ملخص توفير الطاقة وتعديل نظام الهواء المضغوط

يُعدّ الهواء المضغوط مصدرًا واسع الانتشار للطاقة في المجال الصناعي، حيث يستهلك ما بين 10% و35% من إجمالي الطاقة في الإنتاج الصناعي. ويُمثّل استهلاك الطاقة لضاغط الهواء الصناعي 96% من إجمالي استهلاك الطاقة في نظام الهواء المضغوط، بينما يتجاوز استهلاكه السنوي في الصين 6% من إجمالي استهلاك الطاقة الوطني. وبحسب نظرية تقييم دورة الحياة الكاملة، فإن تكاليف تشغيل ضاغط الهواء، بما في ذلك تكاليف الشراء والصيانة والطاقة، لا تتجاوز 10%، في حين تصل تكلفة الطاقة إلى 77%. ويُشير هذا إلى ضرورة قيام الصين بتحسين كفاءة استخدام الطاقة في نظام الهواء المضغوط بشكل فعّال، بالتزامن مع إعادة الهيكلة الصناعية والاقتصادية.

مع تعمّق فهم احتياجات الشركات فيما يتعلق بالهواء المضغوط وتوفير الطاقة وخفض الانبعاثات، بات من الضروري اختيار التقنية المناسبة للأنظمة القائمة لتحقيق أفضل النتائج في توفير الطاقة. وقد أظهرت الأبحاث التي أُجريت خلال العامين الماضيين على الشركات الصناعية الصينية أن الطلب على تحديث أنظمة توفير الطاقة ينبع بشكل رئيسي من ثلاثة جوانب:

يمثل استهلاك الطاقة في ضواغط الهواء نسبةً مرتفعةً من إجمالي استهلاك الطاقة في المؤسسات؛ إذ يؤثر عدم استقرار إمداد نظام الهواء المضغوط، وتقلبات الضغط، وغيرها من العوامل، على التشغيل الطبيعي للمعدات. ومع توسع نطاق الإنتاج، تسعى المؤسسات إلى تحسين أنظمة الهواء المضغوط الحالية لديها لمواكبة نمو الطلب. ونظرًا لاختلاف خصائص أنظمة الهواء المضغوط في المؤسسات وتقنيات توفير الطاقة المناسبة، فإنه لتحسين معدل نجاح عملية التحول، لا يمكن تطبيقها بشكل عشوائي. ومن الأهمية بمكان اختيار تدابير توفير الطاقة المناسبة بناءً على تحليل شامل واختبار وتقييم للنظام بأكمله. وقد قام الباحثون بتحليل واستكشاف خصائص ونطاق تطبيق بعض تقنيات توفير الطاقة الحالية والناشئة من خلال دراسة استخدام الهواء المضغوط في عدد كبير من المؤسسات الصناعية.

استراتيجية توفير الطاقة للنظام

استنادًا إلى نظرية تقييم استهلاك الطاقة في النظام الهوائي وتحليل فقد الطاقة، وانطلاقًا من مختلف جوانب تكوين النظام، يتم اتخاذ تدابير توفير الطاقة الشاملة على النحو التالي:

توليد الهواء المضغوط. التكوين الأمثل وصيانة أنواع مختلفة من الضواغط، وتحسين نمط التشغيل، والإدارة اليومية لمعدات تنقية الهواء. نقل الهواء المضغوط. تحسين تكوين شبكة الأنابيب، وفصل خطوط إمداد الضغط العالي والمنخفض؛ والإشراف الفوري على توزيع استهلاك الهواء، والفحص اليومي وتقليل التسرب، وتحسين فقدان الضغط عند الوصلات. استخدام الهواء المضغوط. تحسين دائرة تشغيل الأسطوانات، واستخدام منتجات موفرة للطاقة مصممة خصيصًا لهذه الصناعة، مثل صمامات خاصة موفرة للهواء لأسطوانات التغليف في صناعة الألومنيوم الإلكتروليتي، بالإضافة إلى مسدسات وفوهات هواء موفرة للطاقة. استعادة الحرارة المهدرة من الضاغط. تُستعاد الحرارة المتولدة أثناء ضغط الهواء عن طريق التبادل الحراري، وما إلى ذلك، وتُستخدم للتدفئة المساعدة وتدفئة العمليات، وما إلى ذلك.

