Primärluftversorgung der Rostfeuerung

Bei der Primärluftversorgung einer Rostfeuerung wird diese üblicherweise meistens mit einem Primärluftgebläse versorgt, wie unter Variante 1 dargestellt. Die Luft wird dabei z.B. bei einer Rostfeuerung einer MVA wahlweise aus dem Müllbunker oder unter der Kesselhausdecke angesaugt. Nach dem Gebläse wird diese dann über einen Wärmetauscher geführt und von dort auf die linke und rechte Rostbahn und da dann jeweils auf die einzelnen Rostzonen verteilt.

Die Grundeinstellung, abhängig von der Kessellast wird meistens über einen Drallregler vor dem Gebläse geregelt. Der unterschiedliche Luftbedarf der einzelnen Rostzonen wird jeweils vor der Zone mit einer Drosselklappe geregelt. Die gleichmäßige Verteilung zwischen linker und rechter Rostbahn wird meistens bei der Inbetriebnahme durch eine Blende fest eingestellt. Die Primärluft für die Zonen 1-3 wird durch einen Luftvorwärmer auf z.B. 180°C vorgewärmt. Die Ausbrandzone 4 wird mit der kalten Luft ca. max. 50°C beaufschlagt.

Vorteil der Variante 1:

Es wird nur 1 Gebläse und nur 1 Luftvorwärmer benötigt.

Nachteil der Variante 1:

Der Drallregler ist immer nur soweit im Einsatz, wie die ungünstigste Zone dies vom erf. Betriebspunkt zulässt. Dies bedingt eine schlechte Energiebilanz.

Da derartige Roste von der Konsistenz des Beschickungsmaterials nicht immer gleichmäßig beaufschlagt werden können, kann der hierdurch entstehende Schiefbrand zwischen den beiden Rostbahnen nicht ausgeregelt werden. Dadurch muss die Rostgeschwindigkeit zurück genommen werden, was den Durchsatz der Anlage beeinträchtigt.

Bei der aufgezeigten Variante 2 werden mit 8 Einzelgebläsen jeder Zone auf jeder Rostbahn ein eigenes Primärluftgebläse zugeordnet. Diese können jetzt sinnvollerweise auch mit Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter ausgestattet werden. Den Primärluftgebläsen für beide Rostbahnen und Zonen 1-3 wird jeweils ein kleiner Luftvorwärmer nachgeschaltet, die wie unter Variante 1 die Primärluft auf z.B. 180°C vorwärmen. Die Ausbrandzone 4 wird jeweils mit der kalten Luft ca. max. 50°C beaufschlagt.

Vorteil der Variante 2:

Schiefbrand zwischen den Rostbahnen kann ausgeregelt werden. Keine Rücknahme der Rostgeschwindigkeit erforderlich und damit höherer Anlagendurchsatz möglich.

Keine zus. Widerstände für Klappen und Blenden. Der Bedarf kann je Zone und Rostbahn über die Drehzahl jedes einzelnen Gebläses angepasst werden. Dies bedingt eine optimale, effizientere Energiebilanz.

Die Einzelgebläse je Zone werden so klein, dass diese in einer einfacheren Bauform (Laufrad direkt auf der Motorwelle) gebaut werden können = Preisvorteil zu einen Kupplungsgebläse.

Nachteil der Variante 2:

8 Einzelgebläse, 6 Einzelwärmetauscher sind vom Anschaffungspreis meist ungünstiger als eine große Einheit.

IoT-basierte (PdM) Predictive Maintenance für das (CFS) Complete Fan System

Ventilatoren-Lieferanten als Systemanbieter sollten den Mehrwert einer IoT-basierten (PdM) Predictive Maintenance nutzen. Immer mehr Anbieter versuchen im Zusammenhang mit dem IIoT industriellem IoT Maschinen intelligenter zu machen, um beispielsweise durch Machine-Learning-Analyse die Anlagenzuverlässigkeit und vorausschauende Wartung durch intelligente Sensoren an den Maschinen und Cloud-Software Lösungen den Kunden in die Lage zu versetzen, den Zustand seines Maschinenparks in Echtzeit zu überwachen, zu bewerten und kritische Situationen vorherzusagen.

Beispiele wie Lösungen des als industrielle IoT-Startup gegründeten Unternehmens Petasense siehe,

https://petasense.com/products/motes/

aber auch der von SKF angebotenen Enlight Quick Collect siehe,

http://www.skf.com/de/products/condition-monitoring/basic-condition-monitoring-products/vibration-measurement-tools/quickcollect-sensor/index.html

für Schwinggeschwindigkeits-, Hüllkurvenbeschleunigungs- und Temperaturmessungen mit der Option zum Remote Diagnistic Service, bieten sich für die Lagerüberwachung an.

