Энергосбережения с помощью средств автоматизации
Определение права инвестиций автоматизации - те, с низкими затратами и высокой воздействия - может привести в миллионы долларов экономии энергии для нефтехимических производств.
Химические заводы и нефтеперерабатывающие заводы являются крупными потребителями энергии - энергии второй только сырье, как переменные издержки эксплуатации. Эффективное использование энергии была и остается одной из главных целей для этих производителей. Номер 1 является хорошим введением в общей перерабатывающей промышленности сохранения энергии.
Нефтехимические заводы имеют особенно высокие энергоемкость и хороший пример для иллюстрации возможных энергосберегающих возможностей за счет автоматизации. Например, 5% экономии энергии на сумму более S4 млн в год увеличилась операционная маржа для типичных североамериканских naphthafeedstock завода по производству 500 тысяч тонн в год этилена с энергией стоимостью $ 6 за миллион БТЕ (млн. БТЕ)).
Хотя во многих нефтехимических заводов были инвестиции для снижения потребления энергии, по-прежнему широкое разнообразие использования энергии, даже после стандартизации по производству скорость, тип питания и качество, состав продукта и процесса конфигурации. Surveys (например Ref. 2) нашли пробелы большие, как 40% в период самых эффективных предприятий и наименее эффективным. Много изменений связано с возрастом оборудования, так как взрослые растения часто имеют менее efificient оборудования и меньше тепла, чем интеграция новых растений. Даже в более эффективные средства, теоретические минимальным потреблением энергии все еще значительно ниже текущего потребления энергии, а также возможности для дополнительной экономии, которую многие эксперты считают порядка 20%, остаются.
Различные инвестиции, имеющих различные затраты и различные последствия может сократить потребление энергии (табл. I). Они варьируются от программ с низкими затратами и относительно слабое воздействие таких, как сократить ловушку пара и других утечек пара, установка интегрированных газовых турбин, которые имеют очень высокую стоимость и длительный осуществления раз и, соответственно, больших последствий. Эта статья посвящена автоматизации инвестиций. Они обычно падение lowto среднего диапазона стоимости и доходности среднего уровня сбережений. В результате, ожидаемый доход от инвестиций в автоматизацию проекты могут быть весьма высокими.
Автоматизация результатов в области энергетики. На рисунке 1 показаны типичные автоматизации и систем, связанных в нефтехимических предприятий, сгруппированных по уровням от 1 до 4 в зависимости от производства стандартной корпоративной системы в ISA, ISA95 (3). Почти все эти системы будут иметь определенное влияние на потребление энергии. Здесь акцент делается на Уровни 1, 2 и 3.
Новые инвестиции могут уменьшить потребление энергии на указанных уровнях производства по двум основным механизмам - за счет снижения стоимости поставки, или за счет сокращения спроса процесса энергии. Сокращение издержек поставки могут быть разделены далее в инвестиции, уменьшить внешние затраты на приобретение и те, которые повышают эффективность внутреннего производства энергии. В таблице 2 перечислены некоторые средства, которые автоматизации и связанные с ними системы могут уменьшить энергию в этих рамках.
Расширенный контроль и оптимизация системы могут иметь большое влияние на потребление энергии. Тем не менее, их общей функциональности и энергии воздействия были охвачены ранее (например, Ref. 4) и не будет рассмотрен более подробно здесь. В этой статье рассматриваются некоторые конкретные стратегии автоматизации, которые не столь широко признается, что и другие. Экономического сравнения основаны на типичных Северная Америка (NA) нафта-канал завода по производству 500 тысяч тонн в год этилена с свойств, перечисленных в списке выше. (Но кредит берется для величины сокращения выбросов парниковых газов).
Контроль цикла улучшения производительности
Эффективное и результативное выполнение основных контуров управления завода имеет важное значение для успешной работы предприятия и других функций, таких как расширенный контроль в реальном времени и оптимизации. Контроль петли состоят из элементов измерения, привода (чаще всего клапана), а также выполнение алгоритма управления (рис. 2). Улучшения в каждой из этих элементов может привести к снижению потребления энергии.
