Elektrotehniški vestnik 75(1): 76-81, 2008 Electrotechnical Review: Ljubljana, Slovenija Povečanje učinkovitosti naprave za suho čiščenje plinov iz elektrolize primarnega aluminija Anton Verdenik TALUM d. d. Kidričevo E-pošta: toni. verdenik@talum.si Povzetek. V članku je opisana modernizacija ventilacijskega sistema naprave za čiščenje plinov iz elektrolize primarnega aluminija. Z nadomestitvijo regulacijskih loput na ventilatorjih s frekvenčnim pretvorniki smo zmanjšali porabo električne energije, hrup ventilacijskega sistema in emisije plinov v okolje. Predstavljena sta integracija v energetski sistem in sistem za vodenje in analiza doseženih rezultatov. Ključne besede: frekvenčni pretvornik, varčevanje z energijo Increase in efficiency of a dry-gas scrubbing system for an aluminium reduction line Extended abstract. Industry constantly copping with the pressure to minimize energy consumption and implement of protocols targeting reduce of greenhouse gases emission. For that propose modern aluminium smelters use alumina-based dry scrubbers integrated in the closed loop with the electrolytic cells in order to capture fluoride evolved in the smelting process. The electrical energy used for maintaining gas flows is the most important operational cost. By substituting fans dampers for gas flow adjustment with variable speed drives, the system performance is improved. Energy consumption is reduced by 25%, ventilation system noise is reduced by 3dB and there are less greenhouse gases released as result of a faster start-up of the system. Keywords: variable speed drive, energy saving 1 Uvod Čistilne naprave so sestavni del industrijskih sistemov, saj omogočajo, da tehnološki postopki potekajo skladno z okoljevarstveno zakonodajo. Energija, potrebna za njihovo delovanje, je eden večjih obratovalnih stroškov. Zaradi visokih cen in pritiskov za manjšo rabo je treba izvajati ukrepe, ki zmanjšujejo specifično porabo energije in zagotavljajo konkurenčno proizvodnjo skladno z okoljevarstvenimi predpisi [4]. Osnovna infrastruktura, to so črpalke, ventilatorji in kompresorji, porabijo kar 63 odstotkov vse energije v procesni industriji. Ukrepi, ki lahko na tem področju prinašajo znatne prihranke energije, so poznani [3]. Temeljijo na zamenjavi mehanskih regulacijskih elementov (ventili, lopute), ki regulirajo fizikalno veličino na principu dušenja elektromotornih pogonov, s frekvenčnimi pretvorniki, ki prilagajajo moč motorja dejanski potrebi procesa. V članku je predstavljena sprememba načina regulacije pretoka zraka na napravi za čiščenje plinov iz elektrolize C v TALUMU Kidričev,o s katero smo zmanjšali porabo energije, hrup ventilacijskega sistema in emisije plinov v okolje. 2 Opis procesa 2.1 Čiščenje plinov iz elektrolize aluminija Primarni aluminij pridobivamo po Hall-Heroultovem postopku. Proces poteka v elektrolizni celici, kjer se glinica (Al2O3) razstaplja v tekoči elektrolitski kopeli (Na3AlF6) pri temperaturi 960°C. Prehod enosmernega električnega toka skozi elektrolit povzroči razkroj glinice v tekoči aluminij. Pri tem se sprošča okolju nevaren fluor, ki se mora izločiti iz plinov v čistilni napravi, prikazani na sliki 1. Plini iz elektroliznih celic tečejo skozi reaktor, v katerega se razprši sveža glinica, ki zajame fluor in se po izločitvi v separatorju in vrečastih filtrih kot surovina vrača v proces [2]. Elektroliza C v Talumu Kidričevo ima dve čistilni napravi s šestimi filtrskimi enotami. Filtrsko enoto sestavlja reaktor, vrečasti filter in centrifugalni ventilatorja za sesanje zraka, ki ga poganja asinhroni motor z močjo 250kW. Prejet 18. september, 2007 Odobren 22. februar, 2008 Slika 1: Suho čiščenje plinov iz elektrolize Figure 1: Dry scrubbing process turbulenc zraka na lopaticah pa je bil pričakovan tudi manjši hrup naprave. Zmanjšanje moči motorja ob prehodu na frekvenčni regulator smo ocenili s pomočjo meritev in preprostega modela. Izmerili smo moč motorja v odvisnosti od pretoka zraka pri regulaciji z loputo. Ker karakteristika sistema cevovod -vrečasti filter ni konstantna, ampak je odvisna tudi od prepustnosti vreč filtrov, ki se v povprečju menjujejo na štiri leta, smo za meritev izbrali starejši filter s slabšo prepustnostjo. PL _ QL (i) P