Энергоэффективность
в перерабатывающей
промышленности
Руководство пользователя
по стабильной энергоэффективности
(в сокращении)
Автор: Дэвид Стокилл
Содержание
Содержание
1
Введение���������������������������������������������������������������������������������������������������� 4
1.1
Предисловие..................................................................................................................................... 4
1.2
Целевая аудитория............................................................................................................................ 4
2
Определения, сокращения и термины����������������������������������������������������� 5
3
Проблемы энергоэффективности в 2013 г.����������������������������������������������� 8
4
Разработка перспективных решений. Общая программа�����������������������10
5
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии��������������������������������������������������������������������������12
5.1
Цели................................................................................................................................................. 13
5.2
Элементы ИСУППЭ.......................................................................................................................... 13
5.2.1
Конфигурация системы - аппаратные средства / программное обеспечение.............................. 13
5.2.2
Структуры данных / KPI и принципы постановки целей................................................................ 14
5.2.3
Переменные ведущих факторов потребления энергии................................................................. 15
5.2.4
Использование точек энергетических потерь................................................................................ 16
5.3
Работа с ИСУППЭ и пользовательскими интерфейсами................................................................ 16
5.4
Разработка ИСУППЭ........................................................................................................................ 17
5.5
Ключевые мероприятия – Формирование системы...................................................................... 18
5.5.1
Распределить технологические участки........................................................................................ 18
5.5.2
Энергетические балансы................................................................................................................ 20
5.5.3
Определение точек энергетических потерь.................................................................................. 20
6
Общие энергетические инструменты и методы��������������������������������������22
6.1
Измерение энергетических потоков и управление ими................................................................ 22
6.1.1
Материальный и энергетический баланс....................................................................................... 22
6.1.1.1 Потоки сырья и продукции............................................................................................................. 23
6.1.1.2
Пар................................................................................................................................................... 23
6.1.1.3 Топливо............................................................................................................................................ 23
6.1.1.4 Измерение электроэнергии............................................................................................................ 24
6.1.2
Управление технологическим процессом...................................................................................... 24
6.1.2.1
Подстройка контроллера и базовый комплект.............................................................................. 25
6.1.2.2
Регулирование по возмущению...................................................................................................... 25
6.1.2.3
Средство управления преодолением ограничений...................................................................... 26
6.1.2.4
Управление на основе прогнозирующих моделей (MPC).............................................................. 28
6.2
Энергосистемы общего пользования............................................................................................. 30
6.2.1
Производство пара.......................................................................................................................... 30
6.2.1.1
Подогрев питательной воды котла ................................................................................................ 30
6.2.1.2
Работа деаэратора........................................................................................................................... 31
Руководство Emerson по энергоэффективности
2
©2013 Emerson. Все права защищены.
Содержание
6.2.1.3
Сведение продувки к минимуму.................................................................................................... 32
6.2.1.4
Сбор конденсата и регенерация тепла........................................................................................... 33
6.2.2
Паровые сети и оптимизация распределения . ............................................................................. 34
6.2.2.1
Оптимизация энергосистем общего пользования ......................................................................... 35
6.2.2.2
Структурные изменения – подмешивание пара............................................................................ 35
6.3
Сжигание топлива........................................................................................................................... 36
6.3.1
Установленное оборудование........................................................................................................ 36
6.3.1.1
Переход с печей с естественной тягой к печам с принудительной тягой..................................... 37
6.3.1.2
Оптимизация подогрева воздуха для горения............................................................................... 37
6.3.1.3
Модернизация горелок – низкое содержание NOx и динамический диапазон .......................... 38
6.3.2
Управление печами......................................................................................................................... 38
6.3.2.1
Измерение объема воздуха и топлива............................................................................................ 38
6.3.2.2
Регулировка соотношения «воздух-топливо».................................................................................. 39
6.3.2.3
Сжигание отходящего газа.............................................................................................................. 39
6.3.3
Эксплуатация печей – Обучение и профессиональные знания.................................................... 40
6.3.4
Техническое обслуживание оборудования с огневым подводом теплоты................................... 41
6.4
Техническое обслуживание для повышения энергоэффективности............................................. 42
6.4.1
Очистка оборудования для передачи тепла (включая лопастные вентиляторы)......................... 42
6.4.2
Программы определения утечек пара .......................................................................................... 43
6.4.3
Контроль работы паросепараторов................................................................................................ 44
6.4.4
Тепловая изоляция.......................................................................................................................... 45
6.4.5
Использование методов мониторинга активов.............................................................................. 46
6.5
Пинч-анализ и оптимизация регенерации тепла........................................................................... 48
6.5.1
Пинч-анализ..................................................................................................................................... 48
6.6
Частотно-регулируемые приводы................................................................................................... 49
©2013 Emerson. Все права защищены.
3
Руководство Emerson по энергоэффективности
Введение
1
Введение
1.1
Предисловие
Настоящее руководство было специально подготовлено с учетом стандартов Директива ЕС по
энергоэффективности 2011/172 (называемая EED), с целью представить методологию разработки
передовых методов для пользователей в перерабатывающей промышленности, которые полностью
отвечают и даже превосходят требования EED.
1.2
Целевая аудитория
Настоящее руководство рассчитано на два основных круга читателей:
Прежде всего, руководители производства и руководители технологических отделов, которые хотят
изучить влияние Директивы по энергоэффективности и возможностей применения существующих
передовых методов для разработки стабильного плана, позволяющего добиться перспективной
энергоэффективной эксплуатации. Руководство также будет полезно заведующим энергетическими
хозяйствами корпораций, работающим над разработкой общекорпоративной стратегии
энергопотребления.
Во-вторых, руководство предназначено для заведующих энергетическими хозяйствами и инженеровэнергетиков, которым была поручена реализация подобной программы, и которые нуждаются в основе
для разработки подробных инициатив, плана работ и проектов для конкретной площадки.
При разработке настоящего руководства была использована модель типовой площадки
нефтеперерабатывающей или химической промышленности средних размеров. Модель будет иметь
традиционную общеизвестную организационную структуру – группа руководителей площадки, отдел
эксплуатации (возможно, несколько предприятий), отдел технического обслуживания (возможно,
несколько зон), службу технической поддержки, финансовый отдел, отдел кадров, отдел ИТ и т. д.
Подобная структура может совпадать или не совпадать со структурой организации читателя, однако, мы
надеемся, что представленная модель будет знакомой читателю, и он сможет провести параллели
с его / ее площадкой и организацией.
Руководство Emerson по энергоэффективности
4
©2013 Emerson. Все права защищены.
Определения, сокращения и термины
2
Определения, сокращения и термины
Потери на преобразовании
Потери на конечном применении
Технологическое тепло
Процесс
преобразования
Конечное
применение
Прямое тепло
Полезная энергия
Первичная энергия
Вторичная энергия
Сила тяги
Освещение
Прочее
Окончательная энергия
Класс энергии
Общее описание различных типов энергии, используемых в производстве, – газообразное топливо, электричество, пар и т. д.
РСУ
Распределенная система управления. Общее название типовой
микропроцессорной системы управления, используемой для контроля
технологической линии в перерабатывающей промышленности.
Вся система контроллеров подключается с помощью сетей для
обмена информацией и мониторинга.
СУППЭ
Система управления производством и потреблением энергии. Задокументированная система рабочих процессов, которая определяет
порядок эффективного управления потреблением энергии на
конкретной площадке (стратегия, ответственность, деятельность,
проверки).
ИПСУППЭ
Информационная подсистема системы управления производством и потреблением энергии. Система хранения данных
и составления отчетов, как правило, является частью сервера архивных
технологических данных, предоставляющая данные по энергии,
расчеты, отчеты и исходные сведения для анализа расхода энергии.
Ведущие факторы Переменные предприятия (расход, температуры), оказывающие
потребления энергии
прямое влияние на расход энергии конкретного блока.
©2013 Emerson. Все права защищены.
5
Руководство Emerson по энергоэффективности
Определения, сокращения и термины
Оценка энергетического
Подробная оценка энергоэффективности установки, позволяющая
проекта
сформулировать набор рекомендаций по проекту с указанием
расходов и приоритетов.
Краткий энергетический обзор Краткая оценка энергетической стратегии, энергоэффективности
площадки с указанием общих направлений усовершенствования.
ПВД
Пар высокого давления. Как правило, пар самого высокого давления,
генерируемый в котельной производственного комплекса. Обычно
используется для производства электроэнергии в турбогенераторных
установках.
ISO 50001
Международный стандарт на системы управления производством
и потреблением энергии.
ISO 14001
Международный стандарт на системы рационального природопользования.
KPI
Ключевой показатель эффективности. Рассчитанный показатель
эффективности для сравнения и эталонного анализа, например,
тонн топлива / тонн переработанного сырья.
НТС
Низшая теплотворная способность. Эффективное физическое тепло,
получаемое от сжигаемого топлива.
ПНД
Пар низкого давления. Пар самого низкого давления на площадке,
получаемый при спуске от потребителей пара среднего давления.
Используется для всех паровых систем общего назначения,
отслеживания, низкотемпературными технологическими потребителями.
ПСД
Пар среднего давления. Часто получают как спускной пар при
генерировании электроэнергии, ПСД, как правило, применяется для
приводов, эжекторов и ключевых технологических потребителей,
которым требуется высокая температура конденсации пара.
Пинч-анализ
Метод сведения энергопотребления технологических установок
к минимуму путем вычисления термодинамически достижимого
расчетного энергопотребления и достижения его путем оптимизации
систем регенерации тепла, методов подачи энергии и технологических
условий.
Планирование-исполнение
Основные этапы в системах управления серии стандартов ISO.
-проверка-принятие мер
Первичное преобразование Первичное преобразование внешнего топлива в энергетические энергии
потоки, непосредственно в ходе технологического процесса или
в котельной / комплексе систем энергоснабжения.
Руководство Emerson по энергоэффективности
6
©2013 Emerson. Все права защищены.
Определения, сокращения и термины
Сервер архивных Средство долговременного хранения технологических данных
технологических данных (расход, температура), часто интегрированный в РСУ. Предусматривает
простой поиск данных, составление отчетов, выполнение расчетов и
программирование с использованием данных предприятия
за прошедший период. В настоящее время доступ осуществляется через
приложения для Window/PC.
SCADA
Диспетчерское управление и сбор данных. Форма компьютерного
управления, как правило, используемая для нескольких площадок
и удаленных объектов.
Вторичное преобразование Последующее использование энергии, уже преобразованной в пар
энергии
и электричество в ходе технологического процесса.
МСП
Малые и средние предприятия. Имеющие <250 сотрудников и
<50 миллионов евро оборота.
Стехиометрическое горение Теоретическая точка, в которой подается достаточное количество
воздуха для горения для сжигания заданного объема топлива. Ниже этой
точки имеет место частичное или неполное сжигание топлива.
Энергосистемы общего Общий термин, обозначающий совокупность установок, как правило,
пользования
котлов и электрогенераторов, обеспечивающих производство
пара энергетических потоков общего назначения, электроэнергии,
азота, сжатого воздуха и т. д. для последующего применения
технологическими установками.
Беспроводная технология
В данном случае беспроводная технология используется для обмена
данными между полевыми контрольно-измерительными приборами и
диспетчерскими, заменяя традиционные проводные системы 4 – 20 мА.
©2013 Emerson. Все права защищены.
7
Руководство Emerson по энергоэффективности
Проблемы энергоэффективности в 2013 году
3
Проблемы энергоэффективности в 2013 году
Предпосылки
Инициативы в сфере энергосбережения в нефтеперерабатывающей промышленности имеют непростую
историю. После завершения «эры дешевой нефти» в середине 1970-х годов, в жизнь промышленных
предприятий прочно вошли традиционные инструменты и методики, способные обеспечить достаточно
высокую доходность предприятия. Тем не менее, промышленность не смогла осуществить переход на
более высокий уровень энергоэффективности, хотя, если оперировать простыми понятиями, практика
энергосбережения выглядит привлекательной: надежная, понятная технология с хорошей окупаемостью.
Как это работает?
