ZASTOSOWANIE SILNIKÓW O DUśEJ SPRAWNOŚCI DO NAPĘDÓW WENTYLATORÓW MŁYNOWYCH

Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 88/2010 135 Grzegorz Badowski, Jerzy Hickiewicz, Krystya Macek-Kamińska, Marci Kamiński Politechika Opolska, Opole Piotr Pluta, PGE Elektrowia Opole SA, Brzezie ZASTOSOWANIE SILNIKÓW O DUśEJ SPRAWNOŚCI DO NAPĘDÓW WENTYLATORÓW MŁYNOWYCH THE APPLICATION OF HIGH-EFFICIENCY MOTORS FOR FANS MILL DRIVES Abstract: The paper describes the possibility of usig high-efficiecy motors to fas mill drives. Criteria for ecoomic aalysis of replacig stadard motors by eergy-savig oes are quoted. The results of this aalysis are preseted. Mathematical models of iductio motors for dyamic tests are briefly described. Simulatio ad measuremet results of start-up for stadard ad eergy-savig motors used i fas mill drives are give. Advisability of such a replacemet is preseted i the paper coclusio. 1. Wstęp Celem jest zapropoowaie metody wymiay silików stadardowych a eergooszczęde polegającej a aalizie efektywości ekoomiczej oraz sprawdzeiu pod względem dyamiczym moŝliwości takiej wymiay. 2. Kryteria aalizy efektywości ekoomiczej Aalizy ekoomicze przeprowadzae są zgodie z wytyczymi Orgaizacji Narodów Zjedoczoych ds. Rozwoju Przemysłowego (ag. Uited Natios Idustrial Developmet Orgaizatio, UNIDO). Zgodie z imi kaŝdorazowo w celu wskazaia racjoalego rozwiązaia przy podejmowaiu decyzji iwestycyjej koiecze jest przeprowadzeie wielu porówań i aaliz. Wytycze UNIDO obejmują zróŝicowae metody, które moŝa ująć w dwie grupy [1]: metody statycze, metody dyamicze. Metody statycze stosowae są do ocey efektywości we wstępym etapie rozpatrywaia iwestycji. Jedą z ajpopulariejszych metod jest prosty okres zwrotu. Prosty okres zwrotu (ag. Simple Payback Time, SPBT) to metoda, umoŝliwiająca wyzaczeie całkowitego okresu zwrotu akładów iwestycyjych, która w przybliŝeiu, w latach określa czas, po którym zwraca się koszt iwestycji. N SPBT = i (1) Oi N i akłady iwestycyje, [zł] O i średiorocze oszczędości wyikające z iwestycji, [zł]. Metody dyamicze powodują uwiarygodieie obliczeń dzięki zastosowaiu rachuku dyskota, uwzględieiu zmiay wartości pieiądza w czasie oraz całości przepływów pieię- Ŝych związaych z iwestycją. Najszersze zastosowaie zalazły metody: wartości zaktualizowaej etto (NPV), wewętrzej stopy zwrotu (IRR) oraz okresu zwrotu iwestycji (PP). Wartość zaktualizowaa etto (ag. Net Preset Value, NPV) wskaźik NPV przedstawia róŝicę pomiędzy zdyskotowaymi przepływami pieięŝymi a akładami początkowymi przy zadaej stopie dyskota oraz zadaym czasie realizacji iwestycji. NPV daje jedozacze przesłaki w zakresie decyzji iwestycyjych, day jest wzorem: NPV CFt t t= 1 (1 + r) = I 0 (2) CF t przepływy gotówkowe w okresie t, [zł], r stopa dyskota, [%], I 0 t akłady początkowe, [zł], koleje okresy (ajczęściej lata) eksploatacji iwestycji, [lat]. Iwestycja uwaŝaa jest za opłacalą, jeŝeli NPV 0. Wewętrza stopa zwrotu (ag. Iteral Rate of Retur, IRR) wskaźik IRR jest stopą dyskotową przy zadaym czasie realizacji iwestycji, przy której wartość zaktualizowaa

