Optymalizacja zużycia energii elektrycznej w napędach sterowanych z przetwornic częstotliwości

Transkrypt

1 Optymalizacja zużycia energii elektrycznej w napędach sterowanych z przetwornic częstotliwości VLT EnergyBox program do oceny efektywności stosowania przetwornic częstotliwości w aplikacjach pompowowentylatorowych przykłady rzeczywistych aplikacji Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 1

2 Zużycie energii elektrycznej W Polsce napędy elektryczne zużywają ok. 56%-60% energii wytwarzanej w przeciągu roku. >>> 90% to napędy prądu przemiennego. Rodzaj napędu Procentowe zużycie energii elektrycznej [%] Napędy pomp 30 Napędy wentylatorów i dmuchaw 18 Napędy kompresorów 14 Napędy obrabiarek 10 Napędy środków transportu 8 Pozostałe napędy 20 Wniosek: Około 50% energii zużywają napędy pomp, wentylatorów i dmuchaw. Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 2

3 Dlaczego opłaca się stosować przetwornice częstotliwości? pozwalają na regulację wydajności sterowanych maszyn roboczych, a tym samym optymalizację technologii niższe koszty wytworzenia finalnego produktu pozwalają na optymalne dostosowanie charakterystyk poboru mocy do rzeczywistego zapotrzebowania sterowanych maszyn roboczych pozwalają na oszczędności zużycia energii elektrycznej przez sterowaną maszynę roboczą pozwalają na obniżenie mocy zamawianej u dostawcy energii elektrycznej poprawiają współczynnik mocy ograniczają lub całkowicie eliminują potrzebę stosowania zespołów kondensatorów kompensacyjnych pozwalają na podniesienie sprawności zasilanych silników elektrycznych maszyn roboczych pozwalają na obniżenie kosztów inwestycyjnych w nowych instalacjach pozwalają na obniżenie obciążenia transformatorów nn redukują liczbę stosowanych aparatów elektrycznych obniżają wartości maksymalnych prądów występujących w układach zasilania maszyn roboczych - niższe koszty instalacji Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 3

4 Podstawowe zależności Napędy pomp wirowych i wentylatorów wydajność = k x prędkość obrotowa ciśnienie robocze = k 2 x prędkość obrotowa zużycie energii eklektycznej = k 3 x prędkość obrotowa Napędy kompresorów (sprężarek), linii transportu, obrabiarek wydajność = k x prędkość obrotowa zużycie energii eklektycznej = k x prędkość obrotowa k współczynnik regulacji k = Nr/Nn k < 1 Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 4

5 Regulacja prędkości obrotowej - czego oczekujemy po modernizacji z zastosowaniem przetwornic częstotliwości? optymalizacji pracy technologii - TAK zmniejszenia zużycia energii elektrycznej - TAK obniżenia kosztów eksploatacji -- TAK ale, przede wszystkim stawiamy sobie pytanie Czy to się nam opłaca? czyli Jak szybko odzyskamy zainwestowane środki?! Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 5

6 Regulacja prędkości obrotowej pompy wirowe Dlaczego opłaca się stosować przetwornice częstotliwości dla sterowania pracą pomp wirowych? Pompy wirowe - zapotrzebowanie energii - podstawowe wykresy Wartość zadana ciśnienia Pressure Flow Charakterystyka pompy Punkt pracy Krzywa regulacji Ch-ka oporów instalacji P P Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 6

7 Zapotrzebowanie energii -układ bez regulacji - znamionowe warunki pracy Pressure Energia = k x Przepływ x Ciśnienie Flow Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 7

8 Zapotrzebowanie energii -układ bez regulacji - znamionowe warunki pracy Pressure Energia = k x Przepływ x Ciśnienie Flow Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 7

9 Zapotrzebowanie energii -układ bez regulacji - wymagania aplikacyjne Pressure Flow Oczekiwany przepływ Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 8

10 Zapotrzebowanie energii -Regulacja przepływu - Zawór dwudrogowy (dławienie) Energia Pressure Flow Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 9

11 Zapotrzebowanie energii -Regulacja przepływu - Zawór dwudrogowy (dławienie) Energia Pressure Flow Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 9

12 Zapotrzebowanie energii -Regulacja przepływu - Zawór trójdrogowy (Bypass) Pressure Flow Energia Zawór upustowy Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 10

