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Kompressoren

Verbund-Konzept sorgt für optimale Druckluftversorgung

05.12.2006 | Autor / Redakteur: Volker Gräschke /

Bild 1: Für die zuverlässige und energieeffiziente Druckluftversorgung hat sich MTU-Friedrichshafen für eine Druckluft-Station von Alup entschieden, die durch ihre kompakte Bauweise und das Verbund-Konzept überzeugen konnte.
Bild 1: Für die zuverlässige und energieeffiziente Druckluftversorgung hat sich MTU-Friedrichshafen für eine Druckluft-Station von Alup entschieden, die durch ihre kompakte Bauweise und das Verbund-Konzept überzeugen konnte.

Die MTU-Friedrichshafen GmbH erzeugt ihre Druckluft mit einer neuen zentralen Druckluft-Station, bestehend aus zwei großen drehzahlgeregelten Schraubenkompessoren mit Öleinspritzung sowie vier kleineren Anlagen mit fester Drehzahl von Alup. Die Station ist kompakt gebaut, arbeitet energieeffizient und versorgungssicher.

Nach der Neuorganisation der Druckluft-Versorgung erzeugt die MTU Friedrichshafen GmbH ihre gesamte Druckluft für das 215 000 m² große Werksgelände in einer neuen zentralen Druckluft-Station mit zwei großen drehzahlgeregelten Schraubenkompressoren mit Öleinspritzung und mit vier kleineren Anlagen mit fester Drehzahl. Zu dieser Lösung ist MTU über ein selbst entwickeltes Konzept gelangt, das vier Kompressoren-Herstellern mit der Bitte um Lösungsvorschläge vorgelegt wurde.

Eine große drehzahlgeregelte und maximal zwei kleine feste Anlagen sind jeweils aktiv, während die zweite große geregelte Anlage und die restlichen zwei festen Kompressoren als Redundanz vorgehalten und im Grundlastwechsel zugeschaltet werden. Das Unternehmen entwickelt und produziert am Standort Friedrichshafen Diesel- und Gasmotoren sowie komplette Antriebssysteme für Schiffe, schwere Land- und Schienenfahrzeuge, Industrieantriebe und dezentrale Energieanlagen. Für die Steuerung und Überwachung der Motoren und Antriebsanlagen entwickelt und produziert das Unternehmen maßgeschneiderte Elektroniksysteme.

Eine zuverlässige Druckluft-Versorgung ist deshalb bei MTU Friedrichshafen eine unabdingbare Voraussetzung. Vor der Entscheidung für die neue Druckluft-Station wurde ein umfangreiches Lastenprofil erstellt. Darin enthalten war auch eine detaillierte Ermittlung des Druckluft-Bedarfs:

  • - Einerseits wurde der aktuelle Bedarfsverlauf über zwei Wochen mit Computerunterstützung abgefragt und protokolliert.
  • - Außerdem wurden die theoretischen Maximalverbrauchswerte der Versuchsprüfstände unter Berücksichtigung eines praxisgerechten Gleichzeitigkeitsfaktors mit einbezogen.

Die Ermittlung des Bedarfsverlaufs ergab einen Grundbedarf mit mehreren wiederkehrenden Bedarfsstufen und zusätzliche Spitzenbedarfswerte, die sich zum Beispiel aus dem zeitlich begrenzten Betrieb von Prüfständen ergaben. Auf der Basis dieser Erkenntnisse konnte die Kaufentscheidung für die Komponenten der neuen Druckluft-Station auf der sicheren Seite aufgebaut werden.

Vier Anbieter hatten Lösungsvorschläge erarbeitet und Angebote abgegeben. Durch die Vorarbeiten konnte MTU allen Anbietern ein fundiertes Bedarfsprofil vorlegen. Durch diese einheitliche Ausgangsbasis vor der Auftragsvergabe hatte das Unternehmen ideale Voraussetzungen für eine optimale Vergleichbarkeit für das Verfahren der Entscheidungsfindung.

