تُعدّ تكلفة الطاقة أكبر بند في نفقات التشغيل لفرن ذي موقد متحرك يعمل بالغاز. فبالنسبة لفرن بقدرة 5 ميغاواط يعمل 6000 ساعة سنويًا باستخدام الغاز الطبيعي بسعر 0.35 دولار للمتر المكعب، تتراوح فاتورة الغاز السنوية بين 400,000 و500,000 دولار. ويؤدي خفض هذه الفاتورة بنسبة 15-25% إلى توفير ما بين 60,000 و125,000 دولار سنويًا في ميزانية التشغيل، وهو مبلغ كافٍ لتغطية تكلفة تحديث نظام التحكم بالكامل خلال سنتين إلى ثلاث سنوات.
أجرت شركة مونتي إنتليجنس عمليات تدقيق للطاقة على عشرات أفران التدفئة ذات المواقد المتحركة في مواقع العمل. وقد وجدنا أن معظم الأفران التي يزيد عمرها عن خمس سنوات تحتوي على فرص لتحسين كفاءة الطاقة لا يدركها المشغلون. تشرح هذه المقالة منهجية التدقيق التي اتبعناها وأبرز النتائج.
تبدأ عملية تدقيق الطاقة بحساب توازن الحرارة. بالنسبة لفرن دفعي يُعالج حمولة واحدة في كل دورة، تشمل مدخلات الحرارة الطاقة الناتجة عن احتراق الوقود، والحرارة المحسوسة لهواء الاحتراق (في حال تسخينه مسبقًا)، والحرارة المنبعثة من أكسدة الحمولة (وهي كمية ضئيلة، وعادةً ما يتم تجاهلها). أما مخرجات الحرارة فتشمل الحرارة المفيدة التي تمتصها الحمولة، والحرارة المفقودة في غازات الاحتراق، والحرارة المفقودة عبر جدران الفرن وبابه، والحرارة المفقودة نتيجة تسرب الهواء، والحرارة المخزنة في هيكل الفرن (التي تُطلق أثناء التبريد ولكنها تُفقد بين الدورات)، والحرارة المفقودة عبر الفتحات، والوصلات، وغيرها من المسارات.
تُحسب الحرارة المفيدة - وهي الطاقة التي تُسخّن قطع العمل فعليًا - من كتلة قطعة العمل، وحرارتها النوعية، وارتفاع درجة حرارتها. فعلى سبيل المثال، بالنسبة لحمولة من الفولاذ تزن 20 طنًا، مُسخّنة من 20 درجة مئوية إلى 850 درجة مئوية، بمتوسط حرارة نوعية يبلغ 0.55 كيلوجول/كيلوجرام·كلفن، فإن الحرارة المفيدة تساوي 20000 × 0.55 × 830 = 9130 ميجاجول، أو ما يُعادل 2536 كيلوواط ساعة تقريبًا، أي ما يُقارب 260 مترًا مكعبًا من الغاز الطبيعي.
يُقاس إجمالي استهلاك الغاز للدورة بواسطة عداد الغاز في الفرن. إذا أشار العداد إلى استهلاك 520 مترًا مكعبًا، فإن كفاءة الفرن تبلغ 260/520 = 50%. أما الكمية المتبقية البالغة 260 مترًا مكعبًا - والتي تُقدّر قيمتها بحوالي 90 دولارًا أمريكيًا لكل دورة - فتُفقد عبر مسارات فقدان الحرارة المختلفة. تُحدد عملية التدقيق هذه المسارات وتُقدّر كميتها لتحديد فرص التوفير.
يُعدّ فقدان الحرارة عبر غازات الاحتراق عادةً أكبر مسار للفقد، إذ يُمثّل ما بين 30% و50% من إجمالي استهلاك الغاز. تخرج غازات الاحتراق من الفرن عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة تشغيل الفرن - فإذا كانت درجة حرارة الفرن 1000 درجة مئوية، فقد تكون درجة حرارة غازات الاحتراق بين 900 و950 درجة مئوية - حاملةً معها كمية كبيرة من الحرارة المحسوسة. يُمكن حساب المحتوى الحراري من معدل تدفق غازات الاحتراق ودرجة حرارتها وتركيبها.
يتضمن تقليل فقد غازات الاحتراق استراتيجيتين: تقليل الهواء الزائد، واستعادة الحرارة من غازات الاحتراق. الهواء الزائد هو الهواء المُزوَّد فوق النسبة المطلوبة للاحتراق. عند نسبة 50% من الهواء الزائد - وهي نسبة شائعة - يكون حجم غازات الاحتراق أعلى بنحو 30% مما هو عليه عند نسبة 10%، ويجب تسخين هذا الهواء الزائد من درجة حرارة المحيط إلى درجة حرارة غازات الاحتراق. يمكن أن يؤدي تقليل الهواء الزائد من 50% إلى 10% إلى تحسين كفاءة الفرن بنسبة 3-5%. يتطلب ذلك التحكم في نسبة الأكسجين في الموقد - باستخدام مستشعر لامدا في قناة غازات الاحتراق، والذي يوفر بيانات فورية لمخمد هواء الاحتراق.
