منظومة المشاعل في محطات النفط

منظومة المشاعل الصناعية (Flare System): الهندسة، التشغيل، والسلامة في العمليات الصناعية

في قلب المنشآت الصناعية الكبرى، من مصافي النفط والغاز إلى مصانع البتروكيماويات، تقف شعلة مهيبة تخترق عنان السماء، تُعرف باسم منظومة المشاعل (Flare System). قد تبدو هذه الشعلة للوهلة الأولى مجرد لهب هائل، إلا أنها في الحقيقة تمثل خط الدفاع الأخير والأكثر أهمية لضمان سلامة العمليات الصناعية، وحماية الأفراد، والمعدات، والبيئة. إنها صمام أمان عملاق، مصمم للتعامل مع أسوأ السيناريوهات المحتملة، من خلال التخلص الآمن والمسيطر عليه من الغازات القابلة للاشتعال التي يتم إطلاقها أثناء الاضطرابات التشغيلية، وحالات الطوارئ، أو حتى أثناء عمليات التشغيل والإيقاف المجدولة.

منظومة المشاعل في الصناعة النفطية | Flare System

الوظيفة الأساسية والأهداف الاستراتيجية لمنظومة المشاعل

لا يمكن فهم منظومة المشاعل دون إدراك الأهداف الجوهرية التي صُممت من أجلها. هي ليست نظامًا للتخلص من النفايات بالمعنى التقليدي، بل هي نظام أمان هندسي (Engineered Safety System) له وظائف محددة وحيوية. يمكن تلخيص أهدافه الرئيسية في ثلاث ركائز أساسية: السلامة، وحماية البيئة، والدعم التشغيلي.

1. حماية المنشأة من الضغط الزائد (Overpressure Protection)

هذه هي الوظيفة الأولى والأكثر أهمية. في أي عملية صناعية، تحتوي الأوعية، المفاعلات، والأنابيب على موائع (غازات وسوائل) تحت ضغط ودرجة حرارة معينين. يمكن أن تحدث ظروف غير طبيعية، تُعرف بـ الاضطرابات التشغيلية (Process Upsets)، تؤدي إلى ارتفاع سريع وخطير في الضغط. تشمل هذه السيناريوهات:

انقطاع التيار الكهربائي (Power Failure): يؤدي إلى توقف المضخات والضواغط، مما قد يسبب تراكم الضغط في بعض أجزاء المصنع.
فشل أنظمة التبريد (Cooling System Failure): عدم القدرة على إزالة الحرارة من المفاعلات أو الأعمدة يمكن أن يسبب تبخرًا سريعًا للسوائل وزيادة هائلة في الضغط.
تفاعلات كيميائية جامحة (Runaway Reactions): خروج تفاعل كيميائي عن السيطرة، مما يولد كميات هائلة من الحرارة والغازات.
التعرض لحريق خارجي (External Fire Case): إذا شب حريق بالقرب من وعاء يحتوي على سائل، فإن الحرارة ستؤدي إلى غليان السائل وزيادة الضغط بشكل كبير، مما قد يؤدي إلى انفجار كارثي يُعرف بـ BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion).
خطأ بشري أو فشل في أجهزة التحكم (Instrument/Operator Error): فتح صمام خاطئ أو فشل جهاز تحكم يمكن أن يوجه تدفقًا عالي الضغط إلى نظام مصمم لضغط أقل.

في هذه الحالات، تفتح صمامات تنفيس الضغط (Pressure Relief Valves - PRVs) أو أقراص التمزق (Rupture Disks) تلقائيًا عند وصول الضغط إلى حد محدد مسبقًا، وتوجه تدفق الغازات الهائل إلى منظومة المشاعل للتخلص منه بأمان بدلاً من انفجار المعدات.

2. حماية البيئة (Environmental Protection)

الغازات التي يتم إطلاقها غالبًا ما تكون هيدروكربونات (مثل الميثان، البروبان، والبنزين) أو مركبات كيميائية أخرى (مثل كبريتيد الهيدروجين). إطلاق هذه الغازات مباشرة إلى الغلاف الجوي له عواقب وخيمة:

مركبات عضوية متطايرة (VOCs): تساهم في تكوين الضباب الدخاني والأوزون على مستوى سطح الأرض.
غازات دفيئة قوية: الميثان، على سبيل المثال، له قدرة على حبس الحرارة تفوق ثاني أكسيد الكربون بأكثر من 25 مرة على مدى 100 عام.
مركبات سامة وخطرة: غازات مثل كبريتيد الهيدروجين (H₂S) سامة وقاتلة حتى بتركيزات منخفضة، بينما مركبات مثل البنزين مسرطنة.

تقوم منظومة المشاعل بتحويل هذه الغازات الضارة والخطرة، من خلال عملية احتراق عالية الكفاءة (عادةً > 98%)، إلى منتجات أقل ضررًا بكثير، وهي بشكل أساسي ثاني أكسيد الكربون (CO₂) وبخار الماء (H₂O). على الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون هو غاز دفيئة، إلا أن التأثير البيئي الإجمالي لإطلاقه أقل بكثير من إطلاق الميثان أو المركبات العضوية المتطايرة الأخرى.

