تحسين استهلاك الطاقة في وحدة فصل الهواء

استراتيجيات التحكم المتقدمة لـ وحدات فصل الهواء

مطابقة الأحمال الديناميكية باستخدام أنظمة التحكم التكيفي

وحدات فصل الهواء تُهدر وحدات التكييف (ASUs) عادةً كمية كبيرة من الطاقة عند التشغيل بإعدادات ثابتة، في حين تتغير متطلبات الغاز باستمرار حولها. والحل؟ تدخل أنظمة التحكم التكيفية لمعالجة هذه المشكلة عبر إجراء تعديلات مستمرة على عوامل مثل سرعات الضواغط ومواقع الصمامات والعوامل المختلفة المتعلقة بالتقطير، استنادًا إلى المعلومات الحية القادمة من أجهزة الاستشعار. ويشمل ذلك مراقبة متطلبات الأكسجين والنيتروجين، ودرجات حرارة الهواء الخارجي، بل وحتى جودة الهواء الداخل. وعند انخفاض الطلب، تقوم هذه الأنظمة الذكية بتخفيض تدفق الهواء المُرسل إلى أعمدة التقطير مع الحفاظ في الوقت نفسه على نقاء المنتج عند المستويات المقبولة. ووفقًا لأحدث الأبحاث المنشورة عام 2023 حول العمليات التبريدية (الكريوجينية)، يمكن لهذا النهج خفض عبء العمل الواقع على الضواغط بنسبة تتراوح بين ١٢٪ و١٨٪. وهذا يتفوق على الممارسة الصناعية القياسية التي تؤدي غالبًا إلى هدر في تكاليف الطاقة بنسبة تتراوح بين ٢٠٪ و٣٠٪ بسبب الإنتاج الزائد عن الحاجة. علاوةً على ذلك، تتضمَّن هذه الأنظمة خوارزميات ذاتية التعديل مدمجة داخلها للتعامل مع التآكل الطبيعي للمعدات والتغيرات الموسمية، مما يلغي الحاجة إلى ضبط الإعدادات يدويًّا باستمرار من قِبل المشغلين للحفاظ على أداء جيد.

التحكم التنبؤي بالنموذج لتشغيل وحدة تجزئة الهواء في الوقت الفعلي مع مراعاة استهلاك الطاقة

يتجاوز التحكم التنبؤي بالنموذج (MPC) التعديل الاستباقي من خلال الاستفادة من النماذج الرقمية القائمة على المبادئ الفيزيائية لمحاكاة سلوك وحدة تجزئة الهواء (ASU) قبل ١٥–٣٠ دقيقة. ويُعالِج هذا النظام مدخلات ديناميكية — مثل رطوبة الهواء المُغذّي، ودرجات حرارة غاز العادم من التوربينات، وتعريفات أسعار الكهرباء حسب أوقات الاستخدام — لحساب القيم المثلى للمعايير التالية:

• ضغط الغاز عند مخرج ضاغط التبريد العميق
• مواضع صمامات التفافية الموسعات
• نسبة إنتاج السوائل

أظهر تحليل 37 وحدة صناعية لفصل الهواء في عام 2022 أن التحكم التنبؤي النموذجي قلَّل استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين ٠٫١٢ و٠٫٢٥ كيلوواط ساعة لكل متر مكعب طبيعي من الأكسجين المنتج. كما لاحظت الدراسة نفسها أن التغيرات في الإنتاج تمت بسرعة أكبر بنسبة تقارب ٤٠٪ عند استخدام هذه المنهجية. وما يميِّز التحكم التنبؤي النموذجي (MPC) هو قدرته على التنبؤ بالمشاكل قبل حدوثها. فعلى سبيل المثال، أثناء الزيادات المفاجئة في طلب الأكسجين من أفران الانفجار، غالبًا ما تواجه الأنظمة التقليدية صعوبة في الحفاظ على ثبات نقاء المنتج. أما التحكم التنبؤي النموذجي فيتعامل مع هذه الحالات بسلاسة، مما يجنّب الحاجة إلى عمليات استرجاع مُستهلكة للطاقة. وهذه الرؤية الاستباقية تمنح المشغلين ما لا يمكن لمتحكمات PID العادية تحقيقه في إدارة الكفاءة الشاملة للنظام.

