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Riscaldamento elettrico per forni industriali

Il dibattito sull’aumento dei costi energetici ha indotto i fornitori che operano nel settore della produzione e lavorazione dei metalli a cercare migliorie per il controllo nei sistemi di riscaldamento dei forni.

La riduzione dei costi energetici rimane un importante argomento di interesse, per questo motivo le aziende stanno cercando nuove strade per incrementare la propria competitività destinando gran parte degli investimenti in questo settore della loro attività. Questo articolo si propone di evidenziare ulteriori possibilità di risparmio che derivano da un uso attento dell’energia elettrica e da una sua equa ripartizione tra le apparecchiature per la lavorazione termica.

Monitoraggio dell’energia

Poiché gran parte del settore che si occupa del trattamento termico e della fornitura di metalli è soggetto a controlli, occorre registrare e conservare i dati di processo e di batch. Con l’avvento di semplici apparecchiature di comunicazione delle misurazioni, l’integrazione del consumo energetico dell’impianto nella documentazione archiviata non è altro che un prolungamento naturale del sistema di controllo. La possibilità di accedere ai dati energetici in tempo reale e storico consente all’utente di valutare quanto segue:

  • Richiesta energetica immediata dell’intero impianto
  • Richiesta energetica immediata dei singoli forni
  • Consumo energetico in base al carico del forno
  • Consumo energetico in base all’utilizzo dell’impianto
  • Spesa fiscale in base ai batch dei clienti
  • Priorità dell’impianto per il distacco dei carichi

L’uso di una tecnologia wireless come metodo economicamente vantaggioso per l’acquisizione e la divulgazione di informazioni relative alla gestione energetica su Ethernet consente la condivisione di dati in tempo reale tra gruppi di gestione interna e stazioni di progettazione. L’esperienza insegna che se gli utenti possono accedere a dati sulla gestione energetica è sempre possibile individuare aree di risparmio

Metodi di commutazione dell’energia elettrica

Fatta eccezione per i carichi del riscaldatore più complessi ovvero nel caso di quei materiali che mostrano una variazione della resistenza in base alla temperatura o di carichi complessi con accoppiamento a trasformatore, per il controllo dell’energia elettrica mediante tiristori si consiglia di utilizzare semplici metodi di commutazione a ciclo completo.

L’uso continuato dell’angolo di fase (modulazione del ciclo) per semplici riscaldatori tra cui i moderni riscaldatori a carburo di silicio determina svantaggi per gli utenti a causa del ridotto fattore energetico, dei disturbi armonici sulla rete di alimentazione e di interferenze RF nell’installazione.

La figura 1 mostra un tipico disturbo armonico associato all’accensione ad angolo di fase per carichi monofase e trifase. Si può notare dagli schemi che quando si attiva l’onda sinusoidale a 90 gradi, gran parte dell’armonica di corrente dispari si riflette sull’alimentazione.

Lo scarso fattore energetico associato all’accensione ad angolo di fase è il principale problema dei costi energetici. Poiché la maggior parte delle installazioni elettriche è progettata per funzionare con una potenza in uscita di circa il 50% rispetto al setpoint operativo nominale, il ciclo dell’alimentazione di rete verrà modulato, nel peggiore dei casi, di 90 gradi quando si opera in modalità PA. In queste condizioni il fattore energetico risultante può essere inferiore allo 0,72 anzichè superiore al livello desiderato di 0,95. A seconda del tipo di misurazione e della impedenza di alimentazione, ciò può avere un effetto assai dannoso sul valore di fatturazione per l’aggiunta di costi pari al 7 – 10% senza alcun beneficio per il processo

Per ridurre o porre rimedio agli svantaggi legati al controllo ad angolo di fase del tiristore sono disponibili due semplici soluzioni:

1) Nelle installazioni in cui non è possibile evitare l’impiego di un controllo ad angolo di fase, utilizzando un commutatore di prese elettronico è possibile ridurre automaticamente al minimo il fattore energetico e i disturbi sulla rete di alimentazione.

La figura 2 mostra un tipica risposta del sistema di controllo di un commutatore di 4 prese. Si noti come il fattore energetico sia superiore a 0,9 per la maggior parte delle prese al livello critico del 50% rispetto alla curva fondamentale che mostra un valore di 0,72 per una richiesta del 50%.

2) Nel caso di carichi del riscaldatore non complessi è possibile utilizzare qualsiasi modalità di accensione a ciclo completo compresi i metodi di commutazione a ciclo singolo e a ciclo singolo avanzato che consentono di soddisfare il carico di densità di watt e le caratteristiche di massa termica della maggior parte dei riscaldatori tradizionali eliminando al contempo lo scarso fattore energetico ed i problemi di armoniche.

