Frekvenční měniče a řízení spotřeby elektrické energie a vody

Frekvenční měniče a řízení spotřeby elektrické energie a vody

Frekvenční měniče poskytují lepší způsob, jak řídit spotřebu elektrické energie a vody. 

Mnoho podniků na zpracování potravin má v rámci svých systémů čištění nainstalována vodní čerpadla; čerpadla jsou v podnicích používána k účelům oplachování. Mnohá z nich jsou originálními kusy, dokonce celý systém je někdy naprosto unikátní. Tyto systémy byly často navrženy v době, kdy podnik zpracovával menší objem zakázek a nebyl tudíž až tak znepokojen spotřebou vody a energie, jako je tomu v současné době. Aktuálně podniky vyhledávají způsoby, jak ušetřit na spotřebě vody a energie úpravou stávajících systémů nebo zaváděním nových systémů.

Některé podniky doinstalovaly čerpadla nebo si pořídily nová, výkonnější v rámci původního systému s tím, že jsou provozována při plném průtoku a tlaku, ať už podnik používá během procesu čištění či oplachování jednu oplachovací pistoli a hadici, nebo několik pistolí a hadic. Otázka spotřeby se stává problémem spíše v moderních podnicích, kde se používání vody a energie stalo kritickým provozním prvkem. Většina vodních čerpadel určená pro procesy oplachování je navržena a vybrána na základě jejich funkčního stavu při plném zatížení, ale v praxi nejsou ve většině případů čerpadla provozována při plném zatížení. Použití frekvenčního měniče (VFD) pro řízení průtoku tento problém dokáže vyřešit a současně přispívá ke snižování spotřeby energie a prodlužuje životnost zařízení.

V minulosti nikdo moc neřešil, že čerpadla jsou provozována na plný výkon; nyní se však z výše uvedených důvodů jejich ovládání pomocí frekvenčních měničů stalo samozřejmostí kvůli úsporám ve spotřebě energií v rámci podniku. Použití ovládacích prvků pro regulaci objemu a tlaku použitého v systému oplachování umožňuje podnikům šetřit spotřebu vodu pouze tím, že je během čištění použito potřebné množství vody a udržován správný tlak nezbytný pro každé odběrné místo.

Taková úroveň provozování systému vyžaduje vyhodnocení některých kritérií pro stanovení kapacity a při určování, zda je současný systém čerpadel pro podnik přijatelný: počet hadic nebo pistolí použitých během procesu čištění, včetně tlaků a průtoků potřebných pro každou operaci. Čerpadlo a celý systém musejí být dimenzovány tak, aby vyhovovaly požadavkům, když systém využívá maximální počet operací, a zároveň aby umožňovaly snížení výkonu pro situace, kdy nejsou používány všechny hadice. 

Hadice a pistole pro čištění

Důležité je stanovit maximální počet hadic, trysek, pistolí a dalších zařízení používaných během čisticích operací v rámci podniku, včetně stanovení požadovaného objemu pro každé z těchto zařízení.

Řekněme, že podnik používá oplachovací hadice s pistolemi, které spotřebovávají 11 galonů za minutu (gpm) při tlaku 400 psi; maximální počet jednotek v provozu v jednom okamžiku může být 50. To by znamenalo, že čerpadlový systém musí podporovat průtok nejméně 550 gpm při tlaku 400 psi a v případě potřeby méně, například když několik operátorů dokončí čištění nebo odejde na přestávku.

Počet uživatelů může klesnout na pár jednotlivců nebo jej dokonce nebude používat nikdo, což by vyžadovalo podstatně menší množství vody, které by mělo být k dispozici. Právě pro tyto případy je systém řízený frekvenčními měniči flexibilní, aby poskytl požadovaný objem a tlaky potřebné pro plnou nebo sníženou kapacitu.

Pokud je do čištění zapojeno méně operátorů, čerpadla nepotřebují běžet na plný výkon, aby dodržela požadavek na průtok při daném tlaku. Voda v systému by mohla udržet tlak, zatímco recirkulační vedení by umožňovalo kontinuální proudění čerpadly. Jakmile by byly tlaky ve statickém režimu po dobu 90 sekund (nebo po jiný stanovený přijatelný čas), ovládací prvky čerpadla by přešly do režimu spánku; poté dojde k vypnutí motorů a čeká se na další pokles tlaku před následným uvedením do provozu.