توليد الهواء المضغوط

توفير الطاقة باستخدام ضاغط هواء واحد

تُصنّف ضواغط الهواء الأكثر استخدامًا في الصناعة حاليًا إلى ثلاثة أنواع رئيسية: الترددية، والطاردة المركزية، واللولبية. لا تزال الضواغط الترددية تُستخدم على نطاق واسع في بعض المصانع القديمة، بينما تُستخدم الضواغط الطاردة المركزية بكثرة في مصانع النسيج نظرًا لاستقرار تشغيلها وكفاءتها العالية، إلا أنها عُرضة للارتفاع المفاجئ في الضغط عند حدوث تغيرات مفاجئة في ضغط النظام. وتتمثل أهم تدابير توفير الطاقة في: ضمان نقاء الهواء المُدخل، وخاصة في مصانع النسيج، وذلك من خلال الترشيح الخشن الفعال لإزالة الألياف القصيرة العالقة في الهواء. كما يُنصح بخفض درجة حرارة مدخل ضاغط الهواء لتحسين كفاءته. ويؤثر ضغط زيت التشحيم بشكل كبير على اهتزاز دوار الطارد المركزي، لذا يُفضل اختيار زيت تشحيم يحتوي على مواد مضادة للرغوة ومثبتات للأكسدة. ويجب الاهتمام بجودة مياه التبريد، وتصريفها بشكل مناسب، وتزويدها بالمياه بشكل مُخطط. كما يجب تصريف المكثفات من نقاط تصريف ضاغط الهواء، والمجفف، وخزان التخزين، وشبكة الأنابيب بانتظام. لتجنب حدوث أزيز ناتج عن التغيرات السريعة في الطلب على الهواء، يُرجى الانتباه إلى ضبط النطاق النسبي والوقت التكاملي المحددين من قِبل الوحدة، وتجنب الانخفاض المفاجئ في استهلاك الهواء. يُنصح باختيار أجهزة طرد مركزي ثلاثية المراحل ذات كفاءة عالية في توفير الطاقة، واستخدام محركات عالية الضغط لتقليل فقد الطاقة في الأنابيب والحفاظ على انخفاض درجة حرارة محطة ضغط الهواء.

يُستخدم ضاغط الهواء اللولبي على نطاق واسع، وفيما يلي ملخص مقارنة لأنماط التحكم فيه: بتحليل مشاكل تحميل/تفريغ ضاغط الهواء الحالي وتنظيم الضغط الثابت، يمكن استنتاج ما يلي: بالاعتماد على الوسائل الميكانيكية لتنظيم صمام المدخل، لا يمكن تعديل إمداد الهواء بسرعة وبشكل مستمر. وعندما تتغير كمية الغاز باستمرار، يتذبذب ضغط الإمداد بشكل كبير. يُستخدم التحكم بالتردد البحت لمطابقة تذبذب استهلاك الهواء في المصنع عن طريق إضافة محول تردد لضبط إنتاج الهواء من ضاغط الهواء. يكمن عيب هذا النظام في أنه مناسب للحالات التي يكون فيها تذبذب استهلاك الهواء في المصنع محدودًا (يتراوح التذبذب بين 40% و70% من حجم إنتاج الهواء للآلة الواحدة، ويكون تأثير توفير الطاقة فيه هو الأهم).

نظام تحكم خبير لمجموعة ضواغط الهواء 2

أصبح نظام التحكم الخبير في مجموعات ضواغط الهواء تقنية حديثة للتحكم في هذه المجموعات وتوفير الطاقة. يتحكم هذا النظام، وفقًا لتغيرات الطلب على الضغط، في تشغيل وإيقاف ضواغط الهواء المختلفة، وتحميلها وتفريغها، وغيرها، لضمان تشغيل العدد والسعة المناسبين من الضواغط في النظام باستمرار.

يستخدم نظام التحكم المنزلي محول التردد لتغيير سرعة ضاغط هواء واحد في نظام إمداد الغاز منخفض الضغط بالمصنع، وذلك للتحكم في إنتاج الغاز في وحدة الضاغط، بما يتناسب مع تقلبات كمية الغاز في نظام إمداد الغاز منخفض الضغط بالمصنع. يتطلب اختيار محول التردد المناسب لضاغط الهواء عادةً إجراء اختبارات وحسابات شاملة من قبل متخصصين. من خلال التحليل والمقارنة السابقين، يتضح أن كفاءة الطاقة في العديد من أنظمة الهواء المضغوط لدينا قابلة للتحسين بشكل كبير. لا يمكن تحقيق توفير الطاقة من خلال تحويل تردد الضاغط إلا بالتزامن مع تشغيل نظام الهواء المضغوط الخاص بالمؤسسة، وهو ما يستلزم اختباره وتقييمه بشكل كامل من قبل متخصصين قبل الاستخدام. يُعد نظام التحكم المتخصص في مجموعة ضواغط الهواء مناسبًا بشكل خاص لتشغيل عدة ضواغط هواء في الوقت نفسه، حيث يلبي تطبيق تكوين التجميع التدريجي احتياجات المؤسسات بشكل جيد.