Показатели энергоэффективности предприятия обычно зависят от большого числа факторов
(часто противоположных):
• Выполнение эксплуатационных целей
• Работы по техническому обслуживанию (эффективность и надежность оборудования)
• Применяемые технологии
• Стандарты проектирования
• Культура и профессиональные знания
• Достижение баланса мощности, прибыли, энергозатрат.
Не существует одного единственного фактора, определяющего состояние всей энергосистемы. Условия
эксплуатации постоянно меняются. Обеспечение энергоэффективности требует постоянного внимания
ко всему комплексу факторов. В результате показатели энергоэффективности зачастую ухудшаются из-за
бюджетных ограничений и стремления получить краткосрочную прибыль, энергия часто «ускользает
сквозь пальцы».
Универсального решения не существует. Для достижения стабильной энергоэффективности требуется
подход, сочетающий технологии и соответствующие процедурные и хозяйственные меры, который
находит отражение в новых стандартах по управлению производством и потреблением энергии и
выбросами СО2 (например, ISO 50001). Конкретные точечные решения обычно просты и хорошо
известны, однако, общий процесс управления представляет собой более сложную картину.
В основе проблемы лежит контроль: как на управленческом уровне (использование технологических
данных для анализа эффективности и реализации мероприятий, направленных на улучшения), так и на
эксплуатационном уровне (использование современных методов контроля для приближения к нормам
энергоэффективности). Точные и достоверные данные об измерении энергии на предприятии вместе
с распределенной системой управления и сервером архивных технологических данных становятся
фундаментом для построения последовательной концепции управления производством и потреблением
энергии.
Руководство Emerson по энергоэффективности
8
©2013 Emerson. Все права защищены.
Проблемы энергоэффективности в 2013 году
Программа оптимизации
Увеличенный запас
Системы управления
Energy
Management
Process
Снижение CO 2
Эталонный анализ
Снижение воздействия
на окружающую среду
Отраслевые передовые методы
Ключевой подход предполагает целевое видение, определяющее цели и устанавливающее основные
принципы контроля вовлеченности руководства и организации, наряду с пошаговым подходом к
эксплуатационному совершенствованию:
• Анализ эффективности существующих механизмов управления производством и потреблением энергии
• Определение зон ответственности руководства
• Подготовка простого обзора эффективности работы
• Определение и внедрение приложений нижнего уровня, получение быстрых результатов
• Анализ и усовершенствование.
Картина формируется на основе качественных данных об измерениях энергии на производстве,
архивируемых на общем сервере архивных технологических данных предприятия с доступом через (ПК)
интерфейсы, ориентированные на пользователя. Эти сведения используются современными средствами
контроля, моделирования и анализа данных. Новые методы измерения (например, использование
беспроводных технологий) обеспечивают легкий доступ к энергетическим переменным, которые,
как правило, невозможно было получить при использовании традиционных средств измерений. Это
осуществляется благодаря формализованному процессу управления, в рамках которого определяются
ответственные лица и процедуры, обеспечивающие непрерывную оценку и повышение эффективности.
©2013 Emerson. Все права защищены.
9
Руководство Emerson по энергоэффективности
Разработка перспективных решений. Общая программа
4
Разработка перспективных решений. Общая программа
Сценарий, который сейчас будет представлен, берет за основу типовой производственный участок,
на котором необходимо внедрить стабильную программу энергоэффективности. Это могло было быть
вызвано одной из ряда причин – сравнительный анализ конкурентов, корпоративная инициатива, анализ
эксплуатационных затрат, который выделил затраты на энергию или просто приход нового руководителя,
принесшего с собой опыт извне. Как бы там ни было, на площадке было принято решение о реализации
инициативы по оптимизации использования энергетических ресурсов.
Конечно, все площадки имеют свою специфику – для некоторых определяющими могут быть определенные
преобладающие факторы, например, ограниченная мощность инженерной сети, особенности подачи
топлива, местные нормативы на выбросы и т. д. Конкретные подробные решения не входят в область,
рассматриваемую в настоящей работе, однако, общий подход к программе оптимизации един для всех
ситуаций, и, опираясь на него, остается решить лишь местные проблемы.
В общем, программа будет построена вокруг следующих основных элементов:
• Капиталовложение в энергосберегающую технологию
• Изменения на предприятии и высокие стандарты хозяйствования
• Системы управления производством и потреблением энергии
(стратегии, организация, технологические процессы, профессиональные знания)
• Инструменты создания отчетности и анализа энергоэффективности
(показатели, цели, отчеты и т. д.)
• Технология
Энергетическая
стратегия
Разработать
программу
Семинар по
проектированию
• Эксплуатация
• Техническое
обслуживание
• Люди
Рабочие процессы
Оценка уровня
развития площадки
Инструменты,
проекты и
программы
Управление
энергоэффективностью
KPIs
Постоянное
совершенствование
Руководство Emerson по энергоэффективности
10
©2013 Emerson. Все права защищены.
Разработка перспективных решений. Общая программа
В зависимости от уровня развития площадки, некоторые из этих аспектов уже могут быть реализованы или
частично разработаны.
Целью принимаемых мер является разработка правильной основы систем управления и поддерживающих
инструментов, которая позволяет выполнять программы по оптимизации и инвестированию, а
также разрабатывать и выполнять работы для достижения стабильности и получения прибыли.
Все это выполняется в рамках согласованной и четко сформулированной стратегии и видения
энергоэффективности площадки.
Процесс в целом выглядит следующим образом:
1. Выполнить оценку энергоэффективности и приоритетов площадки
2. Разработать стратегию
3. Разработать системы и инструменты управления
4. Приступить к проверке оптимизации использования энергетических ресурсов, определить и
реализовать проекты.
В идеале, комплексный процесс оптимизации и программа развертывания проекта должны стать
естественным результатом реализации СУППЭ и энергетической стратегии, однако, может возникнуть
необходимость запуска программы «быстрые результаты» проектов на ранних этапах для получения
моментальных результатов и получения прибыли от быстрых результатов.
©2013 Emerson. Все права защищены.
11
Руководство Emerson по энергоэффективности
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
5
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
Информационная подсистема системы управления производством и потреблением энергии
(ИСУППЭ) является неотъемлемым элементом управления производством и потреблением энергии на
производственной площадке. По форме она может состоять как из нескольких простых отчетов в виде
электронных таблиц, так и из полномасштабной сложной графической системы с онлайн-моделями и
согласованными энергетическими балансами. Выбор зависит от местных обстоятельств, важным аспектом
является регулярное представление данных по энергоэффективности для соответствующего предприятия
или площадки в целом тем лицам, в ведении которых находится энергоэффективность, позволяя
своевременно принимать меры по ее оптимизации.
Как говорится, «невозможно улучшить то, что нельзя измерить».
В стремлении оптимизировать
энергоэффективность ИСУППЭ
является единственным самым важным
инструментом. Независимо от того,
будет ли это изучение вчерашних
эксплуатационных характеристик,
выделение перспективной задачи или
глубокий анализ массивов данных
за истекший период, концепция
предоставления надежных и
последовательных энергетических
данных остается неизменной частью
любой фундаментальной (капитальной)
инициативы по оптимизации.
Учитывая разнородный характер
энергетических задач на площадке,
ИСУППЭ позволяет объединить
показатели энергоэффективности в
непротиворечивую и удобоваримую
форму.
Функции ИСУППЭ включают хранение данных в удобном для применения формате, расчет
эффективных целевых показателей расхода энергии, сравнение фактического энергопотребления
с целевыми показателями. Элементы включают датчики, счетчики электроэнергии, аппаратные
средства и программное обеспечение (которые уже могут использоваться как системы мониторинга
технологического процесса и финансово-экономической деятельности). Обязательными аспектами
поддержки являются вовлеченность руководства, распределение ответственности, разработка процедур,
проведение обучение, выделение ресурсов и регулярное проведение аудитов.
Руководство Emerson по энергоэффективности
12
©2013 Emerson. Все права защищены.
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
5.1
Цели
Данные по энергоэффективности востребованы рядом пользователей, использующих их в различных
целях, оперирующих в различных областях ответственности и различными временными шкалами.
Зачастую существует множество различных взаимозависимостей и методологий, которые могут повлиять
на энергетические расчеты (например, сопоставление теплового эквивалента газообразного топлива,
методы определения ключевых показателей эффективности (KPI)).
Целью ИСУППЭ является создание стандартной структуры предоставления данных, которая может
служить основой для анализа и принятия решений пользователями СУППЭ. Она должна включать в себя:
• Единую базу данных площадки
• Общие согласованные расчеты, модели и корреляции
• Гибкую, ориентированную на пользователя систему отчетности
• Согласованную иерархию KPI
• Простой доступ к записям за истекший период.
Это значит, что независимо от того является ли пользователь инженером ТО, изучающим данные
по загрязнению оборудования за истекший период, оператором, поддерживающим эффективный
эксплуатационный режим, или руководителем площадки, анализирующим годовые показатели
финансово-экономической деятельности, все пользователи работают с непротиворечивым набором
данных. Данные становятся общим энергетическим языком на площадке. Общими результатами являются:
• Раннее выявление плохих показателей
• Поддержка принятия решений
• Отчетность об эффективности эксплуатации
• Аудит эксплуатационных параметров за истекший период
• Определение и обоснование энергетических проектов
• Подтверждение успеха
• Поддержка финансового планирования для энергетических систем и управленческий учет
• Передача энергетических данных в другие системы.
5.2
Элементы ИСУППЭ
5.2.1 Конфигурация системы – аппаратные средства / программное обеспечение
Как правило, в настоящее время ядром ИСУППЭ является сервер архивных промышленных технологических
данных, который регулярно анализирует технологические данные от системы КИП (РСУ, SCADA). Он может
быть интегрированной частью РСУ. Для большинства энергетических переменных технологической установки
достаточно (сжатых) двухминутных данных. База данных может представлять собой виртуальную структуру – т.
е. быть срезом нескольких существующих баз данных. Однако важно, чтобы она была действительно общей для
всей площадки, тем самым позволяя получить энергетический баланс для всего объекта, упрощая подготовку KPI
и отчеты.
Интерфейс с другими системами поддержки производства, включая реляционные базы данных, например,
системы управления техническим обслуживанием, например, можно рассмотреть бухгалтерскую отчетность и
отчетность об эффективности деятельности компании в системе SAP.
©2013 Emerson. Все права защищены.
13
Руководство Emerson по энергоэффективности
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
Варианты отчетности. Опять-таки, в зависимости от предпочтений, это могут быть отчеты по соответствию
целевому назначению, выполненные с помощью стандартных инструментов Windows, например, Microsoft Excel
или сложное решение, задействующее более сложные пакеты графической отчетности, доступные в настоящее
время.
5.2.2 Структуры данных / KPI и принципы постановки целей
ИСУППЭ по существу является каскадной структурой постановки целей и составления отчетности для
энергетических данных и эксплуатационных переменных. ИСУППЭ начинается с эксплуатационных
показателей на высоком уровне в портфеле руководителя площадки, спускаясь в эксплуатационную
область и структуры, и заканчиваясь параметрами кратковременного контроля на уровне оператора
установки (например, условия эксплуатации бойлера / топки / сжигания в газовой турбине). На всех
уровнях необходимо определить частоту анализа эксплуатационных показателей (ключевых показателей
эффективности - KPI), а также соответствующих корректирующих мер (процессы СУППЭ). В поддержку
этого, инструменты, основанные на анализе данных предприятия (в реальном времени), необходимы для
получения своевременной и соответствующей информации.
Как правило, ИСУППЭ будет стараться группировать установки на площадке по их общим чертам,
например, общее питание энергосистемы, общие цели эксплуатации, общее эксплуатационное
управление для линейной ответственности и т. д. Обычно энергетический баланс создается на основе этих
установок, KPI определяются и рассчитываются в режиме онлайн. KPI должны включать: Энергетический
показатель на площадке, уровень на участке или установке, общие потери энергии на выбросах в дымовую
трубу, соотношение энергия / сырье и т. д.
