Remontować czy wymieniać stare silniki elektryczne w przemysłowych napędach średniej i dużej mocy?

Transkrypt

1 Remontować czy wymieniać stare silniki elektryczne w przemysłowych napędach średniej i dużej mocy? Jakub Bernatt, Maciej Bernatt Silnik elektryczny można uznać za wyrób tani: koszt zakupu nowego silnika klatkowego równoważy się z kosztem zaledwie 1 2-letniej jego eksploatacji. Silniki elektryczne zużywają się z reguły szybciej niż napędzane nimi urządzenia mechaniczne, typu wentylatory czy pompy; częściej też ulegają uszkodzeniom i awariom. Uszkodzenia występują najczęściej w elektrycznej części silnika: w uzwojeniach, wyprowadzeniach uzwojeń, w układzie izolacyjnym, rzadziej w łożyskach. Rutynową czynnością w przypadku awarii bywa oddanie silnika do remontu. Nie zawsze jest to jednak działanie racjonalne. W wyniku remontu (wymiany uzwojeń) współczynnik sprawności silnika ulega zwykle obniżeniu (szacuje się, że spadek sprawności może wynosić, w zależności od technologii remontu, od 1 do 3%, a w silnikach wielokrotnie remontowanych nawet 5%). Po remoncie do dalszej eksploatacji wraca wyrób przestarzały, o gorszych parametrach i zwiększonej podatności na uszkodzenia. W rozwiniętych krajach Europy przeciętny okres eksploatacji silników indukcyjnych klatkowych o mocy powyżej 250 kw wynosi nie więcej niż 20 lat. W tym okresie silnik może być jeden lub dwa razy przezwajany. Eksploatacja silników starszych niż 20-letnie lub więcej niż dwa razy remontowanych, uważana jest za technicznie i ekonomicznie nieracjonalną. Spodziewany okres dalszej bezawaryjnej pracy dwudziestoletniego silnika jest już bowiem kilkakrotnie krótszy niż silnika nowego. Koszt awarii to nie tylko koszt remontu silnika, ale i koszt strat oraz zakłóceń systemu produkcyjnego, w którym dany silnik był eksploatowany. W dwudziestoletnim okresie w rozwiązaniach konstrukcji wszelkich maszyn i urządzeń technicznych dokonuje się znaczący postęp. Dotyczy to również silników elektrycznych. Współczesne silniki mają szereg parametrów wyraźnie lepszych od swych odpowiedników sprzed lat. Dotyczy to szczególnie: poziomu współczynnika sprawności, poziomu emitowanego hałasu, odporności na warunki środowiskowe, odporności na niszczące działanie prądu rozruchowego, odporności na przeciążenia i inne zagrożenia eksploatacyjne, bezpieczeństwa obsługi. Wymieniona poprawa parametrów jest m.in. wynikiem stosowania optymalizacyjnych metod komputerowych w trakcie procesu projektowania silników, zwiększenia jakości stosowanych materiałów, udoskonalenia procesów technologicznych w produkcji. Dr inż. Jakub Bernatt, mgr inż. Maciej Bernatt Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych Komel w Katowicach, członkowie SEP Wielu użytkowników nie zdaje sobie sprawy, że wymiana (i złomowanie) silnika starego może być inwestycją o wysokim stopniu rentowności już tylko ze względu na osiągane przez nowy silnik efekty energetyczne. Ponadto, wymieniając stary silnik na nowy, o wyższym współczynniku sprawności, można uzyskać wsparcie funduszy ekologicznych (dotacja do 30% kosztu całości energooszczędnej inwestycji Fundacja EkoFundusz; pożyczki na warunkach preferencyjnych NFOŚiGW). Aby użytkownikom umożliwić choć szacunkowe wyliczenie kosztów strat w eksploatowanych silnikach, w artykule podano znamionowe współczynniki sprawności silników wysokiego napięcia zakresu mocy kw typowych serii silników indukcyjnych, budowy j (IP44) i budowy okapturzonej (IP23), produkowanych w kraju w ostatnich dekadach ub. wieku (katalogi starych silników, podające ich sprawność, są praktycznie niedostępne) oraz zestawiono je ze sprawnością współczesnych energooszczędnych silników zamkniętych żebrowych produkowanych (2005 rok) w Zakładzie EMIT w Żychlinie. Parametry techniczne wyróżniające współczesne krajowe silniki klatkowe wysokiego napięcia Współczynnik sprawności Zwiększenie współczynnika sprawności (zmniejszenie strat) współczesnych silników elektrycznych jest wynikiem stosowania blach magnetycznych o wyraźnie lepszych własnościach oraz przeprowadzanych komputerowo w procesie projektowania silnika optymalizacji: obwodu elektromagnetycznego i obwodu wentylacyjnego. W wyniku tych działań straty w żelazie silników zmalały 28 Rok LXXIV 2006 nr 11