Druhý krok představuje stanovení a výběr čerpadla nebo čerpadel podle potřeby pro splnění požadavků na systém, jak bylo stanoveno v předchozím kroku. Čím jednodušeji, tím lépe, takže pokud je jedno čerpadlo schopno zajistit požadovaný průtok a tlak v systému, jděte do toho. Jestliže tomu tak není, vyberte čerpadla podle potřeby, abyste dosáhli požadovaných maximálních průtoků a tlaků. Volba více než jednoho čerpadla poskytuje obecně větší možnosti pro spodní část spektra průtoků, když je v rámci systému aplikováno méně operací. Je to proto, že průtoky jsou dodatečné a tlaky se liší podle průtoku v systému.

K těmto situacím dochází častěji v rámci starších a stávajících podniků, kde čerpadla sice splňují požadavky na čisticí operace, ale již nereflektují období „prostojů“, kdy je v provozu méně čerpadel, než je jejich maximální počet. Tím dochází k plýtvání energiemi a k poškozování čerpadel, neboť jsou nadměrně přetěžována. 

Flexibilní systém

Protože se podniky a provozy liší, mohou být tyto systémy podle potřeby změněny. Jedná se o určení toho, co bude fungovat pro jednotlivé operace, ať už se jedná o vícestupňové čerpadlo, nebo o vícero čerpadel nainstalovaných tak, aby vyhovovala požadavkům na čištění. Jedním z možných a běžně účinných řešení je opět systém, v rámci kterého jsou aplikovány frekvenční měniče, jelikož je schopen řídit požadavky na průtok změnou rychlosti otáček motorů.

Jelikož jsou tato čerpadla odstředivá (s proměnným točivým momentem nebo s nízkým přetížením), platí následující mechanika tekutin: Když se motor střídavého proudu otáčí rychlostí na 75 %, spotřeba energie se vypočítá jako třetí mocnina ze 75 %, takže se dostáváme na nějakých 42,2 % spotřeby energie. Zohledníme-li úsporu vody, celková dosažená úspora by mohla být dokonce vyšší u zařízení, jež využívají ohřívanou vodu ve svém systému. Vlastní softstartovací a zastavovací funkce frekvenčního měniče také nabízí úspory energie tím, že eliminuje spínací proudy běžné při startu linky. Frekvenční měniče rovněž umožňují nastavení různé rychlosti otáčení, což znamená menší opotřebení mechanických součástí.

Použitím snímače tlaku ve výtlačném potrubí čerpacího systému a řízením pomocí frekvenčního měniče pro nastavení rychlosti otáčení účinnějších vícestupňových čerpadel o výkonu 75 koňských sil mohou být udržovány průtoky a tlaky, které systém potřebuje. Ať už funguje systém oplachování na plný výkon, nebo jsou požadavky na systém sníženy, čerpadlo a frekvenční měnič jsou schopny nastavit kapacitu systému tak, aby dodával požadovaný tlak a průtok.

Zatímco systém udržuje tlaky, když probíhá proces čištění, nastavením otáček motoru a spuštěním dalších čerpadel tak, jak je požadováno pro udržení konstantních průtoků a tlaků, umožňuje také přidělení předem stanoveného času. Poté frekvenční měnič uvede čerpadla do režimu „spánku“ a vypne je, aby šetřil energii a vodu. Když obsluha stiskne oplachovací pistoli, čímž poklesne tlak v systému, čerpadlo (či čerpadla) lineárně zvyšuje výkon, aby dosáhlo průtoku potřebného k dosažení zadaného tlaku podle nastavení snímače.

Stejně jako ve výše uvedeném příkladu disponovala všechna tři čerpadla výkonem 100 koňských sil. V případě, kdy systém používá pouze jednu nebo dvě čisticí operace, je v provozu pouze jedno čerpadlo se sníženou rychlostí otáčení; dříve jela všechna tři čerpadla na plný výkon a tlak bez jakýchkoli prvků řízení.

Použití účinných vícestupňových čerpadel snižuje spotřebu výkonu na jedno čerpadlo, přesto však je do systému dodáván vyšší tlak nezbytný pro oplachování v rámci sanitárních prací v podnicích na zpracování potravin. Možnost nastavení rychlosti otáčení pomocí frekvenčního měniče poskytuje větší kontrolu nad použitou energií, a to podle požadavků systému. Při aplikaci těchto kroků byste měli dosáhnout vyšší účinnosti při nižší spotřebě vody a energie a pozitivně se tak podílet na výsledném hospodaření podniku. 

Ron Crutchfield se již 35 let pohybuje v oblasti průmyslových čerpadel a v současné době je vedoucí projektový inženýr pro procesní čerpadla a zařízení ve městě Omaha, Nebraska.

Gary Jacott strávil 30 let jako elektrotechnik, z toho se 20 let specializuje na průmyslovou automatizaci.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz