Uvod u industrijske energetske sustave 

1. Uvod 

Potrošnja energije u industriji predstavlja oko jedne trećine ukupne energetske potrošnje u svijetu. Stalan rast cijena energije i povećanje udjela energije u jediničnoj cijeni proizvoda zahtijeva sve više pažnje uprave industrijskih pogona te upravljanje potrošnjom energije. To uključuje povećane investicije, ali omogućava i znatne koristi. U industriji se koriste brojni procesi u kojima se energija transformira, kao i procesi u kojima se energija izravno koristi kao resurs kojim se stvara nova vrijednost. U tvornici kao energetskom sustavu, proizvodni procesi se nalaze na strani potrošnje – stoga, proizvodni procesi određuju količinu i kvalitetu energije koja se troši.

Osnovni princip za optimiziranje energetskog učina je kontinuirano praćenje tokova energije i povezivanje mjerene količine energije koju koristi proces ili aktivnost s mjerenim izlazom tog procesa ili aktivnosti (slika 1.1). Kao što smo ranije rekli, gdje god i kada god se postignu poboljšanja energetskog učina, istovremeno će se poboljšati i učin zaštite okoliša, a vrlo često i kvaliteta konačnog proizvoda.

Slika 1.1: Osnovni odnos energije i proizvodnje

Industrijski energetski sustavi, često zvani i „energane“ (mi ćemo u nastavku koristiti općeniti naziv „energetika“) su opskrbni sustavi koji pružaju energiju potrebnu za obradu sirovina i proizvodnju konačnih proizvoda. Industrijski energetski sustavi pretvaraju različite vrste goriva i energije u razne energente poput vodene pare, topline, komprimiranog zraka, rashlađene vode, vrućih fluida i plinova te mehaničke energije za kompresore, ventilatore, pumpe, transportere i drugu opremu pokretanu strojevima (slika 1.1). U nekim se industrijskim postrojenjima proizvodi električna energija ili električna energija i toplina (kogeneracija) na mjestu potrošnje.

Svi se proizvodni procesi oslanjaju na opskrbu energijom. U energetski intenzivnim osnovnim industrijama, poput kemijske industrije, naftnoprerađivačke industrije, industrije čelika i željeza te industrije papira, energetski sustavi su kralješnica proizvodnog procesa i ključni za profitabilnost i

1

konkurentnost. Za ove industrije promjene u učinu potrošnje energije i zaštite okoliša kritičnih energetskih sustava mogu znatno utjecati na cijenu proizvodnje. S rastom cijena energije čak i u industrijama sa nižim pokazateljima energetske intenzivnosti, značaj energije postaje sve veći.

Slika 1.2 prikazuje tipični energetski sustav tvornice. Ukupna neposredna potrošnja energije koja ulazi u tvornicu je 100 jedinica u određenom periodu vremena (najčešće jedna godina). Odnos između fosilnih goriva i proizvedene energije u ovom primjeru je 80:20. Tvornica se obično opskrbljuje električnom energijom iz vanjskog sustava iako je moguća i vanjska dobava energenata poput vruće vode ili pare za grijanje, kao i drugih tehnoloških procesa. Omjer koji se ovdje prikazuje je tipičan za industriju hrane i pića. U industriji prerade nafte, primjerice, ovaj omjer je 96:4, a za industriju teških strojeva 55:45. Za razvijene zemlje, omjer za cjelokupni sektor industrije je 85:15. Danas u svijetu postoji trend povećanja proizvodnje električne energije unutar vlastitih industrijskih postrojenja, što značajno poboljšava isplativost korištenja fosilnih goriva.

U prikazanom primjeru (slika 1.2), učinkovitost opskrbe energijom je 33%, što znači da je za proizvodnju 20 jedinica potrebne energije potrebno iskoristiti 60,6 jedinica energije iz elektrane. Ovaj broj varira i većinom ovisi o strukturi nacionalnog elektroenergetskog sustava i goriva koji se koriste u elektranama. Međutim, nas primarno interesiraju energetske pretvorbe koje se događaju unutar granica industrijskog postrojenja. Ulaznih 100 jedinica ima svoju cijenu a njihova struktura ovisi o tipu proizvodnog procesa, dostupnim izvorima energije, trenutnim zakonima i pravilnicima i slično.

Osnovne energetske transformacije događaju se u središnjim energanama gdje se dokupljena energija prilagođava za proizvodni proces. Primjerice, napon kupljene električne energije se smanjuje (obično na 0.4 kV), tlak prirodnog plina se prilagođava prije ulaska u kotlove, itd. Potrebni oblici energenata izlaze iz centralnih energana i distribuiraju se u proizvodni proces gdje se dio energije dalje transformira a glavni dio se koristi za stvaranje nove vrijednosti – proizvoda. Moguća je i prodaja koja se mora uravnoteživati odvojeno ako je znatna po iznosu.

Slika 1.2: Tipični tokovi energije u tvornici

Energetski gubitci su neizbježni ali su često mjerljivi i moguće ih je smanjiti. Prva zadaća gospodarenja energijom je identificirati i potom smanjiti iznos gubitaka u internom lancu opskrbe energijom.

2

Kada se energetske transformacije provedu i kada se energija isporuči na točku krajnje potrošnje u proizvodnom lancu, isporučena količina je znatno smanjena u odnosu na onu koja je ušla u tvornicu. Primjer je prikazan na slici 1.2, gdje od ukupno 100 jedinica samo 65,4 jedinice dođu do proizvodnje, pa se može zaključiti da je učinkovitost energetskog sustava tvornice prikazanog na slici 1.2 samo 65,4%. Ovo ne uzima u obzir gubitke koji se pojavljuju kod krajnjeg korištenja energije u proizvodnom procesu. Međutim, kako bi se postigla maksimalna ukupna učinkovitost potrošnje energije u industriji, potrebno je ustanoviti i učin iskorištavanja energije u proizvodnim procesima.

2. Analiza industrijskih energetskih sustava 

Nažalost se u praksi analiza industrijskih energetskih sustava svodi na provjeru efikasnosti glavnih dijelova energane, poput kotlova, rashladnika vode (engl. chiller) i zračnih kompresora te njihovih utjecaja na okoliš. Očito je da pojednostavljeni oblik analize može rezultirati samo djelomičnim rezultatima i ne može pružiti sve korisne informacije za opsežan program gospodarenja energijom i utjecajima na okoliš. Često, uloga i učinak ljudskog faktora u učinu potrošnje energije i zaštite okoliša je u potpunosti zanemaren.

Stoga, da bi se izbjegao nepotpun pristup, potreban opseg razmatranja za industrijske energetske sustave dan je na slici 1.3. Na ovaj se način pokrivaju svi aspekti opskrbe energijom uključujući distribuciju, mjerenje i praćenje, regulaciju, krajnju potrošnju i recikliranje (ako postoji).

Ulazna energija

PROIZVODNI PROCES

ENERGETIKA

Hlađenje

Para

Voda

Električna energija

Komprimirani zrak

Sirovi materijal

Konačni proizvod

Učinci na okoliš

EmisijeIspustiIzljevi

Con

trol

bou

ndar

y

ProizvodnjaDistribucija,

mjerenje, praćenje i upravljanje

Potrošnja

Upravljanje energijom i zaštitom okoliša

Regulativa o zaštiti okoliša

Recikliranje

Grijanje

LjudiSlužba održavanja, Pogon,

Procesi planiranja proizvodnje

Slika 1.3: Raspon industrijskih energetskih sustava Povrh navedenoga, postoje ljudi i svakodnevno održavanje i operativna praksa. Cilj analize

energetskih sustava je identifikacija prilika za smanjenje energetskih troškova. Počinje od razumijevanja povezanosti između opskrbe i potrošnje procesa u pojedinom postrojenju tvrtke, a odjeli unutar tvrtke moraju prepoznati pitanja koja su bitna za potrošnju energije.

3

Sistematski pristup analizi industrijskih energetskih sustava zahtijeva proučavanje i razumijevanje interakcije među glavnim utjecajnim faktorima energetskog učina, npr.:

• Proizvodnja, • Energetika, • Ljudi i • Tehnologija.

Jednaka je usredotočenost na fizičku opskrbu energijom i potrošnju te ljudskom faktoru vezanom za vođenje i održavanje pogona. Općenito govoreći, raspon analize energetskih sustava uključuje razmatranje:

• Pretvorbe energije (u kotlovima, transformatorima, kompresorima, pećima, itd.); • Distribucije energije (električne energije, vodene pare, kondenzata, komprimiranog zraka,

vode, vrućeg ulja, itd.); • Efikasnosti krajnje potrošnje (oprema i zgrade); • Smanjenja otpada te ponovno korištenje, rekuperaciju ili recikliranje (energije, vode); • Planiranje proizvodnje, pogona, održavanja i općeg gospodarenja • Upravljanje (tok informacija, analiza podataka, povratna veza, edukacija zaposlenika,

njihova motivacija, itd.) Stoga, naglasak nije samo na pojedinim aspektima učinkovitosti pojedinog dijela energetike ili

proizvodnje energije i njene distribucije već i na integraciji energetskih potreba pojedinog proizvodnog procesa, dostupnih mogućnosti za zadovoljavanje tih potreba te menadžerskim tehnikama koje zajedno povezuju sve resurse (ljude, energiju, tehnologiju) na troškovno učinkovit način.

U ovoj knjizi primjenjujemo sistematski pristup za razmatranje slijedećih industrijskih energetskih sustava:

• Sustav industrijske pare; • Sustav električne energije; • Sustav komprimiranog zraka; • Sustav hlađenja; • Industrijska kogeneracija.

Osim za industrijsku kogeneraciju, svi drugi sustavi su vrlo česti u industriji. Industrijska kogeneracija se razmatra odvojeno jer može znatno povećati učin energetskih pretvorbi ne samo na razini tvornice već i na razini državne ekonomije ako je uporaba dovoljno raširena. Prepoznajući tu činjenicu, mnoge zemlje su počele promovirati izgradnju kogeneracija u industriji i drugim ekonomskim sektorima.

Sustavi električne energije su neizbježni u svakoj industriji a sustavi industrijske pare često prisutni u mnogim industrijama. Komprimirani zrak i sustavi hlađenja su veliki potrošači električne energije. Svaki od ovih sustava sastoji se i od brojnih električnih motora koji pogone pumpe i ventilatore. Tu je također velik broj izmjenjivača topline raznih tipova upravljanih više ili manje kompleksnim procesnim zahtjevima. Svi ovi individualni elementi, kao i cjelokupni dizajn sustava, izravno utječu na energetsku efikasnost.

4

Industrijski parni sustavi 

3. Opis sustava 

Parni sustavi proizvode i distribuiraju toplinsku energiju u obliku pare, koja se potom koristi za razne primjene u proizvodnim procesima. U prosjeku se preko 40% ukupnog goriva potrošenog u industriji koristi za proizvodnju pare. Parom se zagrijavaju sirovine i tretiranju poluzavršeni proizvodi. Para je izvor energije za opremu, kao i izvor topline i medij za proizvodnju električne energije. Mnoge tvrtke mogu poboljšati performanse parnog sustava postavljanjem efikasnijih parnih strojeva i podizanjem učina parnih procesa. Pri tome se mora razmatrati cjelokupni parni sustav kako bi se optimiralo iskorištavanje energije i postigle uštede u troškovima. Tipični parni sustav (slika 2.1) sastoji se od slijedećih podsustava:

a. Kotlovi b. Sustav distribucije pare (što uključuje regulacijske ventile, odvajače kondenzata,

izolaciju, itd.) c. Krajnji potrošači pare (što uključuje sustav regulacije, odvajače kondenzata, izolaciju,

itd.) d. Sustav povrata kondenzata (što uključuje cijevi, spremnike, izolaciju, pumpe, itd.) e. Sustav mjerenja, praćenja i upravljanja

Zrak

za sa

gorij

evan

je

Dim

ni p

lin

Gran

ica ko

tlovn

ičkog

sust

ava

Slika 2.1: Pregledna definicija parnog sustava

Osnovne karakteristike svakog od spomenutih podsustava i njihov energetski učin analizirat ćemo odvojeno. Za svaki podsustav mora se odrediti ravnoteža mase i energije pomoću kojih ćemo

5

definirati energetsku efikasnost. Točke mjerenja kojima pratimo parni sustav i temeljem kojih njime upravljamo označene su na slici 2.1. To su minimalni mjerni zahtjevi za iskoristivo pogonsko mjerenje i analizu cjelokupnog parnog sustava. Sve ove mjerne točke često ne postoje u postrojenju, ali čak i kada su prisutne preporuča se provjeriti zapisnike o umjeravanju kako bi se odredila točnost instrumentacije.

3.1. Kotlovi Kotao je uređaj koji pretvara kemijsku energiju goriva u korisnu toplinsku energiju. Na izlazu

kotla tipična je para (zasićena ili pregrijana), vrela voda ili toplinski fluid poput mineralnog ulja. Postoji više različitih vrsta kotlova, a mogu podijeliti u dvije osnovne grupe:

a. Kotao s vodenim cijevima, gdje se voda nalazi u cijevima a plamen i vrući plinovi sagorijevanja prolaze oko njih

b. Plamenocijevni ili oklopljeni kotao, gdje plinovi sagorijevanja prolaze kroz plameničku cijev i nakon toga ulaze u sustav cijevi uronjen u vodu unutar oklopa.

Većina kotlova ima komoru za spaljivanje gdje se većina topline prenosi izravno s plamena zračenjem i premalo konvekcijom. Na komoru za spaljivanje nastavljaju se prolazi za vrele plinove gdje se toplina prenosi primarno konvekcijom. Dvije trećine topline prenose se u komori a preostala trećina u prolazima za vrele plinove.

