النظام المتكامل للعمليات الصناعية القائمة على الكهرباء

تحليل النظام المتكامل للعمليات الصناعية القائمة على الكهرباء

يدمج النظام المتكامل متعدد الطاقة الموزع (DIMS) توليد ونقل واستهلاك وتخزين أنظمة القدرة المتعددة، بما في ذلك الكهرباء والتدفئة والتبريد والغاز معاً، وهي تقنية فعالة لتحقيق أعلى الكفاءة والموثوقية، ونظراً للطلب الثابت نسبياً على الطاقة مع كثافة طاقة أعلى؛ فإن المجمع الصناعي هو نموذج (DIMS)، كما وقد تم نشره على نطاق واسع في الممارسة العملية.

وفي الوقت نفسه مقارنةً بالمستهلكين السكنيين والتجاريين؛ تستهلك المنشآت الصناعية المزيد من الطاقة الكهربائية، وذلك بحوالي 54٪ من إجمالي “الطاقة المنتجة” في العالم، إلى جانب ذلك؛ فإن الطلب الأكثر أهمية على الطاقة في المجمعات الصناعية هو حمل الإنتاج، حيث أنه مشروع مهم لتحسين كفاءة استخدام الطاقة للإنتاج الصناعي لتعزيز تنمية الطاقة.

بالنسبة إلى (DIMS) للمجمع الصناعي، توفر عملية الإنتاج الصناعي (IPP) مزيداً من المرونة والاقتران، و بالمقارنة مع (DIMS) العام؛ فإنه يمكن لمديري المجمعات الصناعية التحكم في حالة التشغيل من كلا جانبي العرض والطلب، وعلى جانب العرض على غرار (DIMS) العام ؛ فإن هناك العديد من أنواع أجهزة الطاقة المحلية مثل الحرارة والطاقة المشتركة (CHP) والطاقة الكهروضوئية (PV)، بالإضافة إلى أجهزة تحويل الطاقة الأخرى مثل المضخة الحرارية (HP) والامتصاص مبرد (AC).

ومن ناحية الطلب، تعمل المجمعات الصناعية مع عمليات إنتاج معقدة تتوافق مع متطلبات الطاقة المتعددة، والتي تعتبر تقليدياً حمولة بلمرة، ومع ذلك؛ فإن (IPP) عبارة عن مجموعة من الخطوات المختلفة ويمكن تقسيمها إلى مهام فرعية متعددة قابلة للتعديل.

كما يوفر (IPP) المزيد من وسائل التحكم والمرونة لتتناسب مع تعديل نظام الطاقة، بحيث يمكن أن يساهم الاقتران بين (IPP) ومتطلبات الطاقة في تحسين نظام الطاقة بالكامل في المصنع الصناعي، مما يقلل من تكاليف التصنيع، وبهذه الطريقة؛ فإنه يمكن جدولة (DIMS) للمجمع الصناعي من خلال دمج كل من (IPP ، DIMS).

لذلك كانت هناك العديد من الدراسات النظرية لتحسين عملية (DIMS) في طريقة النمذجة وتحليل النظام في عام (2007)، بحيث طرح المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا مفهوم مركز الطاقة (EH)، وهو نموذج عالمي لوصف تحويل وتوزيع الطاقات المتعددة، كما يسهل النموذج القائم على (EH) حساب تدفقات الطاقة في (DIMS)، وذلك فضلاً عن تحسين التشغيل والتخطيط.

النموذج العالمي لـ IPP

الهدف من الإنتاج الصناعي هو تحقيق العائد المخطط، والذي يتبع نقل المواد الخام، وغالباً ما يكون (IPP) الكامل عبارة عن مزيج من سلسلة من العمليات المعقدة مع قيود زمنية صارمة، بحيث يتم تحويل المواد الخام على خطوط التجميع، وهي مصحوبة باستهلاك متعدد للطاقة، بما في ذلك التبريد والتدفئة والكهرباء، لذلك نحتاج أولاً إلى نمذجة (IPP) وفقاً لتدفق المواد بناءً على إطار وقيود الإنتاج الفعلي.

الاطار الخاص بـ (IPP)

يتكون (IPP) الكامل من خطوات مختلفة من المواد إلى المواد شبه المصنعة، و مع نهاية المنتج النهائي، توجد سلسلة من خطوط التجميع في محطات عمل مختلفة في الإنتاج المعقد، إلى جانب ذلك تمتلك المصانع المختلفة منتجات وعمليات إنتاج مختلفة، ومنذ ذلك الحين هناك حاجة إلى إطار عالمي لوصف (IPP) للمجمع الصناعي (DIMS).

وعند تحديد المهام الفرعية، تكون قيود التوقيت بين الأجهزة مهمة؛ فإنه يجب أن تحتوي المهام الفرعية على سلسلة من الأجهزة ذات قيود زمنية صارمة ويمكن جدولتها بشكل مستقل، وفي المصنع الفعلي توجد روابط تخزين لتخزين المواد، كما يتم استخدام المستودع لتخزين المنتجات شبه النهائية ويصبح رابط فصل في (IPP)، واستناداً إلى روابط التخزين، يتم تعريف (IPP) بثلاث مهام فرعية، بما في ذلك المهام الفرعية المستمرة والمهام الفرعية المنفصلة ومهمة التخزين الفرعية.

