электромотор

Энергия как переменная процесса

Станет ли большая четвёрка большой пятёркой? Хоть потребление электроэнергии — это не совсем поток и давление, её оптимизация может принести большую экономию в обрабатывающих отраслях и помочь снизить выбросы углерода.

электромотор

Проблема промышленного потребления энергии с каждым днём становится всё более актуальной. Существует множество причин, по которым компании и частные лица должны понять, на что они тратят энергию, и приложить все усилия для сокращения расходов по всем направлениям. Почти 30 лет назад президент США Джимми Картер охарактеризовал энергетическую независимость США как «моральный эквивалент войны». Хотя политический смысл и мотивация, сопутствующая этому утверждению изменились, важность снижения потребления энергии никуда не пропала. Для некоторых это утверждение сейчас означает, что уменьшение углеродных выбросов является моральным эквивалентом войны. Для других проблема заключается просто в снижении всё увеличивающихся расходов на топливо. Так или иначе, появятся дополнительные требования к системам управления заводами по внедрению систем энергосбережения.

 

Экономят ли деньги высокоэффективные моторы?

Цена покупки мотора составляет всего лишь крошечную часть всей стоимости его эксплуатации. Стоимость содержания и покупки, как показывают большинство оценок, примерно равны, но большую часть составляет стоимость энергии, которая обычно сильно превышает 90% общей стоимости. Джим Кларк (Jim Clark), менеджер по моторам низкого напряжения американского подразделения компании ABB, произвёл расчёты: «Зная, что около двух третей потребляемого электричества приходится на моторы и то, что электрические моторы потребляют энергии на свою покупную стоимость в течение первых 30-60 дней работы, мы можем понять, что основной целью является максимальная эффективность использования энергии мотором. Компания ABB инвестирует значительные средства в разработку и исследования электродвигателей с максимальной эффективностью». Цена высокоэффективного мотора будет составлять более значимую часть от суммарной стоимости эксплуатации, но конечные траты будут меньше. В долгосрочной перспективе это поможет серьёзно сэкономить средства.

 

Макроуровень: углеродный след

Политическое будущее трудно предсказать, но в любом случае шаги по сохранению энергии и уменьшению выбросов углерода, скорее всего, будут предприняты по следующим двум причинам: снижение расходов ради прибыльности и ограничения, накладываемые правительством. Текущий годовой уровень выбросов углерода и его аналогов в США составляет 7,2 гигатонн и темпы его увеличения свидетельствуют, что эта цифра вырастет до 9,7 гигатонн к 2030 году. Существуют различные законодательные инициативы по контролю уровней выбросов, начиная с резких мер по снижению до просто замедления скорости роста этого показателя. Один из средних вариантов решения заключается в заморозке выбросов чуть ниже текущих уровней. Это означает, что в среднем объём годовых выбросов составит около 3,0 гигатонн в течение следующих 20 лет.

Снижение объёма выбросов для сохранения текущих показателей потребуют вложений, но некоторые усилия также приведут к снижению издержек в долгосрочной перспективе. Некоторые лидеры промышленного сектора полагают, что снижение издержек будет сопоставимо или даже превысит стоимость соответствия правительственным актам в будущем.

«Большая часть выбросов газов, участвующих в парниковом эффекте, связана с потреблением энергии или топлива, — говорит Харш Читэйл (Harsh Chitale), вице-президент по стратегии и глобальному маркетингу компании Honeywell Process Solutions.Уменьшая потребление энергии и топлива, мы одновременно сможем снизить выбросы углерода и издержки. Экономия на топливе покроет начальные затраты».

Компания Honeywell участвовала в недавнем исследовании парникового эффекта, проведённого компанией McKinsey & Company, и вычислила, что самоокупаемые проекты, способные сэкономить больше своей стоимости, помогут убрать примерно 1,7 гигатонн углеродных аналогов, т.е. более половины объёма, который требуется для сохранения текущих уровней. К сожалению, подобные проекты имеют высокую себестоимость, но если они получат широкое распространение в экономике, то конечный баланс будет нулевым. Финальный результат на отдельном заводе зависит от конкретной ситуации.

