Voorwoord
Langs deze weg wil ik alle mensen bedanken die me gedurende het voorbije academiejaar geholpen hebben om dit eindwerk te realiseren. Zonder hun hulp was het doen slagen van deze thesis niet mogelijk geweest.
Eerst en vooral wil ik de personeelsleden van de onderneming Lantmännen Unibake Mouscron bedanken. Ze boden me de kans om er gedurende een volledig jaar, mijn eindwerkopdracht praktisch uit te werken. Hierbij denk ik vooral aan mijn externe promotor dhr. Hendrik Decock. Het enthousiast begeleiden van mijn eindwerk reeds vanaf de verkennende stageperiode, was een dankbare ervaring.
Daarnaast kon ik ook ten allen tijde rekenen op het technische en logistieke advies van de vele andere medewerkers binnen de onderneming waaronder dhr. Tom Ossieur, dhr. Michel Kint, dhr. Bart Haghedooren, dhr. Christophe Oudart, dhr. Steven Bloeyaert en dhr. Gino Bergez. Ook de technici van de onderhoudsploeg wil ik bij deze bedanken voor hun oprechte medewerking.
Tevens gaat mijn dank ook uit naar mijn interne promotor, zijnde dhr. Steve Dereyne, die mijn eindwerk op een adequate manier gecoördineerd en opgevolgd heeft. Ook het advies van dhr. Jan Desmet, dhr. Dieter Vandenhoeke en de medewerkers van het labo Lemcko, betekende een grote hulp.
Tenslotte, maar zeker niet in het minst, wil ik een dankwoord richten tot mijn ouders voor de steun die ze me hebben geboden tijdens mijn opleiding industrieel ingenieur.
II
Inhoudsopgave Hoofdstuk 1: Inleiding.............................................................................................................. 1 1.1 Lantmännen Unibake Mouscron.............................................................................................1 1.1.1 Historisch ontstaan van de holding Belpan ....................................................................1 1.1.2
Overname door Lantmännen Unibake ...........................................................................2
1.1.3 Lantmännen Unibake Mouscron ....................................................................................2 1.1.3.1 Situering.....................................................................................................................2 1.1.3.2 Producten ...................................................................................................................2 1.1.3.3 Human resources .......................................................................................................3 1.2 1.3
Doelstelling.............................................................................................................................3 Werkwijze...............................................................................................................................4
Hoofdstuk 2: Algemene energieaanwending............................................................................ 5 2.1 Energiebronnen.......................................................................................................................5 2.1.1 Aardgas ..........................................................................................................................5 2.1.1.1 Gebruikers..................................................................................................................5 2.1.1.2 Verbruik.....................................................................................................................5 2.1.1.3 Kosten ........................................................................................................................7 2.1.2 Elektriciteit.....................................................................................................................8 2.1.2.1 Gebruikers..................................................................................................................8 2.1.2.2 Verbruik.....................................................................................................................8 2.1.2.3 Kosten ........................................................................................................................9 2.1.3 Stadswater ....................................................................................................................10 2.1.3.1 Gebruikers................................................................................................................10 2.1.3.2 Verbruik...................................................................................................................11 2.1.3.3 Kosten ......................................................................................................................11 2.2
Besparingsmogelijkheden.....................................................................................................12
Hoofdstuk 3: Elektrische energie ........................................................................................... 13 3.1 Elektrische installatie............................................................................................................13 3.2 Facturatie ..............................................................................................................................14 3.3 Elektrisch verbruikersprofiel ................................................................................................17 3.3.1 Inventarisatie ................................................................................................................17 3.3.2 Fluke 434......................................................................................................................18 3.3.2.1 Productieverlichting.................................................................................................18 3.3.2.2 Administratief gedeelte............................................................................................19 3.3.2.3 Productielijnen .........................................................................................................19 3.3.3 Energy Kronos .............................................................................................................20 3.3.3.1 Energy Kronos .........................................................................................................20 3.3.3.2 Koel- en vriesinstallatie ...........................................................................................21 3.3.4 3.4
Verbruikersprofiel ........................................................................................................23 Besluit ...................................................................................................................................23
III
Hoofdstuk 4: Perslucht als energievorm................................................................................. 24 4.1 Perslucht in een industriële onderneming .............................................................................24 4.2 Persluchtinstallatie te Lantmännen Unibake Mouscron........................................................25 4.2.1 Compressorinstallatie...................................................................................................25 4.2.1.1 Opbouw....................................................................................................................25 4.2.1.2 Sturing......................................................................................................................27 4.2.2
Persluchtnet..................................................................................................................28
Hoofdstuk 5: Uitwerking visualisatiesysteem ........................................................................ 29 5.1 Beoordeling persluchtverbruik .............................................................................................29 5.1.1 Doelstellingen ..............................................................................................................29 5.1.2 Theoretische achtergrond .............................................................................................31 5.1.2.1 Bepalen van het werkelijk volumedebiet.................................................................31 5.1.2.2 Bepalen van de totale druk.......................................................................................33 5.1.2.3 Bepalen van het elektrisch vermogen .....................................................................34 5.1.2.4 Rendement ...............................................................................................................35 5.1.3 Opmerkingen................................................................................................................35 5.1.3.1 Frequentie van rendementsberekeningen bij thermodynamische processen ...........35 5.1.3.2 Rendementsberekening gedeelte inpak....................................................................37 5.2 Meettoestellen.......................................................................................................................41 5.2.1 Situering .......................................................................................................................41 5.2.2
Drukmeting ..................................................................................................................43
5.2.3
Communicatiemodule ..................................................................................................44
5.2.4 Debietmeting ................................................................................................................44 5.2.4.1 Meetprincipe ............................................................................................................44 5.2.4.2 Eigenschappen .........................................................................................................45 5.2.5
Vermogenmeting..........................................................................................................46
5.3 Communicatie.......................................................................................................................46 5.3.1 Profibus DP–netwerk ...................................................................................................47 5.3.2
Logging ........................................................................................................................49
5.3.3 PLC-programmatie.......................................................................................................50 5.3.3.1 Opbouw....................................................................................................................50 5.3.3.2 Werking ...................................................................................................................50 5.4
Realisatie...............................................................................................................................52
Hoofdstuk 6: Samenvatting .................................................................................................... 53
IV
Afkortingen en symbolen
Ucc:
kortsluitspanning
mN³:
normaal kubieke meter
o.f.s.: of full scale, van het volledige meetbereik o.r.:
of reading, van de gemeten waarde
Pa:
Pascal, standaardeenheid druk
°K:
graden Kelvin; standaardeenheid temperatuur
mln.:
miljoen
PLC:
Programmable Logic Controller
OB:
organisatieblok
DB:
datablok
FC:
functieblok
V
Figurenlijst Figuur 1.1: De productievestiging Lantmännen Unibake Mouscron ................................................ 2 Figuur 1.2: Algemene aanpak van een energieaudit ......................................................................... 4 Figuur 2.1: Gecumuleerd aardgasverbruik van het jaar 2005, 2006 en 2007.................................... 6 Figuur 2.2: Gecumuleerde kosten van het aardgasverbruik van het jaar 2005, 2006 en 2007.......... 7 Figuur 2.3: Eenheidsprijzen van het aangekochte aardgas................................................................ 7 Figuur 2.4: Gecumuleerd elektriciteitsverbruik van het jaar 2005, 2006 en 2007 ............................ 8 Figuur 2.5: Gecumuleerde kwartuurpiekvermogens van het jaar 2005, 2006 en 2007..................... 9 Figuur 2.6: Gecumul. kosten van de verbruikte elektr. energie in het jaar 2005, 2006 en 2007..... 10 Figuur 2.7: Verbruik en kostprijs van het verbruikte water in het jaar 2005 en 2006..................... 11 Figuur 2.8: Procentuele verdeling van de energiekosten in het jaar 2006....................................... 12 Figuur 3.1: Procentuele opbouw elektriciteitsfactuur eenheidspr. dec. 2004 verbruik dec. 2004... 14 Figuur 3.2: Procentuele opbouw elektriciteitsfactuur eenheidspr. dec. 2004 verbruik okt. 2006 ... 14 Figuur 3.3: Procentuele opbouw elektriciteitsfactuur eenheidspr. okt. 2006 verbruik dec. 2004 ... 15 Figuur 3.4: Procentuele opbouw elektriciteitsfactuur eenheidspr. okt. 2006 verbruik okt. 2006 ... 15 Figuur 3.5: Elektrische kwartuurvermogens van de maand maart 2007 ......................................... 16 Figuur 3.6: Voorbeeld gemiddeld kwartuurvermogen tijdens de werkweek .................................. 16 Figuur 3.7: Aantal elektrische motoren per gegroepeerde categorie............................................... 17 Figuur 3.8: Fluke 434-vermogenmeter met geïntegreerde datalogger ............................................ 18 Figuur 3.9: Elektrische vermogen van productielijn vier................................................................ 19 Figuur 3.10: Startpagina van Energy Kronos.................................................................................. 20 Figuur 3.11: Weergavescherm van Energy Kronos ........................................................................ 21 Figuur 3.12: Uitschakelen van de volledige koel- en vriesinstallatie.............................................. 22 Figuur 3.13: Elektrisch verbruikersprofiel ...................................................................................... 23 Figuur 4.1: Schematische voorstelling compressorinstallatie (persluchtinstallatie) ....................... 25 Figuur 4.2: Opbouw schottencompressor Compair Hydrovane ...................................................... 26 Figuur 4.3: Voorstelling van het persluchtverdelingsnet ................................................................ 28 Figuur 5.1: Theoretische bepaling van het energetisch rendement van een persluchtinstallatie..... 29 Figuur 5.2: Praktisch monitoren van de energie-efficiëntie van de persluchtinstallatie ................. 30 Figuur 5.3: Reëelgasfactor Z........................................................................................................... 32 Figuur 5.4: Maximale som hydrostatische en dynamische druk bij een gegeven systeemdruk ...... 33 Figuur 5.5: Compressorinstallatie op het ogenblik t(s) = 0............................................................. 35
VI
Figuur 5.6: Compressorinstallatie op het ogenblik t(s) = 1............................................................. 36 Figuur 5.7: Compressorinstallatie op het ogenblik t(s) = 2............................................................. 36 Figuur 5.8: Adsorptiedroger............................................................................................................ 37 Figuur 5.9: Regeneratiecyclus adsorptiedroger............................................................................... 38 Figuur 5.10: Bepalen onttrokken elektrisch verbruik adsorptiedroger............................................ 39 Figuur 5.11: Druksensor E&H PMC 131........................................................................................ 43 Figuur 5.12: Montage van druksensoren in de persluchtleiding ..................................................... 43 Figuur 5.13: Siemens ET 200S-module .......................................................................................... 44 Figuur 5.14: Meetprincipe massadebietmeter ................................................................................. 44 Figuur 5.15: Socomec Diris A40..................................................................................................... 46 Figuur 5.16: Elektrische aansluiting vermogenmeter...................................................................... 46 Figuur 5.17: Profibus DP-netwerk .................................................................................................. 47 Figuur 5.18: Cyclisch doorlopen van OB32.................................................................................... 50 Figuur 5.19: Werking PLC-programma .......................................................................................... 51
Tabellenlijst Tabel 3.1: Beknopt overzicht toelevering elektrische energie ........................................................ 13 Tabel 3.2: Categorieën elektrische verbruikers.............................................................................. 13 Tabel 3.3: Resultaten vermogenmetingen op de verlichtingsinstallatie .......................................... 18 Tabel 3.4: Resultaten vermogenmeting op het administratief gedeelte .......................................... 19 Tabel 4.1: Voornaamste voor- en nadelen van perslucht ................................................................ 24 Tabel 4.2: Eigenschappen persluchtcompressoren en hun aandrijving........................................... 26 Tabel 5.1: Doelstellingen bij het dimensioneren van een permanente meetinstallatie.................... 31 Tabel 5.2: Voorstel tot uitbouw permanente meetopstelling........................................................... 41 Tabel 5.3: Meetbereik Prowirl 72 ................................................................................................... 41 Tabel 5.4: Voornaamste kenmerken druksensor E&H PMC 131 ................................................... 43 Tabel 5.5: Voornaamste kenmerken debietsensor E&H proline T-mass 65F ................................. 45 Tabel 5.6: Overzicht deelnemers Profibus DP-netwerk .................................................................. 48 Tabel 5.7: Overzicht geregistreerde parameters.............................................................................. 49
VII
Hoofdstuk 1: Inleiding 1.1 Lantmännen Unibake Mouscron 1.1.1 Historisch ontstaan van de holding Belpan Het ontstaan van de holding Belpan gaat terug tot in de jaren vijftig. Het toenmalige J. Van de Kerkhove te Ganshoren was een kleine familiale onderneming gespecialiseerd in het industrieel bakken van verse broodproducten. Deze producten werden oorspronkelijk verkocht aan restaurants en aan koude bakkerijen. Jaren later, in 1985, richtte de familie Van de Kerkhove, Pastridor op te Londerzeel. Deze tweede onderneming ging zich specialiseren in het vervaardigen van diepgevroren baguettes en stokbroden. Vanaf toen werden zowel de diepgevroren afbakproducten als de dagelijks vers gebakken broden verkocht onder het handelsmerk Pastridor. In 1997 tenslotte werd in het Henegouwse Moeskroen, net over de Belgische taalgrens, een derde onderneming opgebouwd teneinde het aanbod in diepgevroren producten gevoelig uit te breiden. Dit bedrijf werd Pastrilux genoemd en ging eveneens onder het merk Pastridor een breed gamma aan viennoiserie produceren. Om de dagelijkse werking van de drie ondernemingen in goede banen te leiden, werd in datzelfde jaar een overkoepelende holding opgericht, Belpan genaamd. Binnen deze structuur had de familie Van de Kerkhove die eigenaar was van de oorspronkelijke warme bakkerij te Brussel, nog 70% van de aandelen in handen. De overige aandelen waren in het bezit gekomen van drie minderheidsaandeelhouders zijnde respectievelijk de verzekeringsmaatschappij Mercator, het investeringsfonds Lessius en de Waalse investeringsmaatschappij SRIW. Een ommekeer in het succes van de holding Belpan deed zich voor tijdens de jaren 2001 en 2002. Een peperdure investering in een nieuwe productie-entiteit in de Verenigde Staten waar men oorspronkelijk diepgevroren stokbroden wilde vervaardigen, draaide in een korte tijdspanne uit op een fiasco. Eerder mislukte reeds het in bedrijf nemen van een productievestiging in ZuidFrankrijk. Het falen van deze investeringen resulteerde in 2002 bijna in het faillissement van de Belpan-groep. Er volgden verregaande herstructureringen. De minderheidsaandeelhouders investeerden samen ongeveer 10 miljoen euro in de noodlijdende holding en verkregen zo elk ongeveer 30% van de aandelen. De familiale inbreng van de familie Van De Kerkhove verminderde tot 6.9%. Tevens werd Eddy Walraevens aangesteld als nieuwe CEO van de Belpan-groep. Als crisismanager formuleerde en implementeerde hij concrete maatregelen die in enkele jaren leidden tot een heropstanding van de onderneming. De productie van verse broodproducten te Van de Kerkhove in Ganshoren, de activiteit waarmee het destijds allemaal begon, werd stopgezet. Te Pastrilux werd in 2005 een nieuwe productielijn geïnstalleerd ter waarde van 7.65 miljoen euro waardoor de productiecapaciteit gevoelig verhoogd werd. Tenslotte werd als slotstuk op de herstructurering van de groep, in maart 2005 een nieuw ontwikkelingscentrum geopend te Ganshoren. Dit onderzoekslabo heeft als doel bijkomend onderzoek te verrichten in de ontwikkeling van nieuwe, gezonde en voedzamere producten met een verhoogde artisanale uitstraling.
