DE102013109335A1

DE102013109335A1 - Zentrifugenanordnung mit mehreren diskontinuierlich betriebenen Zentrifugen

Info

Publication number: DE102013109335A1
Application number: DE102013109335.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Ramm; Patrick Eisfelder
Original assignee: BMA Automation GmbH
Current assignee: BMA Automation GmbH
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Eine Zentrifugenanordnung mit mehreren diskontinuierlich betriebenen Zentrifugen (Z1, Z2 bis Zn) besitzt jeweils einen Antrieb (M1, M2 bis Mn) für die Rotationsbewegung der Zentrifugen. Vorgesehen ist ein Anschluss für eine externe Energieversorgung und eine lokal angeordnete Energiespeicheranordnung (J) sowie eine Steuerungseinrichtung (50) für die Steuerung der Antriebe der Zentrifugen. Die Steuerungseinrichtung (50) weist mehrere Dateneingänge (51, 52, 11, 20) auf, die zumindest für die Daten des aktuellen Energieinhalts der Energiespeicheranordnung (J), für aktuelle Betriebsdaten der Antriebe und der Zentrifugen, und für aktuelle Produktparameter ausgebildet sind. Die Steuerungseinrichtung (50) weist Datenausgänge für die Steuerungsdaten jeder einzelnen unabhängigen Zentrifuge der Zentrifugenanordnung auf. Die Steuerungseinrichtung (50) weist einen Prozessrechner auf, welcher die über die Dateneingänge übermittelten Eingabedaten mit den gespeicherten Angaben über das Energiespeicherverhalten der Energiespeicheranordnung (J), den Daten über das Betriebsverhalten der Zentrifugen verarbeitet und eine Organisation der Energieflüsse der Antriebe (M1, M2 bis Mn) für die Rotationsbewegung der Zentrifugen (Z1, Z2 bis Zn) vornimmt. Die lokal angeordnete Energiespeicheranordnung (J) weist ein oder mehrere elektromechanische Energiespeicher auf. Alle Antriebe (M1, M2 bis Mn) der Zentrifugen (Z1, Z2 bis Zn) greifen auf die lokal angeordnete Energiespeicheranordnung (J) zu.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugenanordnung mit mehreren diskontinuierlich betriebenen Zentrifugen (Z₁, Z₂ bis Z_n), mit jeweils einem Antrieb (M₁, M₂ bis M_n) für die Rotationsbewegung der Zentrifugen, mit einem Anschluss für eine externe Energieversorgung, mit einer lokal angeordneten Energiespeicheranordnung (J) und mit einer Steuerungseinrichtung für die Steuerung der Antriebe der Zentrifugen.
Diskontinuierlich betriebene Zentrifugen werden u. a. in großer Zahl in der Zuckerindustrie eingesetzt. Derartige Zuckerzentrifugen durchlaufen jeweils einen Zyklus, in dem eine Zentrifugentrommel zunächst mit einer Mischung aus Kristallen und Mutterlösung befüllt und anschließend in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Nach diesem Beschleunigungsvorgang bleibt dann die Drehgeschwindigkeit der Zentrifugentrommel eine vorbestimmte Zeit konstant, um eine Fest-Flüssig-Trennung der Mischung aus Kristallen und Mutterlösung durch das Zentrifugieren der feuchten Zuckermassen vorzunehmen. Danach wird die diskontinuierlich arbeitende Zentrifuge abgebremst, also die Rotationsgeschwindigkeit deutlich reduziert. Im nächsten Schritt findet dann ein Ausräumen der sich auf der Innenwand der Zentrifuge befindlichen Zuckerkristalle bei einer langsamen Drehgeschwindigkeit statt, schließlich wird die Zentrifuge gewaschen und für den nächsten Zyklus vorbereitet, der dann wieder mit einem Füllvorgang beginnt.
Die Drehrichtung der Zentrifuge bzw. der Zentrifugentrommel ist dabei jeweils unverändert, nur die Drehgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl variiert.
Aufgrund dieser unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten der Zentrifuge während ihres Betriebes wird eine erhebliche Menge an Energie benötigt, um diese verschiedenen Drehgeschwindigkeiten erreichen zu können. Der Energiebedarf schwankt dabei beträchtlich zwischen sehr hohen Werten während des Beschleunigungsvorgangs und sehr geringen Werten während des Füll- oder Waschvorganges. Während des Abbremsvorganges besteht dagegen die Möglichkeit, die nicht mehr benötigte Rotationsenergie der Zentrifuge anderweitig zu nutzen. Die Energiedifferenz zwischen der beim Beschleunigen benötigten und der beim Bremsen abgebbaren Energie ist die Trennleistung.
Diese Problematik hat u. a. zur Folge, dass die Energieversorgung einer Zentrifugenstation mit meist mehreren derartigen diskontinuierlich betriebenen Zentrifugen in einer Zuckerfabrik so ausgelegt werden muss, dass der theoretisch maximal mögliche Energiebedarf gedeckt werden kann. Dies hat nicht nur erhebliche infrastrukturelle Folgen für die Zuckerfabrik selbst, sondern führt auch dazu, dass erhebliche Kosten allein für das theoretisch denkbare Vorhalten derartig hoher maximaler Energiemengen entstehen.
Die elektrische Infrastruktur der Zentrifugenstation in der Zuckerfabrik benötigt unter anderem auch anspruchsvolle und entsprechend kostspielige Transformatoren und Kompensatoren. Zu bedenken ist auch stets, dass die elektrische Infrastruktur auch einer sorgfältigen und entsprechend aufwändigen Wartung bedarf.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass in einer Zuckerfabrik nicht nur eine Zentrifuge, sondern meist mehrere, je nach Produktdurchsatz, beispielsweise vier oder zwölf diskontinuierlich arbeitende Zuckerzentrifugen stehen und auch gleichzeitig betrieben werden. Die voneinander unabhängigen Zentrifugen können dabei in Produktgruppen zusammengefasst sein.
Eine Zentrifugenstation oder Gruppe von Zentrifugen wird fachsprachlich auch als Zentrifugenbank bezeichnet, auch wenn die einzelnen Zentrifugen unabhängig voneinander betreibbar sind. In jedem beschriebenen Fall handelt es sich um eine Anordnung aus mehreren Zentrifugen.
Die mit dem Vorhalten dieser nur theoretisch und unter ungünstigen Umständen erforderlichen Energiemengen verbundenen Kosten haben schon seit langem Vorschläge zur Folge gehabt, die hier eine Verbesserung herbeiführen könnten.
So wird bereits in der DE 30 31 232 A1 darauf hingewiesen, dass zwei Zentrifugen miteinander so gekoppelt werden könnten, das jeweils die beim Abbremsen der Rotationsbewegung der einen Zentrifuge störende und mithin überschüssige Energie gleichzeitig zum Beschleunigen der zweiten entsprechend gekoppelten Zentrifuge eingesetzt werden könnte. Auf diese Weise könnte zum Einen ohnehin schon Energie eingespart werden, da die sonst beim Bremsen vernichtete Energie noch einem sinnvollen Zweck zugeführt wird, zum Anderen wird auch die theoretisch erforderliche maximale Energie der beiden Zentrifugentrommeln entsprechend reduziert, da nicht beide gleichzeitig Energie zum Beschleunigen benötigen.
Diese Konzeption funktioniert nur mit zwei Zentrifugen während ganz bestimmter Betriebsphasen. In der Praxis wird eine Rückgewinnung der Rotationsenergie von Zentrifugen mittels Frequenzumrichtern, Wechselrichtern und Gleichrichtern und weiteren Elementen tatsächlich vorgenommen und üblicherweise in das Energieversorgungsnetz rückgespeist, von wo es dann beim Beschleunigungsvorgang wieder entnommen wird.
Tatsächlich wird dadurch eine Energieeinsparung möglich, es bleibt jedoch das Problem bestehen, dass eine sehr hohe Maximalauslegung der Energieversorgung der Zuckerfabrik vorgesehen werden muss. Darüber hinaus muss für das Zurückspeisen der zurückgewonnenen Rotationsenergie auch ein entsprechender konstruktiver Aufwand betrieben werden.
Als Problem zeigt sich dabei auch, dass sehr hohe Stromspitzen auftreten können, die natürlich durch die elektrische Infrastruktur behandelbar sein müssen. Insgesamt bleibt die Gesamtanordnung recht unflexibel, was zu einer Reduzierung der Chargenmengen oder der Chargenanzahl beitragen kann.
