Νέα μέθοδος ηλεκτροκίνησης κλιβάνου σε τσιμεντοβιομηχανία με ασύγχρονους κινητήρες συνδεδεμένους σε κοινό περιμετρικό οδοντωτό τροχό οδηγούμενους από αντιστροφείς

Abstract

It is well known that in the field of heavy industry, the stability and continuity of the operation of the production systems are of major importance. Downtimes of machinery parts cause production losses as well as unwanted side effects such as increase in machinery wear, imbalance of the production system and other problems and damages during the restart of the production line. In this work an electrical drive system for efficient kiln drive operation was designed, developed, simulated and installed to improve the mechanical operation of the incorporated machinery, absorbing forces and oscillations caused by existing wear and production process changes. All interventions were only focused on the electrical part of the existing system, leaving the mechanical parts completely unaffected for capital expenditure and time savings. This new electrical kiln drive system consists of a of two AC Motors of 315 kW each, on an existing common tooth gear, as a new contribution for the operational optimization of Cement Rotating Kilns. Two separate inverter units control the two asynchronous motors with a common rectifier. This work aspires to contribute to the heavy industry sector by presenting a successful application of power electronic techniques in a cement kiln drive system illustrating how modern technology facilitates a scientific method for solving on the one hand, backlash problems on a tooth gear and the other hand to accomplish reduction of energy consumption, improvement of operational efficiency and performance. This work also illustrates how and maintenance needs are eliminated while reducing operational costs, down-times and energy consumption, by applying contemporary technology, including power electronics and dynamic performance in control systems. More specifically, all production requirements were successfully addressed, high torque provision at low speed start, speed reference behavior improvement during load change, accommodation of fast changes to the power needed to address load changes and provisioning of reliable control. Following the implementation, mechanical relief became also immediately apparent while all reported adverse effects were eliminated. During the first year of operation no downtime due to mechanical or electrical fault occurred. This elimination of downtimes reduced energy waste by saving the relative high portion of energy required for restart and for bringing all kiln systems to operational equilibrium. Additionally, costly maintenance work requirements were significantly reduced compared to the previous situation with the DC motors and their corresponding regular needs for cleaning and frequent brush replacements. Furthermore, the selection and installation of a system with a common rectifier DC bus instead of the installation of two separate Converters led to significant savings in the capital expenditure of the initial installation and also energy consumption savings by the allowance of electrical energy flow from one inverter to another. Finally, this intervention in only the electrical part of the kiln drive, which succeeded in drastically improving its mechanical behavior, leaded to postpone or even eliminate altogether scheduled high-cost maintenance works, which in turn led to financial savings.The excellent results of this first intervention to the one kiln together with the positive experience, led to the installation of the same system to the second Kiln of the plant, proving the high level of success of its contribution to the optimization of this heavy industry’s machinery operation