1
Met deze investeringen slaagde CEO Eddy Walraevens erin om in enkele jaren tijd de holding Belpan opnieuw financieel gezond te maken.
1.1.2 Overname door Lantmännen Unibake Om de onderneming in de toekomst verder internationaal te ontwikkelen en om de meerderheidsaandeelhouders een winstgevende uitstapmogelijkheid te bieden na de investeringen die in 2002 door de drie instanties werden gedaan, werd eind 2005 beslist de Belpan-groep te koop aan te bieden op de Europese handelsmarkt. Al vlug werd gekozen voor de Deense holding Lantmännen Unibake als overnemer. Lantmännen Unibake is net als de Belpan-groep een producent van diepgevroren afbakproducten. Lantmännen Unibake is een Deense dochteronderneming van het veel grotere Zweedse Lantmännen. Het bedrijf kan als een begrip aanschouwd worden in de Scandinavische landen. De coöperatie van 49.000 Zweedse landbouwers is actief in de volledige Scandinavische voedselketen.
1.1.3 Lantmännen Unibake Mouscron 1.1.3.1 Situering De onderneming zag het levenslicht begin juli 1997. Het bedrijf werd opgericht als derde onderneming van de Belpan-groep onder de naam Pastrilux NV en werd gevestigd te Moeskroen. Met een werkloosheidsgraad van 18.6% werd Moeskroen door verschillende politieke overheden aanzien als een economisch ontwikkelingsgebied. Door middel van een uitgebreid subsidiëringstelsel is het interessant om in Moeskroen te investeren in een onderneming en tevens werkgelegenheid. Tevens is Moeskroen die ongeveer 52.000 inwoners telt, goed bereikbaar via meerdere autosnelwegen. Door zijn unieke ligging werken er bij Lantmännen Unibake Mouscron zowel Waalse, Vlaamse als Franse werknemers.
Figuur 1.1: De productievestiging Lantmännen Unibake Mouscron
1.1.3.2 Producten Specifiek wordt in het bedrijf een groot gamma diepgevroren viennoiserie geproduceerd. Viennoiserie is een Franse benaming en omvat een groot gamma van allerhande bakkerijproducten waaronder croissants, chocoladekoeken, boterkoeken, ronde en lange suissen, worstenbroodjes, … Meestal worden deze koffiekoeken reeds voorgerezen bij de productie ervan en hoeven ze door de consument enkel nog afgebakken te worden gedurende een twintigtal minuten. In mindere mate worden ook diepgevroren, nog niet gerezen viennoiserie geproduceerd die net als de voorgerezen producten bij -20°C ingevroren, verpakt en verdeeld worden. 2
Lantmännen Unibake Mouscron is een business-to-business onderneming. Dit wil zeggen dat er geen producten rechtstreeks aan de particuliere consument verkocht worden. De klanten van Lantmännen Unibake Mouscron zijn dan ook verscheidene distributeurs en retailers waaronder bakkerijen, warenhuisketens en andere instellingen die onrechtstreeks aan voedseldistributie doen zoals bijvoorbeeld ziekenhuizen. De vervaardigde viennoiserie wordt hoofdzakelijk verkocht in België, Groot-Brittannië, Duitsland en Luxemburg. Na de financiële crisis in 2002, worden er volop nieuwe afzetmarkten opgezocht. Zo werden er in 2006 reeds croissants uitgevoerd naar Oosterse landen zoals Japan.
1.1.3.3 Human resources Te Lantmännen Unibake Mouscron zijn ongeveer 120 mensen actief. De meerderheid ervan zijn productiemedewerkers en staan in voor de productie en de inpak van de verschillende viennoiserie. Daarnaast is er ook een uitgebreide technische, logistieke en kwaliteitsdienst aanwezig die het productieproces in het bedrijf continu opvolgen. Verder zijn te Moeskroen tevens de financiële en ICT-afdeling van Lantmännen Unibake Benelux gevestigd.
1.2 Doelstelling Vanaf de jaren zeventig laat de problematiek omtrent energiebevoorrading, de politieke wereld niet meer onberoerd. Overheden beseffen dat binnen een globaliserende wereldeconomie, een betaalbare en continue energievoorziening vitaal is voor de concurrentiepositie van hun ondernemingen. Ook in België zijn energiebesparing en de verbetering van energie-efficiënte, termen die op heden veel aandacht krijgen. Zowel op het Europese, federale als gewestelijke niveau worden door middel van subsidiëringen en extra belastingen verschillende maatregelen uitgewerkt met als doel de Belgische energieconsumenten efficiënter met energie te laten omspringen. Tot op heden resulteerde dit in enkele maatregelen: • • •
Uitbouw van een systeem voor CO2-emissiehandel Uitbouw van milieuconvenanten met de industrie Uitbouw van een systeem omtrent groenestroomcertificaten
Daarnaast dwingt de liberalisering van de Belgische energiemarkt de energieconsument automatisch om een beter inzicht te verwerven in het eigen energieverbruik. Hierbij wordt de klemtoon onder andere gelegd op het maximum vermogen dat door een consument wordt onttrokken aan een energienet. Het af en toe monitoren van de energiestroom binnen een onderneming, wordt hierbij een noodzaak. Om structureel energiestromen te kunnen monitoren en bij te sturen, kan het nuttig zijn om energiemanagement binnen een onderneming te erkennen als een onderdeel van het dagelijks bestuur van een onderneming. In samenwerking met de technische dienst van de firma Lantmännen Unibake Mouscron werd het aanwenden van energie binnen de onderneming geanalyseerd waarbij het gebruik van elektrische energie meer in detail beschouwd werd. Het is dan ook geenszins de bedoeling om de lezer van deze scriptie te overladen met vele cijfermatige benaderingen omtrent energiemanagement.
3
1.3 Werkwijze Zowel in een productieomgeving als in een niet-productieomgeving verloopt het uitvoeren van een energieaudit aanvankelijk op dezelfde manier. In deze scriptie wordt besproken op welke wijze het energieverbruik binnen een industriële onderneming is bestudeerd. In een eerste fase wordt het energieverbruik in zijn totaliteit geëvalueerd. Hierbij wordt de energiestroom in een onderneming zo gedetailleerd mogelijk in kaart gebracht door middel van allerhande metingen en een uitgebreide evaluatie van de energiefacturen. Een vast systeem voor energieopvolging binnen een onderneming brengt heel wat kosten met zich mee doordat een netwerk van sensoren, bekabeling en data-acquisitie-apparatuur dient opgebouwd te worden. Door tijdelijke meetcampagnes te voeren met mobiele meettoestellen kan men reeds een goed beeld verkrijgen van het aanwenden van energie. Door deze meetgegevens grondig te analyseren, kan men in de tweede fase van een energieaudit onregelmatigheden en eventuele defecten binnenin de technische installaties opsporen. Tevens wordt het besparingspotentieel duidelijk van de verschillende installaties in de onderneming aanwezig. Tenslotte kan men studies uitvoeren teneinde op een praktische en te verantwoorden manier energiebesparende maatregelen te implementeren in de onderneming.
Figuur 1.2: Algemene aanpak van een energieaudit
4
Hoofdstuk 2: Algemene energieaanwending Wanneer een energieaudit gestart wordt in een industriële onderneming, is het belangrijk te inventariseren welke energievormen in de onderneming aangewend worden en vooral in welke mate deze verbruikt worden. Dit zal een inzicht verschaffen op welke domeingebieden er een beduidend besparingspotentieel aanwezig is. Bij het starten van de energieaudit te Lantmännen Unibake Mouscron werd dan ook getracht een profiel op te stellen van het totale energieverbruik.
2.1 Energiebronnen Net als in de meeste huishoudens en ondernemingen wordt er te Lantmännen Unibake Mouscron gebruik gemaakt van de primaire energievorm aardgas en van de secundaire energievorm elektrische energie. Daarnaast wordt (stads)water als een duurzame energievorm beschouwd en wordt het waterverbruik bijgevolg eveneens bestudeerd.
2.1.1 Aardgas 2.1.1.1 Gebruikers De onderneming heeft gezien de aard van zijn activiteiten een beperkt aardgasverbruik. Het voornaamste verbruik situeert zich dan ook in de productie van warm water dat gebruikt wordt voor schoonmaakdoeleinden. Overzicht gasverbruikers: •
• •
Stoomproductie door middel van een 285kW stoomgenerator. Deze stoom wordt voornamelijk aangewend voor de productie van warm water (schoonmaak) en in beperktere mate wordt er stoom gebruikt in het productieproces. Volautomatische platenwasser (schoonmaak) ’s Winters verwarmen van het administratief gedeelte met behulp van een 130kW gasgestookte boiler. Er is in het administratief gedeelte ook een vloerverwarming geïnstalleerd die warmte ontvangt vanwege een warmtewisselaar in de koelinstallatie geïnstalleerd (= warmterecuperatie).
2.1.1.2 Verbruik Wanneer het aardgasverbruik wordt weergegeven in een cumulerende grafiek (figuur 2.1), blijkt dat er in 2006 een stijging was van het aardgasverbruik met 15.4% ten opzichte van het jaar 2005. Deze groei is onder andere toe te wijzen aan het feit dat begin november 2006 een volautomatische platenwasser in gebruik genomen is. Met een regelmatige frequentie (twee à drie maal per week) dienen binnen het productieproces een 1400-tal bakkerijplaten grondig gereinigd te worden. Dit gebeurde tot voor november 2006 door telkens deze bakkerijplaten manueel te reinigen met warm water. Het is duidelijk dat dit een bijzonder arbeidsintensieve bezigheid was en dat in dit geval het hoger aardgasverbruik niet opweegt tegen de grote arbeidskost van het manueel reinigen. Het aardgasverbruik tijdens de eerste drie maanden van 2007 was reeds groter in vergelijking met dezelfde periode in 2006. Dit kan eveneens verklaart worden doordat de platenwasser in 2006 nog
5
niet geïnstalleerd was. Ook blijkt uit de figuur 2.1 dat er in de maand juli 2005 nauwelijks aardgasverbruik is geweest, wat mede de stijging van het gasverbruik in 2006 verklaart. 9,0E+05 8,0E+05
gecumuleerd verbruik [kWh]
7,0E+05 6,0E+05 5,0E+05 4,0E+05
2005 2006 2007
3,0E+05 2,0E+05 1,0E+05
r m be de ce
be r m ve no
ok
to
be r
be r m te se p
us
tu
s
li au g
ju
ni ju
ei m
il ap r
aa rt m
ri br ua fe
ja
nu
ar i
0,0E+00
Figuur 2.1: Gecumuleerd aardgasverbruik van het jaar 2005, 2006 en 2007
Het aardgasverbruik is slechts in lichte mate afhankelijk van de productiemassa die per week of per jaar geproduceerd wordt. Wanneer de productiemassa toeneemt bij een gelijkblijvende productiecapaciteit, door een frequenter gebruik van de huidige productielijnen, zal het aardgasverbruik slechts weinig stijgen doordat de schoonmaakactiviteiten, die verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van het aardgasverbruik, volgens een vast vooropgesteld schema verlopen. Enkel indien in de toekomst de productiecapaciteit verhoogt zou worden door middel van een groter aantal productiemachines, zou dit een beduidende invloed hebben op het aardgasverbruik.
6
2.1.1.3 Kosten 35000,00
30000,00
gecumuleerde kosten [€]
25000,00
20000,00
15000,00
2005 2006 2007
10000,00
5000,00
be r de ce m
be r em no v
ok to be r
se pt em be r
tu s au gu s
ju li
ju ni
ei m
ap ril
m aa rt
ja nu ar
fe br ua ri
i
0,00
Figuur 2.2: Gecumuleerde kosten van het aardgasverbruik van het jaar 2005, 2006 en 2007
Uit figuur 2.2 blijkt dat de kosten van het gasverbruik in 2006 ten opzichte van 2005 met 52.7% gestegen zijn terwijl de stijging van het aardgasverbruik in 2006 slechts 15.4% bedroeg. De verklaring hiervoor is dan ook te vinden in een stijgende eenheidsprijs per kWh die in 2006 gefactureerd werd door de energieleverancier. Op figuur 2.3 is de overwegend stijgende evolutie van de eenheidsprijzen van aardgas geschetst. Echter is er een lichte daling merkbaar van deze prijzen in de eerste maanden van 2007. Dit verklaart het feit dat ondanks het stijgend aardgasverbruik in de maanden januari, februari en maart 2007, de totale kost van aardgas gelijk gebleven is ten opzichte van dezelfde periode in 2006. 4,5E-02 4,0E-02
3,0E-02 2,5E-02 2,0E-02 1,5E-02 1,0E-02 5,0E-03
D 00 ec 4 em be r2 00 Fe 4 br ua ri 20 05 A pr il 20 05 Ju ni 20 A 05 ug us tu s2 00 O 5 kt ob er 2 D 00 ec 5 em be r2 00 Fe 5 br ua ri 20 06 A pr il 20 06 Ju ni 20 A 06 ug us tu s2 00 O 6 kt ob er 2 D 00 ec 6 em be r2 00 Fe 6 br ua ri 20 07
er 2
kt ob O
ug us
tu s
20
04
0,0E+00
A
eenheidsprijzen [€/kWh]
3,5E-02
Figuur 2.3: Eenheidsprijzen van het aangekochte aardgas
7
2.1.2 Elektriciteit 2.1.2.1 Gebruikers Na een kort bezoek aan het bedrijf werd onmiddellijk duidelijk dat het gebruik van elektriciteit een beduidend groter aandeel heeft binnen het productieproces dan dat van aardgas. De elektrische verbruikers binnen de onderneming kunnen gecatalogeerd worden in zes groepen: • • • • • •
koel- en vriesinstallatie persluchtinstallatie productielijnen productieverlichting administratief gedeelte overige (elektrische transpaletten, poetsmachines, … )
Het elektrisch verbruik van de productielijnen, perslucht- en koelinstallatie, is in grote mate afhankelijk van de productiemassa die geproduceerd wordt. De verlichtingsinstallatie, het administratief gedeelte en andere kleinere verbruikers kunnen op maand- of jaarbasis vrijwel als constante elektrische verbruikers beschouwd worden.