Измерение
Одним из первых соображения должны быть потенциальным обновления автоматизации, направленных на улучшение измерения ключевых переменных, растение - с точки зрения расположения, частоты, точность, и номер. Физического перемещения измерения для сокращения времени мертвым в петле часто делать больше для улучшения производительности, чем любой алгоритм настройки или изменения. Увеличение частоты измерения (например, в отношении газовый хроматограф) Аналогичным образом могут быть полезны для цикла работы. Повышение точности измерений, может иногда позволять изменения условий деятельности по энергосбережению и снижению операционной маржи ограничения. В прошлом, разрешений и проводки требования, как правило, сделали очень дорогой рассмотреть вопрос о включении измерений после завода уже построены. Беспроводные передатчики в настоящее время более широко распространены и могут существенно снизить стоимость дополнительных измерений.
Некоторые конкретные улучшения измерений может иметь значительные последствия:
Многие нефтехимических опыт различий в состав топлива газ и отопление значение. Это вызывает изменчивость управления горением печи крекинга и увеличивается требуется операционная маржа выше ограничения оптимальной горючей смеси.
Таблица 3 сравнивает объемной теплоты сгорания топлива для стандартных компонентов газа с их эквивалентами массовой информации. Обратите внимание, что значительно меньше изменчивости в средствах массовой основе ценностей.
Это означает, что контроль газового топлива на основе массового, а не по объему устранит большую часть изменчивости, которое, по сути, опыт заводов, которые приняли такой контроль. Современные расходомеры, которые непосредственно измерения массы, а также обеспечить измерения плотности газа позволяют легко осуществлять его обновление.
Величина этого изменения будет зависеть от нормальной изменчивости газового состава топлива и его влияние на маржу операционной печи избытка воздуха. Для завода нефть, например, это улучшение может быть 0,2% в печи эффективности, которая стоит около $ 200000 в год-обычно достаточно, чтобы обеспечить один год (простой) окупаемость на топливо расходомеров газа массовой информации.
Еще одним ключевым улучшением измерения для взлома печи сжигания использования стека измерения газа CO. Хотя некоторые сайты установлены эти CO анализаторы ранее, их применение было ограничено восприятие того, что система отбора были высокими содержание пунктов и анализаторы сами были несколько ненадежны. Тем не менее, CO анализаторы, не система отбора проб и постоянного требования калибровки газа теперь доступны и зарекомендовали себя как вполне надежный в месте установки.
Недавнее исследование предоставляет дополнительные обоснования для более качественного анализа онлайн сгорания газа. Изменения в температуре окружающего воздуха и относительной влажности воздуха имеют удивительно сильное влияние на условия горения, даже если по составу топлива, проводится постоянная (5). При изменении состава топлива, прямое измерение CO является наилучшим способом для контроля эффективности сгорания и позволяет жестко контролировать печи.
Клапан производительности
Нефтехимические заводы часто работают на разных условиях нагрузки из-за рыночных условий, наличие сырья, печное decokings, а также наличие технологического оборудования. Контроль стратегии должны разрабатываться и осуществляться с учетом эффективного выполнения в полном диапазоне условий эксплуатации, а также периферийных устройств должны быть выбраны и размер соответственно. Треснувший газа и холодильных компрессоров являются основными потребителями энергии в нефтехимических заводах. Собственные против перенапряжений управления, как показано на рисунке 3, является важным фактором в минимизации потребления энергии при меньших нагрузках.
Этапе утилизации (или анти-рост) клапаны управляются системой контроля рост, который обычно включает компенсацию за изменения в скорости всасывания температуры и давления и состава газа (в случае проведения измерений). Утилизации клапан необходимо открыть очень быстро и точно, чтобы распространить газа из стадии разряда до уровня всасывания. Способность стабильно и надежно работать компрессор ближе к резкое ограничение позволяет экономить энергию, а также необходимый запас ограничение работы зависит от частотной характеристики клапана, анти-рост. Изменения в клапанная технология в настоящее время разрешают даже очень большие утилизации клапаны для перехода из полностью закрытого до полностью открытого и наоборот в возрасте до двух секунд.
Рисунок 4 иллюстрирует типичные линии от всплесков напряжения для компрессора. Фактические ограничения перенапряжений будут установлены в какой-то запас от фактического предела. Устанавливая высокопроизводительные клапана, операционная маржа может быть снижена. Кроме того, при нормальных условиях потока, высокопроизводительные клапана может позволить давление всасывания крекинг-газа компрессора должны быть сокращены, что привело к увеличению урожайности.
