وتشهد محطات الطاقة الحديثة التي تعمل بالفحم تحولا عميقا، مدفوعا بتكامل تكنولوجيات التشغيل الآلي والرقمنة المتقدمة، وهذه الابتكارات تعيد تشكيل العمليات التقليدية، مما يتيح زيادة الكفاءة، وتحسين السلامة، والامتثال البيئي على نحو أكثر صرامة، مع الحد من الاعتماد على التدخل اليدوي، ويمثل التحول من نظم الأشعة القديمة إلى منابر ذكية وقائمة على البيانات تطورا حاسما بالنسبة لصناعة تواجه ضغوطا على الانبعاثات الأقل، وتتنافس مع الغاز الطبيعي الرخيصا وعلى تكنولوجيات الطاقة المتجددة.

The Foundations of Automation in Coal Power Plants

أما التشغيل الآلي في محطة لتوليد الطاقة بالفحم، فيشمل استخدام نظم رقابة متطورة، ومراقبين منطقيين قابلين للبرمجة، ومراكز مراقبة السيارات، والروبوتيين لإدارة وتنظيم كل جانب تقريبا من جوانب تشغيل النبات، والهدف الأساسي هو الحفاظ على الاحتراق الأمثل، وتوليد البخار، وسريعة توربين، ومراقبة الانبعاثات بأقل قدر من المدخلات البشرية، وتحقق عمليات التشغيل الآلي أداء متسقة ومكررة يصعب تحقيقها في ظروف عمل يدوية متفاوتة.

نظم الرقابة الموزعة

(ب) خلفية التشغيل الآلي للمصانع الحديثة هي نظام التحكم الموزع (DCS) خلافاً لغروف الرقابة المركزية القديمة، تقوم دائرة الرقابة بتوزيع مهام الرقابة على مختلف أجهزة التحكم الموجودة بالقرب من المعدات المادية، ويحسن هذا الهيكل الموثوقية لأن نقطة واحدة من نقاط الفشل لا تعطل كامل المصنع.

المراقبة وجمع البيانات

وتكمل نظم الوكالة الوطنية للتنمية الزراعية نظام إدارة الأراضي بواسطة توفير الرقابة الإشرافية الرفيعة المستوى واقتناء البيانات عبر الأصول الموزعة جغرافيا، بما في ذلك مناولة الوقود، ومناولة الرماد، ومعالجة المياه، ونظم الرصد البيئي، وتتمكن المؤسسة من تصور وضع المصنع بأكمله على واجهة واحدة للمناخ البشري، ووضع عتبات الإنذار، وتتبع الاتجاهات التاريخية، ويتيح التكامل بين إدارة الدعم الميداني ونظام رصد الرواسب البحرية تنسيقابط بين نظم الرواسب، وضوابط المطاطية،

عمليات التفتيش الآلية والآلية

وقد تزايد نشر النظم الآلية لأغراض الصيانة والتفتيش التي تكون خطرة أو صعبة بالنسبة للبشر، فعلى سبيل المثال، فحصت الأجهزة الآلية التي ترتعش الجدران أنبوب الغلايات وقطع القنوات اللازمة للتآكل والتوسع، مما قلل الحاجة إلى دخول الفضاء المحصور، كما أن الطائرات الآلية المجهزة بالكاميرات الحرارية تمسح مساحات الفحم، وأحزمة النقل، وأخطاء التبريد في مجال صيانة الأجهزة اليدوية الساخنة، والمسائل الهيكلية(أ).

هيئة الرقابة المتقدمة

فإلى جانب الحلقات الأساسية من أجهزة الدمج، تستخدم الآلية الحديثة تقنيات متقدمة للرقابة مثل المنطق الغامض، والشبكات العصبية، والجهاز MPC. For instance، فإن الاستخدام الأمثل للحرق مع التقاط فائض الأكسجين والعجلات المحترقة في الوقت الحقيقي يمكن أن يقلل من تكوين النيتروز ويحسن كفاءة الغليان بنسبة 1-3 في المائة، وهو ما يتوافق مع وفورات كبيرة في التكاليف وتخفيضات الانبعاثات، وتقوم بعض النباتات بتنفيذ عملية التوليد المغلقة التي تتكامل مع نظم جودة الطلب على نطاق النباتات.

