Optymalizacja zużycia energii elektrycznej w tekturnicy Cz. 1.

Transkrypt

1 Optymalizacja zużycia energii elektrycznej w tekturnicy Cz. 1. Optimization of Electric Energy Consumption in Corrugator Part 1. Stanisław K. Musielak, Aleksander Klepaczka Na przykładach wyników wielu prac badawczych scharakteryzowano podstawowe czynniki mające wpływ na zużycie energii elektrycznej przez zespoły tekturnicy. Zagadnienie energochłonności oraz efektywności energetycznej w tekturnicy dotyczy zarówno energii cieplnej, jak i elektrycznej. W poprzednich numerach Przeglądu Papierniczego autorzy dokonali szerokiej analizy możliwości optymalizacji warunków pracy tekturnicy i funkcjonowania jej zespołów w aspekcie racjonalnego zużycia energii cieplnej. Celowa i ważna jest analiza możliwości i opracowanie nowych koncepcji obniżania wskaźników zużycia energii elektrycznej przez tekturnicę oraz ich prognozowanie. Autorzy przedstawili wyniki pomiarów zużycia energii elektrycznej przez poszczególne zespoły tekturnicy wraz z analizą wskaźników zużycia tej energii. Przedstawiono wpływ harmonicznych w sieci tekturnicy oraz zagadnienie kompensacji mocy biernej. W podsumowaniu wskazano możliwości obniżenia zużycia energii elektrycznej w tekturnicy przy niskich nakładach finansowych. Przedstawiono propozycje rozwiązań, których celem jest zoptymalizowanie zużycia energii elektrycznej w tekturnicy. Based on results of many research works basic factors affecting electric energy consumption by corrugating units are described. Energy consumption and efficiency refer both to heat and electric energy. In previous issues of Przegląd Papierniczy the authors discussed optimization possibilities of operating conditions of a corrugator and its units in terms of rational heat energy consumption. It is important to analyze possible solutions and develop new measures to reduce ratios of electric energy consumption by the corrugator and their forecasting. The authors present measurement results for electric energy consumption by each corrugator unit and they discuss consumption ratios of energy consumption. The article presents an impact of harmonics in the corrugator network and compensation of wattles power. In a conclusion, the authors show some low cost possibilities of reduction in electric energy consumption. They include solutions aimed at optimization of electric energy consumption in corrugator. Energia elektryczna w procesie wytwarzania tektury falistej Charakter poboru energii elektrycznej przez tekturnicę i poszczególne jej zespoły jest często uważany za liniowy, co w rzeczywistosci nie jest słuszne i potwierdzone wynikami przeprowadzonych badań. Czynnikami zwiększającymi dodatkowo zużycie energii elektrycznej są niekorzystne procesy dynamiczne, np.: - przyśpieszanie i zwalnianie maszyny w szczególności sklejarek i części suszącej, - praca transportu stołów układarki arkuszy, - zmiany formatów zleceń, - cięcie przekrawaczy pomocniczych, - dynamiczne zmiany formatów dla różnych zleceń na przekrawaczu głównym, - zmiany rodzaju fal i rodzaju tektury falistej. Należy również zwrócić uwagę, że dla przypadków stanów postojowych oraz przerw w procesie produkcji część zespołów tekturnicy znajduje się w stanie aktywnym, a pozostałe nie. Te ostatnie mimo wszystko przyczyniają się do zużycia energii elektrycznej. W ostatnich latach zużycie energii elektrycznej, a w szczególności obniżanie wskaźników jej zużycia, stało się powszechnym i ważnym tematem we wszystkich procesach produkcyjnych. Dotyczy to również procesu produkcji tektury falistej na tekturnicy. Poszukiwane i wdrażane są nowe rozwiązania technologiczne, techniczne, eksploatacyjne i organizacyjne, zmierzające do oszczędności i optymalizacji zużycia energii elektrycznej przez tekturnicę. Z badań wynika, że prawie 70% energii elektrycznej zużywa się do napędu zespołów i podzespołów tekturnicy (1). Wyniki badań S.K. Musielak, BHS-Corrugated Maschinen und Anlagenbau GmbH, Weiherhammer; A. Klepaczka, Instytut Papiernictwa i Poligrafii, Politechnika Łódzka 389

