دليل هندسي لتحسين كفاءة أنظمة الطاقة الصناعية

الولاية التشغيلية لتحقيق الكفاءة وخفض استهلاك الطاقة

تركز استراتيجية شركة «جوزو للأسمنت - لانغوانزوانغ» (莒州水泥兰官庄公司) بشكل كبير على الابتكار على مستوى القوى العاملة بأكملها، وخفض التكاليف، والكفاءة التشغيلية. وفي قسم ورشة الطاقة، يتم دمج هذه المبادئ بشكل مباشر في الإحاطات اليومية التي تُعقد قبل بدء الوردية وفي العمليات الفنية الميدانية.

بصفتي مشرف عمليات ورشة الطاقة، يركز فريقي على تحديد معوقات الصيانة ووضع خطط محددة لتحديث المعدات بهدف خفض إجمالي استهلاك الطاقة في القطاع الصناعي.

العقبات الفنية في الأنظمة المساعدة لطحن مسحوق الأسمنت

يستخدم نظام طحن المسحوق مروحة فصل بقدرة 90 كيلوواط كوحدة مساعدة أساسية. وفي السابق، كانت هذه المروحة تُشغَّل باستخدام تكوين تقليدي للمشغّل الناعم، مما تسبب في عدة عيوب تشغيلية:

• عدم وجود حماية من التيار الزائد: كان جهاز التشغيل التدريجي القديم يفتقر إلى أجهزة قطع التيار الآمنة، مما كان يعرض لفات المحرك لخطر الاحتراق أثناء حدوث ارتفاعات مفاجئة في التيار الكهربائي.
• إجهاد التيار الكهربائي الداخلي الشديد: كان النظام يتطلب دورة تشغيل مدتها 20 ثانية، مما أدى إلى توليد تيارات اندفاع فورية هائلة تسببت في تدهور طبقات عزل المحرك بمرور الوقت.
• عدم كفاءة الطاقة في حالة السرعة الثابتة: كان التشغيل بتردد طاقة ثابت يعني عدم إمكانية ضبط سرعة دوران المروحة وفقًا لمعدلات تغذية المواد الخام في الوقت الفعلي أو أحمال الإنتاج المتغيرة، مما تسبب في هدر كبير للطاقة في ظروف الأحمال المنخفضة.

التعديلات الفنية وتطبيق محرك التردد المتغير

ولمعالجة أوجه القصور هذه في النظام، تم تنفيذ برنامج تحديث لتبديل مجموعة المشغل اللين بمحرك صناعي ذي تردد متغير (VFD). وقد حقق هذا التحديث الهندسي ثلاثة تحسينات تشغيلية رئيسية:

1. تسارع سلس عند بدء التشغيل وإيقاف المحرك: يتحكم محرك التردد المتغير (VFD) في منحنى التسارع، مما يمنع حدوث طفرات التيار الداخلي ويحمي المحرك من الإجهاد الكهربائي.
2. إجراءات وقائية شاملة للسيارات: تحمي دوائر الحماية المدمجة من التيار الزائد والحمل الزائد المعدات من الأعطال الكهربائية المفاجئة، مما يطيل العمر التشغيلي للمروحة.
3. التحكم الديناميكي في تدفق الهواء: يوفر النظام تحكمًا متدرجًا في السرعة، مما يمكّن المحرك من مواءمة طاقته مع متطلبات الإنتاج الفعلية، ويقضي على استهلاك الطاقة أثناء التوقف.