2.1.2.2 Verbruik 1,0E+07 9,0E+06
gecumuleerd totaalverbruik [kWh]
8,0E+06 7,0E+06 6,0E+06 5,0E+06
2005 2006 2007
4,0E+06 3,0E+06 2,0E+06 1,0E+06
r m be de ce
be r em no v
be r
te m se p
ok to
be r
s tu au gu s
ju li
ni ju
ei m
il ap r
m aa rt
fe br ua ri
ja nu
ar i
0,0E+00
Figuur 2.4: Gecumuleerd elektriciteitsverbruik van het jaar 2005, 2006 en 2007
Uit het type gebruikers blijkt dat de elektriciteitsconsumptie wel degelijk afhankelijk is van het productieproces. Bij het factureren van de elektriciteitsconsumptie wordt naast het verbruik eveneens het kwartuurpiekvermogen gefactureerd. Wanneer dit kwartuurpiekvermogen per jaar vergeleken wordt, kan er vastgesteld worden dat in 2006 het kwartuurpiekvermogen met 15.8% gestegen is ten
8
opzichte van 2005. De productiecapaciteit van de onderneming bleef echter gelijk in 2006 ten opzichte van 2005. 2,5E+04
kwartuurpiekvermogen [kW]
2,0E+04
1,5E+04
2005 2006 2007
1,0E+04
5,0E+03
r de ce m be
ve m be r no
ok
to b
er
r te m be
s tu us au g
se p
i ju l
ni ju
m ei
il ap r
t m aa r
ri fe br ua
ja n
ua r
i
0,0E+00
Figuur 2.5: Gecumuleerde kwartuurpiekvermogens van het jaar 2005, 2006 en 2007
Wanneer men de evolutie van het kwartuurpiekvermogen gaat bestuderen, moet men rekening houden met het feit dat het kwartuurpiekvermogen het gemiddeld vermogen voorstelt dat gedurende één kwartuur van het elektrisch net wordt afgenomen. Zoals onderstaande formule het aantoont, bekomt met dit gemiddeld vermogen door het elektrisch verbruik te sommeren gedurende één kwartuur, en dit vervolgens te delen door het aantal seconden in één kwartuur. t ( s ) = 900
Ppiek − 15 min =
∫
t ( s )=0
W . dt 900
De reden van dit stijgend kwartuurpiekvermogen (= stijgend verbruik) in combinatie met een gelijk blijvende productiecapaciteit is vermoedelijk een gevolg van: • •
•
Een stijging van de gemiddelde jaartemperatuur van 0.31°C in 2006 ten opzichte van 2005. Dit vertaalt zich in een stijgende belasting van de koel- en vriesinstallatie. Een stijgend lijnrendement van de productielijnen. Een beter lijnrendement vertaalt zich in een grotere belasting per kwartuur van de productielijnen, koel- en persluchtinstallatie. Een groter elektrisch verbruik per kwartuur en bijgevolg een groter kwartuurpiekvermogen zijn hiervan een logisch gevolg. Hogere productiegraad
2.1.2.3 Kosten In onderstaande figuur (fig. 2.6) werd cumulerend de elektriciteitskost voorgesteld. De grotere kostprijs in 2006 ten opzichte van 2005 is enkel te verklaren door het groter elektrisch verbruik en
9
het stijgend kwartuurpiekvermogen dat in 2006 van het elektrisch net afgenomen is. eenheidskostprijs is in beide jaren constant gebleven.
De
7,0E+05
6,0E+05
gecumuleerde kosten [€]
5,0E+05
4,0E+05
2005 2006 2007
3,0E+05
2,0E+05
1,0E+05
r de ce m be
ve m be r no
ok
to b
er
r
s tu us
te m be se p
i au g
ju l
ni ju
m ei
il ap r
t m aa r
ri fe br ua
ja n
ua r
i
0,0E+00
Figuur 2.6: Gecumuleerde kosten van de verbruikte elektrische energie in het jaar 2005, 2006 en 2007
In hoofdstuk twee wordt dieper ingegaan op het verbruik en de facturatie van elektrische energie te Lantmännen Unibake Mouscron.
2.1.3 Stadswater Drinkbaar water mag net als de fossiele brandstoffen steeds meer aanzien worden als een dure en niet te verwaarlozen energiebron. Daarom wordt ook het waterverbruik van de onderneming bestudeerd net als de daarbij horende kost. De watervoorziening van de onderneming wordt geleverd door het stadswaternet van de gemeente Moeskroen.
2.1.3.1 Gebruikers Binnenin de onderneming wordt (stads)water in hoofdzaak voor drie doeleinden gebruikt: • • •
proceswater schoonmaakwater koelwater
Het proceswater kan aanzien worden als het water dat nodig is om de eindproducten te kunnen produceren, zijnde diepgevroren viennoisserie. Het schoonmaakwater wordt vooral tijdens het weekend gebruikt, wanneer er binnen de firma geen productie is. Er wordt tevens een groot volume koelwater verbruikt door de twee verdampingscondensoren in de koelinstallatie aanwezig. Naast deze verbruikers zijn op het waternet in de onderneming ook nog de sanitaire blokken aangesloten.
10
2.1.3.2 Verbruik 4,0E+04
3,5E+04
verbruik [m³] - kostprijs [€]
3,0E+04
verbruik kostprijs
2,5E+04
2,0E+04
1,5E+04
1,0E+04
5,0E+03
0,0E+00 2005
2006
Figuur 2.7: Verbruik en kostprijs van het verbruikte water in het jaar 2005 en 2006
In 2006 werd er 3.71% meer stadswater verbruikt in de onderneming (figuur 2.7). Dit stijgend verbruik is hoofdzakelijk te verklaren door het stijgend volume proceswater dat nodig was aangezien de geproduceerde massa in 2006 eveneens gestegen is ten opzichte van 2005.
2.1.3.3 Kosten Opmerkelijk was het feit dat ondanks het gestegen waterverbruik in 2006 met 3.71%, de totale kostprijs slechts met 2.56% steeg. Dit is te verklaren doordat dat de eenheidsprijs van één kubieke meter water die in 2005 2.13 €/m³ bedroeg, daalde in 2006 tot 2.10 €/m³.
11
2.2 Besparingsmogelijkheden Vooraleer er mogelijks inspanningen geleverd worden teneinde het energieverbruik in een onderneming te laten dalen, is het interessant de energiekost van elektriciteit, water en aardgas onderling te vergelijken. Op figuur 2.8 werd de procentuele verdeling weergegeven van de energiekosten van de elektriciteit, aardgas en stadswater (exclusief BTW). water 5,2% gas 4,5%
elektriciteit 90,3%
Figuur 2.8: Procentuele verdeling van de energiekosten in het jaar 2006
Uit deze figuur blijkt dat 90.3% van de totale energiekost in het jaar 2006 besteed werd aan de aankoop van elektrische energie. Het lijkt er dan ook op dat de grootste besparingsmogelijkheid zich situeert op het vlak van deze elektrische energie. Daarom wordt in het volgend hoofdstuk het gebruik van de elektrische energie diepgaander bestudeerd.
12
Hoofdstuk 3: Elektrische energie 3.1 Elektrische installatie In tabel 3.1 zijn de eigenschappen weergegeven van de elektrische energie door Lantmännen Unibake Mouscron aangekocht en aan hen geleverd onder hoogspanningsvorm. Tabel 3.1: Beknopt overzicht toelevering elektrische energie
Energieleverancier Distributienetbeheerder Geïnstalleerde transformatoren
Electrabel Simogel1 Transfo 1: Transfo 2: Transfo 3:
klantentype: grote onderneming type aansluiting: hoogspanning, 10 kV 1000 kVA; In 1443.4 A; Ucc 6%; Icc 24 kA 1000 kVA; In 1443.4 A; Ucc 6%; Icc 24 kA 1600 kVA; In 2309.4 A; Ucc 6%; Icc 38.5 kA
Zoals reeds werd beschreven in hoofdstuk 2, kan men de elektrische verbruikers rangschikken in zes categorieën. Deze verbruikers worden opgesomd en toegelicht in tabel 3.2. Tabel 3.2: Categorieën elektrische verbruikers
Categorie
Inhoud categorie
Verlichting
• productie- en inpakgedeelten • rust-, rijs- en vrieskasten • karton- en grondstoffenmagazijnen • zolders boven productieruimten Deze categorie omvat niet de verlichting in: • het technisch atelier • het administratief gedeelte • pc’s en monitors • print-, kopieer-, en faxapparatuur • verlichting kantoren en sanitaire blokken • keuken en ontspanningsblokken • persluchtcompressoren • persluchtconditionering
Administratief gedeelte
Persluchtinstallatie Koelinstallatie
• • • •
ammoniakcompressoren condensorventilatoren verdamperventilatoren sturing, kleppenregeling en waterontharders
Productielijnen
• • • • •
diverse motoren sturing elektrische transpaletten en reinigingsmateriaal afvalcontainers technisch atelier
Overige
1
distributienetbeheerder van elektriciteit, gas en kabel in de gemeenten Estaimpuis, Moeskroen en Pecq
13
3.2 Facturatie In de volgende vier schijfdiagrammen op deze en volgende bladzijde, is telkens de procentuele opbouw van verschillende elektriciteitsfacturen weergegeven. Slechts twee van deze facturen zijn werkelijke facturen, namelijk deze facturen waarvan de eenheidsprijzen en het verbruik uit dezelfde maand stammen. Dit zijn figuur 3.1 en figuur 3.4. De andere twee facturen, figuur 3.2 en figuur 3.3, zijn berekend door op de bewuste periode de tarifering toe te passen van de andere beschouwde maand. regionale taksen 1% bijdrage hernieuwbare energie distributie 5% en transmissie 24%
kwartuurpiekvermogen 3%
federale taksen 2% verbruik normale uren 43%
verbruik stille uren 22%
Figuur 3.1: Procentuele opbouw elektriciteitsfactuur eenheidsprijzen december 2004 verbruik december 2004
distributie en transmissie 22%
regionale taksen 1% bijdrage federale taksen hernieuwbare 2% energie 5%
kwartuurpiekvermogen 4%
verbruik normale uren 45%
verbruik stille uren 21%
Figuur 3.2: Procentuele opbouw elektriciteitsfactuur eenheidsprijzen december 2004 verbruik oktober 2006
In beide bovenstaande diagrammen (fig. 3.1 en fig. 3.2) zijn telkens de eenheidsprijzen toegepast van de maand december 2004. In december 2004 werd de onderneming nog steeds gefactureerd volgens voorlopige eenheidsprijzen die werden toegepast net na de gedeeltelijke liberalisering van de energiemarkt in Wallonië op 1 juli 2004. Vanaf maart 2005 werd door het vernieuwen van het contract met Electrabel, meer gunstige eenheidsprijzen bekomen voor de aankoop van elektrische energie. Deze prijzen blijven constant gedurende de totale looptijd van het contract zijnde twee jaar. Bij het vernieuwen van dit contract in maart 2005 werden volgende nieuwe eenheidsprijzen bekomen in vergelijking met de prijsafspraken voor maart 2005: • • •
prijs elektrisch verbruik tijdens de normale uren (per kWh): 27% goedkoper prijs elektrisch verbruik tijdens de stille uren (per kWh): 17% goedkoper prijs elektrisch kwartuurpiekvermogen (per kW): 175% duurder
Verder dient opgemerkt te worden dat de bijdrage omtrent hernieuwbare energie in het nieuwe contract met 21.9% gestegen is terwijl de federale en regionale taksen respectievelijk met 16.0% en 5.3% gedaald zijn. Wanneer de figuur 3.1 en 3.2 (tarifering voor liberalisering) vergeleken worden met figuren 3.3 en 3.4 (tarifering na liberalisering), blijkt duidelijk dat de procentuele kost van het gefactureerde kwartuurpiekvermogen met de nieuwe eenheidsprijzen sterk toegenomen is terwijl de kost van het verbruik tijdens de normale uren procentueel dan weer sterk is afgenomen. Deze prijsschommelingen geven goed de algemene tendens weer die zich na de liberalisering van de
14
energiemarkt voordeed waarbij de energieleverancier steeds meer belang hecht aan de constante afname van de elektrische energie aan het elektriciteitsnet. Door de figuren 3.1 en 3.3 enerzijds en de figuren 3.2 en 3.4 anderzijds onderling te vergelijken, kan tenslotte nog afgeleid worden dat het gemiddelde verbruik in de stille uren in de onderneming procentueel minder snel is toegenomen tijdens de afgelopen twee jaar dan het verbruik in normale uren en het kwartuurpiekvermogen. regionale taksen 1% bijdrage hernieuwbare energie distributie en 6% transmissie 24%
kwartuurpiekvermogen 10%
federale taksen 2%
verbruik normale uren 35%
verbruik stille uren 22%
Figuur 3.3: Procentuele opbouw elektriciteitsfactuur eenheidsprijzen oktober 2006 verbruik december 2004
regionale taksen 1% bijdrage federale taksen hernieuwbare 2% energie verbruik normale uren distributie en 6% 36% transmissie 23%
kwartuurpiekvermogen 11%
verbruik stille uren 21%
Figuur 3.4: Procentuele opbouw elektriciteitsfactuur eenheidsprijzen oktober 2006 verbruik oktober 2006
De distributie- en transmissiekosten worden berekend door middel van complexe formules waarin zowel het verbruik als van het vermogen vervat zitten. Er moet opgemerkt worden dat de extra bijdragen (hernieuwbare energie) en taksen (zowel regionaal als federaal) enkel berekend worden op basis van het elektrisch verbruik! Het reduceren van het kwartuurpiekvermogen zal dus geen vermindering van de diverse taksen en bijdragen met zich meebrengen. Wanneer men wil besparen op de elektriciteitsfactuur, kan dit gebeuren door het totale verbruik (normale en/of stille uren) te beperken of door de piek in het kwartuurvermogen te reduceren. Wanneer dit laatste gerealiseerd moet worden bij een gelijk blijvend verbruik, dan betekent het reduceren van het kwartuurpiekvermogen eigenlijk het egaliseren van het verloop van de kwartuurvermogens. Op onderstaande figuur 3.5 zijn de kwartuurvermogens weergegeven van de maand maart 2007. De kwartuurvermogens van andere maanden vertonen een gelijkaardig verloop. Op de figuur is te zien dat het kwartuurpiekvermogen in de maand maart (toevallig) reeds gerealiseerd werd op de eerste dag van maand en dit met een vermogen van 1745kW. Er is een duidelijk verschil merkbaar in elektrisch verbruik tussen de werkweek en het weekend. Dit is logischerwijze te verklaren doordat er in het weekend niet geproduceerd wordt.
15
P
Q
Figuur 3.5: Elektrische kwartuurvermogens van de maand maart 2007
Echter is er tijdens de week slechts een geringe evolutie van het kwartuurvermogen merkbaar. Als voorbeeld hierop wordt in figuur 3.6 de evolutie weergegeven van het kwartuurvermogen vanaf woensdag 7 maart (0u00) tot zaterdag 10 maart (0u00). Hierbij werd in Excel alle kwartuurvermogens uit deze periode ingevoerd en werd hieruit het totale elektrische verbruik van deze periode berekend. Dit bedroeg gedurende deze drie dagen 107566 kWh. Dit verbruik werd vervolgens opnieuw omgerekend naar een gemiddeld kwartuurvermogen van deze periode, zijnde 1494kW. Het maximum kwartuurvermogen uit deze periode bedroeg 1715kW. Veronderstel dat men in staat zou zijn om de evolutie van het kwartuurvermogen binnen deze beschouwde periode van drie dagen volledig te egaliseren door het gepast te sturen van het productieproces of door het op voorhand opslaan van elektrische energie in bijvoorbeeld batterijen. Dan blijkt dat het kwartuurpiekvermogen met slechts 221 kW zou gedaald zijn. Deze daling is dan nog slechts het theoretisch maximum haalbare ten opzichte van de huidige situatie.
P
Figuur 3.6: Voorbeeld gemiddeld kwartuurvermogen tijdens de werkweek
16
Er kan besloten worden dat het praktisch laten dalen van het kwartuurpiekverbruik te Lantmännen Unibake Mouscron geen winstgevende ingreep zal zijn. Het lijkt dan ook veel interessanter om het effectieve verbruik binnen de onderneming verder te analyseren en geen rekening meer te houden met het kwartuurpiekverbruik.
3.3 Elektrisch verbruikersprofiel In hoofdstuk 1 bleek 91% van de totale energiekost ingenomen te worden door de verbruikte elektrische energie. Het is daarom interessant om even dieper in te gaan op de wijze waarop de elektrische energie geconsumeerd wordt in de onderneming. Er is gebruik gemaakt van meerdere (meet)instrumenten teneinde het procentueel elektrisch energieaandeel van de verschillende elektrische verbruikers te bepalen.
