Table of Contents
مقدمة
إن نظم الطاقة في العالم هي العمود الفقري لعمليات التعدين الحديثة، التي تؤثر مباشرة على الإنتاجية والسلامة وتكاليف التشغيل، ويجب على مهندسي التصميم التوفيق بين هدفين متنافسين في كثير من الأحيان: الحد الأقصى للموثوقية لمنع حدوث انخفاض في الوقت المناسب، وتحقيق الكفاءة المثلى في استخدام الطاقة لمصروفات التحكم وتحقيق أهداف الاستدامة، كما أن البيئات التعدينية تخضع الهياكل الأساسية للأوضاع القاسية - درجات الحرارة القصوى، والغبار، والرطوبة، والثبات، والجويات التآكلية - في الوقت الذي تتطلب فيه قدرة مستمرة
المبادئ الرئيسية لتصميم نظام القدرة على استخدام الألغام
ويبدأ أي نظام قوي لتوليد الطاقة من الألغام بمجموعة واضحة من مبادئ التصميم التي تسترشد بها كل قرار من تقدير الحمولة إلى اختيار المعدات، وهذه المبادئ تكفل بقاء النظام قابلا للتطبيق في ظل الظروف العادية والطارئة مع التقليل إلى أدنى حد من النفايات.
إعادة الخدمات واستمرارها
ولا يمكن لمشغلي الألغام أن يتسامحوا مع حالات انقطاع الكهرباء المطولة، إذ يمكن أن يوقف الإنتاج، والصيد تحت الأرض، والتهوية المفضية إلى التهوية، ويتحقق إعادة التوحيد من خلال مصادر مستقلة متعددة للطاقة - مثل التغذية المزدوجة الفائدة، والمولدات الكهربائية في الموقع، ولوازم الطاقة غير القابلة للانقطاع - إلى جانب تشكيلات المحولات وشبكات التوزيع المرتدة، وينبغي أن يعزل التصميم تلقائياً عيوبات في نظام تبادل المعلومات عن المواد الغذائية وإعادة الإمداد في غضون ثوانٍ.
القابلية للتسويق والوحدة
وسيتطلب نظام الطاقة المصمم بدون القدرة في المستقبل إعادة استخدام أو استبدال كامل، كما أن القدرة على التصعيد تعني توفير غرف احتياطية في مواصفات فرعية، وخطوط كابل، وأجهزة التبديل، واختيار تقديرات المعدات التي يمكن أن تستوعب نمواً في الحمولة بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة، كما أن هياكل النظام النموذجي - باستخدام مراكز توليد الطاقة الكهربائية المتطابقة، ومكونات الصيانة الموحدة، والمقبسات الإضافية
كفاءة الطاقة كمقياس أساسي
ويمكن أن تمثل السلطة نسبة ١٥-٣٠ في المائة من مجموع تكاليف التشغيل في المناجم، ويبدأ التصميم من أجل الكفاءة باختيار المحولات ذات الكفاءة العالية )مثلا، القاع أو الرطل النحاسي ذات الخسائر المنخفضة في عدد المركبات( ومحركات كفاءة الأقساط )المفاعل الرابع أو IE5( ويجب أن تقلل الهياكل الأساسية من الكبلات ذات التأثير المنخفض إلى أدنى حد ممكن مما يتسبب في خسائر في الارتفاع في معدلات الإجهاد)١٦(.
السلامة والامتثال التنظيمي
وتشغل نظم الطاقة المعدنية أجواء يمكن أن تكون متفجرة )الألغام الغازية( والمساحات المحصورة المبللة، ويجب أن يتقيد التصميم بالمدونات المحلية والمعايير الدولية مثل IEC 60079 للمناطق الخطرة، و IEE Std 3001.5 لنظم الطاقة الصناعية، و MSHA 30 CFR Part 75 (US) وتشمل سمات السلامة حماية الأخطاء الأرضية، والتخفيف من آثارها (مثلا، الصمامات الانتقائية المحدودة، والتنسيق بين القارات)
عناصر نظام موثوق به لطاقة الألغام
وتشمل شبكة كاملة من مصادر القدرة على الألغام عادة عدة نظم فرعية مترابطة، كل منها مصمم لأداء أدوار محددة في الموثوقية والكفاءة.