Weitere Gedanken, beispielsweise aus der EP 2 465 613 A1 , sehen nun einen lokalen Energiespeicher vor. Die bei der Abbremsung der Zentrifugen rückgewinnbare Rotationsenergie wird nun nicht mehr ins Energieversorgungsnetz rückgespeist, sondern in einen lokalen Energiespeicher übertragen. Vorgeschlagen wird dabei insbesondere ein Super-Kondensator oder auch ein hydraulischer oder pneumatischer Druckspeicher. Erwähnt wird auch ein kinetischer Energiespeicher.
Durch das Vorsehen eines lokalen Energiespeichers kann nach der EP 2 465 613 A1 der Energiefluss innerhalb der Zentrifugenanordnung mittels eines Umsteuermittels quasi selbst verwaltet werden. Die durch das Bremsen frei werdende Rotationsenergie wird jetzt in diesen lokalen Energiespeicher übertragen und von der nächsten beschleunigenden oder sonst energiebenötigenden Zentrifuge oder auch von der gleichen Zentrifuge beim nächsten Beschleunigungsvorgang wieder dem lokalen Energiespeicher entnommen werden.
Mit einem solchen Konzept lässt sich also bereits relativ zweckmäßig und mit reduziertem apparativen Aufwand eine Zentrifugenanordnung mit mehreren diskontinuierlich arbeitenden Zentrifugen betreiben. Gleichwohl wäre eine weitere Verbesserung sinnvoll und wünschenswert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Zentrifugenanordnung vorzuschlagen, die eine nach Möglichkeit noch weiter reduzierte Anforderung an die Bereitstellung eines Energiepotenzials aus einer externen Energieversorgung besitzt.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Zentrifugenanordnung mittels der Erfindung dadurch gelöst, dass die Steuerungseinrichtung mehrere Dateneingänge aufweist, die zumindest für die Daten des aktuellen Energieinhalts der Energiespeicheranordnung (J), für aktuelle Betriebsdaten der Antriebe und der Zentrifugen, und für aktuelle Produktparameter ausgebildet sind, dass die Steuerungseinrichtung Datenausgänge aufweist für die Steuerungsdaten jeder einzelnen unabhängigen Zentrifuge der Zentrifugenanordnung, dass die Steuerungseinrichtung einen Prozessrechner aufweist, welcher die über die Dateneingänge übermittelten Eingabedaten mit den gespeicherten Angaben über das Energiespeicherverhalten des Energiespeichers (J), den Daten über das Betriebsverhalten der Zentrifugen verarbeitet und eine Organisation der Energieflüsse der Antriebe (M₁, M₂ bis M_n) für die Rotationsbewegung der Zentrifugen (Z₁, Z₂ bis Z_n) vornimmt, dass die lokal angeordnete Energiespeicheranordnung (J) ein oder mehrere elektromechanische Energiespeicher aufweist, und dass alle Antriebe (M₁, M₂ bis M_n) der Zentrifugen (Z₁, Z₂ bis Z_n) auf die lokal angeordnete Energiespeicheranordnung (J) zugreifen.
Mit einer solchen Konzeption lässt sich eine Zentrifugenanordnung noch effektiver betreiben. Es wird jetzt nämlich nicht nur eine Verriegelung der Zentrifugen vorgenommen, um bestimmte Gefahrensituationen oder Extremwerte zu vermeiden, sondern es erfolgt eine Optimierung des Betriebsablaufs.
Bekannt ist bisher nur eine solche Verriegelung, die etwa bei zwei Zentrifugen, die paarweise betrieben werden, eine direkte Kopplung vorsieht. Bei mehreren Zentrifugen einer Zentrifugenanordnung mag eine solche Verriegelung in Form einer Absicherung vorgesehen sein, dass nicht mehrere Zentrifugen gleichzeitig den Beschleunigungsvorgang beginnen.
Erfindungsgemäß werden jetzt jedoch alle Zentrifugen der Zentrifugenanordnung – soweit sie am Betrieb teilnehmen – in einem zeitlich optimierten Modus betrieben.
Damit ist eine chargenorientierte Fahrweise der Zentrifugenanordnung in groben Zügen möglich. Die Zentrifugen einer Zentrifugenanordnung können so mit dem maximalen sogenannten Chargenspiel betrieben werden. Diese Fahrweise allein würde allerdings zu einer erheblichen Belastung des elektrischen Netzes führen. Die Zentrifugenanordnung wird in diesem Fall zwar durch eine Befüllverriegelung gegen gleichzeitiges Befüllen verriegelt, es könnten jedoch nach wie vor stark schwankende und unkontrollierbare Anforderungen an die Leistung entstehen. Die Befüllzeit ist darüber hinaus eine variable Zeit und abhängig von dem zu schleudernden Produkt, beispielsweise Zucker und der konstruktiven Eigenschaft der Zentrifugen der Zentrifugenanordnung. Bei einer größeren Zahl von Zentrifugen kann es nach wie vor geschehen, dass herkömmlich zwei Zentrifugen beinahe gleichzeitig einen Beschleunigungsvorgang einleiten und eine hohe Leistungsanforderung an das elektrische Netz erzeugen.
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Energiespeicher wird jedoch eine intelligente Steuerung und Regelung der Prozessoptimierung möglich. Der Energiespeicher stellt durch die vorherig umgewandelte und gespeicherte kinetische Energie aus früheren (Brems-)Vorgängen wieder kinetische Energie für neue Beschleunigungsvorgänge zur Verfügung. Dadurch werden positive und negative Lastspitzen verringert beziehungsweise sogar ganz verhindert.
Darüber hinaus wird durch die intelligente Steuerung und Regelung jedoch auch eine energieoptimierte Fahrweise möglich. Ein optimaler Energiefluss in der Zentrifugenanordnung kann erzielt werden.
Diese Fahrweise führt zu einer erheblichen Entlastung des elektrischen Netzes. Wenn nämlich wie in der Erfindung vorgesehen der Steuerungseinrichtung an ihren Dateneingängen Daten über den aktuellen Energieinhalt der Energiespeicheranordnung, der aktuellen Betriebsdaten der Antriebe und der Zentrifugen sowie der aktuellen Produktparameter zugeführt werden und diese Daten zusammen mit der zuvor gespeicherten oder programmierten Kenntnis des Verhaltens der Zentrifugen und der Energiespeicher verarbeitet wird, so kann zeitabhängig eine Optimierungsstrategie gefahren werden.
Durch die Steuerung kann erreicht werden, dass eine Zentrifuge mit einem an sich anstehenden Beschleunigungsvorgang gezielt wartet, bis nach einem definierten Zeitraum die Bremsenergie einer anderen Zentrifuge zur Verfügung steht. Es wird also erfindungsgemäß möglich, bewusst die maximale und allein chargenorientierte Betriebsform zugunsten einer energiesparenden Betriebsform zu ändern, die nur geringfügig von der chargenoptimierten Betriebsweise abweicht.
Ebenso wird es andersherum möglich, dass Abbremsen einer laufenden Zentrifuge so lange hinauszuschieben, bis nach einem definierten Zeitraum es gerade sinnvoll ist, die durch den Bremsvorgang abgebbare Energie zum Hochfahren an eine andere Zentrifuge abzugeben.
Die intelligente Steuerung und Regelung führt zu einer Prozessoptimierung, die bei nur geringfügig reduziertem optimalen Produktdurchsatz zu erheblichen Energieeinsparungen und geringeren Belastungen des Netzes führt. Die dadurch entstehenden Vorteile überwiegen die geringfügig reduzierte Chargenoptimierung deutlich und die entsprechenden Optimierungsparameter können auch in der Steuerung genauso vorgegeben werden, wie sie real vom Betreiber der Zuckerfabrik vorgegeben und an den äußeren Bedingungen angepasst werden.
Dabei ist zu bedenken, dass mit einer zusätzlichen Zentrifuge in der Zentrifugenanordnung die durch die nicht mehr vollständig optimale Chargenoptimierung verlorene Durchsetzungsgeschwindigkeit problemlos aufgeholt werden kann, wobei die Kosten für die Einsparung an Energie und elektrischer Infrastruktur in der Zuckerfabrik die Kosten für diese zusätzliche Zentrifuge deutlich überwiegen. Durch die intelligente Steuerung und Regelung lassen sich die chargenoptimierte und die energieoptimierte Fahrweise der gesamten Zentrifugenanordnung aufeinander abstimmen und optimieren.
