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Reduzierter Energieverbrauch und verbesserte Prozessführung

Bild 1. Das Zementwerk von Jura Cement in Wildegg/Schweiz

Bild 2. Der Abluftgebläsemotor des Klinkerkühlers kühlt den Klinker auf 100 °C ab und ist entscheidend für die Zementqualität

Bild 3. Zu den Vorteilen des ACS 2000 zählen unter anderem der reduzierte Energieverbrauch, der flexible Netzanschluss, die geringen Netzrückwirkungen, die hohe Zuverlässigkeit sowie die einfache Installation und Inbetriebnahme

Selbst in der Prozessindustrie, wo Anlagen möglichst rund um die Uhr laufen, kommt einmal die Zeit, dass eine Modernisierung erforderlich ist, weil die alte Technik unrentabel wird. So ersetzte auch Jura Cement, der zweitgrößte Zementhersteller in der Schweiz, nach 25 Jahren einen Kaskadenumrichter durch einen drehzahlgeregelten Mittelspannungsantrieb von ABB. Durch die Energieeinsparungen, den höheren Wirkungsgrad und die reduzierten Wartungskosten rentierten sich die Investitionskosten in kurzer Zeit.

Im Zementwerk von Jura Cement in Wildegg (Bild 1) regelte ein Kaskadenantrieb mit einer Leistung von 630 kW über zwei Jahrzehnte lang die Drehzahl eines Schleifring-Asynchronmotors. Dieser treibt das Abluftgebläse am Klinkerkühler (Bild 2) an, der sich unmittelbar hinter dem 56 m langen Drehrohrofen von Polysius befindet, und spielt somit eine wichtige Rolle bei der Zementherstellung. Dabei wird Rohmehl im Ofen auf 1 450 °C erhitzt, sodass Klinker entsteht. Nach dem Passieren des Ofens kühlt der Lüfter den Klinker auf 100 °C ab. Durch die Drehzahlregelung des Abluftgebläses hält der Antrieb den Druck im Ofenkopf konstant.
Eine exakte Energiezufuhr ist für die Qualität des Zements entscheidend. Eine zu geringe Temperatur führt zu einem schlecht gebrannten Klinker minderer Qualität, während zu große Hitze eine Beschädigung des Ofenmantels zur Folge haben kann.

25 Jahre alter Kaskadenantrieb wird ersetzt
Den Kaskadenantrieb, der das Klinkerkühler-Abluftgebläse bisher steuerte, hatte BBC 1984 gebaut. Er wurde mit mindestens 300 min-1 betrieben, da sein Wirkungsgrad bei geringerer Drehzahl erheblich abfiel. Der eingeschränkte Drehzahlbereich beeinträchtigte jedoch einige Produktionsphasen, was eine große Energieverschwendung zur Folge hatte. Doch nicht nur der Betrieb, auch die Wartung des Kaskadenantriebs wurde immer kostspieliger. Der Antrieb war aufgrund der eingebauten diskreten Komponenten störanfällig und es wurde für Jura Cement immer schwieriger Ersatzteile zu bekommen.
Da es sich bei der Zementherstellung um einen kontinuierlichen Prozess handelt, muss der Antrieb jedoch Tag und Nacht laufen und darf nur zu den geplanten Wartungsintervallen außer Betrieb genommen werden. Um die Effizienz der Anlage zu erhöhen und den Energieverbrauch des Kühlerklinker-Abluftgebläses aus ökologischen sowie aus finanziellen Gründen zu reduzieren, wurde der Kaskadenantrieb Anfang 2010 durch einen Mittelspannungsfrequenzumrichter ersetzt.