مصادر الطاقة الأولية
ويعتمد معظم الألغام على شبكة الكهرباء بوصفها المصدر الرئيسي، وتكملها توليد الطاقة في الموقع، ويجب أن تكون إمدادات المرافق قوية - ويفضل أن تكون من مرحلتين فرعيتين مستقلتين - مع وجود دوائر مغذية مخصصة - والمولدات الكهربائية الموجودة في الموقع، التي عادة ما تكون محركات الديزل أو الغاز الطبيعي متبادلة، توفر الدعم أثناء انقطاع الشبكات، ويجب تزويد هذه المولدات بأجهزة أساسية لإعادة الكهرباء (التهوية، والمزامنة، والطاقات الحيوية، والمضخة).
المترجمون التحريريون والفرعيون
وتحوّل المواد الفرعية إلى فولتات من المرافق (تراوح من 34.5 كيلوفولت أو 69 كيلو فولت) إلى فولت لتوزيع الألغام (4.16 كيلو فولت أو 13.8 كيلو فولت) ثم إلى مستويات الاستخدام (480 V, 600 V, 1000 V). وينبغي أن تكون لدى المنشآت الفرعية الرئيسية متحولين مزدوجين مع نقل شحنات آلية للحفاظ على الإمدادات إذا فشل أحد، أما المتحولات المجهزة بالبطأ أو المتغيرات الافتراضية فتت في العمليات السطحية، فتتمثلة في عمليات السطوانية
شبكات التوزيع والمصاريف
ويجب أن يكون وضع حديد الكبريت وطرقه محاسباً عن انخفاض الفولط، والسلامة، والحماية الميكانيكية (مثل الكابلات المدرعة، وخطوط الكابلات، وأجهزة التموين) وكثيراً ما تستخدم الألغام الجوفية الكابلات الملتقطة للمعدات المتنقلة، وتحتاج إلى الأزواج الخاصين ونظم رصد الأرض، وينبغي أن يكون مقاوماً للقوس، وقادرة على تحمل تيارات الارتطية الجاهزة تصل إلى 50 كش، وأن تُبطنة الإلكترونية.
نظم الدعم والمساندة
وبالنسبة للشحنات الحرجة مثل نظم المراقبة والاتصالات ومكابح الهواة، توفر وحدة البريد الالكتروني الكهرباء من خلال المولدات الكهربائية، وتستخدم وحدات حديثة من نظام البريد الالكتروني في الطبقات ذات التقلب المزدوج باستخدام بطاريات الليثيوم لمدة أطول وبصمات أصغر، ويمكن أن توفر مصارف العجلات أو نظم العجلات الدوارة 15-30 دقيقة من الدعم، وفي المناجم العميقة تحت الأرض، تضمن بعض محطات البقاء المولدات المكرس.
الحماية والحصر
إن نقل الحماية الفعالة أمر أساسي لسلامة الموظفين وطول المعدات، إذ تستخدم نظم الطاقة المعدنية الحماية المتمايزة للمتحولين والمحركات الكبيرة، والتجاوزات في الاتجاه بالنسبة للمغذيين، وحماية الأرض الحساسة من الأخطاء الأرضية لكشف الأخطاء الأرضية العالية المقاومة - وهي حالة مشتركة في بيئات التعدين في المصابيح، ويجب أن يكون التدحرج منخفضا (التي تغلق عادة) والنظم الأرضية العالية المقاومة للكشف عن المعادن.
استراتيجيات تحسين كفاءة الطاقة
ويتطلب تخفيض استهلاك الطاقة في نظام الطاقة من الألغام نهجا متعدد الجوانب، بدءا باختيار المعدات إلى الممارسات التشغيلية.
Variable Frequency Drives (VFDs)
وكثيرا ما تعمل حمولات الفول والضخ بصفة جزئية، حيث إن تركيب أجهزة السحب العاملة على مراوح التهوية، ومضخات إزالة المياه، وقوارير النقل يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة الحركية بنسبة تتراوح بين 20 و 40 في المائة مقارنة بالهدر أو التحكم في الرماة، كما توفر أجهزة التردد العالي القدرة على إحداث التحولات، وتخفض الإجهاد الميكانيكي، وتبدأ في الإصدار الحالي.
نظم إدارة الطاقة
ويرصد نظام إدارة الطاقة المتكاملة الشامل استخدام الطاقة في الوقت الحقيقي من حمولات فردية إلى المنجم بأكمله، وتشمل المعالم التي تُغطى بالشحن الآلي خلال فترات الذروة في الطلب (الرد على الطلب)، وتحديد مواعيد العمليات ذات الطاقة العالية إلى ساعات العمل غير المكتملة، ومثيرة للقلق من الانحراف عن استهلاك خط الأساس، ويمكن أن تدمج برامج الإدارة البيئية المتقدمة مع نظم مراقبة التعدين (SCADA) لربط استهلاك الطاقة بمقاييس الاستهلاك الأمثل للإنتاج.
