Hvorfor Turtallsregulering?

Transkript

1 Lars-Fredrik Mathiesen Hvorfor Turtallsregulering?

2 Temaer Prosess Energieffektivisering Hvorfor energieffektivisere? Virkningsgrad Pumpe- og viftedrifter Hvorfor turtallsregulering? Energivurdering

3 Prosess Endrer et materiales egenskap (konsistens, geometri) Prosess Kontroll av materialflyt, dosering, trykk og posisjon Material-foredling Material-transport Avgrenset form Udefinerbar form Faste Flytende Gasser Maskiner: -kutting -forming -valseverk -treforedling -roboter Maskiner: -blandere -sentrifuger -extrudere -autoklaver -møller Transport: -vinsjer -kraner -tranportører -heiser Pumper Vifter og kompressorer Felles for disse er behovet for å justere prosessen

4 Last-typer 1. Konstant moment T P n - Transportbånd - Matere, skruer - Kompressorer - Heiser, kraner, wincher 2. Kvadratisk moment P T n - Sentrifugalpumper - Sentrifugalkompressorer - Vifter 3. Konstant effekt T P - Valser n 4. Konstant effekt/moment T P T n - Papirmaskinruller

5 Variabler i prosess-systemer Tilført energi Energi Tapsenergi Materialer Materialforsyning Mekanisk påvirkning Elektromagnetisk påvirkning Termisk påvirkning Kjemiske og biologiske reaksjoner Kjernefysisk påvirkning Avfall Energi-flyt Materialflyt Produkt / endelig materialtilstand

6 16,800 12,500 23,700 32,900 Utfordringer i årene som kommer Økning i strømforbruk frem mot 2035 Kilde: IEA, World Energy Outlook 2010 Terrawatt-timer (TWh) 30,000 20, % Hvordan produsere mer og samtidig forbruke mindre? Prosessoptimalisering Energieffektive motorer Turtallsregulering 10,000 Group November 23, 2011 Slide Elektromotorer står for 45% av verdens strømforbruk

7 Effektiv energi Bidragsytere til potensiell reduksjon av CO 2 -utslipp World energy-related CO 2 savings potential by policy measure under 450 Policy Scenario relative to Current Policies Scenario Source: IEA, World Energy Outlook 2010 CO 2 emissions (Gt) Current trend Efficiency 71% 48% Renewables 18% 21% Biofuels 1% 3% Nuclear 7% 8% CCS* 2% 19% Policy Scenario *Carbon capture and storage

8 Virkningsgrad - elektromotorer Virkningsgrad er forholdet mellom avgitt effekt (mekanisk) og tilført effekt (elektrisk) h = P P 2 1 h = P ut P inn P inn P ut h = P ut P ut + S P tap last h = P inn - P inn S P tap S P tap

9 Tapene deles i fem hovedkategorier Friksjonstap (P f ) Jerntap (P j ) Viklingstap (P v ) Rototap (P r ) Tilleggstap (P tt ) Tilleggstap kan tilskrives bl.a: lekkasjeflux, mekaniske tap i luftgapet og uregelmessigheter i luftgapets fluxtetthet P f P inn P j P r P v P ut P inn = Tilført elektrisk effekt P ut = Mekanisk effekt P tt

10 IEC/EN Virkningsgrad og målemetoder IEC beskriver to metoder for måling av virkningsgrad Direkte metode Indirekte metode (summering av tap) Den nye standarden IEC/EN spesifiserer nye parametre for måling av virkningsgrad ved indirekte metode: Ny metode for bruk av referansetemperatur for viklings- og rotortap Ny måte for bestemmelse av tilleggstap Måling Fastsatt verdi Beregning

11 IEC/EN : 2008 IEC/EN publisert i Oktober 2008 Definerer nye virkningsgradsklasser for motorer Nivåene i IEC/EN er basert på testmetodene spesifisert i IEC/EN

12 Nye virkningsgradsklasser definert i IEC/EN Super premium efficiency IE4 Fremtidig nivå over IE3 Premium efficiency IE3 Identisk med NEMA Premium High efficiency IE2 Tilsvarer Eff1/EPAct Standard efficiency IE1 Tilsvarer Eff2

