صرفه جویی در انرژی مصرفی در کارخانه سیمان با استفاده از درایوهای فرکانس متغیر دانفوس

 صرفه جویی در انرژی مصرفی در کارخانه سیمان  با استفاده از درایوهای فرکانس متغیر دانفوس

از آنجایی که جاده ها، آسمان خراش ها و پل ها  که به عنوان آثار قابل مشاهده زندگی مدرن مورد توجه هستند بر مبنای بتن  و بکارگیری بایندرها برای تولید آنها ایجاد می شوند ، لذا تولید سیمان نیاز به استفاده از فناوری های پیشرفته دارد . تاسیسات تولید سیمان Genevieve در حدود 50 مایلی جنوب سنت لوئیس ایالات متحده ، از درایوهای Danfoss به دلیل بهره گیری از فناوری پیشرفته در  درایو فرکانس متغیر در توسعه سایت خود بهره برده است  تا به سایت تولید خود کمک کند تا محل تولید خود را به یکی از کارآمدترین کارخانه‌های سیمان در جهان تبدیل کند.

کندال والدن، مدیر کنترل‌های الکتریکی و فرآیندی این مرکز می‌گوید: «چهار سال و 7.5 میلیون ساعت کار برای توسعه این سایت طول کشید. شرکت هولسیم این سایت را به دلیل ذخایر سنگ آهک باکیفیت و نزدیکی به شبکه توزیع رودخانه می سی سی پی انتخاب کرد. ما به عنوان یکی از بزرگترین کارخانه های تولید سیمان در جهان، قادر به تولید بیش از چهار میلیون متریک تن سیمان در سال و 12000 متریک تن کلینکر در روز هستیم.کلینکر ترکیب معدنی حیاتی مورد استفاده در ساخت سیمان است. این ماده با مخلوط کردن و آسیاب کردن مواد خام سنگ آهک، آلومینا، آهن و سیلیس به یک مخلوط "کنجاله خام" تولید می شود که سپس در یک کوره دوار گرم می شود. در نهایت کلینکر را با گچ و سنگ آهک آسیاب می کنند تا سیمان ریز تولید شود.

والدن توضیح می‌دهد: «کوره باید با تلرانس‌های بسیار فشرده در سرعت، دما و جریان هوا کار کند تا فرآیند تولید کلینکر بهینه شود». در غیر این صورت، انرژی و ناکارآمدی عملیاتی باعث افزایش هزینه های عملیاتی کارخانه می شود.  برای تهیه کلینکر باکیفیت، کنجاله خام از قبل گرم شده به یک کوره دوار منتقل می شود - یک استوانه فولادی بزرگ با پوشش نسوز که طول آن 305 فوت و قطر 21.7 فوت است. این کوره که در یک زاویه کوچک قرار دارد، تقریباً 210 دور در ساعت می چرخد، زیرا غذای خام طول خود را طی می کند. کنجاله خام در تماس با گازهای داغ است که جریان مخالف را به جریان مواد می رسانند. این گازها به دمای 2462 درجه تا 2642 درجه فارنهایت می رسند که در نهایت مخلوط را به محصول میانی یعنی کلینکر تبدیل می کند. در انتهای تخلیه کوره، کلینکر داغ در یک خنک کننده می افتد، جایی که دما به سرعت با خاموش کردن هوا از طریق استفاده از فن های بزرگ به حدود 212 درجه فارنهایت کاهش می یابد.

برای ایجاد جریان هوای مناسب در کولر از چندین موتور فن تا 350 اسب بخار استفاده می شود. هنگام نصب اولیه، موتورها از استارت‌های سراسری استفاده می‌کردند، با دمپرهایی که در هنگام راه‌اندازی ولتاژ کامل را به پایانه‌های موتور اعمال می‌کردند. در نتیجه، موتورها جریانهای هجومی راه اندازی بالایی را تجربه کردند که پنج تا شش برابر آمپرهای بار کامل بود. علاوه بر این، دمپرها در اکثریت سال کمتر از 100 درصد باز بودند. این ترکیب فرصتی برای افزایش راندمان کلی ارائه می‌دهد - به علاوه فرصتی برای جلوگیری از هزینه‌های تقاضای برق برای مصرف بیش از حد آمپر در هنگام راه‌اندازی موتور.

در زمینه سیستم های الکتریکال ، مدیریت مهندسی به Michael Ifurung محول شده بود . در راستای افزایش بهره وری ، مدیریت پروژه به دنبال راه حلی با انرژی کارآمدتر بود، و Ifurung ایده استفاده از Danfoss VLT® AutomationDrives را مورد بررسی قرار داد .

Ifurung توضیح می دهد: "به خوبی شناخته شده است که درایوهای فرکانس متغیر (VFD) می توانند به طور چشمگیری هزینه های انرژی در کاربردهای فن را کاهش دهند. به عنوان مثال، اگر بتوان سرعت را 20 درصد کاهش داد، مصرف کیلو وات را می توان تا 50 درصد به دلیل فیزیک کاهش داد. تصمیم مهندسی حیاتی این است که نوع مناسب VFD را برای برنامه انتخاب و پیکربندی کنید.

پس از بررسی دقیق تامین کنندگان مختلف VFD و قابلیت های تجهیزات آنها، Walden و Ifurung دانفوس VLT® AutomationDrives را برای این برنامه انتخاب کردند.

