Turbos: Energiekosten senken

Als Strömungsmaschinen arbeiten Turbokompressoren mit hohem Wirkungsgrad und liefern Arbeits- und Prozessluft mit minimaler Druckdifferenz. Angesichts dieser Vorteile noch Optimierungspotenziale im Hinblick auf Wirkungsgrad und Energieeffizienz zu finden, fällt schwer, zumal das grundlegende Wirkprinzip dieser Maschinen schon seit Jahrzehnten genutzt und kontinuierlich weiterentwickelt wird. In einem Punkt jedoch hat der Geschäftsbereich Air Solutions von Ingersoll Rand klaren Handlungsbedarf ausgemacht. Bei Schraubenverdichtern ist es üblich, eine zentrale Steuerung für mehrere Verdichter zu installieren, die die einzelnen Kompressoren bedarfsgerecht zu- und abschaltet. Damit spart man, das zeigt die Praxis, erhebliche Energiemengen, so dass sich eine solche Steuerung schnell amortisiert. In Stationen mit mehreren Turbokompressoren erfolgt die Abstimmung der Anlagen auf den Bedarf jedoch zumeist auf althergebrachte Weise: Der Anwender schaltet die einzelnen Verbraucher manuell zu oder ab. Damit erfolgt keine echte Rückkopplung mit dem Bedarf, und von einem effizienten Regelungsprozess kann keine Rede sein.

Dies soll sich mit der Master-Steuerung von Ingersoll Rand ändern. Das Tool automatisiert die Ansteuerung der Kompressoren sowie der Aufbereitungsanlagen in der Druckluftstation. Außerdem können nicht nur die eigenen Centac-Turbokompressoren, sondern auch Fremdfabrikate integriert werden. Das System eignet sich auch für die Nachrüstung vorhandener Kompressorstationen. Anders als bei den Steuerungseinheiten für Schraubenverdichter, handelt es sich bei der Master-Steuerung allerdings nicht um eine Lösung von der Stange. Jede einzelne Steuerung bietet andere Funktionalitäten. Allerdings können die Entwickler auf ein Basissystem aufbauen, das etwa 50 bis 60 % der gewünschten Funktionalitäten abdeckt. Aus dieser Tatsache ergibt sich schon eine weitere Besonderheit: Um die vorhandenen Energieeinsparpotenziale auszuschöpfen, sind intensive Vorarbeiten nötig. Zunächst werden mit modernen Messgeräten die Lastprofile erfasst. Dabei misst man sowohl die Druckluftmengen als auch den Energieverbrauch. Damit wird eine wesentliche Voraussetzung für die Installation der Master-Steuerung geschaffen, denn man kann nun den einzelnen Verdichtern optimale Lastfälle zuordnen. Ebenfalls im Vorfeld der Umrüstung muss die Hardware- und Softwarebasis festgelegt werden. Hier empfiehlt der Hersteller den Einsatz einer S7-SPS von Siemens in Verbindung mit Prozessleittechnik auf WinCC-Basis.

Im Zuge dieser Festlegung wird entschieden, wie die einzelnen Anlagen in das System eingebunden werden, ob man auch Aufbereitungsanlagen integriert und ob bei älteren Turboverdichtern eine steuerungstechnische Umrüstung erforderlich bzw. sinnvoll ist. Die CNC-Steuerung, die Ingersoll Rand bei den Centac-Verdichtern verwendet, bewährt sich beispielsweise auch bei Fremdfabrikaten sehr gut. Zu den Arbeiten, die ebenfalls frühzeitig erledigt werden, gehört die Definition der Messstellen und der Führungsgrößen, die für die Steuerung der Verdichter maßgeblich sind. Auch die Einbindung der Master-Steuerung in übergeordnete Systeme muss in diesem Stadium festgelegt werden. Wenn diese Aufgaben abgearbeitet sind, erstellen die Steuerungstechnikspezialisten zunächst ein Lastenheft, das die Funktionen der Master-Steuerung exakt beschreibt. Dieses wird gemeinsam mit dem Anwender ergänzt, und dann kann die Realisierung beginnen. Dabei ist es sinnvoll, nicht nur die Ebene der Steuerungstechnik zu betrachten, sondern – wenn nötig und möglich – auch Optimierungen am Druckluftsystem vorzunehmen. Dazu kann zum Beispiel eine Überprüfung der Druckluftleitungen auf Leckagen gehören.