Većina kotlova u industriji koristi se za proizvodnju zasićene pare niskog i srednjeg tlaka. Pri pravilnom pogonu, svi tipovi modernih kotlova su više ili manje jednako efikasni u pretvorbi goriva u paru, vrelu vodu ili vruće ulje. Tablica 2.1 prikazuje očekivane toplinske efikasnosti koje je moguće postići za različite tipove kotla, temeljem gornje ogrjevne moći (GOM) goriva.

Tablica 2.1: Učinkovitost kotla prema tipu kotla (temeljem GOM)

Tip kotla Efikasnost, [%] Kondenzirajući 88 – 92 Visokoučinkoviti modularni 80 – 82 Oklopljeni kotao – vrela voda 78 – 80 Oklopljeni kotao – para 75 – 77 Povratni plamen 72 – 75 Lijevano željezo, sekcionirano 68 – 71 Parogenerator 75 – 78 Vodena cijev sa ekonomizatorom 75 – 78

Detaljnije o raznim tipovima kotlova i njihovim nacrtima može se naći u literaturi (pogledati

Reference).

3.2. Sustav distribucije pare Ovaj podsustav isporučuje proizvedenu paru krajnjim potrošačima. Parametri pare ovise o

potrebama krajnjih korisnika. Kondenzacija pare događa se zbog neizbježnog hlađenja pare u cijevima a kondenzat je potrebno odstranjivati iz cjevovoda na za to predviđenim točkama. U tu svrhu koriste se odvajači kondenzata, ne samo u sustavu distribucije pare nego i kod krajnjih korisnika. Tipovi i karakteristike odvajača kondenzata mogu se pronaći u literaturi ili izravno od proizvođača.

Izolacija sustava distribucije pare je vrlo važna za dobre performanse ovog podsustava i za visoku efikasnost cjelokupnog parnog sustava.

6

3.3. Krajnji potrošači Mnogo je krajnjih korisnika pare u industriji a svaki od njih predmet je gospodarenja energijom

kroz praćenje i procjenjivanje individualne energetske efikasnosti. Nećemo ulaziti u detaljnu analizu raznih krajnjih potrošača, no za pravilni pogon bilo kojeg krajnjeg potrošača, potrebno je isporučiti potrebnu paru pri odgovarajućem tlaku. Ovaj parametar određuje proizvođač uređaja koji troši paru. Ključno pitanje u učinkovitom upravljanju bilo kojeg krajnjeg potrošača je pridržavanje uputa proizvođača i korištenje na projektiranom kapacitetu te definiranje i provođenje pravilnog plana održavanja.

3.4. Sustav povrata kondenzata Jedna od najstarijih mjera za povećanje energetske efikasnosti u industrijskim parnim sustavima

je korištenje povratnog kondenzata. U prošlosti, ova mjera nije privlačila puno pozornosti obzirom da je energija bila relativno jeftina a sustav povrata kondenzata razmjerno skup. U nekim procesima, para se izravno koristi u procesu pa nije moguće razmatrati povrat kondenzata. Isti slučaj vrijedi i kada para može biti zagađena opasnim supstancama iz procesa i kada, iz razloga sigurnosti, kondenzat mora biti odstranjen. Međutim, čak i u takvim slučajevima moguće je i poželjno iskoristiti vrijednost energije kondenzata pomoću izmjenjivača topline.

4. Definicija učina sustava 

Ukupna energetska efikasnost sustava definira se kao omjer isporučene i iskorištene energije svim krajnjih korisnicima, te energije isporučene u kotao kroz gorivo.

PARNI SUSTAVEnergija iskorištena kod krajnjih korisnika

Energija isporučena u sustav kroz gorivoKK

GORIVO

EE

η = = (1)

Energetska efikasnost definirana na ovaj način je zapravo pokazatelj energetskog učina

promatranog parnog sustava (slika 2.1). Pokazatelji učina objašnjeni su u prethodno. Energija isporučena krajnjim korisnicima može se definirati kako slijedi:

( ), , , ,1

4.21 ( 1,2,3,.... )KK p n p n k n k nn

E m h m t n=

= ⋅ − ⋅ ⋅ =∑N

N (2)

gdje je:

mp,n = protok dolazne pare prema krajnjem korisniku broj n, [t/h]; hp,n = entalpija ulazne pare, [kJ/kg] (entalpija vode pri 0.1 oC i 0.006113 bara

(trostruka točka vode) je nula). mk,n = protok izlaznog kondenzata iz krajnjeg korisnika broj n, [t/h]; tk,n = temperatura izlaznog kondenzata, [oC]; 4.21 = izobarna specifična toplina vode, [kJ/(kg oC)] (Ova vrijednost će se koristiti

za sve proračune u ovom poglavlju. To je prosječna vrijednost specifične topline vode za temperaturni raspon koji se pojavljuje u industrijskim parnim sustavima).

Maseni protok pare je jednak ili veći od masenog protoka izlaznog kondenzata. Protok kondenzata može biti nula ako se u procesu koristi para i u tom slučaju mora biti u potpunosti kompenziran zamjenskom vodom.

Kemijska energija goriva koje se koristi u proizvodnji pare je kako slijedi:

7

GORIVO GORIVOE M GOM= ⋅ (3) U ovoj jednadžbi, MGORIVO je protok goriva a GOM je gornja ogrjevna moć goriva korištenog za

pogon kotla. Sada možemo ponovo napisati jednadžbu za proračun energetske efikasnosti parnog sustava

(jednadžba 1) kako slijedi:

( ), , , ,1

4.21N

p n p n k n k nn

KKGORIVO

m h m t

M GOMη =

⋅ − ⋅ ⋅=

⋅

∑ (4)

Slično, moguće je definirati energetsku efikasnost podsustava kako je prikazano na slici 2.1. Na

ovaj način, mogu se dobiti slijedeće efikasnosti (pokazatelji učina):

• Za KOTAO

,( 4.21 )para para k nB

GORIVO

m h tM GOM

η× − ⋅

=⋅

(5)

• Za SUSTAV DISTRIBUCIJE PARE

, ,1

N

p n p nn

DPpara para

m h

m hη =

⋅=

⋅

∑ (6)

• Za SUSTAV POVRATA KONDENZATA

, ,1

4.21

4.21 4.21

PK PKPK N

ZV ZV k nn

m t

m t mη

=

⋅ ⋅=

⋅ ⋅ + ⋅ ⋅∑ k nt

(7)

gdje je:

mpara = maseni protok pare, [t/h]; hpara = entalpija pare, [kJ/kg]; mPK = maseni protok kondenzata, [t/h]; tPK = temperature kondenzata, [oC]; mZV = maseni protok zamjenske vode, [t/h]; tZV = temperature zamjenske vode, [oC].

8

4.1. Cijena pare  Dobro je poznato da uvođenje planiranih tehničkih i pogonskih poboljšanja u konačnici ovisi o

ekonomskim faktorima. Zahtijeva se određivanje troškova i korisnosti (ušteda) predloženih promjena. Glavni faktor u procjenjivanju su cijena goriva i cijena onoga što se gorivom proizvodi. Cijena tone pare je važan pokazatelj učina parnog sustava. Najbolji način da se to odredi je kontinuirano mjerenje proizvodnje pare i potrošnje goriva. Ako su ovi podaci dostupni, cijena po toni pare je:

( ) [ $ /( )

G

P

M JCCP US tm

]ττ⋅

= (8)

gdje je: CP = cijena po toni pare, [US$/t] MG(τ) = protok goriva, [l/h, kg/h, nm3/h, itd.] JC = jedinična cijena goriva, [US$/l, US$/kg, US$/nm3 itd.] mP(τ) = protok pare isporučen u proces, [t/h]

Tipično, cijena goriva je poznata iz računa za gorivo. Ona predstavlja stvarnu cijenu goriva jer uključuje i troškove transporta, porez, itd. Drugi važan parametar su svojstva goriva. Većina goriva imaju stalna svojstva i isporučuju se temeljem određenih specifikacija. Druga česta goriva se isporučuju s određenim tolerancijama.

Troškovi električne energije u kotlovnici su mali u odnosu na trošak goriva, a većinom ih stvaraju ventilatori i pumpe. Dodatno, troškovi tretiranja pojne vode u kotlovima također pridonose troškovima pare. Proračun jedinične cijene energije raznih goriva prikazat ćemo na primjeru tvornice biljnih ulja (tablica 2.2) Cijene goriva proračunate su temeljem mjesečnih računa i ukupne izmjerene mjesečne potrošnje.

Tablica 2.2: Primjer prosječnih cijena goriva (primjer iz 2002. godine)

Prirodni plin Donja ogrjevna moć (DOM) MJ/nm3 35.71 Gornja ogrjevna moć (GOM) MJ/nm3 39.74 Gustoća (15oC; 1.013 bar) kg/m3 0.692 Jedinična cijena US$/nm3 0.1923 Jedinična cijena (temeljem GOM) US$/kWh 0.0174

Teško loživo ulje Donja ogrjevna moć (DOM) MJ/kg 40.03 Gornja ogrjevna moć (GOM) MJ/kg 42.59 Gustoća (15oC; 1.013 bar) kg/l 0.95 Jedinična cijena US$/l 0.2076 Jedinična cijena (temeljem GOM) US$/kWh 0.0185

Smeđi ugljen (sušeni) Donja ogrjevna moć (DOM) MJ/kg 31.20 Gornja ogrjevna moć (GOM) MJ/kg 32.11 Gustoća (15oC; 1.013 bar) kg/m3 - Jedinična cijena US$/kg 0.0698 Jedinična cijena (temeljem GOM) US$/kWh 0.0078

Sjemenke suncokreta Donja ogrjevna moć (DOM) MJ/kg 15.91 Gornja ogrjevna moć (GOM) MJ/kg 16.93 Gustoća (15oC; 1.013 bar) kg/m3 - Jedinična cijena US$/kg 0.0252 Jedinična cijena (temeljem GOM) US$/kWh 0.0054

9

Otpad iz silosa Donja ogrjevna moć (DOM) MJ/kg 10.00 Gornja ogrjevna moć (GOM) MJ/kg 10.64 Gustoća (15oC; 1.013 bar) kg/m3 Jedinična cijena US$ /kg 0.0100 Jedinična cijena (temeljem GOM) US$/kWh 0.0034

Jedinične cijene energije po kWh za sve korištene nositelje energije u ovoj tvornici, kao i cijene

električne energije, prikazani su na slici 2.2.

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Električna Prirodni plin Loživo ulje Smeđi ugljen

Suncokretove sjemenke

Otpad iz silosa

Cijene se baziraju na gornjoj ogrjevnoj moći

Slika 2.2: Primjer jedinične cijene energije

Godišnja potrošnja primarne toplinske energije u tvornici u ovom primjeru je 147,348 MWh. Većina ove energije se koristi za godišnju proizvodnju pare od 63,206 t. Dodatne male količine prirodnog plina (samo 2.6%) koriste se za strojeve za sušenje. Koristeći gore spomenute jedinične cijene i poznate udjele pojedinih nositelja energije u proizvodnji pare, ukupna cijena energije za proizvodnju pare je 1,906,566 US$. Efikasnost energetske transformacije je implicitno ugrađena u proizvedenu paru. Održavanje, rad i drugi vezani troškovi proizvodnje pare nisu uključeni u ovaj iznos. Sada, jedinična cijena pare, za dani primjer, glasi:

1,906,566 30.2 [ $ / ]

63, 206ParaC U= = S t (9)

Vrijednost jediničnih troškova pare je praktični pokazatelj učina. Drugi pokazatelji učina mogu

biti učinkovitost kotla, specifična potrošnja pare po jedinici proizvoda i ostali, koji će biti opisani kasnije.

5. Principi analize učina 

Energetski učin parnog sustava moraju se procijeniti analizom svih komponenti sustava. Slika 2.3 prikazuje sustavni pristup analizama performansi parnog sustava. Postoje neke aktivnosti u ovim procedurama koje su zajedničke za sve komponente, ali jedna od njih mora se posebno naglasiti. To je mjerenje na lokaciji, koje mora biti pažljivo pripremljeno, provedeno i o njemu napisano izvješće.

10

KOTLOVIA DISTRIBUCIJAB KRAJNJI POTROŠAČID

A.1 Fizički pregled

A.5 Operativna procedura i sustav regulacije

A.6 Mjerenja

A.2 Nazivni podaci kotla

A.3 Prikupljanje podataka

A.7 Tehnički proračuni

A.8 Mjere ušteda energije

A.9 Analiza isplativosti

A.10 Plan implementacije

B.1 Fizički pregled

B.4 Ispust pare i prozračivanje

B.5 Ispusti

B.2 Shema distribucijskog sustava

B.3 Veličina cijevi

B.6 Izolacija

B.7 Mjere ušteda energije

B.8 Analiza isplativosti

B.9 Plan implementacije

D.1 Fizički pregled

Operativne procedure

D.4 Mjerenja

D.2 Nazivni podaci krajnjih potrošača

D.3

D.5 Tehnički proračuni

D.6 Mjere ušteda energije

D.7 Analiza isplativosti

D.8 Plan implementacije

UKUPNI REZULTATI

A.4 Shema kotlovnice

KONDENZATC

C.1 Fizički pregled

Para

C.4 Mjerenja

C.2 Količina povratnog kondenzata

C.3

C.5 Tehnički proračuni

C.6 Mjere ušteda energije

C.7 Analiza isplativosti

C.8 Plana implementacije

Slika 2.3: Procedure analize učina parnog sustava

Predlažemo slijedeće korake u analizi parnog sustava:

Korak 1: određivanje ili procjena troškova goriva i drugih troškova vezanih za pogon parnog sustava i analiza organizacije proizvodnog procesa prema potrošnji pare.

Korak 2: Istraživanje pogona kotla. Ova analiza mora biti usredotočena na procjenjivanje efikasnosti pretvorbe goriva u paru unutar kotla. Mora se temeljiti na postojećim podacima iz dnevnih pogonskih zapisnika i provedenih dodatnih mjerenja pogona kotla.

