Welke technologie hebt u nodig om van uw waterzuiveringsinstallatie een energieleverancier te maken?
De waterzuiveringsinstallatie van Marselisborg maakt gebruik van een holistische benadering om haar systeem te optimaliseren. Naast energie-efficiënte componenten is het vooral de overweging en optimalisering van de eigenlijke processen die een groot potentieel voor energiebesparing bieden. In het verleden gold de zogenaamde 60-30-10-regel: 10% van het totale besparingspotentieel kwam voor rekening van de meest efficiënte motor, 30% van de snelheidsregeling en 60% van de optimalisering en aanpassing van de processen. Leer meer over de snelheidsregeling van pompen en ventilatoren in deze Tech Insight.
In Marselisborg hebben de exploitanten, samen met externe deskundigen, de slibbehandeling en alle zuiveringsfasen in de installatie in detail geanalyseerd en uitgerust met sensoren die op elk moment nauwkeurige gegevens van de processen leveren en deze naar een controlecentrum doorsturen. De hoofdcomputer evalueert deze vervolgens en stuurt de uit de gegevens resulterende regelsignalen terug naar de eunits in het veld, die deze gebruiken om de optimale toerentallen en vermogens voor de ventilatoren, blowers en pompen in te stellen, wat tot de aanzienlijke besparingen leidt. Maar waarom is dat?
Snelheidsregeling van pompen en ventilatoren met kwadratisch belastingskoppel
Pompen en ventilatoren zijn uitstekend geschikt om besparingen te realiseren. Vooral bij ventilatoren en centrifugaalpompen, d.w.z. stromingsmachines met een kwadratische belastingskarakteristiek, daalt het energieverbruik tot de 3e macht met het toerental.
Daarom is het zinvol deze units uit te rusten met een kwadratische karakteristiek met krachtige frequentieregelaars en zo hun toerental optimaal aan te passen aan de respectieve stroombehoefte. De reden hiervoor is dat in de meeste gevallen de pompen en ventilatoren in de water/afvalwatertechniek zijn ontworpen voor het "slechtste geval", d.w.z. voor het maximaal benodigde vermogen. Dit gebeurt echter slechts uiterst zelden; de rest van de tijd draaien zij natuurlijk slechts bij gedeeltelijke belasting. En dit is waar Danfoss VLT® AQUA Drive frequentieregelaars in het spel komen. Maar let op: niet alle pompen en ventilatoren zijn geschikt voor toerenregeling.
In het verleden werd een centrifugaalpomp meestal geregeld door middel van een vlinderklep, wervelklep of driewegklep. Het bedrijfspunt van de machine verschoof langs de pompkarakteristiek als gevolg van de klepregeling. Er is slechts een minimale vermindering van de benodigde energie ten opzichte van het nominale bedrijfspunt van de pomp.
Als de pomp via het toerental wordt geregeld, verschuift het bedrijfspunt langs de systeemkarakteristiek. De benodigde energie wordt tot de derde macht teruggebracht in vergelijking met klepregeling! Een centrifugaalpomp, bijvoorbeeld, heeft slechts een achtste van het vermogen nodig bij de helft van de snelheid. Dit gedrag geldt analoog voor alle turbomachines, ventilatoren, pompen en blowers met een kwadratische karakteristiek.
Naast de pomp- en systeemkarakteristiek geeft het diagram van de karakteristiek ook enkele rendementsgrenzen aan. Zowel de klepregeling als de snelheidsregeling brengen het werkpunt verder weg van het optimale rendement.
Bij ongeveer 32 Hz beginnen de extra verliezen van de pomp groter te worden dan de besparingen. In het getoonde systeem is de energie-optimale frequentie 38 Hz. Indien de pomp niet toerentalgeregeld zou zijn, zou de energiebalans nog slechter zijn.
Installaties in de watertechnologie moeten gewoonlijk worden ontworpen voor piekbelastingen. Dit leidt onvermijdelijk tot een hoog aandeel van deellastbedrijf. Fabrikanten van turbomachines houden nu rekening met dit feit. In sommige gevallen ontwerpen zij hun units zo dat het optimale rendement ongeveer 70 procent van het debiet bedraagt. Bij de aanpassing van bestaande of het ontwerpen van nieuwe systemen moeten de gebruikers bij de keuze van de te gebruiken turbomachines dan ook opletten waar het optimale rendement ligt. Aan de hand van het deellastprofiel van uw toepassing kan gemakkelijk worden bepaald of een dergelijke keuze zinvol is voor uw systeem.
Snelheidsregeling van pompen en ventilatoren met kwadratisch belastingskoppel
Alle procesgegevens komen samen in het centrale besturingssysteem in Marselisborg. De vele gegevens resulteren vervolgens in de nodige snelheden voor een optimale regeling van de pompen, ventilatoren en blowers, zodat de microben optimaal werken, de doorlooptijden precies zijn afgestemd op de mate van verontreiniging en de verwerkingscapaciteit en het energieverbruik worden geoptimaliseerd. Daartoe lopen er vele datapaden door de installatie.
VLT® AQUA Drive frequentieregelaars kunnen op verschillende manieren in dergelijke systemen worden geïntegreerd. Op deze wijze kunnen zij via analoge lijnen worden geregeld door middel van stroom of spanning in een bepaald bereik. Een 0/4..20 mA of 0..10 V signaal is dan beschikbaar op de overeenkomstig geconfigureerde ingangsklemmen en regelt zo de snelheid. Dit wordt tegenwoordig echter zelden aangetroffen in grote fabrieken.
Veldbussen – traditionele of op Ethernet gebaseerde – worden vaker gebruikt. Hier is er een levendige uitwisseling van snelheidsspecificaties van de hoofdcomputer. Tegenwoordig leveren frequentieregelaars ook steeds meer parameters zoals motorstroom, spanning, snelheid en andere systeemgegevens. Vervolgens nemen zij ook de taak van netwerkknooppunten over, waar gebruikers ook extra sensoren kunnen aansluiten via ongebruikte besturingsinterfaces, zodat meer netwerkknooppunten alleen voor sensoren kunnen worden gespaard. De intelligente VLT® frequentieregelaars kunnen de gemeten waarden ook direct in de drive evalueren om de belasting van het netwerk te beperken door de datatransmissie te verminderen. Tegelijkertijd spaart deze voorafgaande evaluatie in de AQUA Drive ook de rekenkracht van de hoofdcomputer, die daardoor beschikbaar is voor andere taken op het besturingsniveau. Bijvoorbeeld om de gisting van het slib tot biogas te optimaliseren, en zo de efficiëntie van het systeem als geheel verder te verhogen.
Immers, elke kilowattuur die niet wordt gebruikt, vermindert het verbruik van energiebronnen en verlaagt de CO2-uitstoot van de hele fabriek.