3- تحسين عملية التجفيف بالهواء المضغوط

في الوقت الحاضر، فإن أكثر معدات تجفيف ومعالجة الهواء المضغوط استخدامًا للمؤسسات هي النوع المبرد، والنوع بدون تجديد حراري، والنوع المركب للتجديد الحراري الدقيق، وتظهر مقارنة الأداء الرئيسية في الجدول أدناه.

يُعتمد في تحويل خط الدفاع لتوفير الطاقة على المبادئ التالية: إذا كان نظام معالجة الهواء الحالي عالي النقاء، فيُستبدل بنظام معالجة أقل نقاءً. يُحسّن هذا من عملية التجفيف، ويُقلل من فقدان الضغط في مرحلة التجفيف (يصل فقدان الضغط في مجفف بعض الأنظمة إلى 0.05-0.1 ميجا باسكال)، مما يُقلل من استهلاك الطاقة.

نقل الهواء المضغوط

يجب ألا يتجاوز ضغط نظام الأنابيب في محطة ياجيانغ 1.5% من ضغط التشغيل. حاليًا، تفتقر العديد من محطات ضغط الهواء إلى خطوط أنابيب رئيسية وثانوية، وتعاني من كثرة الانحناءات والوصلات غير الضرورية، وتذبذبات الضغط المتكررة، وفقدان كبير للضغط. بعض خطوط الأنابيب الهوائية مدفونة في الخندق، مما يجعل من المستحيل مراقبة التسرب. ولضمان تلبية ضغط النظام المطلوب في جميع الأحوال، يقوم مسؤولو التشغيل بزيادة ضغط تشغيل النظام بالكامل بمقدار 0.1 إلى 0.2 ميجا باسكال، مما يُحدث فقدانًا اصطناعيًا للضغط. مع كل زيادة قدرها 0.1 ميجا باسكال في ضغط عادم ضاغط الهواء، يزداد استهلاك الطاقة للضاغط بنسبة 7% إلى 10%. في الوقت نفسه، تؤدي زيادة ضغط النظام إلى زيادة تسرب الهواء. تشمل تدابير التجديد الموفرة للطاقة: تحويل ترتيب الأنابيب المتفرعة إلى ترتيب حلقي، وفصل إمدادات الهواء ذات الضغط العالي عن تلك ذات الضغط المنخفض، وتركيب وحدة تدفق دقيق للضغط العالي والمنخفض. تغيير الأنابيب ذات المقاومة المحلية الكبيرة أثناء التجديد الموفر للطاقة، وتقليل مقاومة الأنابيب، وتنظيف الجدار الداخلي للأنبوب عن طريق الغسيل الحمضي وإزالة الصدأ وما إلى ذلك، وذلك لضمان أن يكون جدار الأنبوب أملسًا.

2- التسرب، والكشف عن التسرب، وسدّ الفجوات

معظم التسريبات في المصنع خطيرة، حيث تصل نسبتها إلى 20-35%، وتحدث بشكل رئيسي في الصمامات، والوصلات، والوصلات الثلاثية، والصمامات اللولبية، والوصلات الملولبة، والغطاء الأمامي لأسطوانة كل جهاز يستخدم الغاز. بعض هذه الأجهزة تعمل تحت ضغط زائد، فتُفرغ تلقائيًا، وتُفرغ الغازات بشكل متكرر. الأضرار الناجمة عن التسريبات تفوق التصور. على سبيل المثال، في محطة لحام موضعي للسيارات، يتسبب ثقب صغير قطره 1 مم في وجود خبث لحام في أنبوب الغاز، في خسارة سنوية للكهرباء تصل إلى 355 كيلوواط ساعة، أي ما يعادل تقريبًا استهلاك منزلين من ثلاثة أفراد. إجراءات ترشيد الطاقة: تركيب نظام إدارة قياس التدفق لخط إمداد الغاز في ورشة التوليد الرئيسية لتحديد حدود استخدام الغاز. ضبط استهلاك الغاز، وتقليل عدد الصمامات والوصلات، والحد من نقاط التسريب. تعزيز الإدارة واستخدام أدوات متخصصة لإجراء عمليات تفتيش دورية. باختصار، يمكن للمؤسسات استخدام بعض معدات الاختبار الاحترافية مثل كاشف تسرب الغاز الذكي ذو الوصول المتوازي، ومسدس مسح نقطة التسرب، وما إلى ذلك، لاتخاذ تدابير لمنع نظام الهواء المضغوط من التشغيل، والمخاطر، والتنقيط، والتسرب، وبناءً على ذلك تنفيذ أعمال الصيانة وأعمال استبدال المكونات.