13 Zapotrzebowanie energii -Regulacja przepływu - Zawór trójdrogowy (Bypass) Pressure Flow Energia Zawór upustowy Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 10

14 Zapotrzebowanie energii -Regulacja przepływu - Zawór trójdrogowy (Bypass) Pressure Flow Energia Zawór upustowy Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 10

15 Zapotrzebowanie energii -Regulacja przepływu - Zawór trójdrogowy (Bypass) Pressure Flow Energia Zawór upustowy Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 10

16 Zapotrzebowanie energii -Regulacja przepływu - Zawór trójdrogowy (Bypass) Pressure Flow Energia Zawór upustowy Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 10

17 Zapotrzebowanie energii -Regulacja przepływu -Regulacja prędkosci obrotowej Pressure Flow Energia Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 11

18 Zapotrzebowanie energii -Regulacja przepływu -Regulacja prędkosci obrotowej Pressure Flow Energia Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 11

19 Oszczędności energii Podstawy teoretyczne moc [% mocy znamionowej] prędkość pobór mocy 100% 100% 90% 73% 80% 52% 70% 35% 60% 22% P=f(n 3 ) prędkość = wydajność [%znamionowej] Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 12

20 Jak oszacować zwrot nakładów na modernizację z zastosowaniem przetwornic częstotliwości? Trzeba znać stan obecny konieczne monitorowanie zapotrzebowania na czynnik technologiczny (woda, ciepło, para, powietrze, itp.) konieczne monitorowanie przez okres pozwalający na określenie profilu zapotrzebowania na czynnik technologiczny w dłuższym okresie czasu zużycia energii elektrycznej w odniesieniu do profilu zapotrzebowania na czynnik technologiczny bieżących kosztów materiałowych i osobowych utrzymania w ciągłości pracy monitorowanej instalacji Należy określić - czego oczekujemy od modernizowanej instalacji? jakie mamy rzeczywiste potrzeby na czynnik technologiczny? jaka jest potrzebna maksymalna wydajność instalacji dla realizacji zadania technologicznego? Ponadto powinniśmy się zastanowić i odpowiedzieć sobie na pytania czy obecna instalacja jest właściwa do realizacji naszych celów? Jeśli nie, to co należy zrobić - zmienić urządzenia wykonawcze, np. dobrać pompy o mniejszych wydajnościach?!!! Musimy mieć narzędzie, które pozwoli nam to wszystko skonsolidować i odpowiedzieć na pytanie jak długo będę czekać na zwrot poniesionych nakładów?? Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 13

21 Nie ma narzędzi uniwersalnych!!!! Na część pytań pozwala odpowiedzieć program VLT Energy Box program przygotowany przez firmę Danfoss i dostępny jako freeware Oprogramowanie PC - Danfoss Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 14

22 VLT Energy Box Co możemy uzyskać? Analizę zużycia energii w układach pomp wirowych i wentylatorów Analizę porównawcza układów z przetwornicami częstotliwości z tradycyjnymi metodami regulacji przepływu (np. dławienie zaworem, żaluzja na wlocie wentylatora, dławienie na wylocie wentylatora) Określenie czasu zwrotu nakładów z tytułu oszczędności w zużyciu energii elektrycznej Jakimi danymi musimy dysponować? wymagania technologiczne (wydajność, wymagane ciśnienie robocze) profil rozkładu wydajności np.. w ciągu roku czas pracy analizowanego układu w ciągu roku (np.. ilość godzin) podstawowe dane techniczne analizowanego układu (moc silnika ) wartośc przewidywanych nakladów rodzaj (typ) realizowanej dotychczas tradycyjnej metody regulacji Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 15

23 VLT Energy Box dwa przykłady obliczeniowe: - układ pompowy - porównanie z regulacją realizowaną przez dławienie przepływu zaworem - układ wentylacyjny -porównanie z regulacją realizowaną przez dławienie na wlocie -porównanie z regulacją realizowaną przez dławienie na wylocie..\vlt Energy Box\VLTEB_32.exe Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 16

24 Pompa obiegowa typ 25A40 (WAFAPOMP), silnik 132 kw Radpec\charakt25A pdf..\VLT Energy Box\pompa1.DMC Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 17