Das Ingenieurbüro Doebele hat die vier Kandidaten für die Realisierung des Gesamtkonzeptes im Vorfeld nach einer vorgegebenen Präferenzliste sehr sorgfältig getestet und ausgewählt.

Wesentlichste Argumente waren die Technik der angebotenen Kompressoranlagen, die Investitionskosten, die langfristigen Energiekosten und die zu erwartenden Wartungskosten. Besonderen Wert hat man auch auf die von den einzelnen Herstellern vorgeschlagenen Steuerungskonzepte gelegt. Aus diesem Wettbewerb ist Alup als Sieger hervorgegangen. Für Alup sprachen

- die niedrigen Investitionskosten,

  • - das überzeugende Verbund-Konzept mit drehzahlgeregelten Kompressoren und Anlagen mit fester Drehzahl zur bedarfsabhängigen Erzeugung von Druckluft mit minimalen Leerlaufzeiten,
  • - die verbrauchsabhängige übergeordnete Verbundsteuerung Multi Control 3 und
  • - die kompakte Bauweise der Alup-Anlagen.

Im Zuge der Neuorganisation der Druckluft-Versorgung sollte ursprünglich nur eine der drei bis dahin vorhandenen Druckluft-Stationen geschlossen und deren Kapazität in der neuen Station zusätzlich realisiert werden. Diese sollte in einem vorhandenen Raum in der Mitte des Werksgeländes in unmittelbarer Nähe der Hauptverbraucher installiert werden. Am Ende ist es gelungen, die Kapazität aller drei alten Stationen in einer neuen zentralen Druckluft-Station zu vereinen.

Diese neue Station besteht jetzt aus zwei drehzahlgeregelten Alup-Schraubenkompressoren des Typs Allegro 260 (Bild 1) und vier ungeregelten Alup-Anlagen des Typs Opus 132. Diese Lösung war aber nur möglich, weil die Schraubenkompressoren von Alup sehr kompakt bauen. Trotzdem sind alle Wartungsbereiche problemlos zugänglich. Demgegenüber hatten die Anlagen der Wettbewerber bei vergleichbaren Leistungen deutlich größere Abmessungen, die eine Konzentration der gesamten Leistung in dieser einen Station nicht ermöglicht hätten.

Alup liefert die über einen SCD-Frequenzumrichter drehzahlgeregelten, direktgetriebenen Anlagen der Allegro-Baureihe für die Leistungsbereiche von 0,49 – 42,10 m³/min (Antriebsleistungen 16 bis 260 kW) und die direktgekuppelten Kompressoren der Opus-Baureihe (mit fester Drehzahl) für Liefermengen von 1,70 bis 48,30 m³/min (Antriebsleistungen 11 bis 315 kW).

Die neue Station wurde Anfang Mai 2006 in Betrieb genommen. Bereits zwei Monate nach der Startphase wird erkennbar: die Leerlaufanteile für die beiden drehzahlgeregelten Allegro-Anlagen 1 und 2 sind mit 0,00 beziehungsweise 0,15 % schon jetzt nicht mehr zu unterbieten (Tabelle).

Diese beiden großen geregelten Allegro-Kompressoren haben mit jeweils rund 650 Betriebsstunden auch die Hauptlast übernommen, während die kleineren ungeregelten Opus-Anlagen nur jeweils kurzfristig mit 133 bis 239 Betriebsstunden zugeschaltet wurden. Die bei diesen vier ungeregelten Opus-Kompressoren ausgewiesenen Leerlaufanteile basieren noch auf den anfänglichen Grundeinstellungen dieser Anlagen bei ihrer Inbetriebnahme Anfang Mai 2006.

Im weiteren Zeitverlauf werden die Opus-Anlagen an die Bedarfszyklen der Praxis angepaßt. Deshalb können die Leerlaufwerte der Opus-Anlagen durch kleine Korrekturen im Steuerungsbereich noch wesentlich verbessert werden, so dass dann auch für diese Anlagen vorbildlich niedrige Leerlaufanteile erreicht werden. (Anmerkung: Ein Schraubenkompressor beansprucht im Leerlauf noch immer etwa 30% der Energie gegenüber dem Lastlauf, obwohl keine Druckluft erzeugt wird.)