Цель
Периодич-
ность анализа
Периодич-
ность расчетов
Периодич-
ность обновления цели
Инстру-
менты поддержки
Энергетический
показатель площадки
Ежемесячно
Ежедневно или
ежемесячно
Ежегодно с
ежемесячным
пересмотром
Модели на
жидком нефтяном
топливе,
бизнес-планы
Управление
участком
Совокупные данные
для установки +
энергосистемы общего
пользования
Ежемесячно
Ежемесячно
Ежемесячно
Ежемесячно
Управление
установкой
Энергетический
показатель
предприятия
Ежедневно
В реальном
времени
Ежемесячно с
еженедельным
пересмотром
Энергетические
инструменты,
технологические
карты
Эксплуатация
оборудования
Удельное потребление
энергии или потери
оборудования
В реальном
времени
В реальном
времени
По режиму
эксплуатации
Энергетические
инструменты,
технологические
карты
Площадка
Измерение энергии Ежедневные эксплуатационные
потоков, температур,
цели для ведущих факторов
давления
потребления энергии
Картина площадки формируется совокупностью энергетических балансов и KPI от отдельных установок,
через технологические участки до общей картины площадки. Важно применять этот общий подход,
поскольку он, в конечном счете, позволит получить последовательную углубленную детализацию данных:
дополнение к энергетической картине. Аналогично, важно повсеместно использовать последовательный
набор корреляций, допущений инженерных расчетов и экономических величин, таким образом,
стандартизируя принципы моделирования.
Руководство Emerson по энергоэффективности
14
©2013 Emerson. Все права защищены.
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
5.2.3
Переменные ведущих факторов потребления энергии
(Иногда называемые переменными, определяющими потребление энергии)
В то время как KPI являются наглядным рассчитанным выражением энергоэффективности, факторы,
определяющие потребление энергии, представляют собой технологические переменные, оказывающие
основное влияние на изменения и отклонения выбранных энергетических KPI. Следовательно, они
находятся в центре внимания наших попыток оптимизации KPI в соответствии с целевыми показателями.
KPI могут быть грубо классифицированы двумя категориями: Неизменяемые параметры и изменяемые
переменные, которыми можно манипулировать. Неизменяемыми являются те влиятельные переменные,
которые лежат за пределами контроля оператора. Например, температура окружающей среды,
качество сырья или цена продукции. Они влияют на расход энергии, но не могут быть изменены или
скорректированы в ходе эксплуатации. Изменяемыми переменными, с другой стороны, являются
переменные, которые могут быть изменены оператором для регулировки процесса эксплуатации.
Например, коэффициенты обратного потока, интенсивность повторного кипячения, расход в контурах
рециркуляции и соотношение воздух – топливо в топке. Мы используем термин «ведущий фактор» для
любой причинно обусловленной и контролируемой переменной, которая напрямую или косвенно влияет
на планируемое энергопотребление (а, следовательно, на KPI).
Аналитические инструменты (например, поиск
статистических данных) и/или опыт организации
F1
производства используется для определения
контролируемых и наиболее влиятельных ведущих
факторов для управления потерями энергии. Эти
F2
ведущие факторы необходимо проанализировать
Moдель
на предмет ограничений, например, технические
T
условия на продукцию, безопасность и рабочие
режимы оборудования. После чего будут
KPI
KPI = F (F 1,F 2,T,Q)
∆KPI = F’ (∆T)
Q
определены цели оптимального применения
энергии, учитывая другие иерархические влияния,
например, производственные потребности,
технические условия на продукцию и т. д.
Если это будет сочтено уместным, модели (технологические, статистические или гибридные методы по
типу «серого ящика», которые комбинируют неэмпирическое и статистическое моделирование) могут
быть созданы, связывая ведущие переменные и KPI, возможно, включая функцию убытков. Это позволит
выполнить более подробный анализ влияния стоимости несоответствия на KPI и может быть полезным для
углубленной детализации и структуризации вредных факторов.
Несмотря на то, что очевидно невозможно задать эксплуатационные цели для неизменяемых переменных,
важно понимать (и уметь моделировать) их влияние на энергопотребление, поскольку они будут играть
важную роль в анализе эксплуатационных характеристик (а возможно и в постановке целей, если будут
перенесены на более сложный уровень).
©2013 Emerson. Все права защищены.
15
Руководство Emerson по энергоэффективности
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
5.2.4 Использование точек энергетических потерь
Вероятно, наиболее распространенный KPI в промышленности представляет собой некоторого рода
показатель удельного энергопотребления, например, энергия / сырье. Это хорошо понятный, логически
рассчитываемый параметр, учитывающий одно из основных воздействий на расход энергии, –
пропускную способность.
Однако могут возникнуть проблемы с данным показателем, например, при нелинейном соотношении
энергия / сырье. В частности, при анализе эксплуатационных показателей установки и оборудования,
можно рассмотреть идею постановки целей для энергетических потерь. Безусловно, целью будет
сведение энергетических потерь к минимуму.
Возьмем в качестве примера простую
Qверх.конд.
ректификационную колонну. Энергия
подводится на подогрев сырья и повторное
кипячение. Энергия покидает колонну в виде
физического тепла в потоках продукции
и тепла, отводимого конденсатором
наверху колонны. Как правило, это тепло
теряется на низкосортных поглотителях
Qпроизв.1
энергии без возможности рекуперации
(атмосфера, охлаждающая вода и т. д.).
Qсырье
Условия эксплуатации колонны (температура,
давление, обратный поток и т. д.) определяют
цену энергии. Поэтому они являются ведущими
Qподогрев
факторами, которые влияют на KPI потерь.
Qповт.кип.
Для печей энергетическими потерями являются
потери энергии в атмосферу от трубы в отличие
от энергии, переносимой как физическое
Qпроизв. 2
тепло к продукту в змеевике.
Концепция потери энергии, будучи эксплуатационным показателем или KPI, является рассчитанной
потерей энергии установки, т.е. прямым измерением непроизводительного расхода энергии. В качестве
цели может быть поставлена нормальная приемлемая величина потери, модели могут быть построены
для взаимозависимости между потерями и условиями эксплуатации. Аналогично можно включить расчет
цены несоответствия.
В то время как точки потерь могут быть более сложными для расчета и визуализации в сравнении с
простым потреблением энергии, они сфокусированы на непроизводительно затраченной энергии, расход
энергии, безусловно, представляет собой сумму бесполезно и продуктивно затраченной энергии.
5.3
Работа с ИСУППЭ и пользовательскими интерфейсами
ИСУППЭ фактически является энергетическим ядром производственной площадки, и как таковое
Руководство Emerson по энергоэффективности
16
©2013 Emerson. Все права защищены.
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
будет иметь разнообразных пользователей и назначение. Они будут варьироваться от фиксированных
формальных многопользовательских отчетов до уникальных адаптированных в соответствии с
потребностями пользователя специализированных приложений.
• Ежегодные и ежемесячные отчеты по эксплуатационным характеристикам руководству
• Мониторинг ведущих факторов потребления энергии в режиме реального времени из
диспетчерской
• Приложения для технического проектирования для специалистов, зачастую интегрированные с
инструментами моделирования / оптимизации
• Специализированный анализ данных, поиск и устранение неисправностей
• Информационные сопряжения с другими ИТ-системами
5.4
Разработка ИСУППЭ
Ниже приведен общий набор рекомендаций по разработке ИСУППЭ. Объем может варьироваться
от простых отчетов о пригодности для целевого применения до крупных программных пакетов
для моделирования и графического представления данных, поэтому потребуется корректировка
окончательного плана.
Выполнение программы осуществляется в стандартном порядке реализации проекта, и она должна
идеально вписаться в общий порядок реализации системы управления производством и потреблением
энергии.
Техникоэкономическое
обоснование
Определение
ИСУППЭ
Постановка
целей и
определение
ведущих факторов
Реализация,
аппаратные
средства, инструменты и процедуры
Мероприятия
на этапе
обеспечения
стабильности
Ключевые мероприятия
Краткое технико-экономическое обоснование используется для определения основных задач,
возможностей и препятствий разработке ИСУППЭ и принятия решения о применимости данного решения
для площадки.
Стадия определения по существу является процессом проектирования. Целью является создание
подробного проекта, который полностью определяет ИСУППЭ с точки зрения структуры, технической
архитектуры, области применения, интерфейса, системы управления и т. д. и уникален для
рассматриваемой площадки. Площадка разделяется на участки ИСУППЭ, после чего определяются
энергетические балансы и KPI. Это позволит подготовить окончательную оценку стоимости проекта с
приемлемой погрешностью.
Стадия постановки целей и определения ведущих факторов включает рабочее проектирование и
кодирование ИСУППЭ перед заключительным этапом реализации и развертывания. По окончании
данной стадии, все расчеты выполнены и проверены, ведущие факторы, ограничения и KPI полностью
определены, графическое представление данных подготовлено, все готово для заключительного ввода в
эксплуатацию в действующей системе. Завершение этой стадии указывает на окончание разработки.
©2013 Emerson. Все права защищены.
17
Руководство Emerson по энергоэффективности
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
На заключительной стадии решаются задачи обучения, развертывания и применения готовой системы
и ее ввод в эксплуатацию. Для этого потребуется участие множества сторон и успех на данном этапе
неизбежно определить возможность долгосрочной успешной работы проекта. Возможно, целесообразно
будет попробовать применить методы управления изменениями для упрощения разработки и поддержки
процесса.
5.5
Ключевые мероприятия – Формирование системы
В оставшейся части раздела более подробно описан поэтапный подход к разработке ИСУППЭ.
5.5.1 Распределить технологические участки
Определение границ системы ИСУППЭ или технологических участков. Определение участка ИСУППЭ
зависит от нескольких факторов, общее назначение, общее оперативное управление, общее питание
энергосистемы и т. д. Как правило, группы установок объединяются в технологический участок по
признаку схожего функционального назначения. Подразделение площадки на логический набор участков
является первым шагом при проектировании любой ИСУППЭ. Вероятно, это будет зависеть от ограничений
обусловленных организационной структурой и отделами предприятия.
Для каждого участка ИСУППЭ необходимо определить следующие потоки, а также составить список
связанных с ними измерений (отметить тегами переменные). Целью является определение всех потоков,
выносящих энергию за пределы участка, соответствующих тегов, методов
оценки или расчета отсутствующих измерительных приборов и уравнений
Распределить
технологические участки
для определения их теплосодержания.
Необходимо перечислить все ключевые измерения вместе с типом
Разработать
энергетический баланс
измерительного прибора, диапазоном измерений, расчетной точностью,
известными проблемами. Указать отсутствующие измерительные приборы.
Сырье
Рассчитать точки потерь
Определить KPI
Необходимо учитывать все сырье, поступающее на участок ИСУППЭ.
Теплосодержание сырья (физическое и скрытое тепло) необходимо для
расчета энергетического баланса ИСУППЭ. Поэтому соответствующие
Определить ведущие факторы
онлайн-измерения (например, температуры) необходимы, если
теплосодержание сырья существенно изменяется.
Определить ограничения
Требования к измерительным приборам:
Соответствующие измерения расхода, температуры, давления и качества
Поставить цели
необходимы для определения массового расхода и теплосодержания.
Рассчитать возможности £££
Продукция
Помимо сырья, распределение продукции также определяет необходимую
энергию технологического процесса и соответствующие потери. Должны
Сформировать
графический вывод
быть учтены все потоки продукции, покидающие участок ИСУППЭ.
Потоками продукции в данном контексте имеются потоки в резервуары-
Развернуть ИСУППЭ
хранилища или на другие установки за пределами технологического
Руководство Emerson по энергоэффективности
18
©2013 Emerson. Все права защищены.
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
участка. Так же, как и сырье, продукция также имеет определенное энергосодержание, которое
необходимо учесть в ИСУППЭ. При изменении производственных условий требуются соответствующие
онлайн измерения.
Требования к измерительным приборам:
Соответствующие измерения расхода, температуры, давления и качества необходимы для определения
массового расхода и теплосодержания.
Классы энергии
Все типы энергетических потоков входящие или покидающие границы системы, подвергающиеся
влиянию в результате работы предприятия, называются классами энергии (CoE). Возможно, что CoE лишь
фактически пересекает границу системы, как в случае с местным топливом и собственным производством
энергии. Типовыми примерами CoE являются:
• Пар различного давления
• Оборотная вода
• Топливо (газообразное топливо, жидкое топливо, природный газ, кокс и т. д.)
• Электричество
• Питательная вода бойлера и конденсат
• Воздух (если имеет большое значение).
Все эти классы энергии необходимы для построения энергетического баланса участка и установки.