Es können sich sehr unterschiedliche optimale Fahrweisen ergeben, die beispielsweise auch von den Eigenschaften des aktuell zu verarbeitenden Produktes, der zur Verfügung stehenden Energie und ihren Kosten und auch dem Wartungs- beziehungsweise Reparaturzustand der Zentrifugenanordnung insgesamt abhängig gemacht werden können.
Auch voraussehbare zukünftige Anlagenzustände können berücksichtigt werden, beispielsweise das Wissen um die Nachschubsituation für das zu verarbeitende Gut, beispielsweise die Nachschubsituation der Mischung aus Kristallen und Mutterlösung zum Befüllen der Zentrifugentrommeln der einzelnen Zentrifugen.
Erfindungsgemäß wird nicht nur wie bisher bereits sichergestellt, dass nicht etwa zwei Zentrifugen gleichzeitig einen maximalen Energiebedarf haben, sondern es wird darüber hinaus eine vergleichmäßigte optimierbare Funktion erzielt. Diese vergleichmäßigte Funktion in Zusammenhang dann mit einem lokalen Energiespeicher führt dazu, dass aus dem externen Netz nur noch eine möglichst gleichmäßige Energiezufuhr zum Ausgleich von Verlusten vorgenommen werden muss.
Darüber hinaus kann auch anders als bei einer Rückspeicherung beziehungsweise Rückspeisung in das öffentliche Netz mittels Frequenzumrichtern, Gleichrichtern und Wechselrichtern das Entstehen von Oberwellen und sogenannten Rippeln weitgehend vermieden werden. Diese Rippel entstehen bisher automatisch dadurch, dass durch die Umrichtung der hohen elektrischen Ströme und Spannungen mit steilen Kanten Frequenzen auftreten, die Eigenschwingungen der Gesamtanlage anregen können. Derartige Rippel traten in der Vergangenheit unvermutet bei bestehenden Anlagen auf und erzwangen dann zur Vermeidung von Schäden durch Vibration eine Abschaltung oder eine vorübergehende Stilllegung.
Diese nachteiligen Effekte können vollständig durch die geglättete und vergleichsmäßige Vorgehensweise gemäß der Erfindung vermieden werden, zumal erfindungsgemäß auch wesentlich geringere Leistungen übermittelt werden müssen.
Da die lokale Energiespeicheranordnung nun einen elektromechanischen Energiespeicher aufweist, bevorzugt einen kinetischen Energiespeicher, kann die Rotationsenergie der Zentrifugen auch praktisch direkt in eine sehr ähnliche Energieform, insbesondere ebenfalls eine Rotationsenergie überführt werden. Eine solche Energieumwandlung ist besonders effektiv und sorgt für eine geringstmögliche Verlustquote.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der kinetische Energiespeicher die Energie ebenfalls in Form einer Rotationsenergie mit einer Drehung um eine Achse speichert. Die Übertragung der Energie ist dann von den sich drehenden, diskontinuierlichen Zuckerzentrifugen auf diesen Energiespeicher besonders effektiv mit niedrigen Verlusten und darüber hinaus auch konstruktiv sinnvoll möglich.
Derartige Energiespeicher bieten gerade für den Anwendungsfall diskontinuierlich betriebener Zuckerzentrifugen in einer Zentrifugenstation einer Zuckerfabrik eine ausreichende Kapazität und zugleich auch eine ausreichende Dynamik hinsichtlich vor allem der Be- und Entladegeschwindigkeit.
Hierzu kann insbesondere auf kinetische Energiespeicher zurückgegriffen werden, die etwa aus der DE 197 15 356 A1 oder der DE 20 2011 110 159 U1 bekannt sind und schnell drehende Rotoren in entsprechend konzipierten Lagerungen beschreiben. Derartige kinetische Energiespeicher sind im Zusammenhang mit Zuckerzentrifugen noch nie in Erwägung gezogen worden, da sie an sich zu vollkommen anderen Einsatzzwecken dienen.
Derartige Typen von Energiespeichern sind in der Lage, eine flexible und azyklische Energieaufnahme und Energieabnahme zu ermöglichen. Der Energiespeicher wird zu einem Werkzeug, auf welches die intelligente Steuerung und Regelung zugreifen kann, um eine Prozessoptimierung durchzuführen und Lastspitzen nach Möglichkeit zu verringern. Auf diese Weise können angestrebte Fahrweisen der Zuckerzentrifugen realisiert und ungewünschte Einwirkungen auf das Leistungsversorgungsnetz vermieden werden.
Für die konkrete Auswahl des jeweiligen Energiespeichers ergeben sich bestimmte Anforderungen, die der Fachmann erkennen kann, wenn er die erfinderische Konzeption mit der intelligenten Steuerung und Regelung und dem Energiespeicher einsetzen möchte.
So wird er einen Energiespeicher auswählen, der eine Energieaufnahme und Energieabgabe in der Höhe ermöglicht, die für den Betrieb der Zentrifugenanordnung sinnvoll ist. Es muss also möglich sein, ausreichend elektrische Leistung jeweils in die beiden gewünschten Richtungen umzuwandeln.
Von Vorteil ist eine kleine Bauform des Energiespeichers, um eine Unterbringung in der Zentrifugenanordnung zu vereinfachen. Das Speichervermögen für Energie in dem Energiespeicher sollte so groß sein, dass damit die intelligente Steuerung und Regelung unterstützbar ist. Ebenso sollte auch die Dynamik, also die Geschwindigkeit, mit der die Leistung aufgenommen und abgegeben werden kann, entsprechend abgestimmt werden. Auch die Zeiträume, für die der Energiespeicher die entsprechende Energie speichern kann und für die er einen fortgesetzten Betrieb ermöglicht, sollten berücksichtigt werden.
Besonders bevorzugt wird ein kinetischer Energiespeicher in Form einer Schwungmasse, welche die vorgenannten technischen Kenndaten erfüllen kann.
Andere Formen von Energiespeichern sind grundsätzlich möglich.
Mit der Erfindung kann darüber hinaus auch sogar ein modifizierter Betriebsablauf bei der Geschwindigkeit der Drehbewegung der Zentrifugentrommeln der einzelnen Zentrifugen angesteuert und berücksichtigt werden. So ist es möglich, ein nicht lineares Beschleunigen und auch ein nicht lineares Abbremsen der Zentrifugen mit einfließen zu lassen und zu steuern, wenn dies aus energieoptimierenden oder auch qualitätsoptimierenden Gedanken heraus sinnvoll werden sollte.
Auch eine modifizierte und nicht konstante Drehgeschwindigkeit während des Schleudervorgangs wäre mittels der Erfindung denkbar.
Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Steuerungseinrichtung Datenausgänge aufweist für die Steuerung der Energieflüsse in und aus der Energiespeicheranordnung (J) und/oder von und zu einem Kraftwerk.
Auf diese Weise ist eine Organisation aller Energieflüsse in und aus den Antrieben, in und aus der Energiespeicheranordnung und von und zu einem Kraftwerk möglich und es kann ein Energiemanagement zwischen allen Teilnehmern der Zentrifugenanordnung erfolgen.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer solchen Zentrifugenanordnung wird mittels der Erfindung die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Steuerungseinrichtung Daten betreffend den aktuellen Energieinhalt der Energiespeicheranordnung (J), aktuelle Betriebsdaten der Antriebe und der Zentrifugen und aktuelle Produktparameter zugeführt werden und dass die Steuerungseinrichtung aus den ihr zugeführten Daten und den gespeicherten Verhaltensparametern der Energiespeicheranordnung, der Antriebe, der Zentrifugen und des Produktverhaltens Ausgangssignale für die einzelnen Zentrifugen berechnet und ein Betriebsverhalten ansteuert.
Durch ein derartiges Verfahren werden eben dieselben Vorteile ebenso erzielt. Es entsteht eine sehr gleichmäßige Netzbelastung ohne Lastspitzen und praktisch ohne Belastung des Netzes mit Oberwellen, darüber hinaus auf deutlich niedrigerem Niveau.
Es können kleinere und weniger anspruchsvolle Transformatoren verwendet werden, die als Ersatzteile auch leichter zur Verfügung stehen. Insgesamt entsteht eine höhere Wirtschaftlichkeit.