Eins-plus-zwei-Konzept für permanenten Betrieb

Versorgungssicherheit bei der Druckluft wird bei MTU Friedrichshafen groß geschrieben. Zur Deckung des Grundlastbedarfs wird nur eine drehzahlgeregelte Allegro-Anlage im Verbund mit zwei Opus-Anlagen benötigt. Den zweiten Allegro-Kompressor hält MTU in Verbindung mit zwei weiteren Opus-Anlagen als Redundanz vor. Ganz bewußt wurde ein drehzahlgeregelter Allegro-Kompressor als Redundanzanlage gewählt, weil MTU in keiner Situation auf das energiekostengünstige Antriebssystem dieser Anlagen verzichten wollte.

Denn diese Allegro-Anlagen liefern in jeder Betriebssituation immer genau die Druckluftmenge, die aktuell benötigt wird – und das ohne kostenintensive Leerlaufzeiten. Außerdem kann dieses „Eins-plus-zwei-Konzept“ mit zwei Allegro-Anlagen permanent gefahren werden, weil über die Grundlast-Wechselschaltung immer eine identische Konfiguration zugeschaltet wird.

Diese Redundanz von 100% ist zwar sehr reichlich ausgelegt. Bei MTU Friedrichshafen musste aber sichergestellt werden, dass auch bei Ausfall eines großen geregelten Schraubenkompressors immer ausreichende Reservekapazitäten verfügbar sind. Wenn zum Beispiel ein Versuchsmotor über vier Wochen getestet wird, muss unter allen Umständen durchgängig eine ausreichende Druckluft-Versorgung gewährleistet sein. Sonst muss der Testlauf erneut beginnen. Und ein derartiges Risiko wollte man bei MTU Friedrichshafen auf keinen Fall eingehen.

Bedarfsabhängige Steuerung

Diese Konstellation mit jeweils einer geregelten und zwei ungeregelten Anlagen (Eins-plus-zwei-Konzept) wird für höchste Wirtschaftlichkeit und maximale Betriebssicherheit der Druckluft-Versorgung über die übergeordnete verbrauchsabhängige Alup-Verbundsteuerung Multi-Control-3 mit integrierter Grundlast-Wechselschaltung gefahren.

Diese externe, eigenständige Steuerung verwaltet über ein Bussystem (RS 485) bis zu zehn Kompressoren einer Druckluft-Station (alle Fabrikate, Kolben- und Schraubenkompressoren, drehzahlgeregelte Kompressoren und Anlagen mit konstanter Drehzahl). Die Steuerung arbeitet mit höchster Flexibilität ausschließlich bedarfsabhängig ohne Vorgabe von starren Zeitfenstern, sie reduziert teure Leerlaufzeiten und spart dadurch erhebliche Energiekosten ein.

Die Steuerung erkennt alle Einflüsse auf den Druck innerhalb des Leitungssystems und wählt aus allen Kompressoren der Station immer aktuell die Konfiguration aus, welche die jeweils benötigte Druckluft mit höchstmöglicher Energieausnutzung produziert. Sie sichert das betreiber-eigene Stromnetz durch Eingabe der maximalen Ampereaufnahme ab und garantiert diesen Wert für die Zuschaltung einer optimalen Maschinenkonfiguration.

Die Steuerung bietet durch eine bedienerfreundliche Menüführung über ein großes Grafikdisplay hohe Transparenz und optimalen Komfort. Bei Ausfall eines Kompressors schaltet die Steuerung zum nächsten verfügbaren Kompressor weiter. Bei Ausfall der Multi-Control-3 fahren alle angeschlossenen Anlagen für eine störungsfreie Versorgung sofort über ihre eigenen internen Druckschalter/Sensoren weiter.

Die Steuerung verfügt über acht Timerkanäle zur Einstellung des Druckbandes, zur Vorgabe von Prioritäten, zum Ein- und Ausschalten von Kompressoren sowie über viermal acht Timerkanäle zur Ansteuerung von bis zu vier Zubehörausgängen. Optional sind weitere Eingänge für die Verwaltung von Zubehör lieferbar. Ein integrierter Störspeicher gibt Auskunft über Art und Zeitpunkt einer Störung, erleichtert und beschleunigt die Instandsetzung und listet eine Fehlerhistorie von maximal 20 Positionen direkt auf.

Darüber hinaus werden weitere Störungen intern gespeichert und können abgerufen werden. Die Steuerung kann in übergeordnete Leittechniken wie Modbus und Profibus eingebunden werden. Über die Zusatzbausteine Alup-Plant-Control ist eine Visualisierung auf dem PC des Kunden (Version V) beziehungsweise eine Fernüberwachung über Teleservice via Modemverbindung im externen Service-Center möglich (Version T).

Optimal dimensioniert

Das Verbundsystem arbeitet wie folgt: Zunächst startet eine geregelte Allegro-Anlage (Lieferbandbreite 15,7 bis 41,8 m³/min bei Betriebs-überdruck 7 bar). Sobald dieser Kompressor etwa 90 % seiner Leistung (37 m³/min) erreicht hat, wird die erste starre Opus-Anlage (Liefermenge 24,06 m³/min) zusätzlich aktiviert. Die geregelte Anlage geht in ihrer Leistung über die Drehzahlregelung entsprechend zurück.

Bei weiter steigendem Bedarf kann auch noch die zweite Opus-Anlage zugeschaltet werden. Bei der Festlegung der Leistungsgrößen der neuen Kompressoren wurden die beiden Allegro-Anlagen bewußt so groß gewählt, damit die Differenz zwischen maximaler und minimaler Liefermenge größer ist als die Leistung eines Kompressors mit fester Drehzahl. In konkreten Zahlen heißt das: 41,8 bis 15,7 m³/min = 26,1 m³/min.

Demgegenüber liefert ein Kompressor mit fester Drehzahl lediglich 24,06 m³/min. Dass dieses Konzept richtig ist, beweist der nahezu konstante Druck mit wahrnehmbaren Druckeinbrüchen von nur 0,02 bis 0,03 bar. Das reichlich dimensionierte, weit verzweigte Netz (im Energiekanal DN 150) und drei Druckluft-Behälter mit einem Gesamtvolumen von 50 m³ haben ebenfalls einen wesentlichen Anteil am harmonischen Ablauf aller Schalt- und Steuerungsvorgänge.

Aktuell wird die Station mit einem Druck von 6,4 barÜ gefahren. Dieser Wert wird durch die Steuerung Multi-Control-3 am Strich mit einem Druckband von nur 0,1 bar präzise eingehalten. Für einen noch bedarfs-optimaleren und damit auch noch wirtschaftlicheren Betrieb kann die übergeordnete Steuerung Multi-Control-3 an zusätzlich vier externe Drucksensoren angeschlossen werden, die vor besonders drucksensiblen Verbrauchern positioniert werden sollten.

Der jeweils höchste ermittelte Druck steuert dann die Kompressoren ausschließlich über die Druckmeldung am Verbraucher für absolute Sicherheit. Auf diese Weise werden alle Einflüsse auf den Druck innerhalb des Leitungssystems (Zusetzen von Filtern, Zunahme von Leckagen, Anschluß zusätzlicher Verbraucher) erkannt und in der Station für einen verbrauchsoptimalen Druck an der sensibelsten Verwendungsstelle berücksichtigt. Dieses Konzept wurde bei der MTU Friedrichshafen für die spätere Realisierung bereits vorbereitet. Die Druckluft wird in vier Kältetrocknern (ebenfalls mit redundanter Leistung) aufbereitet. Die Trockner werden für eine gleichmäßige Nutzung laufzeitabhängig zugeschaltet. Danach tritt die getrocknete Druckluft über eine Verteilung in die Bereiche des Werksnetzes ein (Bild 2).