3. الدعم التشغيلي (Operational Support)

لا يقتصر دور المشاعل على حالات الطوارئ فقط. فهي تلعب دورًا حيويًا في الأنشطة التشغيلية الروتينية، مثل:

بدء تشغيل المصنع (Startup): أثناء بدء تشغيل الوحدات، يتم إطلاق غازات لا تتوافق مع مواصفات المنتج النهائي، ويتم توجيهها إلى الشعلة حتى استقرار العملية.
إيقاف تشغيل المصنع (Shutdown): عند إيقاف الوحدات للصيانة، يجب إفراغ المعدات من الهيدروكربونات والغازات الأخرى. يتم توجيه هذه الغازات إلى الشعلة لإزالتها بأمان.
الصيانة (Maintenance): قبل فتح أي وعاء أو خط أنابيب، يجب تطهيره من المواد القابلة للاشتعال، وغالبًا ما يتم ذلك عن طريق توجيه الغازات إلى منظومة المشاعل.

مبدأ أساسي: منظومة المشاعل ليست نظامًا للتخلص من النفايات، بل هي أداة حيوية لإدارة المخاطر التشغيلية والبيئية. الهدف دائمًا هو تقليل الحاجة لاستخدامها من خلال تحسين استقرار العمليات، ولكن يجب أن تكون جاهزة للعمل بكفاءة وموثوقية قصوى في أي لحظة.

مكونات منظومة المشاعل: تشريح كامل للنظام

منظومة المشاعل ليست مجرد أنبوب ينتهي بلهب، بل هي شبكة معقدة من المعدات والأجهزة التي تعمل بتناغم لضمان عملية حرق آمنة وفعالة. دعنا نستكشف المكونات الرئيسية بالتفصيل.

1. نظام تجميع الغازات (Flare Header System)

هو شبكة واسعة من الأنابيب التي تربط جميع مصادر التنفيس المحتملة (صمامات الأمان، صمامات التفريغ) بنقطة مركزية قبل توجيهها إلى الشعلة. يتم تصميم هذه الشبكة بعناية فائقة لضمان قدرتها على استيعاب أقصى تدفق متوقع من الغازات أثناء أسوأ سيناريو طارئ. الاعتبارات الهندسية الرئيسية في تصميمها تشمل:

انخفاض الضغط (Pressure Drop): يجب أن يكون تصميم الأنابيب بأقطار كافية لتقليل انخفاض الضغط، مما يضمن أن الضغط الخلفي (Backpressure) عند صمامات الأمان لا يتجاوز الحدود المسموح بها، وإلا فقد تفشل هذه الصمامات في الفتح بشكل صحيح.
التصريف الذاتي (Self-Draining): يجب أن تكون الأنابيب مائلة بشكل طفيف ومستمر نحو نقاط تجميع منخفضة لضمان تصريف أي سوائل متكثفة ومنع تراكمها، والذي قد يؤدي إلى تكوين سدادات سائلة (Liquid Slugs) خطيرة.
التمدد الحراري (Thermal Expansion): تتغير درجات حرارة الغازات بشكل كبير، مما يؤدي إلى تمدد وانكماش الأنابيب. يجب تصميم مسارات الأنابيب وتضمين حلقات تمدد (Expansion Loops) لاستيعاب هذه الحركة ومنع الإجهاد الميكانيكي على النظام.

2. وعاء الفصل (Knockout Drum - KOD)

يُعد وعاء الفصل أحد أهم مكونات السلامة في المنظومة بأكملها. وهو وعاء أفقي (أو عمودي أحيانًا) كبير يقع في مسار الغاز قبل وصوله إلى قاعدة الشعلة. وظيفته الأساسية هي فصل وإزالة قطرات السائل المحمولة مع تيار الغاز.

لماذا يعتبر فصل السوائل أمرًا بالغ الأهمية؟

إطفاء اللهب (Flame Extinguishing): إذا وصلت كمية كبيرة من السائل إلى فوهة الشعلة، يمكنها أن تطفئ اللهب مؤقتًا، مما يؤدي إلى إطلاق غازات غير محترقة وخطرة في الجو.
مطر السائل المشتعل (Burning Liquid Rain): يمكن أن يتم قذف قطرات السائل المشتعل من قمة الشعلة، مما يخلق خطر حريق هائل على الأرض حول الشعلة.
التلف الميكانيكي (Mechanical Damage): يمكن أن تسبب السدادات السائلة (Liquid Slugs) التي تتحرك بسرعة عالية في الأنابيب ظاهرة "المطرقة المائية" (Water Hammer)، مما يؤدي إلى تلف الأنابيب والمعدات.

