Въпросът за 5000 PSI се появява в почти всеки енергиен одит за шприцване, който провеждам с европейски клиенти. Управителят на завода иска по-ниски сметки за електроенергия. Ръководителят на поддръжката иска да запази съществуващата помпена инфраструктура. Финансовият директор иска изчисление на възвръщаемостта. Всеки заинтересован участник формулира въпроса по различен начин и отговорът зависи от данни, които не винаги са очевидни само от спецификациите на системата.

Тази статия обобщава наученото от проекти за модернизация на честотни регулатори (VSD) в клетки за шприцване, хидравлика на машинни инструменти и приложения за мобилно оборудване. Рамката се прилага независимо дали оценяватеT7-E лопатна помпа за високо наляганенадграждане или задаване на новсерво хидравлична системаПрагът от 5000 PSI не е произволен; той отразява кривата на ефективност, където икономиката на VSD се измества от убедителна към маргинална.

Как всъщност работят спестяванията на енергия от VSD

Технологията за задвижване с променлива скорост намалява консумацията на енергия на помпата, като съобразява скоростта на двигателя с изискванията за дебит. В помпена система с фиксирана скорост, помпата осигурява пълен дебит, когато двигателят работи, а излишният дебит се изпуска през предпазния клапан. Този изпуснат дебит представлява чиста загуба: двигателят черпи пълна мощност, за да компресира масло, което веднага се превръща в топлина.

За купувачи, оценяващиПомпи от серия VНаред с платформите T6/T7, методологията за изчисляване на енергийните спестявания се прилага еднакво и за двете семейства.

VSD елиминира загубите от изпускане, като забавя двигателя, когато търсенето на дебит спадне. Помпата доставя само това, от което системата се нуждае, а предпазният клапан остава предимно затворен. Връзката между скоростта на двигателя и консумацията на енергия е приблизително кубична, което означава, че 20% намаление на скоростта намалява консумацията на енергия с приблизително 50%.

За купувачите, които оценяват модернизация на задвижвания с променлива скорост, критичното измерване е профилът на работния цикъл на действителната инсталация, а не теоретичните максимални икономии. Помпа, която работи на 80 процента от номиналното налягане в продължение на 16 часа на ден и е на празен ход в продължение на 8 часа, ще има различна икономическа ефективност от помпа, която работи непрекъснато на 95 процента от номиналното налягане. Първият сценарий осигурява силна възвръщаемост. Вторият не.

Прагът от 5000 PSI и защо е важен

Стойността от 5000 PSI (350 бара) постоянно се появява в проучванията за осъществимост на модернизация на VSD, защото се намира в точката на пречупване на кривата на ефективност на помпата. Под това налягане, лопатковите помпи с фиксирана скорост осигуряват разумна ефективност, дори когато дроселират обратно през предпазния клапан. Над това налягане обемните и механичните загуби се натрупват и загубената енергия се превръща в много по-голям дял от входната мощност.

На практика повечето клетки за шприцване работят под 5000 PSI през по-голямата част от цикъла. Фазата на високо налягане протича по време на затягане на матрицата и шприцване, които заедно могат да представляват от 20 до 35 процента от времето на цикъла. Останалите 65 до 80 процента са фазата на охлаждане, пластифициране и изхвърляне, която работи при 800 до 1800 PSI. VSD при този работен цикъл осигурява значителни икономии, тъй като помпата прекарва по-голямата част от времето си при ниско налягане.

Икономическата картина се променя за приложения с високо налягане, като например леене под налягане, щамповане и някои операции с хидравлични преси. Тези системи могат да работят непрекъснато при 4000 до 5000 PSI, което оставя малко място за оптимизация на VSD. Помпата работи близо до точката на максимална ефективност, независимо от VSD, така че задвижващата електроника добавя разходи без пропорционална полза.

Спецификации на VSD-съвместима лопаткова помпа

Не всяка лопаткова помпа може да работи с честотно регулируем преобразувател (VSD). Ограничението за минимална скорост е от най-голямо значение. Лопатковите помпи изискват достатъчна скорост на въртене, за да разтегнат лопатките спрямо гърбичния пръстен чрез центробежна сила. Под този минимум лопатките не се разтягат напълно, вътрешните течове се увеличават и износването се ускорява драстично.

Пълната спецификация на T7-E е налична вцентър за техническо изтегляне, включително криви на номиналната ефективност в целия диапазон на работните скорости.

