تجهیزات ابزار دقیق نیروگاه برق از بررسی تا راهنمایی خرید

تجهیزات ابزار دقیق در نیروگاه ها قلب تپنده کنترل و ایمنی فرآیند

همانطور که می دانیم نیروگاه ها برای تولید پایدار برق نیاز به یک سلسله تجهیزات دقیق از اندازه گیری کنترل و پایش دارند. این تجهیزات همان ابزار دقیق است. اگر بخواهیم ساده بگوییم ابزار دقیق چشم و گوش و حتی بخشی از مغز یک نیروگاه برق است و بدون این سیستم امکان ندارد جریان سیالات فشار دما سطح و کیفیت بخار یا گاز را با دقت کافی مدیریت کنیم. اگر این مدیریت نباشد نتیجه چه می شود؟ مصرف سوخت بیشتر،  افت راندمان،  خطر بیشتر برای تجهیزات اصلی مثل بویلر توربین و کندانسور و حتی توقف تولید برق و در نتیجه احتمال خاموشی در محدوده نیروگاه. در عمل تجربه نشان می دهد هر چه معماری ابزار دقیق اصولی تر و نگهداری آن منظم تر باشد هزینه تمام شده هر مگاوات ساعت برق پایین تر خواهد بود و ضریب آمادگی واحد بالا می رود.

ابزار دقیق نیروگاهی چیست و در نیروگاه چه کاری انجام می دهد؟

با نگاهی تخصصی تر می شود گفت، ابزار دقیق مجموعه ای از سنسورها ترانسمیتر ها سوئیچ ها عملگر ها کنترلر ها رکوردر ها و نرم افزار های مانیتورینگ است که وظیفه جمع آوری تبدیل انتقال و تحلیل داده های فرآیندی را بر عهده دارد. سنسور مقدار فیزیکی مثل دما یا فشار را حس می کند ترانسمیتر آن را به سیگنال استاندارد تبدیل می کند کنترلر با الگوریتم هایی مثل PID دستور اصلاحی صادر می کند و عملگر دستور را به حرکت مکانیکی تبدیل می کند مثلا یک شیر کنترلی را باز تر می کند. در لایه بالاتر سامانه های DCS و SCADA تصویر کلی از وضعیت واحد را به اپراتور نشان می دهند و امکان تنظیم خودکار یا دستی حلقه های کنترل را فراهم می سازند.

معماری رایج سیستم های کنترل در نیروگاه ها

در نیروگاه های بخاری و سیکل ترکیبی معمولا از DCS به عنوان هسته اصلی کنترل فرایند استفاده می شود و PLC های محلی برای سامانه های فرعی مثل انتقال زغال راه انداز های الکتریکی یا سیستم های ایمنی جداگانه به کار می روند. شبکه های ارتباطی صنعتی مثل پروفی باس فیلدباس فاندیشن و اترنت صنعتی بین واحد ها پل می زنند تا سیگنال های 4 تا 20 میلی آمپر و پروتکل های هوشمند مثل HART یا Modbus با کمترین نویز و تاخیر منتقل شوند. طراحی درست توپولوژی شبکه تغذیه اضطراری UPS و دوگان سازی کارت ها و پردازنده ها باعث می شود یک خرابی تک نقطه ای کل واحد را از کار نیندازد. در نیروگاه های گازی نوین معمولا حلقه های سریع مثل کنترل سوخت و نسبت سوخت به هوا به صورت محلی در کنترلر های توربین اجرا می شود تا پاسخ دینامیکی بهتر بگیرند و حلقه های کند تر مثل بالانس آب خنک کننده در DCS متمرکز می شود.

• سنسور ها و ترانسمیتر ها

اندازه گیری دما

ترموکوپل ها به خاطر بازه دمایی وسیع در نواحی داغ مثل مسیر گاز داغ توربین و دودکش به کار می روند. RTD ها به دلیل دقت و پایداری بهتر برای آب تغذیه بویلر روغن روانکار یاتاقان و هوای احتراقی مناسب هستند. نکته کلیدی در نصب دماسنج ها عمق کاشت غلاف و جهت جریان است. اگر غلاف کوتاه باشد پاسخ سنسور کند و اندازه گیری خطا دار خواهد شد.