Korak 3: Mjerenje, proračun ili procjena potrošnje pare krajnjih korisnika i istraživanje pogonske prakse svakog krajnjeg korisnika.

Korak 4: Istraživanje energetskih gubitaka kroz distribucijski sustav. Korak 5: Istraživanje povrata kondenzata.

Predloženi pristup može se promijeniti i primijeniti na način koji je najprikladniji za pojedini

parni sustav. Analiza može biti provedena simultano za sve komponente sustava ili počevši od bilo koje od njih, ali svi zaključci, preporuke i implementacija moraju biti usklađeni kako bi se procijenile performanse cjelokupnog parnog sustava.

11

5.1. Mogućnosti za poboljšanje učina  Tijekom pripreme za analizu učina parnog sustava, korisno je imati na umu i potencijalne

mogućnosti poboljšanja učina. Analiza se treba voditi imajući to na umu i koristeći potencijalne mogućnosti kao listu provjere tijekom fizičkog pregleda postrojenja. Najčešće mogućnosti za poboljšanja prikazana su u tablici 2.3. Ova tablica prikazuje mogućnosti za uštede energije za kotlove, parne distribucijske sustave i sustav povrata kondenzata. Krajnji korisnici nisu dio ove tablice. Zbog njihove raznolikosti i specifičnosti, treba ih analizirati odvojeno.

Tablica 2.3: Najčešće mogućnosti za poboljšanje performansi industrijskih parnih sustava (Implementacija svih prikazanih tehnika i mjera ne vodi kumulativnim energetskim uštedama)

Tehnika ili metoda Opis

Mogućnost poboljšanja energetske efikasnosti važne za trenutnu potrošnju

11. Pogonski postupci i održavanje kotlova

Kada se koristi više od jednog kotla u pogonu, treba se analizirati redoslijed upravljanja. Održavanje mora biti potpuno usklađeno sa preporukama proizvođača opreme. Optimizacija brzine odzračivanja će smanjiti gubitak pare. Sustavi za praćenje trebaju pokriti sve relevantne pokazatelje učina (brzine protoka goriva i pare, profil opterećenja svakog kotla, tlak pare, kvaliteta vode, itd.)

≤ 5%

22. Tretiranje vode i kondicioniranje vode u kotlu

Smanjivanje ukupne količine otopljenih čvrstih tvari u vodi kotla omogućava manje odmuljivanje i stoga manje gubitke energije. ≤ 2%

33. Upravljanje svim otopljenim tvarima i odmuljivanjem

Poželjno je automatsko upravljanje koje dugoročno može zaštiti kotao od neželjenog podizanja razine vode ≤ 2%

44. Rekuperacija topline odmuljivanja

Prijenos dostupne toplinske energije u toku odmuljivanja natrag u sustav smanjuje energetske gubitke.

≤ 4%

55. Rekuperacija otparaka Rekuperacija dostupne niskotlačne pare za predgrijavanje pojne vode. ≤ 2%

66.

Sustavi upravljanja kotlom i plamenikom, digitalna regulacija sagorijevanja i smanjivanje kisika

Ova mjera je od posebne važnosti za kotlove koji funkcioniraju sa promjenjivim opterećenjem. Primjena ove mjere je često izravno vezana za slijedeću mjeru; ≤ 5%

77. Motori s promjenjivom brzinom za ventilatore plamenika

Ova tehnika može smanjiti potrošnju električne energije kotla. -

88. Ekonomizatori Rekuperacija topline izlaznih plinova i povratni prijenos natrag u sustav predgrijavanjem pojne vode

≤ 5%

99. Predgrijavanje zraka za spaljivanje

Rekuperacija topline iz izlaznih plinova i povratni prijenos natrag u sustav predgrijavanjem zraka za spaljivanje. Ova mjera može biti implementirana zajedno sa prethodnom

≤ 2%

110. Poboljšanja sustava distribucije vodene pare

Cijevi, ventili, spojnice i posude parnog sustava moraju biti dobro izolirani. Potrebno je: • Implementirati učinkovit program održavanja ventila. • Izolirati paru od nekorištenih linija. • Popraviti mjesta ispuštanja pare. • Smanjiti ventiliranu paru.

≤ 10%

111. Povećanje povrata kondenzata

Rekuperacija toplinske energije u kondenzatu i smanjivanje količine zamjenske vode koja se dodaje u sustav štedi energiju i kemikalije za tretiranje vode. Može se koristiti visokotlačni kondenzat da bi se proizvela

≤ 10%

12

niskotlačna para i na taj način se može rekuperirati i energija u povratnom kondenzatu.

112. Tlak pare Podešavanjem pritiska pare sa minimalnim potrebama krajnjih potrošača.

≤ 2%

Tablica 2.3 prikazuje i procijenjene vrijednosti mogućih učinaka poboljšanja performansi.

Naravno, spomenuti postotci se ne zbrajaju i predstavljaju samo pojedinačne potencijale za uštedu energije. Primjerice, poboljšanja tretiranja vode će automatski smanjiti gubitak odmuljivanja kotla. Većina gore navedenih tehnika ili metoda za poboljšanje energetskih performansi u tablici 2.3 se odnosi na kotlove. To je uobičajeno obzirom da se osnovne energetske transformacije događaju u kotlu.

5.2. Primjer 1: Analiza energetskog učina parnog sustava  Razmotrimo slijedeći stvarni primjer. Grupa krajnjih potrošača troši ukupno 5.34 t/h zasićene

pare pod tlakom od 6.2 bara. Srednja temperatura kondenzata nakon završenog proizvodnog procesa je 85 oC. Sve vrijednosti su mjerene unutar programa mjerenja. Procjenjuje se da je ukupan gubitak pare svih krajnjih potrošača oko 10%. S ovim zadanim vrijednostima možemo izračunati ukupni utrošak topline kako slijedi:

, , ,1000 1000 4.21 3631.01 [ / ] [ ]3600 3600UK p UK para k UK k UKE m h m t kJ s ili kW= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = (10)

Ovo je stvarna potrošnja energije, koja u kombinaciji sa volumenom proizvodnje čini pokazatelj koji je osnova za praćenje učina.

U promatranom primjeru koristi se teško loživo ulje (engl. heavy fuel oil, HFO) a ukupna potrošnja u istom vremenu kao i izračunata potrošnja topline je 0.1145 kg/s. GOM teškog loživog ulja je 42.0 MJ/kg. Sada slijedi:

3613.01 0.7513 (75.13%)0.1145 42000PSη = =

⋅ (11)

Ovi rezultati pokazuju da je od ukupne dostupne primarne energije goriva 75.13% pretvoreno u toplinsku energiju kako bi se proveo proizvodni proces. Preostali dio do 100%, odnosno 24.87%, su gubici. Upravo taj dio energije predmet je gospodarenja energijom.

Efikasnost iskorištavanja energije u kotlu u ovom primjeru određena je temeljem nezavisnog testa kojim je određeno da iznosi 82.93%. Koristeći ovu vrijednosti i jednadžbu (5), možemo odrediti proizvedenu zasićenu paru na izlazu iz kotla:

0.8293 0.1145 42000 3600 5.61 [ / ]4.21 2759.2 4.21 47.21 1000

B GORIVOpara

para pv

M GCVm t hh t

η ⋅ ⋅ ⋅ ⋅= = ⋅ =

− ⋅ − ⋅ (12)

Imajući ovaj podatak moguće je odrediti efikasnost sustava distribucije pare korištenjem jednadžbe (6):

3613.01 0.9519 (95.19%)DPη = = (13) 10005.61 2757.8

3600⋅ ⋅

Ako se protok pojne vode ne mjeri izravno, može se procijeniti temeljem poznatog toka ili

odmuljivanja i temeljem procijenjenih gubitaka sustava distribucije pare. Ovi maseni (i toplinski) gubici se obično izražavaju u postotcima proizvedene zasićene pare (msteam). U našem slučaju, ove vrijednosti se procjenjuju temeljem pregleda instalacija i određivanja kvalitete vode. Stoga, procijenjeno je slijedeće:

13

x = 5% - udio pojne vode koji se gubi kao odmuljivanje y = 5% - udio ukupne pare koji se gubi zbog ispusta i neispravnih odvajača kondenzata u

sustavu distribucije pare. Temeljem ovih vrijednosti i poznate proizvodnje pare (jednadžba (10)), može se izračunati

maseni protok zamjenske vode: 5 5(1 ) 1 5.61 6.17 [ / ]

100 100pv param x y m t⎛ ⎞= + + ⋅ = + + ⋅ =⎜ ⎟⎝ ⎠

h (14)

Nakon prolaska kroz krajnje korisnike, para se kondenzira i ulazi u podsustav povrata kondenzata (vidi sliku 2.1). Mjerenjem temperature kondenzata na ulazu u podsustav u primjeru izmjereno je 82 oC. Protok kondenzata je 4.81 t/h (=0.1·5.34) ali oko 50% ovog kondenzata se ne vraća jer su krajnji potrošači daleko od kotlovnice, čime je objašnjeno zašto se kondenzat jednostavno ispušta u kanalizaciju.

Znajući da je temperatura zamjenske vode 25 oC, i korištenjem jednadžbe (7), efikasnost podsustava povrata kondenzata je:

%)20.39(3920.08521.481.42521.476.3

8221.481.45.0CR =

⋅⋅+⋅⋅⋅⋅⋅

=η (15)

Niska efikasnost ovog podsustava je izravna posljedica velikih količina kondenzata koji se odbacuje. Zato je potrebna opskrba zamjenskom vodom relativno niske temperature također velika.

Temperatura zamjenske vode se određuje temeljem jednostavne energetske bilance toka ulazne i izlazne pojne vode (vidi sliku 2.1). Može se izvesti slijedeća jednadžba:

]C[21.472517.640.2182

17.640.2t

mm1t

mmt o

MUFW

CRCR

FW

CRFW =⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+⋅=⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⋅= (16)

Sada su određeni svi pokazatelji energetskog učina za odvojene sustave prikazane na slici 2.1 kao i zajednički pokazatelj energetskog učina cijelog parnog sustava.

Tablica 2.4 pruža cjelovit proračun ovih pokazatelja u stupcu 4. Vrijednosti u redcima 1 do 7 su parametri koji utječu na učin i koji bi se trebali i morali kontrolirati. Vrijednosti u redcima 8 do 11 i 15 su konstante za ovaj primjer.

Stupac 5 prikazuje proračun poboljšanih pogonskih parametara sustava. Gubitak pare i kondenzata je smanjen kod krajnjih korisnika sa 10% na 5% popravljanjem nekih ispusta pare i nekoliko odvajača kondenzata koji su bili neispravni i koji su ispuštali paru. Izoliranjem nekoliko neizoliranih dijelova, moguće je povećati temperaturu kondenzata sa 82 na 83 oC. Postotak povratnog kondenzata može se povećati sa sadašnjih 50% na 75%. Efikasnost kotla može se povećati sa 82.93 na 86% podešavanjem sadržaja O2 i čišćenjem površina za izmjenjivanje topline. Kvaliteta vode u kotlu nije zadovoljavajuća i stvorila je onečišćenja na površinama za izmjenu topline na strani vode. Poboljšanje kvalitete zamjenske vode uklonit će posljedice gubitaka na strani vode i također će smanjiti odmuljivanje vode sa 5 na 3%. Jednako vrijedi i u slučaju gubitka pare i kondenzata, gdje su uočeni slični pogonski nedostatci podsustava distribucije pare. Procjena je da će se jednostavnim mjerama doći do smanjenja gubitka pare sa 5 na 3%.

Ponovljeni proračun za promijenjene parametre (stupac 5) prikazuje povećani stupanj efikasnosti parnog sustava od 75.13 na 81.29%, što znači da relativno jednostavne mjere mogu znatno poboljšati performanse parnog sustava i njegovu ukupnu energetsku efikasnost.

14

Tablica 2.4: Proračun pokazatelja energetskih performansi (primjer) Opis Jedinica SADA NOVO 2 3 4 5

Utjecajni faktori 1 Gubitak pare i kondenzata kod krajnjih potrošača % 10 5 2 tC,EU oC 85 85 3 tCR < tC,EU oC 82 83 4 Postotak povrata kondenzata % 50 75 5 ηKotao (zadano) % 82.93 86 6 X (odmuljivanje) % 5 3 7 Y (gubitak pare u distribucijskom sustavu) % 5 3

KRAJNJI POTROŠAČI 8 ms,EU t/h 5.34 5.34 9 Ppara bar 6.20 6.20

10 tpara oC 160.14 160.14 11 hpara kJ/kg 2757.80 2757.80 12 mc,EU t/h 4.81 5.07 13 ∆QEU kJ/s 3613.01 3586.47 ZAMJENSKA VODA 14 tMU oC 25 25

KOTAO 15 GCV MJ/kg 43.9 43.9 16 Mgorivo kg/s 0.1145 0.1054 17 ppara bar 6.4 6.4 18 tpara oC 161.39 161.39 19 hpara kJ/kg 2759.2 2759.2 20 mpara t/h 5.58 5.50

POVRAT KONDENZATA 21 mPV t/h 6.17 5.83 22 mPK t/h 2.40 3.80 23 mMU t/h 3.76 2.03 24 tPV oC 47.71 62.85 25 ηPK % 39.20 62.85 DISTRIBUCIJA PARE

26 ηDP % 95.19 97.04 PARNI SUSTAV 27 ηPS % 75.13 81.29

6. Sustavi distribucije pare i povrata kondenzata 

Ranije opisani primjer pokazuje da su mogući znatni gubici u sustavima distribucije pare i povrata kondenzata i stoga smanjivanje gubitaka može značajno doprinijeti poboljšanju performansi parnog sustava. Razmotrimo detaljnije ova pitanja i procjene potencijala sustava distribucije pare i povrata kondenzata.