Aber auch das Smart Motor Concept von Siemens siehe,

https://www.siemens.com/global/de/home/produkte/antriebstechnik/digital-drive-systems/smart-motor-concept.html

bzw.  die von ABB angebotenen Smart Sensoren siehe,

http://new.abb.com/motors-generators/service/advanced-services/smart-sensor

bieten Teillösungen zur Zustandsfernüberwachung von Motoren.

Für einen Ventilatoren-System-Lieferant bietet es sich also an, aus den vielen Teillösungen und den Möglichkeiten die bereits verfügbare Remote Support mit Augmented Automation Anwendungen, wie z.B.  Lösungen der Firma Alexander Bürkle dem Service bieten  siehe,

https://www.alexander-buerkle.de/augmented-automation ,

ein einheitliches webbasierendes Portal zu erschaffen, das all die für den störungsfreien Betrieb eines Ventilatorsystems notwendigen Einzellösungen zu einem stimmigen Gesamtkonzept konzipiert und so seinen Kunden nicht nur bereits die entsprechenden intelligenten Sensoren für die Lagerung, die Motoren etc, sondern auch für die Frequenzumrichter entsprechende Tools für den Online-Zugriff auf die Antriebsinformationen, Behebungen von Störungen etc. wie z.B. mit dem Drivebase von ABB mit anbietet.

All dies würde den Prozeß-Ventilator IIoT-fähig machen und dem Anbieter eine erweiterte Service-Leistung bieten mit einer win-win-Situation für Anbieter und Betreiber.

Verpasste Chancen?

Die Reduktion des Primärenergieverbrauchs um 50% gegenüber 2008 ist eine der Säulen des Energiekonzeptes 2050 der Bundesregierung Deutschland.

Die Bundesregierung hat sich ambitionierte Ziele zur Steigerung der Energieeffizienz gesetzt. Diese wurden mit der Verabschiedung des Nationalen Aktionsplans Energieeffizienz (NAPE) bekräftigt. Um diese Ziele zu erreichen, hat sie einen Energieeffizienzfonds zur Förderung der rationellen und sparsamen Energieverwendung aufgelegt, auf dessen Grundlage unter anderem die Förderung hocheffizienter Querschnittstechnologien vorgesehen ist. Mit ihrer Hilfe sollen die bestehenden Einsparpotentiale erschlossen und Ressourcen eingespart werden.

Die aktuelle Richtlinie zum Einsatz hocheffizienter Querschnittstechnologien wurde am 10. Mai 2016 im Bundesanzeiger veröffentlicht. Das Förderprogramm wird bis Ende 2019 fortgeführt. (Quelle BAFA)

Nach oben beschriebenem Förderprogramm werden u.a. die Querschnittstechnologien Ventilatorsysteme, also Ventilatoren und Antriebssysteme bei der Umrüstung auf neue, effizientere Systeme gefördert. Siehe hierzu die BAFA Publikationen unter den Merkblättern Einzelmaßnahmen und Optimierung technischer Systeme.  Leider nehmen die Betreiber von Anlagen mit Prozeß-Ventilatoren dies kaum in Anspruch.

Unter der HBC Horst Benderoth Consulting berate ich Anlagenbetreiber bei der Umrüstung der Prozeß-Ventilatoren auf hocheffiziente CFS (Complete Fan System). D.h. Ventilatorensyteme mit PDS (Power Drive System), sprich hocheffiziente neue Motoren mit Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter CDM (Complete Drive Modul). Bei der Umsetzung spüre ich jedoch Zurückhaltung. Dies ist mir ein Rätzel. Denn in fast allen Fällen liegt die zu erzielende Energieeinsparung bei 30% und mehr.  Mir sind Fälle unter gekommen, wo in der Kombination der Fehler sowohl des Regelungskonzeptes als auch der verfahrenstechnischen Einbindung sich nach Auswertung der Daten im Jahresmittel Energie-Einsparungen von 68% nach einer Umrüstung ergeben hätten. Mir sind aber auch Aussagen im Gedächtnis geblieben, bei denen mir Betreiber trotz Amortisationszeiten von <= 2 Jahren unter vorgehaltener Hand vorgerechnet haben, daß meine Rechnung so nicht stimme, wenn ich den Nachteil bei der EEG-Umlagenbefreiung, der sich durch derart hohe Energie-Einsparungen ergeben würde, gegen rechne.