Требования к измерительным приборам:
•Пар и оборотная вода:
Расход, температура и давление (желательно расходомеры в паропроводах перегретого пара, чтобы
избежать конденсации в штуцерах для отбора давления)
•Газообразное топливо:
Расход (давление, температура и молекулярный вес могут потребоваться для компенсации плотности),
низшая теплотворная способность (НТС) или состав, или плотность используются при корреляции НТС.
•Жидкое топливо:
Расход, НТС или плотность, а также содержание серы используются при корреляции НТС.
•Электричество:
В общем, вся чистая импортируемая электроэнергия будет преобразована в тепло (за исключением
увеличения гидравлического напора для потоков продукции, покидающих участок ИСУППЭ под
давлением выше, чем давление подаваемого сырья). В зависимости от типа участка ИСУППЭ,
электричество может быть, а может и не быть важным источником энергии. Даже когда электричество
является важным источником, иногда доступны только суммирующие показатели за месяц. В таких случаях
может быть полезна корреляция между месячной нагрузкой участка или установки и средним месячным
энергопотреблением. Для целей ИСУППЭ это удельное энергопотребление вместе с онлайн данными
нагрузки может быть использовано вместо отсутствующих счетчиков электроэнергии.
Другим важным вопросом является тот факт, что установки, запитанные от распределительной
электрической сети, не обязательно соответствуют установкам внутри участка ИСУППЭ. Более того,
большинство применений не имеет возможностей существенной экономии электроэнергии.
©2013 Emerson. Все права защищены.
19
Руководство Emerson по энергоэффективности
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
Потому, приемлемых оценок потребления электроэнергии будет достаточно. Однако в применениях,
где снижение потребления электроэнергии позволит существенно сэкономить энергию (например,
применение частотно-регулируемых приводов), потребуются, как минимум, локальные счетчики
электроэнергии для точного мониторинга и поддержки экономии.
5.5.2 Энергетические балансы
Вышеупомянутая граница и анализ переменных позволят построить энергетический баланс для каждого
технологического участка. Это является ключевым этапом проектирования ИСУППЭ. Необходимо
убедиться, что все соответствующие потоки энергии определены и имеется достаточно точная
информация о них. Анализ тренда дисбаланса за достаточный период времени (например, 1 год) является
хорошим способом оценки точности.
Общий энергетический баланс площадки должен включать точки энергетических потерь, определенные
ниже (охлаждающая вода, окружающий воздух и т. д.). В то время как идеально закрытый энергетический
баланс не является обязательным требованием, желательно закрыть баланс, насколько это возможно,
точно. Точность закрытия зависит от доступности и качества измерений, качества оценки физических
свойств и от полноты определения переменной. Если потери энергии не могут быть количественно
выражены из-за недостатка измерений, по меньшей мере, сумма всех точек потери должна быть
рассчитана как разница поступающей и исходящей продуктивной энергии.
5.5.3 Определение точек энергетических потерь
Понимание мест потери энергии на установке и технологических параметров, определяющих эти потери,
дает нам возможность сведения этих потерь к минимуму. Наряду с энергетическим балансом установки /
участка, необходимо определить основные точки потери энергии для каждого участка. Типовыми точками
потерь являются:
• Топочные дымовые трубы
• Охладители воздуха
• Охладители воды
• Продувка / вентиляция
При выборе точек потери, необходимо определить абсолютный размер точки потери, возможность
/ невозможность повлиять на потери, относительный размер точки в контексте энергетического
баланса установки и общего количества точек потери. Как правило, нас интересуют точки потери >5%
энергетического баланса установки, однако, это не твердая цифра. Главным здесь является то, что
необходимо сосредоточиться на контролируемых точках потери, т. е. на тех, которые имеют регулируемые
ведущие факторы, а также демонстрирующие достаточную изменчивость, чтобы позволить установить
причинно-следственную связь.
Требования к измерительным приборам:
• Потери на дымовой трубе печи или бойлера:
Кислород в дымовой трубе и температура плюс тепло при сжигании или поглощаемое тепло, или тепло
при сжигании и поглощаемое тепло.
• Охладители воздуха:
Руководство Emerson по энергоэффективности
20
©2013 Emerson. Все права защищены.
Информационные подсистемы системы управления производством и потреблением энергии
Расход продукции плюс температуры на входе и выходе.
• Охладители воды:
Расход продукции или воды и соответствующие температуры на входе и выходе.
• Горячие потоки в холодное хранилище:
Соответствующие измерения расхода и температуры.
Важно понимать, что измерения не обязательно должны быть прямыми (хотя, определенно, данный
способ является предпочтительным). Например, измерение расхода может быть недоступно для
охлаждаемого потока. Однако может быть возможность рассчитать расход с помощью баланса масс, как
выше, так и ниже самой точки потери.
©2013 Emerson. Все права защищены.
21
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
6
Общие энергетические инструменты и методы
Составление полного перечня комплексных методов повышения энергоэффективности для всех отраслей
не является задачей настоящего документа, читателю следует обратиться к специализированной
литературе для его сектора, например, «Лучшие методы ЕС», которые подготавливаются специально для
каждого сектора (сталь, целлюлозно-бумажная отрасль, нефть, текстиль и т. д.).
Однако существуют некоторые общие передовые методы, которые широко применимы в химической
и перерабатывающей отраслях и используются в большинстве планов оптимизации использования
энергетических ресурсов. Они являются базовыми принятыми нормами и кратко рассмотрены здесь.
Подробные рекомендации по применению можно найти в множестве стандартных текстов и руководств.
6.1
Измерение энергетических потоков и управление ими
Точное измерение энергетических потоков и хорошее владение параметрами, влияющими на
энергетические характеристики, являются обязательными основополагающими условиями практически
для всех инициатив по оптимизации использования энергетических ресурсов. Действительно это,
вероятно, один из самых эффективных способов оптимизации энергоэффективности.
К сожалению, в прошлом, порой, измерением энергетических параметров часто
жертвовали на этапах проектирования предприятия из соображений экономии.
Аналогично, обеспечение измерений на агрегатных установках типа турбин отдавалось
на откуп продавцу и не было полностью интегрировано в систему КИП предприятия.
Для энергетического проекта, как правило, потребуются дополнительные КИП. В этом
отношении развитие беспроводных технологий для КИП за последние годы сделало
переоснащение точек измерений более экономичным. Местные датчики теперь можно
легко связать с диспетчерской / РСУ.
6.1.1 Материальный и энергетический баланс
Возможность обеспечить энергетический баланс рассматриваемой производственной
установки является основным элементом составления отчетности и анализа
энергетических данных. Это позволяет понять механизмы распределения
энергопотребления и потерь по установке и является отправной точкой для определения
возможностей оптимизации. При контроле в реальном времени это дает основу для
составления энергетических отчетов, расчета KPI и последующего выявления изменений
эксплуатационных характеристик. Высококачественное измерение параметров
энергетических потоков (т. е. энтальпии) является обязательным.
В некоторых случаях потери энергии, например, через воздухоохладитель, нет
возможности выполнить прямое измерение энергии, потерянной в атмосферу. В таких
случаях ее нужно будет рассчитать как разницу между энергетическими балансами рассматриваемого
оборудования.
Руководство Emerson по энергоэффективности
22
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
Рассмотрим четыре основных класса энергии:
6.1.1.1 Потоки сырья и продукции
Ключевым моментом является точное и комплексное измерение расхода для всего поступающего
и исходящего сырья и потоков продукции. При обеспечении энергетического баланса необходимо
проверить состояние калибровки расходомеров. При расчете энтальпий потоков для величин удельной
теплоты необходимо использовать соответствующую рабочую температуру. При больших изменениях
рабочих температур (различные режимы) можно рассмотреть применение температурной компенсации.
(Например, удельная теплота стандартного светлого нефтепродукта варьируется в пределах 0,625 –
0,675 ккал/кг•°C при увеличении температуры от 150 до 200°C). Таким образом, чрезвычайно важно
не пренебрегать подобными деталями. При измерении расхода газа может быть целесообразным
применение компенсации давления.
6.1.1.2 Пар
Ключевыми моментами при измерении пара являются правильная установка (чтобы избежать проблем
с конденсацией) и (если целесообразно) внесение соответствующих корректировок влияния изменений
температуры и давления. Существует множество контрольно-измерительных приборов, доступных для
пара (или воздушных потоков), однако, двумя преобладающими технологиями являются измерение
с помощью вихревых и дифференциальных расходомеров, использующих первичные элементы
(измерительные диафрагмы, трубки Пито, форсунки). Современный уровень развития технологии
дифференциального измерения расхода позволяет использовать многопеременные измерительные
преобразователи, которые могут измерять дифференциальное давление (объемный расход), статическое
давление и температуру с помощью одного измерительного прибора. Таким образом, КИП способен
рассчитать полностью компенсированный массовый расход пара, а также его энергосодержание.
При использовании расходомера перепада давления с измерительной рейкой Annubar (трубки Пито)
постоянная потеря давления ничтожно мала и стоимость установки значительно меньше, чем для
встроенных расходомеров (требуется только одно расходомерное сопло, привариваемое в месте
установки, и один вход в среду трубы).
6.1.1.3 Топливо
Наряду с очевидной необходимостью точного измерения расхода, для которого применимо большинство
предыдущих комментариев, важным фактором также является тепловой эквивалент теплотворной
способности топлива. Если топливо имеет однородный состав, например, закупаемое со стороны жидкое
топливо или природный газ, можно использовать постоянный коэффициент. Системы, использующие
©2013 Emerson. Все права защищены.
23
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
газообразное топливо собственного производства, с разнообразными
источниками топлива, более подвержены колебаниям теплового эквивалента.
В подобных случаях, онлайн-компенсация измерителем относительной
плотности газообразного топлива может значительно повысить точность.
В общем, для схожих типов газов теплотворная способность снижается с
ростом молекулярного веса. Также необходимо учитывать динамический
диапазон, особенно, при использовании квадратичных / дифференциальных
измерений расхода. Может быть целесообразным применение систем с
двухдиапазонными измерительными преобразователями.
6.1.1.4 Измерение электроэнергии
Большинство перерабатывающих предприятий управляют электроприводными активами из центра
управления двигателями (MCC) с помощью системных органов управления. Многие оборудованы
электросчетчиками, которые позволяют осуществлять мониторинг и регистрацию энергопотребления
соответствующего актива. Если счетчики не применяются, можно использовать временные электрические
измерительные преобразователи, крепящиеся зажимом, и датчики с фиксированным монтажом.
Существуют буквально сотни типов измерительных преобразователей и датчиков для измерения тока и
напряжения, таким образом, определяя электрическую мощность.
6.1.2 Управление технологическим процессом
Наряду со многими другими аспектами, качество, выработка или надежность, хороший контроль
являются обязательными предпосылками энергоэффективной эксплуатации. Способность надежно и
стабильно работать в режимах, близких к эксплуатационным ограничениям, чрезвычайно важна, так же,
как и способность сохранять контроль при смене режимов работы, связанных с изменениями внешних
факторов, таким образом, всегда возвращаясь к энергоэффективным показателям.
104
102
%
предела 100
Выгода
Технические условия или предел
98
96
94
Распределение
мгновенных значений
92
90
Плохое качество
регулирования
Оптимизированное
Средняя (уставка)
регулирование
приближается к пределу
Базовый сценарий Стабилизация
Использование
Проиллюстрирована концепция повышенной стабильности, позволяющая приблизиться к ограничениям:
повышенная стабильность позволяет переместить среднюю рабочую точку ближе к эксплуатационной
цели или ограничению, не выходя за пределы. Это позволяет снизить уровень отходов и эксплуатационных
затрат. Так, например, печь с хорошим управлением подачей воздуха для горения может безопасно
работать ближе к идеальной цели с низким содержанием кислорода в дымовых газах без риска опасного
субстехиометрического возгорания, таким образом, экономя топливо. Или ректификационная колонна
Руководство Emerson по энергоэффективности
24
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
может работать ближе к своему идеальному режиму повторного кипячения, и, тем не менее, по прежнему
производить продукцию в соответствии с ТУ без необходимости чрезмерного повторного кипячения или
повторного потока (больше энергии) для перестраховки.
