MDF pres hattı kurutma fanında enerji YHULPOLOLĎL. Ağaç sektörü LoLQ HQHUML YHULPOLOLĎL o ] POHUL VLHPHQV FRP WU

Transkript

1 MDF pres hattı kurutma fanında enerji YHULPOLOLĎL Ağaç sektörü LoLQ HQHUML YHULPOLOLĎL o ] POHUL VLHPHQV FRP WU

2 MDF Pres Kurutma Fanında Akış Kontrolünün Klape Yerine Değişken Hız Sürücüsü ile Gerçekleştirilmesinin Enerji Verimliliği Bakış Açısıyla İncelenmesi, Mert Kalpar, Bülent Dinçer, Metehan Karaca, Siemens Sanayi ve Ticaret A.Ş., 1. Özet Enerji tüketimini kontrol altına almak, maliyet ve çevresel etkiler üzerindeki olumsuz etkilerini minimuma indirmek adına sanayide yapılabilecek en etkili yöntemlerden biri enerji verimliliği uygulamalarıdır. Enerjiyi verimli kullanmanın yolu ise kayıp enerji miktarının yok denecek düzeye indirilmesiyle sağlanır. Ağaç Sektörü enerji yoğun bir sektör olup bu sektördeki en yoğun enerji tüketiminin olduğu MDF (Medium Density Fiberboard) üretim prosesinde enerji verimliliği uygulamaları önem taşımaktadır. Bu çalışmada MDF üretim proseslerinde kullanılan ve elektrik tüketim payı %15 lere ulaşan önemli enerji kullanıcılarından olan kurutma fanlarında enerji verimliliği arttırılarak tasarruf sağlanması amaçlanmıştır. MDF üretim hattında kullanılan kurutma fanları, lif haline getirilmiş ağacın içerdiği nemi almak için kurutma işleminde ihtiyaç duyulan yüksek debi ve sıcaklıktaki kurutma havasını basmaktadırlar. Proses ihtiyaçlarına göre bu kurutma fanlarının bastığı havanın miktarı ve sıcaklığı değiştirilmekte ve bu ayarlamalar fanların emiş ya da basma hatlarında bulunan kısıcı klapeler vasıtasıyla yapılmaktadır. Çalışmanın hedefi, mevcut durumda basma hattındaki klapenin kontrolü ile proses ihtiyaçlarını karşılayan şekilde çalışan kurutma fanının, değişken hız sürücüsü uygulaması ile proses şartlarını aynı şekilde sağlarken daha az enerji tüketmesini sağlamaktır. Bu sayede fanın sistem olarak verimliliği artırılmakta ve önemli düzeyde enerji tasarrufu oluşturulmaktadır. Bu çalışmada örnek bir işletme için kurutma fanında değişken hız sürücüsü kullanılmadan önce yapılan ölçüm değerleri ve hesaplamaları ile aynı işletmeye değişken hız sürücüsü uygulandıktan sonraki değerleri ve hesaplamaları verilmiş olup böylece elde edilen tasarruf miktarı ve geri ödeme süresi ortaya konmuştur. Anahtar Kelimeler; MDF Kurutma Prosesi, Enerji Verimliliği, Kurutma Fanları, Değişken Hız Sürücüsü, Klape 1.1 Çalışmanın Amacı Bu örnek çalışmanın amacı MDF pres hattında kullanılan kurutma fanında enerji verimliliğini arttırmak amacıyla fan motoruna değişken hız sürücüsü uygulamasının etkinliğinin incelenmesidir. Uygulama sonucu elde edilecek tasarruf miktarı teorik hesaplamalar ile belirlenmiş ve uygulama sonrası ölçümler ile karşılaştırılarak doğrulaması yapılmıştır. 1.2 Çalışmanın Kapsamı İncelemesi yapılan MDF pres hattı kurutma fanı çalıştırılıp kapasite ve güç ölçümleri yapılmış ve mevcut çalışma bilgileri oluşturulmuştur. Fabrikada yapılan incelemelerde pres hattı kurutma fanının 6,3 kv gerilim ile direk yol verme methodu ile besleniyor olduğu görülmüştür. Bu fanda yapılan ölçümler ile mevcut fan dizayn verileri kullanılarak prosese etki eden parametrelerin etkileri analiz edilmiştir. Ayrıca fanın basma hattında bulunan klape açıklık oranlarının fiili durum ile gerçek durum doğrulaması yapılarak sapma olup olmadığı kontrol edilmiştir. Mevcut durumda fan kontrolü set edilen motor gücüne bağlı olarak klape açıklığı parametresi ile gerçekleştirilirken, değişken hız sürücüsü uygulaması sonrasında fan kontrolünün prosesin ihtiyacına bağlı olarak klape açıklığı ile değil de belirlenmiş proses ölçüm parametrelerine göre hesaplanacak kütlesel debiye göre değişken hız sürücüsü ile sağlanması durumunda oluşacak enerji tasarrufu hesaplanmıştır. Bu hesap sonuçları, uygulama sonrası elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. 2. Fanlarda Enerji Verimliliği Ülkeler, ürettikleri/satın aldıkları enerjinin büyük bir kısmını sanayi alanında tüketir. Sanayi de ise enerjiyi en fazla elektrik motorları kullanmaktadır. Bu elektrik motorlarının mekanik güç sağladığı fan, pompa ve kompresör gibi mekanik makineler, enerji tasarrufu için en öncelikli bölümü oluşturur. Bu raporda bir fanın daha verimli hale getirilmesi konu alındığı için aşağıdaki grafikte örnek bir MDF