Die Primärenergiekosten werden gesenkt, die Betriebsflexibilität erhöht und die Anlagenverfügbarkeit durch geringere Ausfallzeiten verbessert. Schließlich steigt die Benutzerfreundlichkeit und allen Sicherheitsanordnungen wird genügt.
Weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung gehen aus der Figurenbeschreibung und den beigefügten Unteransprüchen hervor.
Im Folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Überblick über den zeitlichen Verlauf verschiedener Werte bei einer diskontinuierlich betriebenen Zentrifuge;
2a eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Zentrifugenanordnung;
2b eine schematische Erläuterung zur 2a;
3 ein Überblick über den zeitlichen Verlauf des Leistungsbedarfs von Zentrifugen in einer Zentrifugenanordnung nach der Erfindung bei einem ersten Beispiel;
4 weitere Verlaufskurven zu dem Beispiel aus 3;
5 einen Überblick über den zeitlichen Verlauf des Leistungsbedarfs von Zentrifugen in einer Zentrifugenanordnung nach der Erfindung bei einem zweiten Beispiel;
6 weitere Verlaufskurven zu dem Beispiel aus 5;
7 einen Überblick über den zeitlichen Verlauf des Leistungsbedarfs von Zentrifugen in einer Zentrifugenanordnung nach der Erfindung bei einem dritten Beispiel;
8 weitere Verlaufskurven zu dem Beispiel aus 7; und
9 eine schematische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Zentrifugenanordnung.
In der 1 ist nach rechts die Zeit t aufgetragen. Über der Zeit t sind drei Kurven mit drei unterschiedlichen Werten aufgetragen, wobei die Zeitskala die gleiche ist. Dargestellt ist das Verhalten bestimmter Werte während eines Zyklus beim Betrieb einer einzelnen Zuckerzentrifuge.
In der obersten Darstellung ist die Zahl der Umdrehungen pro Zeit n/t dargestellt, also ein Maß für die Drehgeschwindigkeit einer Zentrifugentrommel.
Darunter sieht man die motorische oder generatorische Momentanleistung P, die beim Betrieb in den verschiedenen Phasen der Zentrifugen benötigt wird. Die motorische Leistung ist höher als die generatorische.
In der untersten Zeile sieht man den Energiebedarf E ebenfalls über die Zeit aufgetragen. Ein positiver Energiebedarf, zu erkennen an einem Anstieg der Kurve, bedeutet dabei jeweils eine Einspeisung von Energie bei einem Beschleunigungsvorgang. Ein negativer Energiebedarf, zu erkennen an einem Abfall der Kurve, bedeutet eine Rückspeisung beim Bremsen der Zylindertrommel.
Der hier beschriebene vereinfachte Zeitverlauf selbst verläuft in den sechs Phasen, die beim Betrieb einer Zuckerzentrifuge üblicherweise anfallen, und zwar in den Phasen 0, 1, 2, 3, 4, und 5. Die Phase 0 betrifft das Füllen der Zuckerzentrifuge mit der zu verarbeitenden Rohmasse, die Phase 1 das Beschleunigen der bis dahin stehenden bzw. sich langsam drehenden Zentrifugentrommel. Es folgt dann das Schleudern in der Phase 2 und anschließend das Abbremsen in der Phase 3. Nach dem Abbremsen der Zuckerzentrifuge erfolgt dann das Ausräumen in der Phase 4. Es schließt sich dann das Waschen in der Phase 5 an.
Man sieht nun, dass während des Füllvorganges in der Phase 0 die Drehzahl n/t niedrig und konstant ist. Die benötigte Momentanleistung P ist nahe 0. Kleine Verlustleistungen werden hier nicht betrachtet. Auch der Energiebedarf E liegt nahe Null.
Anschließend kommt die Phase 1 des Beschleunigens. Die Drehzahl n/t steigt steil an. Hierfür wird eine hohe Momentanleistung P benötigt und der Energiebedarf E steigt während des Beschleunigungsvorgangs weitgehend linear an.
In der anschließenden Phase 2 des Schleuderns ist die Drehzahl n/t auf hohem Niveau konstant, es handelt sich nämlich um die Schleuderdrehzahl. Die Momentanleistung P ist trotzdem 0, da praktisch keine zusätzliche Momentanleistung benötigt wird. Der Energiebedarf E ist dagegen auf hohem Niveau konstant.
Beim anschließenden Bremsen in der Phase 3 nimmt die Drehzahl n/t linear und steil ab. Auch der Energiebedarf E nimmt linear ab, die Momentanleistung ist negativ, da beim Bremsvorgang auch eine Energierückgewinnung möglich ist.
In der Phase 4 des Ausräumens ist die Drehgeschwindigkeit n/t auf niedrigem Niveau konstant, es handelt sich hier um die Räumdrehzahl. Die Momentanleistung P liegt bei 0 und der Energiebedarf ist auf niedrigem Niveau konstant.
In der letzten Phase 5 des Waschens ist die Drehzahl n/t leicht höher als beim Ausräumen, aber nach wie vor niedrig und konstant. Die Momentanleistung P ist 0, der Energiebedarf E auf niedrigem Niveau konstant.
In der 2a sieht man schematisch eine Darstellung einer Zentrifugenanordnung mit einer Anzahl von n Zentrifugen, die ebenfalls nur schematisch angedeutet sind und die Bezeichnungen Z₁, Z₂ bis Z_n tragen.
Jede dieser Zentrifugen besitzt einen Motor M₁, M₂ bis M_n. Dieser Motor ist einer Zentrifuge jeweils direkt zugeordnet. In der Praxis wird dem jeweiligen Motor M die Leistung über einen Frequenzumrichter FU zugeführt beziehungsweise im generatorischen Fall über diesen Frequenzumrichter FU auch wieder abgegeben. In der 2b ist zur noch detaillierteren Darstellung der Energieflüsse eine Aufteilung der Frequenzumrichter in ihre Untereinheiten vorgenommen. Jeder Frequenzumrichter FU eines Motors M weist im Beispiel zwei Wechselrichter WR und zwei Gleichrichter GR auf. Insgesamt ergibt sich mithin für die Zentrifugenanordnung ein Aufbau mit Wechselrichtern WR_1a, WR_2a bis WR_na einerseits und Gleichrichtern GR_1b, GR_2b und GR_nb andererseits.
Die Zentrifugen mit ihren Motoren, Wechselrichtern und Gleichrichtern sind in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung an einem gemeinsamen Gleichstrom-Zwischenkreis oder -Bus DC angeschlossen.
Dieser gemeinsame Gleichstrom-Zwischenkreis DC ist ein Bus, der mit einer Energiespeicheranordnung (J) in Verbindung steht. Diese Energiespeicheranordnung kann ihrerseits aus mehreren Teilenergiespeichern zusammengesetzt sein, die abhängig von der Gesamtanordnung eine Teilenergie aufnehmen können oder auch nach Bedarf zugeschaltet werden. Dies ist in der 2 nicht dargestellt. Jeder Energiespeicher J der Energiespeicheranordnung besitzt wiederum einen Motor M_s, insbesondere einen Synchronmotor, und ist über einen Frequenzumrichter FU_s mit Gleichrichtern GR und Wechselrichtern WR an den Bus und damit an den gemeinsamen Gleichstrom-Zwischenkreis DC angeschlossen.
Zur Energieversorgung dieser lokalen Anordnung mit den Antrieben M und den Zentrifugen Z dient ein schematisch mit fett durchgezogener Linie dargestelltes Energieversorgungsnetz 31, welches ein Wechselstromnetz, ein Gleichstromnetz oder ein Drehstromnetz sein kann. Schematisch angedeutet ist auch ein Transformator 30 und ein Kraftwerk 40. Der Transformator 30 trennt das Netz 31 von einem anderen, beispielsweise Mittelspannungsnetz ab.
Der elektrische Energiefluss von dem Netz 31 zu den Antrieben M und Zentrifugen Z ist durch einen elektrischen Energiefluss schematisch angedeutet, der aus Linien jeweils mit Pfeilen an den Enden dargestellt ist.
Darüber hinaus ist ein Informationsfluss mit gestrichelten Linien dargestellt, der im Folgenden näher erörtert wird.
Dieser Informationsfluss in gestrichelten Linien verbindet eine intelligente Steuerungseinrichtung 50 mit Einzelsteuerungen S₁ bis S_n, die die einzelnen Zentrifugen Z₁ bis Z_n steuern. Diese Einzelsteuerungen sind so ausgebildet, dass sie auch bei einem Ausfall anderer Steuerungen oder der übergeordneten Steuerungseinrichtung 50 oder auch beim Ausfall von Nachrichtensignalen seitens der übergeordneten Steuerungseinrichtung 50 einen sicheren Betrieb der zugeordneten Zentrifuge Z_n gewährleisten können.
