تحديد حجم خزان غاز البترول المسال لمولد بقدرة 40 كيلوواط: التبخر والطقس البارد

يحتاج مولد LPG بقدرة 40 kW إلى خزان يؤدي وظيفتين: تخزين كمية كافية من الوقود لمدة التشغيل المطلوبة، وتوفير بخار الوقود بسرعة كافية عند أدنى درجة حرارة متوقعة. قد يفي الخزان بمتطلبات مدة التشغيل، لكنه يظل صغيرًا جدًا لسحب البخار بصورة موثوقة، ولا سيما عندما يوشك على الفراغ ويعمل منذ عدة ساعات.

لذلك، يعتمد اختيار خزان لمجموعة مولد LPG صندوقية بقدرة 40kW على طلب المحرك من الوقود، وتركيب الوقود المحدد، والحد الأدنى لدرجة حرارة التشغيل، ومستوى ملء الخزان المقبول، وليس على القدرة الكهربائية وحدها. ويتطلب تحديد حجم الخزان على أساس فني سليم معرفة معدل التبخير في تلك الظروف، ثم التحقق من نظام توصيل الوقود بالكامل.

ابدأ بتحديد طلب المولد من الوقود

أفضل مدخلات الحساب هي بيانات استهلاك الوقود الصادرة عن الشركة المصنعة للمولد عند الحمل المطلوب، معبّرًا عنها بـ kg/h أو L/h من البروبان السائل، أو بحجم غاز محدد بوضوح لكل ساعة. تأكد مما إذا كانت القيمة تخص البروبان أم تركيبة أخرى من LPG، وما إذا كانت تمثل التشغيل المستمر عند القدرة المقدرة. يفيد استهلاك الوقود عند الحمل الجزئي في تقدير الاستهلاك المعتاد، لكنه لا يغني عن قيمة الحمل الكامل عندما يلزم توفر القدرة الكاملة.

إذا كانت البيانات المتاحة تخص حجم الغاز فقط، فمن المهم معرفة درجة الحرارة والضغط المرجعيين. لا يمكن التعامل مع قيمة بوحدة الأمتار المكعبة العادية في الساعة على أنها حجم فعلي داخل الأنبوب دون مراعاة تلك الظروف. ولحساب سعة التخزين، حوّل الاستهلاك إلى حجم السائل أو كتلته باستخدام خصائص الوقود المحدد.

يوضح مثال حسابي الفرق بين التخزين والتبخير. لنفترض أن الشركة المصنعة تحدد استهلاكًا قدره 14 kg/h عند حمل التشغيل المطلوب، وأن المشروع يتطلب 24 ساعة من التشغيل دون إعادة التزود بالوقود. عندئذ تكون كمية الوقود القابلة للاستخدام المطلوبة:

14 kg/h × 24 h = 336 kg من LPG

هذا مثال توضيحي، وليس قيمة استهلاك تنطبق على كل مولد بقدرة 40 kW. يجب أن تكون سعة الخزان الاسمية المطلوبة أكبر، لأن الخزان لا يمكن ملؤه حتى كامل حجمه الهندسي، ولأن المشروع قد يشترط الاحتفاظ بكمية وقود عند حد تشغيل أدنى أو كاحتياطي. يجب أن يتوافق الحد الأقصى المسموح به للملء مع اللوائح المعمول بها وتعليمات المورد؛ ولا ينبغي افتراض أنه واحد لجميع الخزانات والجهات التنظيمية.

لماذا قد يعجز خزان محسوب لمدة التشغيل عن العمل في الطقس البارد

في نظام سحب البخار، يمتص LPG السائل الحرارة عبر جدار الخزان ومن البيئة المحيطة أثناء غليانه. ويؤدي السحب إلى تبريد السائل المتبقي. عندما يفقد الخزان الحرارة بمعدل أسرع من معدل استعادتها، تنخفض درجة حرارة السائل وضغط البخار. وقد يصل إلى المنظم حينئذ ضغط دخول غير كافٍ، رغم بقاء الوقود السائل داخل الخزان.

