فهم أهمية النظام الناجع لتخطيط القدرات

مؤسسة النظم النباتية الفعالة

فرغم أن النظم الجاهزة لها، فإن العمليات الصناعية التي لا تحصى، بدءا من خطوط التجميع وآلات التغليف إلى مناولة المواد والملائكة الآلية، فإن أداء هذه النظم وتكلفة كاملة يتوقفان على عامل حاسم واحد، هو وضعف التجهيزات والتخطيط للقدرات، وعندما تضاهي الضغوط، وخزانات التخزين، وشبكات الرصيف، والعناصر الفرعية الطلب الفعلي، فإن النتيجة هي الضغط غير القابل للتنبؤ، والضغط الأدنى من حيث يمكن التنبؤ به.

وتوفر هذه المادة دليلا شاملا لتصنيف النظام الناموس وتخطيط القدرات، وهي تشمل المبادئ الهندسية، وأساليب الحساب، والاعتبارات المكوِّنة، والاستراتيجيات العملية اللازمة لتصميم نظام يعمل بكفاءة في ظل ظروف عادية ومتوسطة، وسواء كنت تحدد تركيبا جديدا أو تعظيما لمصنع قائم، فإن الرؤى هنا ستساعدك على تجنب العثرات المشتركة وتحقيق النجاح التشغيلي الطويل الأجل.

لماذا التعبئة وتخطيط القدرات

وكثيراً ما يُسمى الهواء المضغوط " المرافق الرابعة " في المرافق الصناعية بعد الكهرباء والمياه والغاز الطبيعي، ومع ذلك فهو أيضاً أحد أكثر المرافق تكلفة التي تولدها، ووفقاً لوزارة الطاقة بالولايات المتحدة، يمكن أن تشكل نظم الهواء المضغوطة ما يصل إلى 30 في المائة من إجمالي استهلاك الكهرباء في المرفق، وهو نظام يفتقر إلى الحجم الكبير أو الصغير جداً من حيث التكاليف دون توفير فوائد مقابلة.

(ج) إن التحديد السليم للوسائل يعني اختيار المعدات التي يمكن أن توفر التدفق المطلوب عند الضغط المطلوب، مع مراعاة الخسائر في النظم والتسرب والنمو في المستقبل، ويمتد تخطيط القدرات إلى ما يتجاوز الاختيار الأولي ليشمل استراتيجيات تنفيذية مثل دورات الحمولة والتخزين وإدارة الطلب.

• Pressure is stable] at every point of use, preventing tool slowdowns or process variations.
• Energy consumption is minimized] because the compressor runs efficiently within its opt range.
• Equipment life is extended] as compressors and dryers avoid excessive cycling or continuous loading.
• تكاليف الرعاية يمكن التنبؤ بها ] والوقت غير المقرر هو نادر.
• القدرة على الإنتاج محمية ] حتى أثناء أحداث الطلب التي بلغت ذروتها.

والإهمال من هذه المبادئ الأساسية يدعو إلى النتائج المفصلة في وقت لاحق في هذه المادة، بما في ذلك انخفاض الضغط، وارتفاع الحرارة، والرطوبة، وزيادة نفقات التشغيل.

فهم الطلب الجوي: الخطوة الأولى في تخطيط القدرات

وقبل أن يتم وضع أي عنصر، يجب تحديد كمية الاستهلاك الفعلي للهواء في النظام، وهذا يتطلب مراجعة منهجية لكل جهاز يستخدم الهواء المضغوط: الأدوات المضغوطة، والأسطوانات، والصمامات، والتشويشات، والمحاضرات، وحتى التسربات، ونادرا ما يكون الطلب الكلي ثابتا؛ ويتغير في جداول الإنتاج، وتغيرات التحول، وعمليات الدفع.

متوسط وتدفق بيك

ويتمثل النهج الأكثر شيوعا في قياس التدفق عند التصريف المضغوط على مدى فترة إنتاجية تمثيلية باستخدام قياس تدفق (كتلة حرارية أو نوع إدخال) مما يولد قيمتين حرجتين:

• Average flow] - الاستهلاك النموذجي على دورة كاملة، المستخدم لتحديد قدرة ضغط الحمولة الأساسية.
• Peak flow] — the highest immediateaneous demand, often lasting only seconds or minutes, used for sizing storage and trim compressors.