تستخدم تقنية استعادة الحرارة المهدرة مُسترجعًا أو مُجددًا لنقل الحرارة من غازات الاحتراق إلى هواء الاحتراق. يُمكن لتسخين هواء الاحتراق مُسبقًا إلى 400 درجة مئوية تحسين كفاءة الفرن بنسبة 15-25%، لأن الهواء المُسخن مُسبقًا يُقلل من كمية الوقود اللازمة للوصول إلى درجة حرارة الاحتراق. تُعد المُسترجعات - وهي مُبادلات حرارية غازية، عادةً ما تكون من نوع الأنابيب والأسطوانات أو الألواح - التقنية الأكثر شيوعًا، ويمكنها تحقيق فعالية استعادة حرارة تتراوح بين 50-60%. أما الحارقات التجديدية، التي تستخدم طبقات من وسائط السيراميك التي تمتص الحرارة وتُطلقها بالتناوب، فيمكنها تحقيق استعادة حرارة تتراوح بين 80-90%، ولكن بتكلفة رأسمالية أعلى.
يعتمد فقد الحرارة عبر الجدران على سُمك المادة المقاومة للحرارة، والتوصيل الحراري، ودرجة حرارة الجدار الخارجي. بالنسبة لفرن يعمل عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية مع عزل من ألياف السيراميك بسُمك 300 مم (توصيل حراري 0.15 واط/متر·كلفن عند متوسط درجة الحرارة)، يبلغ فقد الحرارة عبر الجدران حوالي 500 واط لكل متر مربع. بالنسبة لفرن تبلغ مساحة جداره 100 متر مربع، فإن هذا يُعادل فقدًا مستمرًا قدره 50 كيلوواط، أي ما يُقارب 4.3 متر مكعب من الغاز في الساعة، أو ما يُقارب 1.50 دولار أمريكي في الساعة.
يُعد قياس درجة حرارة سطح الجدار الخارجي باستخدام مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء أسلوبًا بسيطًا للتدقيق. أي منطقة من الجدار تزيد درجة حرارتها عن المتوسط بأكثر من 20 درجة مئوية تشير إلى وجود فجوة في العزل، أو خلل في التثبيت، أو بقعة ساخنة ناتجة عن لهب موقد داخلي يلامس الجدار. يمكن إصلاح هذه البقع الساخنة أثناء الصيانة الدورية المجدولة باستبدال وحدات العزل المتضررة.
يُعدّ تسرب الهواء من الباب والمانع التسرب أصعب مصادر فقدان الطاقة من حيث التحديد الكمي، ولكنه غالبًا ما يكون الأسهل إصلاحًا. تبلغ مساحة فجوة بعرض 3 مم حول محيط باب أبعاده 4 أمتار × 3 أمتار حوالي 0.042 متر مربع. عند ضغط فرن نموذجي يبلغ 10 باسكال، يتسبب تسرب الغاز الساخن عبر هذه الفجوة في فقدان كمية كبيرة من الطاقة - حوالي 10-15 كيلوواط لفرن درجة حرارته 1000 درجة مئوية. يكمن الحل في استبدال مانع تسرب الباب، وهي مهمة تستغرق من فريق الصيانة حوالي أربع ساعات وتكلف بضع مئات من الدولارات للمواد.
يُعدّ تسرب الهواء - أي تسرب الهواء البارد إلى الفرن عبر الفجوات في هيكله، وحول الباب، وحول فتحات الموقد، وعبر منافذ الفحص - السبب الخفي لهدر الطاقة. لا يقتصر تأثير الهواء المتسرب على تبديد الحرارة (إذ يُزيح الهواء البارد الداخل الغاز الساخن الذي يجب أن يخرج)، بل يُسبب أيضًا أكسدة المادة المحترقة، وقد يُؤدي إلى تفاوت درجات الحرارة. يُقدّم تحليل الاحتراق دليلًا غير مباشر على تسرب الهواء: فإذا كان محتوى الأكسجين في غازات الاحتراق أعلى من المتوقع بناءً على إعدادات الموقد، فإنّ الأكسجين الزائد ناتج عن التسرب.
ينبغي أن يتضمن تقرير التدقيق قائمةً مُرتبةً حسب الأولوية لتدابير ترشيد الطاقة، مع تقدير التكلفة والوفورات المتوقعة وفترة استرداد التكلفة. وتشمل تدابير ترشيد الطاقة النموذجية لفرن ذي موقد متحرك، مرتبةً حسب تزايد فترة استرداد التكلفة، ما يلي: إصلاح أختام الأبواب (فترة استرداد التكلفة أقل من شهر)، وضبط نسبة الهواء إلى الغاز في الموقد (فترة استرداد التكلفة أقل من 3 أشهر)، وإصلاح النقاط الساخنة في المادة الحرارية (فترة استرداد التكلفة من 3 إلى 6 أشهر)، وتركيب جهاز تحكم في نسبة الأكسجين (فترة استرداد التكلفة من 6 إلى 12 شهرًا)، وتركيب جهاز استرداد الحرارة (فترة استرداد التكلفة من 12 إلى 24 شهرًا).
تقدم شركة MONTE INTELLIGENCE خدمات تدقيق الطاقة التي تشمل القياسات في الموقع، وحساب توازن الحرارة، وتحديد كفاءة الطاقة، ودعم التنفيذ.
لجدولة تدقيق الطاقة لفرن الموقد ذي العربة، يرجى الاتصال بـ helenxu@cnlymonte.com.