3.3.1 Inventarisatie Binnen de onderneming is er een gedetailleerde lijst beschikbaar van alle elektrische motoren die in de onderneming actief zijn. De onderneming wordt onder andere op basis van deze verplichte lijst, jaarlijks financieel belast. Binnen vier van de zes beschouwde categorieën elektrische verbruikers, worden elektromotoren aangewend. Indien de gebruiksfactoren gekend zijn van deze elektrische motoren, kan op deze wijze het totale energieverbruik van deze motoren op jaarbasis worden berekend. Op figuur 3.7 is te zien dat het totaal aantal geïnstalleerde elektromotoren 959 bedraagt. Overigens blijkt ongeveer de helft van de motoren kleiner of gelijk te zijn aan 0.37kW. Ondanks het feit dat veel van deze motoren in groepen van twee, zes of twaalf aangestuurd worden, is het bijzonder moeilijk om aan ieder van deze motoren een gebruiksfactor toe te kennen. 500 470 450
400
350
aantal
300
250
200 161 143
150
116 100 69 50
0 0 - 0,37 1
0,37 2- 0,75
0,75 3 - 1,5
1,5 4- 3,6
3,65 - 355
vermogenklasse
Figuur 3.7: Aantal elektrische motoren per gegroepeerde categorie
Andere meetmethoden drongen zich dan ook op om een elektrisch verbruikersprofiel op te stellen binnen de onderneming.
17
3.3.2 Fluke 434 Tijdens week 46 van het jaar 2006 werd een kleine meetcampagne ondernomen teneinde een beter inzicht te verkrijgen in het elektrisch verbruikersprofiel. Gedurende zeven dagen werden meerdere metingen gedaan op • • • •
één productielijn de persluchtinstallatie de verlichtingsinstallatie het administratief gedeelte
Deze metingen werden uitgevoerd met behulp van een Fluke 434. Dit meettoestel maakt het mogelijk allerhande metingen uit te voeren zoals spannings- en stroommetingen, vermogenmetingen, analyse van harmonische spectra, … Bovendien is het toestel in staat de gemeten waarden te registreren over een langere periode waardoor evoluties van bepaalde opgemeten parameters gemakkelijk opgemerkt kunnen worden.
Figuur 3.8: Fluke 434-vermogenmeter met geïntegreerde datalogger
Vooral de vermogenmetingen op het administratief gedeelte, de verlichtingsinstallatie en een productielijn, verschaften een beter inzicht omtrent het procentuele energieaandeel van deze installaties. De volledige meetresultaten zijn opgenomen in de bijlagen maar onderstaand worden alvast de besluiten geformuleerd.
3.3.2.1 Productieverlichting Er werden op de productieverlichting twee vermogenmetingen uitgevoerd en dit telkens aan het begin van elektrische verdeelborden waarop hoofdzakelijk verlichtingsapparaten aangesloten zijn. Tabel 3.3: Resultaten vermogenmetingen op de verlichtingsinstallatie
Elektrisch bord
Verbruik
Totaal verbruik per jaar
Bord 1 Bord 7.2
42.87 kWh/uur 15.58 kWh/uur
463.65 MWh
In de onderneming is er geen variabele aansturing van de productieverlichting geïnstalleerd. Het onttrokken vermogen mag dan ook als een constante aanschouwd worden wat blijkt uit de metingen. Enkel tijdens het weekend wordt de gehele verlichtingsinstallatie gedurende twaalf uren volledig uitgeschakeld. Door dit gepast in rekening te brengen, bekomt men een totaal elektrisch verbruik per jaar vanwege de verlichtingsinstallatie van 463.65 MWh.
18
3.3.2.2 Administratief gedeelte Gedurende anderhalve dag werd een vermogenmeting uitgevoerd op het administratief gedeelte van de onderneming. Tabel 3.4: Resultaten vermogenmeting op het administratief gedeelte
Gemiddeld vermogen tijdens kantooruren (8u00-17u00; maa-vrij) Gemiddeld vermogen na kantooruren (overige uren) Gemiddeld vermogen (weekbasis) rekening houdend met %-aandeel van kantooruren en niet kantooruren (kantooruren = 26.8%; niet-kantooruren 73.2%) Totaal verbruik (jaar)
9.83 kW 6.35 kW 7.39 kW
51.79 MWh
Uit de metingen werd tevens een niet te verwaarlozen elektrisch verbruik vastgesteld buiten de kantooruren. Een gemiddeld vermogen van 7.39kW werd berekend rekening houdend met een benuttingfactor die berekend werd op basis van het totaal aantal kantooruren in een week. Uiteindelijk werd een richtverbruik van het administratief gedeelte berekend van 51.79 MWh per jaar.
3.3.2.3 Productielijnen Eerder werd reeds aangehaald dat het bepalen van het totaal energieverbruik door middel van inventarisatie van bijvoorbeeld elektromotoren, heel complex wordt indien grote aantallen dienen geïnventariseerd te worden. Daarenboven is de nauwkeurigheid van de methode betwistbaar door moeilijk bepaalbare benuttingsfactoren. Daarom werd een totaalmeting gedaan op één van de productielijnen (productielijn 4, recentste lijn) teneinde een inzicht te verkrijgen in het elektrisch energieverbruik van deze productielijn. 1,6E+05
1,4E+05
Vermogen [kW]
1,2E+05
1,0E+05
8,0E+04
6,0E+04
4,0E+04
2,0E+04
0,0E+00 16/11/2006 16/11/2006 16/11/2006 16/11/2006 16/11/2006 16/11/2006 16/11/2006 16/11/2006 16/11/2006 16/11/2006 16/11/2006 10:40 10:48 10:55 11:02 11:09 11:16 11:24 11:31 11:38 11:45 11:52
Figuur 3.9: Elektrisch vermogen van productielijn vier
19
Op bovenstaande grafiek is het verloop van het onttrokken vermogen van de productielijn zichtbaar. Door het af en toe stoppen van een gedeelte van deze productielijn, varieert de afname van elektrische energie. Er kan een gemiddeld vermogen berekend worden van 125 kW die deze productielijn lijn onttrekt wanneer deze actief is. Aangezien het bijzonder moeilijk was om het elektrisch vermogen op te meten van de overige drie productielijnen, is verondersteld geweest dat het vermogen onttrokken door deze lijnen even groot mag verondersteld worden als bovenstaand opgemeten vermogen. Dit standpunt is ingenomen doordat •
•
productielijn vier compacter opgebouwd is. Hierdoor is de lengte van het totale aantal transportbanden kleiner. Ook kunnen de motoren van lijn vier als rendementsvoller beschouwd worden. productielijn vier een grotere productiecapaciteit heeft dan de lijn één, twee en drie en doordat enkele grote persluchtverbruikers bij deze eerste drie lijnen, vervangen zijn bij de opbouw van lijn vier door elektrische verbruikers.
Voor de berekening van het procentueel verbruikersaandeel van de vier productielijnen is dan ook aangenomen dat: • het totaal geïnstalleerd vermogen: 500kW • gebruiksfactor: 0.6 Een richtverbruik van de vier geïnstalleerde productielijnen werd op deze wijze berekend en bedraagt 2628 MWh per jaar.
3.3.3 Energy Kronos 3.3.3.1 Energy Kronos
Figuur 3.10: Startpagina van Energy Kronos
Het totaalverbruik van de koelinstallatie werd op een meer subjectieve manier bepaald. Hiervoor werd beroep gedaan op een klantendienst aangeboden door de energieleverancier van Lantmännen Unibake Mouscron, zijnde Electrabel. De klantendienst, Energy Kronos genaamd, maakt het voor
20
de gebruiker mogelijk om het elektrisch kwartuurvermogen onttrokken door een onderneming, via een internetapplicatie te visualiseren. Dit is enkel mogelijk doordat de registratie van het totaal elektrisch vermogen gebeurd door middel van een telegelezen registratie. Deze gegevens worden verzameld door de distributienetbeheerder en worden vervolgens overgemaakt aan de energieleverancier, in dit geval Electrabel.
Figuur 3.11: Weergavescherm van Energy Kronos
3.3.3.2 Koel- en vriesinstallatie Het is zo dat de belasting van de koel- en vriesinstallatie afhankelijk is twee factoren. Enerzijds dient de installatie de verschillende ruimten in het gebouw aanwezig, voldoende te conditioneren teneinde op iedere plaats de vooropgestelde temperatuur te verzekeren. Anderzijds is de installatie ook verantwoordelijk voor het effectief invriezen van de eindproducten. Tijdens het weekend is er geen productie waardoor er geen producten diepgevroren dienen te worden. Echter worden de productiehallen tijdens het weekend wel gewoon verder geconditioneerd. Of anders gezegd wordt alle elektrische energie die door de koelinstallatie tijdens het weekend verbruikt wordt, aangewend voor het conditioneren van het gebouw.
21
Figuur 3.12: Uitschakelen van de gehele koel- en vriesinstallatie
Echter wordt ieder weekend gedurende een korte periode de volledige koelinstallatie uitgeschakeld voor onderhoudswerken. Het effect op het afgenomen elektrisch vermogen is dan ook goed zichtbaar door Energy Kronos. Door meerdere weekenden met elkaar te vergelijken, werd visueel afgeleid dat het conditioneren van de onderneming gemiddeld ongeveer 390 kW aan elektrische energie vergt. Het diepvriezen van de producten is in tegenstelling tot de conditionering van de onderneming, wel afhankelijk van de mate van productie. De hoeveelheid energie die hiervoor vereist is geweest gedurende 2006, werd eveneens met Energy Kronos praktisch bepaald. Door van het totaal onttrokken elektrisch vermogen de andere energieverbruikers zoals de productieverlichting, persluchtinstallatie, productieverlichting, … gepast te differentiëren, en dit uit te middelen gedurende meerdere weken, werd een waarde bekomen van deze vereiste elektrisch energie, zijnde ongeveer 300 kW. Voor de berekening van het procentueel verbruikersaandeel van de koel- en vriesinstallatie, zijn dan ook onderstaande cijfers aangenomen: • •
het totaal geïnstalleerd vermogen: 700 kW gebruiksfactor: 0.83
Deze gebruiksfactor wordt bepaald door het enkel invriezen van producten tijdens de werkweek.
22
3.3.4 Verbruikersprofiel Productielijnen 29%
Persluchtinstallatie 6%
Administratie 1%
Overige 3%
Verlichtingsinstallatie 5%
Koel- en vriesinstallatie 56%
Figuur 3.13: Elektrisch verbruikersprofiel
In bovenstaande grafiek is het uiteindelijk elektrisch verbruikersprofiel weergegeven van de onderneming. Hierbij valt het grote aandeel van de koel- en vriesinstallatie op. Meer dan de helft van de aangewende elektrische energie wordt gebruikt voor het conditioneren van de bedrijfshallen en voor het invriezen van de afgewerkte viennoisserie tot diepgevroren producten.
3.4 Besluit In dit en vorig hoofdstuk werd beknopt de energieaanwending in de onderneming Lantmännen Unibake Mouscron beschouwd. Door middel van meerdere metingen en de studie van de facturatie, werd een inzicht verkregen in het energieverbruik van de onderneming en de bijhorende energiekosten die hieruit resulteren. De grootste energiekost wordt gerealiseerd door het verbruik van elektrische energie. Binnen deze categorie kan eveneens een opmerkelijk grote afnemer aanschouwd worden, zijnde de koel- en vriesinstallatie. Er wordt dan ook aangenomen dat het implementeren van gepaste energiebesparende maatregelen binnen de categorie van elektrische verbruikers, de grootste reductie van de energiekost met zich zal meebrengen. Hierbij moet vooral aandacht besteed worden aan het verminderen van het totaalverbruik. In mindere mate is er een besparingspotentieel aanwezig op gebied van de reductie van kwartuurpiekvermogen. In de twee navolgende hoofdstukken wordt verder de persluchtinstallatie en het persluchtverbruik in de onderneming bestudeerd.
23
Hoofdstuk 4: Perslucht als energievorm In juni 2006 werd er binnen de totale persluchtinstallatie te Lantmännen Unibake Mouscron een nieuwe compressorinstallatie geïnstalleerd. Niettegenstaande het procentueel elektrisch energieaandeel van perslucht in de onderneming op slechts 6 % geschat wordt, werd het interessant bevonden om het gebruik van deze nieuwe compressorinstallatie te bestuderen en indien mogelijk te optimaliseren. Het feit dat industriële perslucht in de literatuur doorgaans aanschouwd wordt als een bijzonder inefficiënte energievorm, was een bijkomende motivatie voor het uitvoeren van deze studie. In dit eerder inleidend hoofdstuk, wordt beknopt perslucht als energievorm aanschouwd. Verder wordt tevens de opbouw van de compressorinstallatie te Lantmännen Unibake Mouscron bestudeerd.
4.1 Perslucht in een industriële onderneming Wanneer in een productieproces een keuze dient gemaakt te worden omtrent de dimensionering van een (lineaire) aandrijving, kan het in sommige gavallen interessant zijn om perslucht als energiedrager te kiezen ten nadele van een elektrische of een hydraulische aandrijving. Het gebruik van perslucht heeft dan ook zijn specifieke voor- en nadelen. Tabel 4.1: Voornaamste voor- en nadelen van perslucht
Voordelen
• •
•
Nadelen
• • • • • •
eenvoudige distributie pneumatische aandrijvingen zijn eenvoudig, compact, robuust en licht. Gevolg hiervan zijn: - verhoogde bedrijfzekerheid - geringe installatiekosten - beweeglijkheid lucht als werkmedium: - zuiver: verder werken bij lekken is mogelijk - niet explosief: mogelijk gebruik in explosieve ruimten overbelastbaarheid van pneumatische toestellen lawaaihinder luchtvochtigheid: (soms verregaande) conditionering vereist smering persluchtmateriaal beperkte drukkracht hoge energiekost: elektriciteit – pneumatiek: 6 – 1
Vooral het laag energetisch rendement waarmee elektrische energie doorgaans omgezet wordt in perslucht, maakt perslucht als energiedrager voor grote vermogens minder interessant.
24
4.2 Persluchtinstallatie te Lantmännen Unibake Mouscron 4.2.1 Compressorinstallatie 4.2.1.1 Opbouw Door middel van onderstaande figuur (fig. 4.1) wordt schematisch de opbouw van de compressorinstallatie weergegeven. Deze opbouw mag dan ook aanschouwd worden als een standaard voorbeeld van een compressorinstallatie binnen een industriële persluchtinstallatie. 2000l-buffervat compressoren
perslucht productie
filters en koelluchtdrogers
perslucht inpak olie/waterafscheider adsorptiedroger
elektrisch bord Figuur 4.1: Schematische voorstelling compressorinstallatie van de persluchtinstallatie te Lantmännen Unibake Mouscron
De compressorinstallatie wordt vanuit een speciaal voor de compressorinstallatie voorzien elektrisch verdeelbord, gevoed op 3x400V. Binnenin dit verdeelbord zit eveneens de sturing van de compressorinstallatie verwerkt. Deze sturing, Enercon SX genaamd, is een netwerksturing die alle compressoren in het netwerk aanwezig, zo energetisch mogelijk gaat aansturen teneinde een zo constant mogelijke systeemdruk te voorzien. Naast iedere compressor is wel nog een machinesturing geïnstalleerd die het feitelijke in- en uitschakelen van de compressor gaat regelen, al dan niet op commando van de Enercon-sturing. Deze machinesturing beveiligt daarenboven de compressor en de aandrijvende motor.
