تكامل الطاقة المتجددة في قطاع النفط والغاز
تعمل المنصات بحري والمصانع بري البعيدة على تشغيل توربينات الاحتراق ومجموعات مولدات الديزل على مدار الساعة. وهي تقود سلاسل الضغط، ومضخات حقن المياه، والمرافق. يؤثر حرق الوقود على تكلفة التشغيل مباشرة. كما أنه يخلق مسؤولية تجاه الانبعاثات مع تشديد القواعد، ويضيف مخاطر إلى سلسلة التوريد حيث تكون الخدمات اللوجستية صعبة بالفعل. أضف تسعير الكربون وستزداد المخاطر سوءاً. السؤال الحقيقي ليس ما إذا كان سيتم إدخال المتجددات، بل هو كيفية القيام بذلك دون المساس بموثوقية العملية أو السلامة الوظيفية.
لماذا يعد هذا أصعب من التركيب المرتبط بالشبكة
تفرغ مزرعة طاقة شمسية أو رياح على نطاق المرافق إنتاجها في شبكة تزامنية كبيرة. تمتص الشبكة التقلبات. أما المنصة بحري أو محطة الغاز البعيدة فليست كذلك. إنها شبكة صغيرة معزولة. هامش السعة ضئيل. الأحمال كبيرة ومتغيرة تدريجياً — بدء تشغيل المحركات، وارتفاع ضغط الضاغط. فقدان الطاقة يمكن أن يؤدي إلى تعطل العملية: التنفيس، وتكاليف إعادة التشغيل، وإجهاد المعدات. إن ربط التوليد المتقطع بذلك دون هندسة تحكم جادة سيؤدي إلى عدم الاستقرار، وليس التوفير.
التحديات الأساسية هي:
- استقرار التردد والجهد على قضيب توصيل ضعيف عندما ينخفض إنتاج الطاقة الشمسية أو الرياح فجأة
- كفاية الاحتياطي الدوار — يجب أن تظل التوربينات أو المولدات الحالية تغطي الحمل الكامل إذا انهار إنتاج الطاقة المتجددة
- التشوه التوافقي الناتج عن التوليد القائم على العاكس في نظام يحتوي على محركات متغيرة السرعة
- تنسيق الحماية — تختلف مساهمة تيار العطل من العواكس جوهرياً عن الآلات التزامنية، وقد لا تستجيب إعدادات المرحلات الحالية بشكل صحيح
سياق المعايير والمتطلبات
تحدد مجموعة من المعايير إطار التصميم والسلامة هنا:
IEC 61511يحكم السلامة الوظيفية لأنظمة السلامة المجهزة في صناعة العمليات. حيث يؤثر تكامل المتجددات على إمدادات الطاقة لمحلات منطق SIS أو العناصر النهائية، يجب تقييم هندسة إمداد الطاقة ضمن تمرين التحقق من SIL.IEC 61400-1يغطي متطلبات تصميم توربينات الرياح. يتم تغطية متطلبات تصميم توربينات الرياح في IEC 61400-1:2019، والتي تشمل التحميل الهيكلي والبيئي الخاص بـ بحري. (ملاحظة: تم سحب IEC 61400-3.)IEC 62305يغطي الحماية من الصواعق والزيادات المفاجئة — وهو أمر بالغ الأهمية لمصفوفات الطاقة الشمسية وتوربينات الرياح المثبتة على هياكل تحمل أيضاً معدات هيدروكربونية. تنطبق سلسلة IEC 61892 على التركيبات الكهربائية في وحدات النفط والغاز بحري، بما في ذلك متطلبات العزل والمفاتيح الكهربائية والحماية ذات الصلة بالتركيبات الثابتة والعائمة. (ينطبق IEC 60092 على السفن.)API RP 505يوفر إرشادات حول تصنيف المواقع للتركيبات الكهربائية في المنشآت البترولية، والتي يجب مراجعتها عند إدخال معدات كهربائية جديدة بالقرب من منطقة خطرة.IEC 61850يوفر معيار هندسة الاتصالات لأتمتة وحماية نظام الطاقة، وهو ذو صلة متزايدة عند دمج أنظمة إدارة الطاقة عبر أصول توليد غير متجانسة.
عند تضمين أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) في التصميم، يجب معالجة تصنيف غرفة البطارية كـ منطقة خطرة محتملة (تطور الهيدروجين من كيمياء معينة) بموجب معيار تصنيف المناطق المعمول به.