يعتمد وعاء الفصل على مبدأ الجاذبية وتقليل السرعة. عندما يدخل تيار الغاز إلى الوعاء الأكبر حجمًا، تقل سرعته بشكل كبير، مما يسمح لقطرات السائل الأثقل بالاستقرار في قاع الوعاء بفعل الجاذبية. غالبًا ما يتم تزويدها بوسادات شبكية (Demister Pads) أو أجهزة فصل داخلية أخرى لزيادة كفاءة إزالة القطرات الدقيقة.

3. مانع التسرب المائي (Liquid Seal Drum)

هذا المكون هو جهاز أمان آخر، غالبًا ما يتم وضعه بعد وعاء الفصل. وهو عبارة عن وعاء يمر من خلاله الغاز عبر طبقة من الماء (أو سائل آخر مناسب). له وظيفتان رئيسيتان:

منع ارتداد اللهب (Flashback Prevention): يعمل كحاجز مادي يمنع اللهب من الانتقال عكسيًا من الشعلة إلى نظام الأنابيب (Header System) في حالة وجود خليط قابل للاشتعال وانخفاض تدفق الغاز. هذا أمر حيوي لمنع انفجار الشبكة بأكملها.
الحفاظ على ضغط إيجابي (Maintaining Positive Pressure): يساعد في الحفاظ على ضغط إيجابي طفيف في نظام الأنابيب، مما يمنع تسرب الهواء إلى الداخل وتكوين خليط متفجر.

بالإضافة إلى ذلك، يعمل كحاجز ثانوي لفصل أي سوائل قد تكون قد تجاوزت وعاء الفصل الرئيسي.

4. مدخنة الشعلة (Flare Stack)

هي الهيكل العمودي الطويل الذي يحمل فوهة الشعلة إلى ارتفاع آمن فوق سطح الأرض. الهدف من هذا الارتفاع هو:

تبديد الإشعاع الحراري (Heat Radiation Dissipation): الاحتراق يولد كمية هائلة من الحرارة. يجب أن يكون ارتفاع المدخنة كافيًا لضمان أن مستوى الإشعاع الحراري على مستوى الأرض لا يتجاوز الحدود الآمنة للأفراد والمعدات.
تشتيت نواتج الاحتراق (Dispersion of Combustion Products): يساعد الارتفاع على تشتيت الغازات الناتجة (مثل CO₂, SO₂) في الغلاف الجوي وتقليل تركيزها على مستوى سطح الأرض.
منع وصول اللهب إلى مصادر الاشتعال الأرضية.

هناك أنواع مختلفة من هياكل المداخن اعتمادًا على الارتفاع والظروف المحلية، مثل المداخن ذاتية الدعم (Self-Supported)، والمداخن المدعومة بالأسلاك (Guy-Wired)، والمداخن المدعومة بهيكل برجى (Derrick-Supported) للأطوال الشاهقة جدًا.

5. فوهة الشعلة (Flare Tip)

فوهة الشعلة هي قلب المنظومة، حيث تحدث عملية الاحتراق الفعلية. إنها ليست مجرد نهاية أنبوب مفتوح، بل هي جهاز هندسي مصمم بدقة لتحقيق عدة أهداف:

ضمان احتراق مستقر (Stable Combustion): يجب أن تحافظ على اللهب ثابتًا ومستقرًا في مجموعة واسعة من معدلات تدفق الغاز وظروف الرياح.
كفاءة احتراق عالية (High Combustion Efficiency): تصميمها يهدف إلى خلط الغاز والهواء بشكل فعال لتحقيق احتراق كامل (>98%).
تقليل الدخان (Smoke Suppression): العديد من الهيدروكربونات الثقيلة تميل إلى إنتاج دخان أسود كثيف عند حرقها. تم تصميم الفوهات الحديثة لتقليل الدخان.
طول العمر والمتانة (Durability): يجب أن تتحمل درجات حرارة شديدة للغاية وتآكلًا كيميائيًا وبيئيًا.

سنتناول أنواع الفوهات المختلفة بالتفصيل في قسم لاحق.

6. نظام الإشعال (Ignition System)

يجب أن تكون الشعلة جاهزة للاشتعال فور وصول الغاز إليها. الاعتماد على نظام إشعال موثوق هو أمر بالغ الأهمية. يتكون النظام عادة من:

الشعلات الدليلة (Pilot Burners): هي شعلات صغيرة مشتعلة باستمرار عند فوهة الشعلة الرئيسية. تعمل هذه الشعلات كمصدر اشتعال دائم للتيار الرئيسي للغاز. يتم تزويدها بخط وقود منفصل وموثوق.
نظام إشعال الشعلات الدليلة (Pilot Ignition System): هو النظام الذي يشعل الشعلات الدليلة نفسها. الطريقة الأكثر شيوعًا هي لوحة الإشعال الأمامية (Flame Front Generator)، حيث يتم إرسال خليط من الوقود والهواء عبر أنبوب صغير إلى الشعلة الدليلة، ويتم إشعاله من الأسفل، فتنتقل "مقدمة اللهب" بسرعة عبر الأنبوب لتشعل الشعلة الدليلة في الأعلى.
نظام مراقبة اللهب (Flame Monitoring): أجهزة مثل المزدوجات الحرارية (Thermocouples) أو أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء/فوق البنفسجية (IR/UV Detectors) تُستخدم للتأكد من أن الشعلات الدليلة واللهب الرئيسي مشتعلان بالفعل، وإرسال إنذار في حالة انطفائهما.