Physikalisch betrachtet können die intelligente Steuerungseinrichtung 50 und die einzelnen Steuerungen S₁, S₂ bis S_n in derselben Rechenanlage angeordnet werden, also beispielsweise einem Leitsystemrechner. Eine separate Anordnung mit einer Nachrichtenverbindung ist ebenso denkbar. Dabei wird vorzugsweise darauf geachtet, dass einzelne Funktionen bei einem Ausfall keinen Ausfall der gesamten Steuerungseinrichtung 50 verursachen und dass die Sicherheitsfunktionen einzelner Steuerungen S₁, S₂ bis S_n durch Redundanz immer funktionsfähig bleiben.
Auch die Energiespeicheranordnung J besitzt eine entsprechende Speichersteuerung S_Speicher. Diese Steuerung für die Energiespeicheranordnung J ermöglicht den sicheren Betrieb der Energiespeicheranordnung J auch bei Ausfall anderer Steuerungen oder beim Ausfall von Nachrichtensignalen der übergeordneten Steuerungseinrichtung 50. Nebenaggregate der Energiespeicheranordnung J wie beispielsweise eine Kühlung oder eine Vakuumerzeugung (nicht dargestellt) werden unabhängig geregelt und gesteuert.
In der intelligenten Steuerungseinrichtung 50 sind darüber hinaus schematisch angedeutet verschiedene Steuer- und Regelfunktionen beziehungsweise Algorithmen Alg₁, Alg₂, Alg₃ und gegebenenfalls Weitere vorgesehen.
Ein Algorithmus kann beispielsweise eine Lastvorhersage sein. Durch die Kenntnis der Zustände der Energiespeicheranordnung J, der Zentrifugen Z oder des Kraftwerks 40 kann eine Vorhersage für die kommenden 300 bis 600 Sekunden errechnet werden. Dabei kann berücksichtigt werden, dass die Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen der Vorhersage abnimmt, je weiter die Vorhersage in der Zukunft liegt. Mit der Kenntnis der wahrscheinlichen Belastung können die anderen Elemente der Zentrifugenanordnung, beispielsweise die Antriebe M, so gesteuert werden, dass sich ein wählbares Optimum ergibt. Dies kann beispielsweise ein Schwerpunkt auf einer geringen Spitzenlastanforderung an das Kraftwerk 40, ein Schwerpunkt auf den maximalen Durchsatz bei den Zentrifugen Z, auf die minimale Grundlastbeanspruchung an das Kraftwerk 40 oder eine kurzfristige Verfügbarkeit einer Lastspitze aus der Energiespeicheranordnung J für ein steiles Beschleunigungsprofil sein.
Ein weiterer Algorithmus kann eine Antriebserwärmung berücksichtigen. Für jeden Antrieb kann durch die Kenntnis der Ströme der Antriebe M ein Erwärmungsmodell errechnet werden, aus dem sich die mögliche zukünftige Belastungsfähigkeit beziehungsweise die Überlastfähigkeit ableiten lässt.
Die Energiespeicheranordnung J hat eine beschränkte Kapazität zur Aufnahme von Energie und auch eine beschränkte Dynamik. Die Energiespeicheranordnung J kann nicht beliebig viel Energie in beliebig kurzer Zeit aufnehmen. Ein zugeordneter Algorithmus berechnet dann unter Kenntnis der aktuellen und zukünftigen Lastzustände der anderen Elemente der Zentrifugenanordnung Korrekturgrößen für die optimale Fahrweise dieser anderen Elemente. Es kann sich etwa um ein früheres oder späteres Beschleunigen oder Bremsen einer Zentrifuge Z oder um schnellere oder langsamere Beschleunigungs- oder Bremsvorgänge handeln. Auch eine höhere oder niedrigere Belastung des Kraftwerks 40 kann berechnet werden.
Die Ergebnisse der verschiedenen Algorithmen Alg werden gewichtet. Das Ergebnis fließt dann als Korrekturgröße ein, die an die Einzelsteuerungen S_n gemeldet werden. Im Ergebnis wird unter optimierter Nutzung des Kraftwerks 40, der Energiespeicheranordnung J und der Zentrifugen Z automatisch das eingestellte Optimum erreicht.
Angeschlossen an die intelligente Steuerungseinrichtung 50 sind Dateneingänge verschiedener Art. Hierzu gehört auch ein Dateneingang 51 für Bedienervorgaben. Hier kann eine Vorgabe der Gewichtung von Optimierungswünschen durch den Betreiber der Zentrifugen Z vorgesehen werden. Hier kann ein maximaler Durchsatz, eine maximale Qualität des Endprodukts, also etwa des Zuckers bei einer Zuckerfabrik, ein minimaler Energieverbrauch oder eine minimale Spitzenlast als besonders gewünscht zugeführt werden.
Ein weiterer Dateneingang 52 betrifft andere Prozessparameter. Dies können etwa Angaben von vor- und nachgeschalteten Prozessen in der Zentrifugenanordnung sein. So kann die Steuerungseinrichtung 50 automatisch auf zum Beispiel schwankende Produktparameter vorgeschalteter Prozesse oder auf Kapazitätsengpässe nachgeschalteter Prozesse reagieren, ohne dass extern etwa durch einen Nutzer oder Betreiber der Zentrifuge die Optimierungskriterien angepasst werden müssen. Solche Parameter können beispielsweise bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer Zuckerzentrifugenanordnung der Feinkornanteil, der Maischenfüllstand, die voraussichtliche Produktmenge aus der Kochstation oder die Auslastung der Zuckertrocknung sein.
Die gestrichelten Linien für den Informationsfluss haben folgende Bedeutung beziehungsweise Funktion:
Der Informationsfluss 10 zeigt, dass die Steuerungseinrichtung 50 Informationen an die einzelnen Steuerungen S₁, S₂ bis S_n übermittelt. Es kann sich etwa um Informationen, beispielsweise Korrekturgrößen, für etwa den optimalen Startzeitpunkt für das Beschleunigen der zugeordneten Zentrifuge Z_n handeln. Auch die Zeit, die die Zentrifuge Z₁, Z₂ bis Z_n noch im hohen Drehzahlbereich beim Schleudern verweilen soll, bevor das Bremsen und Rückspeisen beginnen soll, wird über diesen Informationsfluss 10 mitgeteilt. Hier kann auch die Speichereinrichtung 50 den Steuerungen S₁, S₂ bis S_n Beschleunigungsprofile vorgeben, die von einer linearen Verhaltensweise abweichen und somit der erwarteten Energieverfügbarkeit besser gerecht werden.
Der Informationsfluss 11 zeigt, dass die einzelnen Steuerungen S₁, S₂ bis S_n an die Speichereinrichtung 50 Informationen weitergeben. Es handelt sich insbesondere um Zustandswerte wie beispielsweise die Drehzahl, die Motortemperatur oder Statusmeldungen. Solche Statusmeldungen betreffen etwa die Bereitschaft zum Beschleunigen, die Bereitschaft zum Bremsen, Warnungen oder Fehlermeldungen. Auch der Umrichterstatus oder aufgegebene und abgegebene Momentanleistungen sind hier betroffen.
Der Informationsfluss 12 zeigt, dass alle elektrischen oder steuerungstechnischen Elemente im Zusammenhang mit einer einzelnen Zentrifuge Z_n über einen Datenbus und/oder über analoge/digitale Signale miteinander verbunden sind.
Der Informationsfluss 13 zeigt, dass eine aktuelle Motortemperatur des Antriebes M₁, M₂ bis M_n an die zugeordnete Steuerung S₁, S₂ bis S_n gemeldet wird. Aus einer solchen Motortemperatur lässt sich die Belastung in der Vergangenheit ermitteln und gegebenenfalls eine Überlastung für die Zukunft vermeiden.
Der Informationsfluss 15 zeigt, dass die einzelnen Steuerungen S₁, S₂ bis S_n miteinander über einen Nachrichtenbus und/oder über analoge/digitale Signalleitungen verbunden sind. Auf diese Weise wird bei einem Ausfall der Steuerungseinrichtung 50 eine funktionierende Verriegelung gewährleistet. So kann etwa eine Funktion wie das nicht gleichzeitige Beschleunigen von zwei Zentrifugen ohne eine Kenntnis des Ladezustands der Energiespeicheranordnung J sichergestellt werden. Durch diesen Informationsfluss bleibt stets gewährleistet, dass die einzelnen Zentrifugen Z_n keine Überlast erzeugen.
