AUDYT NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO

Transkrypt

1 Wytyczne do audytu wykonano w ramach projektu Doskonalenie poziomu edukacji w samorządach terytorialnych w zakresie zrównoważonego gospodarowania energią i ochrony klimatu Ziemi dzięki wsparciu udzielonemu przez Islandię, Liechtenstein i Norwegię ze środków Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru Gospodarczego oraz Norweskiego Mechanizmu Finansowego. AUDYT NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO ZASTOSOWANIE SILNIKA ELEKTRYCZNEGO O PODWYŻSZONEJ SPRAWNOŚCI Wytyczne 1

2 Niniejszy dokument podaje propozycje działań w zakresie inwentaryzacji, wyznaczania efektu energetycznego oraz analizy ekonomicznej dla przedsięwzięcia dotyczącego modernizacji napędu elektrycznego polegającego na prostym zastąpieniu silnika indukcyjnego o niskiej sprawności, silnikiem o sprawności podwyższonej (potocznie zwanym energooszczędnym), nie regulowanym przemiennikiem częstotliwości. Silnik indukcyjny energooszczędny to wg różnych klasyfikacji urządzenie o następującej, wymaganej sprawności: klasyfikacja EFF: silniki o podwyższonej sprawności to silniki EFF1 Moc Eff 1 minimalna sprawność 2 - bieguny 4 - bieguny kw % % 1,1 82,8 83,8 1,5 84,1 85,0 2,2 85,6 86,4 3 86,7 87,4 4 87,6 88,3 5,5 88,6 89,2 7,5 89,5 90, ,5 91, ,3 91,8 18,5 91,8 92, ,2 92, ,9 93, ,3 93, ,7 93, ,4 94, ,6 94, ,0 95,0 Klasyfikacja EFF - dobrowolne porozumienie zaproponowane przez CEMEP (European Committee of Manufacturers and Power Electronics) i Komisję Europejską w 1999 roku zostało podpisane przez 36 producentów silników elektrycznych. Sprawność silników energooszczędnych na potrzeby porównania z wymaganiami EFF powinna być wyznaczana zgodnie z normą EN : 1996, przetłumaczoną na język polski i wydaną pod nr ref. PN-EN :200. klasyfikacja IE: silniki o podwyższonej sprawności to silniki IE2, IE3 (klasyfikacja wymagana prawem UE, obowiązywać będzie od 16 czerwca 2011): Moc IE2 minimalna sprawność 2 - bieguny 4 - bieguny 6 - biegunów kw % % % 0,75 77,4 79,6 75,9 1,1 79,6 81,4 78,1 1,5 81,3 82,8 79,8 2,2 83,2 84,3 81,8 3 84,6 85,5 83,3 4 85,8 86,6 84,6 5,5 87,0 87,7 86,0 7,5 88,1 88,7 87, ,4 89,8 88,7 2

3 Moc IE2 minimalna sprawność 2 - bieguny 4 - bieguny 6 - biegunów 15 90,3 90,6 89,7 18,5 90,9 91,2 90, ,3 91,6 90, ,0 92,3 91, ,5 92,7 92, ,9 93,1 92, ,2 93,5 93, ,8 94,0 93, ,1 94,2 94, ,3 94,5 94, ,6 94,7 94, ,8 94,9 94, ,0 95,1 95, ,0 95,1 95, ,0 95,1 95, ,0 95,1 95, ,0 95,1 95,0 Sprawność silników energooszczędnych na potrzeby porównania z wymaganiami IE powinna być wyznaczana zgodnie z normą IEC : INWENTARYZACJA Pierwszym krokiem w kierunku rozpoznania możliwych środków oszczędności energii jest przeprowadzenie inwentaryzacji podzespołów i układów napędu elektrycznego oraz najważniejszych parametrów pracy tego układu. Oczywiście stopień dokładności i zaangażowania czasowego powinien zależeć od takich czynników, jak: moc danego układu, roczne zużycie energii, czas pracy itp. Dla silników mniejszych mocy (0,75 do 15 kw), których może być wiele w ciągu technologicznym, a ich konfiguracja, tryb pracy są powtarzalne, zaleca się zebranie danych dla kilku reprezentatywnych napędów i przeniesienie ich na całą rozpatrywaną populację silników. W wielu układach napędowych potencjalne oszczędności nie uzasadniają przeprowadzenia skomplikowanego i kosztownego procesu gromadzenia danych, koniecznego dla obliczenia dokładnych wartości. W takich sytuacjach oszacowanie powinno bazować na założeniach. Inwentaryzacja może obejmować zebranie dostępnych informacji o urządzeniach z tabliczek znamionowych, dokumentacji technicznej, przeprowadzenie prostych pomiarów. Kluczowe dane na potrzeby analizy techniczno-ekonomicznej dla określenia efektu energetycznego wymiany silnika to: 1. Moc znamionowa (P n, kw, moc mechaniczna wydawana na wale urządzenia) źródło danych na temat mocy znamionowej silnika to tabliczka znamionowa, katalogi producentów (jeśli znane jest oznaczenie typu silnika). 2. Sprawność nominalna (η) i przy niepełnym obciążeniu źródło danych na temat sprawności znamionowej silnika to tabliczka znamionowa, katalogi producentów (jeśli znane 3