وإذا لم تكن هناك أمتار للتدفق، يمكن إجراء حساب نظري بإلقاط الاستهلاك المصنف لكل جهاز، وتطبيق عوامل دورة العمل، فعلى سبيل المثال، فإن الإسطوانة التي تحمل محركاً من 2 بوصة، وضربة من 12 بوصة باستخدام 80 من بدل الهواء المضغوط قد تستهلك 0.5 من الطلقات الكيميائية لكل دورة، وإذا كانت الدورة تدور 10 مرات في الدقيقة بواقع 50 في المائة من الرسوم، فإن مجموع مساهمتها تبلغ 0.5 في المائة و 2.5 في المائة في المائة في المائة في المائة في الثانية في المائة في المجموع.

The Impact of Leakage on Sizing

فالأقراص هي في كثير من الأحيان أكبر حمولة غير مرئية في نظام متطور، إذ يمكن أن تضيع حفرة واحدة من ١/٨ بوصة واحدة من ١٠٠ جهاز استنشاق بالأشعة السينية حوالي ٧٠ ماركا من فرنكات الجماعة المالية الأفريقية، بتكلفة تبلغ آلاف الدولارات سنويا، وفي أثناء تخطيط القدرات، من الضروري قياس التسرب خلال فترات غير مشغلة )مثلا، عطلة نهاية الأسبوع( باستخدام طريقة بسيطة: تحويل جميع الصمامات المستخدمة، وبدء الضغط على المضغوط، وتسجيل الوقت

العناصر الرئيسية ودورها في إضفاء الطابع النظامي

ويتألف النظام الناموس من عدة عناصر مترابطة، كل منها له بارامترات مصغرة تؤثر على الأداء الكلي، ويضمن فهم هذه الأجزاء تصميما متوازنا.

المنافسون

فقلب النظام - إن الأنواع الرئيسية هي مضبوطات متبادلة ومزمار دوارة وطاردة مركزية - وبالنسبة لمعظم التطبيقات الصناعية، يفضل مضغطو المسامير الدوارة بسبب قدرتهم على العمل وكفاءتهم المستمرين، ويستلزم تكوين مضغط تطابق تدفقه المكثف (ضغط التصريف المصنف) مع الطلب الجوي، بالإضافة إلى هامش إضافي للتوسع في المستقبل (يمثل 10-15 في المائة).

أجهزة دراجة جوية وملفات

ويجب أن يكون الهواء المضغوط جافا ونظيفاً، وتشمل أنواع الدرايين الثلاجات والحلوى والحمبرانية، ويجب أن يُنظَّم المجفف لمعالجة أقصى تدفق ممكن عند درجة حرارة وضغط السطل المتوقعين، كما أن المجفف الذي يسبب انخفاضاً شديداً في الضغط وعدم كفاية التحكم في نقطة الأوعية؛ وهو طاقة كبيرة جداً ويمكن أن يؤدي إلى تكرار التدوير.

دبابات تخزين (مستقبل)

وتخدم خزانات التخزين وظائف متعددة: خفض تقلبات الضغط، وتوفير الهواء الاحتياطي أثناء فترة الذروة المطلوبة، والسماح للمضغط بأن يدار بشكل أقل تواترا، وتتمثل قاعدة الإبهام في صناعة الغسل في توفير قدرة الضغط على ١-٢ غالون من الخزن لكل ميغاه من الطلقات، غير أنه ينبغي تعديل ذلك على أساس طبيعة الطلب، أما المرافق التي لها دوران قصير، والأحداث ذات الطلب العالي )مثلا، محطات تخزين الرمل، والمنبلات( فتكونة.

Piping and Distribution

فالتخفيض الضعيف هو سبب مشترك للانخفاض في الضغط، إذ يجب اختيار مقياس الأنابيب على أساس التدفق والطول وفقدان الضغط المقبول (أي أقل من 5 مستخلصات تجريبية من الضغط إلى أقصى نقطة) وباستخدام تصميم مكثف للرأس بدلا من توزيع مميت يمكن أن يزيد من مساواة الضغط ويتيح الصنابير في المستقبل. ولا يوصى بأن يكون الهواء المضغوط بسبب شواغل تتعلق بالسلامة؛ أو الضغط الأسود أو التراكمي أو التراكمي.