7. الأنظمة المساعدة (Auxiliary Systems)

لتحقيق الأداء الأمثل، تعتمد منظومة المشاعل على عدة أنظمة مساعدة، منها:

نظام غاز التطهير (Purge Gas System): يتم حقن تيار صغير ومستمر من الغاز (عادةً غاز الوقود أو النيتروجين) في نظام المشاعل لمنع تسرب الهواء إلى الداخل وتكوين خليط قابل للاشتعال، خاصة أثناء فترات عدم وجود تدفق.
نظام بخار المساعدة (Steam Assist System): في بعض أنواع المشاعل، يتم حقن البخار في منطقة الاحتراق لتحسين خلط الهواء والوقود، مما يساعد على تحقيق احتراق بدون دخان.
نظام هواء المساعدة (Air Assist System): يعمل بشكل مشابه لنظام البخار، ولكن باستخدام منفاخ (Blower) لدفع الهواء إلى منطقة الاحتراق، ويستخدم عادة للمشاعل الأصغر حجمًا.

مكونات منظومة المشاعل

أنواع المشاعل الصناعية وتطبيقاتها

لا يوجد تصميم واحد يناسب جميع التطبيقات. يتم اختيار نوع الشعلة بناءً على عوامل مثل نوع الغاز، معدل التدفق، القيود البيئية، ومتطلبات الموقع. يمكن تصنيف المشاعل بعدة طرق:

1. التصنيف حسب الارتفاع والهيكل

المشاعل المرتفعة (Elevated Flares): هي النوع الأكثر شيوعًا في مصافي النفط والمنشآت الكبيرة. كما ذكرنا سابقًا، يمكن أن تكون ذاتية الدعم، أو مدعومة بأسلاك، أو مدعومة بهيكل برجى. توفر تشتيتًا ممتازًا للحرارة والانبعاثات.
المشاعل الأرضية (Ground Flares): تكون على مستوى الأرض أو بارتفاع منخفض. عادة ما تكون محاطة بجدار عازل للحرارة والصوت. تتميز بأنها تخفي اللهب وتقلل من الضوضاء والإشعاع الحراري الظاهر، مما يجعلها مناسبة للمناطق القريبة من التجمعات السكنية. ومع ذلك، قدرتها الاستيعابية أقل من المشاعل المرتفعة.
المشاعل المغلقة (Enclosed Flares / Combustors): في هذا النوع، يتم الاحتراق داخل غرفة احتراق عمودية مبطنة بمواد عازلة للحرارة. لا يوجد لهب مرئي على الإطلاق، وتكون مستويات الضوضاء والإشعاع منخفضة جدًا. توفر كفاءة تدمير عالية جدًا للملوثات، وتستخدم في التطبيقات الحساسة بيئيًا.

2. التصنيف حسب طريقة المساعدة على الاحتراق (Smokeless Flaring)

الهدف هو تحقيق "احتراق بدون دخان"، والذي يتطلب خلطًا جيدًا بين الغاز والهواء. الدخان هو نتيجة للاحتراق غير الكامل للهيدروكربونات الثقيلة.

مشاعل بمساعدة البخار (Steam-Assisted Flares): هي الأكثر شيوعًا في المصافي والبتروكيماويات. يتم حقن بخار عالي السرعة في منطقة اللهب. يقوم البخار بسحب كمية كبيرة من الهواء المحيط (تأثير فنتوري)، مما يوفر الأكسجين اللازم للاحتراق الكامل ويقلل من تكوين الدخان.
مشاعل بمساعدة الهواء (Air-Assisted Flares): تستخدم منفاخًا كبيرًا لدفع الهواء مباشرة إلى منطقة الاحتراق. هذا النوع فعال جدًا للمشاعل التي تتعامل مع تدفقات منخفضة الضغط ومنخفضة السعرات الحرارية، وهو شائع في محطات معالجة الغاز ومواقع الإنتاج.
مشاعل غير مساعدة أو صوتية (Non-Assisted / Sonic Flares): تعتمد على الطاقة الحركية العالية لتيار الغاز نفسه لخلط الهواء. عندما يخرج الغاز من الفوهة بسرعات عالية جدًا (قريبة من سرعة الصوت، أي Mach > 0.5)، فإنه يسحب معه كمية هائلة من الهواء بشكل طبيعي. هذا النوع فعال جدًا للغازات عالية الضغط، لكنه يولد ضوضاء عالية.
مشاعل بمساعدة ضغط الغاز (Pressure-Assisted Flares): تستخدم ضغط الغاز المتاح لخلطه مع الهواء عبر فوهات مصممة خصيصًا، مما يحقق احتراقًا فعالًا بدون الحاجة إلى بخار أو هواء.