• اندازه گیری فشار و اختلاف فشار

ترانسمیتر های فشار برای پایش فشار بخار دیگ و خطوط گاز حیاتی هستند. اختلاف فشار سنج ها برای اندازه گیری دبی از طریق صفحه اوریفیس نازل ونتوری یا برای اندازه گیری سطح تانک ها به روش هیدروستاتیک استفاده می شوند. انتخاب رنج مناسب مواد تر و خشک نوع سیل دیافراگمی و طراحی صحیح لاین های ایمپالس به ویژه در سرویس های بخار فوق داغ اهمیت دارد. کوچک ترین گرفتگی در لاین ایمپالس می تواند کنترل سطح درام را به هم بزند.

• سطح سنج ها

سطح سنج های راداری غیر تماسی برای مخازن سوخت و آب داغ بسیار محبوب اند چون با دما و بخار اشباع کمتر مشکل دارند. گاهی در سرویس هایی که کف شدید دارند رادار راه حل مطمئن تری نسبت به آلتراسونیک است. شناوری های مغناطیسی و سطح سنج های اختلاف فشاری هنوز در درام بویلر به خاطر قوانین و سنت بهره برداری جایگاه خود را حفظ کرده اند.

• دبی سنج ها

اورفیس پرکاربرد ترین گزینه به خاطر سادگی و هزینه کم است اما برای دقت بالا و افت فشار کمتر ونتوری و در سرویس های تمیز فلو متر های مغناطیسی و اولتراسونیک انتخاب بهتری هستند. در گاز طبیعی فلو متر های توربینی یا کوریولیس هم دیده می شود ولی انتخاب بسته به سایز فشار و بودجه دارد.

• آنالایزر ها

آنالایزر های اکسیژن در دودکش برای تنظیم نسبت هوا به سوخت ضروری اند. کاهش کمی اکسیژن باعث افزایش راندمان می شود اما اگر بیش از حد کم شود CO بالا می رود و خطر دوده و انفجار پسا احتراق پیش می آید. آنالایزر های سیلیکای محلول در آب تغذیه توربین بخار هم حیاتی اند چون وجود سیلیکا باعث رسوب روی پره ها و افت راندمان می شود. آنالایزر های رسانایی و pH در شیمی آب و بخار برای جلوگیری از خوردگی نقش کلیدی دارند.

• عملگر ها و کنترل ولو ها

کنترل ولو قلب حلقه های تنظیم دبی و فشار است. انتخاب سیت و تریم مناسب جلوگیری از کاویتاسیون و نویز آکوستیکی در سرویس های فشار بالا حیاتی است. عملگر های پنوماتیک به خاطر سرعت و سادگی محبوب هستند ولی در سرویس های بحرانی از عملگر های هیدرولیکی یا الکتریکی با گشتاور بالا استفاده می شود. پوزیشنر هوشمند با پروتکل HART یا فیلدباس امکان تنظیم دقیق کاراکتریستیک ولو و تشخیص خرابی زودهنگام را می دهد. یک اشتباه رایج هم راستا نبودن جهت باز و بسته با منطق کنترل است که هنگام راه اندازی باید چند بار چک شود.

ایمنی در محیط های قابل اشتعال و روش های ضد انفجار

بخش هایی از نیروگاه مثل سیستم های ذخیره و انتقال گازوئیل یا گاز طبیعی محیط های با خطر انفجار محسوب می شوند. انتخاب تجهیزات با حفاظت مناسب Ex ضروری است. در روش افزایش ایمنی Ex e اجزا به گونه ای طراحی می شوند که در حالت عادی و خطا جرقه تولید نکنند. در روش محفظه مقاوم Ex d بدنه تحمل انفجار داخلی را دارد و شعله به بیرون نشت نمی کند. ایمنی ذاتی Ex i با محدود کردن انرژی مدار به حدی که نتواند جرقه قابل اشتعال ایجاد کند شناخته می شود و برای سیگنال های ابزار دقیق کم توان بسیار مناسب است. روش فشار داخلی Ex p هم با تزریق گاز بی اثر مثل نیتروژن داخل محفظه مانع ورود گاز های قابل اشتعال می شود. انتخاب هر روش تابع طبقه بندی ناحیه دما فشار و نوع گاز یا بخار موجود است و باید با اسناد طراحی و مجوز های محلی منطبق باشد.