2 Rys. 1. Wzrost cen energii elektrycznej w latach Rys. 2. Wzrost cen ropy naftowej w latach i pomiarów dotyczą zużycia energii elektrycznej dla kompletnej tekturnicy oraz jej pojedynczych modułów. Pomiary przeprowadzano w okresie kilku tygodni podczas produkcji i obejmują one również dane dotyczące różnych rodzajów tektur. Wyniki pokazują zużycie energii w procesie ciągłej pracy tekturnicy oraz przebiegi zużycia maksymalnego bądź obserwowanego w czasie postojów tekturnicy. W ostatnich latach obserwuje się wzrost cen energii elektrycznej (rys. 1) i, mimo że ich udział w kosztach wytwarzania tektury nie jest dominujący, to z pewnością krytyczne zużycie energii elektrycznej stanie się impulsem do prognozowania, badań i stosowania nowych rozwiązań dążących do optymalizacji pracy tekturnicy (2). Jednym z powodów wzrostu cen energii jest wzrost cen ich nośników, a w pierwszej kolejności ropy i gazu ziemnego (rys. 2). Zasoby tych nośników energii systematycznie maleją, a ilość zużywanej energii przez rozwijajacą się światową cywilizację wraz z postępem techniki ciągle rośnie. Jest to niejako paradoks, bedący wyzwaniem nie tylko dla sektora przemysłu, ale również dla całej ludzkości. Potrzeba obniżania zużycia energii jest ważnym kierunkiem działań firmy BHS. Wyzwaniem są pytania: - Jak zapewnić optymalne, pod względem napędu, warunki procesu wytwarzania tektury? - Które z ogniw procesu i maszyn są słabe technicznie i wymagają poprawy i optymalizacji? W celu uzyskania właściwej odpowiedzi potrzebne są badania i doskonalenie wiedzy przez producentów oraz użytkowników maszyn i urządzeń stosowanych w wytwarzaniu i przetwarzaniu tektury falistej. Ważnym problemem dla racjonalnego funkcjonowania odbiorników energii elektrycznej jest występowanie wyższych harmonicznych w sieci zasilającej. Mogą one być odpowiedzialne m.in. za wzrost mocy biernej i mocy odkształceń, zwiekszenie strat przesyłowych, niestabilną pracę układu zasilania itd. Dotyczy to również tekturnicy. Istotnym dla efektywnej pracy zespołów napędowych tekturnicy jest również tematyka kompensacji mocy biernej. Firma BHS zwraca szczególną uwagę na optymalizację zużycia energii elektrycznej tekturnic. Badania, które od wielu lat są realizowane przez BHS, umożliwiają uzyskanie danych dotyczących zużycia energii również w zależności od rodzaju produktu. W wyniku zastosowania inteligentych systemów, np. takich jak Power Menager, powstały warunki do zoptymalizowania zużycia energii elektrycznej. Są one w dużym stopniu uzależnione od tzw. czynnika ludzkiego, czyli od obsługi operatorów tekturnicy. Bardzo często mają oni własny styl pracy, który może być przyczyną znacznych różnic we wskaźnikach zużycia energii elektrycznej. Są to czynniki, które należy brać pod uwagę w przypadku projektowania systemów napędowych. Należy przewidywać, że prowadzony proces może nie być optymalny, może występować za duże obciążenie części suszącej, stosowane zbyt duże kąty opasania wstęgi na podgrzewaczach itp. Przyczyn nadmiernego zużycia energii elektrycznej może być wiele, co muszą uwzględnić projektanci i producenci tekturnic, a w szczególności projektanci układów napędowych, którzy muszą określić moce tych układów. Zużycie energii elektrycznej przez tekturnicę podstawowe odbiorniki Całkowita moc odbiorników zainstalowanych w tekturnicy zależy od wielu czynników konstrukcyjnych i technologicznych i dla większości nowoczesnych maszyn mieści się w zakresie od 1 MVA do 1,8 MVA. Jeżeli przyjąć, że roczne zużycie energii elekktrycznej przez tekturnicę wynosi np. od 3,5 do 5,0 mln KWh, a obecna cena 1 KWh jest równa eurocentów, to roczne koszty energii elektrycznej doprowadzanej do