المحركات الكهربائية في محطات المعالجة والغاز الحيوي: ماذا يتطلب كل قسم على طول مسار الماء؟

تخيلوا محركين في محطة المعالجة نفسها يُغذَّيان من مبنى اللوحات نفسه: أحدهما محرك نافخ يضخ الهواء إلى حوض التهوية ويدور بنحو 3000 دورة/دقيقة، والآخر محرك كاشطة يدير الجسر فوق حوض الترسيب بسرعة تستغرق فيها الدورة الواحدة دقائق. هَمّ الأول فاتورة الطاقة والحرارة، وهَمّ الثاني العزم العالي عند سرعة منخفضة جداً والبيئة الخارجية. وما يصعّب اختيار المحركات في محطة المعالجة ليس تطبيقاً ثقيلاً واحداً، بل أن تسير أعمال بهذا الاختلاف في الموقع نفسه، وفي بيئة الرطوبة والغازات نفسها، ودون توقف.

ولذلك فمن الأجدى قراءة المحطة لا كقائمة محركات، بل كمسار يتبعه الماء والحمأة. وفيما يلي نتناول بالترتيب ما يُنتظر من المحرك في كل قسم، من دخول مياه الصرف إلى المحطة حتى نزع الماء من الحمأة، وما الذي يسوء في الموقع، وما المعلومات اللازمة عند الطلب.

منشأة الدخول: المصافي ومضخات الرفع

تدخل مياه الصرف إلى المحطة عادةً عبر محطة رفع. وهنا تفصل المصافي الخشنة والمناخل الدقيقة المواد الصلبة، وترفع مضخات الرفع الماء إلى المنسوب الذي يغذي بقية المحطة. ومنظفات المصافي أنظمة دفع مزودة بمخفض سرعة ومنخفضة القدرة وتعمل بشكل متقطع؛ ومشكلاتها الأساسية هي البلل ورذاذ الماء والانحشار. فعندما يعلق المشط بحجر أو بكومة من الأقمشة ينحشر المحرك؛ وفي هذه الحالة يجب أن تفصل الحماية المحرك بسرعة.

أما طابع مضخات الرفع فيتحدد بتذبذب التدفق خلال اليوم. فهناك فرق كبير بين تدفق الذروة الذي يأتي في ساعات الصباح والمساء وتدفق الليل؛ ولذلك إما أن تعمل عدة مضخات على مراحل أو تُضبط السرعة بمحول التردد. وفي المضخات الطاردة المركزية المركبة في البئر الجاف يمكن استخدام محرك غير متزامن ثلاثي الطور قياسي. أما في المضخات الغاطسة في البئر الرطب فالمحرك مدمج مع المضخة ومن إنتاج مصنّع المضخة.

من الأعطال الشائعة في محطة الرفع أن تعمل المضخة دون ماء أو بتدفق منخفض جداً بسبب انسداد في جهة السحب. فينخفض تيار المحرك لكن المرحّل الحراري لا يرى ذلك. ووظيفة الحماية التي تكشف التيار المنخفض تلتقط هذه الحالة؛ وقد شرحنا كيفية ضبط هذه الحماية في مقال وظائف مرحّل حماية المحرك.

التهوية: مركز الطاقة في المحطة

النوافخ التي توفر الأكسجين للكائنات الدقيقة في المعالجة البيولوجية هي أكبر مستهلك للطاقة في معظم المحطات. وتُدفع النوافخ ذات القناة الجانبية عادةً بمحرك ثنائي الأقطاب، أما نوافخ roots (ذات الفصوص الدوارة) فتُدفع غالباً عبر السير والبكرة بمحرك ثنائي أو رباعي الأقطاب. ويمكنكم إيجاد تفاصيل اختيار المحرك بحسب نوع النافخ في مقال اختيار محرك النافخ؛ وهنا نتناول النقاط الخاصة بالمعالجة.

تتغير الحاجة إلى الأكسجين المذاب في الحوض خلال اليوم. ومحول التردد المرتبط بحساس الأكسجين يخفض استهلاك الطاقة بخفض سرعة النافخ وفق الحاجة الفعلية. لكن الآلات ذات الإزاحة الموجبة مثل نافخ roots تتطلب، بخلاف المراوح الطاردة المركزية، عزماً ثابتاً تقريباً حتى عند السرعة المنخفضة. وإذا كان المحرك سيعمل طويلاً بسرعة منخفضة فقد لا توفر المروحة المثبتة على العمود تبريداً كافياً وقد تلزم مروحة خارجية؛ ويجب السؤال عن هذه الحاجة في مرحلة الطلب.

لأن محركات النوافخ تعمل معظم أيام السنة، تنعكس فئة الكفاءة مباشرة على تكلفة التشغيل. فمثلاً في محرك رباعي الأقطاب بقدرة 37 kW يبلغ حد الكفاءة 93.9% لـ IE3، و95.2% لـ IE4، و96.1% لـ IE5. وفي نافخ يعمل طوال العام قد يتجاوز فرق النقاط القليلة هذا بسهولة فرق سعر الشراء على مدى عمر المحرك. وقد شُرح بالأمثلة كيفية حساب المكسب عند اعتباره مع المحول في مقال توفير الطاقة باستخدام VFD.