نهج التكامل التقني
الطاقة الشمسية الكهروضوئية في المنشآت بري
يمكن لمصفوفات الطاقة الكهروضوئية الثابتة أو المتتبعة أن تقلل من حرق الوقود نهاراً في محطات الغاز بري الكبيرة. يصل إنتاج العاكس إلى لوحة المفاتيح الرئيسية من خلال مغذٍ مخصص مع حماية مناسبة. القرارات المهمة هي:
- هندسة السلسلة DC مقابل العاكس المركزي: توفر عواكس السلسلة فائضاً وعزلاً أبسط للأعطال؛ العواكس المركزية أكثر كفاءة في الحجم ولكنها تمثل نقطة فشل واحدة. في الشبكة الصغيرة المعزولة، يجب أن يمنع مخطط حماية العاكس الفصل المزعج أثناء تقلبات الجهد أو التردد العابرة التي قد تحدث بخلاف ذلك في نظام متصل بالشبكة. يجب تصميم نظام التحكم لتحمل الاضطرابات الموثوقة بدلاً من التعثر وفصل المصدر المتجدد عن القضيب. يجب أن يدير نظام التحكم بدلاً من ذلك العزل المتعمد بشكل صريح.
- تصفية التوافقيات: تولد المحركات متغيرة السرعة الموجودة بالفعل على قضيب حمل المنصة تيارات توافقية. تتطلب إضافة التوليد القائم على العاكس دراسة توافقية وفقاً لسلسلة
IEC 61000-3للتأكد من أن إجمالي التشوه التوافقي يظل ضمن حدود تحمل المعدات.
توربينات الرياح على المنصات بحري
يمكن للهياكل بحري الثابتة في الرياح المعتدلة أن تحمل توربينات صغيرة، لكن الواجهة الميكانيكية لهيكل عملية حي تحتاج إلى نظرة فاحصة على الإجهاد. وحدات الإنتاج العائمة أسوأ: تقترن أحمال البرج بحركة الوعاء.
المخرجات الكهربائية من توربينات الرياح متغيرة السرعة هي تيار متردد بتردد متغير، يتم تقويمه إلى تيار مستمر ثم إعادة تحويله ليناسب تردد القضيب. هذا التحويل الكامل للطاقة يعزل التوربين ميكانيكياً ولكنه يعني أن التوربين لا يساهم بأي عطالة طبيعية للقضيب — وهو اعتبار لتحليل استقرار التردد.
تخزين طاقة البطارية كتقنية تمكينية
لن تحل الطاقة الشمسية أو الرياح وحدها مشكلة الاحتياطي الدوار. يسمح نظام BESS المصمم لتغطية فجوة معدل التدرج بين فقدان إنتاج الطاقة المتجددة ووقت استجابة توربينات الغاز بتقليل تحميل التوربينات أثناء الإنتاج العالي للمتجددات، مما يقلل من استهلاك الوقود، بينما تسد البطارية أي عجز مفاجئ في التوليد.
في البيئات الاستوائية أو الصحراوية، الإدارة الحرارية لحاوية البطارية ليست اختيارية.
تكامل الحماية والتحكم
تتطلب إضافة مصادر غير قابلة للتوزيع ترقية PMS أو استبداله بنظام إدارة طاقة (EMS) قادر على:
- التنبؤ بإنتاج الطاقة المتجددة (باستخدام مستشعرات الإشعاع أو سرعة الرياح مع تنبؤ قصير المدى)
- توزيع التوليد التقليدي استجابةً لذلك
- فصل الأحمال غير الحرجة قبل البدء في التوقف الدوري للعملية إذا تجاوز عجز التوليد سعة BESS
يحتاج تنسيق مرحلات الحماية إلى مراجعة. تساهم المصادر القائمة على العاكس في تيار العطل بشكل مختلف عن المولدات التزامنية — وعادة ما تقتصر على مضاعف منخفض للتيار المقدر لفترة قصيرة قبل أن يتعثر العاكس بسبب الحماية من التيار الزائد. قد تفشل مرحلات التيار الزائد الحالية المحددة لمساهمات الأعطال التزامنية في العمل، أو قد تعمل بشكل غير صحيح، في نظام توليد مختلط. دراسة تنسيق الحماية الكاملة إلزامية قبل التنشيط.
سيناريو توضيحي
ما يلي توضيحي ولا يمثل مشروعاً معيناً.
لنأخذ محطة ضغط غاز بري بعيدة. يعمل مولدان بتوربينات غازية بالتوازي، أحدهما في وضع الاستعداد. صحراء ذات إشعاع عالٍ. يقترح شخص ما طاقة شمسية كهروضوئية بالإضافة إلى BESS لتقليل حرق الوقود نهاراً.