Mit der Master-Steuerung lassen sich erhebliche Einsparpotenziale realisieren: Der Anwender betreibt nur die Anlagen, die er für den jeweiligen Lastfall tatsächlich benötigt; Leerlaufzeiten und Abblaseprozesse werden weitestgehend reduziert. Zugleich wird durch die Vernetzung und die zentrale Steuerung der Verdichter sichergestellt, dass die einzelnen Turbokompressoren immer in einem Regelbereich fahren, in dem sie besonders wirtschaftlich arbeiten. Auf diese Weise können selbst bei Anlagen, die zuvor – mit konventionellen Methoden – optimal gesteuert wurden, bis zu 10 % Energie gespart werden. Da Turbokompressoren trotz ihres wirtschaftlichen Arbeitsprinzips leistungsstarke Antriebe benötigen, um die sehr großen Druckluftmengen zu erzeugen, kommen hier rasch beträchtliche Einspareffekte zusammen. Noch größer ist der Effekt natürlich bei Druckluftstationen, die bislang nicht optimal gesteuert wurden. Hier kann man mit der Master-Steuerung sogar 30 bis 40 % elektrische Energie einsparen. Die Spareffekte kann sich der Anwender auch schwarz auf weiß oder auf dem Bildschirm ansehen. Zu den vielen Optionen und Sonderfunktionen, die für die Master-Steuerung erhältlich sind, gehört eine umfassende Kostenabrechnung, beispielsweise in Form von Excel-Tabellen.

Praxiserfahrungen mit der Master-Steuerung liegen bereits vor. So hat Ingersoll Rand bei einem deutschen Chemieunternehmen eine vorhandene Druckluftzentrale vernetzt, die aus fünf Turbokompressoren – vier eigene , ein Fremdfabrikat – und zwei älteren Schraubenverdichtern besteht. Insgesamt erzeugen die Verdichter, die auf zwei Druckluftstationen in zwei verschiedenen Gebäuden verteilt sind, rund 18 000 Nm3/h Druckluft. Aus Gründen der Versorgungssicherheit werden zumeist fast alle Maschinen gleichzeitig betrieben. Dem Wunsch des Anwenders, ein zentrales Energiemanagement für beide Druckluftstationen zu realisieren, konnte mit der Mastersteuerung entsprochen werden. Als Ergebnis der Druckluft- und Energieverbrauchsmessungen wurden Tagesgang- und Wochenganglinien definiert, denen jeweils optimale Kompressoren-Kombinationen zugeordnet wurden. So ist sichergestellt, dass die benötigte Druckluft stets effizient zur Verfügung gestellt wird – unabhängig davon, ob die gesamte Station mit hoher Leistung fährt oder nur gering beansprucht wird.

Die Steuerung selbst ist in einer der beiden Stationen installiert. In der anderen Station befindet sich ein Steuerschrank, der die relevanten Daten sammelt und über Lichtwellenleiter an die Masterstation mit der zentralen Steuerung schickt. Zuvor wurden die beiden Schraubenkompressoren steuerungstechnisch auf den neuesten Stand gebracht, damit sie vernetzungsfähig sind. Die Steuerung arbeitet auf der Basis einer Siemens-SPS vom Typ S7–400. Für das Bedienen und Beobachten wurde mit WIN CC eine komfortable Lösung realisiert: Alle Informationen stehen objektorientiert und grafisch zur Verfügung.

Die Master-Steuerung wurde einschließlich aller Vorarbeiten in einem Zeitraum von knapp sechs Monaten implementiert – ohne Unterbrechung der Druckluftversorgung. Nachdem die Steuerung installiert war, wurden die Kompressoren nacheinander aufgeschaltet. Im laufenden Betrieb wurden dann einzelne Parameter noch justiert und angepasst, um eine aus technischer und wirtschaftlicher Sicht optimale Fahrweise der gesamten Druckluftzentrale sicherzustellen. Nach ersten Auswertungen kann das Unternehmen seine druckluftbedingten Stromkosten – die zwischen 60 und 70 % der Lebenszykluskosten einer Druckluftstation ausmachen – um rund 30 % senken. Bei sieben Kompressoren, die insgesamt 18 000 Nm3/h Druckluft erzeugen können, ergibt das eine stattliche Summe.

Dieses Anwendungsbeispiel ist insofern untypisch, als nicht zuletzt wegen der auf zwei Gebäude und zwei Druckluftstationen aufgeteilten Erzeugung besonders hohe Einsparpotenziale erschlossen werden konnten. Repräsentativer für den Nutzen der Mastersteuerung in einer modernen Druckluftzentrale ist ein zweites Beispiel. Hier erzeugen acht Turbokompressoren – sieben davon sind Centac-Verdichter – 40 000 Nm3/h Druckluft und der Anwender machte eine Energieeinsparung von 10 % zur Voraussetzung für die Installation der Master-Steuerung. Dieser Wert wird in der Praxis nicht nur erreicht, sondern übertroffen. Und angesichts der großen Druckluftmengen ergibt sich schon bei einem um 12 oder 14 % geringeren Druckluftbedarf ein erhebliches Einsparpotenzial.

cav 404

Kompressorenprogramm und Druckluftlösungen

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