tekturnicy mogą osiągać wartości od do EUR (3). To duża kwota, która jest warta poważnego traktowania i analiz. Jednocześnie trzeba postawić pytanie czy tekturnica musi zużywać więcej energii, jeżeli produkuje więcej tektury, której jakość jest również wyższa? Niezaprzeczalnym kierunkiem przyszłościowym jest zwiększanie efektywności produkcyjnej szybkobieżnych tekturnic z jednoczesnym obniżaniem wskaźników zużycia energii elektrycznej. Na rysunku 3 przedstawiono schemat nowoczesnej tekturnicy z wyodrębnionymi jednostkami (modułami) posiadającymi napędy elektryczne. Widać, które moduły powinny 390

3 pobierać najwięcej energii elektrycznej, ale trudno jest określić, czy posiadają rezerwę mocy. Należy w tym miejscu podkreślić, że zainstalowana moc nie oznacza automatycznie wartości jej poboru. Pomiary i system pomiaru parametrów i zużycia energii elektrycznej Rys. 3. Wartości mocy zainstalowanych zespołów napędowych tekturnicy Wiele danych dotyczących zużycia energii elektrycznej w tekturnicy ma charakter statystyczny bądź tzw. tabelaryczny. Dane te często nie opierają się na realnym zużyciu energii elektrycznej w określonych Rys. 4. Schemat układu pomiarowego zużycia energii elektrycznej w tekturnicy warunkach produkcyjnych i technologicznych. Nasuwa się pytanie jak bardzo różnią się dane statystyczne i wartości rzeczywiste uzyskiwane dla przeciętnej tekturnicy? Aby uzyskać odpowiedź, przeprowadzono kompleksowe badania w dwóch wybranych zakładach, a w dwóch innych dokonano analizy dla części suchej (Dry-End). Wykorzystano w tym celu system pomiarowy rejestrujący parametry i wyniki w okresie ok. 2 tygodni. Obiektem badanym była tekturnica o szerokości 2800 mm i prędkości roboczej do 400 m/min. Obsługa tekturnicy reprezentowała dobry poziom techniczny. W praktyce stosowane są przenośne systemy pomiarowe mierzące parametry energii elektrycznej, jej zużycie oraz dokonujące analizę sieci. W przypadku analizowanych badań zastosowano system pomiarowy Janitza UMG 507 (4). System taki umożliwia zapamiętywanie danych przez dłuższy czas, może być związany siecią Ethernet i podłączony do stacjonarnego komputera typu PC. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 4. W układzie zainstalowano sześć jednostek pomiarowach z możliwością niezależnego w czasie wykonywania części pomiarów. W celu pomiaru zużycia energii elektrycznej dla kompletnej tekturnicy wykonano i zamontowano system pomiarowy na głównym transformatorze układu zasilania tekturnicy. W systemie zostały uwzględnione dodatkowe odbiorniki energii: prasa odpadu i oświetlenie. Rys. 5. Przebieg odkształconego napięcia sieci na zasilaniu tekturnicy Rys. 6. Pobór mocy czynnej przez tekturnicę w okresie 2 zmian roboczych Podczas pomiarów zwrócono szczególną uwagę na zmiany wartości: - napięcia, - prądu, - współczynnika mocy, cos ϕ - mocy czynnej, biernej, pozornej, - współczynników zawartości wyższych harmonicznych THDu, THDi. Pomiary stacjonarne oraz zużycie energii elektrycznej dla różnych rodzajów produkowanej tektury Przykłady pomiary napięcia i mocy czynnej Na rysunku 5 pokazano spotykany obecnie przebieg napięcia w systemie zasilania tekturnicy, natomiast na rysunku 6 typowy przebieg zużycia energi elektrycznej niezbędnej dla jej funkcjonowania. Do dalszej analizy należy przyjąć warunki wyjściowe pomiarów, czyli przypadek, w którym tekturnica pracuje ze stałą określoną prędkością produkcyjną, zależną od aktualnie realizowanego procesu. Następnie, trzeba porównać wyniki z pomiarami uwzględniającymi stałe wzrosty prędkości maszyny wynikające z zastosowania różnych fal (np. E, C, B, BC, EE) w prowadzonym 391