استخدام الهواء المضغوط

تُستخدم مسدسات الهواء على نطاق واسع في عمليات التشطيب والتصنيع والتشغيل الآلي وغيرها من مواقع العمل، ويصل استهلاكها للهواء إلى 50% من إجمالي إمدادات الهواء في بعض المناطق الصناعية. وخلال عملية الاستخدام، تظهر ظواهر مثل طول أنابيب إمداد الهواء المفرط، وارتفاع ضغط الإمداد بشكل مفرط، واستخدام أنابيب نحاسية مستقيمة كفوهات، وزيادة ضغط التشغيل بشكل غير مصرح به من قبل العاملين في الخطوط الأمامية، مما يتسبب في هدر كميات كبيرة من الهواء.

تتزايد ظاهرة الاستخدام غير المنطقي للغاز في المعدات الهوائية، مثل صعوبة تحديد ما إذا كانت قطعة العمل عالقة في مكانها بسبب فحص ضغط الغاز الخلفي، أو انقطاع إمداد الغاز من مولد الفراغ، أو حتى انقطاع إمداد الغاز عند عدم التشغيل. وتبرز هذه المشاكل بشكل خاص في خزانات المواد الكيميائية وغيرها من الغازات المستخدمة في الخلط، وفي صناعة الإطارات، مثل مشكلة النفخ غير المنتظم. وتشمل تدابير إصلاح ترشيد الطاقة: استخدام أجهزة جديدة موفرة للطاقة في فوهات الرش الهوائية، ومسدسات الهواء النبضية. كما يُنصح باستخدام معدات هوائية متخصصة في صناعات محددة، مثل صناعة الألومنيوم، لتشجيع استخدام صمامات خاصة موفرة للهواء في أسطوانات الرش.

استعادة الحرارة المهدرة من ضاغط الهواء

وفقًا لتقييم دورة الحياة الكاملة، يتحول ما بين 80% و90% من الطاقة الكهربائية المستهلكة في ضواغط الهواء إلى حرارة ويتبدد. يوضح الشكل أدناه توزيع استهلاك الطاقة الكهربائية الحرارية لضاغط الهواء، وباستثناء الحرارة المشعة إلى البيئة والمخزنة في الهواء المضغوط نفسه، يمكن الاستفادة من النسبة المتبقية البالغة 94% من الطاقة في استعادة الحرارة المهدرة.

تُستعاد الحرارة المهدرة من خلال المبادلات الحرارية وغيرها من الوسائل المناسبة لاستعادة حرارة عملية ضغط الهواء، والتي تُستخدم لتسخين الهواء أو الماء. تشمل الاستخدامات الشائعة التسخين الإضافي، وتسخين العمليات، والتسخين المسبق لمياه التغذية للغلايات. مع التحسينات المناسبة، يمكن استعادة ما بين 50% إلى 90% من الطاقة الحرارية واستخدامها. يُمكّن تركيب أجهزة استعادة الحرارة من التحكم الفعال في درجة حرارة تشغيل ضاغط الهواء عند درجة الحرارة المثلى، مما يُحسّن أداء زيت التشحيم، ويزيد حجم عادم ضاغط الهواء بنسبة تتراوح بين 2% و6%. بالنسبة لضاغط الهواء المُبرّد بالهواء، يُمكن إيقاف مروحة التبريد الخاصة به واستخدام مضخة تدوير المياه لاستعادة الحرارة. أما ضاغط الهواء المُبرّد بالماء، فيُمكن استخدامه لتسخين المياه الباردة أو تدفئة المساحات، وتتراوح نسبة الاستعادة بين 50% و60%. تُعدّ استعادة الحرارة المهدرة طريقة نظيفة وصديقة للبيئة لتوفير الطاقة، مقارنةً بمعدات التسخين الكهربائية، حيث لا تستهلك طاقة تقريبًا، ومقارنةً بمعدات الغاز، فهي لا تُصدر أي انبعاثات. استنادًا إلى نظرية تحليل فقد الطاقة في نظام الهواء المضغوط، تم تحليل وتلخيص ظاهرة الاستخدام غير الرشيد للغاز وتدابير ترشيد الطاقة المتبعة في المؤسسة. وفي إطار تحول المؤسسة نحو ترشيد الطاقة، يُجرى أولًا اختبار وتقييم مفصلان لمختلف الأنظمة، وبناءً عليهما يتم تطبيق تدابير التحسين المناسبة لتحقيق أهداف ترشيد الطاقة، مما يُسهم في رفع كفاءة تشغيل نظام الهواء المضغوط ككل.