Verlust war gestern

Vollelektrisches Regelsystem für industrielle Kolbenkompressoren

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11.08.2014 Aus physikalischen Gründen ist die Verdichtung von Gasen immer mit einem hohen Energieeinsatz verbunden. Im Zeitalter teurer Energie- und CO2-Zertifikate müssen daher für einen wirtschaftlichen Betrieb Verluste minimiert werden. Ein rein elektrisches Regelsystem für die Liefermenge des Kompressors bietet hier eine optimale Lösung. Es lässt sich leicht nachrüsten, ist gekennzeichnet durch lange Wartungsintervallen und erhöht den Kompressor-Wirkungsgrad im Teillastbereich deutlich.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Aus physikalischen Gründen ist die Verdichtung von Gasen immer mit einem hohen Energieeinsatz verbunden. Ein rein elektrisches Regelsystem für die Liefermenge des Kompressors bietet hier Abhilfe.
  • Hier gibt es eine Lösung: hocheffiziente, zuverlässige Ventile und mit der neuen, stufenlosen Ehydrocom-Regelung für Kompressoren speziell im Bereich 400 bis 1.000 kW eine wirtschaftliche Alternative.
  • Das leicht in bestehende Anlagen nachrüstbare System verdichtet durch gezielte Regelung der angesaugten Gasmenge immer nur so viel Gas unter Energieeinsatz, wie es der Prozess aktuell erfordert.

Die größten Energieverluste bei Kolbenkompressoren entstehen durch eine ungeeignete Mengenregelung. So gehen von der eingesetzten Energie an der Antriebswelle rund 10 % durch Reibung und noch mal 3 bis 10 % durch die Ventile verloren. Eine ungeeignete Mengenregelung – wie zum Beispiel die Bypassregelung – verschwendet je nach rückgeführter Gasmenge dagegen allein schon zwischen 12 % und 50 % der eingesetzten Energie. Hier gibt es zwei Lösungen: Hocheffiziente, zuverlässige Ventile und mit der neuen, stufenlosen Ehydrocom-Regelung für Kompressoren speziell im Bereich 400 bis 1.000 kW eine wirtschaftliche Alternative. Das leicht in bestehende Anlagen nachrüstbare System verdichtet durch gezielte Regelung der angesaugten Gasmenge immer nur so viel Gas unter Energieeinsatz, wie es der Prozess aktuell erfordert.

Einfach, effektiv, elektrisch
Das Regelungssystem baut auf den Erfahrungen der Hydrocom auf. Beide Regelungen setzen auf das sogenannte Rückströmregelungsprinzip. Dazu wird die Liefermenge des Kompressors durch Offenhalten der Saugventile während des Verdichtungshubs reduziert, die überschüssige Gasmenge quasi drucklos aus dem Zylinder zurück in die Saugleitung geschoben. Nach dem Schließen des Saugventils verdichtet der Kolben die verbleibende Restgasmenge. Die Länge des Offenhaltens der Saugventile bestimmt so die Liefermenge des Kompressors. Dieses Prinzip bringt deutliche Kosten- und Energievorteile gegenüber einer Stufenregelung oder dem Bypass für Rückführung, auch Rezirkulation genannt, von energieintensiv komprimiertem Gas. Diese Lösung verzichtet nun zusätzlich auf alle hydraulischen Bauteile, wie Tank, Pumpe, Filter, Kühler oder Leitungen, reduziert so die Komponentenzahl und verringert den Wartungsaufwand. Der rein elektromechanische Antrieb des Ehydrocom-Aktuators baut sehr kompakt und bietet gerade für kleinere Kompressoren der Öl-, Gas-, Prozess- und Chemieindustrie deutliche Vorteile.
Branchenübergreifend fordern Anwender in diesem Bereich einen stabilen, dabei immer flexibleren Betrieb. Entsprechend müssen die Fördermengen komprimierter Gase angepasst werden. Diesem Trend entspricht die Auslegung des Regelungssystems. Es lässt sich problemlos in eine Vielzahl verschiedenster Applikationen einbinden. Da als Anschluss lediglich ein Steuer- und Leistungskabel mit Plug-and-play-Steckverbindungen sowie Leckgas- und gegebenenfalls Sperrgasleitung nötig sind, ist die Regelung leicht nachzurüsten. Besonderes Augenmerk haben die Entwickler darüber hinaus auf niedrige Installations-, Wartungs- und Betriebskosten gelegt. Da Betriebsparameter einer realen Installation können in der Praxis kaum über die ganze Liefermengen-Bandbreite variiert werden, wurde eigens dafür ein Prüfstand entwickelt, auf dem sämtliche Komponenten unter allen real möglichen Bedingungen den Praxisdauertest absolvieren mussten. Auch ließ sich so das Verhalten des Gesamtsystems unter den unterschiedlichsten Bedingungen nachempfinden und optimieren, um höchstmögliche Zuverlässigkeit zu erreichen.

