Vprašanje o 5000 PSI se pojavi v skoraj vsakem energetskem pregledu brizganja, ki ga izvajam z evropskimi strankami. Vodja obrata si želi nižje račune za elektriko. Vodja vzdrževanja želi ohraniti obstoječo črpalno infrastrukturo. Finančni direktor si želi izračun donosnosti naložbe. Vsak deležnik si vprašanje zastavi drugače, odgovor pa je odvisen od podatkov, ki niso vedno očitni že iz samih specifikacij sistema.

Ta članek povzema, kar sem se naučil iz projektov prenove VSD-jev v celicah za brizganje plastike, hidravliki obdelovalnih strojev in aplikacijah mobilne opreme. Okvir velja ne glede na to, ali ocenjujeteVisokotlačna krilna črpalka T7-Enadgradnja ali določitev novegaservo hidravlični sistemPrag 5000 PSI ni poljuben; odraža krivuljo učinkovitosti, kjer se ekonomija VSD premakne iz prepričljive v marginalno.

Kako dejansko delujejo prihranki energije VSD

Tehnologija pogona s spremenljivo hitrostjo zmanjšuje porabo energije črpalke z usklajevanjem hitrosti motorja s potrebo po pretoku. V sistemu črpalke s fiksno hitrostjo črpalka zagotavlja polni pretok, kadar motor deluje, presežni pretok pa se odvaja preko tlačnega varnostnega ventila. Ta odvajani pretok predstavlja čisto izgubo energije: motor porabi polno moč za stiskanje olja, ki se takoj pretvori v toploto.

Za kupce, ki ocenjujejoČrpalke serije VPri platformah T6/T7 se metodologija izračuna prihrankov energije uporablja enako za obe družini.

VSD odpravlja izgube zaradi praznjenja tako, da upočasni motor, ko se pretok zmanjša. Črpalka dovaja le tisto, kar sistem potrebuje, varnostni ventil pa ostane večinoma zaprt. Razmerje med hitrostjo motorja in porabo energije je približno kubično, kar pomeni, da 20-odstotno zmanjšanje hitrosti zmanjša porabo energije za približno 50 odstotkov.

Za kupce, ki ocenjujejo naknadno vgradnjo pogonov s spremenljivo hitrostjo, je ključna meritev profil delovnega cikla dejanske namestitve, ne pa teoretični največji prihranki. Črpalka, ki deluje pri 80 odstotkih nazivnega tlaka 16 ur na dan in je v prostem teku 8 ur, bo imela drugačno ekonomičnost kot črpalka, ki neprekinjeno deluje pri 95 odstotkih nazivnega tlaka. Prvi scenarij zagotavlja visoko povračilo naložbe. Drugi ne.

Prag 5000 PSI in zakaj je pomemben

Številka 5000 PSI (350 barov) se nenehno pojavlja v študijah izvedljivosti prenove VSD, ker se nahaja na prevojni točki krivulje učinkovitosti črpalke. Pod tem tlakom krilne črpalke s fiksno hitrostjo zagotavljajo razumen izkoristek tudi pri dušenju skozi varnostni ventil. Nad tem tlakom se volumetrične in mehanske izgube seštevajo, izgubljena energija pa postane veliko večji delež vhodne moči.

V praksi večina brizgalnih celic deluje pod 5000 PSI večino cikla. Faza visokega tlaka se pojavi med vpenjanjem kalupa in brizganjem, kar lahko skupaj predstavlja od 20 do 35 odstotkov časa cikla. Preostalih 65 do 80 odstotkov je faza hlajenja, plastifikacije in izmetanja, ki deluje pri 800 do 1800 PSI. VSD v tem delovnem ciklu zagotavlja znatne prihranke, ker črpalka večino časa preživi pri nizkem tlaku.

Ekonomska slika se spremeni pri visokotlačnih aplikacijah, kot so litje pod pritiskom, štancanje in nekatere operacije hidravličnih stiskalnic. Ti sistemi lahko neprekinjeno delujejo pri tlaku od 4000 do 5000 PSI, kar pušča malo prostora za optimizacijo VSD. Črpalka deluje blizu točke največje učinkovitosti ne glede na VSD, zato pogonska elektronika povečuje stroške brez sorazmerne koristi.

