وحدات تسخين الغاز الطبيعي وتنظيم ضغطه وقياسه

عندما يُخفَّض ضغط الغاز الطبيعي عبر منظّم، يتمدد الغاز وتنخفض حرارته. وإذا كان فرق الضغط كبيرًا فقد يؤدي هذا التبريد إلى تكوّن الهيدرات عند وجود الماء، وتجمّد المنظّمات وخطوط الصمامات التجريبية، وهبوط حرارة الغاز دون الحدّ الذي صُمّمت له المعدات. وتعالج وحدة التسخين والتنظيم والقياس هذه المشكلة من أصلها: فهي تسخّن الغاز قبل وصوله إلى المنظّم، ثم تخفض ضغطه، ثم تقيس كميته مع أخذ أثر الحرارة في الحسبان بدقة.

تركز هذه الصفحة على منشأ الحاجة إلى التسخين، وخيارات السخانات، وترتيب الوظائف الثلاث على وحدة واحدة. أما اختيار المنظّمات وعناصر الحماية فمشروح في صفحة وحدات التنظيم، والبنية الكاملة لمحطة بوابة المدينة في صفحتها الخاصة.

لماذا يبرد الغاز عند انخفاض الضغط؟

عندما يتمدد غاز حقيقي عبر عنصر خانق دون تبادل حراري مع محيطه تتغير حرارته، وفي الغاز الطبيعي تحت ظروف التشغيل المعتادة يكون هذا التغير انخفاضًا. وتُعرف هذه الظاهرة بتأثير جول-طومسون. ويتوقف مقدار التبريد على فرق الضغط وحرارة المدخل وتركيب الغاز، ويقدّم المعيار ISO 20765-5 طريقة لحساب معامل جول-طومسون لأغراض القياس. وعمليًا، فإن محطة تخفض الضغط من مستوى شبكة النقل إلى مستوى التوزيع ستُخرج غازًا أبرد بوضوح من حرارة دخوله ما لم يُسخَّن. ولذلك يجب حساب الحمل الحراري في كل مشروع انطلاقًا من ظروف المدخل وحرارة المخرج المستهدفة.

ما المشكلات التي يسببها التبريد؟

·         تكوّن الهيدرات: عند وجود الماء، يهيّئ اجتماع الحرارة المنخفضة والضغط المرتفع لتكوّن هيدرات صلبة شبيهة بالجليد، قد تقيّد التدفق وتسدّ المعدات وتتلف الصمامات وتقطع الإمداد.

·         تجمّد المنظّم والصمامات التجريبية: دوائر الصمامات التجريبية وخطوط الاستشعار ذات الأقطار الصغيرة هي الأكثر عرضة للتجمد، والتجمد يخلّ باستقرار عمل المنظّم.

·         حدود المواد والمعدات: تُصمَّم المنظّمات وأجهزة الإغلاق السريع لنطاق حرارة محدد؛ فالمعايير الأوروبية ذات الصلة مثلًا تغطيها بين −20 °C و+60 °C. وخروج الغاز غير المسخّن عن هذا النطاق قد يُبطل صلاحية اختيار المعدات.

·         التكثف والتجمد على الأسطح الخارجية: تتكثف الرطوبة وتتجمد على أسطح الأنابيب الباردة، مما يسبب التآكل ومشكلات في وصلات الأجهزة ويصعّب الصيانة.

خيارات السخانات

يُختار نوع السخان وفق الحمل الحراري، وتوفر غاز الوقود أو الطاقة الكهربائية في الموقع، وظروف المنطقة الخطرة، ونهج الصيانة.

ترتيب الوظائف على وحدة واحدة

يمر الغاز عادةً بالتسلسل التالي: عزل المدخل، ثم الترشيح، ثم التسخين، ثم الإغلاق السريع والتنظيم، ثم القياس، ثم عزل المخرج. ويجب أن يسبق السخانُ المنظّمَ، لأن الهدف هو إضافة حرارة كافية قبل حدوث التبريد لبلوغ الحرارة المستهدفة عند مخرج المنظّم. ويحمي وضعُ المرشّح قبل السخان كلًّا من الملف والمنظّم من الجسيمات والسوائل.

أما موقع القياس فيتحدد وفق ظروف المشروع. فالقياس بعد التنظيم يوفّر حرارة مضبوطة ومستقرة عند ضغط أقل، لكن يجب مراعاة اضطرابات التدفق الناتجة عن المنظّم، وضجيجه بالنسبة إلى العدّادات فوق الصوتية خصوصًا. أما القياس في جانب الضغط العالي فقد يسمح بعدّاد أصغر، غير أن تغيّر الحرارة يتوقف حينئذ على موقع العدّاد قبل السخان أو بعده. وفي الحالتين ينبغي أن يُحدَّد منذ البداية التكرار في خطوط التسخين والتنظيم، وطريقة إخراج السخان من الخدمة أثناء الصيانة.

التحكم في الحرارة

يستهدف التحكم في التسخين عادةً حرارة الغاز عند مخرج المنظّم، وتُضبط على قيمة تزيل خطر الهيدرات والتجمد مع البقاء ضمن حدود المعدات. وفي السخانات ذات الحمّام المائي يتم ذلك بضبط حرارة الحمّام وحمل الحارق. أما الحرارة الزائدة عن الحاجة فتزيد استهلاك الوقود وتحمّل القياس والمعدات اللاحقة عبئًا حراريًا لا داعي له. وبما أن ضغط المدخل والتدفق وحرارة الغاز تتغير على مدار العام، يجب أن تستوعب استراتيجية التحكم الظروف المتغيرة لا الحالة الأسوأ فقط.