25
Binnen de compressorruimte zijn op heden drie compressoren geïnstalleerd. In onderstaande tabel zijn meer specifieke details weergegeven omtrent deze compressoren. Tabel 4.2: Eigenschappen persluchtcompressoren en hun aandrijving
Compressor 1 Merk Type Vermogen Free air delivery Aandrijving
Compressor 2
Compressor 3
Compair Hydrovane
Compair Hydrovane
Compair Hydrovane
Schottencompressor 837 PUAS 08 37 kW
Schottencompressor 830 PUAS 10 30 kW
Schottencompressor 830 PUAS 10 30 kW
5.64 mN³/min (1480 tr/min – 50Hz) Inductiemotor: kW: 37 tr/min: 1480 0.87 cos ϕ :
4.68 mN³/min (1460 tr/min – 50Hz) Inductiemotor: kW: 30 tr/min: 1465 0.90 cos ϕ :
4.68 mN³/min (1460 tr/min – 50Hz) Inductiemotor: kW: 30 tr/min: 1460 0.83 cos ϕ :
rendement: 93.6% bouwjaar: 2006 PWM-inverter
rendement: bouwjaar: ster-driehoek
rendement: bouwjaar: ster-driehoek
91.4% 2006
82% 2002
Op figuur 4.2 is te zien hoe de drie compressorunits intern opgebouwd zijn. De twee belangrijkste onderdelen van zo’n unit worden gevormd door de feitelijke persluchtcompressor en door de aandrijvende inductiemotor.
Figuur 4.2: Opbouw schottencompressor Compair Hydrovane
26
Zoals aangeduid is op de figuur 4.1 (overzicht compressorinstallatie) bevindt er zich net na de compressoren een persluchttank van 2000 liter die fungeert als bufferopslag van gegenereerde perslucht. Ter hoogte van deze druktank is er tevens een analoge druksensor geïnstalleerd waarvan de gemeten waarde teruggekoppeld wordt naar de Enercon SX-sturing. Vooraleer de perslucht verdeeld kan worden naar de verschillende verbruikers, dient deze perslucht nog geconditioneerd te worden. Na de druktank doorstroomt de perslucht dan ook twee filters en een koelluchtdroger waarbij vaste deeltjes, water en olie uit de perslucht gezuiverd worden. Na deze eerste fase van conditionering is het vochtgehalte van de perslucht reeds voldoende gedaald om de perslucht te kunnen aanwenden in de productieafdeling waar een constante omgevingstemperatuur van 15°C heerst. Om echter de inpakafdeling, waar verpakt wordt bij een omgevingstemperatuur van 5°C, te kunnen voorzien van perslucht, dient men met behulp van een adsorptiedroger de voorziene perslucht verder te ontvochtigen. De perslucht verlaat de compressorinstallatie door middel van twee gescheiden leidingen waarvan de eerste leiding de perslucht naar de productieafdeling brengt en waarbij de andere leiding de perslucht naar de inpakafdeling brengt. Beide leidingen zijn 3” groot (DN80).
4.2.1.2 Sturing Niet-snelheidsgeregelde persluchtcompressoren zijn enkel in staat om in vollastbedrijf perslucht op te wekken. Wanneer het persluchtverbruik een sterk wisselend patroon volgt, dan kan het aantal start/stops van dergelijke compressoren hoog oplopen. Echter geldt dat het maximum aantal start/stops van een compressor beperkt dient gehouden te worden. Indien dit niet het geval is wordt er het risico gelopen dat de motor door frequente en grote startstromen gaat oververhitten. In praktijk worden industriële compressoren die na het bereiken van de maximum systeemdruk geen perslucht meer hoeven te comprimeren, niet onmiddellijk stilgelegd. Door de inlaatklep die de aangezogen luchtstroom kan regelen, volledig te laten dichtklappen, kan men compressoren in nullast laten draaien. Dit heeft als voordeel dat wanneer er plots opnieuw een vraag is naar perslucht, de compressor niet volledig heropgestart dient te worden waardoor het aantal start/stops beperkt wordt. Energetisch gezien is dit echter niet de optimale manier van werken. De reden hiervoor is dat een compressor die in nullast draait, nog steeds een vermogen onttrekt die 15% tot 35% van het vollastvermogen bedraagt. Het is dan ook interessanter om een compressor met behulp van een frequentieomvormer zodanig in toeren te gaan regelen waardoor op elk tijdstip de persluchtcompressor het ogenblikkelijk persluchtverbruik gaat produceren. Rekening houdend met dit feit is bij de herinrichting van de compressorinstallatie in 2006, zoals eerder al aangegeven in tabel 4.2, de grootste persluchtcompressor (37kW) voorzien van een frequentieomvormer. Deze omvormer kan het toerental van de compressor doen stijgen of dalen waardoor de compressor respectievelijk meer of minder perslucht gaat genereren. Het is de netwerksturing (Enercon SX) die de frequentieomvormer gaat aansturen in functie van het gevraagde debiet. Dit aansturen is slechts mogelijk doordat deze sturing een permanente drukopname uitvoert door middel van een analoge druksensor geïnstalleerd net na het buffervat in de installatie. Bij een toenemende vraag aan perslucht door de verbruikers en een gelijkblijvende persluchtproductie vanwege de compressor, zal de druk in het systeem logischerwijze dalen waarna de sturing de
27
frequentieomvormer zal aanzetten om sneller te draaien en bijgevolg de beoogde systeemdruk te herstellen. Indien echter het geproduceerde debiet van de snelheidsgeregelde compressor niet meer volstaat, wordt één van beide 30kW compressoren opgestart. Opnieuw zal de snelheidsgestuurde compressor zijn snelheid aanpassen om te voldoen aan het ogenblikkelijk gevraagd persluchtdebiet.
4.2.2 Persluchtnet Op fig. 4.3 wordt het distributienetwerk weergegeven dat in de onderneming geïnstalleerd is en waarlangs de gegenereerde perslucht verdeeld wordt. Het is duidelijk dat dit netwerk (historisch) opgebouwd is volgens een boomstructuur. In de literatuur wordt soms aangeraden een lijst te creëren van de verschillende persluchtverbruikers in een onderneming aanwezig. Wanneer men dan op deze lijst per verbruiker vermelding maakt van het specifiek verbruik, gebruiksduur, procentuele slijtage, expansiewaarden, procentuele lekkages, enz., dan is men theoretisch in staat om het maximum en gemiddeld persluchtverbruik te bepalen. Echter blijkt dit enkel een interessante werkmethode te zijn bij een kleine installatie.
Figuur 4.3: Voorstelling van het persluchtverdelingsnet
Door het feit dat de beschouwde installatie opgebouwd is uit meer dan 50 persluchtverbruikers, worden de verschillende persluchtverbruikers hierna aanzien als één globale afnemer van perslucht aan de compressorinstallatie (black box-principe). Door gepaste metingen uit te voeren zal in de navolgende hoofdstukken getracht worden om het verbruik, efficiëntie, kostprijs, e.d. van de compressorinstallatie en het geheel van verbruikers te bepalen.
28
Hoofdstuk 5: Uitwerking visualisatiesysteem In samenspraak met de technisch verantwoordelijken te Lantmännen Unibake Mouscron werd een permanente meetopstelling ontwikkeld om op heden en in de toekomst de efficiëntie van de persluchtinstallatie te kunnen monitoren. De praktische realisatie van deze meetopstelling vertaalde zich in een lange zoektocht naar een passend concept waarbij een betaalbaar evenwicht gezocht werd tussen de mogelijkheden en de beperkingen van allerhande sensoren. Uiteindelijk werd een praktische opstelling gerealiseerd waarvan de meetresultaten permanent gevisualiseerd en gelogd worden.
5.1 Beoordeling persluchtverbruik 5.1.1 Doelstellingen Binnen de onderneming wordt perslucht hoofdzakelijk aangewend om in het productieproces persluchtcilinders lineaire bewegingen te laten uitvoeren. In mindere mate wordt perslucht gebruikt tijdens onderhoudswerkzaamheden. Pin
Puit
= Pelektrisch
= ∑ F .∆x.∆t + ∑ M .
= 3.U .I .PF
2.π .n + ... 60
=?
Figuur 5.1: Theoretische bepaling van het energetisch rendement van een persluchtinstallatie
Zoals in hoofdstuk vier beschreven is, maakt het grote aantal persluchtverbruikers het onmogelijk om het totaal energetisch rendement van de volledige persluchtinstallatie te bepalen. Om dit te doen zou het bovendien ook vereist zijn om op op iedere persluchtverbruiker kracht-, verplaatsingsof koppelmetingen uit te voeren, afhankelijk van het type verbruiker. Stel dat men toch in staat zou zijn om het totale energetisch rendement van een persluchtinstallatie in real time te kunnen bepalen, dan nog zouden deze gegevens qua interpretatie vrij onbruikbaar zijn. Wanneer op een zeker tijdstip een abnormaal laag energetisch rendement zou vastgesteld worden van de gehele persluchtinstallatie, dan zou men uit deze gegevens niet kunnen afleiden wat er ongeveer fout gaat binnenin de installatie. Het zou bijvoorbeeld kunnen zijn dat er een groot persluchtlek is ontstaan in een persluchtleiding terwijl het laag rendement evengoed afkomstig zou kunnen zijn van een slecht functionerende compressor.
29
Figuur 5.2: Praktisch monitoren van de energie-efficiëntie van de persluchtinstallatie
Om de gehele persluchtinstallatie praktisch te monitoren, werd geopteerd om het exact persluchtvermogen te bepalen dat door de compressorinstallatie aan het persluchtnet afgeleverd wordt door middel van allerhande metingen net na de compressorinstallatie. Tevens werd een bijkomende elektrische vermogenmeting geïnstalleerd die het elektrisch vermogen opmeet dat door de compressorinstallatie opgenomen wordt. Door beide vermogens met elkaar te vergelijken wordt uiteraard het rendement bekomen waarmee in de compressorinstallatie elektrische energie omgezet wordt in persluchtenergie. Zoals verder in dit hoofdstuk beschreven wordt, moet om het persluchtvermogen te bepalen dat door de compressorinstallatie aan het persluchtnet geleverd wordt, onder andere het persluchtdebiet gemeten worden. Uit de evolutie van dit verbruik kan afhankelijk van de mate waarin geproduceerd wordt, een gepast besluit getrokken worden omtrent de persluchtconsumptie in de onderneming. Indien er binnen de onderneming totaal geen afname is vanwege de persluchtverbruikers aanwezig in het verdelingsnet, dan is het gemeten persluchtdebiet dat de compressorinstallatie verlaat, gelijk aan de hoeveelheid persluchtlekken. Een bijkomende eis tijdens het ontwerp van de meetopstelling was dat de statussen van de compressoren (actief/nietactief zijn) en eventuele apparaatfouten in de compressorinstallatie ogenblikkelijk opgemerkt dienen te worden.
30
Samenvattend wordt in tabel 5.1 nogmaals de doelstellingen geformuleerd waarmee rekening diende gehouden te worden bij het dimensioneren van de permanente meetopstelling. Tabel 5.1: Doelstellingen bij het dimensioneren van een permanente meetinstallatie
analyse
• • •
•
• •
beveiliging
•
•
•
registreren totaal persluchtverbruik, energiekost en energieaandeel van perslucht in de onderneming bepalen van de kostprijs van 1 m³N perslucht bepalen van de exacte rendementswaarde van de persluchtproductie. Deze rendementswaarde kan bij een nieuwe investering gebruikt worden om te achterhalen welk type aandrijving (elektrisch of pneumatisch) het interessants is wanneer investeringskosten en energiekosten met elkaar vergeleken worden. wanneer er geen productie- of onderhoudactiviteiten zijn in de onderneming dan zal het reëel persluchtverbruik gelijk zijn aan de hoeveelheid perslucht die verloren gaat ten gevolge van persluchtlekken. verificatiemethode van energiebesparende maatregelen geïmplementeerd in de persluchtinstallatie automatische uitlezing van de meetwaarden via een (industrieel) netwerk en een automatische logging van de gewenste waarden op de SQL-server reeds aanwezig in de onderneming abnormaal laag rendement persluchtcompressie/normaal persluchtverbruik: de gebruiker wordt gewezen op een fout in de persluchtproductie (bv. vervuilde filters, fout in een compressor, …) normaal rendement persluchtcompressie/abnormaal groot persluchtverbruik: de gebruiker wordt gewezen op abnormale lek(ken) in de persluchtverdeling of op een defecte persluchtverbruiker registreren van fouten en statussen
5.1.2 Theoretische achtergrond Voor het bepalen van het rendement van de compressorinstallatie in de persluchtinstallatie aanwezig, dienen drie metingen ondernomen te worden: een vermogenmeting op de elektrische voedingskabels van de installatie en een druk- en volumedebietmeting net na de compressorinstallatie. Deze druk- en volumedebietmeting dient tweemaal gedaan te worden en dit op beide leidingen naar de productie- en inpakafdeling.
5.1.2.1 Bepalen van het werkelijk volumedebiet Niet het normaalvolumedebiet2 maar wel het werkelijk volumedebiet dient opgemeten te worden.
m³ V& = … s
(5.1)
2
Een gasverbruik wordt vrijwel altijd uitgedrukt door middel van een normaalvolumedebiet. Om dit debiet te bekomen moet het werkelijk volumedebiet omgerekend worden naar normomstandigheden volgens de wetmatigheid van Boyle-Gay Lussac waarbij p0 = 101300 Pa en T0 = 273.15K.
31
Bij debietsensoren die meten volgens het principe van de “Karman’s vortexstraat”, kortweg Vortexdebietmeters genaamd, wordt in feite de snelheid van het medium gemeten. Door aanvullend rekening te houden met de inwendige oppervlakte van de debietmeter, verkrijgt men het werkelijk volumedebiet die de sensor doorstroomt. Bij thermische debietsensoren is de meetwaarde door de sensor uitgelezen, een maat voor het massadebiet perslucht die de sensor doorstroomt. Een persluchtmassadebiet is equivalent met een normaalvolumedebiet. Het opgemeten massadebiet dient dan nog omgerekend te worden naar het werkelijk volumedebiet. Hierbij moet de temperatuur en de druk van de perslucht gekend zijn. De temperatuur wordt eveneens opgemeten door de massadebietsensor (principe thermische debietmeting) en wordt naast het massadebiet eveneens uitgelezen. De druk dient ook opgemeten te worden (zie verder). Doordat de vochtigheid van de perslucht ver beneden het verzadigingsgebied ligt (door middel van de persluchtdrogers) en doordat de temperatuur en druk van de perslucht geen abnormale waarden verkrijgen, mag men industriële perslucht (< 10 bar overdruk, 0°C < T < 100°C) als een ideaal gas aanschouwen waarvoor geldt dat
m& .Ri .T m³ J V& = met Ri = 286.92 p kg.K s
(5.2)
Figuur 5.3: Reëelgasfactor Z
De mate waarin een gas afwijkt van een ideaal gas wordt aangegeven met een dimensieloze reëelgasfactor z, afhankelijk van druk en temperatuur. Op figuur 5.3 wordt deze correctiefactor voor industriële perslucht zelfs niet afgebeeld. Dit wijst op het feit dat industriële perslucht zoals reeds eerder aangehaald is, algemeen als een ideaal gas beschouwd wordt. Er dient ook opgemerkt te worden dat de eenheid van de drukwaarde in de formule 5.2, uitgedrukt wordt in Pa absoluut.