لا تُعد سعة التبخير الطبيعي قيمة ثابتة يحددها حجم الخزان وحده. فهي تعتمد على درجة الحرارة المحيطة، ودرجة حرارة السائل، ومساحة السطح الملامس للسائل والمعرّض لنقل الحرارة، وتركيب الوقود، ومدة السحب. وتكون مساحة السطح الملامس للسائل والمتاحة لنقل الحرارة في الخزان منخفض الملء أصغر منها في الخزان نفسه عند مستوى ملء أعلى. لذلك، قد تبالغ قيمة محسوبة لخزان ممتلئ أو أُعيد ملؤه مؤخرًا في تقدير السعة المتاحة قرب نهاية فترة تشغيل طويلة.

كما يختلف البروبان عن البيوتان في الطقس البارد: إذ إن درجة غليان البيوتان أعلى، وبالتالي يسهم بدرجة أقل في إمداد البخار عند درجات الحرارة المنخفضة. وإذا كان LPG المورّد خليطًا، فقد يؤثر تركيبه في كل من الضغط وأداء التبخير؛ وقد يختلف تركيب البخار المسحوب عن تركيب السائل المتبقي. استخدم الوقود الذي يحدده المورد وبيانات التبخير المناسبة، بدلًا من افتراض أن جميع المنتجات المباعة باسم LPG تتصرف مثل البروبان التجاري.

بالنسبة إلى مولد احتياطي، قد تكون الحالة الحرجة انقطاعًا مطولًا للتيار الكهربائي في طقس بارد، وليس اختبارًا أسبوعيًا قصيرًا. ينبغي التحقق من الخزان عند أدنى درجة حرارة محيطة يمكن توقعها، وأدنى مستوى سائل مستهدف، ومدة التشغيل المطلوبة عند الحمل المتوقع. وقد يؤثر تراكم الثلج أو الجليد حول الخزان في انتقال الحرارة وإمكانية الوصول إليه؛ لذا يجب أيضًا أخذ ظروف التركيب المحلية في الحسبان.

تحقق من التبخير باستخدام بيانات المورد

اطلب من مورد الخزان أو LPG بيانات سعة التبخير الطبيعي بوحدة kg/h عند درجة حرارة التصميم وأدنى مستوى للسائل، مع تحديد مدة السحب. قارن هذه السعة بأقصى تدفق كتلي للوقود يتطلبه المولد، مضافًا إليه أي طلب متزامن آخر على البخار. يجب أن تكون السعة كافية في الظروف نفسها؛ ولا تصلح قيمة واردة في جدول لدرجة حرارة أعلى أو مستوى ملء أكبر بديلًا عن ذلك.

إذا نشر المورد السعة على هيئة دخل حراري بدلًا من التدفق الكتلي، فاستخدم أساس القيمة الحرارية نفسه في جانبي المقارنة. إذا كان استهلاك المولد معبّرًا عنه على أساس القيمة الحرارية الدنيا، بينما يستخدم جدول الخزان القيمة الحرارية العليا، فوحّد أساس القيم قبل المقارنة. تجنب تطبيق معامل زيادة اعتباطي على حجم الخزان، إذ قد تؤثر هندسته وافتراضات الجدول في النتيجة.

إذا لم يكن التبخير الطبيعي كافيًا، فيمكن النظر في خزان أكبر، أو عدة خزانات مهيأة على نحو مناسب، أو مبخر مصمم هندسيًا. تحتاج الخزانات المتعددة إلى تصميم صحيح لتوصيلها معًا ومنظماتها؛ فالسعة الاسمية الإجمالية للتخزين وحدها لا تثبت أن معدل التدفق المطلوب قابل للتوفير. ويمكن للمبخر زيادة إنتاج البخار، لكنه يضيف متطلبات خاصة بالطاقة والتحكم والتركيب والصيانة. وفي التطبيقات الاحتياطية، يجب أن يشمل التصميم التحقق من قدرة المبخر على العمل أثناء انقطاع التيار الكهربائي.