25 P Wentylator osiowy typ K1000/12-12/B/40 prod. WENTECH moc silnika 18,5 kw średnica wirnika 1000 mm..\vlt Energy Box\wentylator.DMC Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 18

26 - Oszczędności energii przykłady aplikacyjne Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 19

27 Wodociągi modernizacja pompowni Dotychczasowe rozwiązanie 4 pompy 315 kw/6kv Zakres modernizacji: wymiana pomp (dobór pomp do wymagań hydraulicznych sieci) wymiana silników na silniki nn dobrano silniki 132 kw /0,4 kv zastosowanie przetwornic częstotliwości do sterowania wydajnością zespołu pomp wymiana wyposażenia elektrycznego rozdzielni Modernizację wykonano w II kwartale 2005 Efekty modernizacji znacząca redukcja poboru energii elektrycznej obniżenie mocy zamawianej większa elastyczność systemu pompowego przy zmiennym zapotrzebowaniu na wodę Szacowane skumulowane oszczędności kpln miesięcznie w stosunku do starego rozwiązania Szacowany czas zwrotu inwestycji ok. 2 lata Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 20

28 Ciepłownia modernizacja pomp sieciowych Zakres modernizacji analiza hydrauliczna pomp sieciowych - wykonawca Energom (Świdnica) modernizacja pomp (zmiana charakterystyk pomp) ŚFP wymiana silników 315 kw/6kv na silniki 200 kw/0,4 kv zastosowanie przetwornic częstotliwości do sterowania praca pomp rozbudowa DCS o moduły sterowania i monitoringu pomp sieciowych Modernizacja wykonana w 2001 Efekty modernizacji znacząca redukcja zużycia energii elektrycznej poprawa elastyczności systemu zasilania miasta w ciepło znaczące obniżenie zużycia paliwa (węgla) i poprawa sprawności kotłów energetycznych Czas zwrotu inwestycji z uwzględnieniem oszczędności paliwa i poprawy sprawności kotłów 2 sezony grzewcze Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 21

29 Produkcja pasz modernizacja układu sterowania wentylatora Zakres modernizacji analiza zapotrzebowania mocy (wg potrzeb technologicznych zakładu) Pol. Wrocławska 2003 moc obliczeniowa 250 kw zmiana sterowania wentylatora z silnikiem 400 kw zastosowanie przetwornicy częstotliwości Zdecydowano się zastosować przetwornicę 400 kw ze względu na przewidywana rozbudowę możliwości produkcyjnych zakładu Modernizacja wykonana w IV.2004 Efekty modernizacji obniżenie zużycia energii elektrycznej poprawa elastyczności technologicznej instalacji Czas zwrotu nakładów poniżej 1 roku!!!!!! Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 22

30 Produkcja chemii gospodarczej modernizacja wentylatorów technologicznych Zakres modernizacji zastosowanie przetwornic częstotliwości na wybranych wentylatorach technologicznych 55kW, 90 kw, 110 kw, 250 kw dotychczas uruchamianych rozruchem bezpośrednim dotychczasowa regulacja wydajności klapy regulacyjne na wlotach i/lub wylotach wentylatorów szacunkowa analiza czasu zwrotu inwestycji z efektów obniżenia zużycia energii elektrycznej szacowane czasy zwrotu - 0,7 1,5 roku Modernizacja wykonana XI-XII 2004 Efekty modernizacji obniżenie zużycia energii elektrycznej ok kwh /dobę (wartość skumulowana) poprawa elastyczności i stabilności parametrów procesu technologicznego prognozowane obniżenie zużycia energii elektrycznej kwh /rocznie możliwość odstawienia jako zapasowego jednego z transformatorów nn (1 MVA) redukcja poboru mocy biernej eliminacja efektów związanych z rozruchami bezpośrednimi dużych zespołów napędowych Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 23