136 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 88/2010 etto NPV jest rówa zeru. Aalizując kilka wariatów iwestycji plaowaych w tym samym okresie czasu, ajkorzystiejszy jest te, dla którego wartość stopy IRR jest ajwiększa. Okres zwrotu iwestycji (ag. Payback Period, PP) wskaźik PP określa okres zwrotu iwestycji, tj. rok, w którym wpływy (oszczędości) pokrywają poiesioe akłady, przy zadaej wartości stopy dyskota. Im czas zwrotu zaiwestowaego kapitału jest krótszy, tym iwestycja jest wyŝej ceioa. 3. Efekt zmiejszeia zuŝycia eergii elektryczej Uzyskay efekt zmiejszeia zuŝycia eergii elektryczej przez siliki eergooszczęde wyika z ich większej sprawości przetwarzaia eergii elektryczej a mechaiczą. [3] Metoda dokłada uwzględia zaleŝość sprawości do rzeczywistego obciąŝeia silików w czasie. Dla kaŝdego odcika czasu eksploatacji, przyjmuje się wartości odpowiadające aktualemu obciąŝeiu silika w tym czasie. P m = P e η 1 Pe = Pm K ηs E = P t E = t = 1 e P e t 1 ηe (3) (4) (5) (6) P m moc mechaicza silika wydawaa a wale silika, [kw], P e moc pobieraa przez silik, [kw], η sprawość silika, [kw], P e róŝica pomiędzy wartościami mocy pobieraej przez silik stadardowy i eergooszczędy, [kw], η s sprawość silika stadardowego, [%], η e sprawość silika eergooszczędego, [%], K współczyik: K = ( e / s ) 3, E oszczędość eergii w czasie t, [kwh], E rocza oszczędość eergii, [kwh], Metoda uproszczoa uwzględia stałą, zamioową wartość sprawości iezaleŝą od obcią- Ŝeia silika. 4. Przykładowe wyiki obliczeń efektów ekoomiczych Aaliza ekoomicza umoŝliwia oceę korzyści wyikających z iwestycji polegającej a wymiaie silików stadardowych a owe o wysokiej sprawości. Taką oceę przeprowadzoo a podstawie przykładowej aalizy apędów wetylatorów młyowych (Rys. 1.). Wykorzystao do iej rocze wykresy obciąŝeia silików. Obliczeia przeprowadzoo w trzech wariatach: Metodą uproszczoą, zakładając stałą wartość sprawości silików rówa zamioowej. Metoda dokładą, uwzględiającą zaleŝość sprawości od obciąŝeia. Rys. 1. Roczy wykres obciąŝeia silika wetylatora młyowego

Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 88/2010 137 Metodą dokładą uwzględiającą zarówo zaleŝość sprawości od obciąŝeia jak i zwiększeie wydajości wyikające z uwęględieia zaleŝości prędkości obrotowej od obciąŝeia silika stadardowego i eergooszczędego. Tabela 1. Parametry silika stadardowego i eergooszczędego WENTYLATOR MŁYNOWY silik stadardowy silik eergooszczędy P N 850 kw 850 kw U N 6000 V 6000 V I N 99 A 95,5 A N 1490 obr/mi 1494 obr/mi η N 92,5 % 97,3 % cosφ 0,89 0,88 M r /M N 1 1 M k /M N 2,24 2,5 I r /I N 5 6,5 P m 40 kw 2,9 kw J 75 kgm 2 27,3 kgm 2 Rys. 2. Charakterystyki sprawości silika stadardowego i eergooszczędego W przeprowadzoych obliczeiach ocey efektywości iwestycji przyjęto astępujące załoŝeia: stopa dyskota: r = 7,5%, okres ekoomiczej uŝyteczości silika: przyjęto 20lat (POE), jedostkowy koszt eergii elektryczej: wariat elektrowiay: 100zł/MWh, wariat przemysłowy: 380zł/MWh (270zł/MWh z uwzględieiem 40% kosztów dystrybucji), wzrost jedostkowego kosztu zmieego produkcji: przyjęto 1% roczie, cea uprawień do emisji CO 2 : wariat 1: bez kosztów uprawień do