سیستم های ایمنی ابزاردقیق در نیروگاه برق و سطح یکپارچگی ایمنی

به جز کنترل فرایند یک لایه مستقل به نام SIS برای اقدامات قطع اضطراری وجود دارد. این سیستم باید جدا از DCS باشد و بر اساس الزامات سطح یکپارچگی ایمنی یا SIL طراحی شود. مثال ساده قطع سوخت توربین در صورت افت شدید فشار روغن یا افزایش بیش از حد سرعت است. طراحی SIL بر اساس تحلیل LOPA و محاسبه احتمال خرابی در خواست ها انجام می شود. از دید بهره برداری تست های دوره ای پروف خوانی و ثبت دقیق نتایج تعیین کننده اند چون نرخ خرابی پنهان روی سطح واقعی ایمنی اثر مستقیم دارد.

کالیبراسیون و مدیریت دقت اندازه گیری

هیچ سنسوری برای همیشه دقیق نمی ماند. کالیبراسیون دوره ای بر اساس ریسک و اهمیت حلقه باید برنامه ریزی شود. برای مثال ترانسمیتر فشار در حلقه حفاظت بویلر نیاز به تناوب کوتاه تر نسبت به یک سنسور دمای محیط دارد. داشتن مرجع های قابل ردیابی به استاندارد ملی یا بین المللی دفترچه های کالیبراسیون تکمیل و نگهداری رکورد های قبل و بعد از تنظیم به کاهش عدم قطعیت کمک می کند. پیشنهاد عملی این است که پس از هر تعمیرات اساسی یک دور کالیبراسیون گسترده انجام شود و بین دو اورهال کالیبراسیون بر پایه ریسک و داده های عملکردی انجام گیرد.

بررسی و نقش نصب کابل کشی و زمین کردن

متاسفانه باید گفت بخش زیادی از خطا های ابزار دقیق از نصب نادرست بدست می آید نه از خود تجهیز. برای ترانسمیتر های اختلاف فشار مسیر لاین های ایمپالس باید با شیب مناسب باشد تا کندانس یا حباب در نقطه نامطلوب گیر نکند. استفاده از منیفولد 3 یا 5 راهه کار سرویس را امن تر و سریع تر می کند. در کابل کشی تفکیک مسیر های قدرت و سیگنال استفاده از کابل شیلد دار زمین کردن یک طرفه شیلد و رعایت شعاع خمش حداقل برای جلوگیری از شکست هادی ها مهم است. در تابلو ها رعایت تهویه و جلوگیری از تراکم بخار آب عمر تجهیزات را افزایش می دهد. خیلی وقت ها یک کانکشن لق یا شل باعث نوسان ظاهری در سیگنال می شود و اپراتور ساعت ها دنبال علت فرآیندی می گردد.

بهره برداری نگهداری و قطعات یدکی

استفاده از CMMS یا هر سامانه مدیریت نگهداری به برنامه ریزی بهتر کالیبراسیون تست های دوره ای و مدیریت قطعات یدکی کمک می کند. نگه داشتن یک فهرست حداقلی از ترانسمیتر های فشار دما پوزیشنر ها و برد های الکترونیکی مطابق بحرانی بودن حلقه ها جلوی خواب واحد به دلیل نبود قطعه را می گیرد. آموزش مداوم اپراتور و تکنسین بسیار مهم است. یک تکنسین که سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر و نقشه های حلقه را خوب می خواند معمولا مشکل را در ده دقیقه پیدا می کند اما بدون آموزش ممکن است ساعت ها تعویض بیهوده انجام شود. تجربه می گوید ثبت دقیق عیوب و ریشه یابی پس از هر حادثه کوچک به مرور نرخ تکرار آن ها را به شدت کم می کند.

دیجیتالی سازی و نگهداری پیش بینانه

حسگر های هوشمند و پوزیشنر های جدید مقادیر تشخیصی مانند ضربه زدن ولو اصطکاک ناهنجار و زمان پاسخ را ذخیره می کنند. این داده ها اگر به هیستوریان ارسال شود و با الگوریتم های ساده تحلیل شود می تواند قبل از خرابی هشدار بدهد. حتی بدون هوش مصنوعی پیچیده با مراقبت از روند ها می توان زمان مناسب سرویس یک کنترل ولو یا کالیبراسیون یک آنالایزر را پیش بینی کرد. اتصال امن این داده ها به شبکه اصلی باید با در نظر گرفتن امنیت سایبری انجام شود چون نفوذ به DCS یا SIS خط قرمز مطلق است. تفکیک شبکه ها DMZ های صنعتی و مدیریت دسترسی ها حداقل هایی است که نباید نادیده گرفته شود.