 

Микроуровень: ваш завод

Полезно помнить о глобальных целях, но как можно реализовать подобный проект на уровне отдельного завода?

Понятия потребления и сохранения энергии затрагивают широкий спектр проблем, но в этой статье мы, в основном, ограничимся потреблением электричества вспомогательным оборудованием, использующим моторы. Казалось бы, что это всего лишь небольшая часть, но по оценкам американского департамента по энергетике, оборудование, использующее моторы, потребляет 64% электричества в промышленном секторе.

В этом исследовании также утверждается, что в отраслях промышленности с наибольшим потреблением энергии приводные системы потребляют приблизительно 290 миллиардов кВт*ч в год. Если это потребление растянуть на 24 часа, 7 дней в неделю, 365 дней в году, то получится, что в каждый момент промышленные электрические моторы потребляют 33 ГВт (100% выходной мощности 50-60 стандартных угольных электростанций).

 

Следует ли заменить не полностью загруженный мотор?

Инженеры, проектирующие процессы имеют естественную склонность добавлять избыточную мощность с целью предотвращения появления узких мест в системе. Более того, если учесть оценочный характер их расчётов, то весьма вероятно какой-нибудь насос или нагнетатель может быть слишком велик для своей задачи. Одно исследование, в котором проверялись моторы на четырёх заводах, показало, что в среднем они загружены на 60% от своей номинальной нагрузки. Следовательно, если мотор с 25 л.с. делает работу, которую может сделать мотор с 20 л.с. или даже меньше, стоит ли поставить на его место более подходящий для такой нагрузки элемент? Как правило, ответ на этот вопрос положительный, но не всегда, да и разница не всегда достаточно велика, чтобы начинать подобную работу.

Традиционные и высокоэффективные моторы часто работают на пике эффективности примерно при 75% загрузке, причём данная кривая остаётся достаточно пологой между 50% и полной загрузкой, поэтому если загрузка мотора составляет 50% и более, то он работает в полосе максимальной эффективности. Министерство энергетики США советует принимать во внимание несколько ключевых моментов при решении:

  • Загрузка мотора;
  • Рабочая эффективность при данной загрузке;
  • Скорость при полной нагрузке (оборотов в минуту);
  • Скорость при полной нагрузке возможной замены.

Из этих данных можно вычислить параметры сравнения для данной установки, либо с помощью прямого отношения киловатт, либо применяя скорректированный на напряжение слипанализ. Министерство энергетики США предлагает использовать соответствующие уравнения в своей программе Motor Challenge, в которую включена небольшая программная библиотека для необходимых вычислений.

 

 

Измерить, затем управлять

электромотор

Снижение потребления электроэнергии является одним из последних способов, позволяющих владельцам обрабатывающих заводов снизить издержки. Ранее энергия, потребляемая насосами, компрессорами, нагнетателями и подобными механизмами, поставлялась по фиксированной цене. Например, есть мотор насоса с постоянной скоростью вращения и мощностью 20 л.с., и он, либо работает, либо нет – в зависимости от нужд процесса. Казалось бы, тут нечего оптимизировать. Разве только что поставить более эффективный мотор, но он и так уже там стоит.

За потреблением электроэнергии, как правило, следили отделы технической поддержки или электроснабжения, если вообще следили. Однако потребление энергии не рассматривалось как часть всеобщего процесса. Моин Шайх (Moin Shaikh), консультант по организации сбыта компании Siemens Energy & Automation, отмечает возникающие из-за такого разделения проблемы: «Компании осознают стоимость энергии, но не знают, как точно определить её параметры в процессе производства.У вас есть система управления процессом и система управления энергией, которые друг с другом никак не связаны, или реализованы в различных окружениях и не завязаны на процесс. Для создания этой связи, нужно сделать единую систему. Затем можно будет связать потребление энергии с участком процесса и понять, где и каким образом потребляется энергия».