تحسين كفاءة ضاغط الهواء في وحدات فصل الهواء

تشكل أنظمة الهواء المضغوط ما يصل إلى ٧٠٪ من إجمالي تكاليف الطاقة لمصانع الهواء المنفصل (ASU)، مما يجعل تحسين أداء الضواغط أساسياً لتحقيق مكاسب في الكفاءة. وهناك ثلاث استراتيجيات مُثبتة تُحقِّق تأثيراً قابلاً للقياس:

المحركات ذات السرعة المتغيرة وتخفيض الخسائر في الضغط على مستوى النظام بأكمله

إن التحول من الضواغط ذات السرعة الثابتة إلى محركات ذات سرعة متغيرة يسمح للمحركات بتعديل إنتاجها وفقًا لما هو مطلوب فعليًّا في أي لحظة معينة. وعند دمج هذه الطريقة مع الجهود المبذولة للحد من خسائر الضغط في جميع أنحاء النظام، فإن هذا النهج يُحدث فرقًا كبيرًا. فعلى سبيل المثال، يؤدي تركيب أنابيب الألومنيوم عالية الكفاءة إلى الحفاظ على سرعة الهواء عند أقل من ٦ أمتار في الثانية. ومن الجدير بالذكر أيضًا برامج كشف التسريبات بالموجات فوق الصوتية التي تعالج تلك الخسائر الخفية المسؤولة عن نحو ٢٥٪ من الطاقة المهدرة في الأنظمة غير المُحسَّنة بشكلٍ كافٍ. أما إجراء تعديلات صغيرة لكنها ذكية على الضغط استنادًا إلى المتطلبات الفعلية لكل تطبيقٍ، فيُكمِل هذه الصورة. ووفقًا لأحدث الدراسات الصادرة عام ٢٠٢٣ حول كفاءة الضواغط، يمكن لهذه الاستراتيجيات المتكاملة أن تقلل استهلاك الطاقة الكهربائية بنسبة تتراوح بين ١٢٪ و١٨٪.

دراسة حالة: إعادة تجهيز ضاغط حلزوني مزدوج حقق وفورات في استهلاك الطاقة بلغت ٢٢٪

استبدلت شركة رائدة في التصنيع الصناعي وحدات قديمة بوحدات ضغط لولبية مزدوجة مزودة بمحركات ذات سرعة متغيرة (VSD)، ومُدمجة مع وحدات تحكم مركزية ممكنة عبر إنترنت الأشياء (IoT). وأسفر هذا التحديث عن النتائج التالية:

ويؤكد هذا المشروع أن التحديثات الاستراتيجية قادرة على التغلب على الشدة الطاقية المتأصلة في وحدات فصل الهواء (ASUs)، دون المساس بنقاء المنتج أو موثوقيته.

تحسين صندوق التبريد والتبريد لوحدات فصل الهواء

تعزيز تأثير جول-طومسون عبر ضبط دقيق لملف درجة الحرارة

تعتمد كفاءة التبريد فعليًّا على إدارة ظاهرة تُعرف بـ«أثر جول-تومسون»، والتي تصف أساسًا كيفية انخفاض درجة حرارة الغازات عند تمدُّدها دون تغيُّر محتواها الحراري الكلي. وعند وجود فروق غير متجانسة في درجات الحرارة بين أجزاء مختلفة من صندوق التبريد، يضطر الضواغط إلى العمل بجهدٍ أكبر مما هو ضروري، ما يؤدي إلى ارتفاع استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين ١٥٪ وربما تصل إلى ٣٠٪ إضافيًّا. وتتعامل أنظمة التبريد الأحدث مع هذه المشكلات من خلال إجراء عمليات فحص مستمرة لدرجات الحرارة وصمامات ذكية تضبط نفسها تلقائيًّا وفقًا لما يحدث داخل النظام. وتقوم هذه الأنظمة باستمرارٍ بمواءمة العلاقات بين الضغط ودرجة الحرارة عبر مختلف الأقسام مثل مبادلات الحرارة وأبراج التقطير. والنتيجة؟ تبريد أقل مما هو مطلوب في المناطق الغنية بالنيتروجين، مع الحفاظ على درجات الحرارة المناسبة في مسارات الأكسجين، مما يضمن تشغيل النظام بأكمله بسلاسة دون الحاجة إلى تعديلات مستمرة للحفاظ على نقاء المنتج.

تشمل النتائج تقليل حِمل الضاغط، وتمديد عمر المعدات من خلال الحد من التغيرات الحرارية المتكررة، وضمان ثبات جودة المنتج. وتؤدي عملية ضبط الدقة إلى خفض الطلب على طاقة التبريد بنسبة ١٨–٢٢٪، بينما تضمن المعايرة المستمرة الأداء الأمثل في ظل التغيرات المستمرة في الأحمال— مما يقلل مباشرةً من تكاليف الطاقة والانبعاثات الكربونية.