2 niemal dwukrotnie, a straty mechaniczne nawet czterokrotnie w stosunku do rozwiązań starych. Wartość współczynnika sprawności, niestety, nie jest podawana na tabliczkach znamionowych silników normy krajowe czy też normy europejskie tego nie wymagają. Porównanie katalogowych sprawności starych i współczesnych silników podano w tabelach I-IV. Poziom emitowanego hałasu Aż do lat 80. ub.w. poziom hałasu maszyn, w tym również poziom hałasu silników elektrycznych, nie był uważany za parametr o jakimkolwiek znaczeniu. Hałas produkowanych wówczas silników indukcyjnych średniej mocy przekraczał często poziom 100 db/a/, natomiast silniki współczesne mają z reguły poziom hałasu poniżej 85 db/a/. Jest to wynikiem optymalizacji układu wentylacyjnego i elektromagnetycznego, a także wynikiem starannie rozwiązanego łożyskowania. Obecnie w katalogach z reguły podawany jest poziom hałasu dla każdego typu silnika. Odporność na warunki środowiskowe Wprowadzenie w silnikach wysokiego napięcia układu izolacji uzwojeń wykonanego w tzw. technologii VPI (vacuum pressure impregnation) spowodowało skokowy wzrost trwałości i odporności silników na warunki środowiskowe. Wykonane w tej technologii uzwojenie ma strukturę monolityczną, o wielkiej odporności na TABELA I. Znamionowy współczynnik sprawności η [%] dla silników 3000 obr/min SCDdm okapturzone) SYJe chłodn. wodna) SYJf chłodn. wodna) Sh , , , , , , , , , , , , , , , , , ,5-95,0 97, , , , , ,0 94,8-97, , ,5-97, , ,8 96,1 96,6 1,2) ,3 96, ,5 97,1 Sfw 710 (chłodzenie wodne). 2) 2250 kw. udary mechaniczne (w tym również na udary od sił elektrodynamicznych, występujących przy załączaniu na sieć lub powtórnym załączaniu na niewygaszone pole), jest odporne na penetrację wilgoci i długotrwale zachowuje swoje własności dielektryczne. Opór cieplny przejścia miedź pakiet blach w silnikach wykonanych w technologii VPI jest znacznie obniżony, stąd obniżeniu ulega też przyrost temperatury uzwojenia stojana. TABELA II. Znamionowy współczynnik sprawności η [%] dla silników 1500 obr/min SZDc-SZJc okapturzone) SZDr rurowe) SZJr-SZJre rurowe) Sh , , ,5 92, , ,5 92, , ,0 93, , , ,5 92,0 92,0-96, , ,0 92,5-96, , ,5 93,0 92,5 97, , ,5 93,3-96, , , ,0 93,5 93,5 97, , ,0 94,0-97, , , , ,5 97, ,0 2) 97, , ,6 2) 97, , ,8 2) 97,5 Sfw 710 (chłodzenie wodne). 2) SYJf (chłodzenie wodne). Rok LXXIV 2006 nr 11 29

3 TABELA III. Znamionowy współczynnik sprawności η [%] dla silników 1000 obr/min SZDc -SZJc SZDr SZJr -SZJre Sh , , ,5 91, , ,0 92, , ,0 91,5 92,0-95, , ,5 92,0-95, , ,0 93,0-96, , ,5 93,1 93,5 96, , ,0 93,2-96, , ,7 94,0 97, , ,0 97, , , , , , ,2 Sfw 710 (chłodzenie wodne). TABELA IV. Znamionowy współczynnik sprawności η [%] dla silników 750 obr/min SZDc-SZJc SZDr SZJr- SZJre Sh , , , ,0 91, , ,5 91, , ,0 91,0 92,0 95, , ,5 91,5 92,5 96, , ,0 92,0 93,0 96, , ,5 92,2-96, , ,0-96, , ,0 96, , , , ,0 Sfw 710 (chłodzenie wodne). W Polsce silniki wysokiego napięcia w technologii VPI wprowadzono do powszechnej produkcji z początkiem lat 90. Warto nadmienić, że wykonane w tej technologii silniki wysokonapięciowe (6 kv) zainstalowane w Elektrociepłowni Wrocław i Elektrowni Opole przeszły w roku 1997 drakoński test powodziowy. Mimo kilkudniowego postoju pod brudną wodą, można je było powtórnie włączyć do sieci, nawet bez suszenia uzwojeń stojana. Wykonanie uzwojenia wysokiego napięcia w technologii VPI możliwe jest jedynie w trakcie procesu produkcyjnego silnika nowego, a jest praktycznie niewykonalne podczas jego remontu. Odporność na