الأسس العلمية والهندسية لمنظومة المشاعل

وراء كل مكون من مكونات منظومة المشاعل تكمن مبادئ علمية وهندسية عميقة تضمن أداءها الفعال والآمن. فهم هذه المبادئ ضروري للتصميم والتشغيل السليم.

1. كيمياء الاحتراق (Combustion Chemistry)

الاحتراق هو تفاعل كيميائي طارد للحرارة بين مادة قابلة للاشتعال (الوقود، وهو غاز الشعلة) ومؤكسد (عادة الأكسجين من الهواء). الهدف هو تحقيق الاحتراق الكامل (Complete Combustion). على سبيل المثال، احتراق الميثان (CH₄)، المكون الرئيسي للغاز الطبيعي:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + Heat (حرارة)

ولكن في الواقع، يمكن أن يحدث احتراق غير كامل (Incomplete Combustion) بسبب عدم كفاية الأكسجين أو الخلط السيئ، مما ينتج عنه ملوثات غير مرغوب فيها:

أول أكسيد الكربون (CO): غاز سام ينتج عن نقص الأكسجين.
السخام (Soot): جزيئات كربون غير محترقة تظهر على شكل دخان أسود.
الهيدروكربونات غير المحترقة (Unburned Hydrocarbons - UHCs): غازات الوقود التي لم تتفاعل.

إذا كان الغاز يحتوي على مركبات كبريتية مثل كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، فإن احتراقه ينتج ثاني أكسيد الكبريت (SO₂)، وهو غاز يساهم في تكوين المطر الحمضي:

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O

كفاءة تدمير وإزالة المركبات (Destruction and Removal Efficiency - DRE) هي مقياس لمدى فعالية الشعلة في تحويل الهيدروكربونات الواردة. تتطلب اللوائح البيئية عادةً أن تكون هذه الكفاءة أعلى من 98%.

2. الديناميكا الحرارية وانتقال الحرارة (Thermodynamics & Heat Transfer)

تعتبر إدارة الحرارة الناتجة عن الشعلة أحد أهم تحديات التصميم. يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة على شكل إشعاع حراري (Thermal Radiation).

تحدي التصميم الرئيسي: يجب تصميم ارتفاع وقطر الشعلة وموقعها بحيث لا يتجاوز مستوى الإشعاع الحراري عند مستوى سطح الأرض الحدود المسموح بها لسلامة الأفراد والمعدات. يتم تحديد هذه الحدود بناءً على مدة التعرض المحتملة.

تستخدم نماذج رياضية معقدة، مثل نموذج نقطة المصدر البسيط (Simple Point Source Model) أو نماذج أكثر تعقيدًا مثل نموذج API 521، لحساب مستويات الإشعاع في نقاط مختلفة حول الشعلة. تأخذ هذه الحسابات في الاعتبار عوامل مثل معدل إطلاق الحرارة، وخصائص الغاز، والظروف الجوية (الرياح، الرطوبة).

الحدود المسموح بها للإشعاع الحراري (وفقًا لـ API 521):
- 1.58 kW/m² (500 BTU/hr·ft²): مناطق يمكن فيها العمل لفترات غير محدودة.
- 4.73 kW/m² (1500 BTU/hr·ft²): يمكن للأفراد البقاء لفترة قصيرة (دقائق).
- 6.31 kW/m² (2000 BTU/hr·ft²): حد الهروب؛ يمكن للأفراد المرور عبر المنطقة بسرعة.
- 9.46 kW/m² (3000 BTU/hr·ft²): حد الإشعاع على المعدات.

3. ديناميكا الموائع (Fluid Dynamics)

تلعب ميكانيكا الموائع دورًا حاسمًا في كل مرحلة من مراحل النظام:

حساب انخفاض الضغط: يتم استخدام معادلات مثل معادلة دارسي-وايزباخ (Darcy-Weisbach) لحساب انخفاض الضغط في شبكة الأنابيب لضمان عدم تجاوز الضغط الخلفي على صمامات الأمان.
سرعة الغاز في الفوهة: تعتبر سرعة خروج الغاز من فوهة الشعلة (Exit Velocity) عاملًا حاسمًا. السرعات العالية (تصل إلى Mach 0.5 للتشغيل المستمر، وأعلى للحالات المتقطعة) تعزز الخلط مع الهواء وتمنع ارتداد اللهب. ومع ذلك، تزيد السرعات العالية من الضوضاء والتآكل.
ظاهرة "انفصال اللهب" (Flame Lift-off): إذا كانت سرعة الغاز عالية جدًا، قد "ينفصل" اللهب عن الفوهة ويستقر على ارتفاع معين فوقها، أو قد ينطفئ تمامًا (Blowout).
الاستقرار في وجود الرياح (Flame Stability in Wind): يجب أن يضمن تصميم الفوهة بقاء اللهب مستقرًا ومثبتًا على الفوهة حتى في ظل الرياح القوية، والتي يمكن أن تحاول "إطفاء" اللهب.