رقمنة: تحويل البيانات إلى قرارات

● إضفاء الطابع الرقمي على البيانات المتعلقة بالمصنعات اللاهوتية وتحويلها إلى معلومات رقمية منظمة وتطبيق معلومات تحليلية - غير واضحة أكثر عمقاً تتجاوز ما يمكن أن تقدمه الآلية التقليدية، مما يمكّن مشغلي المنشآت من الانتقال من العمليات التفاعلية إلى العمليات التنبؤية والإيجابية.

The Internet of things (IoT) and Edge Computing

وتغذي مئات أو آلاف أجهزة الاستشعار التي تنشر في جميع أنحاء مصنع الفحم البيانات في منابر إيوت التي تجمع المعلومات وتجهزها عند الحافة أو في السحابة، وترصد أجهزة الاستشعار اللاسلكية الاهتزاز بشأن مضخات المضخات، ودرجة الحرارة على الرياح المحولة، وهبوط الضغط عبر المرشات، وتُجري أجهزة القياس الحاسوبي التي تعمل في الوقت الحقيقي عمليات التشخيص محليا، وترسل فقط وحدات الاختلال أو الملخصات اللازمة لخفض النظم ذات المستويات العليا.

تحليل البيانات والتعلم في الآلات

ويمكن تحليل مسارات البيانات التشغيلية الواسعة باستخدام خوارزميات التعلم الآلات لتحديد الأنماط والترابطات والتشوهات التي قد يفتقدها البشر، فمثلاً يمكن للنموذج أن يتوقّع مدى الحياة المفيدة المتبقية لمسخن مياه التغذية استناداً إلى معايير رصد الحالة التاريخية والتشغيل، ويمكن لنموذج آخر أن يتوقّع سلوك الارتطام وأن يوصي بالجدول الزمني للصيانة الرقمية بحيث تُحدّد أقصى قدر من الكفاءة في النقل الحرفي.

التوائم الرقمية

والتوائم الرقمي هو نسخة افتراضية من المصنع المادي تعكس سلوكه في الوقت الحقيقي، ومن خلال إدماج بيانات الاستشعار الحي مع نماذج الفيزياء، يتيح التوأم الرقمي للمشغلين تصويب سيناريوهات " ما إذا كان " مثل تغير مزيج الوقود، أو معدل التعبئة، أو تشكيل المعدات - دون أي خطر على المصنع الفعلي، وعندما تنفجر الوحدة أو تصدر أصوات إنذار، يمكن أن يُحدّد التوأم من الحلول الإجهادية.

منابر تحليلية مجهزة بشبكات

ويمكن حساب السحاب من التخزين المركزي وتجهيز البيانات من محطات متعددة، مما يسهل قياس الأداء وتبادل أفضل الممارسات عبر أسطول ما، ويمكن لموظفي النباتات الوصول إلى لوحات التعبئة والتقارير من أي موقع، ويمكن تحسين نماذج التعلم الآلي باستمرار مع البيانات الواردة من وحدات عديدة.

المنافع التشغيلية والبيئية

ويحقق الجمع بين التشغيل الآلي والرقمنة فوائد ملموسة تؤثر مباشرة على خط الأساس وعلى البصمة البيئية لمصنع الفحم.

تعزيز الكفاءة ووفورات الوقود

وتحافظ نظم المراقبة الآلية على الالتزام بأمثل نقاط تحديد الموقع، مما يقلل من التباين في درجة حرارة البخار والضغط، مما يؤدي إلى تحسين صافي كفاءة النبات بنسبة 1 إلى 2 في المائة في معدل الحرارة، وبالنسبة لمحطة تعمل بـ 500 ميغاواط تبلغ 85 في المائة من عوامل القدرة، فإن تحسين معدل الحرارة بنسبة 1 في المائة يمكن أن يوفر ما يزيد على مليون دولار سنويا في تكاليف الوقود.