قابلیت اطمینان و تحلیل ریسک

برای حلقه های حیاتی مثل کنترل سطح درام یا حفاظت افزایش فشار بویلر تحلیل قابلیت اطمینان اجزا کمک می کند بفهمیم کجا باید دوگان سازی کنیم. استفاده از ترانسمیتر های دوبل یا سه تایی رای گیری دو از سه در SIS و مسیر های تغذیه برق مجزا از راهکار های مرسوم اند. با این حال دوگان سازی همیشه پاسخ نیست چون پیچیدگی و هزینه نگهداری را بالا می برد. معیار تصمیم باید ریسک رویداد و هزینه پیامد باشد.

خطا های رایج و راهکار های ساده

یک لیست کوتاه اما کاربردی از مواردی که در محوطه کار نیروگاه زیاد دیده می شود
1 سنسور دما با غلاف کوتاه که پاسخ کند ایجاد می کند راهکار استفاده از غلاف بلند تر هم جهت با جریان
2 لاین ایمپالس اختلاف فشار بدون تراپ بخار که در زمستان یخ می زند راهکار نصب سیفون و گرمکن
3 کالیبره کردن ترانسمیتر در دمای اتاق ولی نصب در محل داغ که آفست ایجاد می کند راهکار جبران دما یا کالیبراسیون در شرایط مشابه
4 اشتباه در جهت عمل ولو که باعث نوسان PID می شود راهکار تست سرد قبل از باردهی
5 شیلد کابل دو سر زمین شده که حلقه زمین و نویز ایجاد می کند راهکار زمین یک سر در منبع سیگنال

انتخاب و خرید تجهیزات ابزار دقیق برای نیروگاه برق

هنگام خرید فقط به قیمت نگاه نکنید. سازگاری با استاندارد های سایت وجود نمایندگی و خدمات پس از فروش کلاس حفاظتی IP و Ex مواد بدنه و رنج کاری همگی مهم اند. در سرویس های خورنده بدنه از استنلس استیل یا آلیاژ های نیکل انتخاب کنید. در نواحی با لرزش شدید بدنه تقویت شده و براکت های مناسب لازم است. اگر DCS شما از یک سازنده خاص است پشتیبانی پروتکل های آن سازنده در کارت های فیلدباس و ابزار های هوشمند را بررسی کنید تا در راه اندازی دچار ناسازگاری نشوید. حتما اسناد کارخانه مثل تاییدیه کالیبراسیون نمودار مشخصات و برگه مواد را بگیرید و در آرشیو دیجیتال نگه دارید.

دستورالعمل راه اندازی سرد و گرم به زبان ساده

پیش از راه اندازی سرد اطمینان حاصل کنید همه حلقه های حیاتی روی Auto نیستند بلکه ابتدا در حالت Manual تست شوند. سیگنال صفر تا صد هر ترانسمیتر در اتاق کنترل دیده شود آلارم های حد بالا و پایین تست شوند و منطق بین قفل کن ها با سناریو های شبیه سازی شده بررسی شود. هنگام راه اندازی گرم پس از روشن کردن مشعل ها حلقه های دما و فشار به تدریج از Manual به Auto منتقل شوند تا از نوسان شدید جلوگیری شود. اگر حلقه ای رفتار غیر پایدار نشان داد سریع به Manual برگردید گین و زمان مشتق را بررسی کنید و سپس دوباره به Auto بروید. این روش ساده اما بسیار موثر است.

نقش تیم های میان رشته ای

ابزار دقیق اگر با تیم های مکانیک و فرایند و برق همسو نشود نتیجه مطلوب نمی دهد. تعیین نقاط اندازه گیری باید با مهندس فرایند انجام شود انتخاب مواد بدنه و غلاف با مکانیک هماهنگ شود و ظرفیت کابل کشی و تابلو ها با برق بررسی گردد. حتی بخش خرید باید در جلسات اولیه باشد چون گاهی محدودیت زمان تامین دست مهندسی را می بندد. تجربه نشان می دهد جلسات کوتاه ولی منظم بین این تیم ها خطا های پر هزینه را قبل از خرید و نصب حذف می کند.

