كيف تحدد قدرة مولدة الديزل لأحمال المحركات

تحجيم مولدة لأحمال الإنارة والمقابس لا يتعدّى جمع الأحمال وترك هامش مناسب. لكن ما إن تضيف بضعة محركات حثّية، كمضخة بئر أو ضاغط مبرّد (تشلر) أو مروحة كبيرة، حتى تتغير الصورة. فقد يبقى الحمل التشغيلي متواضعًا، غير أن إقلاع هذه المحركات قد يطلب من المولدة أضعاف ذلك لبضع ثوانٍ، ومولدات الديزل تتعامل مع هذا الطلب بمرونة أقل بكثير من الشبكة العامة. يعرض هذا الدليل طريقة عملية ويبيّن المواضع التي تحتاج إلى تقدير هندسي.

لماذا تختلف المحركات

يتصرف المحرك الحثّي وهو متوقف كمحول دائرته الثانوية مقصورة. فعند وصله بالمصدر مباشرة (التشغيل المباشر DOL) يسحب تيار العضو الدوّار المقفل، وهو عادةً من خمسة إلى ثمانية أضعاف تيار الحمل الكامل، ومعظمه تيار غير فعّال بمعامل قدرة قد لا يتجاوز 0.2 إلى 0.4. ثم ينخفض التيار مع تسارع المحرك، وغالبًا خلال بضع ثوانٍ، لكنه في أثناء ذلك يبدو للمصدر حملًا كبيرًا جدًا وحثّيًا جدًا.

محول الشبكة العامة لا يكاد يشعر بذلك، أما مجموعة التوليد فأمرها مختلف. فالمولّد التزامني (الألترنيتر) له ممانعة داخلية مرتفعة نسبيًا، لذا يسحب الطلب المفاجئ على الـ kVA جهدَ أطرافه إلى الأسفل حتى يستعيده منظم الجهد الآلي (AVR). وقد تنخفض سرعة المحرك أيضًا تحت الجزء الفعلي من الخطوة حتى يستجيب منظم السرعة (الغافنر). وإذا كان هبوط الجهد كبيرًا جدًا فقد تفصل الكونتاكتورات، وترتعش الإنارة، وتتوقف محركات أخرى، وقد لا يتسارع المحرك الذي يُقلَع أصلًا. لذلك فإن التحجيم لأحمال المحركات يدور في معظمه حول إبقاء هبوط الجهد اللحظي ضمن حدّ مقبول.

الخطوة 1: إعداد جدول الحمل التشغيلي بشكل صحيح

ابدأ بجدول للأحمال، وسجّل لكل بند القدرة التشغيلية ومعامل القدرة والعدد. ثم حوّل قدرات المحركات المكتوبة على لوحات بياناتها إلى دخل كهربائي، فالكيلوواط أو الحصان على اللوحة هو خرج العمود، ولذلك يُقسم على كفاءة المحرك. فمحرك قدرته 20 hp وكفاءته 90 % يسحب 20 × 0.7457 / 0.9 = 16.6 kW.

بعد ذلك اجمع الأحمال بالطريقة الصحيحة: اجمع القدرات الفعلية (kW) والقدرات غير الفعّالة (kVAr = kW × tan φ) كلًّا على حدة، ثم ادمجهما في النهاية بالعلاقة kVA = √(kW² + kVAr²). وبذلك تحصل على الـ kVA التشغيلية الحقيقية.

ويجب أن تحقق المولدة حدّين تشغيليين: أن تغطي قدرتها بالـ kVA الـ kVA التشغيلية، وأن تغطي قدرتها بالكيلوواط (kVA × 0.8، لأن معظم المولدات مقدَّرة عند معامل قدرة 0.8) الكيلوواط التشغيلي. وأيّ الشرطين تطلّب مولدة أكبر فهو الحاكم. ولا تطبّق معامل التباين إلا حيث تكون واثقًا من أن بعض الأحمال لا تعمل معًا أبدًا، أما في تغذية الطوارئ وأنظمة سلامة الأرواح فكثير من الكودات تفترض أنها تعمل جميعًا في وقت واحد.

