بهینه‌سازی مصرف انرژی واحد جداسازی هوا

استراتژی‌های پیشرفته کنترل برای دستگاه‌های جداسازی هوا

تطابق پویا با بار با استفاده از سیستم‌های کنترل تطبیقی

دستگاه‌های جداسازی هوا سیستم‌های تأمین هوا (ASUs) تمایل دارند که در حالت کارکرد با تنظیمات ثابت، مقدار قابل توجهی انرژی را هدر دهند، در حالی که تقاضای گاز به‌طور پیوسته نوسان می‌کند. راه‌حل چیست؟ سیستم‌های کنترل تطبیقی وارد عمل می‌شوند تا این مشکل را برطرف کنند؛ این سیستم‌ها با استفاده از اطلاعات زنده حسگرها، تنظیمات پیوسته‌ای در مواردی مانند سرعت کمپرسورها، موقعیت شیرها و عوامل مختلف تقطیر انجام می‌دهند. این امر شامل پایش نیازهای اکسیژن و نیتروژن، دمای محیط و حتی کیفیت هوای ورودی می‌شود. هنگامی که تقاضا کاهش می‌یابد، این سیستم‌های هوشمند جریان هوای ورودی به ستون‌های تقطیر را کاهش می‌دهند، اما همچنان خلوص محصول را در سطح قابل قبولی حفظ می‌کنند. طبق تحقیقات اخیر انجام‌شده در سال ۲۰۲۳ در زمینه فرآیندهای کریوژنیک، این رویکرد می‌تواند بار کاری کمپرسورها را بین ۱۲٪ تا ۱۸٪ کاهش دهد. این نتیجه از روش استاندارد صنعتی که اغلب منجر به هدررفت هزینه‌های انرژی بین ۲۰٪ تا ۳۰٪ می‌شود — ناشی از تولید بیش از حد — بهتر است. علاوه بر این، الگوریتم‌های خودتنظیمی درونی وجود دارند که سایش و فرسودگی تجهیزات و تغییرات فصلی را مدیریت می‌کنند، به‌گونه‌ای که اپراتورها نیازی به تنظیم دستی مداوم پارامترها برای حفظ عملکرد مناسب ندارند.

کنترل پیش‌بینی‌کننده مدل برای عملیات واقع‌زمانی واحد تولید اکسیژن هوایی با آگاهی از انرژی

کنترل پیش‌بینی‌کننده مدل (MPC) فراتر از تنظیم واکنشی عمل می‌کند و از دوقلوهای دیجیتال مبتنی بر فیزیک برای شبیه‌سازی رفتار واحد تولید اکسیژن هوایی (ASU) در بازه زمانی ۱۵ تا ۳۰ دقیقه آینده استفاده می‌کند. این سیستم ورودی‌های متغیر—مانند رطوبت هواي ورودي، دماي خروجي توربين و تعرفه‌های برق مبتنی بر زمان مصرف—را پردازش کرده و مقادیر بهینه تنظیم‌شده را برای موارد زیر محاسبه می‌کند:

• فشار تخلیه کمپرسور کریوژنیک
• موقعیت‌های شیر بای‌پس اکسپاندر
• نسبت‌های تولید مایع

بررسی ۳۷ واحد صنعتی جداسازی هوا در سال ۲۰۲۲ نشان داد که کنترل پیش‌بین‌کننده مدل‌محور (MPC) مصرف انرژی را به‌طور حدودی ۰٫۱۲ تا ۰٫۲۵ کیلووات‌ساعت در هر مترمکعب نرمال اکسیژن تولیدشده کاهش داد. همچنین همان مطالعه گزارش داد که تغییرات تولید با استفاده از این روش تقریباً ۴۰ درصد سریع‌تر رخ می‌دهند. آنچه MPC را متمایز می‌کند، توانایی آن در پیش‌بینی مشکلات پیش از وقوع آنهاست. برای مثال، در شرایط افزایش ناگهانی تقاضا برای اکسیژن توسط کوره‌های بلند، سیستم‌های سنتی اغلب در حفظ ثبات خلوص محصول با مشکل مواجه می‌شوند؛ اما MPC این شرایط را به‌صورت نرم و بدون نیاز به فرآیندهای بازیابی پرهزینه و مصرف‌کننده انرژی مدیریت می‌کند. این نوع تفکر پیش‌رو، امکانی را در اختیار اپراتورها قرار می‌دهد که کنترل‌کننده‌های PID معمولی قادر به ارائه آن در زمینه بهینه‌سازی کارایی کلی سیستم نیستند.