Über den Informationsfluss 20 werden stets Daten vom Zustand der Energiespeicheranordnung J an die Steuereinrichtung 50 übermittelt. Dies betrifft etwa den Ladezustand, den Status, die Drehzahl, Warnungen oder Fehlermeldungen der Energiespeicheranordnung J.
Der Informationsfluss 21 betrifft die Verbindung von der Steuereinrichtung 50 zur Steuerung S_Speicher der Energiespeicheranordnung J. Dadurch kann die Steuereinrichtung 50 das Be- und Entladen der Energiespeicheranordnung J so steuern, dass für eine gewählte Bedienervorgabe mit Kenntnis der aktuellen und zukünftigen Leistungsaufnahmen und Leistungsentnahmen der anderen Elemente der Zentrifugenanordnung das gewählte Optimum erreicht werden kann.
Der Informationsfluss 22 verbindet die mit der Energiespeicheranordnung J zusammenarbeitenden Elemente miteinander. Auch dies kann über einen Datenbus und/oder über analoge/digitale Signale geschehen.
Angedeutet ist ferner ein Informationsfluss, der den Transformator 30 mit der Steuerungseinrichtung 50 verbindet und hier eine Übermittlung des Betriebszustands des Transformators an die Steuerungseinrichtung sicherstellt. Hier wird etwa die aktuelle Temperatur oder die Belastung des Transformators übermittelt.
Auch das Kraftwerk 40 ist über einen Informationsfluss mit der Steuerungseinrichtung 50 verbunden. Hier wird der Betriebszustand des Kraftwerks 40 übermittelt. Meldegrößen sind beispielsweise aktuelle, gewünschte oder zu vermeidende Lastzustände und gewünschte Zeiträume für zukünftige Lasten. Auch in der Gegenrichtung kann ein Informationsfluss von der Steuerungseinrichtung 50 an das Kraftwerk 40 erfolgen. Dadurch können kurzfristige oder mittelfristige zukünftige Lastanforderungen an das Kraftwerk 40 weitergegeben werden, welches daraufhin die Bereitstellung der erforderlichen Energiemengen optimiert.
Schließlich gibt es Statusmeldungen, die die Steuerungseinrichtung 50 an einem Datenausgang 53 beispielsweise an eine Anzeige und/oder an den Betreiber der Zentrifugenanordnung weitergibt. Hier handelt es sich um Ist-Zustände der weiteren Elemente und Steuerungen, um Warnungen, Fehlermeldungen, berechnete Quoten oder auch um tatsächlich erreichte kumulierte Werte.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass der Bus, der den Energiespeicher J versorgt, auf der anderen Seite mit einem Heizwiderstand R_V abgeschlossen sein kann (hier nicht dargestellt).
Dieser Heizwiderstand R_v ist ein optionales Element der dargestellten Ausführungsform. Über diesen Heizwiderstand R_v kann in selten auftretenden Gefahrensituationen sehr zuverlässig und gesteuert vorhandene überschüssige Energie in Wärme umgewandelt werden. Dies kann in bestimmten ungewöhnlichen Situationen auftreten, wenn nämlich in der Anordnung mehr Energie gespeichert ist, als benötigt wird, und trotzdem etwa die Gesamtanlage aufgrund eines Notfalls heruntergefahren werden soll.
Der Heizwiderstand R_V führt nur zu geringen Anschaffungskosten und benötigt praktisch keine Wartung.
Darüber hinaus wird bevorzugt (nicht dargestellt) jede Zentrifuge Z₁, Z₂ bis Z_n der Zentrifugenanordnung mit einer mechanischen Bremse ausgestattet. Bei beispielsweise einem Netzausfall, einem Steuerungsausfall oder einem Druckluftausfall kann mit einer solchen mechanischen Bremse die Zentrifuge stets in einen sicheren Zustand überführt werden.
Bei dieser Konzeption ist die von der gesamten Zentrifugenanordnung bezogene Leistung nahezu konstant und – wie Simulationen ergeben haben – um etwa den Faktor 4 geringer als eine Spitzenleistung mit herkömmlichen Zentrifugenanordnungen. Eine Netzrückspeisung findet nicht statt und muss nicht berücksichtigt werden. Es werden keine Drosseln und Kompensatoren zur Glättung benötigt und das Versorgungsnetz wird auch in keiner Weise negativ beeinflusst. Das Kraftwerk 40 im Netz wird nur konstant und relativ gering belastet und muss keine Reserven mehr für Leistungsspitzen bereit halten. Das bedeutet, dass sich ein insgesamt sparsamerer Dauerbetriebszustand ergibt.
Die elektromechanische Energiespeicheranordnung J benötigt nur geringe Wartungskosten und vergleichsweise erschwingliche und kalkulierbare Anschaffungskosten.
Die verwendeten Frequenzumrichter können deutlich günstiger ausgewählt werden, da keine sogenannten Vier-Quadraten-Umrichter mehr benötigt werden. Die vergleichsweise teuren, netzgeführten Wechselrichter aus dem Stand der Technik, die dort zur Rückspeisung der Energie ins Netz eingesetzt werden, können entfallen.
Ferner gibt es nur noch einen einzigen Gleichstrom-Zwischenkreis DC, der weniger aufwendig ausgestattet sein kann als die herkömmlich benötigten mehreren Gleichstrom-Zwischenkreise. Darüber hinaus ist er durch die eindeutigeren Anforderungen einfacher in der Anschaffung und Auslegung.
In den 3 und 4 sind Verlaufskurven zu einem ersten Beispiel einer Situation dargestellt, die bei einer erfindungsgemäßen Zentrifugenanordnung theoretisch auftreten kann.
Es ist dabei dargestellt, dass eine symmetrische Last hinsichtlich der Hin- und Rückspeiseenergie auftritt, dass der Zyklusablauf symmetrisch verteilt ist und dass keine gleichzeitige Beschleunigung von zwei oder mehr Zentrifugen erfolgt.
Es ist also die Situation dargestellt, in der schwankende Lastanforderungen durch eine Zentrifugenanordnung an das versorgende Netz mit dem Kraftwerk 40 durch die Energiespeicheranordnung J konstant gehalten werden. Es ergibt sich mithin ein wiederholendes, symmetrisches Lastbild. Die Energiespeicheranordnung J wird mit geringen Anforderungen bei der Hin- und Rückspeisung im Rahmen ihrer Kapazitäten belastet.
Dieser Lastfall würde für eine geringe Zeit von einigen Stunden ohne Fehler und Nebenzeiten etwa in einer Zuckerfabrik auftreten, die in der Lage ist, die vorgeschalteten und nachgeschalteten Prozessschritte der Zuckerverarbeitung sehr gut konstant zu halten.
In der 3 ist wiederum von links nach rechts die Zeit aufgetragen, nach oben ist hier in der oberen Zeichnung in unterschiedlicher Strichelung jeweils die benötigte Leistung von vier Zentrifugen Z₁ bis Z₄ aufgetragen, die in der erfindungsgemäß miteinander verriegelten Version in gleichmäßigen Abständen betrieben werden. Man sieht sehr deutlich in dem oberen Abschnitt der 3, dass die unterschiedlichen Maxima einerseits und Rückspeisungen andererseits zu sehr unterschiedlichen Zeiten auftreten.
In der unteren Skala sieht man nun, wie sich der Leistungsbedarf der Zentrifugen Z₁ bis Z₄ zusammengefasst darstellt. Diese Kurve ist nach wie vor stark gezackt und schwankt zwischen relativ hohen Werten, obwohl die maximale Leistung nie den maximalen Leistungsbedarf einer Einzelzentrifuge überschreitet.
In der 4 sieht man nun den Speicherenergieverlauf, wenn zu diesen vier Zentrifugen noch erfindungsgemäß die kinetische Energiespeicheranordnung J hinzugenommen wird. In der oberen Grafik ist der Speicherenergieverlauf dargestellt, und zwar in dem Beispiel in kWh, während nach rechts die Zeit aufgetragen ist. Die Zeitskala ist hier deutlich enger als in der 3. Während in der 3 von links bis rechts 15 Minuten liegen, liegen in der 4 60 Minuten zwischen dem linken und dem rechten Rand.
