Úspory energie dosažené hospodařením s motory

Úspory energie dosažené hospodařením s motory

Základní konstrukce indukčního motoru vznikla před více než stoletím, a v důsledku toho je jeho technologie mnohými považována za archaickou. Ve skutečnosti byl v posledních 35 letech zaznamenán význačný pokrok v různých oblastech, jako např.:

• matematické modelování konstrukce stroje,
• nové izolační materiály,
• tepelné modely,
• technologie výroby a kontrola kvality.

Tyto a další pokroky dovolují konstruktérům navrhovat indukční motory v širších souvislostech, než dosud bylo možné. Je zájem o vysoce účinné motory (High Efficiency Motor – HEM) v současné době pouze módním trendem, nebo základním konstrukčním kritériem pro indukční motory současnosti a budoucnosti? V tomto článku je rozvedena druhá možnost a doporučeny praktické kroky, jež provozovateli motoru napomáhají získat maximální užitek.

Odhaduje se, že ve Velké Británii je instalováno 22 mil. trojfázových indukčních motorů, s ročními náklady téměř 4 mld. GBP. Při výrobě elektrické energie pro napájení těchto motorů (za předpokladu využití uhelných elektráren) se do atmosféry ročně uvolní přibližně 100 mil. tun oxidu uhličitého (CO₂).

Motory HEM mají obecně účinnost asi o 3 % vyšší než indukční motory standardní konstrukce.

Na základě závěrů konferencí o životním prostředí v Rio de Janeiru a Kjótu se vláda Velké Británie zavázala vrátit emise CO2 v roce 2000 na úroveň roku 1990. Tříprocentní nárůst účinnosti nabízený HEM by zredukoval emise CO₂ o 3 mil. tun za rok.

Například u čerpadla o příkonu 50 kW poháněného indukčním motorem byly asi 2 t CO2 vyprodukovány již během výroby soustrojí; při předpokládané celkové provozní účinnosti 95 % a délce života deset let bude během doby jejího provozu vyprodukováno okolo 2 000 t CO₂.

Publikace firmy ABB s názvem Zvolte si správný výkon nabízí vodítko, jak snížit náklady na energii (a tím emise CO₂) optimálním využitím motorů HEM v nových i stávajících zařízeních. V mnoha podnicích musí odpovědní pracovníci rozhodovat o vhodném používání motorů – jejich postup je zřejmě ovlivněn vlastními požadavky, které ale nemusí být v souladu s požadavky na energetickou účinnost či požadavky podniku jako celku.

Řízené hospodaření s motory dovoluje, aby při rozhodování všechny zúčastněné strany měly jasné směrnice. Tento postup také zajišťuje vzájemnou vazbu investičních a provozních nákladů při optimální návratnosti výdajů.

Je nutné se zaměřit na dvě definované oblasti:

1. Nové investice – nejvhodnější moment z hlediska efektivnosti je instalovat motory HEM do nového strojního zařízení; přínos z hlediska nákladů je okamžitý a promítnutý do celkové životnosti strojního zařízení.

2. Výměna stávajícího strojního zařízení – účinnost stávajícího zařízení se zvýší instalací motorů s vyšší účinností; zařízení by mělo být vyměněno ve vhodné době z hlediska celkových nákladů.

Tab. 1. Investiční náklady v porovnání s provozními náklady

Řízené hospodaření s motory
Provozní náklady jsou mnohem větší než náklady investiční (pořizovací) a v celkových nákladech tvoří největší položku. Proto i malé zvýšení účinnosti vede za dobu života motoru k podstatné úspoře celkových nákladů (např. pořizovací náklady na indukční motor o příkonu 18,5 kW jsou asi 622 GBP, avšak za dobu deseti let jeho provozního života při plném zatížení činí náklady 80 000 GBP). V tab. 1 je srovnání investičních nákladů motorů různých velikostí s jejich provozními náklady a údaje v ní přibližně ukazují, jak dlouho by trvalo spotřebování jejich ceny v nákladech na energii, a rovněž dokládají, že činí-li nákupní cena jen 1 % celkových nákladů po dobu jeho života, je vhodné se rozhodnout pro motor HEM již při koupi nového strojního zařízení.

Výměna stávajícího strojního vybavení
Komise Evropské unie pro energii vydala toto prohlášení: „Obecně lze prohlásit, že zvýšení účinnosti užitím vysoce účinných motorů (HEM) není samo o sobě dostatečným argumentem pro výměnu motorů. Avšak při instalaci nového motoru nebo v případě jeho shoření a nutného převinutí se přídavné náklady spojené s výměnou za motor HEM obvykle uhradí v době kratší než dva roky.“

Většina motorů používaných v současné době v průmyslu nejsou motory s vysokou účinností. V některých případech je proto účelná náhrada existujícího standardního motoru motorem o vysoké účinnosti a dosažení přijatelné doby návratnosti, což platí obzvláště v současné době, protože stále méně výrobců požaduje zvláštní cenu za motory HEM.

Podnik Ontario Hydro vykonal experiment, kterým by se stanovil vliv převinutého motoru na jeho vlastnosti, s devíti převinutými motory o příkonu 15 kW se standardní účinností (motory se standardní účinností reprezentují většinu motorů používaných v provozu). Experiment vyžadoval koupi deseti identických motorů a stanovení jejich účinnosti zkouškami podle norem CSA v nezávislé organizaci; u devíti motorů byla vypálena díra do konců jejich vinutí a tyto motory byly poslány do devíti opraven k převinutí. Po převinutí byly motory opět zaslány zpět do stejné nezávislé zkušební organizace a znovu přezkoušeny.