Specifikacije krilne črpalke, združljive z VSD

Vsaka krilna črpalka ne zmore delovanja s frekvenčnim pretvornikom (VSD). Najpomembnejša je omejitev minimalne hitrosti. Krilne črpalke potrebujejo zadostno vrtilno hitrost, da centrifugalna sila iztegne krilca ob odmični obroč. Pod to minimalno hitrostjo se krilca ne iztegnejo v celoti, notranje puščanje se poveča in obraba se močno pospeši.

Celotna specifikacija T7-E je na voljo vcenter za tehnične prenose, vključno s krivuljami nazivnega izkoristka v celotnem območju obratovalne hitrosti.

Serija T7-E, ki jo priporočamo za uporabo s pogoni z frekvenčnim pretvornikom (VSD), je zasnovana za neprekinjeno delovanje med 200 in 1800 vrt/min. To območje omogoča znatno zmanjšanje hitrosti v obdobjih nizkega pretoka, hkrati pa ohranja celovitost podaljška lopatic. Delovanje pod 200 vrt/min je tehnično mogoče za krajša obdobja, vendar pospešuje obrabo in ni priporočljivo za neprekinjeno delovanje.

Specifikacija motorja je prav tako pomembna kot specifikacija črpalke. Standardni asinhronski motorji niso zasnovani za napetostne sunke in harmonske vsebine, ki jih povzročajo tipični frekvenčno pretvorniki. Za zanesljivo delovanje frekvenčno pretvornika so potrebni inverterski motorji z ojačano izolacijo, nižjimi nazivnimi temperaturami in pogosto ločenim hladilnim ventilatorjem. Uporaba standardnega motorja na frekvenčno pretvorniški pogon je pogost vir prezgodnje okvare motorja.

Ko VSD ne varčuje z energijo

Profil tlaka sam po sebi ne določa ekonomije frekvenčnega spreminjanja. Trije dodatni dejavniki lahko teoretično privlačen projekt frekvenčnega spreminjanja spremenijo v energetsko potratno prenovo.

Prvič, električne izgube motorja in pogona izravnajo del prihrankov črpalke. Frekvenčni pogoni običajno delujejo z učinkovitostjo od 95 do 98 odstotkov, motorji z inverterskim delovanjem pa dodajo od 2 do 5 odstotkov izgub v primerjavi s standardnimi motorji. Ko se te električne izgube prištejejo k povečanju učinkovitosti črpalke, se neto izboljšanje sistema zmanjša. Pri zelo majhnih črpalkah lahko električni stroški v celoti presežejo prihranke črpalke.

Drugič, aplikacije s hitrimi tlačnimi prehodnimi spremembami ne omogočajo optimizacije VSD. Če sistemski tlak niha med 500 in 4500 PSI vsakih nekaj sekund, se pogon ne more odzvati dovolj hitro, da bi optimiziral hitrost za vsako fazo. Črpalka na koncu deluje s skoraj največjo hitrostjo, da bi obvladala prehodne konice, kar izniči večino potenciala za prihranek energije.

Tretjič, VSD v sistemih z neustreznim toplotnim upravljanjem lahko povzroči slabše rezultate kot delovanje s fiksno hitrostjo. Motorji s spremenljivo hitrostjo pri nizkih hitrostih proizvajajo več toplote zaradi zmanjšanega pretoka hladilnega zraka. Če motor ni zasnovan za delovni cikel ali če vgradnja nima dodatnega hlajenja, se temperatura navitij motorja dvigne in življenjska doba motorja se drastično skrajša.

VSD proti Load-Sensingu: Izbira prave tehnologije

Hidravlika z zaznavanjem obremenitve zagotavlja primerljive prihranke energije kot VSD z drugačnim mehanizmom. Namesto spreminjanja hitrosti črpalke zaznavanje obremenitve spreminja prostornino črpalke, da se prilagodi zahtevanemu tlaku. Izhod črpalke se neprekinjeno prilagaja glede na povratne informacije o tlaku sistema, pri čemer kot nagibne plošče črpalke uravnava pretok.