Soll also wirklich Energie-Einsparung gefördert werden? Oder ist die Zielsetzung bei dem Energiekonzept 2050, bei dem unter anderem eine Reduktion des Primärenergieverbrauchs um 50%  gegenüber 2008 deklariert wird, nur eine schön klingende Aussage. Bzw. sind Passagen der EEG-Umlagenbefreiung kontraproduktiv zum Ziel der Energie-Einsparung?

Koyaanisqatsi – GoGo Penguin

Ich war am 18.08-19.08.2017 zu einem Konzertbesuch in der Elbphilharmonie in Hamburg. Das Trio GoGo Penguin aus Manchester hat für den zivilisationskritischen Kultfilm Koyaanisqatsi von Godfrey Reggio einen neuen Soundtrack kreiert.

Koyaanisqatsi ist der erste Teil der Qatsi-Trilogie von Godfrey Reggio, der sich mit dem Eingriff des Menschen in die Natur und generell zivilisationskritisch mit der menschlichen Lebensweise beschäftigt. Der Film erschien 1982 in den Kinos. Mit seinen Fortsetzungen Powaqqatsi (1988) und Naqoyqatsi(2002) bildet Koyaanisqatsi die Qatsi-Triologie. (Quelle Wikipedia)

Der packende Wechsel von in Zeitlupe- und Zeitraffer aufgenommenen Bildsequenzen wurde extrem gut, sequenzgenau und zur Stimmung passend von dem Trio GoGo Penguin untermalt. Dies hat den hypnotischen Sog der stark wechselnden und beschleunigten Bilder noch verstärkt.

Der Film lässt dem Betrachter eine eigene Interpretation der Aussage frei. Ich selbst fand auch und gerade durch den perfekt passenden, auf die Wechsel abgestimmten Soundtrack für mich die folgende Aussage.

Durch den dargestellten Gegensatz wurde die Vergänglichkeit des menschlichen Schaffens dargestellt. Einerseits die in Harmonie dargestellte Natur, symbolisiert durch faszinierende Landschaftsaufnahmen untermalt mit harmonischen Klängen, und andererseits die vom Menschen geschaffenen unharmonisch und vergänglich dargestellten Objekte, symbolisiert durch Bilder des maschinenhaften Pulses der Menschen und im Zeitraffer dahin eilenden endlosen Autoschlangen, mit bedrohlichen Klängen begleitet.

Koyaanisqatsi (Leben im Ungleichgewicht) wurde als Gesamtkunstwerk von Film und Musik exakt auf den Punkt gebracht. Das Konzert im großen Saal der Elbphilharmonie mit ausgefeilter Akustik war ein starkes Erlebnis.

Ventilatorenbauer und elektrische Antriebstechnik vereint der Systemgedanke

Ausgangsbasis, Antriebskraft und Zielsetzung der EU-Richtlinien ist die Forderung nach Energieeffizienz.

Sowohl die Verordnung (EU) Nr. 327/2011 zur Durchführung der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Ventilatoren, die durch Motoren mit einer elektrischen Eingangsleistung zwischen 125 W und 500 kW angetrieben werden, als auch die auf die elektrischen Antriebe bezogene EN 50598 kommen zu der Einsicht, dass nicht Komponenten Energie einsparen sondern komplette Systeme in den tatsächlichen Anwendungen.

So wurden erstmals in der EU-Verordnung Nr. 327/2011 bei der Mindesteffizienz-Anforderung an Ventilatoren die Wirkungsgrad- bzw. Verlustbetrachtungen nicht nur für das Produkt Ventilator, sondern für das Gesamtsystem Ventilator, inkl. Gehäuse, Moment übertragende Komponenten, Antriebsmotor und Regelung deklariert. Bei der Regelung werden hier allerdings nicht so deutlich wie interessanterweise bei der Antriebstechnik verschiedene Lastpunkte festgeschrieben. Dies kann bei der reinen Betrachtung im Auslegungspunkt zu der kuriosen Situation führen, dass hier ein im Auslegungspunkt offenes Regelorgan Klappe bzw. Drallregler weniger Verluste aufweist als ein CDM (Complete Drive Module = Frequenzumrichter). Was ganz anders aussieht, wenn mehrere Lastfälle betrachtet werden.

Bei der Norm zur Ökodesignanforderung für elektrische Antriebssysteme im Niederspannungsbereich EN 50598 hingegen wird die Verlustbestimmung sowohl der Antriebskomponenten Motor, als auch CDM in 8 verschiedenen Auslastungspunkten vorgegeben. Diese Einzelverluste werden dann zu den Power-Drive-System- / Motorensystemverlusten addiert. Erwähnt wird hier bereits auch der Energieeffizienindex (EEI) einer elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschine. Wobei hier lediglich der Hinweis erfolgt, dass zur Ermittlung des EEI die Verluste des eingesetzten Motorsystems vorliegen müssen um dann die Verluste der Arbeitsmaschine inklusiv der Moment übertragenden Module hinzu zu addieren.