6.1. Analiza performansi sustava distribucije pare  U praksi, opće prihvaćeni pokazatelj za ocjenu učina sustava distribucije pare ne postoji.

Procjena učina se svodi na individualnu analizu stanja izolacije, ispusta i funkcionalnosti parnih ventila. Međutim, najtočniji način definiranja učina sustava distribucije pare je kroz povezanost ukupno isporučene energije pare i energije transformirane u paru i isporučene u distribucijski sistem iz kotlovnice (vidi sliku 2.1). Drugim riječima, efikasnost sustava distribucije pare može se procijeniti kako slijedi:

15

, ,1

N

P n P nn

DPPara Para

m h

m hη =

⋅=

⋅

∑ (58)

gdje je: ηDP = efikasnost sustava distribucije pare, [-] mPara = maseni protok pare koja ulazi u sustav distribucije pare, [kg/s] hPara = entalpija pare koja ulazi u sustav distribucije pare, [kJ/kg] mP,n = maseni protok pare n-tog (od N) krajnjih potrošača, [kg/s] hP,n = entalpija pare i-tog (od N) krajnjih potrošača, [kJ/kg]

Ukupni tok zasićene pare koji ulazi u distribucijski sustav je 10 t/h i tlak je 12 bara. U sustavu će

se dogoditi neizbježan pad tlaka, kao i kondenzacija malih količina pare zbog pada tlaka i toplinskih gubitaka. Proizvedeni kondenzat se obično odvaja na određenim točkama pri čemu može doći i do gubitka pare zbog nekontroliranog ispuštanja kroz neželjene pukotine. Pri izlasku iz sustava, na granici prema krajnjim korisnicima, zasićena para ima niži tlak i protok od pare koja je ušla u sustav. Slika 2.28 prikazuje da pad tlaka ima vrlo malo utjecaja na efikasnost. Međutim, smanjenje masenog protoka pare može ozbiljno ugroziti efikasnost. Stoga, gubitak od nekih 10% masenog protoka pare (za dani primjer) koji se pojavio zbog ispuštanja i/ili kondenzacije može smanjiti efikasnost sustava za oko 10%.

Efik

asno

st s

usta

va d

istr

ibuc

ije p

are

[%]

Slika 2.28: Efikasnost sustava distribucije pare u ovisnosti o tlaku kod krajnjih potrošača

6.2. Faktori koji utječu na učin sustava za distribuciju pare 

Tipični gubici sustava distribucije pare su kako slijedi: - Ispusti pare - Toplinski gubici kroz izolaciju - Gubitak kondenzata - Gubitak otparka

Ovi gubici se mogu lako pratiti i trebaju biti jedan od prioriteta gospodarenja energijom. Pravilnim održavanjem mogu biti smanjeni na minimum.

16

6.2.1. Ispuštanja pare  Smanjivanje ispuštanja pare je važno područje za potencijalne uštede u industrijskim pogonima.

Postoje dva glavna tipa kvarova koji rezultiraju ispuštanjima pare: (1) kvarovi odvajača kondenzata (2) kvarovi ventila, prirubnica i cijevi.

Međutim, gubitak pare zbog ispuštanja je teško ustanoviti. Jedna od mnogih metoda

procjenjivanja toplinskih gubitaka zbog ispuštanja pare temelji se na procjeni veličine pukotine i prikazana je na slici 2.29. Ovaj dijagram treba koristiti samo kao grubu kvantifikaciju ispuštanja pare. No, korištenjem ovog i sličnih dijagrama ili analitičkih procjena mogu se dobiti dovoljno pouzdani podaci za procjenu gubitaka i definiranje strategija za smanjivanje i uklanjanje istih.

Slika 2.30: Toplinski gubici u ovisnosti o pukotinama (Toplinski gubici se računaju za temeljem 8750 radnih sati godišnje)

6.2.2. Izolacija  Određivanje energije izgubljene zbog neizolirane ili slabo izolirane opreme pružit će osnovu za

određivanje opsežnosti projekta poboljšanja izolacije. Glavni faktori koji utječu na gubitke su: - Temperatura procesnog fluida - Temperatura okoliša - Površina izložena izmjenjivanju topline

Razvijene su tablice i dijagrami za tipičnu strukturu horizontalnih i vertikalnih kotlova, ventila i

prirubnica. Te tablice i dijagrami omogućavaju jednostavno procjenjivanje toplinskih gubitaka. Jedan primjer je tablični prikaz toplinskih gubitaka, koji može biti koristan za procjenjivanje gubitaka, a prikazan je u tablici 2.23. Temperatura površine neizolirane cijevi je oko 75 oC za cijevi kondenzata i oko 150 oC za parovode.

Toplinski gubitak neizoliranog ili izoliranog ventila može se proračunati koristeći praktično pravila da se ovaj toplinski gubitak može aproksimirati sa 1.0 m neizolirane ili izolirane cijevi istog

17

promjera. Slično vrijedi i za prirubnice. Toplinski gubici mogu se aproksimirati sa 0.5 m neizolirane ili izolirane cijevi.

Tablica 2.23 Tipični toplinski gubici parovoda

Toplinski gubitak Tip cijevi Stanje cijevi Jedinica

Para Kondenzat Sve cijevi Dobro izolirano W/m 35 - 130 15 - 35 Ravna površina Dobro izolirano W/m2 180 70 32 mm promjer cijevi Neizolirano W/m 340 110 50 mm promjer cijevi Neizolirano W/m 480 150 65 mm promjer cijevi Neizolirano W/m 580 185 80 mm promjer cijevi Neizolirano W/m 660 210 100 mm promjer cijevi Neizolirano W/m 820 260 125 mm promjer cijevi Neizolirano W/m 960 310 150 mm promjer cijevi Neizolirano W/m 1,150 370 200 mm promjer cijevi Neizolirano W/m 1,500 - Ravna površina Neizolirano W/m2 2,300 700

6.3. Mogućnosti za poboljšanje učina  Općenito, mjere koje se mogu primijeniti na sustav distribucije pare i sustav povrata kondenzata

su tehnički jednostavne i relativno jeftine, i najčešće imaju atraktivan period povrata. Moguće i preporučene mjere ušteda energije u sustavu distribucije pare su kako slijedi:

- Poboljšanje izolacije - Veći povrat kondenzata - Poboljšanje odvajanja kondenzata - Saniranje mjesta ispuštanja pare - Prilagođavanje cijevi - Postavljanje rekuperatora topline kondenzata - Rekuperacija otparka iz kondenzata

Osnovno i najvažnije pravilo kada se gleda kondenzat je osiguravanje najvećeg mogućeg povrata

kondenzata u kotao. To znači korištenje otparka. Toplina sadržana u kondenzatu je znatna (slika 2.30) što je dovoljno uvjerljiv razlog da se vraća u kotao, ako je to ekonomski opravdano.

7. Literatura 

[1] Eastop, T. D., McConkey, A.: Applied Thermodynamics (for Engineering Technologist - S.I. Units), Fifth Edition, ELBS with Longman, 1993.

[2] Eastop, T. D., Croft, D. R.: Energy Efficiency (for Engineers and Technologists), Longman Scientific & Technological, 1990.

[3] Witte, L. C., Schmidt, P. S., Brown, D. R.: Industrial Energy Management and Utilization, Hemisphere Publishing Corporation,1988.

[4] Energy Technology Handbook, editor-in-chief D. M. Considine, McGraw-Hill, 1977. [5] Dukelow, S. G.: The Control of Boilers (Second Edition), Instrument Society of America,

1991.

18

[6] Kaupp, A.: Performance Testing of Industrial Combustion Systems for Efficiency Improvements, Seminar held at King Mongkut's Institute of Technology Thonburi in March, 1997.

[7] Elonka, S. M., Higgins, A.: Standard Boiler Room Questions & Answers, TATA McGraw-Hill Publishing Company, Ltd., New Delhi, 1982.

[8] Elonka, S. M., Kohan, A. L.: Standard Boiler Operators' Questions & Answers, TATA McGraw-Hill Publishing Company, Ltd., New Delhi, 1999.

[9] Good Practice Guide (GPG369): Energy efficiency operation of boilers, 2004, www.actionenergy.org.uk

[10] Fuel Efficiency Booklet No. 1: Energy Audit for Industry, Energy Efficiency Office, 1995. [11] Fuel Efficiency Booklet No. 2: Steam, Energy Efficiency Office, 1993. [12] Fuel Efficiency Booklet No. 8: The Economic Thickness of Insulation for Hot Pipes, Energy

Efficiency Office, 1993. [13] Fuel Efficiency Booklet No. 14: Economic Use of Oil-Fired Boiler Plant, Energy Efficiency

Office, 1984. [14] Fuel Efficiency Booklet No. 15: Economic Use of Gas-Fired Boiler Plant, Energy Efficiency

Office, 1984. [15] Fuel Efficiency Booklet No. 18: Boiler Blowdown, Energy Efficiency Office, 1983. [16] Fuel Efficiency Booklet No. 19: Process Plant Insulation and Efficiency, Energy Efficiency

Office, 1993. [17] Good Practice Guide No. 30: Energy efficient operation of industrial boiler plant, Energy

Efficiency Office, 1993. [18] The Energy Saver (the complete guide to energy efficiency), Gee Publishing Ltd, London,

1994. [19] Perry’s Chemical Engineers’ Handbook (sixth edition), 1984. [20] Energy Efficiency in Steam Systems, Energy Conservation and Efficiency Program (ECEP),

RCG/Haler, Bailly, Inc., Washington, 1990. [21] Good Practice Guide No. 369: Energy efficient operation of boilers, Action Energy, 2004,

www.actionenergy.org.uk [22] Energy Consumption Guide (ECG092): Steam distribution costs, Action Energy, 2004,

www.actionenergy.org.uk [23] Harrell, G., Steam System Survey Guide, www.ntis.gov/support/ordernowabout.htm [24] Improving Steam System Performance (a sourcebook for industry), DOE/GO-102002-1557,

June 2002 [25] The Boiler House, Spirax Sarco, http://www.spiraxsarco.com [26] Boiler Environmental Certification Workbook, Massachusetts Department of Environmental

Protection, www.mass.gov/dep/service/online/boilwbk.pdf [27] Council Directive 84/360/EEC of 28 June 1984 on the combating of air pollution from

industrial plants, www.europa.eu.int [28] COUNCIL DIRECTIVE 96/61/EC of 24 September 1996 concerning integrated pollution

prevention and control, www.eper-prtr.kvvm.hu/docs/96L0061.pdf [29] EN 12953-11: Shell boilers, European Committee for Standardization, 2003 [30] Dockrill, P., Friedrich, F., Boilers and Heaters: Improving Energy Efficiency, Natural

Resources Canada, 2001, http://oee.nrcan.gc.ca [31] Nadaški, M., Gvozdenac, D.: The Frequency Regulation Control System installed at 9.3 MW

Hot - Water Boiler (Case Study), PSU-UNS International Conference 2003: Energy and the Environment, Prince Songkla University, Hat Yai, Thailand, 11-12 December 2003.

[32] Petrović, J, Gvozdenac, D, Perunović, P, Monitoring of the Operating Thermal Performances in Water Heating Boiler - Case Study, in The Euro-Arab Workshop on Energy Conservation in Industry, Vol. 2, edited by D. Gvozdenac, V. Ishchenko, UNDP/UNIDO Project RAB/89/022, 1990.

19

Industrijski električni sustavi 

8. Uvod 

Gotovo 30 do 40% svih konvencionalnih energetskih resursa danas se u svijetu pretvara u električnu energiju (bez uključenih hidroelektrana). Elektroenergetski sustav, koji električnom energijom opskrbljuje krajnje potrošače, može se podijeliti na četiri dijela: proizvodnja, prijenos, distribucija i potrošnja. Slika 3.1 opisuje gubitke vezane za svaki dio termoelektričnog sustava. Gubici su izraženi kao postotak ulazne energije u promatranom dijelu opskrbnog lanca električnom energijom. „Potrošnja“ predstavlja dio ulazne energije (goriva) dostupne u promatranom dijelu opskrbnog lanca. Za tradicionalnu termoelektranu tipično je da tek nešto iznad 30% ulazne energije dolazi do krajnjih potrošača.

GO

RIV

O

Slika 3.1: Elektroenergetski sustav

Stoga, poboljšanja učina na strani potrošnje imaju znatan utjecaj na cjelokupnu

elektroenergetsku industriju. U našim razmatranjima usredotočit ćemo se samo na stranu potrošnje u lancu opskrbe, odnosno učina iskorištavanja električne energije u industrijskom postrojenju. Obradit ćemo pitanja učina iz perspektive industrijskih elektroenergetskih sustava, odnosno pitanja koja su uobičajena kod svih krajnjih potrošača električne energije u industriji.

Sadržaj u ovom poglavlju pisan je s pretpostavkom da čitatelj ima vrlo malo ili nimalo znanja o elektroenergetici, pa tako svatko može proučiti osnovne ideje o načinima poboljšanja učina iskorištavanja električne energije u industrijskom okruženju.

9. Opis industrijskih elektroenergetskih sustava 

U većini slučajeva, industrijski elektroenergetski sustavi počinju na jednom ili više srednjenaponskih transformatora koji se nalaze u pogonu ili neposredno kraj njega. Neke tvrtke mogu

20

biti povezane na električnu mrežu na visokom naponu (110 kV) ili niskom naponu (380 V), a neke mogu imati vlastitu proizvodnju električne energije ili kogeneracijsku jedinicu.

U svakom slučaju, industrijska razdjelna mreža počinje na sabirnicama transformatorske stanice (slika 3.2). Pojni vodovi (obično električni kabeli) će prenijeti električnu energiju u glavne odjele i jedinice tvrtke, gdje će se granati lokalne električne instalacije kako bi dosegle svakog krajnjeg korisnika.

