Varvtalsreglerad kapacitetsstyrning av skruvkompressorer för god driftsekonomi och ABB Refrigeration presenterar skruvkompressorkoncept för kyländamål med steglös styrning av kapaciteten genom kontinuerlig varvtalsreglering STAL Rotatune. Systemet är baserat på en avancerad frekvensomriktare i kombination med en specialanpassad motor. Den elektroniska varvtalsstyrningen gör att kompressorerna kan bibehålla hög totalverkningsgrad även vid kraftigt reducerade belastningar. Med normal lastprofil kan energiförbrukningen reduceras med 15 %. En ekonomiser-kopplad kompressor ökar energibesparingen ytterligare, upp till ca 20 %, i jämförelse med installationer utrustade med skruvkompressor och konventionell kapacitetsstyrning. D e flesta drivsystemen inom industrin är utrustade med elektriska motorer. Utan överdrift kan induktionsmotorn kallas för industrins arbetshäst. Den är billig, pålitlig och fordrar ett minimum av underhåll. Den matas vanligen av växelströmsnät med 50 eller 60 Hz, vilket emellertid ger den två viktiga begränsningar: Varvtalet kan inte styras Max varvtalet är 3000 eller 3600 varv/min beroende på frekvensen Kravet på högre varvtal löses ofta med någon form av uppväxling, medan styrning av kapaciteten hos den drivna maskinen åstadkoms genom start och stopp eller, som vid skruvkompressorer [1], genom mekanisk flödesreglering. Det senare är nödvändigt vid krav på en noggrann temperaturreglering i kylsystemet, men det medför oundvikligen energiförluster. Konventionell kapacitetsreglering i kylsystem Belastningen på olika typer av kylsystem varierar oftast över tiden på grund av förändringar i kvantitet och/eller temperatur hos de produkter som skall kylas eller frysas. Detta samtidigt som kylanläggningens prestanda varierar med de omgivande klimatiska förändringarna. Konstruktioner, som medger en energieffektiv kapacitetsreglering, har därför alltid stått högt på önskelistan inom detta mer än 100 år gamla teknikområde. Ursprungligen förlitade man sig på manuel- Lennart Rolfsman Sven Wihlborg ABB Refrigeration AB la, mekaniska reglerarrangemang för att med tiden gå över till mer och mer automatiserade lösningar. Under hela detta utvecklingsförlopp har teknikerna sökt efter möjligheten att i en kompressionsprocess, automatiskt och med hög verkningsgrad, kunna anpassa kylsystemens kapacitet med hjälp av en varvtalsreglerad kompressor. Varvtalsreglerad kompressordrift STAL Rotatune Ett möjligt alternativt drivstystem kan vara baserat på en frekvensomriktare som matar induktionsmotorn med varierande frekvenser. Ett sådant system är emellertid inte heller utan nackdelar, och då är det värmeutvecklingen, som åstadkoms av övertonsströmmarna från omriktaren, som är problemet. Om sedan den drivna maskinen fordrar konstant moment över hela varvtalsområdet, vilket är fallet med skruvkompressorer, blir problemet med värmen som genereras i motorn än mer påtagligt. Därför har ABB Refrigeration i samarbete med ABB Motors och ABB Corporate Research utvecklat en variabel frekvensstyrd drift, som kombinerar en standardomriktare med en högvarvig motor speciellt byggd för omriktardrift 1. Kravet på den nya motorn var, att värmeförlusterna orsakade av övertonsströmmarna i rotorn skulle minimeras. Teoretiska studier och praktiska prov visade bland annat, att det var rotorslitsarnas form i en standardmotor, som gjorde att den inte alls passade för omriktardrift. Den nya motorn, har betydligt reducerad värmeutveckling och är dessutom försedd med separat driven fläkt, som transporterar bort den kvarvarande värmen över hela varvtalsområdet från 1000 till 6000 varv/min. Fläkten, som endast drar 0,75 kw vid 1500 varv/min, påverkar drivsystemets kraftförbrukning i mycket ringa grad, men 18 ABB Tidning 4/1996
