التكلفة السنوية الفعلية للكهرباء لنظام توليد النيتروجين بالامتزاز الضاغط (PSA) الكامل: تفصيل كامل للطاقة

يتجاهل العديد من مشغِّلي المصانع تفصيلًا حاسمًا عند حساب تكاليف التشغيل لمُولِّدات النيتروجين المُعتمدة على امتصاص التأرجح بالضغط (PSA): وحدة إنتاج النيتروجين الأساسية تستهلك كهرباءً ضئيلة جدًّا. أما الاستهلاك الحقيقي للطاقة فينبع من نظام ضغط الهواء والتنقية المُسبق في المرحلة الأمامية. وتتناول هذه المقالة بشكل تفصيلي استهلاك الطاقة السنوي الفعلي لمنظومة توليد النيتروجين الكاملة، استنادًا إلى ظروف التشغيل الصناعية القياسية، مع تقديم مراجع دقيقة للتكاليف تفيد مؤسسات التصنيع.

المبدأ التشغيلي الأساسي لمُولِّدات النيتروجين المُعتمدة على امتصاص التأرجح بالضغط (PSA)

يعتمد فصل النيتروجين باستخدام تقنية الامتصاص الضاغط المتغير (PSA) على اختلاف معدلات الامتصاص التي تُظهرها الغرابيل الجزيئية الكربونية لجزيئات النيتروجين والأكسجين في الهواء المحيط. وباستخدام التبديل الآلي للصمامات، يفصل النظام النيتروجين عن الأكسجين وبخار الماء والشوائب العالقة في الهواء. ومن الجدير بالذكر أن وحدة مولد النيتروجين الرئيسية لا تحتوي على محركات ذات قدرة كهربائية عالية أو مكونات تسخين أو أجزاء تعمل تحت ضغط مرتفع. أما المكونات التشغيلية الوحيدة فيها فهي أنظمة تحكم PLC، وصمامات اتجاهية كهرومغناطيسية، وأجهزة استشعار ضغط، وغيرها من القطع المساعدة ذات الاستهلاك المنخفض للطاقة، ما يجعل استهلاكها للطاقة ضئيلًا جدًّا ضمن ميزانيات الطاقة في الأنظمة الصناعية.

الظروف التشغيلية القياسية للاختبار

لضمان دقة بيانات الطاقة وملاءمتها للمعايير الصناعية، تستند جميع الحسابات إلى ظروف صناعية قياسية ثابتة: تدفُّق خرج النيتروجين ١٠٠ نيو متر مكعب في الساعة، ونقاء النيتروجين ٩٩,٩٩٪، ونقطة الندى للغاز النهائي -٦٠ درجة مئوية، وضغط خرج النيتروجين ٠,٦ ميجا باسكال، ودرجة حرارة الجو المحيط ٢٠ درجة مئوية، وارتفاع ٢٠٠ متر عن سطح البحر، ونسبة الهواء إلى النيتروجين ٤,٠، مع استبعاد استهلاك طاقة مضخة ماء التبريد.

تفكيك استهلاك الطاقة للنظام الكامل

١. ضاغط الهواء (٨٦٪ من إجمالي استهلاك الطاقة)

لا يمكن معالجة هواء الجو مباشرةً بواسطة مولِّدات النيتروجين. ولذلك، يلزم استخدام ضواغط الهواء لضغط هواء الجو إلى نطاق ٠,٧–٠,٨ ميجا باسكال لتوفير غاز أولي مستقر لإنتاج النيتروجين. وبما أن الظروف التشغيلية القياسية المذكورة أعلاه تتطلب ضاغط هواء بقدرة ٣٧ كيلوواط، فإن هذا الضاغط يشكِّل ٨٦٪ من إجمالي استهلاك الطاقة في النظام  — أي العنصر الرئيسي المطلق من حيث استهلاك الطاقة في النظام بأكمله.