31 Przetwórstwo węgla kamiennego modernizacja wentylatorów technologicznych Dotychczasowe rozwiązanie wentylatory odpylania z silnikami pierścieniowymi 630 kw/6kv z tyrystorowym układem rozruchowym Zakres modernizacji: analiza zapotrzebowania mocy z uwzględnieniem potrzeb technologicznych modernizacja zasilania i sterowania wentylatorów odpylania baterii koksowniczej wymiana silników na silniki 400 kw/0,4kv modernizacja rozdzielni nn Modernizacja wykonana jesień 2004 Efekty modernizacji znaczące zmniejszenie zużycia energii elektrycznej redukcja rzędu % w stosunku do wcześniejszego rozwiązania obniżenie mocy zamówionej redukcja poboru energii biernej poprawa elastyczności pracy baterii koksowniczej Instalacja jest pod ciągłą obserwacją, ale już podjęto decyzję o modernizacji wentylatorów odpylania na dwóch kolejnych bateriach koksowniczych Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 24

32 Napędy jazdy ciężkich maszyn roboczych kopalnia węgla brunatnego ( ) Modernizacja napędów jazdy koparki SRs1200 zastąpienie silników pierścieniowych silnikami asynchronicznymi nn z regulacją prędkości obrotowej projekt celowy KBN nr 10 T C/5273 Główne problemy dotychczasowego rozwiązania problemy sterowania układem 4 nieskrętnych gąsienic niska efektywność energetyczna (niska sprawność silników, duże straty energii w fazie rozruchu stosunkowo wysokie koszty konserwacji niewystarczająca elastyczność przy jeździe po nierównym terenie i jeździe po łuku Zastosowane rozwiązanie zastąpienie silników pierścieniowych silnikami asynchronicznymi (dobranymi ze względu wymagana dyspozycję momentu na wale) zastosowanie przetwornic częstotliwości indywidualnie na każdy silnik z regulacja prędkościowomomentową ze sprzędzeniem obwodów pośrednich (układ Loadsharing) zastosowanie sterowania komputerowego z niezależnym zadawaniem prędkości jazdy każdej gąsienicy niezależnie sposób sterowania opracowano na podstawie badań modelu koparki (skala 1:20) Efekt modernizacji poprawa elastyczności sterowania napędami gąsienic praktyczna eliminacja strat generatorowych przy jeździe po łuku i nierównym terenie poprawa efektywności energetycznej szacunkowo ok. 20% oszczędności w stosunku do rozwiązania dotychczasowego obniżeni kosztów eksploatacji i konserwacji Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 25

33 Napędy jazdy ciężkich maszyn roboczych kopalnia węgla brunatnego ( ) 250 M[%] T [sek] M dla S1 % M dla S2[%] M dla S3[%] M dla S4[%] Częst. SL[Hz] Częst. SP[Hz] -150 Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne

34 Napędy przenośników taśmowych na ciągu transportu węgla kopalnia węgla brunatnego ( ) Modernizacja napędów przenosników taśmowych na ciągu transportu węgla zastąpienie silników pierścieniowych SN silnikami asynchronicznymi nn regulacja prędkości obrotowej Główne problemy dotychczasowego rozwiązania niska efektywność energetyczna (niska sprawność silników, duże straty energii w fazie rozruchu) stosunkowo wysokie koszty konserwacji brak możliwości sterowania prędkości taśmociągów w zależności od wielkości transportowanego urobku Zastosowane rozwiązanie zastąpienie silników pierścieniowych silnikami asynchronicznymi (dobranymi ze względu wymagana dyspozycję momentu na wale) zastosowanie przetwornic częstotliwości indywidualnie na każdy silnik stacji (4 silniki 315 kw) z regulacja prędkościowo-momentową ze sprzędzeniem obwodów pośrednich (układ Loadsharing) i pracą w trybie Master Slave docelowo zmodernizowano cały jeden ciąg węglowy 7 stacji roboczych Efekt modernizacji poprawa elastyczności sterowania napędami stacji obniżeni kosztów eksploatacji i konserwacji możliwość uzależnienia prędkości taśmociągu od wielkości transportowanego urobku znaczące oszczędności energetyczne (ok. 50% w monitorowanym okresie) w porównaniu z dotychczasowym rozwiązaniem Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 27

35 Napędy przenośników taśmowych na ciągu transportu węgla kopalnia węgla brunatnego ( ) 470 m Wspólny wał napędowy A-B Wspólny wał napędowy C-D A B C D Wał napinający Silniki A, B, C, D k latkowe, 315 kw/500v ( poprzednio pierścieniowe 315kW/6kV) Andrzej Gizicki Danfoss Napędy Elektryczne 28