STAL Rotatune typ FV 19, skruvkompressoraggregat med varvtalsreglerad kapacitetsstyrning; omriktaren till vänster 1 bidrar till att motorn har en verkningsgrad på 95% vid fullt varv 2. Fördelar med nya drivsystemet Det nya drivsystemet, som marknadsförs under handelsnamnet STAL Rotatune, möjliggör en utomordentligt smidig kapacitetsstyrning av kylkompressorn och därmed en mycket noggrann temperaturreglering i kylprocessen. Detta innebär att brukaren får såväl förbättrad driftsekonomi som bättre anpassning till sina kylbehov, t ex för livsmedelsproduktion, kemiska processer eller konstisbanor. Därtill kommer att en skruvkompressor, som är utrustad med det nya drivsystemet, kan göras betydligt enklare än den traditionella konstruktionen 3 : Det tidigare systemet för kapacitetsreglering försvinner. Varvtalsregleringen svarar för kapacitetsstyrningen. Uppväxlingen av varvtal mellan motor och kompressor försvinner, eftersom motorn kan köras steglöst upp till 6000 varv/min. Ingen speciell startutrustning behövs, eftersom systemet kontrollerar både ström och spänning direkt via omriktaren. Reducerad vikt: såväl kompressor som motor är lättare än motsvarande konventionella konstruktioner. 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 Den nya motorns verkningsgrad h i system STAL Rotatune (röd) över relativa varvtalet n jämförd med en konventionell motor (blå) 2 0.70 0 204060801 % 0 n ABB Tidning 4/1996 19
Mjuk start och stopp Det nya drivsystemet kännetecknas a Ytterligare fördelar är: Ökad tillförlitlighet tack vare färre rörliga delar i kompressorn. 4 3 1 2 Konventionellt skruvkompressoraggregat (a) jämfört med ett aggregat med STAL Rotatune-drift (b), som resulterar i en betydligt enklare konstruktion 1 Startapparat 2 Växelströmsmotor, storlek 280/315 3 Växel 4 Kompressor med kapacitetsstyrning 5 Frekvensomriktare 6 Asynkronmotor för frekvensstyrning, storlek 225 7 Kompressor b Lägre ljudnivå som följer med motorns lågvarviga kylfläkt. Kompressor och motor behöver inte arbeta kontinuerligt vid märkvarvtalet. 7 5 6 3 också av ett antal förbättringar som påverkar den totala kylinstallationens funktion. Omriktaren erbjuder således mjukstart- och mjukstopp-funktion med kontrollerad acceleration respektive retardation av kompressorn 4. Detta medför att belastningarna på den elektriska och den mekaniska utrustningen reduceras och att strömtoppar i samband med start av kompressorn elimineras. Belastningen på elnätet kan nämligen aldrig överskrida motorns märkström. Som följd härav finns det heller inga begränsningar av det antal återstarter kompressorn kan tillåtas göra per tidsenhet. Detta medger i sin tur smidig anpassning av kylsystemets tillgänglighet till variationer i kylbehovet. Eftersom systemet dessutom arbetar utan YD-kopplare eller liknande startutrustning och således utan hög startström, kan både storleken på den matande transformatorn och dimensionerna på de anslutande kablarna hållas nere. Slutligen är motorns effektfaktor nära cos j = 1 över hela varvtalsområdet 5 och omriktarens verkningsgrad ca 97%. Motorströmmens I tidsförlopp i en konventionell skruvkompressor (a) och en kompressor med drivsystem STAL Rotatune (b). STAL Rotatune ger ett mjukt startförlopp och inga strömtoppar uppträder. 4 I I a t b t 20 ABB Tidning 4/1996
1.0 1.0 0.9 0.9 cos cos 0.8 0.8 0501 % 0 0501 % 0 a b Effektfaktor cos j som funktion av den relativa kapaciteten i en konventionell skruvkompressor (a) och en kompressor med drivsystem STAL Rotatune (b). I det senare fallet uppnås en effektfaktor av närapå 1. 5 Detta garanterar låga förluster i drivsystemet samtidigt som den reaktiva effekten är nästan noll. Det senare innebär i sin tur kraftigt reducerade kostnader för effektfaktorkompensation med hjälp av kondensatorbatterier. Miljöaspekt: sänkt ljudnivå Med drivsystemet STAL Rotatune producerar skruvkompressorn kyleffekt proportionell mot varvtalet. Detta innebär att motor och kompressor endast behöver köras vid det varvtal, som vid varje tillfälle krävs för att åstadkomma det erforderliga köldmedieflödet. Eftersom de flesta kylapplikationerna endast kräver 40 70% av den maximala kapaciteten under stora delar av drifttiden, är varvtalet med en STAL Rotatune-drift relativt lågt under långa driftperioder och därmed även den alstrade ljudnivån 6. Energibesparingar Kapaciteten hos en skruvkompressor, som arbetar med konstant varvtal, styrs vanligen med ett ventilsystem och någon form av flödesstyrning (by-pass). Förluster är därvid oundvikliga. Med STAL Rotatune är dessa arrangemang onödiga, och kompressorns fulllastverkningsgrad kan utnyttjas över hela varvtalsområdet. Detta spar energi, speciellt när kylsystemet arbetar med reducerad kapacitet 7. Om kompressorn Ljudnivån L p som funktion av den relativa kapaciteten i en konventionell skruvkompressor (blå) och en kompressor med drivsystem STAL Rotatune (röd). Den streckade linjen anger dess medelvärde. 6 Relativ kraftförbrukning N som funktion av den relativa kapaciteten i en konventionell skruvkompressor (blå) och en kompressor med drivsystem STAL Rotatune (röd). 7 Drivsystemet STAL Rotatune ger en bättre verkningsgrad, särskilt vid dellast. 90 db(a) 85 80 100 % 80 60 75 40 L p 70 N 20 65 0 204060801 % 0 0 0 204060801 % 0 ABB Tidning 4/1996 21