Il ciclo singolo avanzato può risultare particolarmente efficace in caso di carichi a infrarossi a onda corta o di carichi in cui è auspicabile ridurre al minimo gli effetti di lunghi treni di impulsi sugli elementi.

Nel caso di materiali che presentano un coefficiente di temperatura/resistenza positivo, è possibile utilizzare anche tiristori intelligenti in grado di passare, in presenza di un aumento nella resistenza dell’elemento, da un’accensione ad angolo di fase ad un’accensione a ciclo completo e consentire in questo modo la diffusione dei volt di rete all’interno del carico.

Per informazioni sui vantaggi offerti da metodi di commutazione alternativi del tiristore per particolari materiali di riscaldamento rivolgersi a Eurotherm.

Algoritmi e routine per la riduzione al minimo del consumo energetico di un forno

È ormai risaputo da tempo che l’analisi del comportamento energetico di un forno è indicativa delle prestazioni di un forno. Gli utenti utilizzano funzioni di identificazione del profilo energetico che consentono loro di stabilire modifiche operative da apportare alle apparecchiature di lavorazione a seconda dei tipi di batch. Una recente scoperta nel campo del monitoraggio energetico on-line per cicli di trattamento termico in batch ha portato alla realizzazione di una soluzione di ottimizzazione energetica dei forni per i processi di omogenizzazione, ricottura, normalizzazione e processi di trattamento termico simili.

In questa applicazione il punto in corrispondenza del quale la temperatura all’interno dello stock diventa omogenea viene individuato da un algoritmo di controllo di stato costante che agisce sulla derivata del consumo energetico. Gli utenti utilizzano questa funzionalità del sistema di controllo per individuare il punto di raggiungimento dell’equilibrio in modo tale da ridurre i tempi di processo e sfruttare al meglio l’impianto. Eurotherm utilizza algoritmi proprietari per offrire ai propri clienti questo risparmio energetico senza bisogno di integrare altri sensori nei monitor dei pezzi di lavorazione.

La figura 3 mostra le curve relative alle prestazioni del forno e alla temperatura dei pezzi rispetto alla derivata del consumo energetico previsto dall’algoritmo di ottimizzazione dell’energia dei forni Eurotherm.

Tecniche di condivisione e di distacco dei carichi

Nel caso di un impianto per il trattamento termico che dispone di un’ampia base installata di apparecchiature riscaldate elettricamente per la lavorazione termica è spesso auspicabile sequenziare l’accensione delle zone dei singoli forni o dei forni indipendenti in modo da ridurre al minimo le fluttuazioni di alimentazione. Utilizzando metodi di accensione intelligente del tiristore è possibile limitare le sovracorrenti e l’instantaneo carico di alimentazione tipici di qualsiasi installazione mediante una combinazione selezionabile di modelli di accensione. In questa modalità nessuna zona viene accesa contemporaneamente e le richieste energetiche del singolo forno o della singola zona vengono sincronizzate in modo tale da garantire un carico estremamente uniforme dell’alimentazione.

Le cifre riportate di seguito mostrano il modello di sequenziamento di una zona e gli effetti complessivi sull’alimentazione grazie all’uniformazione del carico all’interno dell’impianto. Questi vantaggi consentono agli utenti di utilizzare una maggiore base di apparecchiature installate sfruttando la rete di alimentazione già esistente.

Questa soluzione offre un ulteriore vantaggio grazie alla possibilità di impostare una soglia del livello di potenza regolarizzato al fine di convogliare gli sbalzi di consumo energetico nel punto di massima richiesta. L’impostazione di allarmi in corrispondenza del livello di soglia può innescare processi di distacco dei carichi per ordine di priorità che consentono quindi di non incorrere in costose sanzioni per eccesso di tariffa.

Controllo del setpoint del forno fuori dall’orario di lavoro

Grazie agli intelligenti sistemi di controllo moderni è possibile automatizzare il controllo del setpoint di apparecchiature per la lavorazione termica fuori dal normale orario di lavoro. Nell’esempio riportato di seguito il sistema di controllo è in grado di comprendere la dinamica del forno e di riconoscere il livello energetico necessario per mantenere il setpoint di standby e per raggiungere il setpoint operativo.

Il regolatore dispone di una schermata utente che consente all’operatore di immettere il setpoint operativo richiesto ed il tempo necessario al forno per ritornare a temperatura. Il regolatore utilizza le informazioni di sintonizzazione del forno e dispone di un orologio interno in tempo reale che fa sì che il forno ritorni al setpoint operativo richiesto per la lavorazione.

Questi vantaggi garantiscono risparmi energetici molto più consistenti e ripetibili grazie anche all’uso dello spegnimento del forno fuori dall’orario di lavoro.

Eurotherm fornisce sistemi di controllo appositamente progettati per disporre di routine di risparmio energetico incorporate.

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