emisji, wariat 2: koszt uprawień: 15 /Mg, wariat 3: koszt uprawień: 30 /Mg, kurs walutowy: przyjęto 1 = 4,25zł, jedostkowa cea skupu silika: przyjęto 1kg = 2,5zł, amortyzacja: 5%, wyika to z przyjętego okresu uŝytkowaia (20lat), podatek: przyjęto 19%, to podatek dochodowy od osób prawych. ZałoŜoo rówieŝ, Ŝe obciąŝeie silika będzie w zasadzie iezmiee przez cały aalizoway okres. Szczegółowo rozpatrzoo wariat dokłady uwzględiający zmiaę prędkości obrotowej oraz uwzględiający ceę uprawień do emisji CO2 w wysokości 30 za uprawieie (11 wiersz tabeli 2). Dae wejściowe: ilość silików w grupie: 5szt., średiorocza oszczędość a jede silik: 179,57MWh, koszt zakupu silika eergooszczędego: 148,8tyś. zł, przychody z likwidacji silików: 64,5tyś. zł {ilość silików w grupie (5szt.) pomoŝoa przez jedostkową ceę skupu silika (2,5zł/kg) oraz masę silika stadardowego (5160kg)}. Obliczeia ekoomicze: zwiększeie przychodów (R): 171,4tyś. zł, to suma dwóch składików: przychodów z likwidacji silików (64,5tyś. zł) tylko dla roku 2011 oraz iloczyu, średioroczej oszczędości eergii elektryczej (897,85MWh) pomoŝoej przez współczyik wielkości emisji (0,93401Mg/MWh) pomoŝoej przez ceę uprawień do emisji CO 2 (30 /Mg) i po uwzględieiu kursu walut (1 =4,25zł), zmiejszeie kosztów zuŝycia eergii elektryczej(o): 89,8tyś. zł, to iloczy ilości silików w grupie (5szt.) pomoŝoy przez średioroczą oszczędość eergii a silik (179,57MWh) oraz jedostkowy koszt eergii elektryczej (100zł/MWh), amortyzacja(a): 37,2tyś. zł, to akłady a wymiaę silików (744,0tyś. zł) pomoŝoe przez stawkę amortyzacyją 5%, EBIT(E): 224,0tyś. zł, to R (171,4tyś. zł) + O (89,8tyś. zł) A (37,2tyś. zł),

138 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 88/2010 Tabela 2. Zestawieie wyików obliczeń dla wetylatorów młyowych Metoda uproszczo a Metoda dokłada Metoda dokłada =f(pm) WENTYLATORY MŁYNOWE Średiorocza oszczędość SPBT PP NPV IRR eergii MWh lat lat tyś. zł % bez uprawień do emisji CO 2 11,9 25,3-70,2 6,2 cea uprawień do emisji CO 2 : 15 7,5 11,7 259,1 11,9 124,55 cea uprawień do emisji CO 2 : 30 5,5 7,8 588,5 16,9 wariat przemysłowy 3,1 4,1 1 478,5 29,0 bez uprawień do emisji CO 2 8,8 14,8 125,3 9,7 cea uprawień do emisji CO 2 : 15 5,5 7,9 571,0 16,6 168,57 cea uprawień do emisji CO 2 : 30 4,0 5,5 1 016,8 22,8 wariat przemysłowy 2,3 3,0 2 221,4 38,6 bez uprawień do emisji CO 2 8,3 13,5 174,1 10,5 cea uprawień do emisji CO 2 : 15 5,2 7,4 649,0 17,7 179,57 cea uprawień do emisji CO 2 : 30 3,8 5,1 1 123,8 24,3 wariat przemysłowy podatek od EBIT(T): 42,6tyś. zł, to EBIT (224,0tyś. zł) pomoŝoy przez stawkę podatkowa 19%, akłady a wymiaę silików (I): 744,0tyś. zł (dla roku 2010), to ilość silików w grupie (5szt.) pomoŝoa przez koszt zakupu jedego silika eergooszczędego (148,8tyś. zł), przepływy pieięŝe przedsiębiorstwa (CF): 218,6tyś. zł, to E (224,0tyś. zł) T (42,6tyś. zł) + A (37,20tyś. zł) I (0zł), współczyik dyskotujący(co): 0,93 dla roku 2011 (obiŝa wartości pieiądza w czasie), zdyskotowae przepływy pieięŝe (DCF): (203,4tyś. zł), to iloczy przepływów pieię- Ŝych przedsiębiorstwa (218,6tyś. zł) oraz współczyika dyskotującego (0,93). Dae wyjściowe: SPBT: 3,8 lat prosty okres zwrotu akładów iwestycyjych (koszt zakupu silika (14880zł) podzieloy przez iloczy średioroczej oszczędości a siliki (179,57MWh) i jedostkowego kosztu eergii elektryczej (100zł/MWh)), PP: 5,1 lat czas, po upływie którego wpływy pokrywają poiesioe akłady, NPV: 1123,8tyś. zł wartość iwestycji po okresie uŝyteczości silika (20lat), IRR: 24,3% stopa dyskotowa, przy której wartość zaktualizowaa etto NPV byłaby rówa zero, po 20 latach. 1,7 2,1 3 356,7 53,1 5. Obwodowy model silika idukcyjego W badaiach symulacyjych staów dyamiczych silików idukcyjych wykorzystuje się obwodowe modele matematycze. Modele matematycze sformułowao przyjmując astępujące załoŝeia: [4, 5, 6, 7] symetria budowy silika, liiowość charakterystyk magesowaia, jedoharmoiczy rozkład przestrzeego pola magetyczego, pomijaie strat w obwodzie magetyczym maszyy. Taki model matematyczy silika staowi układ rówań róŝiczkowych obwodów elektryczych: d = (7) dt [ U ] [ L] [ I ] + [ Z(ω) ][ I ] U wektor apięć, L macierz idukcyjości, I wektor prądów, Z macierz impedacji, Wraz z rówaiem ruchu: (8) dω = dt 2 p J X m ω 0 B macierz liczbowa, I I v1 I I v2 u1 u2 [ I AIB ][ B] t + + M m J p

Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 88/2010 139 6. Wyiki badań symulacyjych i pomiarowych rozruchu silika stadardowego i eergooszczędego Parametry modelu matematyczego silików w szczególości obwodów wirika uzyskao metodą estymacji parametrów a podstawie charakterystyki mechaiczej (M=f(s)). Wykoao obliczeia symulacyje przebiegów czasowych mometów, prądów oraz prędkości rozruchu silików apędzających wetylatory młyowe. Przeprowadzoo rówieŝ porówawcze pomiary rozruchu a obiektach rzeczywistych. Rys. 5. Przebieg prędkości obrotowych podczas rozruchu silika stadardowego i eergooszczędego a biegu jałowym Rys. 3. Przebieg mometu elektromagetyczego podczas rozruchu silika stadardowego a biegu jałowym Rys. 6. Przebieg pomiarowy prądu rozruchu silika stadardowego Rys. 4. Przebieg mometu elektromagetyczego podczas rozruchu silika eergooszczędego a biegu jałowym Rys. 7. Przebieg pomiarowy prądu rozruchu silika eergooszczędego

140 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 88/2010 7. Wioski W pracy przedstawioa została metoda moderizacji apędów elektryczych przez wymiaę silików stadardowych a owe siliki o podwyŝszoej sprawości. Przy oceie ekoomiczej ajbardziej wikliwym kryterium wydaje się być okres zwrotu iwestycji PP. Wymiaa apędów elektryczych zaistalowaych w pobliŝu źródła eergii ie jest ajlepszym przykładem do ocey korzyści z zastosowaia silików eergooszczędych, dlatego obliczeia przeprowadzoo rówieŝ dla hipotetyczego zakładu przemysłowego zakładając moŝliwie ajiŝsze cey zakupu eergii elektryczej. Na podstawie tabeli 2 zawierającej wskaźiki efektywości ekoomiczej moŝa rówieŝ zauwaŝyć, Ŝe w przypadku zakładu przemysłowego efekty ekoomicze są bardziej wyraźe iŝ w elektrowi. Z przeprowadzoej aalizy dyamiczej wyika, Ŝe rozruch kaŝdego silika eergooszczędego dokouje się w krótszym czasie iŝ w silikach stadardowych. Porówaie przebiegów prądów rozruchowych pokazuje