3 pres hattında kullanılan kurutma fanının karakteristik eğrisine yer verilmiştir. Bu grafikte prosesin ihtiyaç hissettiği çalışma noktasının, fanın basmasındaki klape ile ayarlanması ve değişken hız sürücüsü ile ayarlanması karşılaştırılmıştır. Bu iki farklı yöntem arasındaki enerji tasarrufu miktarı örnekleme maksadı ile gösterilmiştir. Grafik 1 ve 2 deki karakteristik eğrileri üzerinden inceleme yapıldığında görülecektir ki basma klapesinin tam açık pozisyondan kısık pozisyona doğru ilerlemesi durumunda fandan elde edilecek debi değeri düşecek ve fanın çıkışındaki basınç değeri yükselecektir. Bu yükselen basınç klape sonrasında kısma etkisiyle prosesin ihtiyaç duyduğu seviyeye düşmektedir. Aynı zamanda fanın ideal çalışma şartlarından daha düşük debi ve daha yüksek basınç değerlerinde çalıştırılması sebebiyle de, fan verimi önemli oranlarda düşebilmektedir. Grafik 2- Değişken Hız Sürücüsü ile Fan Karakteristik Eğrisi Basma klapesi yerine değişken hız sürücüsü ile prosesin ihtiyaç hissettiği hava debisi sağlandığı durumda, basma klapesinin her iki şartta da %100 açıklıkta olduğu varsayımıyla oluşacak çalışma karakteristiği yukarıda tarif edilmiştir. İhtiyaç hissedilen hava debisi, değişken hız sürücüsü ile sağlandığı zaman (B noktası) frekansın 33,3 Hz olduğu görülmektedir. Bu değerde motorun çekeceği güç ile aynı hava debisini klape yöntemi ile sağlandığı zaman motorun çekeceği güç ile karşılaştırıldığında %70,5 gibi yüksek bir oranda verimlilik artışı sağlanacaktır. 3. Pres Hattı Kurutma Fanında Frekans Çevirici Uygulaması Grafik 1- Örnek Fan Karakteristik Eğrisi Basma klapesinin %100 açıklıktan %40 açıklığa düşmesi sonucunda önemli oranda debi düşüşü ve motorun şebekeden çektiği güç düşüşü gerçekleşmektedir. Ancak basma klapesi ile bu debi düşüşünün sağlanması durumunda motorun şebekeden çektiği güç düşüşü aynı oranda olmamakla birlikte debi düşüşünün daha azı oranınca güç tüketiminde azalma gerçekleşmektedir. Halbuki porsesin ihtiyacına göre aynı debi kısma işlemi, basma klapesi yerine değişken hız sürücüsü ile yapılıyor olsa aşağıdaki gibi bir durum oluşacak ve debi düşüşü için gerekli frekans düşüşün küpü (Affinity Kanunu) oranınca motorun şebekeden çektiği güçte düşüş olacaktır. 3.1 Uygulama Öncesi Durum Örnek çalışmanın yapıldığı tesiste pres hattında kurutma işlemi için gerekli taze havayı gönderen fanın radyal tip bir fan olduğu ve motorun 6,3 kv gerilim ile direk yol verme methodu ile sürüldüğü görülmüştür. Debi ayarlama işlemini ise klape ile gerçekleştiren bu hava hattının emiş hattında sıcak hava girişinin olduğu ayrı bir hat bulunmaktadır. Proseste normal çalışma sırasında dış ortamdan emilen taze hava ve enerji tesislerinden gelen sıcak hava prosesin ihtiyaç duyduğu sıcaklıkta fana ulaşmaktadır. Fanın çalışmasını dış hava sıcaklığı ve hammadde de etkilemektedir. Fanın basmasında bulunan kısıcı klapenin açıklık oranı kontrolör ile sağlanmakta olup açıklık verisi kontrolörün üzerinden izlenmektedir. Operatör, proseste üretilen ürüne göre belirlenmiş olan sıcaklık parametresini yakalamak için sıcak gaz klapesini açıp kapamakta ve değişen sıcaklıkta fan motoru için set edilen güç değerini sağlamak için fanın basmasındaki klape otomatik şekilde açılıp kapanmaktadır.