حساب متطلبات الضغط على النظام

وكل عنصر من العناصر المتطورة له ضغط تشغيلي دنيا، وقد تتطلب الأدوات 90 جهازا استخباراتيا؛ وقد يحتاج الأسطوانات إلى 80 جهازا استخباراتيا؛ وقد تعمل الصمامات عند 60 جهازا استخباراتيا، ويجب أن يكون ضغط النظام عاليا بما يكفي للتغلب على انخفاضات الضغط من خلال أجهزة التجفيف والمرشات والربط بالبعوض، مع ذلك، الضغط المطلوب عند أكثر نقطة الاستخدام احتياجا.

حساب ضغط التصريف اللازم من جانب الضغط:

1. تحديد أعلى ضغط مطلوب في أي نقطة من نقاط الاستخدام (مثل 90 من PSI).
2. يضاف انخفاض الضغط في توزيع الرزم (مثل 3 من PSI).
3. يضاف انخفاض الضغط من خلال المصفوفات والمجففات (مثلا، 3-5 PSI كل منها).
4. يضاف هامش للسلامة (مثلاً، 2 PSI).
5. النتيجة: إجمالي الضغط اللازم لتصريف الضغط من جانب الضغط الضغط.

ويمكن أن يؤدي تخفيض ضغط التصريف حتى باثنين من أجهزة الاستخبارات المالية إلى خفض استهلاك الطاقة بنسبة 1 في المائة تقريبا - وهو إنقاذ كبير على حياة النظام.

آثار الإضرار بحجم الإنتاج

ويفرض كل من التقليل من شأن الإنتاج والربحية وإفراطه في فرض عقوبات خطيرة تقوض الإنتاجية والربحية.

النظم الناقصة

وعندما تكون قدرة المقاول أو التخزين صغيرة جدا، لا يمكن للنظام أن يحافظ على الضغط الكافي خلال فترة الذروة المطلوبة، تشمل العهود ما يلي:

• الأدوات تُدار بشكل متبجح أو تُماطل
• أوقات العضلات تزداد كلما تحرك المُلَكّنات أبطأ
• تحميل الضغط/التعبئة أو التشغيل المستمر (التدفئة المفرطة).
• (ج) تقلبات الضغط التي تسبب مشاكل مراقبة العمليات (مثلاً، عدم اتساق طلاء الرذاذ).
• زيادة الحمولة بسبب قضاء الهواء وقتا أقل في المجفف والمستقبل.

وكثيرا ما تؤدي هذه المشاكل إلى قيام مشغليها بطلب ضغط أعلى، مما يزيد من تحميل النظام والطاقة المستعملة، وفي نهاية المطاف، فإن الحل الوحيد هو إضافة القدرة، التي قد تنطوي على إعادة استخدام أو استبدال باهظة التكلفة.

النظم الزائدة

قد يبدو أن الشريك المضخم (أو الذي يخزن بشكل مفرط) هو هامش أمان، ولكنه يُحدث أوجه قصوره الخاصة:

• وتشغل الشركة ضغطا جزئيا (غير محمي) لفترات طويلة، وتهدر الطاقة في ظل استمرار تشغيلها دون ضغط الهواء.
• يؤدي التدوير المفرط إلى ارتدائه على مكونات البداية/التوقف، مما يقلل من حياة المتحكمين والمحركات المضغوطة.
• ويتكبد المنظفون والمرشحون الأكبر تكاليف أولية أعلى وقد يعملون بشكل غير فعال عند انخفاض التدفق.
• وقد يكون ضغط النظام أعلى من اللازم، مما يزيد من معدلات الاحتكاك والتسرب.
• ويدفع المرفق تكاليف الطاقة التي تزيد عن طاقته، سواء في الاستثمارات الرأسمالية أو في نفقات الطاقة الجارية.

والنظام المثالي ليس أكبر نظام، بل هو النظام الذي يطابق الطلب بأكبر قدر ممكن من الدقة، مع منح علاوة معقولة للنمو في المستقبل والأحداث التي تُحدث ذروتا.