Большинство людей начинают с рассмотрения общей системы здания и не доходят до более маленьких блоков. Шайх добавляет, что «когда вы можете изучать свой процесс с помощью системы управления «умными» моторами и системы управления электроэнергией, согласованной с процессом, у вас есть возможность рассмотреть каждый шаг процесса и изучить потребление энергии на каждом из них. И после этого изучать возможности оптимизации».

К счастью, технологии в этой области быстро развиваются, и теперь можно производить мониторинг и управлять потреблением электроэнергии отдельного мотора и приводной системы. Устройства управления моторами могут также иметь продвинутую функциональность и сами информировать отдел поддержки о текущем состоянии. Типичные данные по производительности могут включать в себя:

  • Качество электроэнергии – флуктуации напряжения, проблемы с гармониками и фазой.
  • Рабочие параметры мотора – датчики могут следить за состоянием и динамикой температуры, потребления энергии, а также вести журнал работы.
  • Загрузка и мощность – загрузка моторов основного оборудования может дать представление о таких параметрах, как мощность, требуемая для обеспечения определенной скорости потока через насос, и их временная зависимость.
  • Рабочая эффективность – конечная информация, нужная для снижения издержек – это эффективность, которая используется при расчёте стоимости эксплуатации, возможностей для масштабирования и т.п.

Компании, изучающие возможность внедрения подобной функциональности, могут решить, что используемая ими управляющая инфраструктура не подходит для реализации соединения с большим числом моторов по всему заводу. Продвинутые системы управления моторам могут быть вписаны в уже существующие инсталляции без особых проблем, а данные могут отправляться в систему сбора данных по цифровым каналам, таким как Modbus и Profibus. Этот подход позволяет значительно уменьшить количество проводов. Существуют также и беспроводные решения.

 

Регулировка производительности насоса: клапан против частотно-регулируемого электропривода

электромотор

Оборудование, работающее от моторов на заводах, зачастую имеет слишком большие размеры. Очень часто встречается ситуация, когда производительность насоса или нагнетателя, работающего от мотора с постоянной скоростью, превышает необходимую для процесса величину, поэтому приходится уменьшать её с помощью клапана или заслонки.

«Чрезмерно большие насосы являются обычной проблемой в промышленности, и похоже, что ситуация сохранится, – говорит Дэн Кернан (Dan Kernan), менеджер отдела PumpSmart компании ITT. – Давление, которое нужно обеспечить для требуемого продукта или процесса, почти всегда будет главнее эффективности использования энергии. Если вам поставят задачу разработать систему насосов, то ни в коем случае не выбирайте слишком маленький насос. Гораздо проще снизить мощность большого насоса, чем заменить слишком маленький».

Простое решение данной проблемы – это сделать скорость подачи изменяемой, что позволит при необходимости использовать максимум мощности и снижать её при нормальной работе. Это позволяет более эффективно контролировать энергопотребление в широких диапазонах. Конечно, существует множество переменных в насосной системе, которые влияют на использование изменяемой скорости, но зачастую именно это решение является наиболее экономичным при рассмотрении всего срока службы насоса. Такой подход действительно сохраняет энергию и, в зависимости от приложения, разница составляет 50-70%. Когда выходной клапан или заслонка заменяется управлением скоростью мотора, скорость потока регулируется скоростью насоса. Если насос регулируется контуром обратной связи с ПИД-регулятором, то энергия, требующаяся насосу, действительно становится переменной процесса.

В таком случае, есть ли место для применения моторов с постоянной скоростью? Если нагрузка постоянна большую часть времени, и размер мотора правильно подобран для задачи, то регулируемая скорость возможно избыточна. Однако стоимость частотнорегулируемых электроприводов снижается, и сейчас они уже не являются элементами роскоши, как были ранее.

 

Большая загрузка операторов?

 

Появится ли эта информация в ближайшем будущем на экранах в залах управления заводами?

