دور إصلاح مصانع الطاقة في تخفيض مطبوعات الكربون للمرافق الصناعية

وتمثل المرافق الصناعية حصة كبيرة من استهلاك الكهرباء على الصعيد العالمي، ولا تزال الكهرباء الناتجة عن الوقود الأحفوري مصدراً رئيسياً لانبعاثات غازات الدفيئة، ويمثل تخفيض أثر الكربون هذا أولوية لمديري المرافق والمهندسين وبرامج استدامة الشركات، ومن أكثر الطرق وضوحاً وفعالية من حيث التكلفة لخفض الانبعاثات دون تخفيض الإنتاج تصحيح عامل الطاقة، وذلك عن طريق تحسين استخدام الطاقة الكهربائية، وخفض كمية الفحوصات الكربونية الإجمالية المرتبطة بالمشروع، وتخفيض الناتج الحالي.

Understanding Power Factor and Its Industrial Significance

ويعرف عامل القوة بأنه نسبة الطاقة الحقيقية إلى الطاقة الظاهرية (كفولط أمبير) ويؤدّي الطاقة الحقيقية محركات مفيدة تعمل في إدارة العمل، وأفران التدفئة، والحواسيب الجاهزة - بينما تكون الطاقة الظاهرية هي القوة الكاملة التي توفرها هذه المرافق، والفرق بينها هو القدرة الاستباقية (KVAR)، التي تحتفظ بميادين مغناطيسية في معدات محمولة مثل السيارات والمحولات والباليات.

The Power Triangle and Its componentss

وينظر المهندسون الكهربائيون إلى هذه العلاقات على أنها مثلث للطاقة: فالقوة الحقيقية هي الساق الأفقية، والقوى التفاعلية هي الساق الرأسية، والكهرباء الواضحة (كفولا) هي الافتراض، والزاوية بين الناقلات الحقيقية والظاهرية هي الزاوية في المرحلة، وعامل الطاقة فيها هو عامل الطاقة، ويشير عامل الطاقة الذي يبلغ 1.0 (أو 100 في المائة) إلى أن جميع العوامل التي توفر الطاقة تؤدي دوراً مفيداً.

أسباب انخفاض الطاقة الكهربائية في المنشآت الصناعية

أكثر الأسباب شيوعاً لضعف الطاقة هو الاستخدام الواسع النطاق للمحركات الحادة - أفران العمل - تحت الحمولة الخفيفة، هذه المحركات تسحب تقريباً نفس القوة التفاعلية كما في الحمولة الكاملة، ولكن أقل بكثير من الطاقة الحقيقية، مما يؤدي إلى انخفاض عامل الطاقة، وتشمل المساهمين الآخرين معدات اللحام، وأفران العروق، وأجهزة التسخين، وأجهزة الإضاءة الفلورسنتية أو البيوتادايين ذات الضغط المغناطيسي.

وعادة ما تفرض شركات العوائد على العملاء الصناعيين رسوماً على ذروة الطلب (كفولط أمبير) بالإضافة إلى الطاقة المستهلكة (كوا وه) كما تفرض عقوبات على عامل القوة عندما ينخفض عامل الطاقة إلى أدنى من عتبة تعاقدية - تبلغ عادة 0.85 إلى 0.90، ويمكن لهذه العقوبات أن تضيف 10-30 في المائة إلى فاتورة الكهرباء الشهرية، بالإضافة إلى التكلفة، فإن عوامل الطاقة المنخفضة تدفع المرافق إلى توليد وإحالة المزيد من استهلاك الوقود والانبعاثاته الحالية أكثر من اللازمين.

How Power Factor Correction Works: Technical Principles

ويعمل إصلاح عامل القوة بإدخال رد فعل إيجابي على النظام الكهربائي لتعويض التفاعل الاستباقي للمحركات والمحولات، ويقوم المكثفون بتخزين الطاقة وإطلاقها في مرحلة عكس مرحلة التحميل، ويلغيون فعلياً القدرة الاستباقية ويعيدون إلى التواؤم المفاجئ الحالي والفولطي.