الخطوة 2: تحديد أسوأ خطوة إقلاع

قدّر لكل محرك قيمة kVA الإقلاع:

حيث kVA_start هي kVA الإقلاع، وk_start مضاعف الإقلاع، وkVA_run القدرة الظاهرية التشغيلية للمحرك. ويتوقف المضاعف على طريقة الإقلاع:

هذه قيم للتخطيط الأولي، والأدق منها ما يُؤخذ من المحرك نفسه. فمحركات NEMA تحمل حرف رمز لـ kVA العضو الدوّار المقفل، ونشرات محركات IEC تذكر نسبة تيار الإقلاع إلى التيار المقنّن (I_A/I_N).

تُقلَع المحركات عادةً واحدًا تلو الآخر، فتكون اللحظة الحرجة حين يُقلَع المحرك صاحب أكبر خطوة إقلاع بينما كل ما عداه يعمل. والطلب الأقصى في تلك اللحظة يساوي تقريبًا الـ kVA التشغيلية لكل الأحمال الأخرى مضافًا إليها kVA الإقلاع لذلك المحرك. وجمع القيمتين جمعًا حسابيًا يبالغ في النتيجة قليلًا، لأن kVA الإقلاع تكون بمعامل قدرة أقل بكثير، لكن الخطأ في تقدير أولي يكون في جانب الأمان.

الخطوة 3: المقارنة بما تستطيع المولدة تقديمه

هنا تبلغ الطرق العامة حدودها. فمقدار kVA الإقلاع الذي تتحمله المولدة يتوقف على المولّد التزامني ونظام الإثارة وهبوط الجهد الذي تقبل به. وينشر المصنّعون منحنيات إقلاع المحركات التي تربط kVA الإقلاع بنسبة هبوط الجهد لكل إطار من أطر المولّدات التزامنية. وقد تتمكن المولدة من إقلاع محرك تفوق kVA إقلاعه قدرتها المستمرة بفارق واضح، بشرط أن يكون هبوط بنسبة 20–30 % مقبولًا.

وفي غياب هذه المنحنيات، يكون النهج المتحفظ أن تُشترط تغطية القدرة المقنّنة للمولدة بالـ kVA لذروة kVA الإقلاع. وهذا يميل إلى المبالغة في الحجم، لكنه تقدير أولي معقول وحدّ أعلى يُنقّح بعد اختيار آلة مرشّحة. وفي حاسبة تحجيم المولدة يمثّل ذلك معامل "قدرة الإقلاع": القيمة 1.0 لا تحتسب أي قدرة قصيرة الأمد، ويمكنك رفعها لتطابق منحنى المصنّع عند هبوط الجهد المسموح لديك.

ويتوقف هبوط الجهد المقبول على ما هو موصول أيضًا. فنحو 15 % رقم شائع حيث يهمّ ارتعاش الإنارة، وقد يُتحمّل 25–35 % حيث لا يوجد على القضبان سوى محركات. وتحقّق دائمًا من جهد الفصل للكونتاكتورات والمرحّلات في المنظومة.

الخطوة 4: هامش الأمان وتخفيض القدرة حسب الموقع

أضف هامش تصميم على الحمل التشغيلي لاستيعاب التوسع وعدم اليقين، والشائع 20–25 %. ثم راعِ ظروف الموقع: فمحركات الديزل تفقد جزءًا من قدرتها في الارتفاعات العالية حيث الهواء أقل كثافة، وعند ارتفاع حرارة هواء السحب، والمولّدات التزامنية تُخفَّض قدرتها أيضًا مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. وتؤخذ أرقام التخفيض من بيانات المصنّع للمحرك المعني، فالقواعد التقريبية العامة موجودة لكنها تتفاوت بين المحركات تفاوتًا لا يسمح بالاعتماد عليها. أدخل التخفيض كنسبة مئوية واقسم المتطلب على (1 − نسبة التخفيض).

وتأكّد كذلك من أنك تقارن بالتقدير الصحيح. فالمواصفة ISO 8528-1 تعرّف تقديرات الاحتياطي (Standby) والرئيسي (Prime) والمستمر (Continuous)، ولكلٍّ منها نمط حمل وساعات تشغيل مسموحة مختلفة. فالمولدة التي تكون المصدر الرئيسي للطاقة في موقع نائٍ تحتاج إلى تقدير رئيسي أو مستمر، أما تقدير الاحتياطي فيناسب التغذية الاحتياطية للطوارئ لساعات محدودة فقط.