4 jest oznaczenie typu silnika). Obecnie producenci w katalogach silników podają również wartości sprawności przy obciążeniach innych od znamionowego. Często zdarza się, że silnik ulega awariom i w okresie jego eksploatacji bywa kilkakrotnie naprawiany. Badania laboratoryjne potwierdzają opinię, że niskiej jakości praktyki związane z naprawą silnika, pogarszają jego sprawność, zazwyczaj o wartość pomiędzy 0,5 i 1%. 3. Średnie obciążenie silnika dla okresu rocznego (p). Zazwyczaj silniki są dobierane tak, że pracują przy obciążeniu mniejszym niż znamionowe. Przeprowadzone w Unii Europejskiej badania eksploatacyjne w warunkach rzeczywistych wykazały, że obciążenie to wynosi średnio około 60% mocy znamionowej. Sprawność silników indukcyjnych zazwyczaj osiąga wartość maksymalną mniej więcej przy 75% maksymalnego obciążenia. Charakterystyka sprawności jest względnie płaska od 50% mocy znamionowej wzwyż. Przykładowe sposoby określenia współczynnika obciążenia dla silników indukcyjnych, które nie posiadają regulacji prędkości obrotowej poprzez przemiennik częstotliwości pokazano poniżej. Sposoby te wymagają przeprowadzenia prostych pomiarów wielkości elektrycznych. Sposób 1. Przybliżone obciążenie silnika (p) określone na podstawie danych pomiarowych dotyczących prądu pobieranego przez dany silnik oraz danych znamionowych: I p prąd pobierany przez silnik (na podstawie pomiarów np.: miernikiem cęgowym); I n prąd nominalny pobierany przy pełnym obciążeniu. (1) Sposób 2. Współczynnik obciążenia (p) jest obliczany na podstawie danych nominalnych silnika typu moc znamionowa i sprawność nominalna oraz zmierzonych wartości napięcia, prądu i cos ϕ: cos fi - zmierzona wartość współczynnika cosinus, U - zmierzona wartość napięcia zasilającego, I - zmierzona wartość prądu pobieranego, P n - moc znamionowa silnika, η - sprawność znamionowa silnika. (2) 4. Czas pracy urządzenia w ciągu roku (t, h/rok). 4

5 EFEKT ENERGETYCZNY Wyznaczenie efektu energetycznego dla przedsięwzięcia związanego z zastosowaniem silnika o podwyższonej sprawności (energooszczędnego), sprowadza się do obliczenia zużycia energii, dla określonych wcześniej rzeczywistych lub zakładanych parametrów eksploatacyjnych, przez silnik nowy o podwyższonej sprawności oraz silnik istniejący (w przypadku wymiany) lub silnik nowy standardowy (w przypadku, gdy zastanawiamy się czy zastosować w układzie napędowym silnik energooszczędny czy standardowy). Zużycie to można obliczyć wg poniższego wzoru: (3) Z s,e - zużycie energii elektrycznej przez silnik, s standardowy, istniejący; e energooszczędny; kwh/rok η s,e - sprawność znamionowa silnika, s standardowego, istniejącego; e energooszczędnego. Efekt energetyczny wynosi: (4) W przypadku silnika o podwyższonej sprawności (energooszczędnego), którego znamionowa prędkość obrotowa jest inna niż prędkość silnika istniejącego, standardowego nowego, zużycie energii dla silnika energooszczędnego można obliczyć wg wzoru: (5) k n = (n e /n s ) 3 dla urządzeń napędzanych typu wentylator, pompa odśrodkowa, mieszadło, sprężarka; k n = (n e /n s ) 2 dla urządzeń napędzanych typu kalandery, gładziarki; k n = n e /n s dla urządzeń napędzanych typu windy, podnośniki, obrabiarki skrawające; k n = 1 dla urządzeń napędzanych typu nawijarki Komentarz: Jeżeli prędkość obrotowa silnika energooszczędnego jest większa niż prędkość obrotowa zastępowanego silnika standardowego o takiej samej mocy i takiej samej liczbie biegunów (a jest to w zasadzie reguła wynikająca z zasad konstrukcji silników energooszczędnych) to prawie zawsze silnik energooszczędny wydaje na wale większą moc niż silnik standardowy. Ta większa moc skutkuje większą wydajnością technologiczną napędzanego urządzenia np.: w przypadku wentylatora większym wydatkiem powietrza (ilością tłoczonego powietrza), ale po pierwsze nie jest to celem stosowania silnika energooszczędnego a po drugie może radykalnie zmniejszyć, a nawet całkowicie zniwelować korzyści energetyczne na jakie liczono z zastosowania takiego silnika. Ponieważ straty w wirniku są proporcjonalne do poślizgu, silniki energooszczędne są tak projektowane aby ich poślizgi były możliwie małe. W konsekwencji regułą jest, że znamionowe prędkości obrotowe silników energooszczędnych są większe niż znamionowe prędkości obrotowe silników standardowych o porównywalnych

