REMONTOWAĆ CZY WYMIENIAĆ STARE SILNIKI ELEKTRYCZNE W PRZEMYSŁOWYCH NAPĘDACH ŚREDNIEJ I DUŻEJ MOCY?

Transkrypt

1

2

3 REMONTOWAĆ CZY WYMIENIAĆ STARE SILNIKI ELEKTRYCZNE W PRZEMYSŁOWYCH NAPĘDACH ŚREDNIEJ I DUŻEJ MOCY? Wstęp Silnik elektryczny należy uznać za wyrób tani: koszt zakupu nowego silnika klatkowego równoważy się z kosztem kilkunastomiesięcznej eksploatacji. Silniki elektryczne starzeją i zużywają się z reguły szybciej niż napędzane nimi urządzenia mechaniczne. 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 bywa jeden lub dwa razy przezwajany, natomiast eksploatacja silników starszych niż 20-to letnie uważana jest za technicznie i ekonomiczne nieracjonalną. Spodziewany okres dalszej bezawaryjnej pracy dwudziestoletniego silnika jest kilkakrotnie mniejszy niż silnika nowego. W dwudziestoletnim okresie czasu w rozwiązaniach konstrukcji wszelkich maszyn (spektakularny przykład: samochody osobowe) dokonuje się znaczący postęp. Dotyczy to również silników elektrycznych. Współczesne silniki mają parametry techniczne wyraźnie lepsze od swych odpowiedników z przed lat. Dotyczy to zwłaszcza: współczynnika sprawności, poziomu emitowanego hałasu, odporności na warunki środowiskowe, odporności na przeciążenia i inne zagrożenia eksploatacyjne, bezpieczeństwa obsługi. Dlatego eksploatację silników starych, nawet technicznie sprawnych uważa się za nieracjonalną. Natomiast w naszych krajowych warunkach w wielu zakładach przemysłowych eksploatowane są silniki 30-to a nawet 40-to letnie, często wielokrotnie już remontowane, o złym stanie technicznym i niskich parametrach technicznych. Jest to m.in. skutkiem tego, iż koszt remontu silnika starego jest niższy od kosztu zakupu silnika nowego, ponadto koszty remontu w przypadku awarii refinansuje ubezpieczyciel.

4 Wielu użytkowników nie zdaje sobie sprawy, że wymiana (i złomowanie) silnika starego już tylko ze względu na osiągane efekty energetyczne może być inwestycją o wysokim stopniu rentowności. Parametry techniczne wyróżniające współczesne krajowe silniki klatkowe wysokiego napięcia serii Sh, w obudowie żeliwnej (użebrowane) 1. Współczynnik sprawności. Zmniejszenie strat i zwiększenie współczynnika sprawności współczesnych silników jest wynikiem stosowania blach magnetycznych o lepszych własnościach oraz przeprowadzanej komputerowo w procesie projektowania silnika optymalizacji obwodu elektromagnetycznego i układu wentylacyjnego. Wartość współczynnika sprawności niestety nie jest podawana na tabliczkach znamionowych silników; ani dawne, ani aktualne normy krajowe czy też europejskie nie wymagają tego (podawanie sprawności na tabliczkach znamionowych wymagane jest natomiast przez amerykańskie normy NEMA). Katalogi starych silników krajowych zawierające ich pełne dane są praktycznie niedostępne. Aby umożliwić użytkownikom wyliczenie kosztów strat przetwarzania energii w eksploatowanych silnikach, przedstawiono graficznie na rys.1 oraz podano w tabelach znamionowe współczynniki sprawności silników wysokiego napięcia zakresu mocy kw. Wartości te zestawiono dla typowych serii silników indukcyjnych budowy zamkniętej (IP44) i okapturzonej (IP23) produkowanych w kraju od lat 60-tych oraz porównano je ze współczynnikami sprawności produkowanej aktualnie w Zakładzie EMIT serii Sh energooszczędnych silników klatkowych z odlewanym kadłubem użebrowanym, o stopniu ochrony IP55. 1) producentem silników serii Sh jest Zakład EMIT S.A. w Zychlinie, pow. Kutno, tel (024) , fax (024) , emit_sekretariat@cantonimotor.pl

5 sprawność - % SZDc, SZJc (1965r.) - hałas db/a/ 92 SZDr (1965r.) - hałas db/a/ 91 SZJr (1985r.) Sh (2001r.) - hałas db/a/ moc znamionowa Pn - kw Rys. 1. Poziom sprawności i poziom hałasu różnych krajowych serii silników wysokiego napięcia 2p=4, klatkowych, budowy zamkniętej Znamionowe współczynniki sprawności krajowych silników klatkowych o napięciu 6000 V różnych serii. Tab.1. Silniki 1500 obr/min MOC [kw] Znamionowy współczynnik sprawności eta [%] SZDc-SZJc SCDdm -SCJdm SZDr SZJr SZJre Sh