4 Fan motorunun çekeceği güç seti kontrolöre girildikten sonra fan çalıştırılmakta ve set edilen gücü sağlamak için fan basmasında bulunan kısıcı klape açılmaya başlamaktadır. Kısıcı klapenin açma işlemi motor için set edilen gücün, fiilen çekilen güç ile eşleşmesine kadar devam etmekte ve klape açıklığı istenen güç için ulaşması gereken pozisyona ulaşmaktadır. Fanın basma yaptığı havanın sıcaklığının değişmesi durumunda fan motorunun fiilen çektiği güç değişmekte ve bu değişime göre de fanın basmasında bulunan klape açıklığı otomatik olarak ayarlanmaktadır. Fan dizayn verileri kullanılarak mevcut fanın karakteristik eğrisi oluşturulmuş ve bu fanın hangi debide ne kadar basınç üretebileceği bu karakteristik eğriden tespit edilebilir olmuştur. Dizayn verilerinin üreticisi tarafından 20 C sıcaklıktaki hava ile çalışılması durumuna göre verilmiş olduğundan bu karakteristik eğride 20 C sıcaklıktaki hava yoğunluğuna göre oluşturulmuştur. 3.2 Uygulama Öncesi Ölçümler Kurutma fanında pitot tüpü ile yapılan ölçümler fanın basma tarafında yatay hat üzerinde uygun ölçüm noktasında gerçekleştirilmiştir. Kurutma fanında yapılan ölçümlerde proses çalışmıyorken ve basma havası 60 ⁰C ile 70 ⁰C arasındaki sıcaklıklarda iken 5 ayrı basma klape açıklığında ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçüm ve alınan değerlere ilişkin bilgiler aşağıdaki tablodadır. Tablo 1- Yapılan Ölçüm Sonuçları Ölçüm Verileri Fan Gücü kw Klape % Debi m 3 /dk Debi m 3 /h Üretim yok iken yapılan ölçümlerin yanında ayrıca hat üretime girdikten sonrada ölçüm alınmış ve üretimde iken alınan ölçüm değerleri aşağıdaki tabloda belirtilmiştir. Tablo 2- Yapılan Ölçüm Sonuçları (Üretimde) Ölçüm Verileri 1 Fan Gücü kw 708 Klape % 40 Debi m 3 /dk Debi m 3 /h Sistem üretimdeyken, ürünün kurutulması için gerekli sıcak havanın ısısının fazla olmasından dolayı bacada doğal bir çekiş etkisi oluşmuş ve baca çekişi etkisi, hava hızının artmasına sebep olmuştur. %25 ile %45 klape açıklığı aralığında 5 ayrı noktada ölçümler yapılmıştır. Bu ölçümler sırasında basma hava sıcaklığının düşük olması sebebiyle klape açıklığı, fan motorunun yüksek güç çekmesi ve patlama kapağının zarar görmesi riski nedeniyle % 45 açıklığın üzerine yükseltilememiştir. Üretim sırasında kaydedilmiş geçmiş çalışma verilerine bakıldığında da çoğunlukla %35 ile %45 klape açıklığı aralığında çalışıldığı görülmektedir. Ölçüm sonuçları farklı ölçüm sıcaklıklarında yapılmış olduğundan her bir ölçüm 20 C deki hava yoğunluğunda gerçekleştirilmiş olsaydı fanın aynı güç tüketiminde ne kadar hava basacağı hesaplanmış ve aşağıdaki tablo ve eğri üzerinde ölçüm sonuçları belirtilmiştir. Tablo 3-20 C Sıcaklığa Göre Düzeltilmiş Ölçüm Sonuçları Ölçüm Verileri Fan Gücü kw Klape % Yoğunluk kg/m 3 1,051 1,053 1,052 1,053 1,04 Debi m 3 /dk Debi kg/dk C deki Hava Yoğunluğu Ölçümler 20 C'de Yapılsaydı Fanın Basacağı Debi kg/m 3 1,205 1,205 1,205 1,205 1,205 m 3 /dk Tablo 4-20 C Sıcaklığa Göre Düzeltilmiş Ölçüm Sonuçları (Üretimde) Ölçüm Verileri 1 Fan Gücü kw 708 Klape % 40 Yoğunluk kg/m 3 0,908 Debi m 3 /dk Debi kg/dk C deki Hava Yoğunluğu kg/m 3 1,205 Ölçümler 20 C'de Yapılsaydı Fanın Basacağı Debi 3.3 Fizibilite Hesapları m 3 /m İşletmeden alınan klape açıklık oranı kayıtlarından ortalama çalışılan klape açılığının %45 olduğu hesaplanmıştır. MDF hattında üretim yapılıyorken %45 klape açıklığının fanın sağladığı hava