6 mocach znamionowych i liczbach biegunów. Różnice tych prędkości obrotowych nie są duże ale ich skutki jeżeli chodzi o efekt oszczędności energii nie może być nie brany pod uwagę. ANALIZA EKONOMICZNA W przypadku energooszczędnych silników indukcyjnych ogólnego zastosowania na niskie napięcie w zamian za dodatkowe 20% - 30% nakładów uzyskujemy od 2% do 6% lepszą sprawność, przekładającą się oszczędności energii i kosztów. Zaleca się prowadzenie analizy ekonomicznej dla przedsięwzięć związanych ze stosowaniem silników energooszczędnych w oparciu o analizę kosztów w cyklu życia urządzenia. W takim przypadku znaczenie ma czas życia silnika. Przykładowe dane na ten temat pokazano poniżej: Zakres mocy, kw Średni czas życia, lata 1 7,5 12 7, Powyżej Sposób obliczeń i wyniki proponuje się przedstawić w formie tabeli: Lata (n) nabycia energii inne pieniężne - suma zdyskontowane K n, PLN K en, PLN K i, PLN CF=Σ K CF/(1+i) n Silnik istniejący, standardowy (s) 0 1 n Silnik energooszczędny (e) 0 1 n LCC s = suma przepływów zdyskontowanych LCC e = suma przepływów zdyskontowanych Δ LCC = LCC e LCC s K n nabycia (zakup, transport, montaż), PLN/rok; K en średni koszt energii, PLN/rok; K en = c e *Z s,e ; c e średnia cena energii, PLN/kWh; K i inne np.: konserwacja, PLN/rok. Wartość ujemna LCC świadczy o mniejszych kosztach ponoszonych w cyklu życia silnika energooszczędnego. W przypadku analizy dotyczącej wymiany silnika pozycja nabycia dla silnika istniejącego K n = 0. 6

7 Przykład Przykład dotyczy porównania zastosowania silnika elektrycznego energooszczędnego w klasie Eff1 i standardowego w klasie Eff 2 (użytkownik zastanawia się, czy zastosować silnik nowy energooszczędny, czy nowy standardowy). Okres analizy obejmuje 12 lat. Stopa dyskonta i = 6%. Założono, że silniki mają tą samą prędkość obrotową oraz, że w czasie życia urządzenia występują tylko nabycia i energii. Pozostałe dane: Urządzenie Urządzenie Wyszczególnienie jednostka standardowe energooszczędne Cena urządzenia PLN Czas życia (n) lata Moc nominalna (P n ) kw 1,1 1,1 Czas pracy (t) h/rok Współczynnik średniego obciążenia w stosunku do mocy nominalnej (p) - 0,75 0,75 Sprawność przy obciążeniu 0,75 P n (η p ) * - 0,778 0,834 Roczne zużycie energii (Z) ** kwh/rok Cena energii PLN/kWh 0,40 0,40 Roczny koszt energii PLN/rok 848,40 791,20 * wg danych producenta ** obliczono wg wzoru 3 Wyniki obliczeń: lata (n) nabycia energii pieniężne zdyskontowane K n, PLN K en, PLN CF= K CF/(1+i) n silnik klasy Eff 2 (standardowy - s) 0 206,00 0,00 206,00 206,00 1 0,00 848,40 848,40 800,00 2 0,00 848,40 848,40 755,00 3 0,00 848,40 848,40 712,00 4 0,00 848,40 848,40 672,00 5 0,00 848,40 848,40 634,00 6 0,00 848,40 848,40 598,00 7 0,00 848,40 848,40 564,00 8 0,00 848,40 848,40 532,00 9 0,00 848,40 848,40 502, ,00 848,40 848,40 474, ,00 848,40 848,40 447, ,00 848,40 848,40 422,00 LCC s = suma przepływów zdyskontowanych 7 318,00 silnik klasy Eff 1 (energooszczędny - e) 0 268,00 0,00 268,00 268,00 1 0,00 791,20 791,20 746,00 2 0,00 791,20 791,20 704,00 3 0,00 791,20 791,20 664,00 4 0,00 791,20 791,20 627,00 5 0,00 791,20 791,20 591,00 6 0,00 791,20 791,20 558,00 7 0,00 791,20 791,20 526,00 8 0,00 791,20 791,20 496,00 9 0,00 791,20 791,20 468, ,00 791,20 791,20 442, ,00 791,20 791,20 417, ,00 791,20 791,20 393,00 LCC e = suma przepływów zdyskontowanych 6 900,00 Δ LCC = LCC e LCC s -418,00 7