أثر الحرارة في القياس

يغيّر التسخين حجم الغاز عند نقطة القياس. ولأن العدّاد يقيس عند ظروف التشغيل، يجب أن تمثّل الحرارة المستخدمة في التحويل إلى الظروف المرجعية الحرارة الفعلية للغاز عند العدّاد. لذلك تُوضع نقطة قياس الحرارة قريبًا من العدّاد في موضع يكون فيه التدفق جيد الامتزاج، ويُتحقق في التركيبات القريبة جدًا من مخرج السخان من عدم وجود فروق حرارية عبر مقطع الأنبوب. وأي خطأ في قياس الحرارة ينتقل مباشرة إلى الحجم المصحّح.

مدخلات التصميم وآثارها

مساهمة TLY Enerji

في الوحدات التي تجمع التسخين والتنظيم والقياس، يمكن أن تدعم TLY Enerji تقييم بيانات العملية، واختيار أجهزة قياس الحرارة والضغط والتدفق وتوريدها، وتكامل الأنظمة، والتركيب في الموقع، والاختبار والتشغيل. ويمكن أن يشمل النطاق أيضًا نقل بيانات التحكم في السخان والقياس إلى بيئة PLC أو SCADA. أما حدود توريد السخان نفسه فتُوضَّح بشكل منفصل في كل مشروع.

البيانات اللازمة لتقييم الحمل الحراري

·         أدنى وأعلى ضغط وحرارة مدخل متوقعين على مدار العام

·         ضغط المخرج المطلوب وأدنى حرارة مخرج مستهدفة

·         التدفق الأدنى والعادي والأقصى وتغيّره الموسمي

·         تركيب الغاز أو محتواه من الماء أو نقطة الندى المائية

·         مصادر الطاقة المتاحة في الموقع: غاز أو كهرباء أو حرارة مهدرة

·         غرض القياس والموقع المفضل للعدّاد بالنسبة إلى المنظّم

·         التكرار المتوقع في خطوط التسخين والتنظيم

·         تصنيف المنطقة الخطرة وقيود التخطيط

حلول ذات صلة

·         وحدات تنظيم ضغط الغاز الطبيعي: اختيار المنظّمات والمنظّم الاحتياطي وصمامات الإغلاق السريع وترتيبها.

·         محطات تخفيض ضغط الغاز وقياسه (RMS / PRMS): محطات المستهلك المدمجة التي لا يلزم فيها التسخين أو يكون محدودًا.

·         محطات بوابة المدينة: موقع التسخين ضمن البنية الكاملة لمحطة الانتقال من النقل إلى التوزيع.

·         وحدات تكييف غاز الوقود وقياسه: التسخين لتلبية مواصفات وقود التوربين الغازي أو المحرك.

أسئلة حول الوحدات المزوّدة بالتسخين

هل تحتاج كل محطة لتخفيض الضغط إلى سخان؟

لا. فإذا كان فرق الضغط صغيرًا وحرارة المدخل كافية والغاز جافًا، فقد تبقى حرارة مخرج المنظّم ضمن الحدود المقبولة. وتتحدد الحاجة إلى التسخين بحساب حرارة المخرج من ضغط المدخل وحرارته وضغط المخرج والتدفق وتركيب الغاز، ثم مقارنتها بحدود الهيدرات والتجمد والمعدات. ويجب أن يشمل الحساب أسوأ حالة موسمية.

لماذا يُوضع السخان قبل المنظّم؟

يحدث التبريد أثناء انخفاض الضغط عبر المنظّم، وتسخين الغاز بعده لا يمنع تكوّن الهيدرات أو التجمد داخل المنظّم نفسه أو في دوائر صماماته التجريبية. لذلك يُسخَّن الغاز مسبقًا بما يكفي لبلوغ الحرارة المستهدفة عند مخرج المنظّم. وفي الخفض متعدد المراحل تُقيَّم الحاجة إلى تسخين إضافي بين المراحل بشكل منفصل.

ما الفرق بين السخان ذي الحمّام المائي والسخان الكهربائي؟

يحرق السخان ذو الحمّام المائي عادةً جزءًا من غاز المحطة نفسه، ولا يلامس لهبه غاز العملية مباشرة، وهو شائع في الأحمال الحرارية الكبيرة. أما السخان الكهربائي فلا يحتاج إلى حارق أو مدخنة، لكنه يتطلب قدرة كهربائية كافية وتصميمًا ملائمًا للمنطقة الخطرة. ويُحسم الاختيار بموازنة الحمل الحراري وتوفر الطاقة وأهداف الانبعاثات ونهج الصيانة معًا.

هل يؤثر التسخين في دقة القياس؟

التسخين بذاته ليس مصدرًا للخطأ؛ المهم أن تمثّل الحرارة المستخدمة في تحويل الحجم الحرارة الفعلية للغاز عند العدّاد. لذلك يجب أن تكون نقطة قياس الحرارة قريبة من العدّاد في موضع جيد الامتزاج. أما نقطة القياس القريبة جدًا من مخرج السخان فقد تعطي قيمة غير ممثِّلة بسبب الفروق الحرارية عبر مقطع الأنبوب.