Стоимость такого улучшения контроля зависит от текущей операционной маржи, а доля времени, что завод работает на более низких нагрузках. Если растение находится в низкой пропускной условиях 25% времени, величина сокращения переработки будет составлять приблизительно $ 125 000 в год за базовый завод.
Луп-динамического анализа и настройки
Одним из наиболее экономически эффективных мер, которые могут быть приняты для улучшения энергетической эффективности управления заключается в анализе динамических характеристик ключевых основные контуры управления для рационального использования энергии, выявление проблем и их устранения. Плохое исполнение может быть вызвано проблемами в области измерения, контроля клапанов (или другой привод), и / или петля динамической настройки, а также проблемы внешних цикла, таких, как процесс нарушения или нескольких цикл взаимодействия. Аппаратно-программные системы, что позволяет с высокой скоростью сбора данных могут быть использованы для анализа цикла управления.
Если предположить, что оборудование области автоматизации исполняются адекватно, следующим шагом является настройка петли использованием строгого подхода, который учитывает необходимые компромиссы между стабильности, надежности, производительности и общей динамики системы. Метод настройки Lambda (6), хорошо зарекомендовавшей себя, математически обоснованной методологии, что конкретно касается этих компромиссов.
Верхней графов на рис 5 (7) иллюстрируют производительность контроллера температура на выходе от растрескивания печи при настройке используется старая методика, в данном случае ZieglerNichols четверть амплитуды затухания. Нижней графики показывают эффективность одного и того же цикла управления, с тем же клапан и измерения, после настройки с использованием методологии Lambda. Левой графики показывают параметров процесса, в этом случае температура на выходе, в зависимости от времени. Сокращение изменчивости показано в правом нижнем углу гистограммы ведет к сокращению потребления энергии в то же заданной цели. Поскольку потребление печного топлива является нелинейной вогнутой функцией температуры на выходе, экскурсии выше заданного потребляют больше топлива, чем спас экскурсии ниже заданного значения (при этом среднее значение).
Аналогичным образом, цены на коксующийся трубки также вогнутой нелинейной зависимости от температуры и снижения изменчивости приводит к снижению коксующегося номера (при этом средняя температура). Как коксовые труб, теплообменных эффективность уменьшается, а увеличивается топлива. Кроме того, сокращение изменчивости могут быть использованы для увеличения целевой розетке установка температуры при постоянном коксующегося условия ставки. Это приведет к увеличению раз за счет преобразования растрескивания печей. Для этан и пропан-канал печи, это будет снижение общей ставки на переработку постоянной чистой преобразования, и может привести к чистой экономии энергии. Надлежащего баланса между этими двумя возможностями энергосбережения может быть вычислена по всей установки экономического анализа.
Паровые системы управления и контроля
Контроль системы в целом пара может быть одним из наиболее сложных задач, нефтехимического завода в области автоматизации, особенно в пожилом сайты, которые прошли несколько проектов с ликвидацией узких мест и модернизацию оборудования. Каждый сайт имеет тенденцию иметь уникальную конфигурацию и существующих систем управления, как правило, развивались с течением времени, новые элементы управления были добавлены для обработки конкретных вопросов, а иногда и без полного учета их влияния на весь спектр операций.
На рисунке 6 показана типичная система с несколькими пара заголовков различных уровней давления, каждая с несколькими пользователями и поставщиками. Поскольку большинство очень высоким давлением (VHP) пар подается путем рекуперации тепла от растрескивания печей, этот запас меняется с изменением скорости стрельбы, корма типа и степени тяжести (определяется как за пропуск часть кормов преобразованы в желательный продукции). Спрос на каждом уровне Аналогично меняется с изменением заводских условиях, и изменения в один заголовок может вызвать нарушения в других странах. Паровая импорта или экспорта в другие растения на сайт часто изменяется, а, добавив больше нарушений системы. После растрескивания печей, больших паровых турбин для крекинг-газа и холодильных компрессоров являются крупнейшими потребителями утилиты на сайте, хотя Существуют обычно многих других пользователей. Некоторые растения будут на месте поколения власть.