niszczące działania prądu rozruchowego Rozruch silników wysokiego napięcia nawet najwyższych mocy dokonuje się z reguły przez bezpośrednie załączenie na pełne napięcie sieci, często o wielkiej mocy zwarciowej. Powstający przy załączeniu udar prądowy jest źródłem udarów mechanicznych działających zarówno na uzwojenie stojana, jak i na klatkę wirnika. Podczas rozruchu długotrwałego w obydwu uzwojeniach wydzielają się też wielkie ilości ciepła. Dynamiczne i termiczne efekty przepływu prądu rozruchowego stanowią duże zagrożenie dla silnika. Współczesne silniki dużej mocy mają szereg rozwiązań konstrukcyjnych zapewniających odpowiednią odporność uzwojeń stojana, a także klatek wirnika, na niszczące działanie prądu rozruchowego. Rozwiązania te zostały wypracowane i wdrożone do praktyki produkcyjnej silników wysokiego napięcia w ciągu ostatnich 20 lat. Odporność na przeciążenia i inne zagrożenia eksploatacyjne Poza układem izolacji uzwojenia stojana wykonanego w technologii VPI (klasa izolacji F), w nowych silnikach stosuje się cały szereg rozwiązań zwiększających odporność na przeciążenia i trudne warunki rozruchowe. Najważniejsze z nich to: niepełne wykorzystanie dopuszczalnego normą przyrostu temperatury uzwojenia stojana. specjalne rozwiązania klatek wirnika, odporne na termiczne i dynamiczne oddziaływania prądu rozruchowego, specjalne, bezpieczne dla obsługi rozwiązania skrzynek zaciskowych (podwyższony stopień ochrony IP55, membrana przeciwwybuchowa), zabudowane czujniki pomiaru temperatury w uzwojeniu stojana i w łożyskach, czujniki pomiaru drgań (na żądanie). Ekonomiczne efekty wymiany starych silników Efekty wymiany silników wysokiego napięcia starych serii na współczesne, energooszczędne silniki żebrowe serii Sh ilustruje przytoczony w tabeli V przykład trzech par typowych, często stosowanych silników czterobiegunowych (1500 obr/min), o mocach: 250, 850, 1800 kw. Dla obliczenia efektów ekonomicznych wynikających z wymiany silników przyjęto roczną ilość godzin h pracy silnika (6000) przy obciążeniu znamionowym (p= oraz cenę energii elektrycznej c e wynoszącą (łącznie z kosztem przesyłu i opłatami stałymi) 0,20 zł/kwh. Jak widać z przytoczonych w tabeli VI wyników obliczeń, dla rocznego czasu pracy wynoszącego 6000 godzin, dla silników średniej i dużej mocy oszczędność energii z tytułu wymiany starych silników przy uwzględnieniu możliwości uzyskania dopłat z Ekofunduszu 30 Rok LXXIV 2006 nr 11

4 TABELA V. Porównanie wybranych par silników 250 kw 850 kw 1800 kw Silnik stary: oznaczenie typu moc sprawność η S [%] Silnik nowy: oznaczenie typu moc sprawność η N [%] SCDdm 114s ,5 Sh 355 H4C ,1 SZJr 134s ,0 Sh 500 H4A ,1 SZJre 144t ,5 Sh 560 H4B ,8 TABELA VI. Efekty wymiany silników 1500 obr/min starych serii, na silniki nowe serii Sh silnika P Obniżenie mocy pobieranej z sieci P = P(1/η S 1/η N ) 10,12 38,59 62,38 Roczna wielkość oszczędności energii przy h = 6000 godzin pracy rocznie E a = P h Roczny koszt zaoszczędzonej energii K ea = E a c en Koszt inwestycji (cena silnika nowego, 2005 r.) K i Możliwa do uzyskania dotacja z Ekofunduszu EKO Okres zwrotu nakładów )/ K ea [lata] Roczne przychody z tytułu zaoszczędzonej emisji CO 2 (1 MWh 1 t CO 2, 1 t CO 2 20 EUR 80 zł) Okres zwrotu nakładów przy uwzględnieniu dotacji z Ekofunduszu i handlu emisjami CO 2 L = (K i )/( k ea + Z) [lata] ,37 2,02 2, ,12 1,45 1,57 czyni tę inwestycję wysoce opłacalną (ok. 2 4-letni okres zwrotu nakładów dla silników większej mocy). Ponadto część użytkowników silników (elektrownie, elektrociepłownie) może korzystać już z tzw. handlu emisjami CO 2 z tytułu wymiany silnika na energooszczędny maleje emisja CO 2, którego niewykorzystaną nadwyżkę można odsprzedać i z tego tytułu uzyskać dodatkowe przychody w takim przypadku okresy zwrotu nakładów wynoszą tylko 1,5 3 lat. Natomiast w przypadku awarii uzwojenia stojana eksploatowanego