مثال محلول

محطة ضخ صغيرة فيها 10 kW إنارة وتحكم عند معامل قدرة 1.0، ومضخة 15 kW عند معامل قدرة 0.85 تُقلَع بالتشغيل المباشر، ومروحة تهوية 7.5 kW عند معامل قدرة 0.8 على بادئ ناعم. الحمل التشغيلي:

أي إن حدّ الكيلوواط عند معامل قدرة 0.8 يعطي 40.6 kVA وهو الحاكم في التشغيل، ومع هامش 20 % تصبح القيمة 48.8 kVA. أما إقلاع المضخة مباشرة بـ 6 × (15 / 0.85) = 105.9 kVA فوق الأحمال التشغيلية الأخرى (18.4 kVA) فيعطي ذروة تقارب 124 kVA. ومن غير احتساب أي قدرة قصيرة الأمد يُشار إلى مولدة 125 kVA، أي أكثر من ضعف المتطلب التشغيلي.

أما إذا زُوّدت المضخة ببادئ ناعم بمضاعف 3 فتنخفض الذروة إلى نحو 71 kVA، وتكفي عندئذٍ مولدة 75 kVA للتشغيل والإقلاع معًا. وهذا الفرق في حجم المولدة يسدّد ثمن البادئ الناعم عادةً عدة مرات، كما يقلل استهلاك الوقود لأن المولدة الأصغر تعمل عند معامل حمل أصحّ. ويمكنك مقارنة استهلاك الوقود في كل خيار باستخدام حاسبة استهلاك الوقود.

ما لا تغطيه هذه الطريقة

• الأحمال اللاخطية. مغيّرات السرعة ومقوّمات أجهزة UPS ومنظومات LED الكبيرة تسحب تيارات توافقية تشوّه جهد المولدة. وكثيرًا ما يُكبَّر المولّد التزامني عمدًا حين يغذّي حصة كبيرة من الأحمال اللاخطية، فاستشر المصنّع.
• قبول الحمل دفعة واحدة. تحتاج بعض التطبيقات إلى التقاط حمل كبير في خطوة واحدة، كمضخة الحريق أو انتقال مبنى كامل دفعة واحدة. وفئات الأداء العابر للتردد والجهد معرّفة في ISO 8528-5.
• الأحمال المرتجعة. المصاعد والرافعات قد تدفع قدرة عائدة إلى المولدة، ومحرك الديزل لا يستطيع امتصاصها دون أحمال اختبار (Load Banks) أو وسائل أخرى.
• التشغيل بحمل منخفض. المولدات الكبيرة أكثر من اللازم التي تعمل طويلًا بحمل منخفض تعاني من التكدّس الرطب (Wet Stacking)، فالمبالغة في الحجم ليست "أمانًا" تلقائيًا.

الخلاصة

1. ضع جدولًا للأحمال وحوّل قدرات أعمدة المحركات إلى دخل كهربائي.
2. اجمع الكيلوواط والكيلوفار كلًّا على حدة، ثم تحقّق من حدّي الـ kVA والكيلوواط للمولدة.
3. حدّد المحرك الذي يسبب إقلاعه أعلى ذروة، واختر طرق الإقلاع عن قصد.
4. قارن الذروة بقدرة المولدة على إقلاع المحركات عند هبوط جهد مقبول، وبتحفّظ إن لم تتوفر المنحنيات بعد.
5. طبّق الهامش وتخفيض القدرة حسب الموقع وفق بيانات المصنّع، ثم اختر مولدة بنوع التقدير المناسب في ISO 8528.
6. أكّد الاختيار بأداة التحجيم الخاصة بالمصنّع قبل الشراء.

هذا الدليل للتثقيف العام، وليس إجراء تصميم وفق كود أو منتج بعينه. وتحتاج أنظمة سلامة الأرواح والأنظمة التي تفرضها الكودات إلى مراجعة مهندس مؤهل.