مهمة فرعية مستمرة: يمثل هذا النوع من المهام الفرعية مجموعة من الخطوات المستمرة مع قيود توقيت صارمة لا يمكن تشغيلها بشكل مستقل قبل إنشاء الخطوة السابقة، وفي تفاعل نظام الطاقة، يمكن مقارنة المهمة الفرعية المستمرة بجهاز ذي طاقة ثابتة، وما يمكننا التحكم فيه هو حالة العمل التي يمكن تشغيلها أو إيقاف تشغيلها، كما أن الحالة النموذجية هي عملية خط الأنابيب أحادي الاتجاه.

مهمة فرعية منفصلة: يمثل هذا النوع من المهام الفرعية نوعاً من المهام التراكمية، حيث يجب معالجة المواد غير النهائية في عدة فترات متتالية، وبهذه الطريقة يمكن ضبط نقطة التشغيل بدون قيود توقيت صارمة من خلال التحكم في عدد المنتجات ويمكن اعتبار المهمة الفرعية المنفصلة كجهاز يمكننا إدارته بقوة مرنة وقابلة للتعديل إلى جانب حالة التبديل. التمثيل النموذجي هو اختبار شحن وتفريغ البطارية.

مهمة التخزين الفرعية: يستخدم هذا النوع من المهام الفرعية لوصف مستودع المواد، كما أنه مشابه لتخزين الطاقة من حيث خصائص التشغيل، كذلك هناك قيود متطابقة بين المدخلات والمخرجات والسعة مقارنة بتخزين الطاقة، بحيث يوضح الشكل التالي (1) إطار عمل (IPP)، والذي يتمثل جزئه الأساسي في التخطيط من المواد إلى المنتج النهائي.

القيود الخاصة بـ (IPP)

تسليم المواد هو رابط مادي بين العمليات المختلفة، كما تحدد قيود المنتجات الطلب على الطاقة للإنتاج الصناعي لأن ناتج الإنتاج يرتبط ارتباطاً مباشراً باستهلاك الطاقة، لذلك يتم أولاً إنشاء نموذج رياضي لقيود الإنتاج بناءً على إنتاج المواد ونقلها.

مهمة فرعية مستمرة: إن خاصية المهمة الفرعية المستمرة هي أنه لا يمكن التحكم إلا في حالة التشغيل والإيقاف لمحطة العمل دون ضبط ثابت، بالإضافة إلى ذلك يعد الحد الأدنى من قيود وقت التبديل لكل مهمة فرعية أمراً ضرورياً.

مهمة فرعية منفصلة: مقارنة بالمهمة المستمرة؛ فإنه يمكن ضبط ناتج المهمة الفرعية المنفصلة أكثر من حالة التبديل، وعلاوة على ذلك يمكن أيضاً التحكم في إخراج المهمة الفرعية.

مهمة التخزين الفرعية: مرحلة التخزين عبارة عن مخزن مؤقت بين المهمتين الفرعيتين ويفصل الخطوتين المتصلتين، وعلى غرار تخزين الطاقة توجد قيود على السعة في المستودع.

اقتران (IPP) ونظام الطاقة

ينعكس اقتران (IPP) ونظام الطاقة في الطلب على الطاقة لكل مهمة فرعية، ولتحليل علاقة الاقتران؛ فإنه يجب أولاً تقسيم (IPP) في منطقة صناعية إلى مهام فرعية، ولكل مهمة فرعية يجب إنشاء العلاقة المقابلة بين الطلب على الطاقة وإنتاج الناتج لهذه المهمة الفرعية، ومن خلال الطلب على الطاقة؛ فإنه يتم توصيل (IPP) بنظام الطاقة، ولإنشاء اقتران (IPP) ونظام الطاقة؛ فإنه يتم تحليل الطلب على الطاقة في (IPP) بشكل أكبر تحت مقياس الإرسال لنظام الطاقة.

لذلك تحتوي كل مهمة فرعية على روابط إنتاج متعددة، وعند حساب القوة المقابلة لمهمة فرعية، نحتاج إلى تحديد القوة المقدرة لتمثيل المهمة الفرعية بأكملها بشكل جماعي، وبافتراض أن المهمة الفرعية تحتوي على أربعة روابط إنتاج،  يوضح الشكل التالي (2) العلاقة بين القدرة والوقت، بحيث تمثل كل خطوة في الشكل تشغيل وإيقاف تشغيل الأجهزة المقابلة، أما المنحنى الأحمر هو قوة التشغيل الفعلية لمهمة فرعية، والجزء المحاط بالمنحنى الأحمر والمحور الأفقي هو الطاقة الفعلية المستهلكة.