Дальнейшее сложности паровой системы управления иерархию целей, что приводит к различной реакции управления в зависимости от состояния системы (табл. 4).
Второстепенное значение, утилита оптимизации, цель которого заключается в определении наиболее экономичные условия для работы нынешнего спроса завода. Эти условия, как правило, рассчитываются с использованием стационарной модели оптимизации. Атипичная контроля действий на этом уровне является определение целей (таких, как Расходы, приведенные турбины 'extractionsteam), которая сведет к минимуму вентиляции и пара разочарование от одного уровня к другому более низком уровне и увеличить мощность производства. More-сложные модели оптимизатор может вычислить новый заголовок давления целей (в рамках ограниченного диапазона), которая предусматривает увеличение единичной мощности или повышения эффективности.
Следующий более высокий уровень контроля сделок с нормальным динамичным регионом операционной, отвечая на типичные нарушения в области предложения и спроса и корректировки условий по выплате компенсации и поддержания стабильной работы. Этот район включает в себя множество ограничений на операции, многие манипулировать переменными и многих взаимодействий между переменными, требующих использования многомерного управления. Feed вперед действий на измеренных возмущений используется для дальнейшего улучшения динамических характеристик.
Корректировки, необходимые для динамической компенсации может быть в краткосрочных конфликта с оптимизацией целей. Например, предположим, Есть два манипулировать переменных с примерно равным стационарного выгоды в связи с заголовка давления; одна переменная имеет небольшой коэффициент ftinctions оптимизатор цели, но большой постоянной времени и медленным динамический эффект, в то время как другой переменной противоположные характеристики. От оптимизации точки зрения, было бы желательно, чтобы в первую очередь манипулировать первой переменной для контроля давления заголовок, так как изменения будут иметь незначительное влияние на целевую функцию, а динамические приоритеты компенсация за манипулирование второй переменной. В результате, в приоритетных уровней 2 и 3, краткосрочные соображения динамического регулирования, а оптимизатор установления целевых показателей, которые должны быть удовлетворены на стационарный режим.
В некоторых относительно общей ситуации, крупные нарушения перемещения контролируемых параметров за пределы своей обычной рабочей области в то, что можно было бы назвать ненормальное состояние. Эти нарушения могут быть либо на стороне спроса, таких, как decoking из печи, когда есть повышенный спрос на паром, или предложения, такие, как decoking одновременно с потерей VHP производства пара в печи. Изменения в условиях окружающей среды также может иметь значительный эффект. Например, дождь может уменьшить доступность пара 100000 до 200000 кг / ч в экстремальных условиях.
Цель в данном регионе управления плавно вернуть паровой системы к нормальному диапазону регулирования. Одной из характерных черт этого состояния является то, что контролировать действия не являются симметричными, т.е. различных контроля необходимо принять меры в зависимости от переменной выше или ниже рабочего диапазона. Например, если давление в заголовке HP выше диапазона регулирования, контроля действий может быть, чтобы открыть HP / MP разочарование клапан тех пор, пока давление заголовок депутат не выше целевого диапазона, если давление возрастает, а затем действия, чтобы открыть HP выход в атмосферу. И наоборот, если давление ниже диапазона действия, чтобы открыть VHP / HP разочарование, считая заголовка VHP в пределах своего ареала. Если давление продолжает падать, акции могут быть закрыты HP / MP разочарование клапана, если он открыт, если это не происходит, то действия могут заключаться в сокращении подачи на завод. Это предполагает, что обычные меры контроля в их пределах. Ситуация может еще больше осложняется, если один из заголовков в ненормальном состоянии, а остальные находятся в нормальном состоянии контролировать, это, как правило, осуществляются с помощью переопределения функциональных ..
Наивысшим приоритетом является обеспечение контроля безопасной эксплуатации. Активизация такого уровня, как правило, ответ на оборудование поездки. Заголовок контроля необходимо определить приоритеты в порядке их важности в случае, если такие тяжелые расстройство происходит. Заголовки с наивысшим приоритетом должна быть проведена как можно ближе к их давлением цели насколько это возможно, другие объекты заголовка находятся в расслабленном состоянии по мере необходимости в порядке их приоритетности. Приоритетов может быть достаточно, чтобы держать в депутаты пара разбавления пара заголовков для предотвращения decoking из печи трубки, обеспечить дисперсии пар вспышки и обеспечить достаточного количества пара VHP, что главные турбины будет благополучно упал до минимальной ставки или закрыты. Это явно сложным вопросом, требующим тщательного контроля динамической координации, и часто осуществляются с помощью запрограммированных последовательностей, а также ручное вмешательство.