تحسين السلامة والاعتماد

فالنظم الآلية تقلل من الحاجة إلى دخول مشغلي البشر إلى مناطق خطرة مثل مطاحن الفحم، وداخل المغلي، وجهاز التبديل العالي التوليد، ويمكن أن يؤدي الرصد المسبق مع نظم الإنذار المبكر إلى اكتشاف أخطاء من قبيل الإفراط في التسخين أو الاهتزاز قبل أن تؤدي إلى إخفاقات كارثية، وتشير تكاليف الصيانة الافتراضية المدعومة من التوأم الرقمية والتعلم الكهربائي إلى زيادة في نسبة التعرض للإكراه.

خفض الانبعاثات والامتثال التنظيمي

كما أن الاستخدام الأمثل للاحتراق من خلال التشغيل الآلي المتقدم يقلل مباشرة من انبعاثات أكسيد النيتروز والثوكسينات وثاني أكسيد الكربون، ويدعم الترميز الرصد والإبلاغ المستمرين للانبعاثات، مما يسهل الامتثال للتصاريح البيئية، كما أن تحليلات البيانات يمكن أن تسترشد باختيار مزيج الفحم وضبط الاحتراق من أجل تقليل الانبعاثات إلى أدنى حد مع الحفاظ على الكفاءة، وتستخدم بعض النباتات أدوات رقمية لتعظيم تشغيل وحدات خفض النفايات الفلورية.

التحديات في التنفيذ

ورغم الفوائد الواضحة، فإن الطريق إلى مصنع الفحم الآلي والرقمي تماماً محفوفة بالعقبات.

عدم كفاية الاستثمارات الأولية والاسترداد

ويتطلب تحسين نظم مراقبة التراث، ونشر أجهزة استشعار عن طريق استخدام النفط المتروكة، وتنفيذ برامج تحليل البيانات نفقات رأسمالية كبيرة، وقد يكافح صغار المشغلين أو النباتات التي لا يكتنفها أي شك في المستقبل لتبرير الاستثمار، ولا سيما في الأسواق التي ينخفض فيها استخدام محطات الفحم، ومن الضروري ضمان التمويل وجود حالة تجارية مفصلة تُعزى إلى انخفاض تكاليف الذخائر المتفجرة، ومكاسب الكفاءة، وتجنب العقوبات.

مخاطر الأمن السيبرى

(ج) إن ربط نظم مراقبة النبات بشبكات المؤسسات والسحابة يعرضها للخطر السيبراني، وقد يؤدي الهجوم الناجح على نظام إدارة العمليات الإنمائية أو نظام SCADA إلى إلحاق أضرار مادية أو إطلاقات بيئية أو انقطاعات طويلة، ويجب أن تعتمد المرافق استراتيجية معمقة للدفاع تشمل تقسيم الشبكة، وخطوط الحماية، ونظم كشف الاقتحام، وتقييمات منتظمة للضعف، وتدريب الموظفين.

فرق المهارات العاملة

ويتطلب التنشئة الرقمية مجموعة جديدة من المهارات - علماء البيانات، وأخصائيي أمن الفضاء الإلكتروني، ومهندسي التشغيل الآلي - الذين لا تتوفر لديهم إمدادات كافية في صناعة الطاقة، ويأتي العديد من مشغلي النباتات من خلفيات تقليدية ويحتاجون إلى إعادة التدريب لاستخدام الشاشات المتقدمة في مجال HMI، وتفسير لوحات تحليلية، والاستجابة للمشورات الآلية، ويجب على الشركات أن تستثمر في التعلم المستمر وربما تشارك في المدارس والجامعات التقنية.

الهيكل الأساسي للشيخوخة والتعقيد في التكامل

وقد تم بناء العديد من محطات الفحم قبل العصر الرقمي، مع وجود أدوات ونظم رقابة متراثة تفتقر إلى بروتوكولات الاتصالات الموحدة، ويمكن أن يتطلب إعادة استخدام أجهزة الاستشعار وإدماجها في نظام حديث لسواتل الملاحة رفع مستوى الميدان باهظ التكلفة وهندسة دقيقة لتجنب التدخل في حواجز الأمان القائمة، كما أن قابلية التشغيل المتبادل بين مختلف نظم البائعين تشكل تحديا آخر؛ ويمكن أن تساعد المعايير المفتوحة مثل مكتب خدمات المشتريات المشتركة بين منظمة التجارة العالمية ومنظمة نقل البضائع (MQTT) على ذلك، ولكن ليس جميع المعدات.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

وحتى مع تتسارع عملية الانتقال العالمي للطاقة، سيتعين أن تصبح محطات الفحم التي لا تزال قيد التشغيل أكثر مرونة وكفاءة ومقبولة بيئياً، وسيكون التلقائية والرقمنة محورياً لهذا التكيف.

