحرارة التقليدية (RTD) فتفقد دقتها بسبب الصدمات الميكانيكية. وبالمقارنة مع أجهزة الاستشعار البلاتينية التقليدية التي تتطلب معايرة كل ثلاثة أشهر، فإن هذه المقاومات الحرارية تعمل بموثوقية عالية حتى في أشد الظروف البيئية سوءًا التي توجد فيها غلايات الوقود الحجري. وتُشير تقارير صناعة عام ٢٠٢٣ إلى أن استخدام هذه المقاومات الحرارية يؤدي إلى خفض تكاليف الصيانة بنسبة ٦٦٪، ما يدل على الفائدة المالية طويلة الأجل لمشغِّلي المحطات.

كشف الترسبات في أنابيب المكثِّف باستخدام شبكات المقاومات الحرارية الحافة

عند الاتصال بشبكة إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT) المُجهَّزة بوحدات حوسبة حافة (Edge), يمكن لمُقاوم حراري فردي عالي الحرارة اكتشاف التغيرات في درجة الحرارة والإبلاغ عنها بدقة تصل إلى ٠٫١ °م. ويمكن لهذا المستشعر الأمثل لدرجة الحرارة مراقبة توزيع الحرارة في الشبكة بشكل نشط، واكتشاف المشكلات المتعلقة بالأداء الناجمة عن الترسبات أو القيود في تدفق السوائل. وبدلًا من الاعتماد على قياس نقطة أو نقطتين معزولتين فقط، فإن شبكات أجهزة الاستشعار المقاومة للحرارة الموزَّعة على سطح النظام بأكمله تتيح الحصول على صورة شاملة لأداء النظام. ويمكن لرسم الخرائط المقاومية للحرارة تشخيص القيود في تدفق السائل داخل الأنبوب ٧ب بدقة تصل إلى نحو ٩٨٪. ومن بيانات أجهزة الاستشعار المقاومة للحرارة، يمكن للخوارزميات التنبؤية الإبلاغ عن احتمال عالٍ لحدوث قيد في التدفق قبل ٧٢ ساعة. وقد أبلغ أول المُعتمدين على المقاومات الحرارية العالية الحرارة في مجال الصيانة التنبؤية عن خفضٍ بنسبة ٤٠٪ في حالات توقف أنظمة التبريد غير المخطط لها في محطة طاقة. بالإضافة إلى ذلك، يتلقى فريق الصيانة تنبيهات في غضون أقل من نصف ثانية بعد وقوع حدث على وحدة الحوسبة الحافة، وذلك بفضل معالجة الأحداث الحافة. ويمكن لهذه الخوارزمية البسيطة أن تشكِّل أساس خوارزمية صيانة تنبؤية أكثر تقدمًا وتعقيدًا.

الأهمية التشغيلية: الحجة المؤيدة لاستخدام مقاومات الحرارة عالية الحرارة في توليد الطاقة

تكتسب منشآت توليد الطاقة قيمة كبيرةً من استخدام مقاومات الحرارة عالية الحرارة. فوفقًا لمعهد بونيمون، تُقدَّر التكلفة المتوسطة لكل توقف غير مخطط له بـ ٧٤٠٠٠٠ دولار أمريكي، بينما يؤدي الكشف المبكر عن مشكلات ارتفاع الحرارة بواسطة مقاومات الحرارة في أنظمة مراقبة التوربينات إلى خفض عدد حالات فشل المحامل بشكل كبير (من أكثر من ٥٠٪ إلى ٨٠٪ من حالات الفشل). كما تطيل مقاومات الحرارة عالية الحرارة عمر المحولات بنسبة تتراوح بين ٤٠٪ و٦٠٪، لأنها تمنع التغيرات المفاجئة في الأحمال الكهربائية التي قد تؤدي إلى تلف عزل المحولات. ويزيد اعتماد المنشآت على أنظمتها أكثر من ثلاثة أضعاف عند استبدال أجهزة استشعار التحكم القديمة في الغلايات بمقاومات الحرارة عالية الحرارة. ويسترد معظم المنشآت تكاليف استثماراتها خلال فترة تتراوح بين ١٨ و٢٤ شهرًا. وتُعد مقاومات الحرارة عنصرًا حيويًّا في خفض التكاليف، وتقليل المخاطر، والحفاظ على كفاءة العمليات في المحطات الحرارية.

أسئلة شائعة - مقاومات الحرارة عالية الحرارة

ما الغرض من مقاومات الحرارة ذات درجة الحرارة العالية؟

تُستخدم مقاومات الحرارة ذات درجة الحرارة العالية في أنظمة الطاقة الحيوية مثل التوربينات والمحولات وأنظمة الغلايات للكشف عن الارتفاعات السريعة في درجات الحرارة تجنّبًا لتلف هذه الأنظمة.

ما المزايا التي تتمتع بها مقاومات الحرارة مقارنةً بأجهزة قياس المقاومة البلاتينية (RTDs) في محطات توليد الطاقة؟

تتميّز مقاومات الحرارة بمقاومة أفضل للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) واستجابة عابرة أسرع، وبالتالي فهي قادرة على تقديم قياسات أكثر دقة في البيئات القاسية من حيث درجات الحرارة في محطات توليد الطاقة.

ما الدور الذي تؤديه مقاومات الحرارة في الصيانة التنبؤية؟

تُستخدم مقاومات الحرارة في الصيانة التنبؤية لتحسين تحليلات الحواف من خلال كشف التشوهات الطفيفة في درجات الحرارة، ولتقليل فترات التوقف غير المخطط لها.