Ниже приведены типовые общие методы управления, которые влияют на энергоэффективность:
6.1.2.1 Подстройка контроллера и базовый комплект.
Контуры управления базового уровня, как правило, ПД и ПИД контроллеры являются основными
средствами манипуляции предприятием, соответственно, необходима их надежная и постоянная работа.
Без них любые средства управления экономией высокого уровня работать не будут.
Периодически необходимо выполнять проверку всех контроллеров, простого наблюдаемого шагового
испытания уставок достаточно. В идеале мы говорим о том, что называется четверть-амплитудным
демпфированием в ответ на изменение уставки.
В противном случае, работа контроллера будет либо
слишком медленной, либо чрезмерно чувствительной.
a
b
Перенастройка контроллера – мероприятия, имеющие
хорошо задокументированную базу, хорошо известны
такие методы как Циглер – Николс (Ziegler-Nichols) и
a = заброс
b = недоход
Отклик на скачок для корректных настроек контроллера
Коэн-Коэн (Cohen-Coen), описание которых можно найти во множестве учебников и руководств. Пакеты
для подстройки, работающие на ПК, широкодоступны, однако, визуальное наблюдение с часами и
блокнотом может быть эффективным. Многие современные РСУ имеют пакеты автоподстройки. Они могут
быть очень полезны, хотя их применение в непрерывном фоновом режиме является спорным.
В то же время необходимо проверить работу клапанов и диапазон КИП – контроллеры, работающие
с клапанами, которые постоянно широко открыты или почти закрыты, не будут работать хорошо;
аналогично, приборы, которые работают в крайних пределах своего диапазона, не смогут обеспечить
непротиворечивые и точные измерения. Может потребоваться изменение диапазонов и механизмов
клапанов.
Наконец, для систем «ведущий-ведомый», ведущий контроллер всегда должен быть подстроен на более
медленное срабатывание, чем ведомый контроллер.
6.1.2.2 Регулирование по возмущению
Для большинства производственных процессов существует пропорциональная зависимость между
потреблением энергии и интенсивностью подачи, чем больше сырья перерабатывается, тем больше
энергии требуется. Конкретный характер отношений может быть нелинейным со значительными
фиксированными нагрузками, однако, общее предложение, как правило, является хорошей отправной
точкой.
Потому для предприятий, для которых характерны регулярные изменения интенсивности подачи,
опережающее регулирование играет важную роль в снижении энергопотребления.
©2013 Emerson. Все права защищены.
25
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
Это в особенности важно для конечных технологических потребителей энергии. В то время как для
многих установок комплекс энергосистем общего пользования является крупнейшим единственным
прямым потребителем энергии и находится, вполне справедливо, в центре внимания, также важно,
чтобы последующее потребление данной сгенерированной энергосистемой общего пользования
энергии технологическими потребителями было строго проконтролировано. Это фактическая энергия,
поступающая на производственный процесс.
По исполнению механизмы опережающего регулирования могут варьироваться от простой системы
соотношений до переменной возмущения, являющейся частью многоперменного модельного
контроллера. Необходимо учитывать динамику. Если измерение интенсивности подачи, используемое
для работы системы, физически значительно опережает технологический процесс, возможно будет
целесообразно включить некий член, компенсирующий динамику (как правило, запаздывание первого
порядка), чтобы не допустить «преждевременного» перемещения ведомого контура до того как
изменения расхода распространятся на технологический процесс. Несомненно, весь контур должен иметь
механизм обратной связи, позволяющий оператору регулировать качество продукции (например, изменяя
соотношение повторное кипячение / сырье в ректификационной колонне).
Другие, менее явные формы опережающего регулирования могут быть рассмотрены для упреждающего
устранения возмущений. Это включает применение контроллеров теплопроизводительности (в отличие
от контроллеров расхода) для систем нагрева (например, ребойлеров), которые компенсируют колебания
температуры теплоносителя. Или корректировки теплотворной способности газообразного топлива
или параметров пара. Все это позволяет более точно регулировать подвод тепла без расточительного
коэффициента превышения.
6.1.2.3 Средство управления преодолением ограничений
Преодоление ограничений указывает на то, что, зачастую, существуют дополнительные степени
свободы в работе установки, которые могут быть использованы для достижения целей вторичного
регулирования поверх базовой структуры управления. Это особенно важно с точки зрения энергии, когда
энергоэффективная работа предприятия является желаемым результатом, хотя и не обязательно за счет
снижения качества или безопасности.
90%
Оно также может быть использовано, если
VPC
первостепенной задачей является высокоскоростное
регулирующее управление, а более медленные
средства управления ограничениями
адаптируют работу для достижения большей
энергоэффективности, сохраняя первичную
управляемость. Типовым примером являются
PC
SP
контроллеры положения клапана, которые всегда
FC
полезны для работы в положении с низкими
FC
затратами энергии без потери точности управления.
Целью является работа с рассматриваемыми
клапанами со створом открытым приблизительно
*VPC – Контроллер положения клапана
PDC – Контроллер перепада давлений
на 90%. Три примера приведены в качестве
иллюстрации:
Руководство Emerson по энергоэффективности
26
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
Плавающее регулирование давления в ректификационной колонне. Хорошо известно, что в рамках
гидравлических ограничений ректификационные колонные требуют меньше энергии для достижения тех
же эксплуатационных характеристик при снижении давления. Однако постоянный стабильный контроль
давления в колонне желателен для обеспечения последовательного разделения продуктов. Самое низкое
давление, как правило, достигается, когда конденсатор сверху колонны работает в предельном режиме,
т е. выход контроллера давления, задающего параметры работы конденсатора, установлен на максимум.
Таким образом, к базовой конструкции можно добавить контроллер ограничений, которые манипулирует
уставкой контроллера давления таким образом, что его выход, в идеале, составляет 90%. Это контроллер
медленного действия, который выполняет небольшую постепенную регулировку для снижения уставки
контроллера давления, чтобы обеспечить постоянную стабильную базовую регулировку давления.
(Как правило, для системы потребуется компенсация температур по давлению и регулировка тепла,
затрачиваемого на повторное кипячение, чтобы обеспечить соответствие сдвигаемым ограничениям и
свести к минимуму подвод тепла).
Клапанные сети и частотно-регулируемые приводы. Эксплуатация регулирующей арматуры при
створе, открытом на 50% или менее, является неэкономичной, поскольку гидравлическая энергия
с насоса тратится непродуктивно при падании
высокого давления после клапана. Рассмотрим
FC
проиллюстрированную распределительную сеть.
V
Паровой компрессор питает несколько потребителей,
каждый из которых оборудован средствами
VPC
регулирования расхода. Определенно существует
FC
потенциал для большого динамического диапазона и
расширения рабочей области.
FC
Пар
Таким образом, снова предлагается использовать
контроллер положения клапана, который
FC
осуществляет контроль положения регулирующей
арматуры в сети, после чего медленно снижает
скорость турбины
таким образом, чтобы самый широко открытый клапан был открыт на 90%. Это отличный способ снизить
энергопотребление компрессора, сохраняя хорошую управляемость расходом.
Можно рассмотреть аналогичные примеры с использованием частотно-регулируемого привода на
электрических насосах или управление общей печью с горячими нефтепродуктами, питающими несколько
независимых потребителей.
Избирательное управление теплообменником. Аналогично могут быть доступны варианты
балансировки сетей теплообменников при изменениях относительных нагрузок и эксплуатационных
характеристик теплообменников при смене режимов. Рассмотрите проиллюстрированную ситуацию
технологического потока, охлаждаемого в технологическом теплообменнике (QP), нагревателя
©2013 Emerson. Все права защищены.
27
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
питательной воды котла (QBFW) и доохладителя охлаждающей воды (QCW). Высокоскоростная регулировка
температуры на выходе обеспечивается за счет манипуляции клапаном на QCW. Колебания расхода через
QP и QCW устраняются средством устранения перепадов давлений в группе теплообменников, которые
устанавливает балансирующий расход через QBFW.
TC
Pпрод
QP
CW
TC
Q CW
Горячий
Холодный
VPC
10%
PDC
*VPC – Контроллер положения клапана
PDC – Контроллер перепада давлений
BFW
Q BFW
Однако желательно обеспечить максимально возможную регенерацию тепла посредством QBFW.
Таким образом, контроллер положения клапана или контроллер ограничений анализирует сигнал,
передаваемый на клапан QCW, и регулирует уставку контроллера перепада давлений (PDC) таким образом,
чтобы свести поток через QCW к минимуму: при чрезмерном открытии QCW, уставка PDC будет снижена,
чтобы отвести поток через QBFW, который экономически более привлекателен.
Приведенные выше примеры представляют относительно простые варианты, которые могут быть созданы
на основе данной концепции. Относительная работа широкого спектра оборудования и технологических
процессов может, и будет непрерывно меняться, подобные методы очень полезны для поддержания
процесса в разумных, энергоэффективных пределах.
6.1.2.4 Управление на основе прогнозирующих моделей (MPC)
Вышеупомянутые методы построены с использованием традиционных элементов управления, которые
широкодоступны как в пневматическом управлении, одноконтурной электронике или РСУ. В основе лежит
ПИД контроллер.
Однако все упомянутые выше параметры могут быть объединены в один набор алгоритмов. За последние
25 лет управление на основе моделирование получило широкое распространение в перерабатывающей
промышленности.
Существует множество хорошо известных алгоритмов, продаваемых через различных поставщиков систем
и услуг по консультированию: PredictPro, DMC, SMOC, RMPTC и т. д., каждый из которых следует общим
базовым принципам.
Структура контроллера предусматривает набор контролируемых параметров (целевых показателей
предприятия, например, характеристик качества продукции) и набор регулируемых переменных
Руководство Emerson по энергоэффективности
28
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
(элементы управления предприятием – контроллеры расхода, клапанов и другие базовые контроллеры),
а также сопутствующие возмущения (т.е. опережающее регулирование) и переменные ограничений
(предельные значения). Динамические модели (как правило, 1-го или 2-го порядка) создаются для
переменных с помощью полностью прогнозируемого многопеременного способа. Для каждого цикла
управления подпрограмма линейной оптимизации рассчитывает оптимальный набор регулируемых
переменных сигналов, в соответствии с уставками контролируемых параметров и с учетом ограничений
и возмущений. Иногда также возможно включить функцию экономической задачи, которая может
приблизить предприятия к поставленной цели при наличии достаточных степеней свободы.
Первоначально подобные приложения имели меньший масштаб, скажем, контроллер 4x4 на одной
ректификационной колонне. В настоящее время были построены значительно более крупные размеры
матриц предприятия, вмещающие до 40x40 переменных или больше. Они играют очень полезную роль в
энергоэффективности, поскольку работа с многопеременными ограничениями расширяет возможности
реализации цели минимизации потребления энергии или соблюдения ограничений, чем традиционный
контроллер с обратной связью, использующий однопеременный ввод / вывод.
Подача топлива
Непрозрачность
Вытяжной вентилятор
Нагнетательный вентилятор
Поток пара
Выбросы
Кислород
Коллектор
Давление
Поток
пара
СУППЭ
Подогрев
котла
Ограничения
котла
Расчет
стоимости
топлива
Работа котла в управляющем режиме
Расход топлива
Логика расчета
выделения тепла
Регулировка
теплового
эквивалента
Котел
MPC
Оптимизатор расхода топлива
Ограничения
на топливо
Диапазон теплового
эквивалента
Ограничения на топливо
Кислород
Вытяжной вентилятор
Всего
Расход воздуха
Топливо 1
Ведущий
распределительный клапан
Воздух 1
Ведущий
распределительный клапан
Топливо 2
Ведущий
распределительный клапан
Воздух 2
Ведущий
распределительный клапан
Топливный
клапан
Воздушный шибер/
частотно-регулируемый привод
Топливный
клапан
Воздушный шибер/
частотно-регулируемый привод
Ограниченный спрос
от других топливных
ведущих распределительных
клапанов
Подобные контроллеры имеют очень большой успех при снижении затрат на энергию, в частности
для таким процессов как разгонка, где, как правило, достигается >5% экономия энергии (а также
повышение выработки и качества). Однако они требуют особых навыков для проектирования, внедрения
и поддержки. Возможно, лучше рассматривать его как часть более масштабного проекта повышения
качества или проекта оптимизации, а не чисто энергетического проекта.
