مصرف انرژی در تجهیزات دوار

در ادبیات مهندسی “تجهیزات دوار” (یا Rotary Equipment) یا به تجهیزات موتوری مانند پمپ ها، کمپرسورها و فن ها اطلاق می شود که مصرف کننده انرژی (عمدتاً الکتریکی) هستند و یا به تجهیزاتی مانند توربین ها و ژنراتورها که عامل تبدیل یا بهره برداری از انرژی جنبشی سیالات می باشند. از آنجا که بحث اصلی در این نوشته مصرف انرژی است، لذا مقصود از تجهیزات دوار، تجهیزات مصرف کننده انرژی، یعنی پمپ، کمپرسور و فن می باشد. 

تجهیزات دوار با مصرف انرژی توسط موتورهای الکتریکی، احتراق داخلی یا توربین ها باعث جابجایی سیال عامل (مایع در پمپ ها و گاز در کمپرسور و فن) در سیستم ها شده و وظیفه ای که بر عهده آنها قرار داده شده است را انجام می دهند. این وظیفه ممکن است تخلیه یک مخزن، خنک کردن یک مبدل، تامین فشار هوای یک شیر کنترل نیوماتیکی، تهویه یک سالن یا هر وظیفه دیگری باشد.

نگاهی به مطالعات انجام شده در دو دهه اخیر به میزان و نحوه مصرف انرژی این تجهیزات در برخی کشورهای توسعه یافته (که خلاصه ای از آنها در ادامه آورده خواهد شد)، نشان دهنده این واقعیت است که حتی کشورهای پیشرفته جهان نیز نیازمند ایجاد یک تحول در نحوه مصرف این انرژی هستند، آن هم در عصری که بحران انرژی و گرمایش کره زمین جزو مشکلات اساسی و مطرح دنیاست. نتایج حاصل از این مطالعات هر مهندسی را به این فکر فرو خواهد برد که اگر در کشورهای پیشرفته و صاحب تکنولوژی مهندسی، انرژی اینگونه تلف می شود، پس در کشورهای درحال توسعه ای مانند کشور ما وضعیت اتلاف انرژی این تجهیزات چقدر است؟

شاید مطالعات نروژی ها در سالهای ۱۹۹۱ تا ۱۹۹۴ را بتوان آغازگر موج جدید این بررسی ها دانست. آنها با مطالعه ۱۶۹۰ پمپ در بیش از ۲۰ کارخانه، دریافتند که متوسط راندمان سیستم های پمپاژ موجود زیر ۴۰ درصد بوده و بیش از ده درصد سیستم ها با راندمانی کمتر از ۱۰ درصد کار می کنند!.

پس از آن نوبت آمریکایی ها بود که وضعیت مصرف انرژی سیستم های موتوری خود را ارزیابی کنند. لذا موسسه US-DOE در فاصله سالهای ۱۹۹۴ تا ۱۹۹۸ مطالعات جامعی بر روی تجهیزات موتوری (الکتریکی)  در بسیاری از کارخانجات آمریکا انجام داده و نتایج آنرا در قالب گزارشی به نام:

US Industrial Electric Motor System Market Opportunities Assessment منتشر ساختند.

این گزارش کل مصرف انرژی الکتریکی موتورهای صنعتی آمریکا را برابر۶۳ درصد کل برق صنعتی و حدود ۲۳ درصد کل برق تولیدی در این کشور بیان می کند و نشان می دهد بیش از ۶۲ درصد برق موتورهای صنعتی در تجهیزات دوار مصرف می شود که شامل ۲۵ درصد در پمپ ها، ۱۶ درصد در کمپرسورهای هوا، ۱۴ درصد در فن ها و ۷ درصد در کمپرسورهای سیستم های سرمایش می باشد.