النباتات المختلطة والتكامل المتجدد

ويتزايد الطلب على محطات الفحم لتحميل الوقود وتوفير خدمات استقرار الشبكة نظراً لأن المتغيرات المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية تصبح مهيمنة، فالتمتة المتقدمة تتيح سرعة معدلات التمزق وانخفاض الحد الأدنى من عدد المصانع التي يمكن أن تعمل الآن بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة من القدرة المقومة، مقارنة بنسبة 50 في المائة في الماضي، وتساعد المحاكاة التوأمة الرقمية على تحديد استراتيجية الإرسال المثلى لوحدة الفحم في تشكيلة الهجينة مع تخزين البطاريات الشمسية أو تخزينها.

الكابتات والتصويب الرقمي

(ج) إن احتجاز الكربون وتخزينه بعد الاحتراق عملية كثيفة الطاقة تتطلب تكاملاً دقيقاً مع ضوابط النباتات، ويمكن أن يؤدي الترميز إلى تحقيق الحد الأمثل من معدل التقاطه وتجديده المذيب والحمولة الطفيلية للتقليل إلى أدنى حد من تكلفة كل طن من ثاني أكسيد الكربون.() ويمكن أن تنبأ نماذج التعلم الماكنة بتحلل المذيبات والجدول الزمني لدورات التجديد للحفاظ على كفاءة الضبط عالية.()

Co-firing with Hydrogen and Biomass

ولتقليل انبعاثات دورة الحياة، تستعيد بعض محطات الفحم قدرتها على إطلاق النار مع الهيدروجين أو الكتلة الحيوية، ويجب أن تعالج نظم التلقائية مختلف خصائص الاحتراق لهذه الوقود، وتعديل تغذية الوقود، والتدفق الجوي، وتشكيل اللهب في الوقت الحقيقي، والتوائم الرقمية قيمة لاختبار سيناريوهات التعبئة المشتركة دون تعطيل عمليات المتجددة، وفي المستقبل، يمكن أن تدار النباتات بالكامل من عمليات الحرق الأخضر أو الأمونيا.

العمليات المستقلة ذاتياً التي تنفذها شركة AI

وفي ضوء المستقبل، يمكن لمصانع الفحم أن تقترب من عملية " الرحل " ، حيث تجري المفاعل بصورة مستقلة لفترات ممتدة فقط مع الإشراف عن بعد، ويمكن أن تُسترجع الذكاء الصامت، إلى جانب التشغيل الآلي والمحللين التنبؤيين، معظم القرارات التشغيلية الروتينية، فعلى سبيل المثال، يمكن لعامل من وكالات الاستخبارات أن يدير عملية إطلاق الغليان، وأن يتزامن التربين مع الشبكة، وأن يُرسل على الوجه الأمثل على أساس أسعار السوق الحقيقية.

خاتمة

فالتألق والرقمنة ليسا مجرد تحديثات اختيارية لمصانع الطاقة الحديثة للفحم؛ بل هما أداتان أساسيان للبقاء والقدرة التنافسية في عالم يزيل الكربون، إذ إن هذه التكنولوجيات، بتقليل التكاليف، وتحسين السلامة، وخفض الانبعاثات، وزيادة المرونة التشغيلية، ستتيح لمصانع الفحم مواصلة توفير حمولة أساسية موثوقة وكهرباء يمكن إرسالها مع التكامل مع شبكة طاقة أنظف، كما أن تكاليف الاستثمار الحاسوبي، وتطور القوى العاملة، والبنى التحتية القديمة، كبيرة ولكن قابلة للاستمرار.