©2013 Emerson. Все права защищены.
29
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
6.2
Энергосистемы общего пользования
Пар является, скорее всего, самым распространенным энергоносителем для производственных площадок
(другими являются оборотная вода и тепловое топливо). На большинстве площадок пар производится
в котлах при высоком давлении, затем спускается через компрессоры, насосы, турбогенераторы и
потребителей для генерирования электроэнергии и удовлетворения технологических нужд и потребности
насосных установок. Как правило, на площадках существует двух или трех уровневая паровая иерархия.
Две широкие области интереса определяют основные аспекты энергоэффективности:
• Эффективность генерирования – котельная
• Распределение и удовлетворение потребностей – паровая сеть.
6.2.1 Производство пара
Сжигание в котле будет рассматриваться в рамках общего рассмотрения процесса сжигания в разделе
6.3. Однако, принимая во внимание размер множества систем производства пара, обеспечение паром
множества установок по всей площадке, существует обширная область для оптимизации работы котлов,
в частности, в том, что касается водяных систем. Используются большие потоки циркулирующей энергии,
часто имеющие относительно низкие температуры. Вопросы, связанные с коррозией и качеством воды,
играют важную роль, таким образом, обеспечивая тонкий баланс при конфигурировании и эксплуатации
котлов.
6.2.1.1 Подогрев питательной воды котла
Питательная вода котла из деаэратора (BFW) возвращается в котел и, как правило, имеет температуру
приблизительно 105°C. Вода в котле (при повышенном давлении) будет иметь более высокую
температуру. В котел подается вода для восполнения потерь в системе и рециркуляции конденсата и
т. д. Регенерация тепла возможна подогревом питательной воды, таким образом, снижая потребность
парового котла в топливе.
Газообразное топливо
Экономайзер (1)
Котел
Деаэрированная
питательная вода
Паровая
турбина
Потребитель тепла
Острый пар
Конденсатор
Бак для
конденсата (3)
Емкость
питательной
воды (2)
Деаэрированная
питательная вода
Подогрев питательной
воды отработанным теплом
Руководство Emerson по энергоэффективности
30
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
Повторный нагрев выполняется несколькими способами:
•
Использование отработанного тепла (например, от технологического процесса): BFW можно
подогреть, используя доступное отработанное тепло. Это отличный способ регенерации
технологического тепла на низком уровне, например, от потоков перегонки продукции
•
Установка экономайзера (1) – т. е. использование тепла дымовых газов котла для подогрева BFW
Использование деаэрированной питательной воды: кроме того, конденсат можно подогреть
деаэрированной питательной водой до того как она попадет в резервуар с питательной водой (2). BFW из
приемника для конденсата (3) имеет температуру ниже, чем деаэрированная питательная вода из бака
для питательной воды. Проходя через теплообменник, деаэрированная питательная вода охлаждается
далее (тепло передается питательной воде из бака с конденсатом). В результате деаэрированная
питательная вода, подаваемая через насос питательной воды, холоднее, чем, когда она проходит через
экономайзер. Таким образом, ее эффективность повышается в связи с большей разницей в температурах и
снижает температуру дымового газа и потери энергии на дымовом газе. В общем, острый пар, поскольку
питательная вода в баке теплее, следовательно, для ее деаэрации требуется меньше острого пара
На практике, возможная экономия от подогрева питательной воды составляет несколько процентов от
производимого объема пара. Поэтому, даже для небольших котлов экономия энергии может составлять
порядка нескольких ГВт за год. Например, для 15 МВт котла экономия составит приблизительно 5 ГВт / год,
т. е. приблизительно 60 000 евро / год, также можно сократить выбросы CO2 на 1000 тонн / год. Дымовые
газы котла зачастую выбрасываются в дымовую трубу при температурах, более чем на 100 – 150°C
превышающих температуру выработанного пара. Как правило, эффективность котла можно повысить
на 1% при снижении температуры дымовых газов на каждые 20°C. Регенерация отработанного тепла
позволяет экономайзеру зачастую снизить потребности в топливе на 5 – 10%, таким образом, период
окупаемости составляет меньше 2 лет.
6.2.1.2 Работа деаэратора
Деаэрация защищает паровую систему от воздействия коррозионных газов, удаляя растворенные газы из
питательной воды котла. Это достигается снижением концентрации растворенного O2 и CO2 до уровня,
сводящего коррозионное воздействие к минимуму. Для предотвращения коррозии в большинстве котлов
высокого давления (>13,79 бар (изб)) требуется уровень растворенного кислорода порядка 5 частей
на миллиард (част/млрд) или ниже. В то время как концентрации O2 до 43 частей/млрд могут быть
допустимы в котлах низкого давления, срок службы оборудования можно продлить с небольшими
затратами или без оных, ограничив концентрацию кислорода 5 частей/млрд. Деаэратор по существу
полностью удаляет растворенный CO2.
Конструкция эффективной системы деаэрации зависит от объема удаляемых газов и необходимой
окончательной концентрации газа (O2). Это, в свою очередь, зависит от отношения подпитки BFW
возвращаемого конденсата и рабочего давления деаэратора. Неожиданный рост количества
неработающего пара или выпара может привести к броску давления в сосуде деаэратора, что повлечет
повторное насыщение питательной воды кислородом. Необходимо предусмотреть специализированный
клапан регулировки давления для поддержания постоянного давления в деаэраторе.
©2013 Emerson. Все права защищены.
31
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
Подача пара в деаэратор осуществляется для выполнения физической отгонки, целью которой является
удаление нежелательных газов, нагрев смеси возвращаемого конденсата и подпиточной питательной
воды котла до температуры насыщения. Поток пара может быть параллельным, перпендикулярным или
обратным потоку воду, проходя через воду, нагревая и перемешивая ее. Пар на выходе, охлажденный
поступающей водой, конденсируется в конденсаторе выпара. Неконденсирующие газы и некоторое
количество пара выбрасываются через вентиляционное отверстие. Большая часть пара конденсируется,
однако, небольшую долу (как правило, 5 –14%) необходимо стравить в соответствии с требованиями
к отгонке. Стандартной нормой проектирования является расчет пара, необходимого для нагрева, с
последующим подтверждением того, что потока достаточно также для выполнения отгонки. При высоком
проценте возврата (>80%) и давлении конденсата (относительно давления в деаэраторе), для подогрева
потребуется очень небольшое количество пара, можно также предусмотреть конденсацию избыточного
выпара. Оптимизация давления в деаэраторе и интенсивности стравливания является важным аспектом
энергосбережения.
Энергию пара отгонки можно регенерировать, сконденсировав этот пар и подав его через теплообменник,
находящийся на пути потока питательной воды, поступающей в деаэратор.
Требования к пару деаэратора необходимо пересмотреть после модернизации любой системы
распределения пара, возврата конденсата, или мер энергосбережения за счет регенерации тепла.
Можно установить устройства для непрерывного мониторинга концентрации растворенного кислорода,
чтобы помочь с выявлением методов работы, которые не обеспечивают удовлетворительного удаления
кислорода.
Примечание: деаэратор предназначен для удаления кислорода, растворенного в поступающей воде, а
не в унесенном воздухе. Источниками свободного воздуха являются неплотные соединения труб на всасе
насосов и неправильное уплотнение насосов.
6.2.1.3 Сведение продувки к минимуму
Сведение объема продувки котла к минимуму может значительно снизить энергетические потери,
поскольку температура продувки непосредственно связана с температурой пара, производимого котлом.
При испарении воды в котле, растворенные твердые вещества остаются в воде, что приводит к
увеличению концентрации растворенных твердых веществ в котле. Взвешенные твердые частицы
могут образовывать отложения, которые ухудшают передачу тепла. Растворенные твердые частицы
способствуют вспениванию и выносу воды из котла в пар. Для того чтобы снизить уровень взвешенных и
растворенных твердых частиц (ТСВ) до приемлемых пределов, используются две процедуры, каждая из
которых может выполняться как автоматически, так и вручную:
• Продувка парового котла из нижних барабанов и нижних точек коллекторов выполняется для
обеспечения хорошего теплообмена в котле. Как правило, эта процедуры выполняется вручную в
течение нескольких секунд каждые несколько часов
• Верхняя продувка или продувка для удаления плавающих загрязнений служат для удаления
растворенных твердых частиц, собирающихся рядом с поверхностью жидкости, часто этот процесс
является непрерывным
• Продувка солевых отложений в дренажную систему приводит к дальнейшим потерям,
Руководство Emerson по энергоэффективности
32
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
составляющим от одного до трех процентов используемого пара. Дополнительные затраты
могут быть связаны с охлаждением осадка после продувки до температуры, предписанной
регламентирующими органами. Объем потерь энергии при продувке растет при повышении
давления в котле
• Есть несколько вариантов, позволяющих снизить необходимый объем продувки:
• Утилизация конденсата. Конденсат уже очищен, следовательно, не содержит примесей,
скапливающихся в котле. Если удастся использовать половину конденсата, продувку можно будет
сократить на 50%
• Очистка воды. В зависимости от качества питательной воды, могут потребоваться умягчители воды,
обезуглероживание и деминерализация. Объем продувки связан с уровнем элемента,
содержащегося или добавляемого в питательную воду, имеющего максимальную концентрацию.
В случае прямой подачи воды в котел, необходимый объем продувки составляет 7 – 8%; его можно
снизить до 3% или менее при подогреве воды
• Также можно рассмотреть установку автоматизированных систем управления продувкой, контроль,
как правило, осуществляется путем мониторинга проводимости. Объем продувки регулируется по
элементу с наибольшей концентрацией, при известной максимальной концентрации в котле
• Выпаривание продувки при среднем или низком давлении является еще одним способом регенерации энергосодержания продувки. Это решение может быть более удобным, чем обмен
теплом продувки через теплообменник.
Дегазация давления, вызванная испарением, также приводит к дальнейшим потерям от 1 до 3%. В
процессе происходит удаление CO2 и O2 из пресной воды. Этот параметр можно минимизировать
оптимизацией интенсивности стравливания из деаэратора. При снижении частоты продувки также удастся
уменьшить количество сточных вод.
6.2.1.4
Сбор конденсата и регенерация тепла
При подаче тепла на технологический процесс через паровой теплообменник пар отдает энергию в
виде скрытого тепла, конденсируясь в горячую воду. Которая либо сливается, либо возвращается в котел.
Повторное использование конденсата имеет четыре цели:
• Повторное использование энергии, содержащейся в горячем конденсате
• Экономия затрат на (сырую) доливаемую воду
• Экономия затрат на очистку воды котла
• Экономия затрат на утилизацию сточных вод
Сбор конденсата осуществляется при атмосферном давлении и вакууме. Конденсат может образовываться
из пара в приспособлениях при значительно более высоком давлении. При возврате конденсата к
атмосферному давлению происходит самопроизвольное образование выпара. Энергию выпара также
можно регенерировать. Для вакуумных систем необходима деаэрация.
Метод не применим в случаях, когда утилизируемый конденсат загрязнен или, если конденсат невозможно
утилизировать из-за нагнетания пара в процесс.
Для новых проектов рекомендуется разделять конденсат на потоки потенциально загрязненного и чистого
конденсата. Чистым является конденсат, поступающий от источников, которые, в принципе, никогда не
загрязняются (например, ребойлеры, где давление пара выше давления технологического процесса, таким
образом, в случае утечек в трубках, пар попадает в технологический процесс). Потенциально загрязненным
является конденсат, который может быть загрязнен в случае происшествия (например, разрыв трубки
©2013 Emerson. Все права защищены.
33
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
в рейболерах, где давление со стороны технологического процесса выше давления со стороны пара).
Чистый конденсат можно утилизировать без дальнейших предосторожностей. Потенциально загрязненный
конденсат можно утилизировать, однако, потребуются процедуры по разделению в случае загрязнения,
которое выявляется онлайн-мониторингом, например, измерительным прибором, измеряющим общее
содержание органического углерода (TOC).
Утилизация конденсата дает значительные преимущества, ее возможность необходимо рассмотреть для всех
областей применения. Особенную эффективность продемонстрировал пинч-анализ (см. 10.5) для водяных
систем.