15 % Typisk lastprofil för en kylinstallation: procentuell drifttid t B för olika värden av kapacitetsutnyttjandet. 8 10 5 dessutom är kopplad till en ekonomiser, är det nu möjligt att nyttja den därigenom t B 0 304050607080901 % 0 ökade specifika kapaciteten över hela varvtalsområdet. En kalkyl visar, att det i ett kylsystem med normal lastprofil är realistiskt att åstadkomma energibesparingar på mellan 10 och 17% med det nya drivsystemet 8. Med en 100 kw motor och en drifttid på 6000 timmar om året blir således den årliga besparingen ca 50 000 kwh på grund av lastprofilen. Utan att veta priset på energi i olika länder, finns emellertid anledning att förvänta en relativt kort återbetalningstid för en investering i STAL Rotatune. Här bör också påpekas, att kraftförbrukningen för en skruvkompressor med STAL Rotatune-drift är fördelaktigare än för en kolvkompressor och detta även vid dellast. Därtill kommer möjligheten att åstadkomma en avsevärt noggrannare temperaturreglering med STAL Rotatune än vad konventionella utrustningar kan klara av. Flexibel användning Det nya STAL Rotatune-konceptet erbjuder den mest effektiva kapacitetsregleringen för kylsystem som finns på marknaden i dag. Genom att ersätta de konventionella metoderna för kapacitets- Vätskekylaggregat i ett svenskt 9 fjärrkylsystem. Aggregatet inkluderar bl a drivsystemet STAL Rotatune med skruvkompressorn FV 26 för noggrann anpassning av kapaciteten mot värmebelastningen på systemet. 22 ABB Tidning 4/1996
torlekar 1, 9 och 10 (jfr tabell 1). Som redan nämnts är de ingående motorerna speciellt anpassade för drift tillsammans med frekvensomriktare. Skruvkompressorinstallation för infrysningsanläggning i en spansk livsmedelsindustri. Ett ekonomiser-kopplat STAL Rotatune FV 19-aggregatet svarar för anläggningens kapacitetstyrning. 10 styrning med steglös varvtalsstyrning, kan ett optimalt volymförhållande upprätthållas utan effektförluster även vid dellast. STAL Rotatune är en idealisk lösning för alla mindre och medelstora installationer, där belastningen varierar över tiden och där en eller två skruvkompressorer täcker kapacitetsbehovet. Men även i stora flerkompressorsystem kan en eller två kompressorer med STAL Rotatunedrift med fördel användas för reglering av kapaciteten. Övriga kompressorer körs då endast vid max kapacitet när de är i drift. Härigenom kan, även vid stora installationer, STAL Rotatune bidraga till att kylsystemet smidigt kan anpassas efter belastningsvariationer med bibehållen maximerad verkningsgrad. Nya STAL Rotatune är också konstruerad för att fungera tillsammans med ABB Refrigerations mikroprocessorbaserade styrenhet Stalectronic 700. Styrenheten kan användas för sekvensreglering och övervakning av upp till åtta kompressorer, och den har en mycket användarvänlig man-maskin-kommunikation. STAL Rotatune-drift finns för närvarande applicerad på tre skruvkompressors- Låga livscykelkostnader Avsaknaden av mekaniska reglerorgan innebär att skruvkompressorer med STAL Rotatune-drift kan ha betydligt mindre antal rörliga delar än motsvarande kompressorer med konventionell drivning. Tillsammans med de mjuka start- och stoppförlopp, som systemet också erbjuder, medför detta såväl ökad tillförlitlighet som minskat slitage. Den höga verkningsgrad och tillgänglighet som STAL Rotatune erbjuder svarar väl mot brukarnas prioriterade krav på en kylinstallation. Med tillgång till ABB Refrigerations eftermarknadsorganisation och breda serviceutbud som servicekontrakt, akutservice och modernisering kan dessa egenskaper bibehållas över åren och därigenom säkerställa låga livscykelkostnader för kunden. Referens [1] Asplund, T.; Rolfsman, L.: En ny generation skruvkompresorer tysta, energieffektiva och miljövänliga. ABB Tidning 9/95, 10 14. Tabell 1: Tre storlekar skruvkompressoraggregat med drivsystemet STAL Rotatune Storlek Max kapacitet, Motsvarande motoreffekt, m 3 /h kw FV 19 400 90 FV 24 660145 FV 26 925 225 Författarnas adress Lennart Rolfsman Sven Wihlborg ABB Refrigeration AB S-601 87 Norrköping Fax: +46 (0) 11 10 23 42 ABB Tidning 4/1996 23