4 Rys. 7. Ogólny widok części suszącej DF firmy BHS produkowanej tektury i prędkości maszyny dobiera się i reguluje temperaturę płyt. Medium grzewczym jest para wodna wprowadzana do wnętrza płyt. Napędem głównym jest silnik prądu stałego o mocy od 190 KW do 260 KW. Łączna moc zainstalowana w części suszącej może osiągać wartość ok. 300 KW. Na rysunku 8 pokazano zależność zużycia energii elektrycznej w części suszącej od prędkości tekturnicy w przypadku produkcji tektury z falą C. Zależność tę dobrze opisuje przedstawione równanie matematyczne. Jednym z istotnych czynników wpływających na zużycie energii elektrycznej w części suszącej tekturnicy jest rodzaj układu dociskania pasa susznikowego. Z badań takich układów, nazywanych platetrol, chaintrol i shoetrol, wynika m.in., że przy prędkości tekturnicy ok. 400 m/min różnice w zużyciu energii są znaczne, gdyż wynoszą ponad 40 KW. Najmniejsze zużycie energii stwierdzono przy zastosowaniu systemu platetrol, a największe dla chaintrol. Przedstawione dane mogą być bardzo przydatne do optymalizacji zużycia energii elektrycznej w tekturnicy, szczególnie w okresach szczytowego zużycia. Rys. 8. Zużycie energii elektrycznej w części suszącej w zależności od prędkości tekturnicy (fala C) wyniki pomiarów i zależność matematyczna procesie technologicznym. Dla wszystkich warunków realizowanych procesów na tekturnicy można wykonać obliczenia i analizę porównawczą. Jednak ze względu na obszerność zagadnienia, w prezentowanych materiałach ograniczono wyniki i dane dotyczące tektury z falą typu C. Dla takiego przypadku określono krzywe regresji, zużycia energii elektrycznej oraz mocy czynnej w zależności od prędkości maszyny. Sklejarka pojedyncza Sklejarka to maszyna falująco-sklejająca, przeznaczona do uformowania warstwy pofalowanej i połączenia jej z warstwą płaską. W rezultacie otrzymuje się tekturę dwuwarstwową (5). W analizowanym przypadku do napędu podstawowego tej sklejarki stosowany jest silnik prądu stałego o mocy 110 KW, a łączna moc zainstalowanych w tej maszynie napędów wynosi ok. 170 KW. Pomiary energetyczne zostały przeprowadzone dla warunków produkcji tektury z falami typu E, B, C. Uzyskane zależności poboru mocy w funkcji prędkości tekturnicy nie są liniowe. Przy prędkości 100 m/min różnice poboru energii w przypadku fal E, B, C wynoszą ok. 10 KW, a przy prędkości 275 m/min różnice wynoszą już tylko 5 KW. Część susząca W części suszącej (rys. 7) następuje zakończenie procesu łączenia warstw tektury. Wstęga tektury przesuwa się po płytach grzewczych, do których jest dodatkowo przyciskana za pomocą napędzanego pasa susznikowego. W zależności od rodzaju Przekrawacze pomocnicze Są to maszyny funkcjonujące w sposób okresowy, jednak zużywają energię elektryczną również w fazie oczekiwania, kiedy nie wykonują operacji cięcia. Cykle ich pracy są jednak krótkie i z reguły dotyczące kilku cięć w określonym czasie. Takie działanie, ze względu np. na rosnącą liczbę zleceń i krótsze czasy ich realizacji, jest niekorzystne. W niektórych tekturnicach, np. w zakładach w Japonii, w czasie jednej zmiany dochodzi aż do 400 akcji przekrawaczy. W większości zakładów istnieje tendencja gwałtownego wzrostu liczby zleceń realizowanych w ciągu jednej zmiany. Realizacja krótkich zleceń jest niestety konieczna i wynika z potrzeb rynku. Moc napędu przekrawaczy zawiera się w przedziale od 29 KW do 60 KW. Widoczne jest zużycie energii elektrycznej (mocy czynnej) w czasie postoju maszyn, jednak jest ono niewielkie i wynosi ok. 1 do 2 KW. W czasie operacji cięcia wartość poboru mocy dochodzi do 15 KW. Warto zwrócić uwagę na systemy posiadające klapę wyrzutu odpadów, które zużywają dodatkowo sprężone powietrze, co z punktu oszczędności energii, np. do napędu sprężarek, nie jest właściwe. Krajarko-nagniatarka Zadaniem tej maszyny (rys. 9) jest cięcie tektury falistej nożami krążkowymi typu disccut (6) na żądane szerokości formaty. Dodatkowo, przy pomocy opraw nagniatających, maszyna wykonuje operacje wymaganych nagniatań w tekturze. Moc zainstalowanych napędów może często osiągać wartości do 340 KW. Duża moc zainstalowanych silników umożliwia bardzo szybkie pozycjonowanie maszyny w celu dokonania zmian formatów. Są to czasy ok. 1 s. Oczywiście potrzebny jest w tym przypadku pewien kompromis wynikający z dużej liczby zmian zleceń. Trzeba również podkreślić, że nie wszystkie podzespoły 392