Серията T7-E, която препоръчваме за приложения с честотни преобразуватели (VSD), е предназначена за непрекъсната работа между 200 и 1800 об/мин. Този диапазон позволява значително намаляване на скоростта за периоди с нисък дебит, като същевременно се запазва целостта на удължението на лопатките. Работата под 200 об/мин е технически възможна за кратки периоди, но ускорява износването и не се препоръчва за непрекъсната работа.

Спецификацията на двигателя е също толкова важна, колкото и спецификацията на помпата. Стандартните асинхронни двигатели не са проектирани за пикове на напрежение и хармоници, произвеждани от типичните честотни регулатори. За надеждна работа на честотния регулатор са необходими инверторни двигатели с подсилена изолация, по-ниски номинални температури и често отделен охлаждащ вентилатор. Използването на стандартен двигател с честотно захранване е често срещан източник на преждевременна повреда на двигателя.

Когато VSD не пести енергия

Само профилът на налягането не определя икономиката на VSD. Три допълнителни фактора могат да превърнат един теоретично привлекателен проект за VSD в енергоемка реконструкция.

Първо, електрическите загуби на двигателя и задвижването компенсират част от икономиите на енергия от помпата. Честотните задвижвания обикновено работят с ефективност от 95 до 98 процента, а инверторните двигатели добавят от 2 до 5 процента загуби в сравнение със стандартните двигатели. Когато тези електрически загуби се добавят към печалбите от ефективността на помпата, нетното подобрение на системата се свива. За много малки помпи, електрическите режийни разходи могат да надвишат изцяло икономиите на енергия от помпата.

Второ, приложенията с бързи преходни промени в налягането обезсмислят оптимизацията на VSD. Ако системното налягане се колебае между 500 и 4500 PSI на всеки няколко секунди, задвижването не може да реагира достатъчно бързо, за да оптимизира скоростта за всяка фаза. Помпата в крайна сметка работи с почти максимална скорост, за да се справи с преходните пикове, което обезсмисля по-голямата част от потенциала за пестене на енергия.

Трето, VSD в системи с неадекватно управление на температурата може да доведе до по-лоши резултати от работата с фиксирана скорост. Двигателите с променлива скорост генерират повече топлина при ниски скорости поради намаления охлаждащ въздушен поток. Ако двигателят не е проектиран за работния цикъл или ако инсталацията няма допълнително охлаждане, температурите на намотките на двигателя се повишават и експлоатационният живот на двигателя се съкращава драстично.

VSD срещу Load-Sensing: Избор на правилната технология

Хидравликата, базирана на отчитане на натоварването, осигурява сравними икономии на енергия с VSD чрез различен механизъм. Вместо да променя скоростта на помпата, системата за отчитане на натоварването променя дебита на помпата, за да съответства на необходимото налягане. Изходната мощност на помпата се регулира непрекъснато въз основа на обратната връзка за системното налягане, като ъгълът на наклонената плоча на помпата контролира потока.

Чувствителните към натоварване помпи реагират по-бързо от честотните преобразуватели (VSD) на промени в налягането, което ги прави подходящи за приложения с бързи промени в търсенето. Недостатъкът е сложността: помпите с чувствителност към натоварване изискват компенсатори на налягането, регулиращи клапани и линии за обратна връзка, което увеличава разходите и изисква по-сложна поддръжка. VSD използва стандартни помпи с фиксиран работен обем, което опростява хидравличната верига за сметка на по-сложна електрическа инфраструктура.

При проектирането на нови системи изборът често се свежда до съществуващата инфраструктура и експертния опит на оператора. Инсталации със силни възможности за електрическа поддръжка и предпочитание към стандартни хидравлични компоненти предпочитат VSD. Инсталации със силен хидравличен опит и съществуваща инфраструктура за отчитане на натоварването предпочитат отчитането на натоварването при новите инсталации. Преоборудването на една технология в система, проектирана за другата, рядко има икономически смисъл.

Контролен списък за внедряване на VSD на лопаткови помпени системи

За купувачи, готови да оценят VSD на съществуваща инсталация с лопаткова помпа, следният контролен списък от шест стъпки предотвратява най-често срещаните грешки при внедряване, които съм виждал по време на полеви услуги.

Препратки в индустрията, като напримерЕвропейска федерация по обработка на материалипредоставят допълнителни насоки относно интеграцията на VSD с хидравлични агрегати в промишлени условия.