13 IE virkningsgrad for 50 Hz 4-pol motorer

14 Fokus på virkningsgrad - elektromotorer EU-kommisjonen antar at den totale virkningsgraden for EU s motorpark kan bedres med 20-30% innen 2020 ved bruk av energi-effektive motorer 135 milliarder kwh spart i 27 EUland 63 millioner tonn CO 2 Energieffektivitet har blitt vedtatt som et av prioriteringsområdene til IEC Group November 23, 2011 Slide 14

15 EU MEPS - European Minimum Energy Performance Standard EU MEPS er en del av EU s Eco-design project som sikter på å redusere energiforbruket og andre negative miljøpåvirkninger fra produkter som forbruker energi. EU MEPS dekker 2-6 pol motorer 0, kw (med visse unntak) EU MEPS baserer seg på IEC og IEC I og med at EU MEPS baserer seg på internasjonale standarder så er det et viktig skritt mot en global standardisering

16 Timeplan for EU MEPS 6. Juli 2005 EU slutter seg til Eco-design directive (2005/32/EC) et rammeverk som skal suppleres med implementerende tiltak (for eksempel MEPS) 22. Juli 2009 EU-kommisjonen vedtok en forskrift som angir at eco-design kravene gjelder for elektriske motorer fom Fase 1: Fra 16 Juni 2011 Fase 2: Fra 1 Januar 2015 Fase 3: Fra 1 Januar 2017 Alle motorer må møte IE2 krav Motorer i effektområdet kw må møte IE3. Alternativt IE2 hvis de er styrt av frekvensomformer Motorer i effektområdet 0, kw må møte IE3. Alternativt IE2 hvis de er styrt av frekvensomformer

17 Hvorfor velge høy virkningsgrad? Behov 75 kw på aksel Tilført effekt 78.8 kw (n=95,1%) Tilført effekt 81.4 kw (n=92,1%) Tap = 3.8 kw (n=95.1%) Tap = 6.4 kw (n=92.1%) 3% forbedret virkningsgrad reduserer tapene med 40% ca. 22 MWh = ,- NOK pr.år = 11 tonn CO 2 (0,5kg/kwh) Group November 23, 2011 Slide 17 Ver. B

18 Fokus på virkningsgrad pumper og vifter

19 Pumper og vifter i prosesser Pumper og vifter er vanlig i prosesser Mengdebehovet varierer

20 Affinitetslovene Effektbehov Mengde Trykk n n Q Q = = n n H H = n n P P Sammenhengen mellom en kvadratisk last sitt turtall (n), mengde (Q), trykk (H) og effektbehov (P) beregnes med de tre affinitetslovene: Hvis turtallet halveres: P P P = =

21 Effekt (%kw) Affinitetslovene Laster med kvadratisk moment 100 P in I line Effekt er proposjonal med (Turtall) Turtall, Mengde (%) Group November 23, 2011 Slide 21 Ver. B

22 Mengderegulering er nødvendig VM-finale Tyskland-Italia 1982 (hvem vant?)

23 Trykk/mengde karakteristikk for en Pumpe Trykk H Q = 0 H = H max Pumpekurve H N Pumpens arbeidspunkt Systemkurve H = 0 Q = Q max Q N Volum / mengde Q

24 Metoder for mengderegulering Struperegulering By-pass regulering On-off regulering Turtallsregulering Parallelldrift

25 Struperegulering

26 By-Pass regulering

27 On-Off regulering

28 Turtallsregulering

29 Pumpekurver og virkningsgrad ved forskjellige turtall

30 Pumpe-effekt og virkningsgrad Nominell last x Ventilkontroll x Frekvensregulering

31 Hvordan spare energi med VSD er Struping er svært vanlig Group November 23, 2011 Slide 31 Ver. B

32 Power Hvordan spare energi med VSD er Struping vs. VSD Drifter med variabelt moment gir størst sparepotensiale, grunnet sammenhengen mellom hastighet og effekt Power to pump to produce useful flow Power to throttle controlled pump Power input to VSD controlled pump Flow (%) Group November 23, 2011 Slide 32 Ver. B

33 Eks - Relativt effektbehov 70% mengde Effektbehovet er omtrent dobbelt så stort ved struping og by-pass sammenlignet med VSD

34 Eksempel, totalt effektbehov ved struping, 70% mengde 89% 127% 134% 135% 139% Ventil 70% flow Pumpe η = 70% Motor η = 95% Tranformator η = 99% Generator η = 97% Mengderegulering til 70% mengde med fast motorturtallturtall og struping krever 139% tilført mekanisk effekt på generatoren.