32
5.1.2.2 Bepalen van de totale druk De totale druk van een gas of vloeistof is de som van de statische en dynamische druk (wet van Bernouilli). De totale druk wordt uitgedrukt in Pa.
ptotaal = p stat + pdyn
(5.3)
De statische druk daarenboven is de som van de absolute druk en de hydrostatische druk en is een maat voor de potentiële energie van een gas of vloeistof.
p stat = pabs + phydro
(5.4)
p stat = p + ρgh
(5.5)
De dynamische druk is dan weer een maat voor de kinetische energie die het stromend gas of de stromende vloeistof bezit.
pdyn =
ρv ²
(5.6)
2
Uiteindelijk geldt dat
ptotaal = p + ρgh +
ρv ²
(5.7)
2
2500,0
2,50%
2000,0
2,00%
1500,0
1,50%
som phydro + pdyn %- aandeel tov ptotaal
1000,0
%-aandeel
maximale pdyn + phydro [Pa]
Echter is het procentueel aandeel van de dynamische druk en de hydrostatische druk in de beschouwde compressorinstallatie te verwaarlozen. Dit wordt in figuur 5.4 aangetoond.
1,00%
500,0
0,50%
0,0
0,00% 101300
200000
300000
400000
500000
600000
700000
800000
900000
1000000
systeemdruk [Pa]
Figuur 5.4: Maximale som hydrostatische en dynamische druk bij een gegeven systeemdruk
33
In een Excel-file werd de som van de hydrostatische en dynamische druk berekend waarbij alle parameters die een invloed hebben op deze drukken, worstcase werden beschouwd (= maximale som van de hydrostatische en dynamische druk). Hierbij gold dat: • • • •
de inwendige diameter van een 3” leiding 0.073 m is. een bijkomende compressoruitbreiding werd voorzien van 37kW. de maximale hoogte van de compressorinstallatie ten opzichte van de persluchtverbruikers vier meter bedraagt het maximale volume dat één van de twee leidingen doorstroomt, 70% van het maximale geproduceerde compressordebiet bedraagt.
De toestand werd beschouwd waarbij de systeemdruk in de installatie zich op atmosferische druk bevindt (1.013 bar) en vervolgens tot op 10 bar wordt gebracht door de compressorinstallatie (met voorziene uitbreiding) maximaal uit te sturen. Deze simulatie kan vergeleken worden met de soms reële situatie wanneer de compressorinstallatie opnieuw in bedrijf wordt genomen na bijvoorbeeld werkzaamheden aan de installatie waardoor de installatie volledig ontlucht was. Figuur 5.4 toont dat het procentueel aandeel van de som van hydrostatische en dynamische druk ten opzichte van de totale druk, wanneer lage systeemdrukken heersen in de compressorinstallatie maximaal 2.19% bedraagt. Echter is dit procentuele aandeel bij het bereiken van de nominale systeemdruk, zijnde ongeveer 800000 Pa, reeds gedaald tot 0.08%. Deze dalende gebogen trend is als volgt te verklaren. Bij een toenemende systeemdruk daalt het werkelijke volumedebiet van een persluchtcompressor evenredig met de systeemdruk. Hierdoor daalt de snelheid van de perslucht die de 3”-leiding doorstroomt eveneens evenredig.
ρ .v ² is echter 2
De dynamische druk
kwadratisch afhankelijk van deze snelheid. De hydrostatische druk (ρ .g.h ) stijgt lineair met een toenemende systeemdruk. Dit verklaart het feit dat de absolute som van beide drukken opnieuw stijgt vanaf ongeveer 6 bar overdruk. De som blijft echter relatief gezien ten opzichte van de totaaldruk, bij een toenemende absolute druk, dalen. Doordat de frequentie waarmee de compressorinstallatie drukloos wordt geplaatst miniem is, wordt er in het verdere verloop van deze verhandeling geen rekening meer gehouden met dynamische of statische druk. Aldus wordt de totaaldruk bekomen door enkel de absolute druk te gaan opmeten door middel van een druksensor.
ptotaal ≈ pabs
(5.8)
5.1.2.3 Bepalen van het elektrisch vermogen Tenslotte is er voor een rendementsbepaling van de compressorinstallatie nog een meting nodig van het totale elektrische vermogen die de installatie aan het elektrisch net onttrekt. Hierbij geldt dat
Ptoeg . = 3.U .I .PF
(5.9)
34
5.1.2.4 Rendement Een rendement kan berekend worden door middel van de onderstaande formule. Hierbij wordt het ingaand vermogen in de installatie, zijnde het elektrisch vermogen, vergeleken met het uitgaand vermogen dat in dit geval door het persluchtvermogen voorgesteld wordt. Merk op dat de totaaldruk in de formule, uitgedrukt is in de eenheid Pa overdruk!
η tot =
Pperslucht Pelektrisch
V& . ptotaal = Pelektrisch
m³ N m³ . s . Pa s m² = N .m W s
(5.10)
5.1.3 Opmerkingen 5.1.3.1 Frequentie van rendementsberekeningen bij thermodynamische processen Er dient opgemerkt te worden dat bij het toepassen van de bovenstaande formules op de beschouwde compressorinstallatie, er een niet te verwaarlozen meetfout zal gemaakt worden. Dit wordt enerzijds verklaart door het feit dat de componenten in de sturing en aandrijving van de installatie (analoge druksensor + Enercon-regelaar + frequentieomvormer + motor) samengenomen een grote tijdsconstante hebben en doordat er anderzijds tussen de persluchtcompressoren en de debietsensoren een groot opslagvolume is van perslucht (leidingen en 2000l-buffervat). De figuren 5.5, 5.6 en 5.7 trachten te verduidelijken welk probleem zich voordoet.
Figuur 5.5: Compressorinstallatie op het ogenblik t(s) = 0
Figuur 5.5 toont een vereenvoudigde weergave van de compressorinstallatie waarbij enkel de frequentiegestuurde compressor weergegeven is. We veronderstellen dat het systeem op het moment t(s) = 0, volledig stabiel is waarbij de toerentalgeregelde compressor een constant debiet levert aan het persluchtnet van 1.2 mN³/min en waarbij de druk in het vat ongewijzigd blijft. Met andere woorden is de perslucht die het vat binnenstroomt per tijdseenheid net gelijk aan de perslucht die het vat verlaat.
35
Stel dat net na het moment t(s) = 0, de persluchtvraag stijgt door het totaal van verbruikers. Doordat de compressor niet onmiddellijk het extra gevraagde debiet kan leveren (grote tijdsconstante systeem), stroomt opgeslagen perslucht vanuit het buffervat naar het persluchtnet. Bijgevolg daalt de totale energie-inhoud van het vat, wat waar te nemen is doordat de druk in het vat daalt. Op het moment t(s)=1 is de druk reeds gedaald tot 6.9975 bar.
Figuur 5.6: Compressorinstallatie op het ogenblik t(s) = 1
Stel dat net na het moment t(s)=1 de frequentieomvormer erin geslaagd is om de compressor sneller te doen draaien tot 1300 tr/min, maar dat op hetzelfde moment het gevraagd persluchtdebiet door de persluchtverbruikers opnieuw gedaald is tot 1.2 mN³/min (fig. 5.7). De extra energie die door de motor verbruikt wordt, wordt in dit geval gebruikt om opnieuw de druk in het buffervat te herstellen tot 7 bar. Deze situatie is afgebeeld op figuur 5.7.
Figuur 5.7: Compressorinstallatie op het ogenblik t(s) = 2
36
Met het voorgaande eenvoudige voorbeeld is duidelijk aangetoond dat de verhouding van het uitgaand persluchtvermogen van de compressorinstallatie ten opzichte van het ingaand elektrisch vermogen nooit het correcte rendement van de installatie zal weergeven. In bovenstaand voorbeeld zou het rendement berekend door middel van ogenblikkelijke vermogens (verbruik per seconde) van: • •
t(s) = 0 tot t(s) = 1 te groot zijn geweest (vergroot persluchtdebiet, normaal elektrisch vermogen). t(s) = 1 tot t(s) = 2 te klein zijn geweest (normaal persluchtdebiet, vergroot elektrisch vermogen).
Het is dus zinloos om iedere seconde een nieuw rendement te berekenen van de installatie. Daarom wordt het rendement niet berekend door middel van vermogens maar door middel van verbruiken (per uur). Concreet wordt er ieder uur een rendementswaarde berekend door middel van: • • •
totaal persluchtverbruik totaal elektrisch energieverbruik gemiddelde persluchtdruk
5.1.3.2 Rendementsberekening gedeelte inpak Tijdens de ontwerpfase werd nog een bijkomend probleem vastgesteld. Bij het bestuderen van figuur 4.1 (figuur schematische voorstelling compressorinstallatie) werd er vastgesteld dat in de compressorinstallatie een adsorptiedroger aanwezig is die enkel de perslucht conditioneert die in de inpakafdeling wordt aangewend. Deze adsorptiedroger is samengesteld uit twee vaten waarin sterk hygroscopisch materiaal is aangebracht die het resterende vocht onttrekt aanwezig in de perslucht die de vaten doorstroomt. Op deze manier wordt er extra gedroogde perslucht verkregen met een dauwpunt van ongeveer -40°C.
Figuur 5.8: Adsorptiedroger
37
Wanneer na zekere tijd de adsorptiedroger een bepaald massadebiet aan perslucht heeft ontvochtigd, raakt het adsorbens in de vaten verzadigd met water en dient minstens één van deze vaten geregenereerd te worden. Het verzadigd zijn van de adsorptievaten wordt gedetecteerd door een dauwpuntsensor die geïnstalleerd is in de persluchtleiding na de adsorptiedroger. Wanneer de dauwpuntsensor een te hoog dauwpunt detecteert zal op één van beide vaten een regeneratiecyclus gestart worden. Tijdens een regeneratiecyclus wordt het vat dat geregenereerd wordt, eerst op atmosferische druk geplaatst en daarna verwarmd door middel van elektrische weerstanden die in het vat geïnstalleerd zijn. Het vat wordt opgewarmd tot 150°C waardoor het water waarmee het adsorbens is verzadigd, gaat verdampen. Tijdens dit verwarmen wordt het vat continu doorstroomt met een weinige hoeveelheid perslucht, met als doel het verdampte water af te voeren naar de omgeving. Bij het bereiken van een temperatuur van 150°C, stopt het verwarmen en is men zeker dat alle geadsorbeerde waterdamp opnieuw verdampt is uit het adsorbens en afgegeven is aan de omgevingslucht. REGENERATIE
t(h) = 0
tijd tussen 2 regeneraties = ?
t(h) = 1
t(h) = 2
REGENERATIE
t(h) = 3
t(h) = 4
t(h) = 5
Figuur 5.9: Regeneratiecyclus adsorptiedroger
Doordat het regenereren van deze adsorptiedroger elektrische energie vergt die enkel gebruikt wordt ter productie van perslucht die in de inpakafdeling gebruikt wordt, werd er beslist om ieder uur in plaats van één globaal rendement te berekenen, echter twee rendementen te berekenen, met name een rendement productie en een rendement inpak. Bij het berekenen van het rendement inpak, stelt het probleem zich echter in het feit dat de tijd tussen twee regeneraties afhankelijk is van het massadebiet die de adsorptiedroger doorstroomt. Zo zal in het weekend, wanneer er slechts een kleine persluchtafname is, de tijd tussen twee regeneraties veel langer zijn dan wanneer er tijdens de werkweek binnen de onderneming volop geproduceerd wordt en er dus meer perslucht verbruikt wordt. Stel dat op uur 0 (fig. 5.9) er net een regeneratieperiode voorbij is van de adsorptiedroger. Het adsorbens in de droger heeft op dat ogenblik opnieuw de maximale capaciteit om waterdamp uit de voorbij stromende perslucht te adsorberen. Stel nu dat drie uur later opnieuw een regeneratie dient plaats te vinden omdat het adsorbens opnieuw verzadigd is met water. Dan wordt vanaf uur drie elektrische energie verbruikt om het adsorbens te regenereren dat verzadigd is geraakt met waterdamp gedurende uur één, twee en drie. Met andere woorden dient men bij het berekenen van het rendement na uur één, twee en drie, reeds rekening te houden met de elektrische energie die echter maar gedurende uur vier en vijf zal verbruikt worden om de vaten te regenereren. Indien met dit niet zou doen, dan zou men in de periodes waarin geen regeneratie heeft plaatsgevonden, te hoge rendementen bekomen. Omgekeerd zou men in de periodes waarin wel een regeneratie heeft plaatsgevonden, te lage rendementen verkrijgen. Hierdoor zouden de rendementswaarden met elkaar moeilijk vergelijkbaar zijn. 38
minpak uur kg
J kg
na 10 regeneraties:
ieder uur:
C’ Wadsorber
J uur
=
minpak
kg uur
.
C
J kg
Σ Wregeneratie [J ] minpak [kg ]
=
C”
J kg
90%
J kg
10%
Cnieuw
J kg
Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie Wregeneratie regen eratie
regen eratie
regen eratie
regen eratie
regen eratie
regen eratie
regen eratie
regen eratie
regen eratie
regen eratie
minpak
start periode 10 cycli
regen eratie
regen eratie
einde periode 10 cycli
Figuur 5.10: Bepalen onttrokken elektrisch verbruik adsorptiedroger
Om dit probleem te verhelpen, wordt bij het berekenen van het rendement inpak na ieder uur, een ‘fictief’ elektrisch verbruik Wadsorber berekend door middel van de massa perslucht die het uur voordien de adsorptiedroger doorstroomt heeft (zie fig. 5.10). Deze massa kan gemeten worden door middel van een massadebietmeter die reeds geïnstalleerd dient te worden ter bepaling van het persluchtverbruik.
J m [kg ] . C = W [J ] kg
(5.11)
De verhouding tussen deze ‘fictieve’ verbruikte energie en de massa die de adsorptiedroger doorstroomt heeft, wordt gevormd door een constante factor C die door metingen bepaald werd. Deze constante C varieert echter in de tijd en is afhankelijk van:
de correctheid van de dauwpuntsensor.
een licht variërende waarde van het dauwpunt van de instromende perslucht in het adsorptievat. Hierbij moet opgemerkt worden dat de instromende perslucht in de adsorptiedroger reeds geconditioneerd is door middel van koelluchtdrogers en theoretisch een constant dauwpunt heeft van 2°C.
een dalende adsorptiemogelijkheid vanwege het adsorptiemateriaal in de vaten aanwezig naarmate dit materiaal veroudert.
Om rekening te houden met deze parameters die een afwijking zullen veroorzaken van de constante waarde C, wordt telkens wanneer een regeneratiecyclus plaatsvindt, het elektrisch verbruik dat door de weerstanden onttrokken wordt, gemeten en gelogd. Dit kan gebeuren doordat de elektrische weerstanden aanwezig in het adsorptievat zuivers ohms zijn.
39
Om onderstaande formule te kunnen toepassen ter berekening van het onttrokken vermogen, moet de waarde van de aangelegde spanning en de weerstandswaarde van verwarmingselementen gekend zijn (zie eveneens fig. 5.10).