Die aktuellen Ist-Zustände werden über einen Touch-Screen im zentralen Schaltschrank der Station angezeigt (Bild 3). Die Verbindung zwischen den Komponenten der Station und dem zentralen Schaltschrank war über die Alup-Bus-Technik problemlos möglich. Die Werte aus dem Steuerschrank werden detailliert für die wesentlichen Komponenten (Kompressoren, Trockner) an die zentrale Leitwarte weitergegeben.

Bei einer Abweichung von den Sollwerten erfolgt sofort eine Meldung. Die möglichen Störmeldungen sind nach Prioritätsstufen definiert, damit die fälligen Wartungsarbeiten entsprechend ihrer Wichtigkeit durchgeführt werden können. Änderungen der Soll-Werte können auch aus der zentralen Leitwarte vorgenommen werden.

Ganzjährige Abwärmenutzung zu fast 100%

Bei der Realisierung der neuen Druckluft-Station haben die MTU Friedrichshafen, das Ingenieurbüro Doebele und Alup sehr eng zusammengearbeitet. In dem Konzept wurden sämtliche Möglichkeiten der Energieeinsparung so weit wie nur irgend möglich ausgeschöpft. Das galt nicht nur für die Druckluft-Erzeugung, sondern auch für die Nutzung der bei der Erzeugung unserer Druckluft anfallenden erheblichen Abwärmemengen. Schließlich werden mehr als 90% der investierten elektrischen Energie in Wärme umgesetzt.

Und diese Wärmemenge wollte man auf jeden Fall mitnutzen. Sämtliche Anlagen der neuen Druckluft-Station sind wassergekühlt. Thermostatisch gesteuerte Ventile regeln die Kühlwassermengen für eine optimale, konstante Betriebs-temperatur der sechs Alup-Schraubenkompressoren. Die im Ölkreislauf der Kompressoren anfallende Abwärme wird ganzjährig für die Beheizung in einer Lackieranlage genutzt.

Darüber hinaus anfallende Abwärme wird bei Raumtemperaturen über 25 °C über eine Rückkühlanlage zurückgekühlt, bei Raumtemperaturen unter 25 °C über eine Wärmerückgewinnungspumpe zur Beheizung einer Halle genutzt. Auch die Strahlungswärme, die von den Kompressoren in den Raum abgegeben wird, führt die MTU Friedrichshafen im Winter zu Heizzwecken in die Lehrlingswerkstatt.

Durch dieses Konzept wird die bei der Verdichtung anfallende Abwärme ganzjährig nahezu verlustfrei eingesetzt. Für die MTU Friedrichshafen bedeutet diese Abwärmenutzung einen ganz wesentlichen Fortschritt bei der Einsparung wertvoller elektrischer Energie, und das zusätzlich zu der eingesparten Energie bei der Erzeugung der Druckluft.

Fließender Übergang und störungsfreier Betrieb

Während der Bauzeit war bis zuletzt eine der drei alten Stationen in Betrieb. Der zusätzliche Bedarf wurde durch externe, nur für die Bauphase aufgestellte Mietkompressoren gedeckt. Nach der Inbetriebnahme der neuen Station wurden diese Mietanlagen dann wieder vom Netz genommen.

Zur Sicherheit blieb die alte Station aber noch zusätzlich zur neuen Station als Stand-by-Redundanz am Netz. Die alten Anlagen sind zwar aktuell noch verfügbar, werden aber inzwischen nicht mehr genutzt und sollen demnächst abgebaut werden.

Diese alte Station war schon immer über mehrere reichlich dimensionierte Druckluft-Leitungen (Trockenluft- und Nassluft-Leitungen) mit der neuen Zentralstation verbunden, so dass die Umstellung ohne die Verlegung eines neuen und teuren Leitungsnetzes erfolgen konnte. Die Station läuft seit ihrer Inbetriebnahme auf Anhieb störungsfrei.

Volker Gräschke ist Gebietsverkaufsleiter bei der Alup-Kompressoren GmbH in 73253 Köngen, Tel. (07024) 802-0, info@alup.com

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