35 Eksempel, totalt effektbehov ved turtallsregulering, 70% mengde 45% 56% 59% 60% 61% 63% Pumpe Motor VSD Tranformator Generator η = 80% η = 94,8% η = 98% η = 99% η = 97% Mengderegulering til 70% mengde med variabelt motorturtallturtall krever kun 63% tilført mekanisk effekt på generatoren. I tillegg så trekker installasjonen lavere reaktiv effekt

36 PumpSave - Eksempel Dykket pumpe: Statisk løftehøyde 5m, nominell løftehøyde 10m, max løftehøyde 20m, 1400m 3 /h, η=80% Nåværende kontrollmetode: Av/på kontroll 690V, 55kW motor, η=95% Driftstimer pr. år: 6000 t, antatt lastfordeling: 5% full last, 95% av tiden med 70% last Pris for 1 VSD: ,- NOK Internrente: 5% Driftstid: 15 år

37 PumpSave - Eksempel

38 PumpSave - Eksempel Sjøvannspumpe: Statisk løftehøyde 10 m, nominell løftehøyde 118 m, max løftehøyde 144 m, 1050 m 3 /h, η=76% Nåværende kontrollmetode: Struping 690 V, 500 kw motor, η=96,1% Driftstimer pr. år: 6000 t, antatt lastfordeling: 10% full last, 50% av tiden med 70% last, 40% av tiden med 60% last Pris for VSD: ,- NOK Internrente: 5% Driftstid: 20 år

39 PumpSave - Eksempel

40 FanSave - Eksempel Data: Radiell sentrifugalvifte, nominelt fløde 55 m 3 /s, 3,5 kpa, η=70%, Nåværende kontrollmetode: Spjell på utgangen, ingen tap i transmisjon 315kW, 690V, η= 96% Driftstimer pr. år: 6000 t, standard belastningsprofil Pris, VSD: ,- NOK Internrente: 5% Driftsstid: 20 år

41 FanSave - Eksempel

42 Power and Torque Hvordan spare energi selv ved fast turtall? Pumper og vifter De aller fleste pumpe- og viftesystemer er overdimensjonert, så turtallet kan nesten alltid reduseres 100 Torque Power Speed (%) 93 Kun 7% redusert turtall gir 20% spart energi Group November 23, 2011 Slide 42 Ver. B

43 Hvorfor turtallsregulering? HMS Redusert støy Lavere turtall gir lavere støynivå på motorer og drevet utstyr Man unngår mekaniske komponenter som genererer støy Lavere støynivå i byggventilasjon Innebygde sikkerhetsfunksjoner reduserer faren for skader eller tap av liv Reduserte miljøpåvirkninger Hydrauliske drifter kan erstattes av elektriske drifter Ingen eksponering for hydraulikkolje

44 Hvorfor turtallsregulering? Vedlikehold Færre mekaniske komponenter Færre elektriske komponenter Myk start og stopp Mindre stress på elektromotorene, samt annet elektrisk utstyr (ingen inrush strøm) Mindre stress på prosessutstyret (maskiner, rør etc.) Myk start og stopp samt lavere driftstrykk gir lengre levetid og øker tilgjengeligheten på elektrisk og mekanisk utstyr Produktivitet Å øke produksjonen med utstyr som har konstant turtall krever tid og investeringer En frekvensomformer kan enkelt øke turtallet og dermed produksjonen uten tilleggsinvesteringer Installasjonen må være dimensjonert for økt effekt

45 Hvorfor turtallsregulering? Kvalitet Presis hastighetskontroll gir en optimalisert prosess. Optimal prosesskontroll gir best sluttprodukt. Best sluttprodukt gir best lønnsomhet Energisparing Mange prosesser krever endringer i produksjonsvolum Mekanisk endring av produksjonsvolum er som regel inneffektivt Med VSD er så endrer man produksjonsvolumet ved å endre motorens hastighet Dette sparer mye energi, spesielt når man har kvadratiske momentkarakteristikker (sentrifugalpumper, -kompressorer og vifter)

46 PumpSave, FanSave og mye annet stoff finnes på

47