Beides die Arbeitmaschine (in unserem Fall der Ventilator) und das Motorsystem (PDS) bilden das Erweiterte Produkt bzw. in unserem Fall das Ventilatorsystem. Obgleich ja gerne alle Abkürzungen aus den englischen Begriffen hergeleitet werden, habe ich für das Ventilatorsystem noch nichts passendes gefunden. Vorschlag nennen wir es doch einfach CFS (Complete Fan System).

Da aber der entscheidende Ansatz der Verlustvermeidung bei der Wahl des Regelkonzeptes zu den verfahrenstechnischen Anforderungen des Kundenprozesses bestimmt wird, sollte also auch logischerweise die konzeptionelle Gestaltung, Lieferung und damit Verantwortung des erweiterten Produktes Ventilatorsystem in einer Hand bei dem Ventilatorlieferanten angesiedelt sein. Nur er kann bei den vom Verfahrentechniker vorgegebenen Lastpunkten einer Anlage die mit der Ventilatorkennlinie und dem entsprechend gewählten Regelungskonzept sich ergebenden Arbeitspunkte und damit den Energieeffizienzindex (EEI) des kompletten Ventilatorsystems (CFS) bestimmen. Eine strickte Trennung von Maschinenbau und Antriebstechnik muss dem Energieeffizienzgedanken weichen. Deshalb plädiere ich dafür, das CFS als Einheit zu betrachten und die Konzeptionierung und Lieferung in einer Hand zu belassen.

Systemverantwortung gehört in eine Hand

Obgleich die Verordnung (EU) 327/2011 hohe Ventilator-System-Wirkungsgrade fordert, finde ich als Berater zur Effizienz von Prozeß-Ventilatoren immer wieder grundlegende Fehler in den Anlagen vor, die aus teilweise effizienten Einzelkomponenten ineffiziente Ventilator-Systeme ergeben.

Warum ist das so?

  1. Ausschreibungsfehler:                                                                                                                     Obgleich bekannt ist, daß gut 31,3 % entsprechend ca. 170 TWh des Stromverbrauchs in Deutschland auf elektrische Antriebe bzw. elektromotorisch angetriebene Systeme entfallen, und davon ein großer Teil auf die Querschnittstechnologien Pumpen und Ventilatoren entfällt, werden in den Ausschreibungen leider immer noch absolut uneffiziente Regelungskonzepte vorgegeben. Hier sollten die Planer endlich einmal überhohlte Ausschreibungs-Spezifikationen überarbeiten und nicht alt hergebrachtes dauern aus der Schublade ziehen. Denn hier könnten allein durch effizientere Motore und Drehzahlregelung rund 28,5 TWh/Jahr eingespart werden. Bei nur 10 ct/kWh ergäbe dies eine Kosteneinsparung von 2,85 Mrd. €/Jahr bzw. eine Senkung des CO2-Ausstoßes von 17 Mio. t/Jahr. Auch wenn dem Anlagenbauer (2-ter in der Kette) diese Tatsache bewusst ist, bleibt ihm nichts anderes übrig, als erst einmal gemäß Ausschreibungs-Spezifikationen anzubieten, will er den Auftragszuschlag erhalten. Kommt dann der Ventilator-Lieferant (3-ter in der Kette) und  will seinen Kunden (den Anlagenbauer) von dem besseren, weil effizienteren Konzept überzeugen, indem er aufwendig alternative Lösungen aufzeigt, ist für derartige Konzepte kein Geld im Budge. D.h. hier gehen dann wieder einmal Investkosten vor den Lebenszykluskosten.
  2. Verfahrenstechnische Einbindung:                                                                                               Leider werden auch häufig Prozeß-Ventilatoren verfahrenstechnisch falsch eingebunden. So sind mir Saugzugventilatoren in Rauchgasreinigungsanlagen aufgefallen, die je einer Reinigungsstufe zugeordnet sind und mit einer offenen Bypaßregelung eingesetzt waren. Als der Betreiber die Leistung erhöhen wollte sind ihm Umrüstungen der Saugzüge auf höhere Leistung und mit Drehzahlregelung angeboten und eingebaut worden. Mit dem Ergebnis, daß die Drehzahlregelung selbstverständlich vollkommen unwirksam ist, da der neue Saugzug so halt nur ein noch höheren Volumenstrom im Kreislauf bei voller Drehzahl fördert. So bringt selbst die effizienteste Antriebstechnik keine Energie-Ersparung.
  3. Zu- und Abströmbedingungen:                                                                                                       Durch strömungstechnisch schlechte An- und Abströmverhältnisse reduziert sich nicht nur der Wirkungsgrad eines Ventilator-Systems um mehrere Prozentpunkte, nein bei den so entstehenden Verwirbelungen und instationären Strömungszuständen können auch erhebliche Schäden verursacht werden. Auch hier beginnen die Fehler meist bereits in der Planung der Gesamtanlage. Planer sind stolz jeden Quadratmeter Fläche ausgenutzt zu haben und Luft- und Rauchgaskanäle mit 90-Grad Umlenkungen unter Ausnutzung jeder freien Ecke Platz optimal geführt zu haben. Damit dann die Anlage noch kompakter und günstiger wird, werden Kanalquerschnitte noch weiter reduziert. Allein hier könnten durch strömungsgerecht ausgeführte Kanalführungen und somit Widerstandreduzierungen erhebliche Energie-Einsparungen erzielt werden.  Mir sind Umrüstungen bekannt bei denen allein an einem großen Saugzuggebläse bei gleicher lufttechnischer Leistung der Energiebedarf von vorher 9.902 kW auf 8.675 kW reduziert werden konnte. Eine Energie-Einsparung von 1.227 kW. Bei einer Anlagenlaufzeit von 8.000 h/Jahr also 9.816.000 kWh entsprechend bei 10 ct/kWh immerhin eine Kostenreduzierung von 981.000,– Euro/Jahr.

Fazit:                                                                                                                                                                 Die Verordnung (EU) 327/2011 fordert hohe System-Wirkungsgrade. Dann sollten Ventilator-Lieferanten auch System-Verantwortung übernehmen. Das geht aber nur, wenn der Liefer- und Leistungsumfang auch in die Hand des Ventilator-System-Lieferanten gegeben wird.

Augmented Automation Service eine Lösung für Ventilator-System-Anbieter?

Bildquellen: HBC Horst Benderoth Consulting, Reitz Ventilatoren, Alexander Bürkle,  

Der technologische Fortschritt bei dem Thema IoT (Internet of Things) und dem exponentiellen Wachstum der Rechnerleistung wird uns Lösungen als denkbar erscheinen lassen, bei dem sich das Ventilator-System selbst überwacht und bei drohenden Störungen sich rechtzeitig beim zuständigen Service-Personal anmeldet.

So wie heute schon E-Motore mit der Remote Condition Monitoring-Lösung, mit intelligenten Sensoren ausgerüstet werden können, die Daten zu Vibration, Temperatur, Überlastung, Energieverbrauch etc. liefern und mit seinen On-Board-Algorithmen Informationen über den Zustand des Motors über ein Smartphone oder das Internet an einen sicheren Server weiterleiten, könnte dies eine Entwicklung für das gesamte Ventilator-System sein.

Ist die von der Leistungselektronik gesteuerte Drehzahlregelung, der Beginn zur Digitalisierung des Ventilatorsystems?

Online Condition Monitoring ist heute – erlauben Sie mir hierzu einen Blick in die Zukunft.
Das Ventilatorsystem ist komplett mit Smart Sensoren ausgestattet.

Folgendes Szenario in Anlehnung an den Bericht „keine Angst vor der automatisierten Wartung“  Autor: Anne Prokopp – erschienen unter www.industry-of-things.de  auf Ventilator-Systeme bezogen, würde sich wie folgt darstellen:

Ein Servicetechniker wird über eine Push-Benachrichtigung auf seinem Smartphone über einen abweichenden Sollwert informiert. Parallel dazu wird im Issue-Tracking-System (ITS) ein Ticket zu diesem Vorgang angelegt. Das ITS ist mit dem Enterprise Resource Planning (ERP) verbunden, worüber die Wartungshistorie der Maschine beziehungsweise des Bauteils eingesehen werden kann. Hinweise, wie ein defektes Bauteil zu wechseln ist, erhält der Servicetechniker aus der technischen Dokumentation in Form von Hilfevideos, Bildern und Texten auf sein Smart Glasses. Während der kompletten Maßnahme besteht jederzeit die Möglichkeit, sich über Remote Service Hilfe bei einem Kollegen oder Vorgesetzten zu holen, der sich an einem anderen Ort befindet, bzw. bidirektional mit einem entfernten Experten zu kommunizieren. Mittels Augmented Reality, also permanente, mobile Erweiterung der visuellen Warnehmung durch Einblendung von Echtzeitinformationen mittels Head-Up-Displays kann so der Experte dem Servicetechniker vor Ort die notwendigen Informationen einblenden und ihn bei der Fernwartung führen. Das heißt, Augmented Automation Service- Lösungen. Also audiovisuell unterstützte Fernwartung.

