Sprawne zarządzanie energią to większa wydajność procesów

Z prądem albo pod prąd
To pierwsza z planowanego cyklu publikacji, które mają na celu dostarczenie inżynierom wiedzy i przykładów na to, jak mogą – przy stosunkowo niskich kosztach – określić i zidentyfikować główne źródła strat energetycznych w swoich zakładach przemysłowych. W pierwszym artykule koncentrujemy się na zużywaniu energii przez maszyny, silniki i układy napędowe. W przyszłości przyjrzymy się możliwościom odzysku energii i jej ponownego wykorzystania oraz uzyskania oszczędności energetycznych w konkretnych aplikacjach przemysłowych.
Inżynierowie przemysłowi na co dzień stykają się z kwestią oszczędności zasobów energetycznych. Wprowadzenie takich oszczędności jest możliwe i wskazane na bardzo wielu obszarach działalności każdego zakładu. Wziąwszy pod uwagę wciąż rosnące zapotrzebowanie przemysłu i sektora prywatnego na różne rodzaje i nośniki energii, warto poczynić pewne wysiłki, zmierzające do realnego obniżenia kosztów. W szczególności biorąc pod uwagę, że ceny prądu nie stoją w miejscu i można spodziewać się ich dalszego wzrostu. 
W planowanej serii artykułów przedstawione będą proste i łatwe do realizacji procedury, które prowadzą do oszczędności energetycznych w zakładach przemysłowych, które realizują produkcję seryjną i detaliczną.

Użytkowanie energii w maszynach i urządzeniach przemysłowych 
W opinii Corey’a Mortona, menadżera produktów B&R pierwszym i najważniejszym etapem przygotowania strategii zarządzania energią w zakładzie przemysłowym jest ustalenie tego, jak dużo i na co jest ona przeznaczana.
– Dlatego niezbędna jest instalacja odpowiednich mierników, w tym przenośnych i zdalnych oraz bliska współpraca z lokalnymi dostawcami energii – podkreśla Morton.
Jednym z najprostszych sposobów ustalenia tego, na co konkretnie zużywamy energię, jest obserwacja tzw. rozpływu energii między obciążeniami w różnych okresach funkcjonowania zakładu. Należy to robić ze szczególnym uwzględnieniem ewentualnych zbędnych poborów energii.
– Jako przykład można podać zakład pracujący na dwie zmiany, w którym większość operacji wykonywana jest przez urządzenia pneumatyczne – mówi Corey Morton. – Ponieważ produkcja realizowana jest tylko podczas dwóch zmian, w czasie trzeciej nie ma na przykład potrzeby uruchamiania sprężarek. Dotyczy to również systemów HVAC, oświetlenia itp. 
Innym sposobem ustalenia rozpływów energii jest obserwacja zmian zapotrzebowania na nią w różnych strefach zakładu. Jeżeli, dajmy na to, do procesów produkcyjnych potrzebne są duże ilości wody, obserwacja jej rosnącego zużycia może wskazywać, gdzie została włączona większa liczba maszyn.
– W przypadku gdy silniki pomp wodnych uruchamiane są przez automatyczne wyłączniki rozmieszczone na linii produkcyjnej, może okazać się, że działają one (pobierają energię elektryczną) niezależnie od aktualnego zapotrzebowania, pompując wodę bez potrzeby – zauważa Morton.
Pomiary takie można zrealizować, mierząc przepływ wody dostarczanej na linię produkcyjną oraz sprawdzając prędkość silników pomp. Obie te wartości zmieniają się zależnie od zapotrzebowania. Dodatkową korzyścią takich pomiarów może być poprawa współczynnika mocy napędów pomp. Biorąc przy tym pod uwagę, że z reguły zespoły kilku napędów wykazują wyższy wspólny współczynnik mocy w stosunku do maszyn pracujących indywidualnie. Ogólnie przyjmuje się, że współczynnik mocy napędów wskazuje na to, „jak dobrze” wykorzystywana jest dostarczana do nich energia.

– Niski współczynnik mocy oznacza, że system dystrybucji energii w zakładzie powinien być odpowiednio rozbudowany i przeorganizowany – podkreśla Corey Morton. – Tak, aby zapewnić wszystkim maszynom i urządzeniom odpowiedni poziom dostarczanej mocy czynnej i biernej. W przeciwnym wypadku linie dystrybucyjne mogą zostać przeciążone i w ten sposób w jeszcze większym stopniu pogorszyć współczynnik mocy.
Wspomniana aplikacja pomp może posłużyć również jako dobry przykład tzw. szczytów zapotrzebowania energetycznego. Za każdym razem, gdy pompa jest uruchamiana, powoduje spore zaburzenia przebiegów prądowych sieci zasilającej (zależnie od mocy zastosowanego w niej silnika). To skutkuje chwilowym, radykalnym wzrostem zapotrzebowania energetycznego zakładu.
Należy podkreślić, że większość zakładów przemysłowych zawiera swoje kontrakty z zakładami energetycznymi opierając się na okresowym, średnim zapotrzebowaniu na energię. Wspomniane zapotrzebowania szczytowe mogą jednak spowodować, że umowy powinny być podpisane na wyższe zużycie. Nawet przy jego rozłożeniu na okres rozliczeniowy. 

