مصنع ضخم لبطاريات الطاقة – الترقية من نظام التجفيف بالتصريف المُسخَّن إلى مجففات تصريف تعمل بالمنفاخ المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ

الوصف الميتا:  كيف استبدلت شركة كاتل أربع مجففات تفريغ مُسخَّنة عالية الاستهلاك للطاقة بأربع مجففات تفريغ ذات مراوح فولاذية مقاومة للصدأ سعة ٨٥ م³/دقيقة، لتحقيق نقطة ندى تبلغ -٤٠°م، وصفر فقدان في هواء التفريغ المضغوط، وتخفيض استهلاك الطاقة بنسبة ٤٠٪.

الشكل: ٨٥ نم³/دقيقة مجفف هواء حبوب جاف من الفولاذ المقاوم للصدأ بدون تفريغ س

خلفية العميل

شركة كونتمبوراري أمبيريكس تكنولوجي المحدودة (CATL)  ، أكبر شركة عالمية لتصنيع بطاريات المركبات الكهربائية (EV)، وتدير مصنعاً ضخماً عالي الإنتاجية لتوليد خلايا الليثيوم-أيون. ويبلغ إجمالي سعة نظام الهواء المضغوط في المصنع ٣٤٠ م³/دقيقة (٢٠٬٤٠٠ م³/ساعة)  ، وتدعم:

• غرف تجفيف طلاء الأقطاب الكهربائية (ويشترط أن تكون نقطة الندى ≤ -٤٠°م)
• أنظمة ال neumatic الخاصة بخطوط التجميع عالية السرعة
• تفريغ غرف النظافة والهواء الخاص بالأدوات

تصنع البطاريات بدقة شديدة مع تجنب استخدام مجففات التبريد تمامًا بسبب خطر انتقال الماء السائل الناتج عن أعطال في أنابيب تصريف المكثفات. وقد قامت المنشأة في الأصل بتثبيت أربعة مجففات امتصاصية تعمل بالتنقية المُسخَّنة (المجففات ذات الحرارة الدقيقة) ، وكلٌّ منها مُصنَّف بسعة ٨٥ مترًا مكعبًا/دقيقة — وهي خيارات شائعة قبل أن تصبح تقنية التنقية بالمنفاخ عالية الكفاءة مجدية من حيث التكلفة.

نقاط الألم

الحالي المجففات المُسخَّنة للتنقية  (المعروفة أيضًا باسم المجففات ذات الحرارة الدقيقة أو المجففات الامتصاصية المُسخَّنة خارجيًّا) تسبَّبت في عدة مشكلات تشغيلية ومالية:

• فقدان كبير في هواء التنقية:  تستهلك المجففات المُسخَّنة للتنقية ما زال يبلغ ٥–٨٪ من التدفق المُصنَّف  لعملية التجديد — حتى عند استخدام سخانات كهربائية. وبما أن أربعة وحدات بسعة ٨٥ مترًا مكعبًا/دقيقة تعمل بالتوازي (إجمالي التدفق ≈ ٣٠٠–٣٤٠ مترًا مكعبًا/دقيقة)، فهذا يعني أن حوالي ٢٠ مترًا مكعبًا/دقيقة من الهواء المضغوط الجاف يتم تصريفه باستمرار  إلى الجو.
• استهلاك كهربائي مرتفع:  احتاج كل جافٍ إلى سخانات كهربائية (عادةً ما تتراوح بين ١٥–٢٥ كيلوواط) أثناء مرحلة التجديد، مما زاد من فاتورة الطاقة.
• عدم استقرار نقطة الندى تحت الأحمال القصوى:  خلال فصل الصيف، شكلت درجات الحرارة العالية والرطوبة عند مدخل النظام تحديًا لكفاءة عملية التجديد. وارتفعت نقطة الندى أحيانًا فوق -35°م ، ما أثار مخاوف بشأن مراقبة غرفة التجفيف.
• تآكل الصمامات وصيانتها:  أدى تكرار الدورة (عادةً ما يتراوح بين ٦٠–١٢٠ دقيقة) إلى تآكل الصمامات الهوائية كل ١٢–١٨ شهرًا. كما تسببت تآكل مادة المجفف الناتجة عن التقلبات المتكررة في الضغط في تكوّن الغبار، ما أدى إلى انسداد المرشحات الواقعة في المجرى السفلي.
• مخاطر استخدام الصلب الكربوني في التصنيع:  كانت أبراج وأنابيب المجففات الأصلية مصنوعة من الصلب الكربوني. وبمرور الوقت، تشكلت جزيئات صدأ داخلية، ما عرّض بيئة غرفة التجفيف للتلوث — وهي حالة غير مقبولة على الإطلاق في إنتاج البطاريات.