بهبود کارایی کمپرسور هوای واحد‌های جداسازی هوا

سیستم‌های هواي فشرده مسئول تا ۷۰ درصد از کل هزینه‌های انرژی واحدهای تولید اکسیژن (ASU) هستند—بنابراین بهینه‌سازی کمپرسورها پایه‌ای برای بهبود بازدهی محسوب می‌شود. سه استراتژی اثبات‌شده، تأثیر قابل‌اندازه‌گیری‌ای دارند:

درایوهای متغیرسرعت و کاهش افت فشار در سطح کل سیستم

تغییر از کمپرسورهای با سرعت ثابت به درایوهای با سرعت متغیر، امکان تنظیم خروجی موتورها را بر اساس نیاز واقعی در هر لحظه‌ای فراهم می‌کند. وقتی این رویکرد با تلاش‌هایی برای کاهش افت فشار در سراسر سیستم ترکیب شود، تأثیر قابل توجهی دارد. به عنوان مثال، نصب لوله‌های آلومینیومی با بازده بالا به حفظ سرعت جریان هوا در زیر ۶ متر بر ثانیه کمک می‌کند. همچنین برنامه‌های تشخیص نشتی با استفاده از اولتراسونیک نیز قابل توجه هستند؛ زیرا این برنامه‌ها از آن اتلاف‌های پنهانی که عامل حدود ۲۵٪ از انرژی هدررفته در سیستم‌هایی هستند که به‌درستی بهینه‌سازی نشده‌اند، می‌کاهند. انجام تنظیمات فشاری کوچک اما هوشمندانه، بر اساس نیاز واقعی هر کاربرد، تصویر کامل را تکمیل می‌کند. بر اساس مطالعات اخیر انجام‌شده در سال ۲۰۲۳ درباره بازدهی کمپرسورها، این استراتژی‌های ترکیبی می‌توانند مصرف انرژی الکتریکی را بین ۱۲٪ تا ۱۸٪ کاهش دهند.

مطالعه موردی: بازسازی کمپرسور دوپیچه و دستیابی به صرفه‌جویی ۲۲٪ در انرژی

یک تولیدکننده صنعتی پیشرو، واحدهای قدیمی را با کمپرسورهای دوپیچه مجهز به درایوهای سرعت متغیر (VSD) جایگزین کرد که با کنترلرهای مرکزی قابل اتصال به اینترنت اشیا (IoT) ادغام شده‌اند. این ارتقا به دستآوردهای زیر منجر شد:

این پروژه تأیید می‌کند که ارتقاهای استراتژیک می‌توانند شدت انرژی ذاتی واحدهای جداسازی هوا (ASU) را بدون ایجاد هرگونه تأثیر منفی بر خلوص یا قابلیت اطمینان محصول، برطرف نمایند.

بهینه‌سازی جعبه سرد و سیستم‌های تبرید برای واحدهای جداسازی هوا

افزایش اثر ژول-تامسون از طریق تنظیم دقیق نمودار دمایی

کارایی سیستم‌های تبرید واقعاً به مدیریت پدیده‌ای به نام اثر ژول-تامسون بستگی دارد که اساساً توصیف‌کننده‌ی خنک‌شدن گازها هنگام انبساط بدون تغییر محتوای کلی گرمایی آن‌هاست. زمانی که تفاوت‌های دمایی نامتعادلی بین بخش‌های مختلف جعبه‌ی سرد وجود داشته باشد، فشرده‌کننده‌ها باید بیش از حد لازم کار کنند که منجر به افزایش مصرف انرژی در حدود ۱۵ تا حتی ۳۰ درصد می‌شود. سیستم‌های تبرید جدیدتر این مشکلات را از طریق بررسی‌های مداوم دما و شیرهای هوشمندی که خود را بر اساس شرایط داخلی تنظیم می‌کنند، برطرف می‌کنند. این سیستم‌ها به‌طور مداوم رابطه‌ی فشار و دما را در بخش‌های مختلفی مانند مبادله‌گرهای حرارتی و برج‌های تقطیر با یکدیگر هماهنگ می‌کنند. نتیجه‌چه؟ خنک‌سازی کمتر از حد لازم در مناطق غنی از نیتروژن، در حالی که دمای مناسب در مسیرهای اکسیژن حفظ می‌شود؛ این امر باعث می‌شود کل سیستم به‌صورت هموار و بدون نیاز به تنظیمات مداوم برای حفظ خلوص محصول کار کند.

نتایج شامل کاهش بار کمپرسور، افزایش عمر تجهیزات از طریق کاهش چرخه‌های حرارتی و حفظ ثبات کیفیت محصول می‌شود. تنظیم دقیق، نیاز انرژی سرمایشی را ۱۸ تا ۲۲ درصد کاهش می‌دهد و کالیبراسیون مستمر، عملکرد اوج را در شرایط بار متغیر حفظ می‌کند—که به‌طور مستقیم هزینه‌های برق و انتشارات کربن را کاهش می‌دهد.