Mittelspannungsumrichter steigert die Effizienz
Jetzt regelt ein Mittelspannungsfrequenzumrichter ACS 2000 von ABB mit einer Nennleistung von 550 kW und einem Drehzahlbereich von 0 min -1 bis 1 200 min -1 das Abluftgebläse. Dieser bietet alle Vorteile eines Wechselrichters mit Gleichspannungs-Zwischenkreis (VSI), wie einen hohen und konstanten Leistungsfaktor. Zudem hat er ein Active Front End zur Reduzierung der Netzrückwirkungen. Die Eingangsspannung wird von 8 kV auf die von dem Frequenzumrichter benötigten 6 kV heruntertransformiert.
Es waren aber die grundlegenderen Aspekte, nämlich eine einfache Installation, Inbetriebnahme und Betrieb, die Jürg Hitz, den technischen Leiter des Zementwerks in Wildegg, von der Verwendung des ACS 2000 überzeugten. Da es sich um einen General Purpose Drive für Standardanwendungen handelt, erfolgten Installation und Inbetriebnahme sehr rasch. Das „hot commissioning“ dauerte nur einen Tag.
Zum Lieferumfang gehörten ein komplettes, Server-Client-basiertes Leitsystem 800xA, die gesamte IO-Hardware sowie die Leitung bei der Installation und der Inbetriebnahme. Der Anschluss des Mittelspannungsfrequenzumrichters an das neue 800xA-Leitsystem von ABB erfolgt über Profibus mit einer einzigen Leitung. Das ist ein großer Vorteil, denn die Inbetriebnahme einer Feldbussteuerung dauert gegenüber festverdrahteten Systemen nur wenige Minuten.

Geringere Wartungskosten
Die neue Technik ermöglicht eine deutliche Reduzierung von Wartungsaufwand und -kosten. „Der Betrieb des Ofens musste vorher mehr als 30-mal pro Jahr unterbrochen werden. Manche Unterbrechungen waren durch den erforderlichen Austausch der Bürsten des Schleifringläufermotors bedingt. Nach den mit dem ACS 2000 gewonnenen Erfahrungen erwarten wir keine Abschaltungen des Ofens wegen einer Wartung oder der Leistung des Antriebs mehr”, sagt J. Hitz.
Der Frequenzumrichter ist mit Phasenmodulen bestückt, die sich innerhalb weniger Minuten austauschen lassen. Im Fall der Fälle muss der Drehrohrofen nicht abgeschaltet werden, da Jura Cement den Antrieb schnell wieder in Betrieb nehmen kann. „Weil das gesamte System modular aufgebaut ist, glauben wir, dass unsere Wartungsmannschaft Änderungen in kürzester Zeit vornehmen kann”, unterstreicht J. Hitz.

Energieeinsparung deckt Investitionskosten
Bei der Zementproduktion wird viel Energie benötigt. Einer der größten Vorteile des ACS 2000 gegenüber einem Kaskadenantrieb ist das Energieeinsparpotenzial. Der Ofenlüfter ist in einem Zementwerk einer der größten Energieverbraucher, sodass ein drehzahlgeregelter Antrieb dabei hilft erheblich Energie einzusparen.
Jura Cement und ABB wollen den Energieverbrauch überwachen und mit dem des Kaskadenantriebs vergleichen. J. Hitz sagt bereits jetzt eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs von etwa 10 % bis 20 % voraus: „Da der Antrieb das ganze Jahr 24 Stunden täglich in Betrieb ist, amortisieren sich die Investitionskosten für den Frequenzumrichter allein durch die Energieeinsparung.

Verbesserte Prozessführung
Verglichen mit dem begrenzten Drehzahlbereich eines Kaskadenantriebs von 30 % bis 100 % bietet der ACS 2000 einen Drehzahlbereich von 0 % bis 100 %. „Der größere Drehzahlregelungsbereich ermöglicht einen höheren Gesamtwirkungsgrad. Schließlich haben wir jetzt eine bessere Kontrolle über den gesamten Prozess”, erklärt J. Hitz.
Dank des erfolgreichen Einsatzes des Mittelspannungsfrequenzumrichters zieht Jura Cement nun die Anschaffung zweier weiterer Geräte in Erwägung. „Seit seiner Inbetriebnahme liefert dieser Frequenzumrichter gute Ergebnisse. Wir glauben, dass er Zukunftspotenzial hat und auch an anderen Stellen auf unserer Anlage eingesetzt werden kann“, unterstreicht J. Hitz.

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Autor: Dipl.-Ing. Martin Schorbach ist Leiter „Geregelte Großantriebe/Großmaschinen“ bei der ABB Automation Products GmbH in Ladenburg.