الشكل: ٨٥ نم³/دقيقة مجفف هواء حبوب جاف من الفولاذ المقاوم للصدأ بدون تفريغ

كانت شركة CATL بحاجة إلى حل تجفيف فائق الموثوقية وخالٍ تمامًا من التصريف (Zero-Purge)  مع أجزاء مبللة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ  للتخلص من مخاطر التآكل، والقدرة على التوسع لاستيعاب خطوط الإنتاج المستقبلية.

لماذا لا يُستخدم جهاز التجفيف المُعتمد على حرارة الانضغاط (HOC)؟

ورغم أن أجهزة التجفيف المُعتمدة على حرارة الانضغاط (HOC) توفر صفر تصريف وصفر تسخين كهربائي، فإنها تتطلب أن تكون درجة حرارة غاز الخرج من الضاغط الأمامي أعلى باستمرار من ١٢٠°م. أما ضواغط CATL اللاأزيتية الدوّارة الحالية، رغم حداثتها، فهي تعمل عند أحمال متغيرة وأحيانًا تُخرج الغاز عند درجات حرارة أقل من ١٠٠°م أثناء انخفاض الطلب. ولذلك سيتطلب استخدام تقنية HOC إدخال حرارة إضافية أو التحكم في التوجيه الجانبي (Bypass Control)، ما يزيد من التعقيد. وفضل العميل حلًّا معتمدًا ومثبتًا مسبقًا يعتمد على تصميم مستقل لتجفيف التصريف بالمنفاخ  يعمل بشكل مستقل عن التغيرات في حمل الضاغط.

حلنا

اقترحنا استبدال أربعة أجهزة تجفيف حالية تعتمد على التسخين والتصريف بأربعة أجهزة تجفيف امتزازية جديدة تعتمد على التصريف بالمنفاخ ومصنوعة بالكامل من الفولاذ المقاوم للصدأ  – كلٌّ منها مُصنَّف ٨٥ م³/دقيقة (٥١٠٠ م³/ساعة)  ، ومُركَّبة بشكل متوازٍ (ثلاث وحدات تعمل، وواحدة احتياطية). وتستخدم المنظومة هواءً محيطيًّا مسخَّنًا لإعادة التنشيط  بدون أي خسارة في هواء الضغط المضغوط أثناء عملية التخلص من الرطوبة.

المعدات الرئيسية

• مجففات:  أربعة BlowerDry-HRB-850GRD  مجففات امتزازية، كلٌّ منها سعة ٨٥ م³/دقيقة. وجميع المكونات التي تتلامس مع الهواء (الأبراج، والأنابيب، والصمامات) مصنوعة من فولاذ مقاوم للصدأ من النوع ٣٠٤  – مما يمنع تكوُّن الصدأ ويضمن نقاءً يرقى إلى درجة الأدوية/البطاريات.
• طريقة التجديد:  يقوم منفخ عالي الكفاءة بسحب الهواء المحيطي، ثم يمرِّره عبر سخان كهربائي (يرفع درجة حرارته إلى 150–200°م )، ويُزيل الهواء من برج التشغيل غير المتصل بالشبكة. ويتم طرد الهواء المشبع بالرطوبة. لا يُستخدم هواء مضغوط من شبكة المصنع  – لا يوجد فقدان للهواء في عملية التصريف. ويتم التبريد باستخدام هواء جوي غير مسخّن عبر نفس المروحة.
• نظام التحكم:  وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة رئيسية (Siemens S7-1500) تنسّق عمل أربعة مجففات، وتوازن وقت التشغيل، وتحول تلقائيًا إلى الوحدة الاحتياطية عند بلوغ المجفف العامل فترته المقررة للصيانة. ومراقبة نقطة الندى أثناء التشغيل (≤ -40°م)، وإنذارات عن بُعد مدمجة في نظام التحكم الموزّع (DCS) الخاص بشركة CATL.
• الترشيح:  المرشحات الأولية (1 ميكرون) تزيل الرواسب المعدنية من الأنابيب؛ والمرشحات اللاحقة (0.01 ميكرون) تلتقط جزيئات المادة المجففة. ولا حاجة لمرشحات الزيت (بما أن الضواغط المستخدمة في المرحلة السابقة خالية من الزيت).