به گفته Ifurung، «درایوهای VLT® Danfoss درایوهای فرکانس متغیری هستند که به طور ویژه برای رسیدگی به کاربردهای صنعتی طراحی شده‌اند. در این مورد، کار به 15 درایو VLT® برای چندین موتور AC 460 ولتی نیاز داشت که شامل پنج عدد موتور  300 اسب بخار، هشت عدد 250 اسب بخار و دو موتور 150 اسب بخار بود .

Ifurung ادامه می دهد: "این ها از نوع درایوهای گشتاور متغیر هستند." "در سرعت های بیشتر، یک فن با فشار بیشتری مواجه می شود. که برای چرخاندن فن به گشتاور بیشتری نیاز دارد. از آنجا که کاهش گشتاور به اندازه مکعب سرعت متفاوت است، هر بار که بتوانید گشتاور را کاهش دهید می توانید به لطف قواعد فیزیک دور در دقیقه را کاهش دهید
و به همین دلیل است که VLT® Drives قبض آب و برق کارخانه را به اندازه ای کاهش داد تا در کمتر از دو سال هزینه پروژه را بپردازد. به علاوه، آنها با کاهش جریان هجومی، هزینه های تقاضای برق را کاهش دادند
درایوهای Danfoss VLT® دستگاه‌هایی با راه‌اندازی نرم هستند که هنگام راه‌اندازی و توقف به تدریج ولتاژ را بالا و پایین می‌کنند، که نوسانات ناگهانی آمپر را که ممکن است منجر به هزینه‌های تقاضا شود، از بین می‌برد. در حال کار، درایو VLT® FC 322 می تواند فرکانس جریان را از 0 تا 32 کیلوهرتز تغییر دهد تا انواع سرعت های موتور AC را ارائه دهد. سپس می توان سرعت موتور را با RPM مورد نیاز فن مطابقت داد تا کیفیت فرآیند حفظ شود و مصرف برق در زمان گشتاور کامل  کاهش یابد .
برای بهره بردن از مزایای کمی و کیفی، درایوها از پروتکل DeviceNet™ برای برقراری ارتباط با کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) استفاده می‌کنند. نرم‌افزار کنترل فرآیند اختصاصی داده‌های فشار و دما را خرد می‌کند، سپس به PLC‌ها دستور می‌دهد تا به درایوهای VLT بگویند تا RPM و ترتیب فن را در صورت نیاز تغییر دهند. PLC ها همچنین سیگنال های 4-20 میلی آمپر را از مبدل های فشار و دما به عنوان پشتیبان دریافت می کنند. درایوهای VLT® و PLCها از طریق یک صفحه رابط ماشین انسانی (HMI) در اتاق کنترل مدیریت می شوند.

والدن می گوید: درایوهای VLT® در حالت حلقه باز با دقت سرعت  RPM +8   کار می کنند - که تنظیم دقیق جریان هوا را آسان می کند. این حد از دقت کنترل قابل اعتماد فن را برای تعدیل جریان گاز و سرعت ورود هوای محیط به کولر برای ایجاد دمای مناسب کلینکر فراهم می کند .

درایوهای VLT® از برند دانفوس همچنین مزایای مثبتی برای سیستم الکتریکی نیروگاه دارند.

Ifurung می گوید: "ما توانستیم از محاسبات اعوجاج هارمونیکی Danfoss برای تعیین ضریب K ترانسفورماتور مورد نیاز در پروژه استفاده کنیم." ضریب K معیاری است که نشان می دهد چگونه جریان های بار الکتریکی هارمونیک بر تجمع گرما در ترانسفورماتور تأثیر می گذارد. دانستنK-factor باعث کاهش هزینه طراحی و تولید  در ترانسفورماتور ما شد. از نظر الکتریکی، درایوهای VLT® عملاً اعوجاج هارمونیک را با ترکیب یک راکتور DC Link حذف می‌کنند. نتیجه این امر یک تصحیح توان بالا (بیش از 0.90) است که به جلوگیری از جریمه های متعلق کمک می کند.

از آنجایی که کارخانه قصد خرید ترانسفورماتور را داشت، Decatur همچنین توانست یک بای پس سه کنتاکتور را با گزینه بای پس کنترل الکترونیکی (EMB2) پیاده سازی کند. این گزینه چندین حالت کار، از جمله عملیات بای پس خودکار قابل برنامه ریزی با تاخیر قابل تنظیم، فرمان مشترک شروع/ایست موتور و آتش نشانی را ارائه می دهد.حالت لغو درایوها و بای پس را می توان با کنترل تحت شبکه  و یا HMI برای ارائه کنترل عملیاتی کامل بدون از دست دادن فرمان یا ارتباط، ایجاد کرد.

برای محافظت در برابر گرد و غبار و گرما، درایوها در کابینت NEMA 12 قرار می گیرند. طول کابل بدون محافظ تا 1000 فوت و کابل محافظ تا 500 فوت به درایوها اجازه می دهد تا از موتورها جدا شوند و از یک مزیت عمده  دور بودن از  محیط اطراف کوره بهره مند گردند .

مزیت اصلی اجرای VLT® Drives صرفه جویی قابل توجه در انرژی بود. والدن می‌گوید: «همه می‌دانند که هر زمان که بتوانید دور موتور فن را کاهش دهید، می‌توانید به صورت تصاعدی در مصرف انرژی صرفه‌جویی کنید. "در مورد ما، نتایج قابل توجه است. این فناوری به راندمان برق کلی کارخانه ما کمک کرده است. در نتیجه این پس انداز، بازپرداخت ما برای پروژه کمتر از دو سال است. و برای دومین سال متوالی، کارخانه ما EPA ENERGY STAR® را برای بهره وری انرژی فوق العاده دریافت کرده است.