Първо, запишете действителния профил на работния цикъл в продължение на поне две седмици представително производство. Регистрирайте налягането на изхода на помпата, дебита и тока на двигателя на интервали от една секунда. Полученият набор от данни управлява изчислението на икономиите на енергия и потвърждава дали работният цикъл е в съответствие с икономията на VSD.

Второ, проверете дали помпата е проектирана за работа с променлива скорост в рамките на планирания диапазон на скоростта. T7-E и повечето съвременни платформи с лопаткови помпи са проектирани съответно, но по-старите помпи може да не са. Работата на неопределяема помпа с променлива скорост води до ускорено износване и преждевременна повреда.

Трето, посочете инверторен двигател с клас на изолация F или по-висок и сервизен фактор 1,15 или по-добър. Стандартните двигатели ще се повредят в рамките на 12 до 24 месеца при работа с честотно преобразувател (VSD). Разходите за модернизиране на двигателя трябва да бъдат включени в изчислението за възвръщаемост на VSD.

Четвърто, конфигурирайте задвижването със специфични за помпата профили на скоростта. Минималната скорост трябва да бъде зададена на не по-ниска от 300 об/мин, за да се поддържа целостта на удължението на лопатките. Рампите за ускорение и забавяне трябва да бъдат зададени на 5 до 10 секунди, за да се предотврати хидравличен удар. Честотите на пропускане, които възбуждат механични резонанси, трябва да бъдат програмирани елиминирани.

Пето, инсталирайте преобразуватели на налягане с подходящо време за реакция. Стандартните промишлени преобразуватели на налягане с време за реакция от 100 милисекунди са достатъчни за повечето приложения на честотни регулатори. За високодинамични системи са необходими по-бързи преобразуватели (10 милисекунди), но те увеличават разходите.

Шесто, планирайте намаляване на хармониците от електрическата страна. Честотните задвижвания създават хармонични изкривявания, които могат да повлияят на друго оборудване в същата електрическа мрежа. Линейни реактори или хармонични филтри често са необходими за съответствие със стандартите IEEE 519 и разходите трябва да бъдат включени в бюджета на проекта за честотно регулиране.

Пример за изчисление на енергийните спестявания

Типична клетка за шприцване, работеща на две смени, предоставя полезна справка за изчисляване на икономиите на енергия от VSD. Помпата с фиксирана скорост работи с номинална мощност 15 kW, като двигателят работи непрекъснато. Средната консумация на енергия по време на цикъла, отчитайки загубите от предпазния клапан по време на фазите с ниско налягане, е приблизително 9,5 kW.

Добавянето на VSD с правилно профилиране на скоростта намалява средната консумация на енергия до приблизително 5,8 kW. Спестяванията на енергия възлизат на 3,7 kW непрекъснато или около 31 000 kWh годишно при 8 400 работни часа. При промишлена тарифа за електроенергия от 0,10 щатски долара за kWh, годишните спестявания са приблизително 3 100 щатски долара.

Цената на VSD системата, включително задвижването, инверторния двигател, монтажния труд и хармоничните филтри, обикновено е между 6000 и 9000 щатски долара за модернизация с мощност 15 kW. Следователно, простият период на изплащане е от 24 до 36 месеца, в зависимост от спецификите на инсталацията и местните цени на електроенергията. Работата на три смени намалява изплащането наполовина, а работата на една смяна го удължава с 50 до 100 процента.

VSD на лопаткови помпи спрямо сервохидравлични системи

Сервохидравличните системи, които интегрират помпата, двигателя, задвижването и управляващата електроника в един корпус, представляват висококачествена алтернатива на VSD на стандартна лопаткова помпа. Серво системите осигуряват по-бърза реакция, по-висока прецизност и икономия на енергия, сравнима или по-добра от VSD, но със значително по-високи капиталови разходи.

За приложения, изискващи прецизен контрол на налягането и потока, като например усъвършенствано шприцване със затворен контур за управление на процеса, серво хидравличните системи са подходящият избор. Спестяванията на енергия често надвишават VSD с 5 до 15 процентни пункта, тъй като серво системите оптимизират едновременно скоростта и работния обем.

За приложения, където съществуващата инфраструктура на лопатковите помпи работи адекватно и целта е намаляване на разходите за енергия, модернизацията на честотна превключвателна система (VSD) обикновено е по-рентабилният път. Капиталовите разходи са с 40 до 60 процента по-ниски от тези на цялостна серво хидравлична система, а икономиите на енергия обхващат по-голямата част от наличното подобрение на ефективността.