این ارقام حاکی از آنست که هر یک از تجهیزات دوار صنعتی به تنهایی یک مصرف کننده عمده انرژی الکتریکی به شمار می آیند. ضمن آنکه باید به خاطر داشت این آمار شامل تجهیزات دوار بخش های خانگی، کشاورزی، تجاری و عمومی نمی باشد که آنها نیز سهم عمده ای در مصرف انرژی الکتریکی کشورها دارند. به عنوان نمونه بر اساس آمارهای منتشر شده دیگر، تنها پمپ های کلیه بخش ها (صنعتی، خانگی، کشاورزی …) بیش از ۲۰ درصد کل برق تولیدی جهان را مصرف می کنند.

نکته قابل توجه در خصوص مصرف انرژی این تجهیزات، میزان پتانسیل کاهش مصرف در آنها یا به عبارت دیگر مقدار انرژی واقعی مورد نیاز فرایند آنها در مقایسه انرژی مصرفی آنهاست. این موضوع ضمن آنکه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، به نوعی بستگی به نحوه نگرش و عمق نگاه ما به مسئله انرژی مورد نیاز فرایند برای انجام وظیفه محوله دارد و لذا در ادامه خواهیم دید که تخمین های ارائه شده در مورد پتانسیل کاهش در رنج وسیعی متفاوت است.

ابتدا به ارقام ارائه شده در گزارش US-DOE می پردازیم. در این گزارش ذکر شده است که برای تخمین میزان پتانسیل کاهش مصرف انرژی از تعدادی از متخصصان این زمینه درخواست شده است که تخمین های خود را در این خصوص ارائه دهند. به عنوان نمونه برای سیستم های پمپاژ، پتانسیل های موجود در کاهش مصرف انرژی در پنج دسته زیر خلاصه شده اند:

۱-    کاهش نیاز کلی سیستم

۲-    متناسب ساختن سایز پمپ با نیاز سیستم

۳-    کاهش یا کنترل سرعت پمپ

۴-    بهبود قطعات پمپ

۵-    بهبود بهره برداری و نگهداری

در جدول زیر اعداد داده شده Low و High، رنج کاربرد تخمین ارائه شده برای هر یک از این دسته ها در سیستم های پمپاژ موجود، توسط متخصصان مختلف را نشان می دهد، که در برخی موارد تخمین ها بیش از ۳ برابر تفاوت دارند. در نهایت این گزارش با استفاده از مقدار میانگین (Midrange) این تخمین ها و درصد پتانسیل کاهش هریک از دسته ها، مقدار پتانسیل کلی کاهش ۱/۲۰ درصدی را برای سیستم های پمپاژ پیش بینی کرده است. با استفاده از همین روش پتانسیل کاهش در مصرف انرژی سیستم های کمپرسور هوا و فن ها نیز به ترتیب برابر ۱/۱۷ و ۵/۵ درصد بدست آمده اند. این مقادیر بدون در نظر گرفتن پتانسیل افزایش راندمان موتورهای الکتریکی است که خود به طور میانگین ۳/۴ درصد قابلیت افزایش دارد.

در سال ۱۹۹۹ اما Paul Hawken نویسنده کتاب Natural Capitalism که با دیدی منتقدانه به بیان نمونه هایی از اتلافات باورنکردنی انرژی و سایر منابع طبیعی توسط بشر پرداخته است، مثالی را نیز در خصوص سیستم های پمپاژ صنعتی آورده و نشان داد که میزان انرژی واقعی مورد نیاز یک پمپ تا چه اندازه می تواند با انرژی مصرفی آن که نتیجه طراحی متخصصان این فن است، متفاوت باشد.