6.2.2 Паровые сети и оптимизация распределения
Успешная эффективная эксплуатация паровой сети площадки может быть сложной задачей и может
представлять значительные возможности, как для потери, так и приобретения ценной энергии при
попытке сбалансировать предложение и спрос. Как правило, производственная площадка может
иметь 2 или 3 уровня паровых сетей с различным давлением, набор котлов, турбогенераторов и
спусков в дополнение к технологическим потребителям. Некоторые турбины могут быть полностью
конденсационными, некоторые могут быть турбинами с противодавлением. Весьма вероятно, что
сеть с течением времени вырастет, в какой-то момент будет добавлено новое оборудование для
снятия существующего ограничения. Изменение обстоятельств приведет к появлению нового набора
ограничений. Могут быть доступны различные варианты топлива: газообразное, жидкое, отработанный
газ. Более динамические аспекты могут включать зависящие от времени тарифы на топливо и
электричество (пиковые / внепиковые).
Подобный сценарий, зачастую, может привести к ситуации, когда один уровень пара ограничен,
а на другом наблюдается избыток. Возможна динамическая балансировка этого отношения путем
регулирования и оптимизации, для этого могут потребоваться некоторые структурные изменения,
позволяющие сбалансировать систему.
Импорт
топлива
Газовая
система
Импорт / экспорт мощности
Энергосистема
общего пользования
Вода
Водяная
система
Топливо
Процесс
A
Сырье Побочный
продукт
Сырье
Процесс
B
Процесс
C
Процесс
D
Продукция
Побочный Сырье
продукт
Продукция
Производственная
система
Руководство Emerson по энергоэффективности
34
Продукция
Сточные
воды
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
6.2.2.1 Оптимизация энергосистем общего пользования
Для любой системы, имеющей степени гибкости (например, альтернативные варианты генерирования
электроэнергии, варьирующаяся эффективность оборудования, профили нагрузки), программный пакет
по оптимизации энергосистем общего пользования может оказаться очень полезным. Это может быть
автономный пакет, запущенный в режиме имитации, или полностью замкнутый оптимизатор, работающий
в режиме реального времени, задающий уставки контроллеров базового уровня в системе.
Как правило, модель создается
на основе ключевых элементов
энергосистемы общего пользования:
турбин, котлов, спусков и станция
пароохладителей. Модель будет
адаптирована под текущие условия
эксплуатации и требования
технологических энергосистем
общего пользования, являя собой
базовый вариант или модель
«как есть». После этого модель
будет запущена вместе с пакетом
математической оптимизации,
который скорректирует
адаптированную модель (в виде
новых потоков, распределения между турбинами, потоков спуска и т. д.), для сведения к минимуму
функции затрат, т. е. оптимизации затрат, связанных с обеспечением необходимого на тот момент
энергопотребления технологической энергосистемы общего пользования. Таким образом, при изменении
технологической потребности, цен на топливо / электричество или характеристик оборудования
(загрязнение), возникает потребность в поиске более экономичного решения. Пакеты с более
расширенными функциями способны выполнять оптимизацию с выделенными отдельными этапами,
например, изменения приводов насосов (пар - электричество) и прочие поэтапные изменения.
6.2.2.2 Структурные изменения – подмешивание пара
Значительная структурная разбалансировка паровых систем не всегда может быть компенсирована
управлением в реальном времени, дисбаланс может
быть попросту слишком велик. В этом случае, площадке
Принципы работы
Движущий пар (PI)
необходимо обратиться к изменениям конфигурации
термокомпрессоров
Энергетические характеристики:
аппаратных средств и оборудования, чтобы приблизить
E=PI/PO, температурный коэффициент расширения
систему к состоянию равновесия.
K= P/PO коэффициент сжатия*
Многие примеры являются очевидными, смена
Проект:
паровых и электрических приводов, добавление
E=18 бар абс./4,5 бар абс.=4
котлоагрегата, смена мест конденсационных турбин /
K=8 бар абс./4,5 бар абс.=1,8
Всасывание
(PO)
турбин с противодавлением и т. д. Применение паровых
термокомпрессоров для смешивания двух уровней пара
для получения промежуточного уровня (вместо того,
©2013 Emerson. Все права защищены.
35
Разгрузка (P)
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
чтобы спускать весь пар с уровня более
Характеристики термокомпрессора
высокого давления) является методом,
заслуживающим большего внимания.
Подумайте о применении
технологического пара, например,
подача пара ребойлера в колонну. Для
E=2
E=4
E=50
MPS/LPS=3/1
Удельный
расход пара
K=1,8
технологического процесса требуется пар
давлением 8 бар (абс.) для достижения
K=P/PO, коэффициент сжатия
необходимой температуры насыщения.
Уровни давления пара на площадке
составляют 18 бар (абс.) и 4,5 бар (абс.), таким образом, обычно пар берется из системы 18 бар (абс.) и
спускается до 8 бар (абс.) через стандартный регулировочный клапан пара ребойлера. Количество пара в
системе 18 бар (абс.) ограничено, а в системе 4,5 бар (абс.) пара с избытком (распространенное явление).
Однако смешивая вместе пар давлением 18 и 4,5 бар (абс.) в термокомпрессоре, можно получить
необходимый пар 8 бар (абс.), затратив меньше (дорогого) дефицитного пара 18 бар (абс.), дополняя его
имеющимся в избытке (дешевым) паром 5 бар (абс.). В приведенной ситуации приблизительно одна треть
общего массового расхода пара, ранее отбираемого у системы 18 бар (абс.) теперь подается из системы
4,5 бар (абс.).
6.3
Сжигание топлива
Возможно, на большинстве предприятий перерабатывающей промышленности оборудование с огневым
подводом теплоты является самым большим источником преобразования энергии. Независимо от того,
является ли оборудование с огневым подводом теплоты технологическими печами или компонентом
котельной и комплекса энергосистем общего пользования, генерирующего пар и электричество для
последующего применения на предприятии, эффективная эксплуатация и управление оборудованием
с огневым подводом теплоты играет важную роль в обеспечении энергоэффективности. Всегда
существует множество аспектов, на которые нужно обратить внимание. Тогда как настоящее руководство
пользователя не содержит подробных инструкций по теплотехнике, приведенные ниже темы могут
служить напоминанием об общих приоритетах, которые нужно учитывать в процессе энергоэффективной
эксплуатации. В ходе эксплуатации печи могут произойти сбои. Это может быть обусловлено многими
причинами, например, установленным оборудованием, производственными процедурами, управлением,
настройкой, техническим обслуживанием. Все эти причины оказывают прямое и взаимно обусловленное
воздействие на энергоэффективность печей. Хотя печи являются потенциально опасным оборудованием,
тем не менее, они имеют высокий потенциал для энергосбережения. Таким образом, требуется внимание
и осмотрительность для обеспечения эффективной, но безопасной эксплуатации.
6.3.1 Установленное оборудование
Замена/изменение конструкции печей влечет за собой большие капитальные затраты и сопряжено с
трудностями. Тем не менее, в случае с большой технологической печью или котлом, сжигающим десятки
или сотни тонн топлива в день, относительно небольшое повышение энергоэффективности может
обеспечить значительную экономию топлива.
Руководство Emerson по энергоэффективности
36
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
6.3.1.1 Переход с печей с естественной тягой к печам с принудительной тягой
Хотя большинство больших печей, установленных в последние годы, являются современными печами с
принудительной тягой, все еще эксплуатируются более старые печи с естественной тягой. Вероятно, они
были установлены в прошлом, либо в регионах, где цены на энергоносители были ниже или входили в
стоимость агрегатных установок. Сочетание относительно высокого содержания кислорода в дымовой
трубе и традиционно низкой регенерации тепла из печных газов означает, что энергоэффективность печей
(примерно 50-60%) является типовой. Таким образом, можно увеличить энергоэффективность печи еще на
25%, что обеспечит значительную экономию топлива.
6.3.1.2 Оптимизация подогрева воздуха для горения
Одним из самых эффективных способов повышения энергоэффективности печи является регенерация
тепла топочных газов и его использование для подогрева воздуха для горения. Практическое правило –
уменьшение температуры в дымовой трубе на 20°C приведет к повышению энергоэффективности печи на
1%. Поэтому возникает два вопроса: Предусмотрен ли эффективный подогреватель воздуха, и проводится ли
его надлежащее обслуживание (например, очистка), чтобы поддерживать максимальную передачу тепла.
Существует несколько методов регенерации
Кривые энергоэффективности печи
тепла топочных газов и подогрева
(с учетом 5% потерь при тепловом излучении)
воздуха. В конечном выборе правильного
Энергоэффективность печи
метода большую роль играют логические
умозаключения (доступное пространство,
падение давления). Возможен прямой
теплообмен или непрямой теплообмен
за счет подачи воды под давлением
(жидкостный подогреватель воздуха).
Устаревшее оборудование, например,
хорошо известные подогреватели воздуха
100
1% O 2
3% O 2
5% O 2
10% O 2
90
80
70
60
50
100
Лангстрома, в которых применяются
200
300
400
500
600
700
Температура в дымовой трубе, ºС
поворотные пластины, не столь популярны в
наше время, и их техническое обслуживание
очень трудоемкое. Модернизация подогревателя воздуха является очень привлекательным проектом.
При выборе подогревателя большую роль играют тип топлива и вопросы загрязнения. Большинство типов
подогревателей имеют как достоинства, так и недостатки. Основное ограничение для эксплуатации – это
медленное охлаждение топочных газов. В зависимости от типа топлива температура обычно равна 150°C,
поскольку при более низкой температуре в топочном ходе может происходить коррозия при температуре
точки росы. (Предприятия, сжигающие газообразное топливо собственного производства, должны
учитывать все возможные опасности. Газы часто содержат побочные продукты, отсутствующие в обычном
природном газе, и при горении выделяющие вредные продукты горения, например, сажу.)
Разумеется, к прочим методам регенерации тепла топочных газов относятся котлы-утилизаторы и прочие
технологические механизмы или механизмы регенерации тепла.
Требуется регулярная очистка конвективных трубных пучков и подогревателей воздуха, как ежедневно
(продувка сажи), так периодически специальными методами (химическая очистка, звуковая очистка,
струйная очистка, и т.д).
©2013 Emerson. Все права защищены.
37
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
Объем сжигаемых веществ,
частей на миллион (CO+H2)
6.3.1.3 Модернизация горелок – низкое содержание NOx и динамический диапазон
Следует учитывать типы установленных горелок. Традиционные форсунки, работающие на жидком
топливе, имеют ограниченный диапазон (3:1) и,
Газ
1000
зачастую, малую эффективность при попадании
Нефть
Уголь
твердых частиц. Эти факторы ограничивают рабочие
800
диапазоны, особенно после достижения предела
дымообразования. Переход с жидкого топлива на
600
природный газ, установка паровых форсунок или более
современной конструкции позволит приблизиться к
400
нормам энергоэффективности. При этом нужно уделить
внимание системам управления, то есть обеспечить их
Диапазон оптимальной
200
качество и безопасность, чтобы можно было безопасно
энергоэффективности
работать с ними в указанных регионах. Подобным
0
образом, если выбросы NOx являются ограничением, то
0
1,2
2,4
3,6
4,8
современные горелки с низким уровнем выбросов NOx
Процентное содержание O
гарантируют более эффективную работу печей.
6,0
2
6.3.2 Управление печами
Жесткий контроль систем, работающих на топливе и воздухе для горения, необходим для безопасной
и энергоэффективной работы печей. Соотношение топлива и воздуха для горения и состава топочных
газов хорошо известно. Поскольку объем воздуха для горения уменьшается относительно потока
топлива, энергоэффективность печи возрастает, так как меньший объем воздуха должен быть нагрет для
сжигания в смеси с топливом. Тем не менее, момент начала неполного сгорания – это предел повышения
энергоэффективности. Помимо этого, частично сгоревшее топливо приводит к росту содержания CO в
топочных газах, поэтому эксплуатация становится неэффективной, что значительно увеличивает риск
взрыва печи из-за несгоревшего топлива в печной камере или конвективных трубных пучках.