Q3 P = Pi ■ S (i + h) (2) 2.2 Meritev in regulacija pretoka plinov Za učinkovito delovanje čistilne naprave je treba vzdrževati optimalno razmerje med pretokom plinov iz elektrolize in količino glinice v reaktorju. Agresivna narava plinov, prisotnosti prahu, variacija temperature med 80°C pozimi in 120°C poleti ter oblika cevovodov onemogočajo izvedbo zanesljive avtomatske meritve pretoka plinov. Ključni parametri sistema, ki vplivajo na pretok, so prepustnost filtrov in temperatura plinov. Ker se spreminjajo zelo počasi, dobimo zadovoljive rezultate s tedenskimi ročnimi meritvami pretoka in ustrezno korekcijo položaja lopute. Pretok skozi posamezen filter je odvisen od tehnoloških potreb 26-29m3/s. 2.3 Predstavitev problema Naraščajoče cene električne energije in čedalje ostrejši okoljevarstveni predpisi so razkrili tri probleme: 1. Poraba električne energije za pogon i2 ventilatorjev je v letu 2005 znašala 19,5GWh, kar je največji obratovalni strošek. 2. Direktni zagon 250kW motorja za pogon ventilatorja je šok za transformatorsko postajo in motor, saj zagonski tokovi za i0 krat presegajo nazivni tok. Za zaščito motorja je moralo med dvema zaporednima zagonoma je preteči 20 minut. V tem času so bile povečane emisije fluora v okolje. 3. Ob ventilatorjih in v bližnjem naselju je bil izmerjen prevelik hrup. 3 Posodobitev pogona ventilatorjev 3.1 Predstavitev rešitve Izkazalo se je, da je celovita rešitev problematike mogoča z nadomestitvijo regulacijskih loput s frekvenčnimi pretvorniki. Ta rešitev zmanjša porabo energije in razbremeni zagon motorja. Zaradi popolnoma odprte lopute in posledično manjših S pomočjo ventilatorskega zakona (1) smo izračunali potrebno moč motorja, vodenega s frekvenčnim pretvornikom, ki smo jo povečali za n=1,5%, kar je ocena izgub frekvenčne pretvorbe (2). Diagram na sliki 2 prikazuje rezultate meritve moči motorja pri regulaciji pretoka z loputo in izračunane moči v primeru frekvenčne regulacije. Pri tem pa se je treba zavedati, da model ne zajema vpliva drugih filtrov in ventilatorjev, ki delujejo vzporedno. 18 20 22 24 20 20 30 32 24 Q(m3/s) Slika 2: Primerjava moči pri regulaciji z loputo in FP Figure 2: Comparation of power when using damper and VSD Iz diagrama na sliki 2 smo ocenili, da za doseganje enakega pretoka zraka v delovnem območju s frekvenčno regulacijo potrebujemo povprečno 22odstotkov manj moči. Na vseh 12 motorjih lahko pričakujemo 4,2GWh prihranka električne energije na leto. To je bila podlaga za pozitivno ekonomsko oceno celotnega projekta, ki obsega namestitev 12 frekvenčnih pretvornikov moči 250kW z vso pripadajočo opremo in klimatizacijo stikalnih prostorov. Slika 3: Arhitektura sistema vodenja in močnostna shema Figure 3: Architecture of the control system and power diagram 3. 2 Arhitektura sistema vodenja Na sliki 3 je prikazana dvonivojska arhitektura sistema vodenja čistilne naprave in priklop frekvenčnih pretvornikov v energetski sistem v lokalnih transformatorskih postajah. Na krmilnem nivoju ima vsaka čistilna naprava PLC za vodenje procesa, na katerega so povezani frekvenčni pretvorniki za pogon ventilatorjev. Krmilnik pošilja frekvenčnemu regulatorju želene vrtljaje in ukaze za vklop in izklop motorja, iz njega pa bere trenutne vrednosti toka, napetosti, moči, navora, vrtljajev in alarme. Podatki, ki so namenjeni za analizo delovanja in optimizacijo parametrov, se shranjujeo na nadzornem nivoju čistilne naprave (SCADA). Posebna pozornost je bila namenjena izbiri opreme in integraciji 12 frekvenčnih pretvornikov z močjo 250kW v energetski sistem. Izbrali smo frekvenčni pretvornik ATV61 izdelovalca Schneider electric, ki je namenjen za bremena z variabilnim navorom ter je glede na izhodiščno stanje omogočal preprosto vključitev v sistem vodenja. 3. 3 Integracij a frekvenčnega pretvornika Slika 4 prikazuje princip povezave frekvenčnega pretvornika v krmilni in energetski sistem. 3.3.1 Energetski del Napajanje krmilnega dela je ločeno od močnostnega in izvedeno iz UPS sistema. Med frekvenčnim pretvornikom in močnostnim tokokrogom je linijska dušilka, ki zmanjšuje višje harmonske komponente toka in varuje napravo pred tokovnimi sunki, ki so posledica zelo nizke impedance sekundarnega tokokroga. Vklop moči je izveden prek stikala. Z uporabo integrirane funkcije LCC (Line contactor control) frekvenčnik avtonomno izvaja in nadzoruje sekvenco vklopa in izklopa stikala. 