P=
U² R
(5.12)
Om de weerstandswaarde te kunnen bepalen werden meerdere metingen uitgevoerd met een ohmmeter en dit bij verschillende temperaturen die kunnen heersen in de vaten. Deze temperaturen variëren tussen 20°C en 150°C. Er werd door de metingen vastgesteld dat de weerstandswaarde bij een temperatuur van 150°C gemiddeld 2.9% was gestegen in vergelijking met de weerstandswaarde bij 20°C. Door meerdere spanningsmetingen op de installatie uit te voeren, maten we dat de aangelegde spanning aan het systeem varieerde tussen 388V en 402V. Deze variatie bedraagt 3.6% (ten opzichte van 388V). Door het feit dat het onttrokken vermogen kwadratisch afhankelijk is van de spanning, betekent dit dat een maximale variatie van de spanning een maximale variatie van het vermogen betekend van 7.2%. Bij de praktische realisatie van de vermogenmeting op de adsorptiedroger, werd er dan ook enkel rekening gehouden met een variërende spanning. De weerstandswaarde werd constant verondersteld. Om de gemaakte fout hierbij minimaal te houden, werd een weerstandswaarde aangenomen van 64.0 Ω of de gemiddelde weerstandswaarde bij ongeveer 85°C. Wanneer er telkens tien regeneratiecyclussen hebben plaatsgevonden, wordt het totale gelogde elektrische verbruik door de weerstanden onttrokken, vergeleken met het totale massadebiet die de adsorptiedroger doorstroomde in dezelfde tijdspanne. Zodoende wordt een voorlopig nieuwe constante C” berekenend. Deze constante C” wordt uiteindelijk uitgemiddeld met de oorspronkelijk constante C’ volgens een 1/9-verhouding zodat uiteindelijk een Cnieuw bekomen wordt waarmee ieder uur een ‘fictief’ elektrisch verbruik berekend wordt dat door de adsorptiedroger onttrokken is (figuur 5.10).
40
5.2 Meettoestellen 5.2.1 Situering Tijdens het ontwerpen van de meetinstallatie werd aan een gespecialiseerde installateur van persluchtinstallaties gevraagd om een mogelijk ontwerp uit te werken van de te installeren meetinstallatie. De onderstaande prijsofferte werd in oktober 2006 aan Lantmännen Unibake Mouscron afgeleverd. Tabel 5.2: Voorstel tot uitbouw permanente meetopstelling
Aantal Sensor + type 2 2 2 1 1 1
vortex debietmeter Endress & Hauser druktransmitter Endress & Hauser temperatuursensoren Endress & Hauser gasflowautomaat Endress & Hauser kast voor inbouw van gasflowautomaat mechanische montage in leidingen
Prowirl 72 DN50 Cerabar TPMC 131 Easytemp TMR31 RMC621 Endress & Hauser
Het ontwerp die in bovenstaande prijsofferte (tabel 5.2) wordt voorgesteld, zou technisch gezien een correcte meetinstallatie geweest zijn. Echter waren er bij het evalueren van dit voorstel enkele opmerkingen. Een eerste probleem had betrekking omtrent de debietmeters. Debietmeters zijn toestellen waarvan het meetbereik een heel belangrijke factor is. Debietsensoren zijn nooit in staat om kleine verbruiken te detecteren. Zelfs persluchtdebietmeters die speciaal ontworpen zijn om hele kleine verbruiken te meten, hebben altijd een gekalibreerd minimumdebiet waaronder de sensor niet meer in staat is om volgens de vermelde nauwkeurigheidsklasse te meten. (bv. Festo: debietesensor SFE, debietmeetbereik 0,5 … 10 lN/min) De voorgestelde debietmeters in bovenstaande offerte waarvan de werking steunt op het “Karman’s vortexstraat” principe, hebben dan ook hun specifiek werkingsgebied (tabel 5.3). Tabel 5.3: Meetbereik Prowirl 72
minimum gekalibreerd debiet maximum gekalibreerd debiet E&H Prowirl 72 DN50 E&H Prowirl 72 DN80
0.257 mN³
8.836 mN³
0.658 mN³
22.618 mN³
Men zou logischerwijze opteren om twee Prowirl DN80 te installeren in een 3”-leiding (DN80). Echter blijkt uit tabel 5.3 dat het minimum debiet van deze sensor bijzonder hoog ligt. Bij de installatie van dit type sensor zou het detecteren van de totale hoeveelheid lekverliezen bijzonder onnauwkeurig worden. Daarom werd in bovenstaande offerte (tabel 5.2) voorgesteld om de kleinere sensor Prowirl DN50 te installeren. Ook dit voorstel werd niet goed bevonden vanwege het feit dat het gekalibreerd maximumdebiet dan weer niet meer zou volstaan bij een mogelijke uitbreiding van de compressorinstallatie. Bovendien zou bij de installatie van een Prowirl DN50 een reductie van DN80 naar DN50 in de leidingen moeten aangebracht worden die een drukverlies (en dus energieverlies) met zich zou meebrengen.
41
Een tweede probleem situeerde zich in het feit dat in de voorgestelde offerte nog geen elektrische vermogenmeter of andere communicatiemodules vervat waren. Bovendien werd de prijs van het gasflowautomaat plus bijhorende kast te hoog bevonden rekening houdend met de functie ervan, zijnde het binnenlezen van debiet-, druk- en temperatuurswaarden komende van de sensoren en het verwerken van deze waarden tot een normaalvolumedebiet. Een ander principe voor de opbouw van de meetinstallatie werd wenselijk bevonden. Bij de zoektocht naar andere meetopstellingen, meetprincipes en/of andere sensoren werden meerdere leveranciers van persluchtmateriaal en meetsensoren gecontacteerd waaronder Festo, Norgren, Kobold, Siemens en Endress & Hauser. Onderstaand is beknopt geformuleerd wat de mogelijkheden of beperkingen zijn omtrent hun beschikbaar gamma debietsensoren. • • • • •
Festo: het maximum meetbereik van hun debietsensoren is slechts 5 mN³ Norgren: geen debietsensoren aanwezig in het aangeboden gamma Kobold: uitgebreid gamma debietsensoren; goede nauwkeurigheid; uitlezing enkel mogelijk via 4-20mA signaal Endress & Hauser: uitgebreid gamma debietsensoren; goede nauwkeurigheid; uitgebreide communicatiemodules beschikbaar Siemens: uitgebreid gamma debietsensoren, goede nauwkeurigheid
Door het uitgebreid gamma communicatiemodules geïnstalleerd op de debietsensoren van Endress & Hauser en de goede meetnauwkeurigheid/prijs verhouding, werd na meerdere malen overleg te hebben gepleegd met vertegenwoordigers van E&H, beslist om bij hen de twee debietsensoren aan te kopen. Ook werden twee analoge druksensoren bij hen aangekocht. In de navolgende paragrafen worden de aangekochte meetsensoren meer in detail besproken. Om alle meetwaarden van de sensoren gepast uit te lezen en te verwerken, werd reeds bij aanvang van het ontwerp beslist dit te laten gebeuren door middel van een Profibus DP-netwerk die alle meetwaarden van de aangekochte sensoren dient uit te lezen naar een PLC. In deze PLC worden alle meetgegevens gepast verwerkt. Bij de aankoop van de sensoren werd dan ook reeds rekening gehouden met deze manier van uitlezing.
42
5.2.2 Drukmeting
Figuur 5.11: Druksensor E&H PMC 131
Figuur 5.12: Montage van druksensoren in de persluchtleiding
Figuur 5.11 toont een weergave van de aangekochte druksensoren. Op figuur 5.11 is te zien hoe de druksensoren op de leidingen aangesloten zijn. Tabel 5.4: Voornaamste kenmerken druksensor E&H PMC 131
Merk, type: Meetprincipe: Meetbereiken: Nauwkeurigheid: Uitlezing:
Endress en Hauser PMC 131 capacitieve keramische meetcel nominaal meetbereik: 0 – 10 bar overdruk maximum overbelasting: 40 bar overdruk 0.5% van 10 bar 4-20mA
Het omzetten van het analoge meetsignaal afkomstig van de druksensor tot een digitaal signaal, en het cyclisch verzenden van dit signaal naar de PLC alover het Profibus-netwerk, wordt gerealiseerd door een Siemens ET 200S communicatiemodule.
43
5.2.3 Communicatiemodule
Figuur 5.13: Siemens ET 200S-module
Deze ET200S-module werd aangekocht teneinde de analoge meetsignalen afkomstig van beide druksensoren op een gepaste manier te kunnen uitlezen naar de PLC. Voorts kan men door middel van een dergelijke module ook digitale waarden uitlezen. In deze meetopstelling wordt door deze ET 200S-module tevens het actief of niet-actief zijn van de adsorptiedroger en compressoren gemeld aan de PLC. Ook het optreden van vier mogelijke apparaatfouten wordt op deze manier aan de PLC gemeld. Het betreft hier het mogelijk defect zijn van één geïnstalleerde Bekomat, één van de beide koeldrogers, één van de drie compressoren of het uitgeschakeld zijn van een automaat in het elektrische bord van de compressorinstallatie.
5.2.4 Debietmeting Zoals eerder vermeld is in deze verhandeling, werden twee debietmeters aangekocht bij Endress & Hauser. Deze debietmeters werken echter niet volgens het “Karman’s vortexstraat” meetprincipe vanwege het beperkte meetbereik van dergelijk type sensoren. In onderling overleg met de sales engineers van E&H werd uiteindelijk gekozen voor de aankoop van twee thermische massadebietmeters. Zoals de naam het reeds insinueert, meten deze debietmeters eigenlijk het massadebiet van de perslucht die de sensoren doorstroomt. Indien de temperatuur en druk van de perslucht gekend zijn, kan dit massadebiet probleemloos omgerekend worden naar een volumedebiet.
5.2.4.1 Meetprincipe
Figuur 5.14: Meetprincipe massadebietmeter
De perslucht waarop gemeten wordt, stroomt langs twee temperatuursensoren (fig. 5.14). De eerste temperatuursensor meet de werkelijke gastemperatuur op van de perslucht als referentiewaarde terwijl de tweede sensor wordt verwarmd waarbij nauwkeurig een constant temperatuurverschil met de eerste sensor wordt gehandhaafd. Het meetprincipe steunt op het feit dat de gasmoleculen die langs de verwarmde temperatuursensor stromen, warmte onttrekken van de temperatuursensor. De verwarmde sensor wordt bijgevolg afgekoeld door de voorbij stromende persluchtmassa. De snelheid waarmee deze verwarmde temperatuursensor gekoeld wordt, zal evenredig zijn met het massadebiet perslucht die langs de sensor stroomt. De elektrische energie die nodig is om het 44
temperatuurverschil te handhaven tussen de twee temperatuursensoren is evenredig met het massadebiet die de sensor doorstroomt. Er dient opgemerkt te worden dat dit type sensor enkel geschikt is voor debietmetingen op niet-verzadigde gassen zoals perslucht, aardgas, biogas, enz.
5.2.4.2 Eigenschappen In tabel 5.5 wordt een overzicht weergegeven van de voornaamste eigenschappen van de twee massadebietmeters die geïnstalleerd zijn. Net als het grote meetbereik is het geringe drukverlies over de sensor, opvallend. Tabel 5.5: Voornaamste kenmerken debietsensor E&H proline T-mass 65F
Merk; type: Meetprincipe: Meetbereiken: Nauwkeurigheid: Drukverlies Externe voeding; Vermogen Uitlezing:
Endress & Hauser; Proline T-mass 65 F thermische debietmeter minimum gekalibreerd debiet: maximum gekalibreerd debiet: tussen 1% en 20% o.f.s.3: tussen 20% en 100% o.f.s.: maximum 2 mbar
0.258 mN³ 26.166 mN³ 0.3% o.f.s 1.5% o.r.4
85 tot 260 V AC, 45 tot 65 Hz; 18.2 W Profibus DP interface: Output data: • 3 ogenblikkelijke meetwaarden (keuze tussen massadebiet, volumedebiet ofwel temperatuur per meetwaarde) • 2 totalizers (keuze tussen gecumuleerd massaverbruik ofwel gecumuleerd volumeverbruik per totalizer) Input data: • controle totalizers • drukwaarde
3 o.f.s. = of full scale = het volledige meetbereik. 4 o.r. = of reading = de gemeten waarde.
45
5.2.5 Vermogenmeting
Figuur 5.15: Socomec Diris A40
Figuur 5.16: Elektrische aansluiting vermogenmeter
Om rendementen te kunnen bepalen van de compressorinstallatie moet de elektrische energie die de installatie verbruikt, nauwkeurig gekend zijn. Concreet is dan ook een vermogenmeter geïnstalleerd op de elektrische toevoerdraden van het elektrisch bord 9.2. Op dit bord zijn enkel toestellen aangesloten die perslucht comprimeren of conditioneren. De vermogenmeter is geïnstalleerd volgens een Aaronschakeling (twee wattmeter methode). Dit was slechts mogelijk doordat het elektrisch verdeelbord aangesloten is zonder een stroomvoerende nulleider. Door het vermogen op te meten volgens deze twee wattmeter methode, dienden er slecht twee stroommeettransformatoren aangekocht te worden ten nadele van een heel klein nauwkeurigheidsverlies. Er dient opgemerkt te worden dat er in de installatie tweefasige verbruikers geïnstalleerd zijn, echter worden deze gevoed door een aparte 400V/230V transformator. Het gemeten vermogen kan samen met vele andere parameters zoals spanningen, stromen, PF, totaal verbruik, … op een eenvoudige manier uitgelezen worden door middel van een Profibus DPinterface op de vermogenmeter geïnstalleerd.
5.3 Communicatie Zoals de doelstellingen van dit project het formuleerden, moeten de meetwaarden die door de verschillende sensoren opgemeten worden, gepast verwerkt en gelogd worden. Bij de uitbouw van de opstelling werd vanaf de aanvang van het ontwerp reeds geopteerd om alle meetgegevens cyclisch uit te lezen naar een PLC door middel van een Profibus DP-netwerk. Vervolgens worden de gegevens in de PLC ook verwerkt. Deze PLC werd aanvankelijk geïnstalleerd met als doel om rendementen te bepalen van meerdere productielijnen in de onderneming (ander project in de onderneming). Echter kon van deze PLC ook gebruik gemaakt worden om de cyclische gegevensverwerking van deze meetopstelling praktisch te realiseren. Als laatste stap worden de meetgegevens die in de PLC verwerkt zijn en voorlopig opgeslagen zijn in een datablok, cyclisch uitgelezen vanuit de PLC en gelogd in een SQL-server die reeds aanwezig was te Lantmännen Unibake Mouscron. Dit is mogelijk doordat de PLC verbonden is met het bedrijfsnetwerk door middel van een Ethernet-interface. Het uitwerken van de registratiemethode van de berekende waarden vanuit de datablokken naar de SQL-server, werd gerealiseerd door Joke Cambie, eindwerkstudente aan de PIH te Kortrijk. 46
5.3.1 Profibus DP–netwerk Praktisch werd in de onderneming een extra Profibus DP-netwerk uitgebouwd met een master en vijftien slaves, waarvan vier slaves onderdeel vormen van deze meetopstelling omtrent perslucht.
... ... ...
SLAVE (14) m-T productie SLAVE (15) m-T inpak
P MASTER (2) PLC
SLAVE (12) AI/DI
P
SLAVE (13) kW/kWh SQL-server
Figuur 5.17: Profibus DP-netwerk
Door middel van dit netwerk wordt cyclisch de data afkomstig van de slaves (sensoren) doorgestuurd naar de master (PLC).