آینده ابزار دقیق در نیروگاه ها چگونه است؟

گرایش به سنسور های بی سیم برای نقاط دور از دسترس افزایش یافته است البته در واحد های حیاتی هنوز محافظه کاری وجود دارد. تلفیق داده های ابزار دقیق با مدل های دیجیتال می تواند در آموزش اپراتور و پیش بینی رفتار فرایند موثر باشد. از سوی دیگر الزامات امنیت سایبری سخت گیرانه تر شده اند و لازم است وصله های امنیتی کنترلر ها و سرور های DCS به شکل برنامه ریزی شده نصب شوند. شاید جذاب ترین روند جدید استفاده از آنالیز ابری برای داده های کم اهمیت باشد ولی برای حلقه های حیاتی همچنان پردازش محلی انتخاب امن تری است.

ابزار دقیق در نیروگاه ها یک مجموعه تجملاتی نیست بلکه ستون فقرات کنترل ایمنی و اقتصاد تولید برق است. از انتخاب سنسور مناسب و نصب دقیق گرفته تا کالیبراسیون و تحلیل داده همه جزئیات مهم اند. اگر بخواهیم سه اولویت طلایی بگوییم این ها هستند یک طراحی مبتنی بر ریسک و قابلیت اطمینان دو اجرای بی نقص در نصب و سیم کشی سه نگهداری داده محور با تست های دوره ای. هر نیروگاهی که این سه را جدی بگیرد دیر یا زود نتیجه را در کاهش هزینه سوخت کاهش توقفات و افزایش ضریب آمادگی خواهد دید. نکته آخر این که هیچ حلقه کنترلی بهتر از داده های درست نیست پس کیفیت اندازه گیری را همیشه در صدر کار نگه دارید حتی اگر کمی زمان بیشتری بگیرد.

سوالات متداول در مورد جایگاه ابزار دقیق در نیروگاه برق

ابزار دقیق دقیقا چه کمکی به راندمان نیروگاه می کند؟
با اندازه گیری دقیق و کنترل پایدار دما فشار و نسبت هوا به سوخت احتراق بهینه می شود افت های هیدرولیکی کاهش می یابد و زمان های توقف ناخواسته کم می شود. مجموع این اثر ها مصرف سوخت را پایین می آورد و تولید خالص را بالا می برد.

برای محیط های قابل اشتعال کدام روش حفاظت مناسب تر است؟
پاسخ وابسته به نوع گاز طبقه بندی ناحیه و توان مدار است. برای سیگنال های کم توان معمولا ایمنی ذاتی Ex i بهترین گزینه است. برای تجهیزات توان بالا مثل جعبه پایانه ها گاهی محفظه مقاوم Ex d یا فشار داخلی Ex p انتخاب می شود.

هر چند وقت یکبار باید کالیبراسیون انجام شود؟
بسته به ریسک حلقه و پایداری تجهیز از 6 ماه تا 24 ماه متغیر است. حلقه های حفاظتی و آنالایزر های حیاتی بازه کوتاه تری می خواهند. پس از اورهال یا تعمیر مهم بهتر است کالیبراسیون کامل انجام شود.

آیا سنسور های بی سیم برای نیروگاه مناسب هستند؟
برای نقاط غیر بحرانی و دور از دسترس بله می توانند هزینه نصب را کم کنند. اما برای حلقه های حیاتی با پاسخ سریع هنوز سنسور های باسیم با فیلدباس یا سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر گزینه مطمئن تری هستند.

بهترین راه کاهش نویز در سیگنال های ابزار دقیق چیست؟
تفکیک مسیر های قدرت و کنترل استفاده از کابل شیلد دار زمین یک طرفه شیلد انتخاب مناسب فیلتر در کارت های ورودی و رعایت اصول ارتینگ. همچنین جلوگیری از حلقه های زمین و اتصالات لق تاثیر زیادی دارد.

شرکت ایمن کنترل سهند مرجع تخصصی ابزاردقیق در رسته های نیروگاهی، صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی و صنایع حساس