Universell geeignet, schnell installiert
Die Ehydrocom erlaubt nun erstmals, die hocheffiziente Liefermengenregelung – nach dem Rückstromprinzip – und somit den ökonomischen Einsatz auch bei Kompressoren mit kleinerer Antriebsleistung. Für den Anwender spart diese Lösung gleich mehrfach Kosten ein: Die einfache Installation ohne zusätzliche Wasser- bzw. Öl-Kühlkomponenten erlaubt das Nachrüsten selbst bei beschränktem Platzangebot. Die Entwickler konnten hier durch gezieltes Optimieren beispielsweise der Spulengeometrie zur Verringerung der Wicklungsverluste des Aktuators sowie einer speziell auf Schaltverlustminimierung ausgelegte Leistungselektronik die Wärmeentwicklung im System minimieren. Daher reicht eine einfache Konvektionskühlung für das Gehäuse aus. Alle Komponenten sind dabei so ausgelegt und verkapselt, dass sie den einschlägigen Sicherheitsnormen entsprechen. Dies gilt auch für die elektrischen Anschlüsse der komplett vormontiert gelieferten Einheiten.
Das elektromechanische Prinzip mit kontrolliertem Schließen des Ventils verlängert dessen Standzeit und bietet andererseits eine stufenlose, hochdynamische Regelung. So ist auch die volle Kontrolle der Bewegungen von Saugventil und Abhebegreifer gegeben, um deren Geschwindigkeit unabhängig von der Kompressorlast und -drehzahl in gewissen Grenzen zu halten. In Verbindung mit dem reibungsarm aufgebauten Antrieb ist die Regelung für geringen Wartungsaufwand ausgelegt. Die einfache Installation sowie eine automatische Kalibrierung erübrigt aufwendige Einstellarbeiten nach der Erstmontage oder einer Ventilwartung; das verkürzt die (Wieder-)Inbetriebnahme erheblich bzw. erlaubt darüber hinaus das Umrüsten oft innerhalb von regulären Wartungsstillständen.
Das System kann je nach Prozessbedingungen vor Ort den weiten Bereich von 10 bis 100 % Fördermenge abdecken. Es bietet mit seiner dynamischen Auslegung, die jede Kapazitätsänderung innerhalb weniger Umdrehungen zulässt, eine sehr hohe Prozessstabilität, auch bei Anwendungen mit stark schwankenden Volumenströmen. Der Prozesssicherheit kommt zudem der 100 %  ölfreie Betrieb zugute, der eine Kontamination der Gase mit Hydrauliköl ausschließt. Dabei sind alle Komponenten standardisiert, sodass im Fall der Fälle nur wenige, einfach auszutauschende Ersatzteile nötig sind. Je nach Anforderungen kann das Regelungssystem für Wasserstoff, inerte oder korrosive Gase ausgelegt werden. Das gesamte System ist nach Atex und IECEx zertifiziert.

Zahlen aus der Praxis
Die schon mehrfach im Feld eingesetzten Ehydrocom-Systeme bestätigen die auf dem Prüfstand gewonnenen Daten – zum einen die Standfestigkeit der Komponenten, aber auch Regeldynamik. Da nur das tatsächlich aktuell für den Prozess benötigte Gas verdichtet wird, spart beispielsweise ein 900-kW-Kolbenverdichter bei einer durchschnittlichen Förderrate von 80 % gegenüber der bisherigen Bypasslösung rund 180.000 Euro im Jahr ein, basierend auf einem kWh-Preis von 0,12 Euro. Bei größerer Gasrezirkulation über Bypassleitung fällt das Ergebnis noch deutlicher aus. Normalerweise amortisieren sich die Investitionen in das System daher schon in weniger als zwölf Monaten.
Für kleinere Kompressoren von rund 400 bis gegen 1.000 kW bietet das Regelsystem damit auch für das Auf- und Nachrüsten deutliche Vorteile. Ob stark wechselnde Förderbedingungen in der Öl- und Gasindustrie oder unterschiedlichste Gase für die Prozessindustrie und Chemie: Das System verbessert den Teillastwirkungsgrad der verwendeten Kolbenkompressoren in jedem Fall drastisch gegenüber herkömmlichen Regelungen.

Powtech 2014 Halle 4 – 203

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Heftausgabe: August 2014

Über den Autor

Klaus Stachel, Leiter Globales Produkt­management Compressor Mechantronics Hoerbiger Andreas Zeiff, Redaktionsbüro Stutensee
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