5 debisindeki ortalama düşüşü aşağıdaki tabloda gösterilmiştir. Tablo 5- Debi Kısılma Oranı Ölçüm Verileri Klape 100% Klape 45% Klape % Debi m 3 /dk Debideki Kısılma Oranı %28,3 Pres hattı kurutma fanında %100 klape açıklığı yerine ortalama %45 klape açıklığında çalışılmasının fanın sağladığı debide, ortalama % 28,3 kısma, diğer bir deyişle debinin, tam kapasiteye göre %71,7 kapasitede çalıştığı görülmektedir. 1 2 = 1 2 Yukarıda görülen formülde Affinity kanunu kullanılarak tam kapasitedeki kurutma fanının %71,7 kapasitede çalıştığı zaman çekeceği güç hesaplanmıştır. Bu hesap sonrasında kurutma fanının 374 kw güç ihtiyacı olacağı bulunmuştur. Değişken hız sürücüsü kullanımı sırasında sürücünün hava soğutması nedeniyle pano odasına yayacağı ısının soğutma sistemi tarafından soğutulması için gerekli enerji dikkate alındığında %2 lik bir enerjinin iç tüketime ayrılması gerektiği görülmektedir. Bu %2 lik gücüde hesaba kattığımızda toplamda 382 kw lık güce ihtiyaç olduğu görülmüştür. Kısma işleminin basma klapesi ile yapılması durumunda gerçekleşen güç tüketiminin 708 kw olduğu düşünüldüğünde saatte ortalama 327 kwh elektrik tasarrufu sağlanabilecektir. Saatlik ortalama 327 kwh lik tasarrufun yılda kwh lik tasarrufa ulaşacağı yukarıdaki hesaplamalarda gösterilmiştir. Bu miktardaki elektrik ise tüketicinin yılda TL daha az enerji giderinin olacağı anlamına gelmektedir. 3.4 Uygulama Sonrası Durum Kıyaslaması Uygulama sonrası için fizibilite hesaplarında öngörülen değerler ile uygulama sonrasında gerçekleştirilen ölçümlerle elde edilen değerler aşağıdaki tabloda kıyaslanmıştır. Kurutma fanının hedeflenen kütlesel debiyi basarken hedeflenen enerji tüketimini gerçekleştirdiğini, yani fizibilite hesaplarında hesaplanan teorik tasarruf miktar ile uygulama sonrası gerçekleşen fiili tasarruf miktarının birbirini doğruladığı görülmektedir. Tablo 6- Enerji Tüketim Sonuç Tablosu Kurutma Fizibilite Kıyaslama Tablosu Fanı Birim Uygulama Öncesi Durum Toplam Enerji Tüketimi (saatlik) 708 kwh Fanın Bastığı Debi m 3 /dk Uygulama Sonrası Fizibilite HEDEF Toplam Enerji Tüketimi (saatlik) 382 kwh Uygulama Sonrası GERÇEKLEŞEN Toplam Enerji Tüketimi (saatlik) 358 kwh Fanın Bastığı Debi m 3 /dk Tablo 7- Fizibilite Hesapları ile Gerçekleşen Kıyaslaması Fizibilite ile Gerçekleşen Durum Kıyaslaması Toplam Enerji Tasarrufu (Saatlik) Çalışma Süresi Tasarruf Edilen Enerji Miktarı Enerji Birim Fiyatı Tasarruf Tutarı Fizibilite Hedefine Göre Hesaplama Uygulama Sonrası Gerçekleşmeye Göre Hesaplama 326,9 kwh 350,4 kwh Saat/yıl Saat/yıl kwh/yıl kwh/yıl 0,264 TL/kWh 0,264 TL/kWh TL/yıl TL/yıl 4. Değerlendirme ve Sonuç Enerji yoğun sektörlerden