Luftstrom mit Sparpotenzial

Das Zementwerk der Volan Cement Plant Group in der Inneren Mongolei stellte die Ventilatoren von drei seiner Produktionslinien auf drehzahlvariablen Betrieb um. Das Resultat: Durch den Einsatz der Frequenzumrichter sank der elektrische Energieverbrauch um durchschnittlich 36 % gegenüber der bisher eingesetzten Drosselklappenregelung. Darüber hinaus entlastet der drehzahlvariable Betrieb auch die Anlagenmechanik und sorgt für exaktere Prozesssteuerung. Weil zudem der Anschluss der Anlagen an ein Energiemanagement-System möglich ist, ergeben sich durch die Umrüstung weitere entscheidende ­Energiesparpotenziale, die dem Betreiber neue Marktchancen eröffnen.
 
1    Einleitung
Das Werk der Volan Cement Plant Group, etwa 100 km entfernt von der Stadt Jining in der Inneren Mongolei, produziert mit vier Produktionslinien insgesamt 10 500 t/d Zement. Das im Jahr 2000 in Betrieb gegangene Werk hatte sich zum Ziel gesetzt, seinen Gesamtenergieverbrauch um 20  % zu senken. Dabei war schnell klar, dass hier besonderes Augenmerk auf der Antriebstechnik liegen muss, benötigt sie doch den größten Teil der elektrischen Anschlussleistung eines Zementwerks (Bild 1). Als besondere Energiefresser gelten hierbei die Antriebe von Strömungsmaschinen wie Pumpen oder Lüfter mit quadratischer Lastkennlinie (M ~ n²). In einem Zementwerk sind das vorzugsweise die Ventilatoren für Ofen, Kühler und Mühlen (Bild 2).
 
2    Drehzahlvariabler Betrieb birgt die
größten Potenziale
Die wirkungsvollste Maßnahme hatten die Mitarbeiter von Siemens Industry Automation Ltd., Shanghai, deshalb schnell definiert: Statt den Luftstrom wie bisher mit mechanischen Drosselklappen zu regeln, sollte dies jetzt über die Änderung der Motordrehzahl durch einen Frequenzumrichter erfolgen. Bei mechanischen Regelprinzipien wie Drosselklappen läuft beispielsweise der Lüftermotor immer auf vollen Touren und bezieht ständig seine auf die maximale Fördermenge ausgelegte Nennleistung vom Stromversorgungsnetz, während der Luftstrom durch mechanische Widerstände gedrosselt wird. In der Differenz zwischen der tatsächlichen und der maximal möglichen Fördermenge liegt die Energieverschwendung.
 
Ein Frequenzumrichter hingegen passt die Motordrehzahl immer genau an die aktuell erforderliche Fördermenge an, das heißt, es wird nur so viel Leistung aufgenommen, wie aktuell benötigt wird. Durch die daraus resultierenden Einsparungen amortisiert sich die Anschaffung eines Frequenzumrichters oft schon nach wenigen Monaten.
 
3    Einsparungen von über einem Drittel
Die Volan Cement Plant Group beauftragte deshalb Siemens, die Gebläsemotoren der Kühler seiner Produktionslinien mit Frequenzumrichtern zu drehzahlvariablen Systemen hochzurüsten. Nach Abschluss der Umrüstung führten die Betreiber eine 168-stündige Online-Energiesparanalyse durch, um den Effekt zu quantifizieren (Bilder 3–4). Die Ergebnisse waren äußerst positiv: Bei Produktionslinie 1 mit insgesamt 7 Motoren ergab sich eine Energieeinsparung von 37,12  %, bei Produktionslinie 2 mit insgesamt 5 Motoren betrug sie 33,75  % und bei Produktionslinie 3 mit insgesamt 4 Motoren lag die Energieeinsparung bei 37,44  %. Insgesamt sank also der Energieverbrauch der Produktionslinien um rund 36  % (35,78  %).
 
Doch der drehzahlvariable Betrieb mit Frequenzumrichter bringt noch weitere Vorteile. Die Drallregler, die zuvor den Luftstrom geregelt hatten, verschlissen durch den feinen Zementstaub stets sehr schnell und mussten ständig gewartet bzw. ausgetauscht werden. Auch diesen Kostenfaktor spart der neue Frequenzumrichter ein. Weiterhin entfallen beim Betrieb am Umrichter die Stromspitzen beim Hochfahren und die damit verbundenen starken Momentenstöße. Der sanfte An- und Auslauf entlastet zudem die Mechanik des gesamten Antriebsstrangs und erhöht dessen Lebensdauer. Auch Druckwellen, die bisher das Rohrleitungssystem belasteten, treten nicht mehr auf.
 
4    Übergeordnetes Energiemanagement-System
in Vorbereitung
Unter allen diesen Pluspunkten bleibt angesichts der steigenden Energiekosten das elektrische Energiesparpotenzial sicher eines der wichtigsten Argumente für den drehzahlvariablen Betrieb von Lüfterantrieben. Deshalb werden die Frequenzumrichter bei Volan in einem zweiten Schritt in ein übergeordnetes Energiemanagementsystem eingebunden. Dazu hat Siemens bereits die entsprechenden Schnittstellen (Profibus DP) vorbereitet. Das Energiemanagementsystem basiert auf einer ­Kombination der Siemens-Konzepte „Totally Integrated Automation“ und „Totally Integrated Power“, die durchgängige Lösungen für die Automatisierung und die Energieverteilung beinhalten. Zentraler Bestandteil des Systems ist eine Steuerplattform für das betriebliche Energiemanagement, welche die Energieflüsse während der gesamten Prozesse ständig überwacht und optimiert. Damit eröffnen sich für das Zementwerk zusätzliche Einsparmöglichkeiten, die die Gesamtenergiebilanz weiter verbessern.
 
5    Fazit
Die Ausrüstung der Ventilatoren im Volan-Zementwerk mit einem Freqenzumrichter von Siemens erzielte gegenüber der bisher eingesetzten Drosselklappenregelung solch hohe Ener­gieeinsparungen, dass die Betriebskosten erheblich sanken. Darüber hinaus entlastet der drehzahlvariable Betrieb auch die Anlagenmechanik und sorgt für exaktere Prozesssteuerung. Weil zudem der Anschluss der Anlagen an ein Energiemanagementsystem möglich ist, ergeben sich durch die Umrüstung weitere entscheidende Energiesparpotenziale, die dem Betreiber neue Marktchancen eröffnen.