Eine Anbindung an das Lagerverwaltungssystem bucht dann das verbaute Ersatzteil automatisch aus dem Bestand. Der Tausch wird dokumentiert und mit allen generierten Daten in der Wartungshistorie abgelegt.

Der wirtschaftliche Vorteil läge nicht nur in einer ausfallsicheren Anlage für den Betreiber, sondern auch in einem deutlichen Mehrwert des Service-Anbieters.

Erforderliche Abstimmarbeiten des Ventilator-Systems

Spätestens seit der EU-Richtlinie 327/2011 hat sich bei Ventilatoren die Systembetrachtung durchgesetzt. Wobei die Richtlinie vordergründig nur den Wirkungsgrad des Gesamtsystems im Blickwinkel hat.

Bei kleineren Ventilator-Einheiten, wie sie beispielsweise in der Kälte-, Klima- und Gebäudetechnik eingesetzt werden, ist der Systemgedanke gängige Praxis. Hier wird zur Erreichung eines guten Systemwirkungsgrades und damit eines effizienten Produktes an allen Stellschrauben gedreht. Bei den sogenannten EC-Ventilatoren reicht das von aerodynamisch optimierten Hochleistungslaufrädern in optimerten Gehäusen mit Spiralkontur, über den Einsatz von EC-Motoren (Electronical Commutation), also Synchron-Motore mit Permanentmagneten und elektronischer Kommutierung (Stromwendung) durch Transistoren bis hin zur passenden elektronischen Steuerung für eine stufenlose steuerbare Drehzahl. Der erforderliche mechanische, elektrische akustische und letztlich schwingungstechnische Abgleich ist hier, bei Lieferung eines Gesamtsystems aus einer Hand eine Selbstverständlichkeit.

Anders sieht dies bei größeren Prozeß-Ventilatoren aus. Die auf den ersten Blick aus kommerzieller Sicht selbstverständliche Aufteilung der Liefergrenzen – Ventilator (Maschinenbau) auf der einen Seite, regelbarer Antrieb, also Motor und Frequenzumrichter, zur E-Technik bzw. Regelungstechnik auf der anderen Seite – hat nicht nur den Nachteil einer unklaren Verantwortlichkeit des Ventilator-Systemwirkungsgrades, diese Aufteilung führt auch zu einer Grauzone in der sich für das Abstimmen im Hinblick auf einen schwingungsarmen Lauf nach ISO/DIS 14694 bzw. >300 kW Antriebsleistung nach DIN ISO 10816-3 keine der beiden Lieferparteien zuständig fühlt, und so diese zwingend erforderlichen Arbeiten meist vernachlässigt werden. So treten zwangsläufig Schwingungsprobleme des Gesamtsystems auf, mit dem Ergebnis, dass die Schwingungsprobleme und die hieraus entstehenden Schäden als Garantiepunkt zwischen den Parteien strittig hin und her geschoben werden.

Das Ergebnis meiner Untersuchungen in den vielen Jahren meiner aktiven beruflichen Laufbahn zeigte nun, dass es sich bei einem drehzahlgeregelten Ventilator-System schwingungstechnisch um ein sehr komplexes System handelt. Dieses System ist nicht einmal mit Hilfe modernster Rechnerprogramme, wie z.B. Finite Elemente oder Modalanalysen, in einem angemessenen Aufwand vorausbestimmbar. Da z.B. bei einer Wellenstrangberechnung nicht nur die Federkonstanten der Einzelelemente Motorwelle, Kupplung, Ventilatorwelle sondern als Ansatz der Berechnung natürlich auch die Antriebsdrehmomente, der Regelbereich und damit die Erregerfrequenzen bekannt sein müssen. Hier gibt es aber zu dem gewollten und berechenbaren Antriebsgrunddrehmoment eine Vielzahl an systembedingten, und vor allem durch Parametrierung veränderbaren, zur jeweiligen Grundfrequenz überlagerten Oberwellendrehmomente. D.h. eine rein theoretische Betrachtung ist so gut oder falsch wie der Ansatz. Das bedeutet, Resonanzschwingungen können konstruktiv nur aufwendig vermieden werden, wenn die Erregerfrequenzen, -momente bzw. –kräfte bekannt sind. Diese sind aber parametrierbar und insofern im Voraus nicht festlegbar.

Die Ursache liegt also in der Kombinationsvielfalt von den verschiedensten Erreger- und Eigenschwingungen:

Im Folgenden sind einige der Schwingungsursachen dargestellt.

  1. Der gewünschte Regelbereich von z.B. 5-50 Hz, d.h. ein weites Spektrum an Erregerfrequenzen.
  2. Die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters enthält neben der gewünschten Grundschwingung Lamda = 1 eine Reihe von Oberschwingungen mit den Ordnungszahlen Lamda = 5,7,11 usw. Diese Oberschwingungen bewirken abwechselnd mit- und gegensinnig zu den Grundschwingungsfeldern mit lamda-facher Geschwindigkeit umlaufende zusätzliche Drehfelder. Hierdurch können asynchrone Sattelmomente gebildet werden. In jedem Fall aber treten zusätzliche magnetische Anregungen durch Umrichterspeisung im Motor auf.
  3. Resonanzen können im Motor und im Ventilator auftreten. Ein Beispiel: Allein die Tatsache, Wälzlager bei verschiedenen Frequenzen von 5-50 Hz zu betreiben, kann im Lager zu Resonanzen führen. Wird die Erregerfrequenz jetzt noch von Oberwellen lamda-facher Ordnung überlagert, ist die Wahrscheinlichkeit, Resonanzpunkte zu erhalten, um ein Vielfaches gestiegen.
  4. Resonanzverhalten durch Eigenspannungen: Ein Ventilator bleibt selbst bei stabilster Ausführung letztlich eine Blechschweißkonstruktion mit den verschiedensten Eigenspannungen im Blech, schwingungstechnisch ein idealer Resonanzkasten. Erregt man diesen, wie unter 1. und 2. beschrieben, trifft man mit 90%-iger Sicherheit auf Resonanzpunkte, die durch Verstimmen beseitigt werden müssen.
  5. Nicht zu unterschätzen ist die Tatsache, dass bei einem Ventilator ein kompressibles Medium gefördert wird, das kleinste drehfrequente Schwingungen verstärkt und nicht, wie z.B. bei einer Pumpe, dämpft. Dies ist im Übrigen auch ein Grund warum bei Ventilatoren mit falsch parametrierten Frequenzumrichtern es bei Anlagen mit häufigen Lastwechseln zu Kupplungsschäden kommt.

Außer der Schwingungsproblematik des Ventilators treten auch Resonanzschwingungen z.B. der Trafobleche des Antriebmotor durch Oberwellen bei FU-Betrieb auf. Diese führen zu einer Schallpegelerhöhung, die je nach FU-System und Parametrierung zwischen 5-12 dB(A) liegen kann. Aber auch angeregte Blechflächen des Ventilatorgehäuses oder der Motorkonsole können in Resonanzschwingungen versetzt werden und als solche wie eine Membrane wirken und selbst zur neuen Schallquelle, die die tonale Frequenz der Taktfrequenz des FU´s widerspiegelt,
werden.  

Letztlich führen sogenannte Common-mode Spannungen und Ströme bei nicht sachgerechter optinaler Ausstattungen des Motors und des Frequenzumrichters, aber auch des Erdungskonzepts durch ein kapazitiv eingekoppeltes Wellenpotential zu Lagerströmen und damit Lagerschäden.  

Konsequenz:

Das System Ventilator, Motor und Frequenzumrichter muss aus schwingungstechnischer Sicht so aufeinander abgestimmt werden, dass über den garantierten Regelbereich alle Resonanzschwingungen beseitigt werden, um die geforderte Schwinggüte nach ISO/DIS 14694 bzw. >300 kW Antriebsleistung nach DIN ISO 10816-3 einhalten zu können. Die hierzu erforderlichen Arbeiten sind in jedem Fall von den Komponentenlieferanten zu fordern, da anderenfalls die erforderliche Schwinggüte nicht garantiert werden kann. Die Abstimmarbeiten eines drehzahlgeregelten Ventilators sollten idealerweise (soweit von der Leistungsgröße her wirtschaftlich sinnvoll) auf einem Ventilatorenprüfstand durchgeführt werden, weil nur hier klar zwischen elektrischen Schwingungen des Antriebs, mechanischen Schwingungen des Ventilators oder aber Schwingungen der vom Ventilator aufgebauten Gassäule (Pumpen, Strömungsabrisse, Verwirbelungen im Leitungssystem etc.) unterschieden werden kann. Auf diese Art und Weise lassen sich im Vorhinein Unstimmigkeiten über Ursache und Wirkung im Anlagenprozess vermeiden. Im Prüffeld kann jede Rückwirkung des Systems ausgeklammert werden und somit ein optimales und vor allem stabiles, schwingungsarmes Laufverhalten eingestellt, parametriert und dokumentiert werden. Dies ist auch mit ein Grund weshalb das Ventilator-System (also Ventilator, Motor und Regelung) auch bei größeren Prozeß-Ventilatoren in einer Hand bleiben sollte.