*****
Układy napędowe ze wspólną magistralą DC – ponowne wykorzystanie energii  
W aplikacjach, gdzie wykorzystywane są przynajmniej dwa zsynchronizowane ze sobą napędy o zmiennej częstotliwości VFD, można pokusić się o realizację połączenia kilku sterujących ich pracą inwerterów za pomocą wspólnej magistrali stałoprądowej DC. Takie połączenie pozwala na przekazywanie energii pomiędzy napędami, ponieważ w tym samym czasie niektóre z inwerterów pracują w trybie silnikowym, a niektóre w generatorowym (hamowanie silnika).
– Oto jak działa taki układ: energia elektryczna powstająca w procesie wyhamowywania silnika może być przekazana do magistrali stałoprądowej i ponownie wykorzystana do zasilenia innej maszyny, zwiększając wydajność energetyczną całego układu napędowego – wyjaśnia Ron Koehler z Yaskawa Electric. – Systemy napędowe, które są już używane, mogą być łatwo przekonfigurowane i dostosowane do wykorzystania tej idei, znacznie zwiększając swoją sprawność energetyczną.
Większość dostępnych obecnie na rynku napędów VFD ma wbudowane terminale, które umożliwiają tworzenie takich połączeń. Niezbędne jest tylko zaangażowanie i wiedza kadry inżynierskiej.