Удачный дизайн контроля и реализации, то предполагает интеграцию между этими четырьмя уровнями приоритета, с плавным переходом от одного уровня к другому. Из-за большого количества манипуляций переменных, ограничения переменных и взаимосвязей между ними, а также частота и масштабы нарушений, потенциальные выгоды от повышения автоматизации могут быть значительными. Улучшенная производительность контура управления по совершенствованию измерений, лучше привод ответ, и лучше настройки являются важными.
Системы управления. Верхнего уровня функций в верхней части рис 6 представляют энергетического менеджмента и информационных систем (ИСУП). Моделирование общей пара и системная утилита и использования этой модели в режиме реального времени экономические решения могут иметь большие выгоды. Цель заключается в том, чтобы определить набор условий эксплуатации, что снижает общую полезность расходов на поставки товаров, удовлетворяя все требования сайте коммунального хозяйства и выполнения всех ограничений оборудования. Типичные функции включают в себя:
* Калибровки процесса ЕМИС эффективности оборудования модели с фактической эксплуатации станции
* В режиме реального времени и в автономном режиме оптимизации исполнения
* Распределение котлов и турбин загрузки
* Тай-линии контроля, такие, как с учетом спроса в реальном времени цены планирования, приоритетных сброса нагрузки, а также приобрели силы оптимизации
* В режиме реального времени отслеживать состояние оборудования энергетической эффективности и производительности
* Мониторинг выбросов и прогнозирования.
На сайте большой нефтехимической, выгоды от такой установки может варьироваться от 1% до 3% от стоимости коммунальных услуг (B). Это приводит к потенциальной стоимостью около $ 600000 в год до $ 1800000 в год за базовый завод.
Модель также может быть использован для офф-лайн "что-если анализ для оценки инвестиционных возможностей. Расчет дополнительных затрат энергии на каждом уровне пара при нынешних условиях может быть полезным для установления приоритетов. Постоянное наблюдение за оборудованием использования энергии, предоставляемой системой может иметь важное значение в поддержании сокращения энергопотребления. Наличие централизованного источника расчетов снижает внутренние разногласия по поводу фактических показателей использования.
Разработка автоматизации программы энергосбережения
Структурированной программы для оценки, внедрения и поддержания энергии сэкономленные за счет автоматизации может быть очень ценным.
Типичные оценки автоматизации состоит из шагов показано на рисунке 7. Цель заключается в том, чтобы разработать подробный план действий с указанием сроков исполнения. Первый шаг заключается в определении нынешнего состояния растений в отношении функциональных возможностей, использование и интеграцию существующих контроля энергии и автоматизации управления и информационной инфраструктуры.
Часть этой оценки является определение контуры управления, в том числе передовые контуров управления, которые имеют существенное влияние на потребление энергии. Эти петли будут первоначального целевого показателя текущей программы анализа производительности.
Чтобы идентифицировать эти ударопрочного петли, полезно классифицировать петли растения, как показано в таблице 5. Во-первых, звание контуры управления на основе потенциального воздействия значительно упала производительность на дополнительных потребления энергии, которая обычно выражается в денежном выражении. Этот рейтинг может быть сделано с помощью инженерных знаний, энергии связей, путем сопоставления данных завода, или сочетание нескольких методов. Далее, определить исторические частоты значительно упала производительность по данным сайта историк и обслуживание записей. Исходя из этого анализа, определения приоритетов петли на основе сочетания их влияния и проблема частоты, как показано в таблице 5.
С более высоким приоритетом петли должны быть дополнительно проанализированы для выявления источника tlie каждой задачи, т. е. измерение, привод, тюнинг, или внешние факторы, такие как нарушения или взаимодействия с другими петель. Исходя из этого анализа, набор возможных действий, чтобы устранить эти проблемы могут быть разработаны.