Hlavní faktory, které ovlivnily účinnost převinutých motorů, byly ve zprávě specifikovány takto:

1. zvýšená teplota při demontáži vinutí způsobila poškození izolace plechů magnetického obvodu s následným zvýšením ztrát v železe,
2. použití vodiče pro vinutí o menším průřezu, než jaký byl u původního vinutí, s následným zvýšením Jouleových ztrát.

Zpráva dále zmiňuje, že v mnoha případech by motory se standardní účinností, které selhaly, měly být nahrazeny motory s vysokou účinností (HEM). V příkladu (tab. 3) je uvedena zřetelná úspora v prvním roce provozu motoru – 492 GBP a 4 920 GBP za deset let doby života (bez započtení vlivu inflace).

Tab. 3. Porovnání nákladů na převinutí čtyřpólového motoru o příkonu 75 kW

Projektová studie
Projektová studie a monitorování spotřeby energie pomáhají kvantifikovat přínosy plynoucí z použití motorů HEM. Projektové studie se dělají pro odhad úspor, kterých má být dosaženo, a pro identifikaci nejvýhodnějších oblastí k monitorování energie. Podniky většinou udržují inventární seznam motorů provozovaných v jejich strojním parku, popř. prohlídkou na místě lze zjistit výrobce, výkon a otáčky všech provozovaných motorů nad vybranou výkonovou hranicí; poté je možné zjistit účinnost uvažovaných motorů z katalogu výrobce motorů.

Pro vypočtení jednotlivých i celkových provozních nákladů je nutné odhadnout roční dobu provozu motoru a průměrné náklady za jednotku elektrické energie; lze vypočítat i úspory a doby návratnosti, stanovené za předpokladu, že všechny motory jsou vyměněny za motory HEM.

Z výsledků projektové studie lze vyvodit dva klíčové závěry:

• definice celkových úspor v nákladech, kterých by mělo být dosaženo,
• identifikace specifických motorů pro energetické sledování.

Energetický monitoring provozovaných indukčních motorů a motorů HEM má prokázat skutečné úspory, které mohou být větší než úspory uvedené ve studii, jež jsou ovlivněny dřívějšími opravami a nepřesnými údaji o skutečných zatíženích.

Vývojový diagram postupu rozhodování při poruše
Otázka energetické účinnosti není jediným činitelem, který bude působit na proces rozhodování. Když motor selže, existuje množství jiných faktorů, které je třeba uvážit:

1. Jestliže je vadný motor konstruován v palcových mírách, budou náklady na jeho předělání na metrický asi příliš veliké na to, aby se uvažovalo o jeho nahrazení. (Je třeba poznamenat, že metrické motory jsou nyní standardní pro celou Evropu.)

2. Není porouchaný motor příliš malý na opravu? (Je účelné, aby podnik stanovil mez výkonu, pod kterou se nevyplatí uvažovat o opravě.)

3. Byl motor již dříve převinut? Zpráva Ontario Hydro uvádí, že převinutí má za následek pokles účinnosti v průměru o 1,1 % – toto číslo může být postupně aplikováno na převinutí následující po sobě. Doporučuje se převíjet motory HEM jen jednou, aby se zachovala jejich výhoda oproti standardním motorům.

Do úvahy pro návrh postupového diagramu hospodaření s motory (obr. 2) by mohly být vzaty i jiné faktory, např. mechanická poškození, dostupnost, záruka, vylepšování strojního zařízení a spolehlivost. Na obr. 3 je znázorněna doba návratnosti v letech při nahrazování motoru se standardní účinností motorem s vysokou účinností (HEM).

Parametry použité pro výpočet jsou:

1. průměrná cena za jednotku elektrické energie 4,5 p/kW·h,
2. výměna stávajícího motoru standardního provedení (místo jeho opravy) za motor HEM,
3. čísla jsou vypočtena při 75% zatížení,
4. zahrnuty jsou průměrné náklady na převinutí,
5. při opravě stávajícího motoru se předpokládá snížení účinnosti o 1,1 %, jak uvádí zpráva Ontario Hydro,
6. předpokládá se, že motor ještě nebyl převinut.

Tento návod k nahrazování motoru může být přizpůsoben aktuálním provozním podmínkám podniku.

Energetický monitoring
Projektová studie pro North West Water, která posuzovala různá kritéria několika podniků, prokázala, že mnoho motorů je vhodných pro energetický monitoring – indukční čtyřpólový motor o výkonu 90 kW byl sledován sedm dní, poté byl vyměněn za motor HEM a sledován dalších sedm dní. V tomto konkrétním případě studie zjistila, že návratnost investice při výměně motoru před poruchou by byla 1,8 roku a při výměně při další poruše 0,8 roku. Studie ukázala, že náklady budou zaplaceny hluboko pod časovým limitem návratnosti investice (daným společností North West Water), a proto byla výměna za motory HEM před poruchou uskutečněna.

ABB s. r. o., Automation
Sokolovská 84-86
186 00 Praha 8
tel.: 02/2283 2327, 2319, 2320, 2242
fax: 02/2283 2310
e-mail: vladimir.lexa@cz.abb.com