In der unteren Hälfte der 4 sieht man zum einen zunächst die gleiche Kurve wie in 3 unten, nur mit anderer Zeitskala.
Zusätzlich sieht man jedoch den dramatischen Effekt, den der kinetische Energiespeicher hervorruft. Der Leistungsbedarf der Gesamtanordnung wird jetzt nämlich durch die fett durchgezogene nahezu horizontale Linie bei etwa 80 kW angegeben. Die noch vorhandenen Maxima und Minima der Einzelwerte werden nahezu ausgeglichen.
Im zweiten Beispiel in den 5 und 6 ist eine symmetrische Last mit einer Hin- und Rückspeiseenergie ähnlich dem Bespiel aus den 3 und 4 und ein symmetrisch verteilter Zyklusablauf ebenfalls ähnlich den 3 und 4 gewählt.
Anders als in den 3 und 4 zeigt das Beispiel aus den 5 und 6 eine einmalige gleichzeitige Beschleunigung von zwei Zentrifugen der Zentrifugenanordnung.
Es ist zu erkennen, wie sich die schwankenden Lastanforderungen durch die Zentrifugenanordnung an das versorgende Netz verhalten und dass diese Lastanforderungen durch die Energiespeicheranordnung J konstant gehalten wird.
Die Kurven in den 5 und 6 entsprechen den Darstellungen in den 3 und 4, nur jeweils jetzt für das andere Verhalten beim Beschleunigen der Zentrifugen.
Trotz der gleichzeitigen Beschleunigung von zwei Zentrifugen wird die Gesamtlast an das versorgende Netz konstant gehalten. Die Energiespeicheranordnung J wird mit höheren Anforderungen hinsichtlich der Hin- und Rückspeisung im Rahmen ihrer Kapazität belastet. Die steileren Flanken in der Darstellung des Speicherenergielevels sind durch die höhere Be- und Entladung im Vergleich zu den 3 und 4 zu erklären.
Dieser Lastfall würde bei einer gewollten oder ungewollten Verzögerung einzelner Zentrifugen Z in der Zentrifugenanordnung auftreten können. Solche Verzögerungen können etwa durch manuelle Eingriffe oder Waschzyklen auftreten. Ohne Energiespeicheranordnung J würde dies zwingend zu einer Wartezeit für die einzelne Zentrifuge führen, die durch den Fehler einen Verzug verursacht. Die erfindungsgemäße Anordnung und Steuerung der Energiespeicheranordnung J kann diesen Verzug minimieren oder eliminieren. Trotz einer auftretenden Verzögerung kann eine höhere Chargenzahl so den Durchsatz der Zentrifugenanordnung erhöhen. Die einzelne verzögernde Zentrifuge hat auf diese Weise keine oder nur eine geringe Auswirkung auf den Programmablauf der anderen Zentrifugen der Zentrifugenanordnung und führt so nicht zu Wartezeiten und verminderter Durchsatzleistung.
In den 7 und 8 ist jetzt ein drittes Beispiel dargestellt. Hier geht es um eine unsymmetrische Last bei der Hin- und Rückspeiseenergie, einen unsymmetrisch verteilten Zyklusablauf und vermehrt gleichzeitig erfolgende Beschleunigungen einzelner Zentrifugen Z.
Die 7 und 8 zeigen damit einen realistischen Ablauf des Betriebes einer Zentrifugenanordnung in einer Zuckerfabrik. Alle Zentrifugen Z laufen unabhängig voneinander und sind optimal in den Prozess eingebunden. Eine Rücksicht auf das Kraftwerk 40 und das energieversorgende Netz muss nicht genommen werden. Es werden maximale Chargenzahlen und maximale Durchsätze erreicht.
Das Verhalten ist nicht symmetrisch oder zyklisch wiederholend, sondern eher chaotisch und nicht deterministisch voraussagbar. Trotz gewollten oder ungewollten Verzögerungen wie beispielsweise Waschzyklen oder manuellen Eingriffen und trotz unterschiedlichem Leistungsbedarf bei Hin- und Rückspeisung soll jede Zentrifuge Z unabhängig von der Netzbelastung der Zentrifugenanordnung autark agieren.
In der dargestellten Simulation wird angedeutet, dass die Energiespeicheranordnung J im Beispiel in zwei verschiedenen Zeitabschnitten in jeweils unterschiedlicher Form über ihre Kapazitätsgrenzen hinaus belastet wird. Die Positionen hierfür sind in der 8 separat herausgezogen und markiert. Nicht in der bewusst diese Thematik aufgreifenden und betont darstellenden Simulation, wohl aber in der realen Funktionsweise würde die Steuerungseinrichtung 50 so eingreifen, dass diese Betriebszustände nicht auftreten können. Dies geschieht wie folgt beschrieben.
Anhand der beiden markierten Sonderfälle wird die vorteilhafte Möglichkeit der intelligenten Steuerungseinrichtung 50 besonders deutlich. Die an sich vorhandene und in der Zeichnung deutlich erkennbare Begrenzung der Möglichkeiten durch die Grenzen der Kapazität der Energiespeicheranordnung J wird durch die Steuerungseinrichtung 50 umgangen.
Bei dem links in der 8 markierten Sonderfall 1 wird durch das gleichzeitige Bremsen mehrerer Zentrifugen Z der Zentrifugenanordnung mehr Energie zur Rückspeisung zur Verfügung gestellt, als die Energiespeicheranordnung J aufnehmen kann. Diese Energie würde also ohne die Erfindung einfach verlorengehen oder sogar aufwendig vernichtet werden müssen. Die Steuerungseinrichtung 50 verzögert nun die Einspeisung der Bremsenergie der einzelnen Zentrifugen Z durch langsameres oder späteres Bremsen so weit, dass die Energie nicht verloren geht, sondern für den Beschleunigungsvorgang einer anderen Zentrifuge Z genutzt werden kann.
Bei der in der rechten Hälfte der 8 erkennbaren Situation des Sonderfalls 2 ist durch das gleichzeitige Beschleunigen mehrerer Zentrifugen Z der Zentrifugenanordnung weniger Energie zum Beschleunigen vorhanden, als die Energiespeicheranordnung J in diesem Moment zur Verfügung stellen kann. Die Steuerungseinrichtung 50 verlangsamt nun die Beschleunigungsvorgänge oder verzögert sie vorausschauend unter Berücksichtigung der Verbrauchsvorhersage so weit, dass die Energie aus Netz und Energiespeicheranordnung J ausreichend für den weiteren Betrieb der Zentrifugenanordnung ist.
Alternativ kann bei vorhandener positiver Information vom Kraftwerk 40 auch kurzzeitig ein Mehrbedarf durch dieses Kraftwerk 40 gedeckt werden.
Die Steuerungseinrichtung 50 hat zu jedem Zeitpunkt von jedem Element der Zentrifugenanordnung die aktuellen und die zukünftigen Lastdaten zur Verfügung und kann so einen in die Zukunft gerichteten Lastplan erstellen. Ein Aktualisierungstakt kann beispielsweise 1 bis 5 Hz betragen.
Die Zentrifugen Z übermitteln der Steuerungseinrichtung 50 die Daten, wann sie beschleunigen wollen und wieviel Energie sie dafür benötigen werden. Die Steuerungseinrichtung 50 budgetiert diese Anforderung in die Zukunft und weist der Einzelsteuerung S_n der einzelnen Zentrifuge Z_n einen Zeitpunkt und/oder eine Lastgrenze und/oder eine Beschleunigungsprofil zu. Die Steuerung dieser Zentrifuge kann dann zu einem Zeitpunkt, der für den gesamten Verbund optimal ist, den Beschleunigungsvorgang starten. Gleiches gilt für den Bremsvorgang.
Ebenso kann das versorgende Kraftwerk 40 mitteilen, ob ein höherer Energiebedarf gerade ohne Probleme darstellbar wäre oder ob die Lastgrenze erreicht ist und eher ein niedrigerer Energiebedarf gewünscht wäre. Hier kann die Steuerungseinrichtung 50 entscheiden, ob bei reichlich zur Verfügung stehender Energie entweder die Energiespeicheranordnung J nachgeladen werden soll oder ob eine Zentrifuge Z, die auf eine Freigabe der Beschleunigung und entsprechende Energie wartet, vorzeitig beschleunigen soll, oder ob die Bremsenergie lieber ins Netz als in die Energiespeicheranordnung J geleitet werden sollte, sofern eine Netzrückspeisung überhaupt gewünscht und möglich ist, oder ob ganz andere Szenarien ergriffen werden sollen.