6 Tab.2. Silniki 1000 obr/min MOC - [kw] Znamionowy współczynnik sprawności - eta [%] SZDc-SZJc SCDdm SCJdm SZDr SZJr SZJre Sh Tab.3. Silniki 750 obr/min MOC [kw] Znamionowy współczynnik sprawności - eta [%] SZDc-SZJc SCDdm SCJdm SZDr SZJr SZJre Sh (1400) 96.5

7 Poziom emitowanego hałasu. Aż do lat 80-tych poziom hałasu maszyn elektrycznych nie był uważany za parametr o istotnym znaczeniu. Hałas ówczesnych silników przekraczał często 100 db/a/. Silniki współczesne, nawet o mocy około 2000 kw posiadają z reguły poziom hałasu w granicach poniżej 85 db/a/; obecnie w katalogach podawany jest poziom hałasu dla każdego typu silnika. Odporność na warunki środowiskowe. Wprowadzenie w silnikach wysokiego napięcia układu izolacyjnego uzwojeń w technologii typu VPI (vacuum pressure impregnation) spowodowało skokowy wzrost ich trwałości i odporności na warunki środowiskowe. Wykonane w tej technologii uzwojenie posiada strukturę monolityczną, o wielkiej odporności na udary mechaniczne (w tym również na udary od sił elektrodynamicznych występujących przy załączaniu lub powtórnym załączaniu na nie wygaszone pole), jest odporne na penetrację wilgoci i długotrwale zachowuje swoje niezmienione 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. Wykonanie uzwojenia wysokiego napięcia techniką VPI możliwe jest jedynie w trakcie procesu produkcyjnego nowego silnika, natomiast jest praktycznie nie wykonalne podczas remontu. W kraju silniki wysokiego napięcia w technice VPI wprowadzono do powszechnej produkcji z początkiem lat 90-tych. 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 ponownie łączyć do sieci bez wymiany a nawet bez suszenia uzwojeń stojana (!). Odporność na przeciążenia i inne zagrożenia eksploatacyjne Poza układem izolacji uzwojenia stojana wykonanego w technologii VPI (klasa izolacji F) w nowych silnikach stosuje się szereg dalszych rozwiązań zwiększających ich odporność na przeciążenia i trudne warunki rozruchowe. Najważniejsze z nich to:

8 niepełne wykorzystanie dopuszczalnego dla klasy F przyrostu temperatury uzwojenia przy obciążeniu znamionowym, specjalne rozwiązania klatek wirnika, wielokrotnie zwiększające ich odporność na termiczne i dynamiczne oddziaływania prądu rozruchowego, specjalne, bezpieczne dla obsługi rozwiązania skrzynek zaciskowych (stopień ochrony IP55, membrana przeciwwybuchowa). Ekonomiczne efekty wymiany starych silników na nowe, serii Sh Efekty wymiany silników wysokiego napięcia starych serii na współczesne, energooszczędne silniki serii Sh ilustruje wybrany przykład trzech par typowych silników czterobiegunowych (1500 obr/min) reprezentatywnych dla zakresu mocy kw. Są to silniki o mocach 250, 850 oraz 1800 kw: Silnik stary: oznaczenie typu, moc, sprawność eta S. Silnik nowy: oznaczenie typu, moc, sprawność eta N. Tab kw 850 kw 1800 kw SCDdm 114s SZJr 134s SZJre 144t 250 kw 850 kw 1800 kw 92.5% 93.0% 94.5% Sh 355 H4C Sh 500 H4A Sh kw 900 kw 1800 kw 96.1% 97.1% 97.7% Dla oszacowania efektów ekonomicznych wynikających z wymiany silników przyjęto roczny czas eksploatacji wynoszący 6000 godz., przy obciążeniu znamionowym oraz średnią całkowitą cenę energii elektrycznej wynoszącą (łącznie z kosztem przesyłu i opłatami stałymi) 0.19 zł/kwh.