Črpalke z zaznavanjem obremenitve se na tlačne prehodne spremembe odzivajo hitreje kot frekvenčni pretvorniki (VSD), zaradi česar so primerne za aplikacije s hitrimi spremembami povpraševanja. Slaba stran je kompleksnost: črpalke z zaznavanjem obremenitve zahtevajo kompenzatorje tlaka, regulacijske ventile in povratne vode, kar povečuje stroške in zahteva bolj dovršeno vzdrževanje. VSD uporablja standardne črpalke s fiksnim pretokom, kar poenostavi hidravlično vezje na račun bolj zapletene električne infrastrukture.

Pri zasnovi novih sistemov je izbira pogosto odvisna od obstoječe infrastrukture in strokovnega znanja operaterjev. Tovarne z močnimi zmogljivostmi za vzdrževanje električnih naprav in prednostjo pri standardnih hidravličnih komponentah dajejo prednost pogonom s pogostim spreminjanjem hitrosti (VSD). Tovarne z močnim strokovnim znanjem o hidravliki in obstoječo infrastrukturo za zaznavanje obremenitve dajejo prednost zaznavanju obremenitve pri novih instalacijah. Naknadna vgradnja ene tehnologije v sistem, zasnovan za drugo, je le redko ekonomsko smiselna.

Kontrolni seznam za izvedbo VSD na sistemih z krilnimi črpalkami

Za kupce, ki so pripravljeni oceniti VSD na obstoječi namestitvi krilne črpalke, naslednji šeststopenjski kontrolni seznam preprečuje najpogostejše napake pri izvajanju, ki sem jih opazil med terensko uporabo.

Reference iz industrije, kot soEvropska zveza za ravnanje z materialinudijo dodatna navodila o integraciji VSD s hidravličnimi agregati v industrijskih okoljih.

Najprej zajemite dejanski profil delovnega cikla v vsaj dveh tednih reprezentativne proizvodnje. V enosekundnih intervalih beležite tlak na izhodu črpalke, potreben pretok in tok motorja. Nastali nabor podatkov je osnova za izračun prihranka energije in potrjuje, ali delovni cikel podpira ekonomijo VSD.

Drugič, preverite, ali je črpalka ocenjena za delovanje s spremenljivo hitrostjo znotraj načrtovanega območja hitrosti. Črpalke T7-E in večina sodobnih platform z krilnimi črpalkami so ustrezno ocenjene, starejše črpalke pa morda niso. Delovanje črpalke brez ocenjene hitrosti s spremenljivo hitrostjo povzroči pospešeno obrabo in prezgodnjo odpoved.

Tretjič, določite motor z inverterskim delovanjem z izolacijo razreda F ali višje in servisnim faktorjem 1,15 ali boljšim. Standardni motorji bodo pri delovanju s frekvenčnim pretvornikom odpovedali v 12 do 24 mesecih. Stroške nadgradnje motorja je treba vključiti v izračun povračila naložbe s frekvenčnim pretvornikom.

Četrtič, konfigurirajte pogon s profili hitrosti, specifičnimi za črpalko. Najmanjša hitrost mora biti nastavljena na najmanj 300 vrt/min, da se ohrani celovitost podaljška lopatic. Rampe pospeševanja in zaviranja morajo biti nastavljene na 5 do 10 sekund, da se prepreči hidravlični udar. Preskokne frekvence, ki vzbujajo mehanske resonance, je treba programirati izklopiti.

Petič, namestite tlačne pretvornike z ustreznim odzivnim časom. Standardni industrijski tlačni oddajniki z odzivnim časom 100 milisekund so ustrezni za večino aplikacij s frekvenčnimi pretvorniki. Za visokodinamične sisteme so potrebni oddajniki s hitrejšim odzivnim časom (10 milisekund), vendar povečajo stroške.

Šesto, načrtujte blaženje harmonskih motenj na električni strani. Frekvenčni pogoni povzročajo harmonično popačenje, ki lahko vpliva na drugo opremo v isti električni napeljavi. Za skladnost s standardi IEEE 519 so pogosto potrebne linijske dušilke ali harmonski filtri, stroški pa morajo biti vključeni v proračun projekta VSD.