Важно также оценить возможные новые усовершенствования автоматизации. Они могли бы включать увеличилось измерения энергии важных переменных (например, путем установки дополнительных анализаторов), внедрение передовых управления, улучшение инфраструктуры, таких как сети в центр управления двигателем, а также изменение размеров роторов насоса и связанных с ними потоков клапаны для нынешних условий эксплуатации. Кроме того, общие для выявления экономии, которую можно получить просто путем изменения операционных процедур, например, расслабляющий операционные ограничения, которые были установлены только на основании исторического опыта, а не реальные пределы процесса. Кроме того, она полезна для сравнения завод с отраслевыми лидерами, чтобы помочь определить области для потенциального улучшения.
Затем выполнить анализ затрат и результатов на экран потенциальных проектов. Важно, чтобы соответствовать неопределенность затрат и выгод. Для целей проверки, это не является необходимым для оценки затрат в пределах 10%, если в интересах оценки составляет 50%.
Рекомендуем Затем эти проекты оцениваются на основе:
* Возврат на инвестиции (ROI)
* Размер инвестиций и срока окупаемости
* Необходимые изменения инфраструктуры
* Требования о движении денежных средств
* Имеющихся ресурсов
* Возможность использовать существующие приложения
* Зависимостей проекта.
Заключительные мысли
Высокоэффективные системы автоматизации играют ключевую роль в минимизации потребления энергии в нефтехимических предприятий при одновременном удовлетворении других целей эксплуатации. Потенциальные выгоды от улучшения автоматизации, конечно, зависит от текущего состояния предприятия. Эти преимущества могут приближаться 5% энергии, использование растений. Для справки завода рассматривается в данной статье, может составить до $ 4-5 млн в год.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кенни, WF, "Энергосбережение в перерабатывающих отраслях промышленности", Academic Press, Орландо, Флорида (1984).
2. Ren, Т. и др.. ", Олефинов из обычных и тяжелых Сырье: использование энергии в паровых крекинг и альтернативных процессов," Энергетика. 31, с. 425-451 (2006).
3. Международное общество по автоматизации ", ISA95 производственное предприятие системы стандартов и пользователей ресурсов", второе издание, ISA, Research Triangle Park, NC (2009).
4. Наси, М., и др.. "Опыт с завода по производству этилена Компьютерная система управления", переработка углеводородного сырья, с. 74-82 (июнь 1983).
5. Бассман, В. и др. /. ", Автоматическое Advantage," Углеводородные Техника (сентябрь, 2008).
6. Олсен, Т. и Б. Bialkowski ", Lambda настройки, как перспективный метод настройки контроллера для НПЗ," Актуальные Труды конференции. Айше Весна Национального собрания, Новый Орлеан, Луизиана, бумаги 42A (2002).
7. Филу AG, "Выгоды от использования Smart инструменты и управление активами программного обеспечения в нафта крекинга," National Petrochemical и переработчиков ассоциации (NPRA) Компьютерные Труды конференции, Austin, TX, бумаги ГК-02-156 (2002).
8. Тейлора Л., и др.., "Возможности для оптимизации Утилиты в EPA предельных значениях для основных производственных мощностей," воздуха и утилизации отходов ассоциации (ОМА) Специальность Труды конференции: Управление Название V соблюдения, Новый Орлеан, Луизиана (2000).
DOUGLAS C. WHITE
Emerson Process Management
Douglas C WHITE является старшим консультантом по основной группы PlantWeb Решения Emerson Process Management (E-почта: doug.white @ emerson.com). Ранее он занимал высшие управленческие и технические должности с MDC технологии, Profitpoint Solutions, Aspen Technology, а также уставки. На этих постах он был ответственен за разработку и внедрение современное состояние передовой автоматизации энергии и оптимизации системы в технологических установках по всему миру, и он опубликовал более 50 научных работ по этой тематике. Он начал свою карьеру с Кэлтекс нефтяной компанией CNPC, в свою австралийского завода и центральной группы техники. Он БХЭ из Univ. из Rorida, MS из Калифорнийского технологического института, а также степень магистра и докторскую степень в Принстонском университет, все в химическом машиностроении. Он является давним членом AlChE и получил топлива и Нефтехимия Каспия "Отдел награду в 2009 году.