9 Tab.5. Efekty wymiany silników 1500 obr/min starych serii, na silniki nowe serii Sh. Moc silnika - P kw Obniżenie mocy pobieranej z sieci P = P(1/eta S 1/eta N ) kw Roczna oszczędność energii przy h=6000 godz. pracy rocznie E= Pxh kwh Wartość zaoszczędzonej energii W=ExC en zł Szacunkowa cena silnika nowego C N zł Okres zwrotu nakładów L=C N /W lat ,12 38,59 62, Jak widać z podanych w tablicy 5 wyników przeliczeń, dla rocznego okresu eksploatacji wynoszącego 6000 godzin, dla silników średniej i dużej mocy już sama oszczędność energii uzyskiwana z wymiany starych silników czyni tę wymianę wysoce opłacalną (ok. 2.7 letni okres zwrotu nakładów dla silników większej mocy). 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. Aktualnie (rok 2002) przeciętny koszt przezwojenia silnika wysokiego napięcia (6000 V) 1500 obr/min starej konstrukcji wynosi około: MOC SILNIKA kw Przeciętny koszt przezwojenia zł

10 W przypadku rezygnacji z przezwajania oszczędzamy podane wyżej koszty. Jeśli od ceny silnika nowego odjąć zaoszczędzone koszty przezwajania, czyli do obliczenia efektów przyjąć różnicę kosztu nowego silnika i kosztu przezwojenia, okres zwrotu nakładów związanych z wymianą uszkodzonego silnika starego na nowy wyniesie: Tab.6. Efekt wymiany starych silników z awarią uzwojenia stojana na silniki nowe serii Sh (roczny okres eksploatacji 6000 godz.) MOC SILNIKA KW Okres zwrotu nakładów lat Przeliczenia wykonano dla obciążeń silników pełną mocą znamionową. Przy obciążeniach niepełnych między silnikami nowymi i starymi występują jeszcze większe różnice współczynników sprawności niż podane w tabl. 1, 2, 3. W silnikach nowej generacji przebieg zależności sprawności od mocy oddawanej jest płaski. Maksimum sprawności występuje dla obciążenia wynoszącego około 0.75 obciążenia znamionowego (patrz Rys.2.) i jeżeli przy obciążeniu znamionowym różnica sprawności między silnikiem nowym i starym wynosi 3.9%, to dla obciążenia połową mocy różnica ta wynosi już 8.5 pkt procentowego sprawność sprawność - % Rys. 2. Sprawność w funkcji obciążenia η=f(p) silników Silnik Sh450H4C, 800 kw Silnik SZJr134s, 850 kw 2p=4 (1500 obr/min), 850 oraz 800 kw 80 0,25 0,5 0,75 1 1,25 obciążenie P / Pn P/P n

11 Wnioski końcowe 1. Wymiana silników średniej i dużej mocy starych serii eksploatowanych w ciągu roku niewielką (poniżej 1000) ilość godzin nie przynosi znaczących efektów energetycznych. Ma natomiast istotne znaczenie dla obniżenia poziomu hałasu oraz osiągnięcia wysokiej niezawodności ruchowej. W przypadku dalszej eksploatacji silników starych zaleca się prowadzenie systematycznej okresowej diagnostyki stanu izolacji stojana metodą badania prądem stałym, diagnostyki stanu klatek wirnika oraz stanu łożysk (badania takie wykonuje m. in. Laboratorium Komelu 2 ). Pozwoli to ocenić stan silników i unikać nieoczekiwanych, kosztownych awarii. 2. Wymiana starych, niskosprawnych silników elektrycznych eksploatowanych w ciągu roku przez przynajmniej 2000 godzin, na współczesne silniki wysokosprawne już tylko ze względów energetycznych jest inwestycją o wysokim stopniu rentowności. Okres zwrotu nakładów zależy od rocznej ilości godzin pracy silnika. Przy eksploatacji 6000 godz. rocznie okres zwrotu nakładów wynosi lat. 3. Szczególnie uzasadniona i opłacalna jest taka wymiana w przypadku awarii silnika starego (złomowanie i wymiana silnika na nowy, zamiast jego przezwajania czy innego rodzaju remontu). Okres zwrotu nakładów przy 6000 godz. rocznej eksploatacji wynosi lat. 4. Współczesne silniki serii Sh posiadają wymiary montażowe znormalizowane międzynarodowo wg norm IEC, różnią się one od wymiarów silników starych. Producent silników dostarczyć może jednak odpowiednią ramę adaptacyjną, pozwalającą na montaż silnika na starym stanowisku pracy bez potrzeby przebudowy fundamentów. 5. Poza efektami energetycznymi, wymiana starych silników na silniki nowe daje inne, istotne efekty, a mianowicie: Znaczące zmniejszenie poziomu hałasu (poniżej 85dB/A/) Zmniejszenie poziomu drgań Znaczące zwiększenie trwałości i niezawodności ruchu Zwiększenie bezpieczeństwa obsługi. Silniki nowe posiadają zabudowane czujniki kontroli temperatury uzwojeń i łożysk, a także, na życzenie, czujniki drgań. Ułatwia to prowadzenie bieżącej diagnostyki silników i zapobieganie niespodziewanym awariom oraz przerwom w eksploatacji, których koszt dla użytkowników może być bardzo wysoki, przekraczający koszt zakupu łącznie z kosztem instalowania silnika nowego. 2 tel (032) , fax (032) , labor@komel.katowice.pl

12