Primer izračuna prihranka energije

Tipična celica za brizganje plastike, ki deluje v dveh izmenah, je koristna referenca za izračun prihranka energije zaradi VSD. Črpalka s fiksno hitrostjo deluje z nazivno močjo 15 kW, motor pa teče neprekinjeno. Povprečna poraba energije v celotnem ciklu, vključno z izgubami varnostnega ventila med fazami nizkega tlaka, je približno 9,5 kW.

Z dodajanjem VSD-ja z ustreznim profiliranjem hitrosti se povprečna poraba energije zmanjša na približno 5,8 kW. Prihranek energije znaša neprekinjeno 3,7 kW oziroma približno 31.000 kWh na leto pri 8.400 obratovalnih urah. Pri industrijski ceni električne energije 0,10 USD na kWh znaša letni prihranek približno 3.100 USD.

Stroški sistema VSD, vključno s pogonom, motorjem z inverterskim delovanjem, delom pri montaži in harmoničnimi filtri, običajno znašajo od 6.000 do 9.000 USD za 15 kW naknadno vgradnjo. Preprosta doba odplačila je torej od 24 do 36 mesecev, odvisno od posebnosti namestitve in lokalnih cen električne energije. Delovanje v treh izmenah skrajša odplačilo za polovico, delovanje v eni izmeni pa ga podaljša za 50 do 100 odstotkov.

VSD na krilnih črpalkah v primerjavi s servo hidravličnimi sistemi

Servo hidravlični sistemi, ki združujejo črpalko, motor, pogon in krmilno elektroniko v enem samem ohišju, predstavljajo vrhunsko alternativo VSD na standardni krilni črpalki. Servo sistemi zagotavljajo hitrejši odziv, večjo natančnost in prihranke energije, primerljive ali boljše od VSD, vendar z bistveno višjimi kapitalskimi stroški.

Za aplikacije, ki zahtevajo natančen nadzor tlaka in pretoka, kot je napredno brizganje z zaprto zanko pri krmiljenju procesa, so servo hidravlični sistemi ustrezna izbira. Prihranki energije pogosto presegajo VSD za 5 do 15 odstotnih točk, ker servo sistemi hkrati optimizirajo tako hitrost kot premik.

Za aplikacije, kjer obstoječa infrastruktura krilnih črpalk deluje ustrezno in je cilj zmanjšanje stroškov energije, je naknadna vgradnja VSD običajno stroškovno učinkovitejša pot. Kapitalski stroški so od 40 do 60 odstotkov nižji od celotnega servo hidravličnega sistema, prihranki energije pa zajemajo večino razpoložljivega izboljšanja učinkovitosti.

Pet obratovalnih pogojev, pri katerih VSD odpove

Pri prenovljenih VSD-jih, ki sem jih pregledal, se napake združujejo v pet ponavljajočih se vzorcev. Če stranke vnaprej razumejo te vzorce, se izognejo naložbam v sistem, ki ne bo prinesel predvidenih prihrankov. Vsak vzorec je mogoče zaznati z enim do dvema tednoma zbiranja podatkov o delovnem ciklu, kar je veliko ceneje kot odkrivanje težave po namestitvi opreme VSD.

Standardi za energetsko učinkovitost pogona z variometrom so dokumentirani vStandard upravljanja z energijo ISO 50001, ki zagotavlja okvir za kvantificiranje in preverjanje zahtevkov za prihranke.

Prvi vzorec: delovanje pod stalnim visokim tlakom. Livarske celice in hidravlične stiskalnice z veliko tonažo pogosto delujejo nad 4000 PSI 80 odstotkov ali več delovnega cikla. Črpalka deluje neprekinjeno blizu točke največje učinkovitosti, kar pušča malo prostora za optimizacijo frekvenčnega pretvornika (VSD). Dodajanje VSD takim sistemom običajno prihrani enomestno količino energije, kar ne upravičuje kapitalske naložbe.