مبادئ التصميم والهندسة لمنظومة المشاعل (وفقًا لمعايير API)

يتم تصميم منظومات المشاعل وفقًا لمعايير صناعية صارمة، وأهمها معيار API (American Petroleum Institute) Standard 521 - Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems. يحدد هذا المعيار الممارسات الموصى بها لتصميم وتركيب وتشغيل هذه الأنظمة. إليك الخطوات الرئيسية في عملية التصميم:

1. تحديد سيناريوهات وحمل الشعلة (Defining Flare Scenarios and Load)

هذه هي الخطوة الأولى والأكثر أهمية. يجب على المهندسين تحديد جميع السيناريوهات المحتملة التي قد تؤدي إلى تنفيس الغازات وتحديد أقصى تدفق (بالكتلة) وتركيب للغازات في كل سيناريو. لا يتم ببساطة جمع تدفقات جميع صمامات الأمان، لأن ليس كل السيناريوهات تحدث في نفس الوقت. السيناريوهات الشائعة تشمل:

حريق خارجي عام (General External Fire): يُفترض أن حريقًا كبيرًا يحيط بمجموعة من المعدات.
انقطاع عام للكهرباء (General Power Failure): يؤثر على جميع المعدات الكهربائية.
فشل نظام التبريد العام (General Cooling Water Failure).
فشل أجهزة التحكم في وحدة معينة (Unit-Specific Control Failure).

يتم اختيار السيناريو الذي ينتج عنه أكبر حمل للشعلة (Governing Case)، ويتم تصميم المنظومة بأكملها للتعامل مع هذا الحمل الأقصى.

2. تصميم وتحديد حجم المكونات (Sizing of Components)

شبكة الأنابيب (Header Sizing): يتم تحديد أقطار الأنابيب لضمان أن الضغط الخلفي عند أي صمام أمان لا يتجاوز الحد المسموح به (عادة 10% من ضغط الفتح للصمامات التقليدية). كما يتم التحقق من سرعة المائع لمنع التآكل والضوضاء المفرطة.
وعاء الفصل (KOD Sizing): يتم تحديد حجمه بناءً على معادلات تستهدف إزالة قطرات السائل بحجم معين (على سبيل المثال، كل القطرات الأكبر من 300-600 ميكرون). يجب أن يكون حجمه كافيًا لاستيعاب أي سائل قد يتراكم أثناء عملية التنفيس قبل أن يتم تصريفه.
مدخنة الشعلة (Stack Sizing):
- القطر (Diameter): يتم تحديده بناءً على سرعة الخروج المطلوبة (عادة أقل من Mach 0.5) عند أقصى تدفق. قطر صغير جدًا يؤدي إلى ضغط خلفي عالٍ، وقطر كبير جدًا قد يؤثر على استقرار اللهب ويسمح بدخول الهواء.
- الارتفاع (Height): يتم تحديده بشكل أساسي من خلال حسابات الإشعاع الحراري لضمان بقاء المستويات على الأرض ضمن الحدود الآمنة. قد تؤثر متطلبات تشتيت الملوثات أيضًا على الارتفاع المطلوب.

3. اختيار المواد (Material Selection)

يجب اختيار المواد بعناية لتحمل الظروف القاسية:

درجات حرارة منخفضة جدًا: عند تنفيس الغازات المضغوطة، يمكن أن تبرد بسرعة بسبب تأثير جول-طومسون (Joule-Thomson effect)، مما قد يصل بدرجة حرارة المعدن إلى ما دون الصفر. يجب استخدام مواد تحتفظ بصلابتها في درجات الحرارة المنخفضة (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك النيكل) لمنع "التقصف الهش" (Brittle Fracture).
درجات حرارة عالية جدًا: تتعرض فوهة الشعلة والجزء العلوي من المدخنة لدرجات حرارة شديدة. يتم استخدام سبائك عالية الأداء (مثل Inconel, Haynes) لمقاومة الحرارة والأكسدة.
التآكل (Corrosion): إذا كانت الغازات تحتوي على مركبات مسببة للتآكل مثل H₂S أو الأحماض، فيجب اختيار مواد مقاومة للتآكل الكيميائي.

4. تحليل السلامة والمخاطر الإضافية

تحليل تشتت الغازات (Gas Dispersion Analysis): يتم إجراء هذا التحليل لتقييم ما سيحدث في حالة انطفاء اللهب (Flameout). يقوم النموذج بحساب مسار وانتشار سحابة الغاز غير المحترقة وتحديد المناطق التي قد تصل فيها التركيزات إلى المستوى القابل للاشتعال (Flammable Limits).
تحليل الضوضاء (Noise Analysis): يمكن أن تولد المشاعل، خاصة من النوع الصوتي، مستويات ضوضاء عالية جدًا. يجب تقييم مستويات الضوضاء والتأكد من أنها تفي باللوائح المهنية والبيئية.
دراسة التأثيرات الهيكلية (Structural Analysis): يجب تصميم مدخنة الشعلة والهيكل الداعم لها لتحمل الأحمال الناتجة عن الرياح، والزلازل، ووزنها الخاص، والتمدد الحراري.