المراقبة والقياس الشاملان للطاقة لوحدات فصل الهواء

يُحوِّل رصد الطاقة في وحدات التقطير الهوائي (ASUs) عمليات التشغيل من مجرد إصلاح المشكلات عند حدوثها إلى منعها فعليًّا من خلال تخطيطٍ أفضل. وعندما تقوم الشركات بتثبيت عدادات فرعية على المعدات المهمة مثل الضواغط والمُوسِّعين وأعمدة التقطير الكبيرة، فإن ذلك يُنشئ سجلاً تفصيليًّا للأداء يُظهر أماكن هدر الطاقة دون أن ينتبه أحدٌ إليها. فكِّر مثلاً في أمور مثل تشغيل الآلات وإيقافها بشكل متكرر جدًّا، أو اتساخ مبادلات الحرارة تدريجيًّا مع مرور الوقت. وتتيح لوحات التحكم الفورية للمُشغِّلين رؤية دقيقة لكمية الطاقة التي تستهلكها العمليات المختلفة مقارنةً بالمنتجات الناتجة عنها، مما يسمح بإجراء التعديلات في الأوقات التي ترتفع فيها تكاليف الكهرباء فجأةً. كما أن استعراض البيانات السابقة يساعد في اكتشاف التغيرات الدورية عبر الفصول، ويبدأ البرنامج الذكي في إصدار تنبيهات مبكرة عن الأعطال المحتملة قبل وقتٍ طويل من أن تؤدي هذه المشكلات فجأةً إلى زيادات هائلة في استهلاك الطاقة.

إن النظر في أداء المرافق مقارنةً بمعايير ISO 50001 أو سجلاتها السابقة يساعد في قياس التحسينات الفعلية. وتشهد معظم المصانع انخفاضًا يتراوح بين ١٥٪ وربما ٢٠٪ في استهلاك الطاقة عند تطبيق هذه التغييرات، وعادةً ما تسترد الشركات استثماراتها خلال نحو ١٨ شهرًا. وتُظهر دراسات معهد بونيمون أن الالتزام بهذا النوع من البروتوكولات يمكن أن يقلل من حالات فشل المعدات غير المتوقعة بنسبة تصل إلى ٣٠٪ تقريبًا، مما يوفّر للشركات ما يقارب ٧٤٠٠٠٠ دولار أمريكي سنويًّا فقط في فواتير الكهرباء. ولضمان استمرار هذه التحسينات على المدى الطويل، يجب على الشركات تدريب المشغلين على أفضل الممارسات أثناء جلسات التدريب. كما أن تحديد أهداف واضحة — مثل تتبع الكيلوواط ساعة اللازمة لإنتاج كل طن من الأكسجين السائل — يمنح الجميع هدفًا ملموسًا يمكن السعي إليه، ويجعل من الأسهل رؤية المجالات التي لا تزال بحاجة إلى تحسين الأداء تدريجيًّا.

الأسئلة الشائعة

لماذا تُعتبر كفاءة استهلاك الطاقة أمرًا بالغ الأهمية في وحدات تجزئة الهواء؟

تُعَدُّ كفاءة الطاقة أمراً حاسماً، لأنها تقلل من تكاليف التشغيل، وتقلل إلى أدنى حدٍ التأثير البيئي، وتعزِّز الاستدامة في عمليات فصل الهواء.

كيف تُحسِّن أنظمة التحكم التكيفية تشغيل وحدات فصل الهواء؟

تقوم أنظمة التحكم التكيفية بإجراء تعديلات فورية على سرعات الضواغط والإعدادات التشغيلية الأخرى استناداً إلى بيانات المستشعرات الحية، للحفاظ على نقاء المنتج وتقليل الهدر في الطاقة.

ما الفوائد التي تحققها وحدات فصل الهواء من استخدام التحكم التنبؤي النموذجي (MPC)؟

يتنبَّه التحكم التنبؤي النموذجي (MPC) بالمشكلات التشغيلية مسبقاً من خلال محاكاة سلوك النظام وتحسين الإعدادات التشغيلية بهدف خفض استهلاك الطاقة وتعزيز استجابة العملية.

ما الدور الذي تؤديه محركات التحكم المتغير في السرعة في كفاءة الضواغط؟

تسمح محركات التحكم المتغير في السرعة للضواغط بتعديل إخراج المحرك وفقاً للطلب، مما يقلل من هدر الطاقة ويحسِّن كفاءة الضواغط.

ما هي وحدات فصل الهواء (وحدات توليد الغاز الجوي ASUs)؟

وحدات فصل الهواء هي منشآت صناعية تقوم بفصل الهواء الجوي إلى مكوناته الأساسية الرئيسية، وبشكل رئيسي الأكسجين والنيتروجين، عبر عمليات التقطير التبريدية.