47
In tabel 5.6 wordt een overzicht geschetst van de beschouwde Profibus DP-deelnemers met hun respectievelijke in- en uitgangen in het I/O-geheugen of periferiebereik in de PLC aanwezig. Tabel 5.6: Overzicht deelnemers Profibus DP-netwerk betreffende meetopstelling persluchtinstallatie
Adres slaves Master (2)
Slave (12)
Slave (13)
Slave (14)
Slave (15)
Type slave Siemens PLC 300-reeks: CPU 317-2DP met onder andere 2 Profibus-DP interfaces en een Ethernet-interface. Siemens ET 200S module: Communicatiemodule met oa. één AI-kaart 4-20mA en twee DI-kaarten. De twee analoge ingangen op de AI-kaart maken het binnenlezen mogelijk van de persluchtdrukken. Eén DI-kaart wordt gebruikt voor het binnenlezen van apparaatstatussen terwijl de andere wordt gebruikt om fouten/alarmen binnen te lezen. Vermogenmeter Diris A 40: Uitlezen van onder andere het elektrisch vermogen opgenomen door totale persluchtinstallatie Endress & Hauser Proline T-mass 65 F: massadebiet- en temperatuursmeting perslucht productie Endress & Hauser Proline T-mass 65 F: massadebiet- en temperatuursmeting perslucht inpak
Ingangen
Uitgangen
PI 364-367 I 90.0 – 91.3
PI 368-435
PQ 272-300
PI 436-460
PQ 301-302
PI 461-495
PQ 303-304
48
5.3.2 Logging Alvorens een PLC-programma te programmeren die alle meetgegevens gepast verwerkt, is het belangrijk exact te weten welke meetresultaten dienen gelogd te worden en met welke frequentie dit dient te gebeuren. Na overleg met de technische afdeling binnen de onderneming, werd beslist om volgende parameters met een bijhorende frequentie te registeren (tabel 5.7). Tabel 5.7: Overzicht geregistreerde parameters
Analoge waarden persluchtverbruik (productie) gemiddelde druk (productie) persluchtverbruik (inpak) gemiddelde druk (inpak) rendement productie rendement inpak elektrisch verbruik
1 sample/5 minuten = 12 samples/uur 1 sample/uur 1 sample/5 minuten = 12 samples/uur 1 sample/uur 1 sample/uur 1 sample/uur 1 sample/uur 29 samples/uur
Digitale waarden alarm Koeldroger alarm Bekomat 1 (onder buffervat) alarm Uitgeschakelde automaat alarm één van de compressoren status regeneratieverwarming adsorptiedroger status compressor 1 status compressor 2 status compressor 3
slot 2, ingang 1 (0&1) slot 2, ingang 2 (2&3) slot 2, ingang 3 (4&5) slot 2, ingang 4 (6&7) slot 3, ingang 1 (8&9) slot 3, ingang 2 (10&11) slot 3, ingang 3 (12&13) slot 3, ingang 4 (14&15) 8 “woorden” digitale waarden
Het besturingssysteem waarop de SQL-server is geïnstalleerd, heeft de mogelijkheid om door middel van een Ethernetverbinding tussen de PLC en het bedrijfsnetwerk, de verwerkte waarden uit een datablok van de PLC te lezen. Dit kan op twee verschillende manieren gebeuren. Enerzijds kan de SQL-server met een vaste frequentie die in de server is ingesteld (bv. ieder uur), waarden ophalen vanuit een datablok en deze onvoorwaardelijk op de server loggen. Dit principe berust op een tijdsgestuurde registratie. Anderzijds kan de SQL-server cyclisch (bv. iedere 5 seconden) een beschouwde waarde uit een datablok opvragen en deze enkel loggen indien deze parameter van waarde verandert is in vergelijking met de vorige verificatie. Dit principe berust op een eventgestuurde registratie. De registratie van de berekende gegevens in dit project (zowel analoog als digitaal) verloopt dan ook volgens de laatste methode. Met deze manier van logging diende rekening gehouden te worden bij het ontwerpen van de PLC-programmatie.
49
5.3.3 PLC-programmatie De meetwaarden die uitgelezen worden door middel van het Profibus DP–netwerk, worden in de Siemens 317-PLC verwerkt tot de beoogde resultaten, opgesomd in de voorgaande paragraaf. De programmatie van de PLC werd uitgevoerd met behulp van Siemens Step 7. Het volledige PLCprogramma is opgenomen in bijlage.
5.3.3.1 Opbouw Qua opbouw bestaat het PLC-programma uit volgende onderdelen: • •
•
2 organisatieblokken (OB’s): OB32 wordt cyclisch doorlopen en vormt het hart van het programma terwijl OB100 enkel doorlopen wordt tijdens de opstartfase. 5 functies (FC’s): De eerste drie functies worden respectievelijk iedere seconde (FC1001), iedere vijf minuten (FC1002) en ieder uur (FC1003) doorlopen. Deze functies staan in voor het cyclisch binnenlezen en verwerken van de meetwaarden in de PLC. Een vierde functie (FC1004) is een eenvoudige telfunctie waarbij de waarden van twee integers gedefinieerd in DB1000, telkens verhoogt worden met één. De vijfde functie tenslotte zet statusaanduidingen en alarmen (digitale waarden) gepast om in analoge integerwaarden. 12 datablokken (DB’s): Er zijn twaalf datablokken aangemaakt, genummerd van DB 1000 tot en met DB1011. In DB1000 zijn onder andere alle waarden gedefinieerd die uiteindelijk op de SQL-server dienen gelogd te worden. De overige 11 datablokken worden slechts gebruikt voor het voorlopig opslaan van gemeten of berekende waarden.
5.3.3.2 Werking OB32 heeft de eigenschap dat hij perfect cyclisch wordt doorlopen waarbij de tijd tussen twee cyclussen ten allen tijde constant blijft, namelijk 1 seconde. Indien OB1 nog actief is bij de opstart van OB32, wordt de uitvoering van OB1 zolang stopgezet tot OB 32 volledig doorlopen is. Op dat ogenblik wordt OB1 opnieuw hervat vanaf de coderegel waar OB1 aanvankelijk was stopgezet. Dit is schematisch voorgesteld in figuur 5.18.
OB32
OB1
OB1
OB1
OB1
OB1
OB1 OB32 OB1
OB1
cyclustijd = 1s
Figuur 5.18: Cyclisch doorlopen van OB32
Telkens wanneer OB32 wordt doorlopen (iedere seconde) wordt het volgende uitgevoerd (zie eveneens fig. 5.19): •
Functie 1004 en functie 1005 worden eerst doorlopen. Bij het doorlopen van functie 1004 worden de waarden van twee gedefinieerde integers telkens met één verhoogd (cf. één seconde). Op basis van deze waarden zal later in OB32 beslist worden om eventueel functie 1002 (iedere 5 minuten) of functie 1003 (ieder uur) al dan niet te doorlopen. Tijdens deze verdere bespreking worden deze twee waarden telintegers genoemd. Functie 1005 zet de acht digitale waarden om in zestien verschillende integerwaarden waarbij iedere integerwaarde een bepaalde status aanduidt van een bepaalde apparaatstatus of
50
•
apparaatfout. Dit laatste is vereist om de statusaanduidingen en de alarmen gepast te kunnen weergeven door middel van WinCC. Het aanroepen van functie 1001 gebeurt in OB32 onvoorwaardelijk. Bij het doorlopen van deze functie iedere seconde zal de PLC meerdere zaken uitvoeren: De druk (productie en inpak) wordt binnengelezen, geconverteerd naar de eenheid Pa5 en gelogd in respectievelijk DB 1001 en DB 1005. De temperatuur (productie en inpak) wordt binnengelezen in de eenheid °C, geconverteerd naar de eenheid °Kelvin en gelogd in respectievelijk DB 1002 en DB 1006. Het elektrisch vermogen wordt binnengelezen in de eenheid kW x 2 (specifieke uitleesvorm van de Diris A40-vermogenmeter), geconverteerd naar de eenheid Joule en geregistreerd in DB 1009. Indien er een regeneratiecyclus plaatsvindt op de adsorptiedroger, wordt het elektrisch vermogen door dit apparaat onttrokken, berekend en gelogd. Ook wordt het massadebiet die de adsorptiedroger doorstroomt, bijgehouden.
Figuur 5.19: Werking PLC-programma
•
Na functie 1001 doorlopen te hebben, wordt de eerste telinteger vergeleken met de waarde 300 (= 5 minuten). Indien deze integer groter of gelijk is aan deze waarde, wordt functie 1002 aanroepen. Bij het uitvoeren van deze functie wordt: de waarde van telinteger 1 gereset met de waarde nul. de gemiddelde druk (productie en inpak) berekend van de voorbije vijf minuten en gelogd in respectievelijk DB 1003 en DB 1007.
5
de aangekochte druksensoren met een nominaal drukinterval tussen 0 en 10 bar overdruk, lezen hun waarde uit door middel van een integerwaarde tussen 0 en 32676
51
•
de gemiddelde temperatuur (productie en inpak) berekend van de voorbije vijf minuten. Deze waarde wordt niet gelogd. het massadebiet (productie en inpak) binnengelezen die verbruikt is in de voorbije 5 minuten en die gelogd is in de debietsensor door middel van een totalizer. De waarde van de totalizer wordt na het binnenlezen ervan in de PLC, gereset met de waarde nul. de verbruikte massadebieten (productie en inpak) door middel van de gemiddelde drukken, gemiddelde temperaturen en een gasconstate, omgerekend naar twee werkelijke volumedebieten (productie en inpak). Deze waarden worden tevens gelogd in respectievelijk DB1004 en DB 1008. een voorlopig elektrisch verbruik berekend van de totale elektrische installatie door middel van de in DB 1009 opgeslagen elektrische vermogens. Dit voorlopig elektrische verbruik word eveneens opgeslagen in DB 1010.
Indien bij het doorlopen van OB32, de tweede telinteger groter of gelijk aan 3600 wordt bevonden (ieder uur), wordt FC1003 doorlopen. Hierbij wordt:
de waarde van telinteger 2 gereset met de waarde nul. het totaal persluchtverbruik (productie en inpak) berekend. de gemiddelde druk (productie en inpak) berekend van het voorbije uur. het totale elektrische verbruik berekend door middel van de geregistreerde verbruiken in DB 1010. het rendement (productie en inpak) berekend rekening houdend met het ‘fictief’ elektrische verbruik vanwege de adsorptiedroger.
Bij het ontwerpen van dit PLC-programma werd er intens getracht om de eigenheid van het programma te bewaren en door een compacte programmeerwijze werd tevens een zo klein mogelijke CPU-tijd beoogd.
5.4 Realisatie De meetinstallatie werd uiteindelijk volledig mechanisch, elektrisch en qua programmatie opgebouwd. De mechanische montage werd verzorgd door EMP. De elektrische aansluiting van alle sensoren werd gerealiseerd door de firma Logitechnic. Het parametreren van de sensoren en het ontwerpen van het PLC-programma werd door de eindwerkstudent verricht. De installatie was vanaf week 20 in het jaar 2007 operationeel. Dit was later dan verwacht, wegens enkele voorziene en onvoorziene omstandigheden:
een lange levertermijn van vier weken van de debietsensoren een gemaakte fout bij de mechanische installatie van de druk- en debietsensoren met een vertraging van vier weken als gevolg een vertraging tijdens elektrische kablagewerken van de Siemens 317 PLC
Door het laattijdig afwerken van de meetopstelling, was er geen voldoende tijd meer beschikbaar voor de studie van energiebesparende maatregelen.
52
Hoofdstuk 6: Samenvatting Bij de aanvang van de energieanalyse te Lantmännen Unibake Mouscron werden de verschillende energievormen die binnen de onderneming aangewend worden, in kaart gebracht. Hierbij werd vooral aandacht besteed aan de procentuele kost van de energievormen ten opzichte van de totale energiekost. Wegens het feit dat de elektriciteitskost binnen de onderneming 91% van de totale energiekost bedraagt, werd logischerwijze extra aandacht besteed aan het gebruik van deze elektrische energie. Zo werd door middel van verschillende meetmethoden een elektrisch verbruikersprofiel opgesteld waaruit blijkt dat maar liefst 55% van de jaarlijks geconsumeerde elektrische energie verbruikt wordt door de koel- en vriesinstallatie. Niettegenstaande het procentuele elektrische energieaandeel van de persluchtinstallatie slechts 6% bedraagt, is het gebruik van perslucht in de onderneming diepgaander bestudeerd. Zo werd een permanent visualisatiesysteem ontworpen en praktisch geïmplementeerd teneinde het persluchtverbruik in de onderneming te kunnen monitoren. Tijdens het ontwerpen van deze meetopstelling werd getracht optimaal aan de gestelde doelstellingen te voldoen. Een nauwkeurige, flexibele en onderhoudsvriendelijke werking van de meetopstelling werd tijdens de ontwerpfase dan ook als prioritair beschouwd. Meerdere leveranciers van sensoren werden gecontacteerd met als doel de technisch verantwoordelijken binnen de onderneming, een realistisch en betaalbaar voorstel te kunnen aanbieden. De opbouw van de meetopstelling wordt gevormd door een verzameling van sensoren die als slaves aangesloten zijn op een Profibus DP-netwerk. Binnen dit netwerk ontvangt een Siemens 317-PLC (master) cyclisch de geregistreerde meetwaarden en verwerkt deze tot de gewenste parameters zoals totaalverbruiken en rendementen. Deze berekende waarden worden uiteindelijk vanuit de PLC getransfereerd naar een SQL-server waarin de waarden cyclisch gelogd worden. Op ieder ogenblik kunnen deze waarden door middel van een trending gevisualiseerd worden. Na het mechanisch en elektrisch installeren van de aangekochte sensoren in de periode februari en maart 2007, werd gedurende april 2007 de Siemens 317-PLC geprogrammeerd door middel van het programma Step 7. Het loggen van de berekende gegevens vanuit de PLC naar een SQL-server en het gepast visualiseren van deze parameters, werd uitgewerkt door medestudente Joke Cambie. Door middel van de geregistreerde verbruiken en rendementen zijn de technisch verantwoordelijken te Lantmännen Unibake Mouscron op ieder ogenblik in staat de persluchtinstallatie op een passende manier te evalueren. Abnormale rendementen veroorzaakt door een defect in de compressorinstallatie of abnormale persluchtverbruiken veroorzaakt door lekken, worden zo tijdig geregistreerd en kunnen bijgevolg snel verholpen worden. De effecten van energiebesparende maatregelen aangebracht in de persluchtinstallatie kunnen door middel van deze meetopstelling eveneens eenvoudig nagegaan worden.
53
Literatuurlijst Literatuur - Depert W. , K. Stoll, ‘Pneumatische besturingen’, Middelburg: De Vey Mestdagh, 1992 - Krist T., ‘Fundamentele pneumatiek’, Middelburg: De Vey Mestdagh, 1979 - Verheugen W., ‘Compressoren, ventilatoren en koelmachines’, Gent: Vyncke, 1988
Internet - Van Beek Ingenieurs, Senter Novem – brochure perslucht en energiebesparing. 27/09/2006. www.senternovem.nl/mmfiles/Perslucht%20en%20energiebesparing%20%20Publicatie%203MJAF05.05_tcm24-151081.pdf - Vereniging van Nederlandse chemische industrie, Persluchtsystemen, 17/09/2006. www.vnci.nl/_pages/download.asp?introlid=526
Aanvullend opleiding Cursus Energiemanagement georganiseerd door SBM te Kortrijk. Sprekers: -
ing. Decorte E., ‘Verkenning van de energiemarkt en productie van conventionele en alternatieve energie’, 28/11/06 ing. Verhelst B., ‘Energieaudits: wat te doen?’, 28/11/06 ing. Demeyer F., ‘Praktische richtlijnen a.d.h.v. een demonstratie van een energieaudit in een niet-productie omgeving’, 05/12/06 ing. Taelman F., ‘Praktische richtlijnen a.d.h.v. een demonstratie van een energieaudit in een productie omgeving’, 05/12/06
54