أفضل الممارسات لتحقيق فعالية التصنيع وتخطيط القدرات

وفي أعقاب عملية منظمة، تُنتج نظاما يتسم بالكفاءة والقدرة على التكيف، وتُدرج الخطوات التالية توصيات الصناعة من منظمات مثل معهد الهواء والغاز المكثف وبرنامج التكنولوجيات الصناعية التابع لوزارة الطاقة بالولايات المتحدة.

1 - إجراء مراجعة شاملة لحسابات الطيران

استخدام سجلات البيانات لتسجيل التدفق والضغط واستهلاك الطاقة وضغط ساعات التشغيل الضغطية على مدى أسبوع واحد على الأقل، مما يكشف عن التباينات اليومية والموسمية، وتحديد الطلب على خط الأساس، والأحداث التي تبلغ ذروتها، وفترات عدم الطلب (مثل الليالي وعطلات نهاية الأسبوع) على قياس التسرب.

2 - تحديد الاحتياجات في المستقبل

:: إجراء مقابلات مع مديري الإنتاج ومهندسي العمليات لفهم التوسعات المخطط لها، أو المعدات الجديدة، أو التغييرات في حجم الإنتاج، إضافة عامل نمو (من 10 إلى 20 في المائة) إلى الطلب الأقصى المقاس.

3 - نوع الضغط والتحكم

وبالنسبة للنظم ذات الطلب المتغير، كثيرا ما يوفر ضغط أصغر متعدداً مع ضوابط التتابع (أو مضغط واحد للحركة المتغيرة) كفاءة أفضل من وحدة كبيرة ثابتة السرعة في الحمولة، وبالنسبة للحمولات الأساسية المطّردة جداً، يمكن أن يكون السطو المركزي الكبير أو الدوار فعالاً، وينبغي النظر في إعادة التفرغ للتطبيقات الحرجة.

4- تخزين الحجم استناداً إلى أحداث بيك

(أ) بدلاً من الاعتماد فقط على الغالون الواحد لكل قاعدة من قواعد إدارة المواد الكيميائية، حساب التخزين اللازم لإتاحة فترة ذروة محددة دون ضغط أقل من عتبة، والصيغة الخامسة (الحجم × × × / خط = × / خط = صاف = = [FLT:]) / (الحجم: 1 / / خط = = 5)

5 - تصميم خريطة لسقوط الضغط المنخفض

استخدام أكبر قطرات الأنابيب العملية المسموح بها حسب الميزانية والحيز، والحفاظ على سرعة تقل عن 20 قدما في الرصيف وأقل من 30 قدما/سائق في خطوط فرعية، ووضع مقاييس ضغط في نقاط استراتيجية (تفرغ الشاحن بعد التجفيف، بعد الرش، قرب نهاية الخط الرئيسي) لرصد الانخفاضات الفعلية.

6- خطة الرقابة والرصد

تركيب أجهزة قياس التدفق، ومستشعرات الضغط، ومقاييس الطاقة التي تغذي نظام الرصد على نطاق النباتات، وتتيح البيانات في الوقت الحقيقي إجراء تعديلات استباقية وتنبيهات للمشغلين إلى تطوير مشاكل مثل ارتفاع التسرب أو عدم وجود صمامات تحقق.

7- الوثائق والاستعراض الدوريان

فالوضع الأولي هو نقطة البداية فقط، ونظرا لتغيرات الإنتاج، ينبغي إعادة تقييم النظام سنويا، ويمكن أن يستخدم فريق الارتحال أو التحسين المستمر البيانات في جداول تحميل الضغط الحسنة، وتحديد فرص الحفظ.

دراسة حالة: الحق في وضع نباتات للتعبئة

واستخدم مرفق عبوة متوسط الحجم مضخة واحدة من طراز HP تعمل على مدار الساعة، وكان الطلب على الفيك 700 من طراز CFM، ولكن متوسط الطلب لم يتجاوز 400 من طراز CFM. وقد خضع المضغط لتحميل كبير حتى خلال فترات متدنية الطلب، وشهد المصنع هبوطاً في الضغط المتكرر خلال فترة الذروة بعد الظهر، وكشفت مراجعة جوية عن وجود 22 في المائة من التسربات وسقوط الضغط في 12 من خلال أجهزة الاستنشاق.