٢. جافِّ الهواء المبرَّد (٥,٣٪ من إجمالي استهلاك الطاقة)

بصفته جهاز تنقية رئيسي، يُزيل مُجفِّف الهواء المبرَّد الماء السائل وبخار الماء ذا الجسيمات الكبيرة من الهواء المضغوط، ويقلل رطوبة الهواء مُقدَّمًا، مما يخفِّف بشكلٍ كبيرٍ الحمل التشغيلي لمُجفِّف الامتصاص اللاحق. استهلاك الطاقة المُناسب لهذا الجهاز هو ٢,٣ كيلوواط، ويمثِّل ٥,٣٪ من إجمالي استهلاك طاقة النظام.

٣. مُجفِّف امتصاصي حراري ميكروي (٨,٣٪ من إجمالي استهلاك الطاقة)

لا يأتي استهلاك الطاقة في مُجفِّف الامتصاص الحراري الميكروي من التشغيل المستمر، بل من التسخين الدوري أثناء عملية التجديد. فالتسخين المنتظم وإطلاق الضغط والتطهير ضروريان لإزالة بخار الماء العميق الممتص بواسطة الغرابيل الجزيئية، والحفاظ على معيار نقطة الندى الفائقة الانخفاض عند سالب ٦٠ درجة مئوية، وحماية عمر غرابيل الكربون الجزيئية في مولِّد النيتروجين وكفاءتها التشغيلية. واستهلاك طاقته المُناسب هو ٣,٦ كيلوواط، ويمثِّل ٨,٣٪ من إجمالي استهلاك طاقة النظام.

يجب ملاحظة أن جهاز التجفيف المبرد وحده لا يمكنه تلبية متطلبات نقطة الندى العميقة عند -٦٠°م لإنتاج النيتروجين عالي النقاء، ما يجعل جهاز التجفيف الامتصاصي جهاز تنقية أساسيًّا لا غنى عنه في ظروف العمل ذات المعايير العالية.

العوامل الخفية المؤثرة في استهلاك الطاقة للنظام

١. تأثير الارتفاع عن سطح البحر

تعتمد الحسابات القياسية على ارتفاع ٢٠٠ متر، حيث يكون انخفاض كثافة الهواء ضئيلًا جدًّا، وتُراعى هامش التصميم للمعدات التقليدية لتعويض خسائر الهواء المُستَهلك البسيطة. أما في بيئات العمل التي يزيد ارتفاعها عن ٣٠٠ متر عن سطح البحر، فإن كل زيادة قدرها ١٠٠ متر في الارتفاع تؤدي إلى فقدان ١٪ من كمية الهواء المُستَهلك، مما يتطلب إنتاج طاقة إضافية لتعويض هذا النقص ويرفع التكلفة الإجمالية للكهرباء.

٢. تقلبات درجة حرارة الجو المحيط

تبلغ درجة الحرارة المثلى لتصميم معدات توليد النيتروجين ٢٠°م، وهي درجة حرارة تتميز بكثافة هوائية عالية ورطوبة مستقرة للحفاظ على استهلاك الطاقة القياسي. وإذا ارتفعت درجة حرارة الورشة إلى ما بين ٣٥ و٤٠°م، فإن كثافة الهواء تنخفض ومحتواه من البخار المائي يزداد بشكل حاد، ما يؤدي مباشرةً إلى زيادة إجمالية في استهلاك الطاقة للنظام تفوق ١٠٪.

٣. اختلاف نسبة الهواء إلى النيتروجين

يستند الحساب القياسي إلى نسبة هواء إلى نيتروجين قدرها ٤,٠. وأي انحراف عن هذه النسبة المثلى يؤدي إلى زيادة كبيرة في استهلاك الطاقة، مما يُشكّل فجوة ملحوظة في التكاليف على المدى الطويل.

الخلاصة الرئيسية

أما بالنسبة للمؤسسات الصناعية التي تستخدم أنظمة توليد النيتروجين بالامتزاز الضاغط (PSA)، فيجب أن يركّز تحسين الكفاءة الطاقية وتقليل تكاليف الكهرباء على ترقية وضبط ضواغط الهواء ومعدات التنقية المسبقة، بدلًا من وحدة توليد النيتروجين ذات الاستهلاك المنخفض للطاقة. كما أن الارتفاع عن سطح البحر ودرجة الحرارة المحيطة ونسبة الهواء إلى النيتروجين عوامل رئيسية لا يجوز تجاهلها في التحكم اليومي في تكاليف الطاقة.