پایش جامع انرژی و مقایسه عملکردی برای واحدهای جداسازی هوا

پایش انرژی در واحدهای جداسازی هوای هوشمند (ASU) عملیات را از صرفاً رفع مشکلات پس از رخ‌داد آن‌ها به سمت پیشگیری از آن‌ها از طریق برنامه‌ریزی بهتر سوق می‌دهد. هنگامی که شرکت‌ها زیرشمارنده‌ها را روی تجهیزات مهمی مانند کمپرسورها، اکسپاندرها و ستون‌های بزرگ تقطیر نصب می‌کنند، سوابق دقیق عملکردی ایجاد می‌شود که نشان می‌دهد انرژی در کجا بدون توجه کسی هدر می‌رود. به مواردی مانند روشن و خاموش شدن بیش از حد ماشین‌ها یا آلوده شدن تدریجی مبادله‌کننده‌های حرارتی فکر کنید. داشبوردهای بلادرنگ به اپراتورها امکان می‌دهند دقیقاً ببینند که مصرف توان الکتریکی فرآیندهای مختلف در مقایسه با محصولات تولیدشده در آن‌ها چقدر است، تا در زمان‌هایی که هزینه‌های برق افزایش می‌یابد، تنظیمات لازم انجام شود. بررسی داده‌های گذشته به شناسایی تغییرات منظم در طول فصل‌ها کمک می‌کند و نرم‌افزارهای هوشمند مدت‌ها پیش از اینکه این مشکلات به طور ناگهانی منجر به افزایش چشمگیر مصرف انرژی شوند، هشدارهایی دربارهٔ احتمال وقوع خرابی‌ها صادر می‌کنند.

بررسی عملکرد تأسیسات در مقایسه با استانداردهای ISO 50001 یا سوابق گذشتهٔ خود، به ارزیابی بهبودهای واقعی کمک می‌کند. اکثر کارخانه‌ها با اجرای این تغییرات، کاهشی حدود ۱۵ تا حداکثر ۲۰ درصدی در مصرف انرژی مشاهده می‌کنند و معمولاً سرمایه‌گذاری خود را ظرف حدود ۱۸ ماه بازپس می‌گیرند. مطالعات مؤسسه پونئوم نشان می‌دهد که پیروی از این نوع پروتکل‌ها می‌تواند خرابی‌های غیرمنتظره تجهیزات را حدود ۳۰ درصد کاهش دهد و صرفه‌جویی سالانه‌ای معادل تقریباً ۷۴۰۰۰۰ دلار آمریکا تنها در قبض‌های برق شرکت‌ها ایجاد کند. اگر شرکت‌ها بخواهند این بهبودها پایدار بمانند، باید در جلسات آموزشی به اپراتورها آموزش دهند که کدام روش‌ها مؤثرتر هستند. تعیین اهداف مشخصی مانند پایش کیلووات‌ساعت مورد نیاز برای تولید هر تن اکسیژن مایع، به همه افراد هدفی ملموس برای تلاش داده و تشخیص نقاطی که امکان بهبود عملکرد در طول زمان وجود دارد را تسهیل می‌کند.

سوالات متداول

چرا بهره‌وری انرژی در واحد‌های تولید اکسیژن هوایی (ASU) حیاتی است؟

کارایی انرژی از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا هزینه‌های بهره‌برداری را کاهش می‌دهد، تأثیرات زیست‌محیطی را به حداقل می‌رساند و پایداری فرآیندهای جداسازی هوا را افزایش می‌دهد.

سیستم‌های کنترل تطبیقی چگونه عملیات واحدهای جداسازی هوا (ASU) را بهینه‌سازی می‌کنند؟

سیستم‌های کنترل تطبیقی با استفاده از داده‌های بلادرنگ حسگرها، تنظیمات عملیاتی مانند سرعت کمپرسورها و سایر پارامترها را به‌صورت بلادرنگ اصلاح می‌کنند تا خلوص محصول حفظ شده و هدررفت انرژی کاهش یابد.

کنترل پیش‌بین‌کننده مدل‌محور (MPC) چه سودی برای واحدهای جداسازی هوا (ASU) دارد؟

MPC با شبیه‌سازی رفتار سیستم، مشکلات عملیاتی را پیش‌بینی کرده و نقطه‌های تنظیم عملیاتی را بهینه‌سازی می‌کند تا مصرف انرژی کاهش یافته و پاسخ‌دهی فرآیند ارتقا یابد.

درایوهای متغیرسرعت در کارایی کمپرسورها چه نقشی ایفا می‌کنند؟

درایوهای متغیرسرعت امکان تنظیم خروجی موتور کمپرسورها را متناسب با تقاضا فراهم می‌کنند و در نتیجه هدررفت انرژی را کاهش داده و کارایی کمپرسورها را بهینه می‌سازند.

چه چیزی هست؟ دستگاه‌های جداسازی هوا (ASU) چیستند؟

واحدهای جداسازی هوا (ASU) تأسیسات صنعتی هستند که هوای جو را از طریق فرآیندهای تقطیر کریوژنیک به اجزای اصلی آن — عمدتاً اکسیژن و نیتروژن — تجزیه می‌کنند.