«В ближайшее время – нет, – говорит Шаих. -У заводов мало операторов, и все они заняты другими задачами. Их нельзя перегружать данными. Показатели производительности могут поступать из той же управляющей системы, что и показатели процессов, но отображаются на других операторских интерфейсах».

Существует несколько процессов, где оператор может корректировать определённый параметр в зависимости от электропотребления. Но такие процессы уже соответствующим образом управляются. Для более стандартных задач вопрос ставится следующим образом: можно ли уменьшить энергопотребление при сохранении работоспособности процесса?

 

Возможности по снижению нагрузки

В некоторых областях коммунальные компании могут столкнуться с ситуацией, когда они просят клиентов снизить потребление, либо по причине исключительно высокой загрузки, либо из-за выхода из строя генерирующих мощностей. Запросы по снижению нагрузки могут приходить за день или ещё раньше при плановых отключениях, но они могут также приходить всего за несколько минут в случае отказа системы. Компании, способные обработать такие запросы, часто получают различные бонусы от коммунальных компаний, такие как снижение тарифа или возможность эффективно продавать мощность обратно коммунальным компаниям при неполадках.

Перед обрабатывающими заводами и даже крупными заводами-производителями стоит большая задача – возможность регулировать потребление. Коммунальные компании и посредники заключают с крупными клиентами контракты о снижении нагрузки. Это является стимулом для многих крупных заводов реализовать серьёзные проекты по управлению энергией. Коммунальщики просят своих клиентов снизить нагрузку либо из-за стоимости, либо в связи с вопросами надёжности.Т.е. либо когда оптовая стоимость энергии высока, либо когда выходит из строя генератор. В последнем случае предупреждения поступают прямо перед неполадками.

Очевидно, что многие обрабатывающие производства не могут просто начать отключать участки в случае кратковременного предупреждения, но если на заводе работает тщательный мониторинг и управление потреблением энергии, то возможны варианты отключения отдельных подстанций. Большие заводы, обладающие резервными генерирующими мощностями, при необходимости, могут переключиться на них.

Иногда снижение нагрузки также может быть в интересах завода. «Многие обрабатывающие заводы покупают энергию оптом, и тарифы за неё меняются постоянно,- говорит Шаих. — Один клиент показал мне, что их тариф может меняться каждые пять минут. Если часть завода отключена на обслуживание, и с помощью своей системы управления энергией они знают, что им не нужны на это время 40 МВт, то они могут продать их обратно в сеть. Можно позвонить в коммунальную компанию и сказать: «Мы не будем использовать 40 МВт в течение следующих 16 часов», и если коммунальщики смогут продать эту энергию другим потребителям, то это пойдёт в плюс заводу».

Правда, подобная возможность нужна не везде и не всегда, поэтому не может служить значимой причиной внедрения проектов по контролю и управлению энергией.

 

Сравнительное тестирование и оптимизация

Детальная информация по потреблению энергии даёт необходимые данные для анализа производительности процессов для сравнения, оптимизации и изучения возможных изменений. Подобные расчёты без этих необходимых данных приводят к случайным и недостоверным результатам.

Начиная с 1992 года в соответствии с законодательным актом Comprehensive Energy Policy Act (EPact), призванном улучшить эффективность энергии и создать стимулы к инвестициям в сохранение энергии, каждый электроприбор должен быть исследован на предмет снижения общей стоимости. Современные датчики могут дать информацию о потреблении и стоимости энергии путём раннего выявления низкой производительности и мониторинга в реальном времени. Не составляет большого труда разместить их в стратегически важных точках для проведения мониторинга энергопотребления целых участков процесса или даже отдельных блоков сложных устройств. Собранная информация может быть проанализирована и использована для сопоставления цены с действием, а также для определения загрузки оборудования. Эти данные могут быть весьма полезны для составления временных зависимостей и определения возможностей по управлению энергопотреблением и его оптимизации».

Очевидно, что технологическая база для уменьшения и оптимизации энергии существует. Всё, что требуется – это наше желание применить её.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.