400 A

630 A

225 A

225 A

225 A

F 1

F 2

F 3

F 4

F 5

F 6

F 7

Opskrbljivač električnom energijom

22 kV

Tr. 11250 kVA

22 k

V/40

0/23

0 V

2000 A

ACB

Kotao

Tretiranje vode

Proizvodnja I (staro postrojenje)

Proizvodnja II (staro postrojenje)

Pumpa za vodu

Proizvodnja (novo postrojenje)

Kondenzator 5 x 75 kVAr(Automatski, 5 koraka)

Slika 3.2: Pojednostavljeni jednopolni dijagram industrijskog elektroenergetskog sustava

Preostala oprema u transformatorskoj stanici obično uključuje prekidače, kondenzatore, zaštitne uređaje, osigurače i mjernu instrumentaciju. Osim glavnih brojila, općenito postoje brojila na svakom pojnom vodu koji opskrbljuje odjel ili velikog korisnika. Rijetko su postojeća mjerenja dovoljna da bi pokrila potrebe sustava mjerenja učina onako kako ih određuju energetski troškovni centri. Stoga, potrebna su dodatna pod-mjerenja za određene korisnike ili procese kroz cijelu tvornicu.

10. Osnovni pojmovi 

Kako bi se analizirao učin industrijskih električnih sustava, moramo biti upoznati sa osnovnim konceptima snage i energije, potom dijagramom opterećenja, faktorom opterećenja, vršnom potrošnjom, konceptima radne i jalove energije i faktora snage, te konačno definicije i važnost kvalitete napona.

10.1. Radna i jalova snaga i faktor snage  U elektroenergetskom sustavu postoje dvije komponente snage električne energije. Otpornička

komponenta je realna ili aktivna snaga koja, primjerice, u motorima pretvara električnu energiju u mehaničku energiju i toplinsku energiju u obliku gubitaka motora. Druga komponenta, jalova energija, je uzrokovana induktivnim elementima (poput namota) strojeva.

Ukupna potreba potrošača za električnom snagom sačinjena je od ove dvije komponente, dakle radnog i jalovog dijela. Realni (otpornički) dio potrošača ne može se izravno zbrojiti s jalovim obzirom na faznu razliku od 90 stupnjeva među njima. Čista radna snaga se izražava u watima (W), dok se jalova snaga izražava u voltamper reaktivnima (VAr). Za proračun ukupne potrošnje u voltamperima, potrebno je analizirati trokut snage, prikazan u okviru 3.1.

21

Okvir 3.1: Trokut radne i jalove snage i povezani pojmovi

Snaga simetričnog trofaznog potrošača se može izraziti kao:

3 cos( )

L LSnaga V IWatt Volt Amper Faktor Snage

φ= ⋅ ⋅ ⋅= ×

(1)

gdje je VL i IL linijski napon i struja, dok za jednofazni potrošač radna snaga jednaka:

cosL LSnaga V I φ= ⋅ ⋅ (2) Jalova snaga Q je:

ϕ⋅⋅= sinIVQ LL (3) Radne i jalove snage su povezane u trokut snaga tzv. prividnom snagom S, koja se izražava kao:

222 QPS += (4) Faktor snage se definira kao omjer između radne (P) i jalove snage (S), i također je kosinus kuta

ϕ.

cosPFSS

φ= = (5)

Faktor snage (cos ϕ) može varirati između 0 i 1, ili između 0 i 100%. Kada je cos ϕ = 1

(FS=100%) to je idealan slučaj gdje nema jalove snage, pa stoga ni jalovih gubitaka. Većina opreme koja se koristi u modernoj industriji uzrokuje slab faktor snage (nadalje FS). Jedan od najgorih primjera je slabo opterećen asinkroni motor. Primjeri opreme koja uzrokuje slab FS kao i pripadajući faktori snage slijede:

• Faktor snage 100% ili blizu: sustavi za grijanje koji se koriste u pećima i sušarama imaju FS blizu jedinice.

• Faktor snage 80% ili bolji: električni motori klimatizacijskih uređaja (pravilno dimenzionirani), pumpe i ventilatori

• Faktor snage 60 do 80%: indukcijske peći, standardni uređaji za tisak i strojevi za tkanje • Faktor snage 60% i niže: jednotaktni procesi, automatizirani strojni alati, glodalice,

zavarivači

22

• Faktor snage od 50% je tipičan za rasvjetu: FS većine žarulja sa žarnom niti je jedan. Fluorescentne svjetiljke imaju niski faktor snage, pa im se nekad spajaju kompenzacijski uređaji kako bi se ispravio faktor snage. Živine svjetiljke imaju niski FS; 40-60% su tipične vrijednosti bez kompenzacijskih uređaja.

FS transformatora varira u ovisnosti o opterećenju i dizajnu transformatora. Neopterećeni

transformator je visoko induktivan i stoga ima niski FS. Što je veći kut ϕ, niži je faktor snage. cos ϕ ili faktor snage vrlo je bitan za prijenos i distribuciju

električne energije. Ako je faktor snage „loš“ ili „nizak“ (vrijednosti oko 0.7 ili manje), ukupni gubici u prijenosu i distribuciji se povećavaju. Stoga, faktor snage je jedan od elemenata temeljem kojeg se plaća dodatna naknada ako se troše veće količine jalove snage u postrojenju.

10.2. Dijagram opterećenja  Električnu snagu troši krajnji potrošač kada god je to potrebno. To znači da se opterećenje

sustava stalno mijenja kroz vrijeme. Krivulja koja prikazuje potrebe uređaja za snagom u vremenu, na dnevnoj bazi, poznat je kao dnevni dijagram opterećenja ili profil opterećenja. Ako se varijacije u opterećenju razmatraju kroz jedan tjedan ili mjesec, tada se prikazuju potrebe svih uređaja u tvornici, a koristan je za određivanje karakteristika potrošnje i razumijevanja ekonomije opskrbe električnom energijom. Zapravo, oblik dijagrama opterećenja je izvor velikih stavki na računima za električnu energiju, i osnova za razne tarifne sustave što ćemo objasniti nešto kasnije.

Primjer dijagrama opterećenja prikazan je na slici 3.3. Dijagram opterećenja može imati različite profile ovisno o rasporedu rada. Ako tvrtka radi u 3 smjene, dijagram opterećenja bi bio prilično ravan, dok u slučaju rada u jednoj smjeni postoje uzvišenja i padovi u dijagramu. Slika 3.4. prikazuje tjedni dijagram opterećenja za tvrtku koja radi u 2 smjene, 5 dana u tjednu. Dijagram opterećenja može se prikazivati temeljem mjerene potrošnje za svakih 15 minuta ili u polusatnim intervalima.

Slika 3.3: Tipični dnevni dijagram opterećenja

23

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Vrijeme [h] Slika 3.4: Primjer tjednog dijagrama opterećenja (5 dana tjedno, pogon u dvije smjene)

10.3. Vršna potrošnja  Na slici 3.3 može se vidjeti nekoliko vrhunaca kroz promatrane intervale, ali uvijek postoji jedan

najviši vrhunac na dijagramu opterećenja, koji odgovara maksimalnom opterećenju sustava opskrbe električne energije. Ova maksimalna potrošnja se naziva i vršna potrošnja. Kod svakog industrijskog potrošača, vršna opterećenja se mjere a potrošačima naplaćuju tzv. „vršne pristojbe“, koje se temelje na najvišoj prosječnoj zabilježenoj snazi kroz 15 (ponekad 30) minutni interval u mjesecu.

10.4. Snaga i energija  Pojmovi snage i tereta su u osnovi sinonimi, koji se razlikuju samo o točki gledišta, pa tako se

pod „teret“ misli na potrošnju a „snaga“ na opskrbu. Jedinica u oba slučaja je watt [W] koji ima odgovarajući prefiks „k=kilo“ ili „M=mega“, označavajući 1,000 ili 1,000,000 watta. Električni motor kapaciteta npr. 10 kW predstavlja opterećenje opskrbi od 10 kW a potrebno mu je osigurati priključak snage 10 kW za rad. Ovaj zahtjev prevodi se u dimenzioniranje i postavljanje odgovarajućeg kabela za napajanje i osiguravanja kapaciteta opskrbnog transformatora. Bez obzira da li će motor raditi na punom kapacitetu cijelo vrijeme, dio vremena ili uopće, instalacija mora biti dimenzionirana na punu snagu povezanog uređaja.

Priključna snaga uređaja predstavlja kapacitet uređaja da vrši rad. Samo kada je stvarno u pogonu, uređaj isporučuje koristan rad i koristi energiju dokle god je u pogonu. Odavde dolazi glavna razlika između snage (P) i energije (W), a razlika je u pogonskom „vremenu“ (t):

[ ] [W P Watt t sat= ⋅ ] (6)

Jedinica za električnu energiju je watt-sat, što obično dolazi sa prefiksom „kilo“ ili „mega“, kako

smo već rekli, a zapisuje se poznatim kWh ili MWh.

24

10.5. Faktor opterećenja  Faktor opterećenja je omjer prosječnog opterećenja i maksimalnog opterećenja opskrbnog

sustava. Prosječno opterećenje sustava može se odrediti temeljem ukupno potrošene energije kroz promatrani period vremena. Omjer potrošene energije i ukupnog vremena ja prosječno opterećenje sustava. Faktor opterećenja također se može definirati i kao omjer potrošene energije tijekom određenog perioda i energije koja bi se potrošila da se kroz isti period održavalo maksimalno opterećenje.

Prosječno opterećenje Energija potrošena tijekom perioda

Maksimalnoopterećenje Maksimalna potrošnja Razmatrano vrijemeFaktor opterećenja = =

× (7)

Ako je nazivna (maksimalna) potrošnja potrošača jednaka njegovoj prosječnoj potrošnji, faktor

opterećenja je 100% jer potrošač koristi ukupni instalirani kapacitet cijelo vrijeme. To gotovo nikad nije slučaj. Međutim, ako je prosječna potrošnja manje od maksimalne potrošnje, faktor opterećenja je manji od 100% a ukupni troškovi za energiju će biti veći. Što je faktor opterećenja niži, to je veća ukupna cijena električne energije.

Primjer dijagrama opterećenja postrojenja koje radi u 3 smjene prikazan je na slici 3.5. Ovdje se faktor opterećenja računa na slijedeći način:

Prosječno opterećenje 63.8100% 100% 58.2%Maksimalna potrošnja 109.7

FS = × = × = (8)

To je primjer lošeg faktora opterećenja.

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47

Opt

ereć

enje

[kW

]

Slika 3.5: Dijagram opterećenja bez regulacije potrošnje

10.6. Kvaliteta napona  Kvaliteta napona je sve važnije pitanje za potrošače na svim razinama korištenja zbog sve

osjetljivije opreme koja se koristi u industrijskom okruženju. Pojave na električnoj mreži koje su

25

nekoć u tvrtkama koje se bave opskrbom električne energije smatrane „normalnima“ danas su problem korisnicima osjetljivije opreme. Zato su određeni međunarodni i nacionalni standardi kvalitete napona1.

Ovi standardi definiraju više kriterija kvalitete i dopuštenih raspona varijacija, poput: i) Podnapona i prenapona ii) Propade napona i nadvišenja iii) Kratke prekide iv) Tranzijente v) Harmonike vi) Flikere vii) Neravnoteže napona viii) Promjene frekvencije

Ponekad, izvor problema je unutar vlastitog elektroenergetskog sustava tvrtke zbog primjerice energetske elektronike, motora s promjenjivim brojem okretaja (engl. variable speed drives), elektroničkih balasta, uređaja s električnim lukom, uklapanja potrošača, itd., no ponekad je loša kvaliteta napona uzrokovana i vanjskom razdjelnom mrežom. Opće posljedice loše kvalitete napona su sažeti u tablici 3.1.

Tablica 3.1: Kvaliteta napona i posljedice

Pojava Učinak Propadi napona Vrijeme zastoja strojeva / procesa, troškovi čišćenja, kvaliteta proizvoda i troškovi popravaka

doprinose tome da je ova vrsta problema najskuplja krajnjem potrošaču. Tranzijenti Kvar komponenti, resetiranje računala, problemi sa radom softvera, kvaliteta proizvoda. Harmonici Zagrijavanje transformatora i neutralnog vodiča koje im skraćuje životni vijek. Audio šum,

smetnje u videoprijenosu, greške u radu softvera, zakazivanje napajanja. Flikeri Vizualna iritacija. Neravnoteža napona Pregrijavanje motora, suvišni gubici, kraći životni vijek izolacije

Posebice za osjetljivu opremu, glavna pitanja su:

• Skraćivanje životnog vijeka opreme, • Trenutni prekid rada opreme, • Kvarovi u opremi koji dovode do grešaka u zapisu podataka, • Smanjena kvaliteta procesa, • Zaustavljanje procesa., • Oštećenje opreme, • Ekonomske štete, • Sigurnosna pitanja.

U kontekstu liberalizacije tržišta električne energije, i konkurentnih opskrbljivača električne energije, pitanje kvalitete napona uobičajeno je određeno ugovorom o isporuci. Stoga, kvalitetu napona treba provjeravati na isti način kao i mjesečni račun za utrošenu energiju, te biti u kontaktu sa opskrbljivačem ukoliko postoje odstupanja od ugovorenog standarda.

11. Tarifni sustav 

Opskrbljivači električne energije prihoduju novac od potrošača kroz račune za utrošenu energiju. Različite metode naplaćivanja se nazivaju tarife. Tarifa treba ispuniti slijedeće ciljeve i zahtjeve:

1. Mora se pokriti trošak kapitalnih investicija u opremu za proizvodnju, prijenos i razdiobu. 2. Moraju se pokriti troškovi pogona, servisa, održavanja i gubitak. 3. Mora se pokriti usluga mjerenja, naplate, prikupljanja podataka i ostale usluge.