أثناء التصميم، تظهر دراسة تدفق الحمل والاستقرار المشكلة: إذا تعثرت مصفوفة الطاقة الشمسية أثناء سحابة عابرة بينما يتم تحميل كلا التوربينين بشكل خفيف، فلن يتمكن التوليد المتبقي من وقف انخفاض التردد قبل أن يتعثر ضاغط العملية بسبب انخفاض الجهد. لذلك يتم تحديد حجم BESS — بناءً على منحنى استجابة حاكم التوربين من ورقة بيانات الشركة المصنعة — لضخ طاقة كافية أثناء الفترة الانتقالية للحفاظ على التردد داخل نطاق تحمل الضاغط. يتم إعادة كتابة منطق PMS لوقف تفريغ التوربينات تحت حد أدنى يحافظ على احتياطي دوار كافٍ، حتى لو كان ذلك يعني تقليص الطاقة الشمسية. تجد الدراسة التوافقية رنيناً عند تردد معين؛ مما يتطلب مرشحاً سلبياً على القضيب الرئيسي.
النتيجة: خفض ملموس في الوقود في ضوء النهار، مع نفس توفر العملية مثل الإعداد الأصلي المعتمد بالكامل على التوربينات.
قائمة المراجعة لاتخاذ القرار والتنفيذ
قبل تخصيص الميزانية، يجب على فرق الهندسة والمشتريات العمل على ما يلي:
الجدوى وتحديد النطاق
- [ ] توصيف نظام التوليد الحالي: أنواع الآلات، استجابة الحاكم، ثوابت القصور الذاتي، إعدادات الحماية
- [ ] تحديد ملف الحمل بدقة زمنية كافية لتحديد التغيرات المفاجئة وفترات الحمل الأدنى
- [ ] تقييم موارد الطاقة المتجددة (بيانات الإشعاع، توزيع سرعة الرياح) بدقة محددة للموقع
الدراسات الهندسية (غير قابلة للتفاوض)
- [ ] دراسة تدفق الحمل التي تغطي سيناريوهات التوليد الدنيا والقصوى
- [ ] تحليل الاستقرار العابر لأحداث فقدان التوليد المحتملة
- [ ] دراسة التوافقيات التي تغطي مساهمات العاكس و VSD المشتركة
- [ ] مراجعة تنسيق الحماية للتوليد المختلط المتزامن/العاكس
- [ ] تقييم تأثير SIL إذا تأثرت إمدادات طاقة SIS (
IEC 61511) - [ ] مراجعة تصنيف المنطقة لغرف البطاريات والمعدات الكهربائية الجديدة بالقرب من مناطق العمليات (
API RP 505) - [ ] مراجعة الحماية من الصواعق والجهد الزائد (
IEC 62305)
المشتريات وتقييم الموردين
- [ ] تأكيد بيانات مساهمة تيار الخطأ للعاكس ومعلمات حلقة التحكم لإعدادات مرحل الحماية
- [ ] طلب مواصفات القدرة على تشكيل الشبكة أو اتباع الشبكة من موردي العاكسات - وهذا يؤثر على الاستقرار في النواقل الضعيفة
- [ ] تقييم نظام الإدارة الحرارية لـ BESS للظروف المحيطة في الموقع
- [ ] التأكد من أن مورد PMS/EMS لديه مراجع لشبكات صغيرة معزولة، وليس فقط مشاريع متصلة بشبكة المرافق
التكليف والتسليم
- [ ] التنشيط على مراحل: تشغيل مصدر الطاقة المتجددة في وضع محدود التيار قبل التكامل الكامل
- [ ] إجراء اختبارات حقن الخطأ المباشر مع تشغيل أحمال العمليات
- [ ] التحقق من عمل مخططات الحماية ومكافحة الجزيرة كما هو مصمم
- [ ] توثيق إجراءات التشغيل المنقحة للمشغلين، بما في ذلك التجاوز اليدوي لتوزيع الطاقة المتجددة أثناء الصيانة المخطط لها للتوليد التقليدي
الخلاصة
إن دمج الطاقة المتجددة في قطاع النفط والغاز هو مشكلة كهربائية وتحكم في المقام الأول. وتأتي اقتصاديات الطاقة في المرتبة الثانية. إن العوائق الفنية - استقرار الشبكة الصغيرة المعزولة، وتنسيق الحماية مع مصادر العاكس، والاحتياطي الدوار - قابلة للحل بالطرق المعمول بها. ولكن فقط إذا أجريت الدراسات قبل التزامات الشراء.
لأي منشأة تنظر في هذا الأمر، فإن الخطوة التالية هي دراسة نظام الطاقة ما قبل FEED. يجب أن توصيف نظام التوليد الحالي وتحدد القيود الملزمة. بدون هذا الأساس، يكون تحديد حجم المعدات مجرد تخمين وتظهر مخاطر التكامل أثناء التكليف، حيث تكلف معالجتها أكثر بكثير.
استعن بأخصائيي الحماية الكهربائية ذوي الخبرة في الشبكات الصغيرة المعزولة إلى جانب فرق العمليات والمعدات الدوارة منذ البداية. معظم المشاكل تبدأ عند نقطة التكامل بين الطاقة.