 

 

 

Nennen Sie das strömungsgerechte Ausführung?

Haben wir wirklich nichts dazugelernt?
Trotz der Möglichkeiten mittels CFD-Analysen strömungsgerechte Zu- und Abluftleitungen zu gestalten, sehen Leitungsführungen der Luft- bzw. Rauchgaskanäle heute nicht besser als früher aus.

Bei einer derartig schlechten Kanalführung,  wie diese CFD-Analyse der Firma NECON InnoSys GmbH bei der Untersuchung eines Ansaugkanals des Primärlüfters in einem Kraftwerk zeigt, kann weder der Ansaugschalldämpfer seine bestimmungsgemäße Wirkung entfalten, noch die nach dem Schalldämpfer sich ergebende Zuströmung zu dem Prozeß-Ventilator als optimal bezeichnet werden. Ganz im Gegenteil. Durch die Verwirbelung und ungleiche Anströmung des Schalldämpfers sorgen diese instationären Zustände für unterschiedliche Beaufschlagung der einzelnen Kulissenspalten. Diese zeitlich wechselnden Strömungsprobleme sorgen für Teilströmungen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und damit unterschiedlichen Druckverhältnissen zwischen den Kulissen. Diese Druckpulsationen führen auf Dauer zu Beschädigungen der Schalldämpfer-Kulissen.  Ganz abgesehen davon, daß die eigentliche Dämpfungswirkung des Schalls, für die der Schalldämpfer eigentlich ausgelegt ist, damit nicht erreicht werden kann.

Das selbst bei gleicher Kanalführung mit richtiger Anordnung von Leitblechen eine wesentliche Verbesserung erreicht werden kann, bewies dieser Verbesserungsvorschlag der Firma NECON InnoSys GmbH. Über die Folgen ihres Tuns machen sich Anlagenplaner meistens keine Gedanken. Im Gegenteil der Komponentenlieferant wird bei auftretenden Problemen zur Beseitigung der Mängel aufgefordert. Was Ursache und was Wirkung ist, läßt sich in einem Kunden- Lieferanten Verhältnis meist schwer klären. Deshalb möchte ich in dem HDT Seminar „VENTILATOREN – Systembetrachtung, Anlagenintegration und Akustik“ u.a. in einem Referat darauf hinweisen, welch enormer Einfluss und Einbußen der Energie-Effizienz derartig unüberlegtes Handeln bedeutet.
Schicken Sie mir Beispiele aus Ihren Anlagen und noch besser schicken Sie Ihre Anlagenplaner zum Seminar – wir möchten mit Ihnen über die Auswirkungen solchen Tuns diskutieren.

Nähere Informationen finden Sie unter;

Bypaßregelung die größte Energievernichtung

Im Rahmen meiner Beratungstätigkeiten zur Energieeinsparung von Prozeßventilatoren habe ich eine Situation vorgefunden, bei der eine einfache Umrüstung der Ventilatoren auf Drehzahlregelung keinen Erfolg gebracht hätte.

Bei der Auswertung der Daten für die mittlere Jahresauslastung der Anlage , stellte ich fest, dass trotz Teillast der Anlage die  3 Saugzüge der diversen Rauchgasreinigungsstufen in einer offenen Bypaßregelung betrieben wurden.

Hierdurch ziehen die Saugzüge soviel Rauchgasvolumen über den Bypaß zurück, wie diese in der Überwindung des mit höherem Volumen zum Quadrat steigenden Widerstand in der Anlage bedingt durch ihre Ventilatorkennlinien her schaffen. D.h. die Saugzüge wurden mit offenem Drallregler trotz Teillastbetrieb der Anlage betrieben und schafften noch nicht einmal den Auslegungsvolumenstrom durchzusetzen.

Bei dieser Anlagenkonstellation würde also auch eine Umrüstung von Drall- auf Drehzahlregelung keine Energieeinsparung bewirken, da die Saugzüge auch dann mit voller Drehzahl betrieben würden.

Ich habe dem Anlagenbetreiber deshalb vorgeschlagen zus. Klappen in die Bypaßstrecken einzubauen und diese soweit geschlossen zu halten, wie es verfahrenstechnisch für eine Mindestdurchflussmenge der einzelnen Filterstufen erforderlich ist. Anschließend die Saugzüge auf Drehzahlregelung umzurüsten.

Die sich durch diese Maßnahmen ergebenden Betriebspunkte auf den Kennlinien der Saugzüge ergeben dann eine Energie-Einsparung von ca. 68%.