1 Za izvrstan vodič i popis standarda posjetite http://www.powerstandards.com/tutor.htm

26

4. Mora se osigurati zadovoljavajući neto povrat na kapitalnu investiciju. 5. Mora postojati mogućnost veće naknade za velike potrošnje u vršnim satima opskrbe. 6. Mora postojati kaznena naknada za niske faktore opterećenja.

Deregulacija električnih tržišta povećava važnost odnosa između opskrbljivača i kupaca. Na strani opskrbe, proizvođači, operatori mreže i opskrbljivači moraju investirati i donositi odluke o cijenama uzimajući u obzir konkurenciju i stvaranje nove vrijednosti za kupca. Na strani potrošnje, potrošači su sve više svjesni mogućnosti za uštede koje proizlaze iz nove fleksibilnosti opskrbe. Zaista, sloboda odabira opskrbljivača stimulira potrošače da traže najbolju ponudu obzirom na svoje specifične potrebe za električnom energijom.

Sektor potrošnje obično se dijeli između povlaštenih kupaca (engl. eligible) i tarifnih kupaca (engl. franchised). Na nekim tržištima, svaki potrošač koji nije kućanstvo se definira kao povlašteni i ima izravan pristup veleprodajnom tržištu električne energije. Krajnji (ili regulirani) kupci mogu potpisivati ugovore sa opskrbljivačima samo u svojem području po određenoj tarifi.

U oba slučaja, naknada za utrošenu energiju temelji se na slijedećim glavnim elementima: • VRŠNO OPTEREĆENJE (potrošnja) [kW] je maksimalno prosječno opterećenje

tijekom 15 (ili 30) minuta u periodu skupih, dnevnih tarifa • POTROŠNJA RADNE SNAGE [kWh] je izmjerena potrošnja energije tijekom

određenog vremena (obično jedan mjesec) • POTROŠNJA JALOVE SNAGE [kVArh] je izmjerena potrošnja jalove energije

potrošene tijekom određenog vremena. Dio potrošnje je besplatan (najčešće do iznosa od 1/3 do 1/2 radne snage);

• VRIJEME KORIŠTENJA odnosi se na promjenjive naknade unutar tarife za energiju i vršnu potrošnju ovisno o satu u danu ili sezoni

• MREŽNE NAKNADE su naknade vezane za prijenosni i razdjelni (distribucijski) sustav koji se na računu prikazuju odvojeno, na liberaliziranim tržištima električne energije.

Specifična cijena električne energije je ekonomski parametar koji se može proračunati i koristiti za objektivnu procjenu efekata mjera poboljšanja učina, uzimajući u obzir sve naknade za energiju prema plaćanju:

Ukupna cijena električne energije $Ukupna potrošnja radne energijeSEE

USCkWh⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦

(9)

Menadžeri za energiju moraju razumjeti osnove temeljem kojih se formiraju njihovi računi za

električnu energiju. Razumijevanje strukture cijene energije je izuzetno važno jer se novčane uštede akumuliraju smanjenjem specifičnih komponenata koje čine račun za električnu energiju. Temeljem takvog razumijevanja, mogu se razviti odgovarajuće strategije za smanjenje i potrošnje električne energije i naknada na računu opskrbljivača. To je posebno važno za planiranje upravljanja opterećenjem.

Danas su tarifne strukture sve kompleksnije, sa raznim opskrbljivačima koji nude brojne „proizvode“ prema karakteristikama, tipovima i veličinama potrošača električne energije. Stoga, većina opskrbljivača pruža uslugu konzultacija kupcima u procesu odabira cijene i uvjeta isporuke koja najbolje odgovara potrebama pojedinog krajnjeg korisnika. Alternativno, mogu se konzultirati nezavisni stručnjaci kako bi pomogli u određivanju optimalne cijene i uvjeta opskrbe električnom energijom, opskrbljivača i proizvod.

Kupovanje električne energije na najnižoj dostupnoj cijeni je definitivno prvi korak u upravljanju učinom industrijskog elektroenergetskog sustava.

27

12. Glavne komponente industrijskih elektroenergetskih sustava 

Iako industrijski elektroenergetski sustav uključuje brojne komponente, sa pogonskog vida upravljanja učinom postrojenja, zapravo su nam zanimljivi još svega njih nekoliko:

i) Transformatori; ii) Kabeli sa kabelskim glavama; iii) Motorni pogoni.

Svi električni strojevi imaju nazivne snage ili kapacitete, stvaraju određene gubitke, bez obzira da li su u pogonu pri punom kapacitetu, ili su tek uključeni i u praznom hodu. važno je naglasiti da su električni strojevi prilično efikasni (tablica 3.2) i vrlo pouzdani, i da se njihov učin ne mijenja mnogo kroz vrijeme. Način na koji se koriste određuje učin iskorištavanja električne energije

Tablica 3.2: Električni gubici tipičnih komponenata elektroenergetskog sustava

Komponenta Energetski gubici [%] Transformatori 0.40 – 1.90 Kabeli 1.00 - 4.00 Motori: 0.8-8 kW 14.0 - 35.0 8-150 kW 6.0 - 12.0 150-1100 kW 4.0 - 7.0 1100 kW 2.3 - 4.5

12.1. Transformatori Primjerice, čest je slučaj da tvornica ima 2 (ili više) transformatora instaliranih kao rezerva ili

kao kapacitet za buduća povećanja. Samo jedan transformator ima dovoljan kapacitet opskrbljivati postojeću potrošnju, ali često oba rade na djelomičnom opterećenju. Za transformator od 1000 kVA prosječni gubici (ovisno o opterećenju) mogu iznositi 10 kW, pa ako je transformator u pogonu cijelu godinu (8700 h), ukupni gubici iznose 87,000 kWh/god. Ovi gubici mogu se izbjeći jednostavnim isključivanjem jednog transformatora i korištenjem samo jednog umjesto oba.

12.2. Kabeli Nazivni kapacitet za dani kabel je iznos struje koji može podnijeti pod određenim uvjetima

(temperatura okoliša) bez pregrijavanja ili ozbiljnog utjecanja (smanjivanja) na životni vijek izolacije. Općenito, kabeli se dimenzioniraju razmatrajući električnu struju i pad napona. Kabelski gubici se uvijek mogu smanjiti odabirom većeg kabela sa širim presjekom, pošto se otpor kabela mijenja inverzno sa površinom presjeka. Gubici se mogu smanjiti ali na račun povećanja investicijskih troškova kabela.

12.3. Električni motori U tipičnom industrijskom postrojenju, motori se koriste na raznim mjestima. Primjerice, za

stvaranje komprimiranog zraka, hlađenje vode ili protok vode, ventilaciju, hlađenje i transport. Prosječno industrijsko postrojenje može sadržavati doslovno stotine motora, a njihova kolektivna potrošnja energija može iznositi i do tri četvrtine svih troškova za električnu energiju, dok samo pumpe i ventilatori mogu zauzimati oko 2/3 od tog iznosa.

Električni motori mogu se podijeliti na jednofazne i trofazne. Jednofazni motori su većinom snage ispod 1 kW. Često su asinkronog tipa za razne primjene poput ventilatora, malih pumpi, kompresora i uredske opreme. Trofazni motori su dostupni za snage 1 kW i veće, i obično su asinkroni. Električni motori uvijek pogone neki mehanički uređaj i funkcioniraju kao dio procesa:

a. Pumpe i ventilatori za klimatizacijsko postrojenje b. Kompresori rashladnog postrojenja

28

c. Pumpe postrojenja za pročišćavanje d. Dizala i prenosila, liftovi i druge industrijske primjene e. Zračni kompresori f. Transportne trake, itd.

Gubici električnih motora sastoje se od dvije komponente: varijabilni gubici, koji ovise o opterećenju i konstantnog dijela. Njihovi udjeli su oko 70% za varijabilne i 30% za konstantnu komponentu, što vrijedi za puno opterećenje. Slika 3.6 daje pregled gubitaka koji se pojavljuju u statoru i rotoru asinkronog (indukcijskog) električnog motora.

KO

NST

AN

TNI G

UB

ICI

VAR

IJA

BIL

NI G

UB

ICI

Slika 3.6: Gubici u asinkronom (indukcijskom) električnom motoru

Visokoefikasni motori su motori poboljšane efikasnosti, obično u rasponu od 0.5 do 1.5% uz

povećanje cijene od oko 15 do 25%. Poboljšanje efikasnosti postiže se većim korištenjem pločastog čelika, povećanom dužinom jezgre, korištenjem više bakra u namotima statora i rotorskim šipkama te mjerama strože kontrole kvalitete. Tipične efikasnosti standardnog motora i visokoefikasnog motora prikazane su na slici 3.7.

29

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

25 50 75 1000

Opterećenje [%]

Visokoefikasni motor

Standardni motor

Slika 3.7: Efikasnost standardnog i visokoefikasnog motora

Pod određenim pogonskim uvjetima, električni motor koji pogoni pumpe ili ventilatore će trošiti

električnu energiju svake godine u iznosu koji je 10 puta veći od vlastitih kapitalnih troškova. Iz ovog razloga, dodatni trošak efikasnijeg motora može se brzo vratiti, a uzevši u obzir dug životni vijek većine motora, poboljšanja efikasnosti mogu se akumulirati u ogromne uštede tijekom 10 do 15 godina koliko će biti u pogonu.

Efikasnost procesa pogonjenog motorima ovisi o nekoliko faktora koji mogu uključivati: • Efikasnost motora • Regulaciju brzine motora • Pravilno dimenzioniranje • Kvalitetu napona • Distribucijske gubitke • Prijenos • Održavanje • Mehanička efikasnost krajnjeg korištenja (pumpa, ventilator, itd.)

Predimenzioniranje električnih motora je čest problem koji varira od industrije do industrije i od primjene do primjene. Općenito, iskustvo pokazuje da su prosječni tereti samo 65% nazivne snage motora ili projektiranih vrijednosti. U mnogim slučajevima, korisnici nemaju utjecaja na snagu motora jer je motor isporučen zajedno s opremom. Dobavljači opreme obično uzimaju u obzir najgore mogućnosti za pogon opreme i u skladu s tim predimenzioniraju i same motore.

Posljedično, znatno predimenzionirani motor ima nižu efikasnost i faktor snage (slika 3.8) od nazivnog tereta. Možemo vidjeti da je efikasnost otprilike konstantna i bliska maksimumu do oko 75% punog tereta i pada za 5% pri 50% opterećenja. Pri opterećenjima manjima od 50% efikasnost se dramatično smanjuje.

30

Efik

asno

st [%

]

Fakt

or s

nage

Slika 3.8: Odnos efikasnost i faktora snage u odnosu na opterećenje motora

Smanjenje opterećenja također ima negativan učinak na faktor snage. Slika 3.8 prikazuje kako se

faktor snage smanjuje čak i brže od efikasnosti. Stoga, predimenzioniranje električnih motora ima slijeće posljedice:

• Povećanje investicijskih troškova samog motora; • Povećanje investicijskih troškova dodatne opreme (prekidača, kabela, itd.); • Povećanje investicijskih troškova za kondenzatore za ispravljanje faktora snage; • Povećanje troškova za električnu energiju zbog manje efikasnosti.

Prazni hod motora je čest slučaj kada su motori u bespotrebnom pogonu i njihova se mehanička snaga ne koristi. Kompresor, transportne trake i drugi strojevi i proizvodne linije često se ostavljaju u pogonu čak i kada se ne koriste.

13. Procjena učina industrijskih elektroenergetskih sustava 

Kao što je već naglašeno, procjena efikasnosti industrijskih elektroenergetskih sustava ne bi trebala biti usredotočena na efikasnost pojedinih strojeva jer će u tom slučaju većina prilika za poboljšanje učina ostaje sakriveno. Umjesto toga, predlažemo sistematski pristup koji uzima u obzir ne samo učin pojedine opreme ili strojeva, nego i njihovih učina unutar sustava gdje ti strojevi obavljaju određenu funkciju ili rad. U tom slučaju, procjena učina industrijskog elektroenergetskog sustava ima dva osnovna dijela:

1. Strana opskrbe; 2. Strana potrošnje.

Na strani opskrbe, treba brinuti o komercijalnim i tehničkim vidovima opskrbe električnom energijom. Komercijalna razmatranja trebaju razmotriti koje su ugovorene cijene i uvjeti isporuke, koliko se ukupno plaća za električnu energiju i kako odabrati opskrbljivača ukoliko postoji izbor. Potom, treba nastaviti sa analizom mjesečnih računa i analizom iznosa koji se plaćaju za radnu i jalovu energiju te naknada za potrošnju. Takve analize i razmatranja mogu ukazati na mogućnosti smanjenja troškova električne energije i prije nego se počnu analizirati tehnički vidovi korištenja električne energije.

31

Sa tehničke strane, preporučljivo je u pravilnim intervalima (mjesečno) provjeriti kvalitetu napona kako bi se izbjegle potencijalne štete na opremi i energetski gubici koji se mogu pojaviti ukoliko kvaliteta napona postane upitna. Postoje razni instrumenti nazvani analizatori kvalitete napona koji pomažu u lociranju, predviđanju, sprječavanju i uklanjanju problema u industrijskim razdjelnim sustavima. Ovi jednostavni ručni uređaji mjere stvarne i vršne napone i struje, frekvenciju, propade i nadvišenja napona, tranzijente, prekide, snagu i energiju, vršnu potrošnju, harmonike, međuharmonike, fliker i neravnoteže napona, upozoravajući tako osobe odgovorne za energetiku na potencijalne probleme u kvaliteti napona.

Na strani potrošnje, počinjemo od činjenice da tvrtka ne treba električnu energiju samo za sebe, već rad ili uslugu koju isporučuju električni uređaji. Stoga, moramo razmatrati učin svih dijelova sustava koji isporučuje koristan rad krajnjim korisnicima prema njihovoj stvarnoj potražnji (slika 3.9).