olan Ağaç Sektörü için, üretim proseslerinde yapılan enerji verimliliği çalışmaları büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmalar ile kayıp enerji miktarı azaltılarak enerji daha verimli kullanılmış olur. Enerjiyi daha verimli kullanmak ise maliyet ve çevresel etkiler üzerindeki olumsuz etkileri azaltır. Bu çalışmada bir MDF üretim hattının önemli enerji kullanıcılarından olan kurutma fanlarını daha verimli hale getirmek amaçlanmıştır. Bu fanların temel görevi lif haline getirilmiş ağacın içerdiği nemi almak olduğu için, farklı durumlara göre farklı debi ihtiyaçları doğmaktadır. Bu değişken hava debisinin kontrolü ise fanların emiş ya da basma hatlarında bulunan klapeler ile sağlanmaktadır. Klapelerin kullanımı ile artan sürtünme ve türbülans oranları ise genel enerji verimliliğini düşürmektedir. Bu durumu

6 engellemek için bu çalışmada, hattaki hava debisinin kontrolü klapeler yerine değişken hız sürücüleri ile sağlanmış ve uygulama sonrası yapılan ölçüm sonuçları ile uygulama öncesi yapılan fizibilite hesap sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırılma sonucu, elde edilen enerji tasarruf miktarını belirlemiştir. Fizibilite hesapları yapıldığında, gerekli hava debisinin klape yerine değişken hız sürücüsü ile sağlanması durumunda saatlik 326,9 kwh enerji tasarrufu sağlanacağı hesaplanılmış olup uygulama sonrasında gerçekleşen enerji tasarrufunun 350,4 kwh gerçekleştiği ölçülerek görülmüştür. Bu sonuç yıllık çalışma süresi ile çarpılarak 1 yıl içinde tasarruf edilecek enerji miktarının kwh olduğu hesaplanmıştır. Enerji birim fiyatı göz önünde bulundurulduğu zaman bu miktarda bir enerji tasarrufunun, gerçekleştirilen yatırımı kısa bir sürede karşıladığı görülmüştür. Uygulama sonrası yapılan ölçümler ile görülmüştür ki fizibilite hesapları tutarlıdır. Saatlik enerji tasarrufunun 326,9 kwh öngörüsünün üzerinde 350,4 kwh olduğu ölçülmüştür. Resim 1- Orta Gerilim Değişken Hız Sürücüsü (Sınamıcs Perfect Harmony - GH180) MDF kurutma fanında gerçekleştirilen verimlilik attırıcı bu uygulama ile MDF üretim hattının enerji tüketimi değerinde %6,0 lık bir düşüş gerçekleştirilmiştir.

7 Bu broşürde verilen bilgiler sadece genel açıklamalar ve performans özelliklerini içermektedir. Bu özellikler, fiilen kullanıldığında her zaman açıklandığı gibi uygulanmamaktadır veya ürünlerin daha da geliştirilmesi sonucunda değişebilir. İlgili özellikleri sağlamak yükümlülüğü, yalnızca sözleşme şartlarında açıkça anlaşmaya varıldığında geçerlidir. Tüm ürün tanımlamalarının üçüncü şahıslar tarafından kendi amaçlarıyla kullanılması, sahiplerinin haklarını ihlal edebilecek olup bu tanımlamalar Siemens San. Ve Tic. A.Ş. veya tedarikçi şirketlerin ticari markaları veya ürün adları olabilir. 'DKD ID]OD ELOJL LoLQ ZZZ VLHPHQV FRP WU HRV Siemens Türkiye Dijital Fabrika Yakacık Cad. No: Kartal İstanbul / Türkiye E-posta: mert.kalpar@siemens.com Call Center: , Siemens Türkiye %L]L WDNLS HGLQ WZLWWHU FRP 6LHPHQV7XUNL\H \RXWXEH FRP 6LHPHQV7XUNL\H LQVWDJUDP FRP VLHPHQVWXUNL\H