در این کتاب داستان آموزنده احداث یک کارخانه فرش بافی آمریکایی در شانگهای چین نقل شده است که طی آن مهندسان آمریکایی پس از محاسبات و بهینه سازی های یک سیستم، برای آن ۱۴ پمپ با توان ۹۵ اسب در نظر گرفتند. اما بررسی یک مهندس هلندی به نام John Schilham، که آموزش های بهینه سازی مصرف انرژی را نزد استاد سنگاپوری به نام Lock Lee دیده بود، منجر به طراحی مجدد سیستم و کاهش توان پمپ ها به ۷ اسب بخار شد و کاهشی ۹۲ درصدی در مصرف انرژی سیستم بوجود آورد ضمن آنکه هزینه های اولیه سیستم را نیز کاهش داد. صرفنظر از روش کار Schilham که ارزش آموختن دارد، این داستان نشان می دهد پتانسیل کاهش مصرف انرژی، حداقل در برخی سیستم ها می تواند بسیار بالا باشد. Shilham با دو تغییر عمده اولاً از لوله هایی با سایز بالاتر استفاده نموده (انرژی مورد نیاز پمپ با توان پنجم قطر لوله کاهش می یابد) و ثانیاً برعکس روش متداول مهندسی، قبل از جانمایی تجهیزات، ابتدا مسیر مناسب و کوتاهی را برای لوله ها طراحی کرده و سپس تجهیزات را در مسیر آن قرار داد و بدین ترتیب افت فشار لوله ها و در نتیجه توان مورد نیاز پمپ ها را تا یک دوازدهم کاهش داد. ضمن آنکه هزینه های اولیه پمپ ها، الکتروموتورها، تجهیزات الکتریکی و نصب آنها نیز کاهش یافت.

حقیقت اینست که مطالعات نشان می دهند در بسیاری از سیستم ها انرژی زیادی تنها به دلیل افت فشار اضافی ناشی از سایز کم لوله ها و مسیر طولانی و پر پیچ و خم آنها تلف می شود که دلیل آن انتخاب سایز پایین لوله ها به قصد کاهش هزینه های اولیه سیستم و طراحی نامناسب لوله کشی آنها است. اقداماتی که ناخواسته باعث افزایش چشم گیر هزینه های طول عمر و در برخی موارد حتی هزینه اولیه سیستم می گردد.

کاری که Schilham انجام داد در واقع در دسته اول اقدامات ذکر شده در گزارش DOE، یعنی کاهش نیاز کلی سیستم تقسیم بندی می شود ولی اهمیت و پتانسیل کاهش آن در گزارش DOE تنها ۱۰ درصد بیان شد است. با نگاهی دقیق تر به این گزارش و ریز اقدامات بررسی شده در قالب دسته اول، مشخص می شود که اصولاً پتانسیل اصلاح مسیرهای لوله ها (مسیر مستقیم تر و کوتاه تر) در آن درنظر گرفته نشده و برای اصلاح سایز خطوط لوله (افزایش سایز) نیز به عنوان اقدامی بسیار پر هزینه در سیستم های در حال کار، پتانسیل کاهش کمی در نظر گرفته شده است. این استدلال هرچند با آنالیز هزینه طول عمر سیستم منطبق است و تعویض لوله ها در بسیاری موارد مقرون به صرفه نیست (به دلیل هزینه پرداختی اولیه)، ولی نباید باعث شود فراموش کنیم که انرژی بسیاری در این گونه سیستم ها در حال اتلاف است و حداقل در سیستم های جدید در دست طراحی می توان جلوی این اتلاف را گرفت.

پس از کاهش نیازمندیهای سیستم تا حد نیاز واقعی فرایند، عامل دیگری که پتانسیل بالایی در کاهش مصرف انرژی تجهیزات دوار، از جمله پمپ ها دارد، کاهش انرژی تولیدی تجهیزات تا حد انرژی مورد نیاز سیستم است. بسیاری از پمپ ها به دلایل مختلف برای فرایند مورد نظر بزرگ بوده و دبی یا هد بیش از حد نیاز تولید می کنند و یا برای دبی ماکزیمم سیستم سایز شده و در حالت نرمال بیش از نیاز انرژی مصرف می کنند. لذا سیستم دائم در حال تلف نمودن انرژی است و هد یا دبی اضافی از طریق شیرهای کنترل یا خطوط بای پس گرفته می شوند. استفاده از موتورهای دور متغیر (Variable Speed Drive)، موتورهای چند سرعته و پمپ های موازی از جمله روشهایی هستند که می توانند به کنترل انرژی مصرف شده سیستم متناسب با نیاز آن کمک کنند. البته به کارگیری هر یک از این روش ها نیازمندیهای فنی خاص خود را دارد و بایستی مطالعات کافی قبل از استفاده از آنها انجام شده و گزینه مناسب برای سیستم انتخاب گردد.