إصلاح مصانع الطاقة الآلية

المكثفات الثابتة مناسبة للشحنات التي تستمر و لديها متطلبات ثابتة من الطاقة الرجعية، على سبيل المثال، محرك كبير للضخ يعمل في حمولة ثابتة يمكن تصحيحه بواسطة مصرف موصل دائم مجهز بجهاز التحكم في المركبات،

أجهزة استشعار متزامنة وملفات نشطة

أما بالنسبة للمنشآت الكبيرة جداً أو التي يكون فيها التشويه الوئامي شاغلاً، فإن المكثفات المتزامنة أو المقارنات الثابتة في VAR توفر بدائل لها، كما أن المتجانس المتزامن هو آلة تناوبية يمكنها إمداد أو امتصاص الطاقة الرجعية بتعديل مضامينها، بينما تجمع الرشقات التناسقية الفعالة بين عوامل القوة مع التخفيف من التناسق، مما يجعلها مثالية بالنسبة للبيئات والمتغيرات المتقلبة.

اعتبارات التخزين والتنسيب

ويقتضي التخدير الصحيح لمصرف الكابست إجراء دراسة عن نوعية الطاقة أو على الأقل قطع الأشجار المفصل للقوة النشطة والتفاعلية على دورة الإنتاج الكاملة، وتترك المصارف التي تعاني من نقص في معامل القوة دون الهدف؛ وتتسبب المصارف التي تزيد طاقتها في الإفراط في التخصيب، وتبدل المحركات، وتفشل وحدات المكثفات في وقت مبكر.

The National Electrical Code (NEC) and IEE Standard 18 provide guidelines for capacitor installation, including shift ratings, fusing, discharge resistanceors, and grounding. Engineers should consult IEE standards] for up-to-date requirements, particularly when retrofitting older facilities.

المنافع البيئية لإصلاح مصانع الطاقة

ويتطلب تخفيض البصمة الكربونية للمرفق معالجة كمية الكهرباء المستهلكة والكفاءة التي يتم بها تسليمها، ويسهم تصحيح عوامل القوة في كل منهما.

التخفيض المباشر في استهلاك الطاقة

ويقلل عامل تحسين الطاقة من ٠,٧٥ إلى ٠,٩٥ من خط الكهرباء الحالي بنسبة ٢١ في المائة تقريباً من نفس الناتج الحقيقي للطاقة، وهذا الانخفاض في الخسائر الحالية الأقل مقاومة )خسائر في أسعار الصرف( في جميع الأسلاك والمحولات، والتحول بين نقطة الإصلاح ومتر المنافع، وهذه الخسائر تمثل الطاقة المهدرة التي يجب أن يوفرها جيل، وقد يفقد مرفق صناعي نموذجي به ٢ ميغاواط من الطاقة و٥,٧ في المائة من الطاقة.

وحدة كثافة العمل

ونظراً لأن المادة الكيميائية البيرفلورية تخفض إجمالي السحب الحالي، فإن محطات توليد الفائدة تحتاج إلى إنتاج أقل من الطاقة الحالية (وتقل القدرة التفاعلية المرتبطة بها) لخدمة المرفق، وعندما يعتمد الجيل على الغاز الطبيعي أو الفحم، فإن كل كيلوواط ساعة يتم إنقاذها تتفادى ما يقرب من 0.4 إلى 0.9 كغم من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، تبعاً لمزيج الشبكة الإقليمية.

تخفيض الحصيلة في البنية التحتية للضجر الكهربائي

ويجب أن تُثبت المرافق وخطوط النقل والمحولات لتلبي الطلب الظاهر على الطاقة، وذلك بتخفيض الطلب على المركبات، وتؤجل شركة PFC أو تلغي الحاجة إلى محطات توليد الطاقة الجديدة، وترفع مستوى نقلها، وقد تجسدت مشاريع البنية التحتية هذه قدراً كبيراً من الكربون من الفولاذ والخرسانة واستخدام شبكات الأراضي، وبالتالي تتجنب انبعاثات أعلى من المجرى يمكن أن تحدث في أثناء البناء، بالإضافة إلى أن خفض تدفق الطاقة التفاعلي يحرر القدرة على خطوط المنافع القائمة.