يكون مبنى النوافخ عادةً مغلقاً وحاراً. وتعطي سلاسل HEM Motor قيمها الاسمية حتى حرارة بيئة +40 °C؛ وفي غرفة نوافخ ضعيفة التهوية قد يُتجاوز هذا الحد صيفاً. وفي هذه الحالة إما أن تُحسَّن تهوية الغرفة أو يُختار المحرك بقدرة أعلى بدرجة أو بحساب خفض القدرة.

الترسيب والكاشطات: حمل بطيء لكنه لا يتوقف

في أحواض الترسيب الابتدائي والنهائي تجمع الجسور الدوارة أو المتحركة ذهاباً وإياباً الحمأة المترسبة في القاع. ومحرك الدفع صغير القدرة لكن سرعة مخرجه منخفضة جداً؛ ولذلك يُستخدم مخفض سرعة بنسبة عالية أو نظام تروس متعدد المراحل. والدفع المتجه إلى عجلة الجسر يكون في الهواء الطلق: فالمطر والثلج والشمس والتجمد هي ظروف المحرك اليومية. ويُوصل المحرك في وضع رأسي أو أفقي، عادةً بمخفض سرعة بالشفة.

يشيع في هذه الأنظمة خطآن. الأول أن المحرك العامل في البيئة الخارجية يجمع التكثف أثناء التوقفات الطويلة وتنخفض مقاومة العزل بعد شتاء واحد؛ وهنا يهم سخان منع التكثف وتوجيه صندوق التوصيلات في الاتجاه الصحيح. والثاني إجهاد الجسر عند تكوّن الجليد على سطح الحوض شتاءً. ففي نظام دفع دون محدد للعزم أو حماية من الحمل الزائد يقع هذا الحمل مباشرة على مخفض السرعة والمحرك.

خط الحمأة والهاضم: التعرف على منطقة الغاز

عند الانتقال إلى خط الحمأة يتغير الطابع. فمضخات الحمأة غالباً من أنواع الإزاحة الموجبة (بعضو دوار حلزوني أو بالفصوص) وتتطلب عزماً عالياً عند الإقلاع؛ وبخلاف المضخة الطاردة المركزية لا يقل عزمها عند السرعة المنخفضة. وإذا كانت السرعة تُضبط بمحول فيجب أن يتمكن المحرك من إعطاء عزم ثابت عند السرعة المنخفضة دون مشكلة في التبريد.

الهاضم اللاهوائي هو المكان الذي يُنتج فيه الغاز الحيوي. وتعمل الخلاطات ومضخات تدوير الحمأة داخل الخزان باستمرار. وبعض الخلاطات داخل الخزان من النوع الغاطس ومحركاتها من إنتاج مصنّع الخلاط؛ أما في الخلاطات ذات العمود النازل من قمة الخزان فيقع المحرك ومخفض السرعة فوق الخزان. وقد يُصنَّف محيط سطح الخزان وقبة الغاز وخط الغاز وتخزين الغاز ووحدة التوليد المشترك منطقةَ جو قابل للانفجار بسبب الميثان.

وهنا يجب الوضوح: يتم تصنيف المناطق بوثيقة الحماية من الجو القابل للانفجار الخاصة بالمنشأة، ولا يجوز في هذه المناطق إلا استخدام محركات Ex معتمدة مناسبة لتلك المنطقة. ولا يمكن استخدام محرك قياسي في منطقة Ex مهما كانت فئة حمايته IP مرتفعة. ولا يتضمن كتالوج HEM Motor لعام 2026 محركات معتمدة Ex؛ ولاحتياجات هذه المناطق يجب العمل مع مُصنِّع يورّد منتجات معتمدة. وقد شرحنا منطق التصنيف إلى مناطق بخطوطه العامة في مقال متى يكون المحرك المقاوم للانفجار ضرورياً. ولمعدات الرفع والتهوية والترسيب ونزع الماء الواقعة خارج المنطقة في المحطة نفسها تُستخدم المحركات الصناعية القياسية.

نزع الماء: جهاز الطرد المركزي والمكبس والنواقل الحلزونية

أجهزة الطرد المركزي (الديكانتر) ومكابس السيور التي تقلل حجم الحمأة هي أكثر آلات المحطة كثافة ميكانيكياً. ففي الديكانتر يسرّع الدفع الرئيسي أسطوانة كبيرة بسرعة عالية؛ ومدة الإقلاع طويلة ويجب أن يسرّع المحرك حملاً عالي القصور الذاتي دون أن يسخن. ويجب فحص مدة الإقلاع بشكل منفصل عند اختيار المحرك وبادئ التشغيل. أما الدفع المساعد فيوفر فرق السرعة بين الأسطوانة واللولب ويُتحكم فيه غالباً بمحول.