مواصفات الأداء

الشكل: مخطط اتصال نظام ضغط الهواء

التوصيل والتثبيت

نُفِّذَ المشروع خلال إغلاق مخطط مدته 3 أسابيع:

• التصميم واختبار القبول بالمصنع (5 أسابيع):  الموافقة الهندسية، وشهادات المواد المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، واختبار القبول بالمصنع لجميع المجففات الأربعة.
• التسليم (بعد أسبوعين من اختبار القبول بالمصنع):  تم التسليم إلى مصنع الجيجا.
• التثبيت (ثلاثة أسابيع):  

• • أُزيلت أربع وحدات قديمة لمجففات الغاز الساخن المُنقّى.
  • وُضعت مجففات جديدة تعمل بالمنفاخ ومصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ على منصات مدمجة.
  • أُعيد تهيئة رؤوس أنابيب التوصيل لتتوافق مع ترتيب التشغيل الثلاثي زائد وحدة احتياطية واحدة.
  • حُدّث التزويد الكهربائي للمنافيخ والمسخّنات.
  • متصل بنظام التحكم الموزع (DCS).

• مرحلة التشغيل الأولي (أسبوع واحد):  اختبارات التسرب، معايرة نقطة الندى، وتدريب المشغلين.

لم تحدث أي توقفات غير مخطط لها.

النتائج والفوائد (بعد 12 شهرًا من التشغيل)

*يتطلب فقدان التفريغ إنتاج هواء مضغوط إضافي بسعة ٢٠ مترًا مكعبًا/دقيقة. وتبلغ القدرة النوعية النموذجية للضواغط اللولبية الخالية من الزيت ٦ كيلوواط لكل متر مكعب/دقيقة → وبالتالي يتم توفير ١٢٠ كيلوواط من طاقة الضواغط المستمرة.

فوائد قابلة للقياس الكمي

• توفير الطاقة:  أدى القضاء على فقدان التفريغ إلى توفير نحو ١٢٠ كيلوواط من طاقة الضواغط. كما ساهم تقليل استهلاك طاقة السخان والمروحة بشكل إضافي. وإجمالي وفورات الكهرباء السنوية: ≈¥520,000 (استنادًا إلى سعر ٠٫٧٠ يوان صيني لكل كيلوواط ساعة، وتشغيل مستمر على مدار ٢٤ ساعة يوميًّا، و٧ أيام أسبوعيًّا، و٣٦٥ يومًا سنويًّا).
• موثوقية الإنتاج:  لم يتجاوز نقطة الندى قط درجة -٤٠°م. وأصبح التحكم في رطوبة غرفة التجفيف أكثر استقرارًا، ولم تُبلَّغ عن أي عيوب في الطلاء ناتجة عن الرطوبة.
• القضاء على التلوث:  أزالت أبراج وأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ خطر جسيمات الصدأ. ولا تظهر الآن أية تلوث بأكسيد الحديد في مرشحات المصب — وهي مسألة بالغة الأهمية لنقاء البطاريات.
• تخفيض الصيانة:  لا توجد صمامات تنفيس ذات دورات عالية بعد الآن (كانت المجففات القديمة تحتوي على صمامات تدور كل ١–٢ ساعة). أما مجففات التنفيس بالمنفاخ فهي تستخدم صمامين رئيسيين فقط لكل برج، مع دورات تتراوح بين ٦–٨ ساعات. وانخفضت تآكل مادة المجفف بشكل شبه كامل.
• الازدواجية والقابلية للتوسع:  وباستخدام أربعة وحدات (٣ + ١)، يمكن لشركة CATL إجراء الصيانة على أي مجفف دون مقاطعة الإنتاج. كما أن السعة الاحتياطية تتيح أيضًا استيعاب توسعات خطوط الإنتاج المستقبلية.
• عائد الاستثمار:  إجمالي تكلفة التركيب ≈ ¥2,400,000. التوفير السنوي (الطاقة + الصيانة) ≈ ٥٢٠.٠٠٠ يوان صيني + ١٧٠.٠٠٠ يوان صيني = ٦٩٠.٠٠٠ يوان صيني. فترة استرداد الاستثمار ≈ ٣٫٥ سنوات . وقد قامت شركة CATL بتوحيد هذا التصميم في مصانعها الأخرى.

شهادة العميل

«كانت مجففات التنفيس المُسخَّنة القديمة لدينا تهدر ٨٪ من هواء الضغط لدينا، ولم تكن قادرة على الحفاظ على درجة حرارة الندى عند -٤٠°م بشكل موثوق. أما المجففات الجديدة من الفولاذ المقاوم للصدأ التي تعمل بالمنفاخ فهي تمنحنا درجة ندى ثابتة تمامًا، وصفر خسارة في الهواء المستخدم للتنفيس، ولا تسبب أي تلوث بالصدأ. وب alone فإن وفورات الطاقة كانت كافية لتبرير عملية الترقية.»
— مدير المرافق الأول، مصنع CATL العملاق