Drugi vzorec: hitri prehodni pojavi tlaka. Postopek štancanja in nekatere aplikacije na preskusni napravi nihajo tlak od prostega teka do maksimuma v manj kot eni sekundi. Pogon s spremenljivo hitrostjo se ne more odzvati dovolj hitro, da bi optimiziral hitrost za vsak prehodni pojav, zato motor ves čas deluje s skoraj največjo hitrostjo. Prihranki energije izginejo, elektronika pogona pa poveča električne izgube.

Tretji vzorec: daljša obdobja mirovanja. Aplikacije, kjer črpalka deluje v prostem teku več ur brez večje potrebe po pretoku, že kažejo nizko povprečno porabo energije. Dodajanje frekvenčnega pretvornika zmanjša moč v prostem teku z upočasnitvijo motorja, vendar so absolutni prihranki majhni, ker je osnovna poraba energije že tako nizka. Obdobja vračila segajo dlje od življenjske dobe opreme.

Četrti vzorec: okolja z močno kontaminacijo. Livarne, rudniki in nekateri obrati za kemično predelavo izpostavljajo hidravlične sisteme stopnjam kontaminacije, ki presegajo toleranco filtracije krilne črpalke. Delovanje VSD pri zmanjšanih hitrostih poveča notranje puščanje in pospeši obrabo v onesnaženih pogojih. Skrajšana življenjska doba kartuše pogosto izniči prihranek energije.

Peti vzorec: starejše platforme črpalk. Zasnove krilnih črpalk pred letom 2000 niso bile zasnovane za delovanje s spremenljivo hitrostjo. Najnižje nazivne hitrosti, razmiki konic kril in konfiguracije ležajev so predvidevali delovanje s fiksno hitrostjo. Dodajanje frekvenčnega pretvornika (VSD) tem starejšim črpalkam pospeši obrabo in skrajša življenjsko dobo, tudi če bi profil delovnega cikla sicer podpiral ekonomičnost VSD.

Onkraj energije: Sekundarne prednosti VSD

Prihranek energije je glavna prednost VSD-ja, vendar so sekundarne koristi za upravljavce obratov pogosto pomembnejše od računa za elektriko. V intervjujih s strankami Vicks Hydraulic po namestitvi se dosledno pojavljajo tri sekundarne koristi.

Kupci, ki ocenjujejo kakovost komponent VSD, se lahko sklicujejo naStandardi ISO za hidravlične sistemeza protokole testiranja zmogljivosti in metode merjenja nazivne učinkovitosti.

Prva prednost, ki jo želim poudariti, je zmanjšanje hrupa. Črpalke s fiksno hitrostjo, ki delujejo pri razbremenilnem tlaku, proizvajajo precejšen hrup, ki se širi skozi hidravlični sistem in konstrukcijo stavbe. VSD upočasni motor v obdobjih nizke obremenitve, s čimer zmanjša raven hrupa za 5 do 15 dB na tipičnih merilnih točkah. V proizvodnih okoljih, občutljivih na hrup, kot so čisti prostori ali pakirne linije, to zmanjšanje pogosto upraviči naložbo v VSD neodvisno od prihrankov energije.

Druga prednost je zmanjšano sproščanje toplote. Energija, ki se prihrani z izogibanjem dušenju varnostnega ventila, ne izgine; ostane v olju kot toplota. Manjše sproščanje toplote pomeni manjše hladilnike, manjšo porabo hladilne vode in počasnejšo razgradnjo olja. Prihranki pri vzdrževanju pri intervalih menjave olja in vzdrževanju hladilnikov pogosto dodajo še 10 do 15 odstotkov k skupni koristi VSD poleg neposrednih prihrankov električne energije.

Tretja prednost, na katero se osredotočam, je izboljšan nadzor procesa. VSD omogoča natančno prilagajanje pretoka zahtevam procesa, kar izboljša doslednost časa cikla pri brizganju in zmanjša odstopanja v delih. Pri postopkih brizganja, ki so usmerjeni v tesne dimenzijske tolerance, izboljšanje kakovosti zaradi doslednih profilov pretoka pogosto prinese večjo ekonomsko vrednost kot sami prihranki energije.