Slika 3.9: Raspon razmatranja u sustavnom pristupu procjenjivanju učina sustava komprimiranog zraka

Za svaki takav sustav, osnovna jednadžba ravnoteže mora vrijediti: Opskrba Potrošnja Gubici= + (10) bez obzira da li se radi o opskrbi vode, komprimiranog zraka, ventilacijskom sustavu ili bilo

kojem drugom koji isporučuje određen rad ili uslugu. Učin sustava se može izraziti kao omjer korisnog isporučenog rada i električne energije potrošene da bi se taj rad isporučio.

( ) Korisni isporučeni radEfikasnostPotrošena električna energija

η = (11)

Mogućnosti za poboljšanja učina trebaju se istražiti prema slijedećim prioritetima:

i) Ustanoviti stvarnu potrošnju ii) Minimizirati gubitke iii) Optimizirati opskrbu

Prvo i najvažnije, treba se odrediti kvaliteta i kvantiteta stvarne potrošnje. Čak i najefikasnija

opskrba za nepotrebnu ili neproduktivnu potrošnju je gubitak. Primjerice, količine vode koje se pumpaju trebaju po iznosu i kvaliteti odgovarati samo stvarnim potrebama procesa, ili kvaliteta zraka treba biti izravnata samo sa potrebama procesa, suvišna čistoća zraka treba se izbjegavati, ili ventilacijski sustav treba pružiti samo traženi broj izmjena zraka po satu tijekom zahtijevanih vremenskih intervala i ne bi trebao raditi 24 sata dnevno neovisno o potrebama procesa, itd. To nas

32

dovodi do jednostavne činjenice da se najveće uštede električne energije u industrijskom okruženju postižu slijedeći osnovni princip:

„KADA VAM NE TREBA, ISKLJUČITE“.

To je tako jednostavno, lako i besplatno, ali unatoč tome prečesto zanemareno, i uvijek možemo

pronaći strojeve u praznom hodu, uključena svjetla, ventilatore u pogonu, pumpe koje pumpaju, itd. bez stvarne potrebe. Promjena ljudskog ponašanja, je posebno važna za poboljšanje tog vida učina iskorištavanja električne energije. Počinje sa strogim pridržavanjem pogonskih procedura.

Slika 3.10 nas podsjeća na glavne faze i aktivnosti u pogonu stroja. Za svaki dio opreme postoji slična tablica (ili bi trebala postojati), propisujući pogonske procedure koje vode k maksimalnoj produktivnosti pri minimalnoj potrošnji električne energije. Učin je osobito „ranjiv“ tijekom promjene proizvoda ili ponovnog opremanja kada se brojni strojevi ostavljaju uključenima. Slične pojave se događaju tijekom pauzi ili vremena između smjena. Takve pojave treba izbjegavati pažljivim planiranjem pogona, pazeći o vidovima pogona pojedinačnog stroja (slika 3.10), ali i cijelog proizvodnog lanca tako da se prazni hod strojeva zbog čekanja na ulazni materijal u potpunosti eliminira.

Pokretanje strojeva

AKTIVNOSTITrajanje[vrijeme]

Stanje opreme

[uklj/isklj]

Priprema za pogon

Pogon

Promjena proizvodaNeaktivnost ili zadržavanje

Kočenja i prekidi

Vrijeme između smjena

Iskorištenje kapaciteta

Slika 3.10: Planiranje proizvodnog pogona

Čak i kad su određene sve pogonske procedure i dalje je potrebna volja, vještina i motivirani zaposlenici da bi bile primjenjivane. Stoga, ponovo dolazimo do važnosti ljudskog faktora u postizanju najbolje pogonske prakse.

Pomoćni alat u analizi pogonskog učina potrošnje električne energije je korištenjem dijagrama (krivulje) trajanja opterećenja. Dijagram trajanja opterećenja se može konstruirati iz dijagrama opterećenja tako da se kumulativna trajanja bilo koje razine potrošnje u promatranom vremenu prikazuju uzastopno, kako je prikazano na slici 3.11.

33

O

pter

ećen

je[k

W]

Slika 3.11: Konstruiranje dijagrama trajanja opterećenja

Korisne značajke dijagrama trajanja opterećenja su kako slijedi:

1) Ukazuje ne samo na vršno opterećenje nego i na trajanje vršnih opterećenja kroz promatrani vremenski interval, što je važno za razmatranja strategije regulacije potrošnje.

2) Pruža uvid u promjenjivo i stalno opterećenje, što je temelj za određivanje pogonskog učina. Idealno, varijabilna potrošnja je uzrokovana samo varijacijama u proizvodnji, dok fiksna potrošnja ukazuje na neizbježnu minimalnu potrošnju koja se pojavljuje neovisno o proizvodnom izlazu. U stvarnosti, nijedno nije točno. Uvijek postoji potencijal za smanjivanje oba, i stalne i promjenjive potrošnje. Postoje zajednički slučajevi tzv. „lažne“ stalne potrošnje, kada određeni potrošači u pogonu rade kao stalni iako u stvarnosti takav pogon nije potreban. Ponovo, dobar primjer je već spomenut stroj za kalupljenje (slika 3.12) gdje obično hidraulična pumpa i grijači rade konstantno nakon paljenja, dok zapravo njihov rad može varirati sa proizvodnjom.

08:0

0

12:0

0

14:0

0

06:0

0

10:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

24:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

Slika 3.12: „Promjenjiva“ pogonska procedura stroja za izradu kalupa Kada se postigne najbolja pogonska praksa i kroz to odredi stvarna potrošnja, mogu se istražiti

druge tehničke mjere za daljnja poboljšanja učina. Nadalje, iako jednostavan, vrlo važan korak je identificiranje i eliminacija gubitaka kroz cijeli sustav. To su primjerice istjecanja vode, istjecanja komprimiranog zraka, itd. Nakon što se ova dva koraka uspješno završe, mogu se odrediti stvarna potrošnja i neizbježni gubici. Ostaje još samo optimirati opskrbu stranu sustava, tako da se potrebna energija isporučuje uz minimalne troškove.

34

14. Mogućnosti poboljšanja učina 

Prethodna razmatranja su naglasila važnost sustavnog pristupa i ljudskog faktora za postizanje poboljšanja učina. Stoga, pod „kišobranom“ sustava za gospodarenje energijom i utjecajima na okoliš (engl. energy and environmental management system, SGEUO), oba načina poboljšanja učina treba adresirati paralelno (slika 3.13).

Slika 3.13: EEMS „kišobran“

14.1. Upravljanje opterećenjem  Opskrbljivač električne energije isporučuje uslugu električne energije svojim kupcima uz

troškove. Posljedično, kupcima se naplaćuje ne samo ukupno potrošena energija u danom periodu, nego i korištenje opreme koju daje opskrbljivač, a koja je potrebna da bi ih se uslužilo. Prva naknada je za energiju, a druga vezana za potrošnju temeljem mjerenog vršnog opterećenja. U interesu je i opskrbljivača i potrošača smanjiti maksimalnu potrošnju. To se postiže upravljanjem potrošnjom ili opterećenjem. Dva su područja upravljanja opterećenjem:

• Upravljanje opskrbom industrije na strani potrošnje • Upravljanje potrošnjom kod potrošača na njihovoj lokaciji

Upravljanje opskrbom industrije na strani potrošnje pretpostavlja sporazum između opskrbljivača električnom energijom i potrošača o smanjivanju opterećenja u određeno vrijeme za određeni iznos. Obično se sklapa sa kupcima čija je vršna potrošnja veća od 5 MW a ograničenje potrošnje je rijetko duže od 1,5 sati dnevno. O tome se pregovara sa opskrbljivačem u sklopu sporazuma o isporuci električne energije, na tržištima gdje je to pravno omogućeno.

14.2. Upravljanje potrošnjom  Upravljanje potrošnjom na lokaciji potrošača se radi na vlastitim trošilima potrošača.

Upravljanje potrošnjom je ništa drugo nego tehnika za izravnavanje dijagrama opterećenja, npr. „brijanje“ (engl. shaving) vršaka i „ispunjavanje“ dolina dijagrama opterećenja (slika 3.14). Glavna prednost dobrog lokalnog upravljanja potrošnjom je mogućnost znatnog smanjenja troškova za

35

električnu energiju te mogućnost korištenja više električne energije uz iste ili niže troškove bez potrebe za investicijama u proširenja sustava opskrbe električnom energijom.

Ako se granična krivulja potrošnje konstruira tako da je veća ili jednaka od prosječne potrošnje tijekom perioda naplate, moguće je „brijati vrškove“ i „ispuniti doline“ na način da se granična krivulja potrošnje nikad ne prijeđe a da se potrebe za energijom zadovolje (slika 3.14). U praktičnim slučajevima, granica potrošnje će biti veća od zahtijevane prosječne potrošnje jer je rijetko moguće biti u pogonu sa apsolutno konstantnom potrošnjom električne energije. Prvi korak u procjenjivanju korisnosti i isplativosti upravljanja potrošnjom je analiza tarifne strukture i prethodne potrošnju električne energije na lokaciji koja se analizira.

Slika 3.14: Krivulja opterećenja uz upravljanje faktorom opterećenja (faktor opterećenja 80%)

Koncept faktora opterećenja je posebno koristan alat u ovom tipu analize. Maksimalna potrošnja

i ukupni kilovatsati se lako odrede iz prethodnih računa za električnu energiju, što omogućava određivanje dotadašnjeg učina praćenjem faktora opterećenja.

Prvi izbor i najjednostavnija metoda smanjenja vršnog opterećenja je rasporediti aktivnosti proizvodnje tako da veliki potrošači električne energije uopće nisu u pogonu u vremenima vršne potrošnje, ili da barem svi nisu u pogonu u isto vrijeme. Raspoređivanje strojeva je praksa uključivanja ili isključivanja opreme ovisno o vremenu dana, danu u tjednu, tipu dana ili drugim varijablama ili procesnim potrebama. Poboljšavanja rasporeda opreme rade se planiranjem proizvodnje, što je jedna od najčešćih i najefikasnijih mogućnosti za izbjegavanje praznog hoda strojeva i smanjenje vršne potrošnje. Kad ne postoji plan proizvodnje i optimizirani raspored, nije neobično da električna oprema radi 24 sata a da je potrebno samo 12 sati rada.

Druga metoda se oslanja na automatsku regulaciju gašenjem potrošača koji nisu esencijalni u procesu u prethodno određenim vremenima tijekom vršnog perioda pomoću uređaja za upravljanje opterećenjem poput:

• Jednostavnih uređaja za gašenje i paljenje: satovi, fotoelektrični releji, noćni termostati, itd.;

• Uređaja (kontrolera) za upravljanje opterećenjem • Limitatora potrošnje • Računalno upravljanih sustava upravljanja opterećenjem koji upravljaju potrošnjom

temeljem povratnih informacija sa udaljenih mjerenja ukupnog opterećenja i električne snage i mijenjajući stanja uključenosti pojedinih potrošača.

36

Bilo koja praktična metoda upravljanja potrošnjom zahtijeva identifikaciju i određivanje prioriteta potrošača za isključenje (engl. shedding). Strojevi na proizvodnoj liniji se obično ne uključuju u ovakve sheme, iako uređaji za električno grijanje koji se koriste u proizvodnji mogu biti do neke mjere regulirani. Klimatizacija, ventilacija i oprema za grijanje postrojenja su potrošači koji se često smatraju podesnima za isključenje i vraćanje u shemi upravljanja potrošnjom. U slučajevima kada je vrijeme isključenja dugačko, može se primijeniti rotacija potrošača, odnosno ponovno povezivanje isključenje potrošača nakon prethodno određenog proteklog vremena dok se isključuju drugi potrošači. Podaci potrebni za projektiranje upravljanja potrošnjom temeljem rotacije potrošača prikazani su u tablici 3.3. Određne primjene mogu zahtijevati specifične podatke koji nisu spomenuti u tablici 3.3, ali ona i dalje prikazuje glavne parametre upravljanja potrošnjom.

Tablica 3.3: Potrebni podaci za projektiranje upravljanja potrošnjom pomoću rotacije

potrošača Tip trošila Snaga [kW] Maksimalno

vrijeme isključenosti

Minimalno vrijeme

uključenosti

Maksimalni broj uklapanja

Prioritet [1-10]

1. 2. 3. ...

Kod projektiranja sheme upravljanja potrošnjom, treba biti svjestan da se životni vijek motora

smanjuje ako se motor mnogo puta pokreće i zaustavlja. Proizvođači obično određuju maksimalan dopušteni broj pokretanja po satu za velike motore kako bi se izbjeglo smanjivanje ekonomskog životnog vijeka izolacije, pa taj parametar treba obraditi u tablici 3.3.

Slijedeći primjeri prikazuju strukturu cijena električne energije i ilustriraju učinke potencijalnih mjera upravljanja potrošnjom.

14.2.1. Primjer : Upravljanje potrošnjom pomoću stand­by (pričuvnih) dizel generatora  U našem primjeru tvornice konzervirane tune, vrijedi slijedeći tarifni sustav:

Cijena energije: 2.7557 c$US)/kWh Cijena potrošnje: 7.4232 $US/kW (U vršnim vremenima)

1.5333 $US/kW (Djelomično vršno vrijeme) 0 $US/kW (Izvan vršnog vremena)

Vršna vremena ovise o vremenu dana kako slijedi: Vršno vrijeme 18:30 – 21:30 Djelomišno vršno vrijeme 8:00 – 18:30 Izvan vršnog vremena 21:30– 8:00

Cijena potrošnje (snage) se definira kao maksimum 15-minutne integrirane potrošnje kroz

mjesečni period naplaćivanja mjeren na najbliži cijeli kW odbacujući dijelove od 0.5 kW. Ako u bilo kojem mjesečnom periodu naplate maksimalna potrošnja kVAr-a u 15-minutnom

intervalu prijeđe 63% od svoje maksimalne 15-minutne integrirane potrošnje, primjenjuje se naknada za faktor snage od 0.3906 $US za svaki kVAr viška.