*****

Prostym sposobem na uniknięcie takich sytuacji i eliminację lub ograniczenie tzw. udarów prądowych przy rozruchu maszynelektrycznych jest stosowanie tzw. softstartów lub sterowników napędów, dzięki którym możliwa jest regulacja przyspieszeń i czasu wzbudzania maszyn, zwłaszcza większych mocy – dodaje Morton. 
Niemałe możliwości zarządzania energią stwarzają już zainstalowane w zakładach nowoczesne układy maszynowe ze sterownikami i wzmacniaczami. Przykładem takiej aplikacji mogą być maszyny rozwijające jakieś materiały, przetwarzające i na koniec zwijające je.
– W takich aplikacjach zwykle przy operacji rozwijania silniki pracują w trybie oddawania energii do sterownika, który musi „coś” z nią zrobić – mówi Corey Morton. – Często energia ta rozładowywana jest w bateriach tzw. rezystorów hamujących i tracona w postaci ciepła. Jednym ze sposobów na jej racjonalne spożytkowanie może być połączenie ze sobą kilku sterowników napędów wspólną magistralą stałoprądową (patrz ramka: „Układy napędowe ze wspólną magistralą DC”). Dzięki temu niektóre ze sterowników mogą wykorzystać do swego działania energię pozyskaną z procesu rozwijania materiałów.
Według przedstawiciela B&R należy jednak pamiętać, że taka aplikacja pozwala na ograniczenie strat energii, nie zaś ich eliminację. Dlatego nie należy całkowicie wykluczać z niej rezystorów hamujących.
Silniki i napędy 
Systemy napędowe są zwykle elementem zużywającym największe ilości energii elektrycznej pobieranej przez zakłady przemysłowe (patrz rysunek: „Zużycie energii w przemyśle USA”). Sensownym wydaje się więc zaangażowanie inżynierów-automatyków w opracowanie metod optymalizacji jej zużycia w tym właśnie obszarze.
– Co zaskakujące, tylko około 30% zakładów produkcyjnych używa do sterowania swoimi silnikami trójfazowymi układów, które umożliwiają regulację częstotliwości ich pracy – zauważa Ron Koehler z Yaskawa Electric.
Sugeruje on inżynierom rozważenie czterech istotnych kwestii związanych z zastosowaniem nowoczesnych wzmacniaczy i sterowników napędowych do obsługi silników trójfazowych. Podkreśla przy tym, że żadna z tych kwestii nie wiąże się z koniecznością ponoszenia dodatkowych kosztów. Zatem praktycznie w każdym przypadku mają tylko i wyłącznie pozytywny wpływ na funkcjonowanie zakładu: 
Należy skończyć z powszechną praktyką przewymiarowywania napędów w stosunku do wymagań aplikacyjnych. Zawsze należy dokładnie oszacować zapotrzebowanie mocy dla danej aplikacji. Tak, aby odpowiednio dobrać napęd, który zapewnia maksymalne osiągi.
Należy stosować sterowniki / przetwornice typu finless. Przetwornice takie to specjalnie zaprojektowane urządzenia, które pozwalają na uniknięcie stosowania dodatkowych metod / sposobów ich chłodzenia. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu specjalnych radiatorów montowanych na tylnej części obudowy. W ten sposób redukcji ulegają rozmiary urządzenia (zajmuje mniej miejsca w szafie sterowniczej) oraz wymagania związane z odpowiednim chłodzeniem. 
Warto dążyć do pracy sekwencyjnej napędów i maszyn oraz stosować automatykę załączania i wyłączania chłodzących je wentylatorów. Pozwala to na uzyskanie znacznych oszczędności energii, która nie jest zużywana bez potrzeby. Inżynierowie-projektanci zawsze powinni sprawdzić, czy w danych typach maszyn dostępna jest opcja „ekologiczna”.
Sterowanie napędami z magnesami trwałymi (PM). W silnikach z magnesami trwałymi dostępne jest sterowanie powstającego w nich pola magnetycznego, w celu uzyskania optymalnych warunków pracy. Silniki takie pozwalają na uzyskanie oszczędności większych niż wymagania niektórych norm. Osiągają sprawności nawet o kilka procent większe w stosunku do silników projektowanych pod kątem uzyskania maksymalnych oszczędności i wydajności.
*****
Napędy ze zmienną częstotliwością / prędkością to źródło realnych oszczędności  
Wielu specjalistów branży automatyki wskazuje na potencjalne oszczędności zużycia energii elektrycznej, dzięki zastosowaniu napędów ze zmienną częstotliwością / prędkością pracy. Warto zadać sobie pytanie: jakie są możliwości tych napędów i w jaki sposób mogą one sprzyjać powstawaniu realnych oszczędności?
– Odpowiedź brzmi: przede wszystkim poprzez eliminację dużych zniekształceń przebiegów prądowych przy uruchamianiu silników – twierdzi Rich Mintz, menadżer produktów w SEW Eurodrive. – Znaczenie ma również ograniczenie i optymalizacja szczytowych zapotrzebowań silników na energię. Napędy o zmiennej częstotliwości umożliwiają redukcję maksymalnych, zwykle chwilowych zapotrzebowań energetycznych silników. Wprowadzają w ten sposób znaczne oszczędności w opłatach za dostarczaną energię.
Podstawą działania silników indukcyjnych jest bowiem powstawanie obracającego się pola magnetycznego na skutek dostarczenia do uzwojeń maszyny napięcia przemiennego, które indukuje również pole w wirniku. Oba te pola nie są zsynchronizowane: wirnik porusza się za obracającym się polem stojana, starając się za nim nadążyć. Różnica prędkości między wirującym polem magnetycznym uzwojeń stojana a prędkością obrotową wirnika zwana jest poślizgiem.
W związku z koniecznością wyindukowania pól magnetycznych w maszynie przy jej rozruchu pobierany jest duży prąd (nawet do 10 razy większy od prądu znamionowego przy pełnym obciążeniu). W tym momencie wspomniany poślizg przyjmuje największą wartość 100%, ponieważ nieruchomy wirnik stara się nadążyć za wygenerowanym nagle polem magnetycznym uzwojeń stojana.
– Silnik pobiera tak duże prądy, aby jak najlepiej wykonać swe zadanie – wyjaśnia Mintz. – Po osiągnięciu prędkości nominalnej poślizg silnika uzyskuje wartość minimalną, a zużycie prądu spada do niewielkich lub nominalnych wartości, zależnie od stopnia obciążenia maszyny. Duże zakłady przemysłowe lub elektrownie powinny rozważyć i zdecydować się na zastosowanie u siebie nowoczesnych napędów z regulowaną, zmienną częstotliwością / prędkością pracy – VFD.
W jego opinii są one szczególnie przydatne w dużych aplikacjach, które pracują na średnich napięciach. Tam, gdzie mogą przyczynić się do uzyskania sporych oszczędności energii, poprawy jej jakości oraz parametrów pracy całego systemu energetycznego.
– Przez ostatnie 20 lat napędy tego typu zastosowało już szereg elektrowni i dużych zakładów przemysłowych – podkreśla Mark Harshman, kierownik działu Nuclear Drives Business w Siemens Energy & Automation. – Są więc dobrze wypróbowane, a efekty ich pracy przewidywalne, potwierdzone i udowodnione.
Harshmann dodaje, że oszczędności energetyczne związane z zastosowaniem napędów typu VFD wiążą się zarówno z ich własnościami mechanicznymi, jak i elektrycznymi.
– Na przykład elektrownia może osiągnąć poprawę wskaźnika jednostkowego zużycia ciepła na poziomie 1–1,5% – mówi przedstawiciel Siemens Energy & Automation. – W związku z tym energia wykorzystywana zwykle do sterownia przepustnicami pompi zasuwami w aplikacjach wentylatorów może być teraz z powodzeniem oddana do sieci zasilającej i wykorzystana przez inne aplikacje lub odbiorców.
Jak wyjaśnia Harshmann, napędy VFD umożliwiają ponadto dokładniejsze sterowanie prędkością silników oraz dokładniejsze jej dopasowanie do, na przykład, zmieniających się obciążeń. Podkreśla on również, że wielu inżynierów branży automatyki napędów uważa duże napędy typu VFD za urządzenia bardzo proste w instalacji. Zarówno w aplikacjach nowych, jak i modernizowanych.
*****
David Greenfield
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-
-Hutniczej w Krakowie