Στον κλάδο της βαριάς βιομηχανίας, καθοριστικό ρόλο για την ομαλή αλλά και την αποδοτική παραγωγική διαδικασία παίζει η απρόσκοπτη λειτουργία του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού. Ιδιαιτέρως δε σε παραγωγικές μονάδες συνεχούς λειτουργίας και ειδικότερα σε αυτόν της τσιμεντοβιομηχανίας, που πραγματεύεται η παρούσα διατριβή, η ομαλή και συνεχής λειτουργία των συγκροτημάτων αποτελεί τη βάση για την εξασφάλιση της ποιότητας του τελικού προϊόντος, της ποσότητας , της εξοικονόμησης πόρων και ενέργειας. Στο ιδιαιτέρως αυτό κρίσιμο ζήτημα της ομαλής λειτουργίας του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού πραγματοποιήθηκε επιτυχής καινοτόμος εφαρμογή ασύγχρονων κινητήρων και ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για πρώτη φορά σε τέτοιο μέγεθος και σε υφιστάμενο σύστημα κίνησης κλιβάνου τσιμέντου, όπου η συνήθης διεθνής πρακτική ήταν η εφαρμογή κινητήρων συνεχούς ρεύματος. Η καινοτομία συνίσταται στο γεγονός της ομαλοποίησης της μηχανολογικής λειτουργίας μόνο μέσω μίας ηλεκτρικής λύσης διατηρώντας το μηχανολογικό μέρος αυτούσιο, αλλά και εξασφαλίζοντας σημαντική βελτίωση στη λειτουργία και την παραγωγή. Οι νέοι κινητήρες είναι ισχύος 315kW έκαστος, ελεγχόμενοι ο καθένας από αντίστοιχο ηλεκτρονικό αντιστροφέα ισχύος υπό κοινό όμως βρόχο συνεχούς τάσεως δημιουργούμενου από μία κοινή διάταξη ανόρθωσης. Το νέο σύστημα κίνησης αποδεικνύει ότι η ορθή εφαρμογή της σύγχρονης τεχνολογίας ηλεκτροκίνησης παρέχει λύσεις στο απαιτητικό περιβάλλον της βαριάς βιομηχανίας, υποκαθιστώντας επιτυχώς δαπανηρές παρεμβάσεις που θα απαιτούντο σε άλλη περίπτωση. Η επινόηση και ο σχεδιασμός της καινοτόμου εφαρμογής προέκυψε αρχικά από την ερμηνεία των φαινομένων διατάραξης της λειτουργίας, που προκαλούνταν από την φθορά του μηχανολογικού εξοπλισμού και κυρίως από το φαινόμενο “backlash” . Κατόπιν διερευνήθηκαν οι παράμετροι φορτίου και ο τρόπος επιρροής τους στη λειτουργία του νέου, ως ανωτέρω, κινητήριου συστήματος. Ερμηνεύτηκαν επίσης οι επιπτώσεις των δυναμικών και απρόβλεπτων μηχανικών ταλαντώσεων λόγω της μηχανικής φθοράς των μειωτήρων αλλά και της παραγωγικής διαδικασίας, οι οποίες προκαλούν απότομες μεταβολές της ροπής στρέψης και σε εξαναγκασμό εναλλαγής ρόλων των κινητήρων, από κινητήρα σε γεννήτρια, απαιτώντας έτσι ιδιαίτερη μέθοδο έλεγχου του όλου συστήματος. Επιπροσθέτως, λόγω του νεωτερισμού της επέμβασης και λόγω της υψηλής κρισιμότητας της παρέμβασης στην ενεργό παραγωγική διαδικασία, απαιτήθηκε η εξασφάλιση της διακινδύνευσης της εφαρμογής μέσω εκτενούς ανάλυσης, προσομοίωσης και επιστημονικής τεκμηρίωσης της αποτελεσματικότητας της νέας εφαρμογής όπως διεξοδικά παρουσιάζεται στο κείμενο της διατριβής.Με την εγκατάσταση και θέση σε λειτουργία της νέας αυτής λύσης καταρχήν επιβεβαιώθηκαν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, που πραγματοποιήθηκε κατά την φάση της ανάλυσης, αλλά κυρίως αυτό το οποίο έχει σημασία είναι ότι επετεύχθησαν οι στόχοι για τους οποίους το νέο αυτό κινητήριο σύστημα προοριζόταν. Καλύφθηκαν όλες οι απαιτήσεις παραγωγής δηλαδή υψηλή ροπή σε εκκίνηση χαμηλής ταχύτητας, συμπεριφορά ταχύτητας κατά τις αλλαγές φορτίου, ταχείς μεταβολές της απαιτούμενης ισχύος κατά τις αλλαγές φορτίου και αξιόπιστος έλεγχος. Παρατηρήθηκε επίσης μηχανική ανακούφιση αμέσως μετά την παρέμβαση, ενώ εξαφανίστηκαν όλα τα δυσμενή φαινόμενα τα οποία είχαν παρατηρηθεί παλαιότερα όπως ασυμμετρία φόρτισης σε κάθε κινητήρα, υπερφόρτιση μονό του ενός με αποτέλεσμα την διακοπή λειτουργίας από προστασία υπερφόρτισης, μηχανολογικός θόρυβος, καταπόνηση εξοπλισμού και τακτικές βλάβες. Επιπροσθέτως, κατά τον πρώτο χρόνο λειτουργίας, δεν προέκυψαν χρονικά διαστήματα εκτός λειτουργίας λόγω των μηχανολογικών ή ηλεκτρολογικών βλαβών. Αυτή η εξάλειψη των στάσεων σε συνδυασμό με την εφαρμογή κοινού κλάδου συνεχούς, μείωσε την κατανάλωση ενέργειας εξοικονομώντας το σχετικά υψηλό τμήμα ενέργειας, το οποίο απαιτείται για επανεκκίνηση και επίτευξη λειτουργικής ισορροπίας όλων των συστημάτων του κλιβάνου, καθώς επίσης συνετέλεσε σε αύξηση των δεικτών παραγωγικής λειτουργίας του εργοστασίου συμβάλλοντας θετικά στην ανταγωνιστικότητα του τελικού προϊόντος. Σημειώθηκε παύση περαιτέρω φθοράς του μηχανολογικού εξοπλισμού, καθώς με την εφαρμογή του συγκεκριμένου κινητηρίου συστήματος και μέσω της μεθοδολογίας ελέγχου του, εξαλείφθηκαν οι επιπτώσεις του φαινομένου “backlash” στις οδοντώσεις των γραναζιών, με άμεσο επακόλουθο την αναβολή προγραμματισμένης μηχανολογικής επισκευής και των σχετιζόμενων με αυτήν εκταμίευσης κεφαλαίων συμβάλλοντας επίσης θετικά στην ανταγωνιστικότητα του τελικού προϊόντος.Τα θετικά αποτελέσματα του όλου εγχειρήματος και η αποκτηθείσα θετική εμπειρία στον ένα κλίβανο του εργοστασίου οδήγησαν στην εγκατάσταση ιδίου συστήματος και στον δεύτερο κλίβανο του εργοστασίου το επόμενο διάστημα.