تصحيح عوامل القوة
وكثير من الألغام - المحركات التمهيدية والمحولات وأجهزة التفجير - تعمل بمعامل طاقة متخلف يتراوح بين 0.7 و 0.8 لغم، وكثيرا ما تفرض المرافق عقوبات على عوامل الطاقة التي تقل عن 0.9.
Renewable Energy Integration
ويمكن أن تعوض الطاقة الكهربائية والريحية الشمسية جزءا من استهلاك شبكة المناجم، لا سيما خلال ساعات النهار التي يبلغ فيها الإشعاع الشمسي ارتفاعا، حيث توجد في كثير من المناجم السطحية مزارع شمسية على بذور ذيول أو أرض غير مستخدمة؛ ويمكن للألغام الجوفية أن تستخدم الطاقة الشمسية لإضاءة الشبكات المنخفضة الفولطية والحمولات الإضافية.
الصيانة المنتظمة وتحقيق الاستخدام الأمثل
وحتى أفضل النظم التي تصمم على مر الزمن، فإن مبادلات الحرارة المتحركة تقلل من كفاءة المولدات؛ وتزيد الاتصالات غير المستقرة من المقاومة وتتسبب في بؤر ساخنة؛ وتزيد من عدد المراوح في مراوح التهوية التيارات، ويضع برنامج صيانة متوقع يستخدم التصوير الحراري، وتحليل النفط، واختبارات التصريف الجزئية معدات في ذروتها.
عملية تصميم نظام الطاقة
ويكفل نظام التصميم المنظم أن يحقق النظام النهائي أهدافاً تتعلق بالموثوقية والكفاءة دون تجاوزات في الميزانية.
- Load Analysis:] catalog all loads (kVA, kW, power factor, duty cycle) and categorize them as critical, essential, or non-essential. Calculate top demand and daily load profiles.
- Site Assessment:] Evaluate ambient conditions, seismic risk, altitude, and available utility fault current. Determine grounding requirements and arc-flash hazard levels.
- Conceptual Design:] Develop one-line diagrams, voltage levels, and source formations (single feed, dual feed, ring main). Model short-circuit currents, voltage drop, and load flow using software like ETAP or SKM.
- Compponent Sizing and Selection:] Choose transformers, cables, Swgear, and protection devices. Apply derating factors for ambient temperature and altitude. Specify VFDs, filters, and capacitors.
- ]Protection Coordination Study:] Set relay settings to achieve selective coordination with upstream devices, ensuring minimum outage area.
- Energy Optimization:] Run efficiency studies to evaluate alternative transformer sizes, cable routes, and VFD placement. Calculate payback periods.
- Review and Approval:] Submit design to mining authority (e.g., MSHA for US mines) and local utility for interconnection agreement. Incorporate feedback.
- Commissioning and Testing:] Test all protection functions, measure harmonic levels, and verify power factor correction.
التحديات الوحيدة أمام نظم القدرة على إزالة الألغام
وتفرض بيئات التعدين عقبات محددة أقل شيوعا في المرافق الصناعية التقليدية.
المعدات المتنقلة والكهربائية - المحلية
ويمكن لمجارف التعدين الكهربائية، وشاحنات الجرار، وشاحنات الهال أن تسحب الطاقة في انفجارات عدة أمبير أثناء حفرها أو التعجيل بها، وهذه الحمولات الدينامية الكبيرة تسبب غطس فولتاج وبطان إن لم تدعم على نحو كاف بنظام طاقة ثابت، كما أن أجهزة تغذية مصممة ذات أجهزة إعادة تشكيل ذات طابع سريع ومجهزة بأجهزة مجهزة ثابتة، بالإضافة إلى ذلك، تتطلب الحركة المستمرة للمعدات إدارة قوية للكابلات.
السمسرة ونوعية الطاقة
إن انتشار الـ ديانات الـ VFD، والمصححات الخاصة بشحنات البطاريات، وأفران الـرجوس (في عمليات الصهر) تحقن تيارات متناسقة كبيرة في شبكة المناجم، ويمكن أن يتسبب التشوه المتناغم في نقل حمائية إلى محولات ومحركات غير نظيفة، ويقلل من حياة الموصلات، كما أن دراسة متناسقة مفصلة عن الترددات العالية جدا في مرحلة التصميم تحدد نقاط الانتقاء المحتملة وأدلة.