Пет работни условия, при които VSD се поврежда

При всички ремоделирания на честотни регулатори, които разгледах, повредите се групират в пет повтарящи се модела. Разбирането на тези модели предварително спестява на клиентите инвестиции в система, която няма да осигури прогнозираните икономии. Всеки модел може да се открие с една до две седмици събиране на данни за работния цикъл, което е далеч по-евтино от откриването на проблема след инсталирането на оборудването на честотната регулаторна система.

Стандартите за енергийна ефективност на VSD са документирани вСтандарт за управление на енергията ISO 50001, който предоставя рамката за количествено определяне и проверка на твърдения за спестявания.

Модел едно: работа под постоянно високо налягане. Леярските клетки и хидравличните преси с голям тонаж често работят над 4000 PSI за 80 процента или повече от работния цикъл. Помпата работи близо до точката на максимална ефективност непрекъснато, оставяйки малко място за оптимизация на честотното регулиране (VSD). Добавянето на VSD към такива системи обикновено осигурява едноцифрени процентни икономии на енергия, което не оправдава капиталовите инвестиции.

Модел втори: бързи преходни промени в налягането. Операциите по щамповане и някои приложения на тестови стендове променят налягането от празен ход до максимум за по-малко от една секунда. Задвижването с променлива скорост не може да реагира достатъчно бързо, за да оптимизира скоростта за всеки преходен процес, така че двигателят в крайна сметка работи с почти максимална скорост през цялото време. Спестяванията на енергия изчезват и електрониката на задвижването добавя електрически загуби.

Модел три: удължени периоди на празен ход. Приложения, при които помпата работи на празен ход с часове без значително търсене на дебит, вече показват ниска средна консумация на енергия. Добавянето на VSD намалява мощността на празен ход чрез забавяне на двигателя, но абсолютните икономии са малки, тъй като базовата консумация на мощност вече е ниска. Периодите на изплащане се простират след края на експлоатационния живот на оборудването.

Модел четири: силно замърсени среди. Леярни, минни предприятия и някои химически преработвателни предприятия излагат хидравличните системи на нива на замърсяване, които надвишават допустимите граници на филтрация на лопатковата помпа. Работата на честотния регулатор (VSD) с намалени скорости увеличава вътрешните течове и ускорява износването в замърсени условия. Намаляването на живота на патрона честотно ремъчно масло често компенсира икономиите на енергия.

Модел пети: стари помпени платформи. Конструкциите на лопатковите помпи преди 2000 г. не са били проектирани за работа с променлива скорост. Минималните номинални скорости, хлабините на върха на лопатките и конфигурациите на лагерите са предполагали работа с фиксирана скорост. Добавянето на честотно регулируемо задвижване (VSD) към тези стари помпи ускорява износването и намалява експлоатационния живот, дори когато профилът на работния цикъл би поддържал икономичността на VSD.

Отвъд енергията: Вторични предимства на VSD

Икономията на енергия е основното предимство на VSD, но вторичните ползи често са по-важни за операторите на инсталации от сметката за ток. Три вторични ползи постоянно се появяват в интервюта след инсталирането с клиенти на Vicks Hydraulic.

Купувачите, оценяващи качеството на компонентите на VSD, могат да се позоват наСтандарти ISO за хидравлични системиза протоколи за изпитване на производителността и методи за измерване на номиналната ефективност.

Първото предимство, което искам да подчертая, е намаляването на шума. Помпите с фиксирана скорост, работещи при предпазно налягане, произвеждат значителен шум, който се разпространява през хидравличната система и конструкцията на сградата. VSD забавя двигателя по време на периоди с ниско натоварване, намалявайки нивата на шум с 5 до 15 dB в типичните точки на измерване. В чувствителни към шум производствени среди, като чисти помещения или опаковъчни линии, това намаление често оправдава инвестицията в VSD, независимо от икономиите на енергия.

Второто е намаленото генериране на топлина. Енергията, спестена чрез избягване на дроселирането на предпазния клапан, не изчезва; тя остава в маслото под формата на топлина. По-ниското генериране на топлина означава по-малки охладители, намалена консумация на охлаждаща вода и по-бавно разграждане на маслото. Спестяванията от поддръжка по отношение на интервалите за смяна на маслото и поддръжката на охладителя често добавят още 10 до 15 процента към общата полза от VSD, освен преките икономии на електроенергия.