3.3.2 Krmiljenje Integracija frekvenčnega pretvornika v krmilni sistem je izvedena z izbiro enega od standardnih profilov delovanja, s katerim so določeni kanali za ukaze in referenco. V obravnavani aplikaciji je izbran profil DSP402, prikazan na sliki 5, z ločenima kanaloma za ukaze in referenco. Sekvence delovanja in nadzor so 4G0VAG- Moc Slika 4: Integracija frekvenčnega pretvornika Figure 4: Integration of the variable speed drive izvedeni s kontrolno in statusno besedo, prek standardiziranega diagrama prehajanja stanj [5]. Kanal za ukaze so vhodni priključki, kanal za referenco pa je vodilo modbus. Po vgradnji regulatorjev se je poraba energije na HC2 zmanjšala za 182MWh ali 22 odstotkov pri pretoku 28m3/s. Na HC1 se je mesečna poraba zmanjšala za 232MWh ali 28 odstotkov pri pretoku 26m3/s. Na HC1 je izmerjeno večje zmanjšanje porabe energije zaradi manjših pretokov zraka. Slika 5: Način delovanja, definiran s profilom DSP402 Figure 5: DSP402 profile 3.3.3 Vodenje motorja Sodobni frekvenčni pretvorniki pokrivajo širok spekter aplikacij. Z uporabo ustreznih vgrajenih regulacijskih funkcij lahko optimalno izkoristimo motor. Na sliki 6 je prikazan izbrani model vektorske regulacije hitrosti motorja [5]. Uporaba funkcij za prilagajanje magnetilnega toka navoru, kompenzacija slipa in brezsenzorska meritev hitrosti omogoča jo racionalno vodenje motorja. Slika 7: Zmanjšanje porabe energije Figure 7: Reduction of enegy consumption Časovni potek mesečne porabe energije za čiščenje plinov iz elektrolize z označenimi mejniki projekta je prikazan na sliki 8. Hkrati z vgrajevanjem frekvenčnih regulatorjev se je zmanjševala poraba energije s 1622MWh na 1210MWh na mesec. Slika 6: Model regulacije motorja Figure 6: Motor control Slika 8: Zmanjšanje porabe energije glede na potek projekta Figure 8: Reduction of enegy consumption durring the project 4 Doseženi rezultati V nadaljevanju so prikazani rezultati, ki so bili doseženi na podlagi različnih meritev in analiz po izvedbi projekta. 4.1 Poraba električne energije Najpomembnejši rezultat, ki je bil tudi glavni cilj projekta, je zmanjšanje porabe električne energije. Rezultat je prikazan na sliki 7 in izračunan glede na povprečno mesečno porabo energije v letih 2005-06, ki je znašala 807MWh v HC1 in 816MWh v HC2. 4.2 Razbremenitev transformatorskih postaj V transformatorskih postajah smo izmerili vpliv frekvenčnih pretvornikov na delovno in jalovo moč, ter tok na sekundarju transformatorjev. Rezultati so prikazani na sliki 9. V TP13 se je delovna moč zmanjšala za 0,24MW ali 20 odstotkov, jalova moč pa za 0,36Mvar ali 47 odstotkov. Tok na sekundarni strani pa se je zmanjšal za 0,58kA ali 28 odstotkov. V TP12 se je delovna moč zmanjšala za 0,21MW ali 13 odstotkov, jalova moč za 0,12Mvar ali 15 odstotkov tok na sekundarni strani pa se je zmanjšal za 0,52kA ali 16 odstotkov. Slika 9: Razbremenitev transformatorskih postaj Figure 9: Transformer substation unloading 4.3 Zagon motorja Zagon motorja s frekvenčnim pretvornikom je v primerjavi z direktnim zagonom bistveno lažji, saj regulator postopoma povečuje število vrtljajev motorja, hkrati pa omejuje izhodni tok na 110 odstotkov nazivnega toka. Iz rezultatov meritev na sliki 10 je razvidno, da se je zagonski tok motorja zmanjšal za 8 krat. Pomembna pridobitev, ki izhaja iz tega hiter zagon po ustavitvi. Pri direktnem zagonu je bil minimalni čas med dvema zagonoma motorja 20 minut. Z uporabo frekvenčnih regulatorjev je ta čas skrajšan na tri minute. Posledica hitrejšega starta čistilne naprave so manjše emisije plinov v okolje. 4.4 Popačenje toka in napetosti Negativni učinek frekvenčnega regulatorja je povzročanje motenj v omrežju, saj je zaradi nelinearne karakteristike vir višjh harmonskih komponent toka. Na sliki 11 so prikazani rezultati meritev popačenja toka in napetosti na sekundarju transformatorjev in ključnih porabnikih. Velikost izmerjenega tokovnega in napetostnega popačenja primerjamo s priporočili IEC za izvedbo električnih inštalacij: • THDU<5% in THDI<10% - normalna situacija • THDU<5% in 10%