Grounding and Stray Currents
وفي المناجم الجوفية، تخلق الصخور الرطبة والغبار السلوكي مسارات منخفضة المقاومة يمكن أن تحمل تيارات متفرقة، مما يؤدي إلى تآكل الدعم الأرضي وخطوط الأنابيب، كما أن هناك حاجة إلى شبكة أرضية مصممة جيدا ذات قضبان متعددة الدفع، وإلى ربطها بالأجهزة الكهربائية، مما يقلل من التيارات المتسترة، وبالنسبة للمناطق التي تُحتوي على غبار الفحم أو الميثان، فإن تقنيات الأرض الآمنة الخاصة حسب IEC 60079 مطلوبة.
سقوط الطائرة في دريفات تحت الأرض
ومع امتداد الألغام إلى الكيلومترات تحت الأرض، يصبح الانخفاض في الفولط تحديا كبيرا، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يخفض حجم الطور المسافن بطول 2 كيلومترات عند 4.16 كيلوفولط يعمل بكامل طاقتها، بنسبة 5.8 في المائة، مما يؤدي إلى زيادة حرارة السيارات، وتشمل الحلول زيادة حجم التوزيع (مثلا إلى 13.8 كيلوفولت في الأرض)، مما يؤدي إلى تخفيض عدد المفاعلات التي تستخدمها أجهزة التحكم في الحملات الكهربائية.
التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية
وتحوّل التطورات في مجال رقمنة الأجهزة الإلكترونية للطاقة تصميم نظام الطاقة اللغوية.
التوائم الرقمية والتعبئة المسبقة
ويتيح التوأم الرقمي لشبكة الطاقة الملغومة للمشغلين اختبار السيناريوهات - مثل رفوف الحمولة أو إضافة مخفر جديد - دون التأثير على العمليات الحية - وتدمج هذه النماذج بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي مع برامج المحاكاة للتنبؤ باستهلاك الطاقة، والتنبؤ بفشل المعدات، وتحسين تدفق الطاقة إلى أقصى حد، فمثلا يمكن للتوائم الرقمي أن يحفز أثر تركيب جهاز فيديو رقمي كبير على جهاز نقل قبل ارتكاب رأس المال.
Microgrids and Energy Storage
وهناك ألغام كثيرة تتحول إلى صغرى تعمل بشكل مستقل عن المرافق أثناء فترات انقطاع الكهرباء أو عندما تكون أسعار الطاقة مرتفعة، وتوفر نظم تخزين الطاقة في البطاريات من 1 إلى 10 ميغاواط استجابة سريعة لتشكيل الشبكات، وتصلب الذروة، وتيسر توليد الطاقة المتجددة، ويمكن أن يوفر الحاج الصغير الطاقة من 24/7 مع تحسين الموثوقية وخفض استهلاك الديزل في أستراليا.
Arc-Flash Reduction and High-Resistance Grounding
ويمكن أن تكون حوادث الوميض التي تقع في المناجم كارثية بسبب الأماكن المحصورة ووجود مواد قابلة للاشتعال، حيث تستخدم عمليات إعادة التخفيض الجديدة للضوء والمجسات الحالية للتنقل داخل الألف 1 متر، مما يقلل الطاقة من الحوادث إلى مستويات آمنة للفئة 0 من PPE. ويمكن أن يظل التطهير من السطو على المقياس الخفيف عند التطبيق الصحيح، دون 5 درجات حرارية/سم2.
خاتمة
إن تصميم نظم الطاقة الملغومة التي يمكن الاعتماد عليها وكفاءة الطاقة هو تخصص هندسي مدروس يجب أن يُحسب لظروف التشغيل القصوى، والطلبات التنظيمية، والتكنولوجيا المتطورة، ومن خلال الالتزام بمبادئ زيادة التكرار، والقابلية للتوسع، والكفاءة، والسلامة، ومن خلال اختيار المزيج الصحيح من المولدات، والمحولات، والمتحولات، ووسائل الحماية، يمكن للمهندسين أن يخلقوا نظماً تؤدي إلى الحد الأدنى من الوقت ومن توليد الطاقة.
For [ further reading, consult the IEE 3001.5 Standard on Industrial Power Systems for design guidance, and review case studies on energy efficiency successes stories from the U.S.S. Energy. Practical information on grounding and protection can be found in [FLT: harm4]