atomiast, iŝ w silikach eergooszczędych szczytowe wartości prądów rozruchowych są większe, podobie szczytowe wartości mometów rozruchowych. Z puktu widzeia oddziaływaia a źródło zasilaia w przypadku elektrowi ie staowi to zagroŝeia. Zwiększoe, krótkotrwałe wartości szczytowe prądu i mometu mogą jedak egatywie wpływać a trwałość silików, szczególie przy częstych rozruchach. Wyiki badań symulacyjych potwierdzoo pomiarami a obiektach rzeczywistych. Aaliza efektywościowa i dyamicza pracy silika jest iezbęda zarówa a etapie projektowaia, jak i podczas eksploatacji układów apędowych. Plaując wymiaę silika stadardowego a eergooszczędy aleŝy rówolegle przeprowadzić aalizę ekoomiczą, która odpowie a pytaie czy iwestycja opłaci się oraz aalizę dyamiczą, aby stwierdzi czy silik eergooszczędy podoła wymagaiom dyamiczym rozruchu, którym silik stadardowy dotychczas stosoway sprostał. Właściwie dobray silika pozwala uŝytkowikowi a zmiejszeie kosztów eksploatacyjych, jak rówieŝ a osiągięcie celów związaych z ograiczeiem zaieczyszczeia powietrza oraz ewetualego efektu cieplariaego. Zapropoowaa metoda moderizacji apędów elektryczych ie jest skomplikowaa, ajwiększy problem staowi uzyskaie od producetów wszystkich daych układu apędowego, a w szczególości daych potrzebych do estymacji parametrów obwodów wirika. Literatura [1] Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrowie, Wyd. 5 zm., Wydawictwo Naukowo - Techicze, Warszawa 2009 [2] Badowski G.: Aaliza techiczo ekoomicza apędów wetylatorowych w eergetyce, Praca dyplomowa Politechika Opolska, Opole 2009 [3] Hickiewicz J., Puta P., Węgrzy J.: Ocea celowości wymiay stadardowych silików apędów potrzeb własych a wysokosprawe z uwzględieiem wykorzystaia praw do emisji CO 2, Komel Zeszyty problemowe maszyy elektrycze r 78/2007 [4] Macek - Kamińska K.: Estymacja parametrów modeli matematyczych silików idukcyjych dwuklatkowych i głębokoŝłobkowych, Wydawictwo WyŜszej Szkoły IŜyierskiej, Opole 1992 [5] Hickiewicz J.: Dyamika układów apędowych, materiały iepublikowae, Politechika Opolska, Opole 2009 [6] Hickiewicz J., Macek Kamińska K., Kamiński M.: Dyamicze modele obliczeiowe maszy idukcyjych i ich idetyfikacja, Komel Zeszyty problemowe maszyy elektrycze r 69/2004 [7] Praca zbiorowa: Praca aukowo badawcza r NB-23/87 wykoaa a zleceie GBSiPE ENERGOPROJEKT w Warszawie, etap I : Obliczeiowe testowaie doboru silików do apędów potrzeb własych w fazie projektowaia elektrowi i elektrociepłowi, etap II: Obliczeiowe testowaie doboru silików do apędów potrzeb własych w fazie projektowaia elektrowi i elektrociepłowi. WyŜsza Szkoła IŜyierska,Opole 1987 Autorzy Dr hab. iŝ. Jerzy Hickiewicz, prof. PO, e-mail: j.hickiewicz@po.opole.pl Dr hab. iŝ. Krystya Macek-Kamińska, prof. PO, e-mail: k.macek-kamiska@po.opole.pl Dr iŝ. Marci Kamiński e-mail: m.kamiski@po.opole.pl Mgr iŝ. Grzegorz Badowski e-mail: gkbadowski@gmail.com Politechika Opolska, Wydział Elektrotechika, Automatyki i Iformatyki ul. Luboszycka 7, 45-036 Opole Mgr iŝ. Piotr Pluta e-mail: piotr.pluta@elopole.bot.pl PGE Elektrowia Opole SA 46-021 Brzezie k. Opola Recezet Prof. dr hab. iŝ. Ja Zawilak