silnika starego, co wiązałoby się z koniecznością jego przezwojenia, alternatywa wymiany uszkodzonego silnika na nowy, o lepszych parametrach, jest zdecydowanie bardziej korzystna. Przeciętne koszty remontu (przezwojenie, wymiana łożysk, czyszczenie) silnika wysokiego napięcia (6000 V, 1500 obr/min) starej konstrukcji (w 2005 roku) zestawiono w tabeli VII. W przypadku rezygnacji z remontu można zaoszczędzić koszty zestawione w tabeli. Jeśli silnik był ubezpieczony, ubezpieczyciel umożliwia przekazanie odszkodowania przeznaczonego na remont na dofinansowanie zakupu silnika nowego. Ponadto EMIT producent nowych silników zobowiązał się przyjąć do złomowania stary silnik, płacąc ok. 1,5 zł za 1 kg masy silnika. Jeśli uwzględnić dotację ekologiczną z Ekofunduszu, zaoszczędzone koszty przezwajania odzyskane od ubezpieczyciela oraz opłatę uzyskaną za złomowanie, okres zwrotu nakładów związanych z wymianą uszkodzonego silnika starego na współczesny nowy silnik tej samej mocy znacznie się skraca (tab. VIII). Inwestycja wymiany uszkodzonego silnika starego na energooszczędny jest więc przedsięwzięciem o bardzo krótkim okresie zwrotu nakładów. Przeliczeń dokonano dla obciążeń silników pełną mocą znamionową. Przy obciążeniach niepełnych, między silnikami nowymi i starymi występują jeszcze większe różnice współczynników sprawności niż podane w tabelach I-IV. W silnikach nowej generacji przebieg funkcji η=f(p) jest przebiegiem płaskim, maksimum sprawności występuje dla obciążenia wynoszącego ok. 0,75 obciążenia znamionowego. W silnikach starych współczynnik sprawności szybko maleje przy zmniejszaniu obciążenia (rys.). TABELA VII. Zestawienie przykładowych kosztów remontu silnika P Przeciętny koszt remontu K REM TABELA VIII. Efekt wymiany i złomowania starych silników z awarią uzwojenia na energooszczędne silniki nowej serii Sh, z uwzględnieniem dotacji Ekofunduszu, zwrotu kosztu niedoszłego remontu oraz zwrotu należności za złom (roczny okres eksploatacji 6000 godzin) silnika P Okres zwrotu nakładów K REM K ZŁOM )/K ea [lata] Okres zwrotu nakładów przy uwzględnieniu handlu emisjami CO 2 K REM KZ ŁOM /( K ea + Z) ,93 0,99 1,35 1,49 0,75 1,03 Sprawność w funkcji obciążenia η = f(p) silników 2p = 4 (1500 obr/min), 850 oraz 800 kw Rok LXXIV 2006 nr 11 31

5 Wnioski i uwagi końcowe Wymiana starych silników średniej i dużej mocy, eksploatowanych w ciągu roku niewielką ilość godzin, nie przynosi znaczących efektów energetycznych, choć może mieć istotne znaczenie dla obniżenia poziomu hałasu czy osiągnięcia wysokiej niezawodności ruchowej. Wymiana starych, niskosprawnych silników elektrycznych, eksploatowanych w ciągu roku przez 2000 lub więcej godzin, na współczesne silniki wysokosprawne, jest inwestycją o wysokim stopniu rentowności. Przy eksploatacji 6000 godzin rocznie oraz wykorzystaniu dotacji Ekofunduszu, okres zwrotu nakładów wynosi 4,37 2,02 lat (lub przy uwzględnieniu handlu emisjami CO 2 3,12 1,45 lat). Szczególnie racjonalna i opłacalna jest wymiana w przypadku awarii starego silnika (złomowanie i wymiana silnika na nowy, zamiast jego remontu, odzyskanie kwoty odszkodowania od ubezpieczyciela). Okres zwrotu nakładów przy 6000 godzin rocznej eksploatacji wynosi w tym przypadku zaledwie 1,93 0,93 lat (a przy dodatkowym uwzględnieniu handlu emisjami 1,49 0,75 roku). Poza efektami energetycznymi, wymiana starych silników na silniki nowe daje inne, istotne efekty, a mianowicie: znaczące zmniejszenie poziomu hałasu (poniżej 85 db/a/), zmniejszenie poziomu drgań, znaczące zwiększenie trwałości silnika i niezawodności ruchu napędu, zwiększenie bezpieczeństwa obsługi. Silniki nowe mają zabudowane czujniki kontroli temperatury uzwojeń i łożysk, a także na życzenie czujniki drgań. Ułatwia to prowadzenie bieżącej kontroli i diagnostyki silników oraz zmniejsza możliwość wystąpienia niespodziewanej awarii. 32 Rok LXXIV 2006 nr 11