دورة الحياة الأثر البيئي للكاباسيين

وفي حين أن المكثفات تحتاج إلى مواد خام وإلى طاقة لتصنيعها، فإن بصمة البيئة صغيرة مقارنة بالوفورات التي تولدها، ويزن مصرف نموذجي من مكثفات المركبات بضع مئات من الكيلوغرامات، ويحتوي على الورق، وفور الألومنيوم، وبوليبروبيلين - ماديات متعددة بروبلينات ذات طاقة معتدلة، وعلى مدى 20 عاماً، سيوفر مصرف كابسيتور معتمداً عدة أضعاف إنتاجه النهائي.

التنفيذ وأفضل الممارسات

إن تصحيح عوامل القوة ليس حلاً يناسب الجميع، فالتنفيذ الناجح يتطلب نهجاً منهجياً يتوافق مع مبادئ الهندسة الكهربائية مع الواقع التشغيلي.

الخطوة 1: إجراء مراجعة شاملة للطاقة

وتتمثل الخطوة الأولى في جمع بيانات خط الأساس، وينبغي ربط محلل نوعية الطاقة بمدخل الخدمة لمدة أسبوع على الأقل لالتقاط صور الحمولة، واختلاف عوامل القوة، ومستويات التشويه الناغم، وحدث الذروة في الطلب، كما ينبغي أن ترسم مراجعة الحسابات جميع المحركات الرئيسية في مجال التحميل، والمحولين، والحاملين، وأن تشير إلى جداول تشغيلهم، وأن هذه البيانات تدفع باختيار معدات الإصلاحيات ومعامل إعادة تحديد القوة المستهدفة.

الخطوة 2: أهداف الإصلاح

ومعظم المرافق تتطلب عاملاً في الطاقة يتراوح بين 0.85 و0.95، وهو هدف يتراوح بين 0.92 و0.95 هدف عملي بالنسبة لمعظم المرافق، ويحقق التوازن بين استثمارات المكثفات وبين تجنب العقوبة، ونادرا ما يكون اقتصادياً بسبب انخفاض العائدات من خطوات المكثفات الإضافية وخطر عوامل القوة الرئيسية التي يمكن أن تسبب الإفراط في الارتطام والضرر في المعدات، كما أن تحديد الهدف يتطلب النظر في عمليات نمو الحمولة في المستقبل والتغيرات المحتملة.

الخطوة 3: المعدات المختارة والتركيبية

وينبغي تقدير قيمة مصارف الكاباتاتورية للشركة التي تحتاج إلى أن تُبعد المرفق من عامل القوة الطبيعية إلى الهدف، ويمكن حساب الكمبيوتر المطلوب على النحو التالي:

kVAR required = kW × (tan(1) − tan(2)]]

وفي الحالات التي تكون فيها هذه المرحلة هي زاوية الإصلاح والنسخة الثانية، وهي المرحلة التي تلي التصويب، مثلاً، مرفق يبلغ 500 كيلوواط مع عامل طاقة بنسبة 0.75 (1 = 41.4 درجة) الذي يريد أن يصل إلى 0.95 (2 = 18.2 درجة) يحتاج إلى حوالي 500 × (0.882 - 0.328) = 277 كيلو متر مربع من رموز الصنع.

Automatic vs. Fixed Correction

أما بالنسبة للمرافق ذات المواصفات المختلفة للشحن، فيوصى ببنوك المكثفات التلقائية، وهي تمنع الإفراط في الحرق خلال ساعات العمل المنخفضة، وتحافظ على عامل ثابت للطاقة طوال اليوم، كما تشمل الوحدات الآلية المفاعلات المهجورة إذا تجاوز التشويه الوئامي 10 في المائة من التشويه الوئامي الكلي.