Третото предимство, върху което се фокусирам, е подобреният контрол на процеса. VSD позволява прецизно съгласуване на потока с изискванията на процеса, което подобрява постоянството на времето на цикъла при шприцване и намалява вариациите на детайлите. За операции по формоване, насочени към строги размерни допуски, подобрението на качеството от постоянните профили на потока често носи по-голяма икономическа стойност от самите икономии на енергия.

Обща цена на притежание: Петгодишен преглед

Полезната рамка за оценка на VSD разглежда петгодишната обща цена на притежание, а не само периода на възвръщаемост на енергията. Петгодишният изглед обхваща разходите за поддръжка, експлоатационния живот на двигателя и задвижването, както и всички ползи за качеството на производството, които попадат извън директното изчисление на електроенергията.

За купувачи, сравняващи опции за двигател и задвижване,Каталог на лопаткови помпи Eatonвключва справочни материали относно спецификациите на инверторните двигатели и изискванията за намаляване на хармониците.

За модернизация на клетка за шприцване с мощност 15 kW, петгодишната картина обикновено включва: оборудване и монтаж на VSD на стойност 8000 щатски долара, обновяване на двигателя на стойност 1500 щатски долара, електрическа инфраструктура на стойност 2000 щатски долара, смекчаване на хармониците на стойност 1200 щатски долара, общи капиталови разходи от 12 700 щатски долара. Спестяванията на енергия при 3100 щатски долара годишно за пет години възлизат общо на 15 500 щатски долара. Спестяванията от поддръжка за смяна на масло и обслужване на охладителя добавят още 1800 щатски долара за пет години. Стойността на подобрението на качеството е по-трудна за количествено определяне, но обикновено добавя от 2000 до 5000 щатски долара годишно за високотолерантно шприцване.

Петгодишната нетна полза за този типичен случай варира от 7000 до 30 000 щатски долара, в зависимост от оценката на подобрението на качеството. Простата възвръщаемост на капитала е от 24 до 36 месеца, но общата икономическа полза за пет години е два до три пъти по-голяма от капиталовите разходи. Ето защо модернизацията на честотни регулатори (VSD) в дву- и трисменни операции за шприцване е почти винаги оправдана, когато работният цикъл го позволява.

Заключение: Честният отговор на VSD

Открих, че въпросът за 5000 PSI няма един-единствен отговор, който да е приложим за всяка инсталация, която преглеждам. Според моя опит, честният отговор е да се съберат данни за работния цикъл, да се изчислят реалистичните икономии на енергия и да се преценят тези икономии спрямо капиталовите разходи за задвижващата система с подходящите подобрения на двигателя и инфраструктурата. Винаги казвам на клиентите, че изчислението трябва да включва разходи за подмяна на двигателя, електрическата инфраструктура и намаляване на хармониците, за да бъда честен относно периода на възвръщаемост. По-скоро бих се отказал от проект, който няма икономически смисъл, отколкото да инсталирам оборудване, което не успява да осигури прогнозираните икономии.

За дву- и трисменни операции по шприцване, работещи значително под номиналното налягане, VSD осигурява ясна икономическа възвръщаемост. За едносменни операции или приложения с непрекъснат режим на работа под високо налягане, инвестицията във VSD е по-трудна за оправдаване и може никога да не се изплати. Компромисният вариант зависи от местните тарифи за електроенергия, ефективността на съществуващата помпа и толерантността на оператора към капиталови проекти с многогодишна възвръщаемост.

За купувачи, готови да извършат анализ на конкретна инсталация, нашият инженерен екип може да прегледа данните за работния цикъл и да предостави оценка на осъществимостта на VSD. Изпратете записаните данни за налягането и потока чрезстраница за контактии ще направим изчислението спрямо текущите цени на компонентите на VSD и типичните промишлени тарифи за електроенергия. Оценката обикновено отнема няколко дни и предоставя на купувачите данните, от които се нуждаят, за да вземат информирано решение за капиталови инвестиции.

Техническите спецификации и насоките за избор на помпите и серво системите, посочени в тази статия, са налични в нашияцентър за изтеглянеЗа купувачи, които сравняват модернизация на VSD с пълна подмяна на сервохидравлична система, центърът за изтегляне включва и сравнителни данни и казуси на приложения.