النواقل الحلزونية التي تنقل الحمأة منزوعة الماء أنظمة دفع منخفضة السرعة مزودة بمخفض سرعة ومعرضة للانحشار. ومع تغير قوام الحمأة يتذبذب العزم؛ وهنا يطيل العمرَ مخفضُ سرعة بمعامل خدمة مرتفع وحمايةٌ تكشف الانحشار. ويمكنكم رؤية الهياكل المناسبة لهذه الأنظمة في صفحة مخفضات السرعة الدودية.

ثلاث مسائل تخص المحطة بأكملها

كبريتيد الهيدروجين والتآكل

يتركز كبريتيد الهيدروجين الموجود في غاز المجاري خاصةً في منشأة الدخول ومحطة الرفع ومبنى الحمأة. ويؤدي هذا الغاز إلى تآكل النحاس والأسطح المعدنية؛ وأول ما يتأثر هو توصيلات الأطراف وأطراف الكابلات ومناطق الهيكل ذات الطلاء التالف. وعند اختيار المحرك في الأماكن المغلقة ضعيفة التهوية يجب تحديد نظام الطلاء ومداخل الكابلات المحكمة وحماية صندوق التوصيلات منذ البداية. ومحركات HEM Motor مطلية بالطلاء البودري الكهروستاتيكي؛ ويجب مناقشة الحماية الإضافية للبيئات شديدة التآكل في مرحلة الطلب.

الاحتياط

محطة المعالجة لا يمكن أن تتوقف؛ ولذلك تعمل مضخات الرفع والنوافخ عادةً مع وحدات احتياطية. وتوقف الوحدة الاحتياطية لأسابيع يعرّضها هي أيضاً لمشكلات التكثف والمحامل. وتشغيل المضخات والنوافخ بالتناوب يوازن ساعات التشغيل ويُظهر أن الوحدة الاحتياطية جاهزة فعلاً للعمل.

التشغيل المستمر والمراقبة

الجزء الأكبر من المعدات الرئيسية في خدمة التشغيل المستمر S1. وفي محركات النوافخ والمضخات الكبيرة تُظهر حساسات الملفات PTC أو PT100 ارتفاع الحرارة قبل حدوث العطل. ويمكن طلب هذه الحساسات كخيار في مرحلة الطلب.

الخلاصة

في محطة المعالجة أو الغاز الحيوي تتغير الحاجة إلى المحركات قسماً بقسم على طول مسار الماء والحمأة: تذبذب التدفق والتشغيل الجاف في الرفع، والطاقة والتبريد عند السرعة المنخفضة في التهوية، والبيئة الخارجية والسرعة المنخفضة جداً في الترسيب، والعزم الثابت ومنطقة الغاز في خط الحمأة، والإقلاع الطويل والانحشار في نزع الماء. وإذا أردتم تقييماً للمحركات خارج منطقة Ex مع المخطط أحادي الخط لمنشأتكم وتصنيف مناطقها يمكنكم التواصل معنا.

الأسئلة الشائعة

هل يجب أن تكون جميع المحركات في محطة الغاز الحيوي معتمدة Ex؟

لا. فمحرك Ex يلزم فقط في الأماكن المصنفة مناطقَ في وثيقة الجو القابل للانفجار الخاصة بالمنشأة؛ وقمة الهاضم وخط الغاز وتخزين الغاز أمثلة نموذجية. وفي المناطق الواقعة خارج التصنيف مثل محطة الرفع والتهوية ونزع الماء تُستخدم المحركات الصناعية القياسية.

هل يمكن تشغيل محرك نافخ التهوية بمحول التردد؟

نعم، فضبط السرعة بحسب الحاجة إلى الأكسجين طريقة شائعة لتوفير الطاقة. ولأن نوافخ roots تتطلب عزماً عالياً حتى عند السرعة المنخفضة، يجب التحقق من كفاية التبريد إذا كان المحرك سيعمل طويلاً بسرعة منخفضة، والتفكير في مروحة خارجية عند الحاجة.

لماذا يتعطل محرك كاشطة الحمأة كثيراً؟

في هذه المحركات التي تعمل في البيئة الخارجية وتبقى طويلاً تحت حمل منخفض، يكون التكثف والإجهاد بسبب الجليد شتاءً أكثر الأسباب شيوعاً. ويمنع سخان منع التكثف والاتجاه الصحيح لصندوق التوصيلات والحماية من الحمل الزائد معظم الأعطال.

كيف نعرف أن محرك مضخة الرفع يعمل دون ماء؟

في المضخة التي تعمل دون ماء أو بسحب مسدود ينخفض تيار المحرك بشكل ملحوظ عن المعتاد. ولأن المرحّل الحراري لا يكشف هذه الحالة، فإن استخدام مرحّل حماية محرك بحماية من التيار المنخفض هو الطريقة العملية لمنع تلف المضخة والحشيات.