الخطوة 4: تدريب الموظفين وتنفيذ الرصد

وتحتاج نظم تصحيح عوامل القوة إلى فحص دوري لصحة المكثفات، وتشديد الاتصالات، والتحقق من أوضاع المتحكمين، ورصد المستويات المتسقة، وينبغي تدريب الموظفين على كيفية قراءة قياسات عوامل الطاقة، وتفسير الإنذارات، والاستجابة للفشل المصرفي في المكثفات.

الخطوة 5: تحقيق وفورات قيمة وتخفيضات الكربون

وبعد التركيب، مقارنة فواتير الفائدة من قبل وبعد التصويب، يرى الزبائن الصناعيون النموذجيون فترة دفع تتراوح بين سنة وثلاث سنوات من تجنب العقوبات وتخفيض رسوم الطلب على ذروتها، ومن أجل قياس كمية التخفيضات في الكربون، وضاعفت وفورات الكم من عامل الانبعاثات الإقليمي، وهناك بروتوكولات كثيرة، منها المعيار ISO 50001 وبروتوكول غازات الدفيئة، تقبل هذه المنهجية للإبلاغ، وتدعم وثائق مشاريع التراكم الأحيائي شهادات الاستدامة مثل " ليم " أو " BREEAM " .

التحديات والنظر في المسألة

تصحيح عوامل القوة ليس بدون مخاطر تقنية، من بين هذه الاحتمالات، احتمال الارتداد بين المكثفات وأجهزة تشغيل النظام، التي يمكن أن تضخ تيارات متناسقة، دراسة عامل طاقة أجريت قبل التركيب يجب أن تُظهر ترددات النظام الصامتة، وإذا كانت التناسقات موجودة، فإن الرشّح المُغلق أو الرشّح النشط ضروري،

في المرافق ذات التحميلات المتغيرة جداً، قد تدور مصارف المكثفات التلقائية وتنفجر بشكل مفرط، وترتدي أجهزة الاتصال وتشدد على النظام، وتمنع الاختراعات في جهاز التحكم التحول غير الضروري، وأخيراً، بعض الحمولات - مثل الدافعات المتغيرة - الجاهزة قد تصلح عوامل القوة، واضافة أجهزة القياس الخارجية إلى محطاتها الطرفية للمدخلات يمكن أن تعطل أجهزة الاسترجاع الداخلية؛

الاستنتاج: تصحيح مصانع الطاقة باعتباره أداة الاستدامة الاستراتيجية

إن تصحيح عوامل القوة هو استراتيجية مثبتة وجذابة اقتصادياً للحد من البصمة الكربونية للمرافق الصناعية، ومن خلال تحسين الكفاءة الكهربائية، يخفض نفايات الطاقة، ويخفض فواتير الفائدة، ويخفض انبعاثات غازات الدفيئة عبر سلسلة الإمداد من خلال التوزيع إلى الاستخدام النهائي، وتنضج التكنولوجيا، وعملية التركيب مباشرة، وفترات الانتكاس قصيرة، وبالنسبة لمديري المرافق الصناعية والمهندسين الذين يسعون إلى تحقيق أهداف الاستدامة للشركات، مع الحفاظ على الأداء التشغيلي،

ومع تسارع وتيرة الدفع العالمي نحو صافي الانبعاثات الصفرية، يصبح كل كيلوواط ساعة منقذة أمراً بالغ الأهمية، ولا يتطلب تصحيح عوامل القوة تحقيق إنجازات في علوم المواد أو التغييرات التنظيمية؛ ويعمل اليوم مع المعدات الموجودة خارج المقر والهياكل الأساسية الكهربائية القائمة، وهو إجراء فوري قابل للقياس يضاهي مصالح مشغلي المرافق ومقدمي الخدمات والبيئة، وباعتماد تصحيح عوامل القوة، يمكن أن تؤدي المرافق الصناعية إلى الانتقال إلى فترة زمنية أكثر كفاءة واستدامة.