5 Rys. 9. Widok ogólny nowoczesnej krajarkonagniatarki firmy BHS Rys. 11. Widok przekrawacza typu triplex firmy BHS napędowe maszyny pracują równocześnie. W praktyce funkcjonują także systemy zużywające o ok. 50% energii mniej, ale nie dotyczy to maszyny wysokowydajnej. Podkreślić należy, że moc zainstalowanych napędów nie jest równoznaczna z aktualnym poborem energii elektrycznej. Z wykresów na rysunku 10 wynika, że ze wzrostem prędkości tekturnicy (i odpowiednio krajarko-nagniatarki) wzrasta pobór mocy do napędu. Zależność jest liniowa. Rodzaj produkowanej tektury ( rodzaj fali) praktycznie nie ma wpływu na pobór mocy. Rys. 10. Zużycie energii w zależności od prędkości krajarko-nagniatarki (tekturnicy) i rodzaju produkowanej tektury Rys. 12. Pobór mocy przez przekrawacz główny (typu triplex) w zależności od prędkości roboczej i rodzaju tektury (fali) Jak widać na rysunku 12, zużycie energii w przypadku produkcji tektury z falą C jest silnie nieliniowe. Uzyskane zależności dotyczą przekrawacza typu triplex, który podczas produkcji umożliwia stosowanie różnych kombinacji techniczno-operacyjnych (odpowiednie oznaczenia 1, 2, 3 ) oraz różne długości cięcia arkuszy. Na przykład dla fali typu B aktywne były wszystkie trzy zespoły przekrawacza. Podczas pracy przekrawacza możliwe są różne kombinacje procesu cięcia tektury. Np. zespół dolny tnie arkusze o długości 900 mm, a górny 1520 mm. Tym samym możliwe jest stosowanie optymalnych algorytmów pracy tej maszyny, dla potrzeby minimalizowania zużycia energii. Możliwy jest taki dobór formatów cięcia, aby uzyskać minimalny pobór energii elektrycznej. Wizją przyszłościową jest opracowanie i stosowanie systemu zarządzania energią dla tekturnicy, tj. Corrugator Energy Management (9). Warto podkreślić, że dla pewnych praktycznych kombinacji procesu cięcia tektury na wymagane formaty, uzyskuje się efekt średniego poboru energii elektrycznej. Jeden z zespołów przekrawaczy pszyśpiesza, a drugi jest w fazie zwrotu energii np. do bateri kondensatorów. Przekrawacz poprzeczny główny Na tej maszynie odbywa się proces prostopadłego cięcia wstęgi tektury, która została wcześniej obcięta w kierunku wzdłużnym. Otrzymuje się arkusze, których wymiary mogą mieścić się w zakresie mm. Przekrawacz może występować w różnych konfiguracjach, możliwa jest konstelacja pojedyncza (simplex), podwójna (duplex) i potrójna (triplet) (7). Jest to liczba modułów przekrawacza. Moc zainstalowanych silników w jednym module może osiągać wartości 90 do 120 KW. Natomiast ogólna moc zainstalowanych silników napędowych może osiągnąć wartości nawet do 400 KW. Są to dane dotyczące przekrawaczy firmy BHS. Dla porównania japońska firma Mitsubisi stosuje dla pojedyńczego przekrawacza napęd o mocy do 155 KW (8). Literatura 1. BDI Bundesverband der Deutschen Industrie Energie und Rohstoffe. w.heller@bdi.eu 2. Trojanowska M.: Analiza zapotrzebowania na moc i energię elektryczną w zakladzie mleczarskim, J. Research and Applications in Agricultural Engineering. 55, 2 (2010). 3. Schiffmann R.: Firma Göpfert VDW 24. Technische Mitgliederversammlung Energietechnik. 4. Janitza Electronics: umg-507/uebersicht/. 5. Drzewińska E., Czechowski J., Stanisławska A.: Technologia wytwarzania tektury falistej.wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łodź slitterscorer. 7. Mensing H., Musielak S.K., Klepaczka A.: Efektywność energetyczna tekturnicy możliwości optymalizacji. Cz. 1., Przegl. Papiern. 68, 5, (2012). 8. Musielak S.: Przekrawacz rotacyjny w tekturnicy. Cz. 2., Przegl. Papiern. 67, 2, 81-85(2011). 9. Energy Manager