Elementi mjesečnog računa za oglednu godinu prikazani su u tablici 3.4. Očito je da je maksimalna potrošnja tijekom vršnog vremena vrlo mala u usporedbi sa djelomično vršnim i vremenima izvan vršnog perioda. To je posljedica odluke o korištenju 4 dizel generatora (ukupne snage 2,200 kWe) koji su već postojali na lokaciji, tijekom vršnog perioda. Ova mjera je dramatično

37

smanjila opterećenje u vršnom vremenu, čak i u veljači kada su neki od generatora bili servisirani. Bez generatora, prosječno mjesečno vršno opterećenje bi bilo 1,917 ± 195.9 kWe.

Tablica 3.4: Potrošnja i cijena energije

Vršno opterećenje Energija Da Dijelom Ne

Ukupna cijena električne energije

Jedinična cijena Mjesec

kWh kW kW kW $US c$US/kWh Siječanj 765,180 36 2,017 1,654 34,549 4.52 Veljača 756,840 695 1,391 1,666 38,145 5.04 Ožujak 866,460 30 2,051 1,819 38,685 4.46 Travanj 841,080 66 2,124 1,890 34,067 4.05 Svibanj 788,220 30 2,010 1,890 31,720 4.02 Lipanj 705,900 53 1,889 1,581 28,739 4.07 Srpanj 750,420 78 1,880 1,554 30,483 4.06

Kolovoz 761,460 30 1,908 1,524 31,651 4.16 Rujan 787,560 60 1,992 1,428 32,980 4.19

Listopad 808,620 30 2,009 1,781 33,571 4.15 Studeni 922,380 30 2,160 2,018 38,061 4.13 Prosinac 913,560 36 2,160 1,926 42,153 4.61

UKUPNO 9,667,680 414,806 PROSJEČNO 805,640 97.8 1,966 1,728 4.29

Korištenje dizel generatora stvara određene troškove goriva i održavanja. Proračun troškova za

pogon generatora tijekom vršnog perioda prikazan je u tablici 3.4. Kada se u obzir uzmu troškovi električne energije (tablica 3.5) te troškovi pogona dizel generatora, prosječna godišnja cijena električne energije je 4.62 c$US/kWh što je znatno niže od cijene u slučaju da se ukupna potrebna energija uzimala iz lokalne distribucijske tvrtke (5.40 c$US/kWh). Troškovi pogona i održavanja generatora su 0.01 $US/kWh. Prosječna cijena dizel goriva je 20.44 c$US/l. Godišnja cijena dizela te pogona i održavanja je 88,489 $US a proizvedena električna energija je 1,211,892 kWh.

Tablica 3.5: Usporedba cijena električne energije

DIZEL GENERATORI

Stvarna vršna

potrošnja

Kupovina sve

energije od opskrbljiv

ača

Jedinična cijena

električne energije (Samo lokalna

distribucija)

Električna energija

proizvedena

generatorima

Jedinična cijena dizel

goriva

Trošak dizela

Trenutna cijena

električne energije (lokalna

distribucija i generatori)

Mjesec

kW $US/m c$US/kWh kWh c$US/l $US/m c$US/kWh Sij-99 1,828 48,739 5.64 98,866 16.85 5,742 4.66

Velj-99 2,152 50,197 5.92 90,503 15.03 4,962 5.09 Ožu-99 2,114 55,209 5.62 115,388 17.29 6,791 4.63 Tra-99 1,803 47,766 5.10 94,733 19.61 6,712 4.36 Svi-99 1,485 43,237 4.98 80,216 19.61 6,097 4.35 Lip-99 1,769 42,293 5.29 93,997 19.09 5,890 4.33 Srp-99 1,854 44,467 5.25 96,461 20.49 6,867 4.41 Kol-99 1,868 46,221 5.36 101,656 21.72 7,272 4.51 Ruj-99 1,920 47,664 5.36 101,779 23.02 7,786 4.58 List-99 1,952 48,804 5.33 106,318 21.85 8,489 4.60 Stu-99 2,117 54,611 5.26 115,565 23.91 9,618 4.59 Pro-99 2,142 58,842 5.71 116,410 26.80 12,262 5.28

UKUPNO 588,050 1,211,892 88,489 PROSJEČN

O 1,917 5.40 20.44 4.62

St.dev. 195.9 3.28

38

Konačno, smanjenje troškova električne energije je kako slijedi:

588,050 (414,806 88,489) 84,755 $ /Smanjenje troškova US y= − + = (12)

14.2.2. Primjer  2:  Veza  faktora  opterećenja,  naknada  za  snagu  i  ukupnih  troškova električne energije 

Naknade za potrošnju i ukupna naknada za energiju određuju se prema slijedećoj tarifi: Naknada za prilagođavanje goriva 0.02872 $US/kWh Naknada za energiju 0.01152 $US/kWh Naknada za snagu 3.22 $US/kW pri čemu se naknada za potrošnju temelji na najvišoj zabilježenoj potrošnji u mjesecu naplate. Prethodni zapisnici prikazuju da je ukupni mjesečni trošak od 10,659 $US nastao kada je

potrošnja u jednom mjesecu bila 220,968 kWh a maksimalna snaga tijekom perioda naplate 511.5 kW. Ako pretpostavimo da se ista energija u mjesec dana troši pri različitim faktorima opterećenja, možemo odrediti ukupne troškove kao funkciju faktora opterećenja.

Počinjemo određivanjem prosječne promjene za mjereni mjesec. Prosječna potrošnja Dpros je kako slijedi:

1 220,968 306.930 24

n

ii

prosd

EUkupna potrošnja energije kWhD k

n T Broj sati naplatnog perioda== = = =× ×

∑W (13)

Faktor opterećenja (LF) za mjereni mjesec je omjer Davg i maksimalne potrošnje. Stoga

[ ] 6.05.5119.306

DmaxD

LFi

avg === (14)

Sada možemo pretpostaviti da ukupna potrošnja energije ostaje ista dok se faktor opterećenja

mijenja. Ako ukupna potrošnja energije ostaje konstantna, Davg mora biti konstantna u skladu sa jednadžbom (5). Maksimalna potrošnja se određuje iz definicije faktora opterećenja a sve potrebne informacije za određivanje ukupnog mjesečnog troška kao funkcije faktora opterećenja su dostupne u tablici 3.6.

Tablica 3.6: Faktor opterećenja i maksimalna potrošnja

Faktor opterećenj

a

Potrošnja energije [kWh]

Prosječna potrošnja

[kW]

Naknada za energiju

[$US]

Maksimalna potrošnja

[kW]

Naknada za potrošnju

[$US]

Ukupna naknada

[$US] 1.0 220,968 306.9 8,891 306.9 988 10,000 0.9 220,968 306.9 8,891 341.0 1,098 10,110 0.8 220.968 306.9 8,891 383.6 1,235 10,247 0.7 220,968 306.9 8,891 438.4 1,412 10,424 0 6 220 968 306.9 8,891 511.5 1,647 10,659 0 5 220 968 306.9 8,891 613.8 1,976 10,988 0.4 220,968 306.9 8,891 767.3 2,471 11,483 0.3 220,968 306.9 8,891 1,023.0 3,294 12,306 0.2 220,968 306.9 8,891 1,534.5 4,941 13,953 0.1 220,968 306.9 8,891 3,069.0 9,882 18,894

Rezultati iz tablice su prikazani i grafički na slici 3.15. Može se vidjeti da kako se faktor

opterećenja približava 1.0, ukupni troškovi dostižu 10.000 $US godišnje.

39

Potencijalne koristi od shema upravljanja potrošnjom se mogu usporediti s cijenom uvođenja pojedinih shema. Ako je faktor opterećenja karakteristično nizak, malo poboljšanje faktora opterećenja znatno smanjuje troškove, kako se može vidjeti na slici. Očito, proračun jako ovisi o postojećim i budućim strukturama cijena i uvjeta isporuke energije. Također je važno prepoznati da opskrbljivač može ponuditi više od jedne strukture cijena i uvjeta velikom industrijskom korisniku. Tehnika opisana u ovom primjeru pomaže u određivanju najboljeg rješenja.

Uku

pna

cije

na e

lekt

rične

ene

rgije

[$U

S]

Slika 3.15: Ukupana cijena u ovisnosti faktora opterećenja za pretpostavljenu tarifu

14.3. Korekcija faktora snage Prvi korak korigiranja niskog faktora snage je određivanje trenutnog cosϕ postrojenja. Podaci

po mjesecima se mogu uzeti sa računa za električnu energiju, a mogu se koristiti i ručni instrumenti za mjerenje faktora snage za analize specifične za lokaciju. Faktor snage može se poboljšati na dva načina:

• Smanjivanjem količine jalove energije eliminiranjem neopterećenih motora i transformatora

• Primjenom vanjskih kompenzacijskih kondenzatora kako bi se korigirao niski faktor snage.

Funkcija kondenzatora za korekciju faktora snage je da bude uređaj za pohranjivanje energije. Umjesto prenošenja jelove energije između potrošača i izvora, jalova energija se pohranjuje u kondenzatoru blizu potrošača. Kondenzatori su stupnjevani u kVAr-ovima i dostupni za jednofazne i trofazne potrošače. Obično je potrebno više od jednog kondenzatora kako bi se postigla željena korekcija faktora snage. Veličina kondenzatora za pojedinu primjenu može se određivati pomoću tablica proizvođača kondenzatora ili proračunavanjem (vidi primjer niže). Mogućnosti za instalaciju su:

• Pojedinačni kondenzatori postavljeni kod svakog stroja • Grupa ili kondenzatorska baterija za cijelo područje postrojenja • Mješavina prva dva pristupa.

Ako ispravljači u postrojenju stvaraju harmonike i uzrokuju niski faktor snage, dodavanje kondenzatora neće nužno postići željena poboljšanja. Kod dodavanja kondenzatora za korekciju faktora snage u takvom slučaju, moraju se pažljivo izbjegavati neželjene naponske rezonancije koje mogu biti pobuđene strujama harmonika.

40

Ekonomska procjena troškova i dobiti, uz pregled bilo kakvih ograničenja opskrbljivača električne energije koji se moraju poštovati kod korekcije faktora snage, će odrediti koliko je korekcije faktora snage poželjno u danom postrojenju, ako uopće. Korekcija između 85% i 95% će zadovoljiti većinu zahtjeva. Nema vjerojatne ekonomske koristi ako se korekcija vrši do faktora snage od 100%.

Postavljanje kondenzatora za korekciju faktora snage u postrojenju može biti složen proces (ovisno o tipu potrošača koji se nalaze u postrojenju) koji zahtijeva stručnog konzultanta i električara. Prije nego se krene u projekt poboljšanja faktora snage treba kontaktirati lokalnog opskrbljivača energijom.

14.3.1. Primjer 3: Korekcija faktora snage sa 0.6 na 0.9 

1. Postojeće stanje Radna snaga P 550 kW Postojeći faktor snage (cos φ1) 0.6 Rezultirajuća prividna snaga S1:

kVA9176.0

550cos

PS1

1 ==ϕ

=

917 kVA

Prividna struja I1

A1324400

10009173

1US

31I 1

1 =×

⋅=⋅=

1324 A

2. Poboljšano stanje Ciljani faktor snage (cos φ2) 0.9 Potrebna snaga kondenzatora QC:

[ ]kVA467

)8.25tan()1.53tan(550)tan(tanPQ 21C

=−⋅=ϕ−ϕ⋅=

467 kVA

Prividna snaga S2:

kVA6119.0

550cos

PS2

2 ==ϕ

=

611

Prividna struja I2:

882 A

A882400

10006113

1U

S3

1I 22 =

××=×=

33.4 %

%4.33100917

611917[%]100S

SS

1

21 =⋅−

=⋅−

6.551001324

8821324[%]100I

II2

22

21

21

22 =⋅

−=⋅

− 55.6 %

Kao rezultat korekcije faktora snage sa cos ϕ1 = 0.6 na cos ϕ2 = 0.9, kapacitet prijenosa radne snage se povećava za 33.4 %, a gubici prijenosa smanjuju za 55.6 %.

Značajna korist poboljšanja faktora snage, osim ušteda, je smanjenje struja koje teku kroz

odgovarajuće pojne vodeove, što zauzvrat vodi k slijedećim prednostima: • povećan opskrbni kapacitet pojnih vodova • smanjen pad napona • smanjeni gubici snage u razdjelnoj mreži.

Gubici snage su proporcionalni kvadratu struje, stoga se jednadžba (15) može primijeniti za proračun smanjenja gubitaka kao posljedice poboljšanja faktora snage:

41

2cos( )% 1 100 [%]

cos( )Trenutnismanjenja gubitaka snage

Noviφ

φ

⎧ ⎫⎡ ⎤⎪ ⎪= − ×⎨ ⎬⎢ ⎥⎣ ⎦⎪ ⎪⎩ ⎭

(15)

14.4. Pokazatelji kvalitete napona  Pitanje kvalitete napona već je opisano, kao i potencijalne posljedice loše kvalitete napona.

Stoga, mora se uvesti raspored praćenja kvalitete napona (tablica 3.10). Tablica 3.10: Raspored praćenja kvalitete napona

Pokazetelji učina Frekvencija Harmonici i THD (V,A,W), Mjesečno ili tjedno Međuharmonici Mjesečno ili tjedno Propadi i nadvišenja napona Mjesečno ili tjedno Fliker Mjesečno ili tjedno Neravnoteže: Napona Mjesečno ili tjedno Struje Mjesečno ili tjedno

42