Auf Grund dieses Lastplanes und der Kenntnisse über den zukünftigen Energiebedarf und der Steuerungsmöglichkeiten kann die Steuerungseinrichtung 50 jede einzelne Zentrifuge Z_n je nach Vorgabe auf Durchsatzmenge, Qualität, Chargenzahl oder Energieeffizienz steuern. Die gewünschte Optimierung ist deutlich weniger abhängig von strukturellen Grenzen wie etwa der Leistung des Kraftwerks 40, der Netzleistung, der maximalen Netzlast oder anderen einschränkenden Bedingungen.
In der 9 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt. Eine solche Ausführungsform kann etwa eingesetzt werden, wenn im Falle von größeren Nachrüstungen oder bei Neubauprojekten zusätzlich zu einer Drehstrommaschine für die Elektroenergieversorgung einer Fabrik, beispielsweise einer Zuckerfabrik, auch noch ein Gleichstromgenerator G_DC installiert wird. Dieser Gleichstromgenerator kann bei einer solchen Ausführungsform dann ohne den Umweg aus der oben erläuterten Ausführungsform über eine Energiewandlung von einem Wechselstromgenerator über einen Transformator und einen Gleichrichter den Gleichstrom-Zwischenkreis DC, also den DC-Bus der Zentrifugenanordnung versorgen.
In der 9 sieht man hierzu den Gleichstromgenerator G_DC und den an diesen Gleichstromgenerator G_DC angeschlossenen Aufbau einer Turbine Tu.
Darstellt ist in dieser Ausführungsform auch der schon oben erwähnte, dort aber nicht dargestellte Heizwiderstand R_V. Seine Funktion entspricht hier der oben in Zusammenhang mit 2 beschriebenen.
In der dargestellten Konstellation können dauerhafte Energiewandlungsverluste von mehreren 10 kW eingespart werden.
Soll in einem solchen Fall eine Gleichstromernergie-Netzrückspeisung stattfinden, so tritt keine Belastung des Netzes mit Wechselstrom-Oberschwingungen auf. Die elektrische Gleichstromenergie wird nicht über Netzwechselrichter ins Wechselstromnetz gespeist. Die überschüssige Gleichstromenergie kann stattdessen als mechanische Antriebsleistung auf eine Generatorwelle eingebracht werden.
Bei einer solchen Ausführungsform sind insbesondere die Investitionskosten entsprechend geringer. Darüber hinaus fallen lediglich Kosten für die Beschaffung eines Gleichstromgenerators an, während durch die Verwendung eines kleineren Wechselstromgenerators und den Wegfall von Transformatoren und zentralen Gleichrichtermodulen deutliche Kosteneinsparungen möglich sind.
Bezugszeichenliste

0: Phase beim Betrieb einer Zuckerzentrifuge
1: Phase beim Betrieb einer Zuckerzentrifuge
2: Phase beim Betrieb einer Zuckerzentrifuge
3: Phase beim Betrieb einer Zuckerzentrifuge
4: Phase beim Betrieb einer Zuckerzentrifuge
5: Phase beim Betrieb einer Zuckerzentrifuge
10: Informationsfluss
11: Informationsfluss
12: Informationsfluss
13: Informationsfluss
15: Informationsfluss
20: Informationsfluss
21: Informationsfluss
22: Informationsfluss
30: Transformator
31: Netz
40: Kraftwerk
50: Steuereinrichtung
51: Dateneingang
52: Dateneingang
53: Datenausgang, Anzeige
Alg: Algorithmus
DC: Gleichstrom-Zwischenkreis
FU: Frequenzumrichter
G_DC: Gleichstromgenerator
GR: Gleichrichter
J: Energiespeicheranordnung
M: Antrieb
R_v: Heizwiderstand
S: einzelne Steuerung
Tu: Turbine
Z: Zentrifuge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3031232 A1 [0010]
EP 2465613 A1 [0014, 0015]
DE 19715356 A1 [0038]
DE 202011110159 U1 [0038]

Claims

Zentrifugenanordnung mit mehreren diskontinuierlich betriebenen Zentrifugen (Z₁, Z₂ bis Z_n), mit jeweils einem Antrieb (M₁, M₂ bis M_n) für die Rotationsbewegung der Zentrifugen, mit einem Anschluss für eine externe Energieversorgung, mit einer lokal angeordneten Energiespeicheranordnung (J) und mit einer Steuerungseinrichtung (50) für die Steuerung der Antriebe der Zentrifugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (50) mehrere Dateneingänge (51, 52, 11, 20) aufweist, die zumindest für die Daten des aktuellen Energieinhalts der Energiespeicheranordnung (J), für aktuelle Betriebsdaten der Antriebe und der Zentrifugen, und für aktuelle Produktparameter ausgebildet sind, dass die Steuerungseinrichtung (50) Datenausgänge aufweist für die Steuerungsdaten jeder einzelnen unabhängigen Zentrifuge der Zentrifugenanordnung, dass die Steuerungseinrichtung (50) einen Prozessrechner aufweist, welcher die über die Dateneingänge übermittelten Eingabedaten mit den gespeicherten Angaben über das Energiespeicherverhalten der Energiespeicheranordnung (J), den Daten über das Betriebsverhalten der Zentrifugen verarbeitet und eine Organisation der Energieflüsse der Antriebe (M₁, M₂ bis M_n) für die Rotationsbewegung der Zentrifugen (Z₁, Z₂ bis Z_n) vornimmt, dass die lokal angeordnete Energiespeicheranordnung (J) ein oder mehrere elektromechanische Energiespeicher aufweist, und dass alle Antriebe (M₁, M₂ bis M_n) der Zentrifugen (Z₁, Z₂ bis Z_n) auf die lokal angeordnete Energiespeicheranordnung (J) zugreifen.
Zentrifugenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugen (Z₁, Z₂ bis Z_n) Zuckerzentrifugen sind.
Zentrifugenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanische Energiespeicheranordnung (J) einen oder mehrere kinetische Energiespeicher aufweist.
Zentrifugenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicheranordnung (J) mehrere parallel geschaltete und einzeln zuschaltbare Teilenergiespeicher aufweist.
Zentrifugenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (M₁, M₂ bis M_n) der Zentrifugen (Z₁, Z₂ bis Z_n) an genau einen Gleichstrom-Zwischenkreis (DC) angeschlossen sind, und dass der Gleichstrom-Zwischenkreis (DC) an den Energiespeicher (J) angeschlossen ist.
Zentrifugenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom-Zwischenkreis (DC) an einen Heizwiderstand (R_V) angeschlossen ist.
Zentrifugenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (50) Datenausgänge aufweist für die Steuerung der Energieflüsse in und aus der Energiespeicheranordnung (J) und/oder von und zu einem Kraftwerk (40).
Verfahren zum Betreiben einer Zentrifugenanordnung mit mehreren Zentrifugen (Z₁, Z₂ bis Z_n) mit jeweils einem Antrieb (M₁, M₂ bis M_n) für die Rotationsbewegung der Zentrifugen, mit einem Anschluss für eine externe Energieversorgung mit einer lokal angeordneten Energiespeicheranordnung (J) und mit einer Steuerungseinrichtung (50) für die Antriebe der Zentrifugen, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungseinrichtung (50) Daten betreffend den aktuellen Energieinhalt der Energiespeicheranordnung (J), aktuelle Betriebsdaten der Antriebe und der Zentrifugen und aktuelle Produktparameter zugeführt werden, dass die Steuerungseinrichtung (50) aus den ihr zugeführten Daten und den gespeicherten Verhaltensparametern der Energiespeicheranordnung (J), der Antriebe, der Zentrifugen und des Produktverhaltens Ausgangssignale für die einzelnen Zentrifugen berechnet und ein Betriebsverhalten ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (50) die benötigte Energie und Leistung aus einer lokal angeordneten Energiespeicheranordnung (J) mit einem oder mehreren lokalen elektromechanischen kinetischen Energiespeichern bezieht beziehungsweise einen Energieüberschuss in diesen speichert.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (50) Daten für die Steuerung der Energieflüsse in und aus der Energiespeicheranordnung (J) und/oder von und zu einem Kraftwerk (40) abgibt.