وشمل الحل ثلاثة تغييرات:

• :: إعادة تشكيل وحدة الـ 200 وحدة من طراز HP الوحيدة مع مضاعفين متغيرين السرعة من طراز HP تسلسلاً متتالياً.
• إضافة خزان استقبال ب500 غالون مخصص لخط عبوة عالية الطلب.
• زيادة رأسها من 3 بوصات إلى 4 بوصات، مما يقلل من انخفاضها إلى 3 بوصات.

وبعد التنفيذ، عمل المضغطون في نطاق حمولة يتراوح بين 50 و 70 في المائة، وانخفض استهلاك الطاقة بنسبة 28 في المائة، وتحسّن استقرار الضغط بحيث انخفضت معدلات رفض الإنتاج إلى 15 في المائة، وعاد المشروع إلى 18 شهرا.

الاعتبارات المسبقة: الطلب المتغير واسترداد الطاقة

السيارات السريعة المتغيرة والتحكم فيها

وبالنسبة للنظم التي تتطلب أكثر من 30 في المائة من المتوسط، فإن مجهزي الدفع المتغير يوفرون وفورات كبيرة، حيث يقوم مركز التنمية البشرية بتعديل سرعة المحرك بحيث يضاهي التدفق، ويزيل نفايات الطاقة التي يتم تفريغها، غير أن لدى شعبة التنمية المستدامة نطاق محدود من التحول (من 25 إلى 10 في المائة من التدفق) وقد لا تكون فعالة في حمولات منخفضة للغاية.

استعادة القدرة على العمل

وتولد نظم الهواء المضغوطة حرارة كبيرة: 90 في المائة من الطاقة الكهربائية التي يستخدمها المضغط تحول إلى حرارة، وفي كثير من المناخ، يمكن استعادة هذه الحرارة لتدفئة الفضاء أو تسخين المياه أو تجهيز الهواء، وينبغي أن يشمل تخطيط القدرات أحكاماً تتعلق بأجهزة التخصيب أو تبادل الحرارة، مما يمكن أن يزيد من كفاءة النظام عموماً إلى أكثر من 80 في المائة (مقارنة بنسبة 15 إلى 20 في المائة بالنسبة للهواء المكسور وحده).

حالات سوء السلوك المشتركة إلى أفويد

حتى المهندسين ذوي الخبرة يمكن أن يوقعوا في فخ، راقبوا هذه الأخطاء المتكررة:

• على افتراض أن الشريك الأكبر هو دائما أفضل للموثوقية.
• تجاهل الضغط ينزل من أجل رفع الضغط الضغط الضغط الضغطي
• وعدم حساب النمو في المستقبل، مما يؤدي إلى نقص مبكر في النمو.
• استخدام الأنابيب المقطعية للهواء المضغوط بسبب انخفاض التكلفة، مما يُحتمل حدوث فشل كارثي.
• إغفال حساب حجم التخزين استناداً إلى أحداث الذروة الفعلية.
• ونسيان أن الجاف والمرشحات لها أيضاً متطلبات دنيا من التدفق.

الاستنتاج: عملية مستمرة، لا حدث واحد

ولا تشكل عمليات وضع النظم الناموسية وتخطيط القدرات مهام ثابتة، بل تتطلب استثمارا أوليا في جمع البيانات والهندسة المدروسة، تليها عمليات استعراض دورية، حيث تتطور العمليات، وتقاس المدفوعات بفواتير أقل في مجال الطاقة، وتخفض الصيانة، وتزيد الإنتاجية، وتخفض عدد حالات الإغلاق الطارئة، وتطبق المبادئ المبينة في هذا التقرير، وتختار عناصر ذات هوامش مناسبة، وتصمم لتقليل الضغط، وتدمج مرافق الرصد الفعالة يمكن أن تتحول من حيث التكلفة.

وتوفّر منظمات مثل ] معهد الهواء والغاز المكسور و، أو إدارة التصنيع المتقدم للطاقة موارد وأدوات إضافية لتحقيق الاستخدام الأمثل للنظام، كما أن التعاقد مع أخصائي في تحديد الأهداف (مثلاً، نظام الاختبارات).