التشغيل، التحكم، والمراقبة

منظومة المشاعل ليست نظامًا "شغّل وانسَ". تتطلب مراقبة وتشغيلًا دقيقًا لضمان جاهزيتها وفعاليتها.

1. التشغيل الطبيعي (Normal Operation)

في معظم الأوقات، لا يوجد تدفق كبير إلى الشعلة. ومع ذلك، يجب أن يظل النظام جاهزًا. يتم الحفاظ على جاهزيته من خلال:

غاز التطهير (Purge Gas): تدفق صغير ومستمر من غاز الوقود أو النيتروجين يتدفق عبر النظام لمنع دخول الهواء. يجب مراقبة معدل تدفق غاز التطهير بعناية؛ تدفق قليل جدًا قد لا يكون فعالًا، وتدفق كبير جدًا يعد إهدارًا للطاقة.
الشعلات الدليلة (Pilot Burners): يجب أن تظل مشتعلة باستمرار. يتم مراقبتها بواسطة أجهزة استشعار اللهب. أي فشل في الشعلة الدليلة يجب أن يطلق إنذارًا فوريًا في غرفة التحكم.

2. التشغيل أثناء اضطراب (Upset Operation)

عند حدوث تنفيس، يجب على مشغلي غرفة التحكم مراقبة أداء الشعلة عن كثب عبر أنظمة التحكم الموزعة (DCS) وكاميرات المراقبة. الأشياء الرئيسية التي يجب مراقبتها:

وجود اللهب: التأكد من أن الغاز يشتعل فورًا.
الدخان: إذا كانت الشعلة من النوع المساعد (بخار أو هواء)، يجب على المشغل ضبط تدفق الوسيط المساعد (البخار/الهواء) للتحكم في الدخان. غالبًا ما يتم ذلك تلقائيًا بناءً على نسبة تدفق الغاز إلى تدفق الوسيط المساعد.
مستويات السائل في وعاء الفصل: يجب مراقبة مستوى السائل في KOD، وتشغيل مضخات التفريغ عند الضرورة لمنع امتلائه.

3. أنظمة المراقبة الحديثة

تستخدم المنشآت الحديثة تقنيات متقدمة لمراقبة أداء الشعلة والامتثال البيئي:

أنظمة المراقبة المستمرة للانبعاثات (CEMS - Continuous Emissions Monitoring Systems): تُستخدم لقياس تركيز الملوثات في نواتج الاحتراق، ولكنها صعبة التطبيق على المشاعل المرتفعة.
كاميرات الأشعة تحت الحمراء (Infrared Cameras): يمكنها "رؤية" الحرارة واللهب، وتستخدم للتحقق من كفاءة الاحتراق وتحديد أي هيدروكربونات غير محترقة.
عدادات التدفق فوق الصوتية (Ultrasonic Flow Meters): تُستخدم لقياس معدل تدفق الغاز المتجه إلى الشعلة بدقة، مما يساعد في التحكم في أنظمة المساعدة وحساب الانبعاثات.

اعتبارات السلامة والبيئة: التحديات والحلول

السلامة والبيئة هما الدافعان الرئيسيان لوجود منظومة المشاعل، وهما أيضًا مصدر أكبر التحديات في تصميمها وتشغيلها.

مخاطر السلامة الرئيسية

ارتداد اللهب (Flashback): الخطر الأكبر، حيث ينتقل اللهب عكسيًا إلى نظام الأنابيب. يتم منعه بواسطة موانع التسرب المائية، والحفاظ على سرعة خروج عالية، واستخدام غاز التطهير المستمر.
انطفاء اللهب (Flameout): إطلاق كميات كبيرة من الغازات القابلة للاشتعال والسامة. يتم تقليل هذا الخطر من خلال وجود شعلات دليلة متعددة وموثوقة، وتصميم فوهة مستقر، ومراقبة مستمرة للهب.
الإشعاع الحراري (Thermal Radiation): قد يؤدي إلى إصابات للأفراد أو تلف للمعدات. يتم التحكم فيه من خلال تحديد ارتفاع المدخنة المناسب وإنشاء مناطق محظورة حول قاعدة الشعلة.
تشتت السوائل المشتعلة (Dispersion of Burning Liquids): يتم منعه بواسطة وعاء فصل (KOD) فعال ومصمم بشكل صحيح.

التحديات البيئية

على الرغم من أن المشاعل تحول الملوثات إلى مركبات أقل ضررًا، إلا أنها لا تزال مصدرًا للانبعاثات، وتواجه لوائح بيئية متزايدة الصرامة.

