Предлагаем вниманию кейс по повышению энергоэффективности процессов очистки бытовых сточных вод благодаря установке новейших мотор-редукторов.
На муниципальной водоочистной станции в г. Байрейт, Германия, хотели оптимизировать двигатели, подающие мощность на станцию, для повышения энергоэффективности и снижения затрат на потребление энергии.
Первоначальная система, построенная в 1999 г., состояла из нескольких асинхронных электродвигателей с прямым пуском (DOL) 1,5 кВт, 50 Гц. Двигатели были поставлены компанией Bauer Gear Motor (тип BF50-35A/D09LA4-TF-D), и с момента установки не было зарегистрировано ни одной их поломки. Тем не менее, поскольку на станции не удавалось добиться вывода энергоэффективности на современный уровень, было принято решение демонтировать имеющуюся систему и заменить ее современной высокотехнологичной альтернативой.
Компании Bauer Gear Motor было предложено разработать решение, способное сохранить текущий уровень надежности и обеспечить современную энергоэффективность.
Харальд Безольд, главный механик муниципальной водоочистной станции: «Мы с успехом использовали оригинальные решения Bauer, разработанные при строительстве водоочистной станции. Тем не менее, с того момента прошло уже девятнадцать лет, и сегодня мы считаем, что инвестирование средств в интеллектуальные технологии поможет нам повысить эффективность нашей работы. В рамках модернизации мы также хотели учесть влияние на окружающую среду. Наша цель — максимально эффективное управление системами обработки воды с минимальными расходами и минимальным воздействием на окружающую среду».
Изначально заказчик просил заменить имеющиеся двигатели асинхронными электродвигателями IE3, которые считаются стандартом энергоэффективности в системах водоочистки. Однако в результате анализа, проведенного компанией Bauer, стало понятно, что на данной водоочистной станции можно добиться более высоких показателей, если установить синхронные электродвигатели с постоянными магнитами, работающие с той же частотой 50 Гц.
Технология синхронных электродвигателей с постоянными магнитами IE3 отличается меньшим потреблением энергии и мощности для крутящего момента, идентичного моменту асинхронных электродвигателей IE3. Если система работает под частичной нагрузкой, эффективность асинхронных двигателей существенно снижается по сравнению с синхронными электродвигателями с постоянными магнитами, работающими при тех же условиях. Если точнее, компания Bauer Gear Motor измерила необходимую мощность для данного проекта и выяснила, что она ниже фактической мощности работающих двигателей, что дало возможность уменьшить номинал двигателей с 1,5 до 1,1 кВт без ущерба для производительности.
Преимущество таких двигателей заключается не только в энергоэффективности, но и в возможности прямого управления всеми мотор-редукторами непосредственно из офиса через систему шин ProfiNet. Другое существенное преимущество двигателей этого типа заключается в том, что интеллектуальная инверторная система управления циклами работы и система шин позволяет специалистам по обслуживанию отслеживать работу двигателей и немедленно фиксировать неполадки в работе системы.
Согласно измерениям, выполненным заказчиком после установки новых двигателей, замена асинхронных электродвигателей синхронными с постоянными магнитами, работающими при частоте 50 Гц, позволила сэкономить более 93 000 кВт/ч. Исходя из предположения, что 1 кВт/ч энергии стоит 0,20 евро, это снижение потребляемой энергии дает экономию более 18 600 евро в год.
Другое предложение заключалось в использовании инверторных приводов для снижения частоты в линии без ущерба для эффективности перемешивания. В результате для запуска процесса перемешивания требовалась частота 50–60 Гц. После начала движения сточных вод и осаждения ила в воде частоту вращения можно было снизить до 34 Гц. Такое снижение частоты вращения без ущерба для качества перемешивания и обработки обеспечило потенциальную годовую экономию более 260 000 кВт/ч или 52 000 евро.
Снижение потребления энергии благодаря установке синхронных электродвигателей с постоянными магнитами по сравнению со стандартными асинхронными электродвигателями обеспечивается особенностями их конструкции. Если в асинхронных двигателях на ротор должен подаваться электрический ток для создания магнитного поля, под воздействием которого ротор вращается и создается крутящий момент, в синхронных электродвигателях с постоянными магнитами установлен постоянный магнит, под воздействием которого вращается ротор. По сравнению с асинхронными двигателями с подобными номинальными характеристиками, технология синхронных двигателей с постоянными магнитами обеспечила повышение производительности на 40 % в некоторых случаях применения на водоочистных станциях. Во многих случаях двигатели такого типа окупаются уже за считанные месяцы.
В ходе проектирования инженерам Bauer нужно было обеспечить встраивание новых двигателей в имеющуюся систему. Это позволило бы избежать замены имеющихся систем и редукторов и минимизировать стоимость проекта. Более того, поскольку двигатели должны были располагаться вне помещения, их конструкция должна была обеспечить стойкость к воздействию климатических условий, а также опасных факторов, присутствующих в таких средах. Bauer выбрала двигатели, имеющие степень защиты оболочки IP65, а также инвертор в оболочке IP66, характеризующиеся защищенностью от проникновения пыли и струй воды под высоким давлением с любых направлений.
Чтобы обеспечить эффективность комбинации двигателя и частотно-регулируемого привода, одиночные инверторы устанавливались непосредственно на двигатели (мотор-редукторы EtaK2.0) для последовательного подключения всех инверторов. При такой схеме подключения, если одно устройство становится неисправным, работа других мотор-редукторов не нарушается. Тем самым сокращаются длительность простоев станции и затраты на обслуживание.
Кроме того, новое решение позволяло упростить систему и уменьшить количество необходимого оборудования. Встроенные в EtaK2.0 инверторы устранили необходимость прокладки экранированных кабелей и децентрализованного подключения двигателей и, следовательно, установки инверторов в шкафах управления. Это позволило сократить необходимое обслуживание и получить дополнительную экономию расходов.
EtaK2.0 также предоставляет дополнительные возможности связи и управления. Если точнее, встроенные инверторы непрерывно отправляют поток данных на программируемый логический контроллер (ПЛК) через широко применяемое подключение, соответствующее стандарту PROFINET Industrial Ethernet. Это позволяет выполнять удаленное отслеживание состояния каждого устройства и устраняет необходимость присутствия людей для проверки.
Благодаря такой возможности водоочистную станцию можно подключить к автоматической сети, поддерживающей стандарт Индустрия 4.0 и Интернет вещей (IIoT). Более того, повышение функциональности системы управления упрощает и ускоряет поиск неисправностей, минимизируя необходимое обслуживание и расходы.
Внедренная технология не только обеспечила существенное повышение энергоэффективности и производительности, но и устранила необходимость модернизации и снизила нарушения работы до минимума.
Проект продемонстрировал, что повышение энергоэффективности не только снижает затраты на генерирование, передачу и распределение энергии с силовых установок на конечных потребителей, но и существенно уменьшает эксплуатационные расходы и расходы на обслуживание.