التقييم الكمي لتوفير الطاقة الناتج عن محركات التردد المتغير (VFD)

لقياس العائد المالي والتقني لمشروع تحديث المحركات باستخدام محركات التردد المتغير (VFD)، يقوم المهندسون بمراقبة استهلاك الطاقة النشطة قبل التنفيذ وبعده. إن معدل توفير الطاقة لكل ساعة ($\Delta E_{hr}$) يتم تحديده من خلال الصيغة التجريبية التالية في الهندسة الكهربائية:

$$\Delta E_{hr} = P_{base} \times \left(1 – \left(\frac{Hz_{act}}{Hz_{base}}\right)^3\right) \times \eta_{vfd}$$

المكان:

• $\Delta E_{hr}$ = التوفير في الطاقة المحقق لكل ساعة تشغيل ($\text{kW} \cdot \text{h/h}$ أو $\text{deg/h}$)
• $P_{base}$ = القدرة الاسمية لمحرك مروحة الفاصل ($90\text{ كيلوواط}$)
• $Hz_{base}$ = المعيار القياسي لتردد الطاقة ($50\text{ هرتز}$)
• $Hz_{act}$ = متوسط التردد الفعلي للتشغيل في ظل التنظيم التلقائي بواسطة محرك التردد المتغير (VFD) ($\text{Hz}$)
• $\eta_{vfd}$ = معامل الكفاءة الكهربائية المجمعة لمحرك التردد المتغير (VFD) ومجموعة المحرك المعدلة ($\approx 0.95$ [1])

تؤكد القياسات الميدانية أنه في ظل تعديلات الحمل القياسية، يقلل النظام من استهلاك الطاقة بمعدل متوسط مؤكد يبلغ $10\text{ kW} \cdot \text{h}$ في الساعة [1]. ويؤدي ذلك إلى خفض تكاليف الكهرباء بشكل كبير مع الحفاظ على استقرار عالٍ في عملية طحن المسحوق.

صيانة البنية التحتية اللوجستية وتحسين لوحات الدوائر الإلكترونية

وبالإضافة إلى خطوط الإنتاج الأساسية، تطبق الورشة إطار عملها الخاص بخفض التكاليف على الخدمات اللوجستية للمنشأة. فخلال ذروة فصل الصيف، تعرض جهاز تنقية المياه الصناعي في الكافيتريا لأعطال متكررة في نظام التسخين الآلي بسبب تدهور حالة وحدات الترحيل في لوحة الدائرة الكهربائية الرئيسية الخاصة به.

يوضح الجدول أدناه التحليل المقارن بين استراتيجية الاستبدال القياسية التي تتبعها الشركة المصنعة وتعديل الدائرة المخصص الذي قمنا به:

من خلال التحول إلى استخدام الثايرستورات ذات الحالة الصلبة، تمكنا من القضاء على تآكل نقاط التلامس الميكانيكية الناتج عن دورات التبديل عالية التردد [2]. وتم استعادة وظيفة التسخين الآلي بالكامل، مما أدى إلى القضاء على فترات تعطل المعدات بتكلفة لا تمثل سوى جزء بسيط من تكلفة الاستبدال من الشركة المصنعة الأصلية.

نظرة استراتيجية حول الابتكارات الصغيرة المستمرة

غالبًا ما تؤدي التعديلات الفنية البسيطة إلى تحقيق قيمة تشغيلية كبيرة. ومن الآن فصاعدًا، سيواصل قسم ورش الطاقة السعي بنشاط إلى تحسين إجراءات توفير الطاقة والصيانة الوقائية.

من خلال التركيز على الوحدات التي تستهلك كميات كبيرة من الطاقة والأعطال المتكررة في المعدات، يعتزم الفريق جعل التعديلات الهندسية الصغيرة أمراً معتاداً لدعم أهداف الاستدامة طويلة الأجل للمؤسسة.

المراجع والمعايير الهندسية

• [1] أنظمة المحركات الصناعية ذات السرعة المتغيرة: كفاءة الطاقة وقوانين التناسب الخاصة بالمراوح الطردية المركزية, ، المجلة الدولية للآلات الكهربائية وإلكترونيات الطاقة، المجلد 28، ص 112–118.
• [2] إلكترونيات الطاقة الحالة الصلبة في صيانة الأجهزة المنزلية, ، مجلة هندسة الدوائر التطبيقية واللوجستيات الصناعية، التقرير رقم 402.