Skupni stroški lastništva: petletni pogled

Uporaben okvir za ocenjevanje VSD upošteva petletne skupne stroške lastništva in ne le dobe povračila stroškov energije. Petletni pogled zajema stroške vzdrževanja, življenjsko dobo motorja in pogona ter vse prednosti kakovosti proizvodnje, ki ne spadajo v neposredni izračun električne energije.

Za kupce, ki primerjajo možnosti motorja in pogona,Katalog krilnih črpalk Eatonvključuje referenčne materiale o specifikacijah motorjev z inverterskim delovanjem in zahtevah za zmanjševanje harmonskih frekvenc.

Za prenovo 15 kW celice za brizganje plastike petletna slika običajno vključuje: opremo in namestitev VSD v višini 8.000 USD, nadgradnjo motorja v višini 1.500 USD, električno infrastrukturo v višini 2.000 USD, ublažitev harmonskih motenj v višini 1.200 USD, skupne kapitalske izdatke v višini 12.700 USD. Prihranki energije pri 3.100 USD na leto v petih letih znašajo skupaj 15.500 USD. Prihranki pri vzdrževanju zaradi menjave olja in servisiranja hladilnika znašajo dodatnih 1.800 USD v petih letih. Vrednost izboljšanja kakovosti je težje količinsko opredeliti, vendar običajno doda od 2.000 do 5.000 USD na leto za visokotolerančno brizganje plastike.

Petletna neto korist v tem tipičnem primeru se giblje od 7.000 do 30.000 USD, odvisno od vrednotenja izboljšanja kakovosti. Samo povračilo kapitala traja od 24 do 36 mesecev, vendar je skupna ekonomska korist v petih letih dva- do trikrat večja od stroškov kapitala. Zato so naknadne vgradnje VSD v dvo- in triizmenskih obratih brizganja plastike skoraj vedno upravičene, če jih delovni cikel podpira.

Zaključek: Iskreni odgovor VSD

Ugotovil sem, da vprašanje o 5000 PSI nima enega samega odgovora, ki bi veljal za vsako namestitev, ki jo pregledam. Po mojih izkušnjah je pošten odgovor zbiranje podatkov o delovnem ciklu, izračun realnih prihrankov energije in tehtanje teh prihrankov glede na kapitalske stroške pogonskega sistema z ustreznimi nadgradnjami motorja in infrastrukture. Strankam vedno povem, da mora izračun vključevati stroške zamenjave motorja, električne infrastrukture in blažitve harmonikov, da bom iskren glede dobe vračila naložbe. Raje se odpovem projektu, ki ni ekonomsko smiseln, kot pa namestim opremo, ki ne zagotavlja predvidenih prihrankov.

Za dvo- in triizmensko brizganje, ki poteka precej pod nazivnim tlakom, VSD zagotavlja jasne ekonomske donose. Za enoizmensko delovanje ali aplikacije z neprekinjenim delovanjem pod visokim tlakom je naložbo v VSD težje upravičiti in se morda nikoli ne bo povrnila. Srednja pot je odvisna od lokalnih cen električne energije, učinkovitosti obstoječe črpalke in tolerance upravljavca do kapitalskih projektov z večletno povračilno dobo.

Za kupce, ki so pripravljeni izvesti analizo na določeni namestitvi, lahko naša inženirska ekipa pregleda podatke o delovnem ciklu in zagotovi oceno izvedljivosti VSD. Pošljite zajete dnevnike tlaka in pretoka prekkontaktna stranin izračun bomo izvedli glede na trenutne cene komponent VSD in tipične industrijske cene električne energije. Ocena običajno traja nekaj dni in kupcem zagotovi podatke, ki jih potrebujejo za sprejemanje premišljene odločitve o kapitalski naložbi.

Tehnične specifikacije in navodila za izbiro črpalk in servo sistemov, omenjenih v tem članku, so na voljo v našicenter za prenoseZa kupce, ki primerjajo naknadno vgradnjo VSD s popolno zamenjavo servo hidravličnega sistema, je v centru za prenos na voljo tudi primerjalno gradivo in študije primerov uporabe.