و اما عامل مهم دیگر در کاهش مصرف انرژی تجهیزات دوار، راندمان خود تجهیزات یعنی پمپ، کمپرسور یا فن و نیز راندمان موتور آنها است. در سال های اخیر پیشرفت های قابل ملاحظه ای در راندمان این تجهیزات و نیز الکتروموتورها حاصل شده است که استفاده از آنها در سیستم های جدید و نیز جایگزینی آنها در سیستم های موجود با در نظر گرفتن مسائل هزینه طول عمر، می تواند باعث کاهش مصرف انرژی و هزینه های سیستم گردد. همچنین حفظ راندمان تجهیزات در زمان بهره برداری با روشهای مناسب نصب، بهره برداری، نگهداری و تعمیرات تجهیزات تلفات انرژی سیستم را به حداقل خواهد رساند.

سه قانون طلایی در کاهش مصرف انرژی سیستم های تجهیزات دوار:

بر اساس موارد ذکر شده، جهت افزایش راندمان سیستم های تجهیزات دوار و کاهش مصرف انرژی آنها، در مراحل طراحی و بهره برداری، سه قانون طلایی وجود دارد که با رعایت آنها تحولی اساسی در مصرف انرژی این سیستم ها در سطح کشورها و جهان رخ خواهد داد. این سه قانون عبارتند از:

۱-    کاهش انرژی مورد نیاز سیستم تا حد انرژی واقعی مورد نیاز برای فرایند با طراحی مناسب سیستم

۲-    کنترل انرژی تولیدی تجهیز دوار (شامل دبی و هد تولیدی) تا حد انرژی مورد نیاز سیستم در هر لحظه با انتخاب سایز مناسب تجهیزات و شیوه مناسب کنترل جریان

۳-    کاهش مصرف انرژی تجهیز دوار و موتور آن با استفاده از تجهیزات راندمان بالا و حفظ راندمان آنها در بهره برداری

اجرای این سه قانون اما نیازمند شناخت دقیقی از سیستم های تجهیزات دوار و نیازمندیهای فرایندی آنها، روشهای طراحی بهینه سیستم و کلیه اجزاء آن، شناخت روشهای آنالیز هزینه طول عمر سیستم و بکارگیری آنها در مراحل مختلف طراحی و اصلاحات سیستم، شناخت حداکثر راندمان های قابل دستیابی تجهیزات و نیز داشتن سیاست های خرید مبنی بر کاهش مصرف انرژی و هزینه های سیستم است.

مهمترین اقدام در دستیابی به این هدف، اطلاع رسانی و آموزش در زمینه پتانسیل های قابل توجه موجود و روشهای اجرایی آن برای کاهش مصرف انرژی و هزینه های طول عمر به صاحبان صنایع، کارفرمایان و شرکت های طراحی است تا با اجرای روشهای موجود از یک سو هزینه های اضافی پرداختی خود را کاهش داده و قدرت رقابت و سود محصولات خود را افزایش دهند و از سوی دیگر مصرف انرژی و به طبع آن تولید آلاینده ها و گرم کننده های محیط زیست را کاهش دهند.

با انجام یک محاسبه ساده از تلفات انرژی از یک نیروگاه تا یک سیستم پمپاژ، مشخص می شود که به طور میانگین از هر ۱۰۰ واحد انرژی مصرف شده در نیروگاه، کمتر از ۱۰ واحد آن در سیستم تبدیل به کار مفید می شود. لذا با در نظر گرفتن جهت معکوس این فرایند، واضح است که با کاهش هر ۱ کیلووات ساعت از انرژی تلف شده در این سیستم ها، از مصرف بیش از ۱۰ کیلووات ساعت انرژی در نیروگاه ها جلوگیری خواهد شد. این موضوع در شکل زیر نشان داده شده است.