سعة الخزان ليست المعيار الوحيد لتقييم نظام الوقود

حتى مع كفاية قدرة الخزان على التبخير، قد لا يصل الوقود إلى المولد بكمية كافية بسبب الفقد المفرط في الضغط أو صغر حجم المنظم. تحقق من سعة المنظم عند ضغطي الدخول والخروج الفعليين، وطول الأنبوب وقطره، والوصلات والصمامات والمرشحات، وأي تأثيرات للارتفاع. وينبغي أن تحدد الشركة الموردة للمولد نطاق ضغط دخول الوقود المقبول وموضع قياس الضغط.

كما يجب الاهتمام ببدء التشغيل وقبول الحمل. تحقق مما إذا كانت الشركة المصنعة تحدد طلبًا عابرًا على الوقود أو حدًا أدنى للضغط أثناء بدء التشغيل وتغيرات الحمل. قد لا يحافظ نظام اختير بناءً على متوسط الاستهلاك الساعي فقط على الضغط خلال تلك الأحداث. وفي المقابل، لا ينبغي افتراض توفر الحد الأقصى الاسمي لتدفق المنظم عند كل ضغوط الدخول، ولا سيما مع انخفاض درجة حرارة الخزان.

تختلف متطلبات نظام الوقود بحسب التطبيق. فعلى سبيل المثال، تُعد وحدة مولد التوليد المشترك للغاز الطبيعي بقدرة 200kW وحدة تعمل بالغاز الطبيعي وتوفر الحرارة والطاقة والتبريد؛ لذا لا ينبغي استخدام افتراضات إمداد الوقود الخاصة بها بدلًا من تلك الخاصة بمولد LPG بقدرة 40 kW. يجب أن يتطابق نوع وقود المحرك ومتطلبات الضغط وبيانات الاستهلاك مع المعدات قيد التقييم.

التركيب والتحقق

التزم باللوائح المعتمدة في نطاق الاختصاص الذي يتم فيه التركيب. في الولايات المتحدة، يتناول NFPA 58 تخزين غاز البترول المسال والتعامل معه، وقد يكون NFPA 37 ذا صلة أيضًا بمحركات الاحتراق الثابتة؛ وتحدد الإصدارات المعتمدة والتعديلات المحلية والجهة صاحبة الاختصاص المتطلبات المنطبقة. وتُطبق بلدان أخرى لوائح مختلفة. ينبغي تقييم موقع الخزان ومسافات الفصل والحماية من الملء الزائد وتنفيس الضغط والأنابيب وتركيب المبخر وفقًا للمتطلبات المعمول بها وتعليمات المعدات.

قبل اعتماد التصميم، احصل على مواصفات استهلاك الوقود وضغط الدخول للمولد، وتركيب الوقود من المورد، وبيانات موثقة لسعة تبخير الخزان في حالة التصميم. ينبغي أن يشمل التشغيل التجريبي التحقق من ضغط الوقود عند المولد في ظروف حمل ممثلة، باستخدام موظفين مؤهلين وإجراءات معتمدة. قد يكشف الاختبار في الطقس الدافئ عن مشكلات في توصيل الوقود، لكنه لا يثبت وحده كفاية قدرة التبخير في الطقس البارد.

الاختيار النهائي هو أصغر تكوين متوافق مع المتطلبات يفي بكل من متطلبات التخزين القابل للاستخدام واستمرار إمداد الوقود في أسوأ حالة محددة، مع توضيح أي احتياطي وهامش تشغيل خاصين بالمشروع. وإذا لم يثبت استيفاء أي من هذين المطلبين، فلا يُعد الحجم الاسمي للخزان وحده أساسًا موثوقًا للاعتماد.