انبعاثات غازات الدفيئة (Greenhouse Gases): المنتج الرئيسي هو ثاني أكسيد الكربون. الهدف هو تقليل "الحرق الروتيني" (Routine Flaring) قدر الإمكان من خلال تحسين كفاءة العمليات.
أكاسيد النيتروجين (NOx) وأكاسيد الكبريت (SOx): تتكون أكاسيد النيتروجين في درجات الحرارة العالية للاحتراق. وتنتج أكاسيد الكبريت من حرق الغازات "الحمضية" (Sour Gas) التي تحتوي على H₂S. يجري تطوير تصميمات فوهات منخفضة الانبعاثات (Low-NOx) للحد من هذه الانبعاثات.
الضوضاء والتلوث الضوئي (Noise and Light Pollution): يمكن أن تكون المشاعل مصدر إزعاج للمجتمعات المجاورة. استخدام المشاعل الأرضية أو المغلقة يمكن أن يخفف من هذه المشاكل.
كفاءة الاحتراق (Combustion Efficiency): تفرض الهيئات التنظيمية الآن متطلبات صارمة لضمان أن تكون كفاءة التدمير لا تقل عن 98%، مما يتطلب مراقبة وتحكمًا أفضل.

الاتجاهات المستقبلية والابتكارات في تكنولوجيا المشاعل

مجال تكنولوجيا المشاعل ليس ثابتًا، بل يتطور باستمرار لمواجهة التحديات الجديدة وتحسين الأداء.

1. وحدات استعادة غاز الشعلة (Flare Gas Recovery Units - FGRU)

بدلاً من حرق الغازات المنبعثة أثناء العمليات شبه الروتينية أو التنفيسات الصغيرة، تقوم وحدات استعادة غاز الشعلة بجمع هذه الغازات. يتم ضغطها، معالجتها، وإعادتها إلى المصنع كغاز وقود أو كمادة خام. هذا الابتكار له فوائد هائلة:

اقتصادية: يحول ما كان يعتبر نفايات إلى منتج ذي قيمة.
بيئية: يقلل بشكل كبير من الانبعاثات الناتجة عن الحرق الروتيني.
تشغيلية: يقلل من التآكل الحراري على فوهة الشعلة، مما يطيل عمرها.

في هذا النظام، تعمل الشعلة فقط كجهاز أمان احتياطي للحالات الطارئة الكبرى التي تتجاوز سعة وحدة الاستعادة.

2. أنظمة المراقبة والتحكم الذكية (Smart Monitoring and Control)

يتم دمج الذكاء الاصطناعي والتحليلات المتقدمة لمراقبة أداء الشعلة بشكل استباقي. يمكن للأنظمة التنبؤية تحليل بيانات التشغيل لتوقع المشاكل قبل حدوثها، مثل احتمالية تكوين الدخان، وتحسين استخدام البخار أو الهواء تلقائيًا لتحقيق أقصى كفاءة وتقليل التكاليف.

3. تصميمات فوهات متقدمة (Advanced Tip Designs)

يعمل المصنعون باستمرار على تطوير فوهات جديدة تحقق أهدافًا متعددة: كفاءة احتراق أعلى، انبعاثات NOx أقل، نطاق تشغيلي أوسع، ومقاومة أفضل للرياح. تستخدم تقنيات مثل محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) لتحسين تصميمات الفوهات قبل تصنيعها.

الخاتمة

منظومة المشاعل هي أكثر بكثير من مجرد شعلة في السماء. إنها مثال رائع على التوازن الهندسي بين أهداف قد تبدو متناقضة: التخلص من كميات هائلة من الطاقة بأمان، وحماية البيئة من خلال الاحتراق النظيف، وضمان الموثوقية المطلقة في أحلك الظروف التشغيلية. من كيمياء الاحتراق الدقيقة إلى التحليل الهيكلي الشاهق، ومن ديناميكا الموائع المعقدة إلى أنظمة التحكم الذكية، تمثل منظومة المشاعل تتويجًا لعقود من الخبرة الهندسية والالتزام بالسلامة.

في عالم يسعى باستمرار لتقليل بصمته البيئية، قد يبدو وجود الشعلة متناقضًا. ولكن الحقيقة هي أنها تظل جزءًا لا غنى عنه من شبكة الأمان التي تسمح للصناعات الحيوية بالعمل. ومع استمرار الابتكارات مثل استعادة غاز الشعلة والتحكم الذكي، يتطور دورها من مجرد جهاز أمان سلبي إلى جزء أكثر تكاملاً وذكاءً في المصنع الحديث، مما يضمن أن اللهب الذي نراه لا يمثل خطرًا، بل يمثل حارسًا يقظًا يحمي منشآتنا ومجتمعاتنا.

المصادر

API Standard 521, "Pressure-relieving and Depressuring Systems". American Petroleum Institute.
API Standard 537, "Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service". American Petroleum Institute.
GPSA Engineering Data Book, Section 5, "Relief Systems". Gas Processors Suppliers Association.
"Guidelines for Pressure Relief and Effluent Handling Systems", Center for Chemical Process Safety (CCPS), AIChE.
"Process Safety in Upstream Oil and Gas" by Sumant Kumar.

أقسام الوصول السريع (مربع البحث)

منظومة المشاعل في محطات النفط | Flare System