Момент, когда это происходит, зависит от многих факторов: тип топлива и его состав, качество распыления
топлива в форсунке, настройки заслонки, плотность воздуха и его влажность. Многие из факторов
меняются с течением времени. Возможны нарушения процессов. Таким образом, высококачественные
измерения и контроль систем, работающих на топливе и воздухе для горения, являются определяющими
для эффективной работы печи.
6.3.2.1 Измерение объема воздуха и топлива
Точное измерение потоков воздуха и топлива имеет очень большое значение. Более подробная
информация по технологии измерений представлена в разделе 6.1.1. Основные аспекты измерений
параметров в печи:
• Качественные устройства для измерения характеристик воздуха. Как правило, трубки Вентури.
Важно, что можно избежать конденсации в отводах измерительных приборов.
• Динамический диапазон
• Какова теплотворная способность топлива: фиксированная, компенсированная, расчетная?
Руководство Emerson по энергоэффективности
38
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
6.3.2.2 Регулировка соотношения «воздух-топливо»
Основа эффективной эксплуатации печи – регулировка соотношения «воздух-топливо», которое можно
автоматически изменять в замкнутом контуре с учетом содержания кислорода в дымовой трубе.
Существует несколько вариантов, касающихся данного аспекта, и по одной этой теме можно написать
целое руководство. К возможным решениям относятся:
• Механическая связь между воздушной заслонкой и топливным клапаном (встречается все реже, и,
как правило, в небольших комплектных системах)
• Прямое регулирование процентного содержания: больше топлива или больше воздуха
• Системы перекрестных ограничений, ограничивающие допустимые изменения в расходе топлива в
зависимости от фактического измеренного отношения «воздух-топливо» (наблюдается при
медленном срабатывании воздушной заслонки, которое ограничивает быстроту реакции печи/котла).
• Системы регулирования содержания O2 закрытого контура с ограничительным регулированием
содержания CO
• Общий стехиометрический контроль, основанный на стехиометрическом обратном расчете
подвода тепла. Контроль особенно эффективен при высоком неизмеренном объеме сжигаемого
отходящего газа.
Отсутствует единственно правильное решение, и как всегда нужно искать компромисс между сложностью
и преимуществами. При выборе соответствующего решения нужно учитывать несколько факторов:
• Степень и скорость изменения динамического диапазона, а также универсальность нагрузки
(например, базовая нагрузка относительно равномерного распределения нагрузки).
• Тип топлива и изменение его состава
• Объем и изменение интенсивности сжигания отходящего газа (при его наличии)
• Наличие измерительных приборов/анализаторов для выполнения технического обслуживания
и технической поддержки.
6.3.2.3 Сжигание отходящего газа
Горючие отходящие газы, являющиеся побочными продуктами, характерны для многих производственных
предприятий. Как правило, легкие газы выделяются при каталитической реакции или дистилляции
побочных продуктов. Можно рассмотреть две широкие категории.
Газы с соответствующим давлением и составом (например, минимальный объем инертных газов,
отсутствие кислорода), как правило, улавливаются в газовой системе и сжигаются контролируемым
способом в качестве топлива в печах и котлах. Для полностью универсального использования топлива
систему заправляют пропаном или бутаном. Это топливо является традиционным топливом и используется
в системах, работающих на смеси «воздух-топливо». Для учета изменений в теплотворной способности
может применяться компенсация плотности.
Другие газы можно использовать в процессе регенерации тепла из газообразного топлива, например,
газ, полученный при очень низком давлении. Газы в системе газообразного топлива могут быть
загрязнены определенным объемом побочных соединений. Как правило, такие потоки газа направлялись
на факельное сжигание или поступали по трубам в местную печь для сжигания. Но с точки зрения
энергоэффективности потоки газа очень важны, и их следует должным образом принимать в расчет.
©2013 Emerson. Все права защищены.
39
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
Необходимо учитывать два основных аспекта: регенерация продуктивной энергии из отходящего газа
и воздействие «агрессивного» потока отходящего газа на управляемость расходом (следовательно, на
энергоэффективность) в печи.
Небольшой объем отходящего газа (с теплотворной способностью, равной примерно 5-10% от
производительности печи) можно просто подавать по трубам в печь для сжигания. Достаточно
предусмотреть вытяжную трубу или горелку с ответвительным патрубком для сжигания отходящего
газа. Функция защиты в печи, реализованная на основе измерительных приборов, позволит изолировать
отходящий газ. Колебания расхода и теплотворной способности потока газа будут относительно малы по
сравнению с общей производительностью печи. Данные колебания будут эффективно компенсированы за
счет рециркуляции кислорода. В данной ситуации эффективным может быть простое измерение расхода
в сочетании с вычислением суммарного объема топлива.
Но помимо этого относительное воздействие отходящего газа гораздо выше и предполагает возможную
значительную экономию топлива и сложности при контроле. Более совершенные устройства, например,
котел Emerson SmartProcess, были разработаны для сжигания больших объемов отходящего газа или
альтернативных видов топлива (например, топлива из биомассы).
В данном случае объем воздуха для горения непрерывно вычисляется на основе измерений содержания
избыточного кислорода в топочном газе. Объем воздуха для сжигания газообразного топлива вычисляется
с учетом объема воздуха, применяемого во время сжигания вспомогательного топлива. После этого
полученное значение вычитается из общего значения. С учетом расчетов воздуха теплотворная
способность альтернативных видов топлива непрерывно определяется методом вычисления горения
стехиометрического топлива и теплотворной способности топлива. Полученные результаты применяются
для составления пропорции подачи топлива и других уставок, что позволяет непрерывно компенсировать
колебания характеристик топлива. Первичные/вторичные воздушные коэффициенты или отношения
недожога/пережога воздуха автоматически контролируются относительно уставок, основанных на
нагрузке, характеристических кривых, уставке избыточного кислорода и расчетах качества отходящего
газообразного топлива. В оборудовании подачи альтернативных видов топлива предусмотрена уставка,
основанная на расчетах нагрузки и качества топлива.
6.3.3 Эксплуатация печей – обучение и профессиональные знания
Тридцать или сорок лет назад обязанности оператора сильно отличались от современных обязанностей.
Количество персонала было очень большим, многозадачность наблюдалась в гораздо меньшем масштабе,
здания диспетчерских пунктов были разбросаны по территории (в отличие от современных полностью
автоматических и централизованных диспетчерских). Часто существовало разделение на «внутренних»
и «внешних» операторов. В результате, операторам часто отводились четкие и долговременные роли –
оператор насосной станции, обслуживающий персонал коллектора сточных вод, и, что касается печей,
«истопники», занятые полный рабочий день у печей или котлов. Эти лица развили в себе глубокие
практические навыки в данных областях, особенно квалифицированными были операторы печей.
Эксплуатация печей – это одна из немногих задач в перерабатывающей промышленности, требующих
прямого физического взаимодействия с технологическим процессом. Для контроля качества сжигания
топлива, за данным процессом нужно наблюдать в смотровые трубки, и при необходимости регулировать
Руководство Emerson по энергоэффективности
40
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
работу горелок и заслонок. Это актуально и в наши дни. И по-прежнему это очень важный вид
деятельности. Но при переходе к принципу многозадачности и централизованным и универсальным
рабочим функциям некоторые из прежних навыков были утрачены. В настоящее время компании
осознают необходимость обучения операторов рабочим методам сжигания топлива. Обучение входит во
многие программы обеспечения энергоэффективности.
Печи являются динамическим оборудованием. Загрязнение во время сжигания топлива, переменные
нагрузки, типы топлива и внешние условия, а также воздействие высокой рабочей температуры на
машинное оборудование – все это нарушает стабильную работу. В результате, для эксплуатации печей
нужно четко определить объем ежедневных обязанностей. Эти теоретические аспекты подкрепляются
практическим обучением. Упор нужно сделать на методах эксплуатации. Следует определить действия
оператора для устранения неполадок и обеспечения надежной работы печей. В программу обучения
нужно включить следующие моменты:
• Оценка тяги – естественная тяга и принудительная тяга – регулировка и корректирующие действия
• Конфигурации для сжигания топлива – асимметрия
• Формы факела пламени и их воздействие
• Регулировка работы заслонок
• Отражение пламени
• Безопасный запуск
• Замена горелок
• Выявление утечек
• Процедуры продувки сажи и дробеструйной очистки
• Контроль пара для распыливания
• Ежедневное текущее техническое обслуживание и проверки
Рекомендуется привлекать специалистов по эксплуатации печей для двойного контроля печей (т.е.
проверки физического состояния, а также печей и горелок), а также проведения практического курса
обучения операторов. Очень важно связать оценку характеристик печи (почти наверняка такая оценка
будет выполнена) с практическими методами эксплуатации.
6.3.4 Техническое обслуживание оборудования с огневым подводом теплоты
Оборудование с огневым подводом теплоты должно быть занесено в Реестр критического оборудования
энергосистем. Очевидно, что такое оборудование потребляет большую часть энергии на предприятии,
поэтому выполненное с нарушением правил техническое обслуживание может привести к неправильной
работе или даже возникновению опасных условий эксплуатации.
Прежде всего, следует определить основные операции технического обслуживания, указать интервалы
между осмотрами и обслуживанием, и включить соответствующие операции в систему управления
техническим обслуживанием:
• Обслуживание оборудования для продувки сажи/дробеструйной очистки
• Периодическая очистка конвективных трубных пучков и подогревателя воздуха
• Регулярные минимальные проверки в ходе остановов и испытание системы безопасности
(испытание детектора погасания пламени)
©2013 Emerson. Все права защищены.
41
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
• Техническое состояние горелок (наконечники и заглушки)
• Топливная система – тепловая изоляция и контроль подачи пара
• Проверки контрольно-измерительных приборов (например, датчиков контроля нуля)
• Обслуживание анализатора дымовой трубы (контроль содержания O2, CO, определение
плотности дыма)
• Эксплуатация воздушных заслонок
• Осмотр и контроль нагнетательных вентиляторов
• Эксплуатация и смазка воздушных заслонок горелок
• Контроль утечек и ремонт кожуха печей
• Состояние футеровки печи – включая огнеупорные амбразуры горелок
• Проверка тепловой изоляции и периодические замены
От всех указанных выше аспектов зависит эффективность и надежность печей. Перечень является
неполным, но в нем представлены операции, которые связаны с большинством технологических печей и
котлов. Практическое правило – уменьшение содержания кислорода в дымовой трубе на 2% приведет к
повышению энергоэффективности печи на 1%.
6.4
Техническое обслуживание для повышения энергоэффективности
В ходе недавнего детального аудита энергопотребления и контроля крупнейших европейских
нефтехимических предприятий была выявлена зависимость энергоэффективности от технического
обслуживания. Анализируемое предприятие имело высокий уровень технического развития и опытный
персонал. Аудит продемонстрировал, что используемые технологии повышения энергоэффективности
и практические методы не требуют значительного улучшения. Но в ходе анализа были выявлены
значительные потери энергоэффективности вследствие неправильно выполненного технического
обслуживания. В согласованной программе оптимизации был указан рост на 10% от общего расхода
энергии на предприятии за счет ремонта, очистки и повторного монтажа существующих установок.
Окупаемость составляет менее 6 месяцев.
Типовыми общими операциями технического обслуживания/методами, характерными для многих
предприятий, являются:
6.4.1 Очистка оборудования для передачи тепла (включая лопастные вентиляторы)
Многие, если не подавляющее большинство, процессы приводят к определенному загрязнению
оборудования для передачи тепла – от побочных эффектов при высокотемпературных реакциях,
формирования углеродистых отложений и полимеров до биологического загрязнения систем подачи
охлаждающей воды. Все это приведет к снижению эффективности регенерации тепла и ужесточению
требований к прямому потреблению энергии. Тем не менее, программы очистки могут составляться под
влиянием потребности в экономии затрат на техническое обслуживание. Зачастую едва прослеживается
прямая связь между получателями бюджетных средств на техническое обслуживание и переменными
затратами на энергию, связанными с оборудованием. Это основная причина, почему для анализа
энергетических характеристик требуется соответствующая административная структура и полномочия для
принятия общего решения несколькими отделами.
Руководство Emerson по энергоэффективности
42
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
Примеры:
• Теплообменники подачи/теплообменники потока в линиях подогрева печей
• Системы регенерации тепла топочных газов в котлах и печи (конвективные трубные пучки,
котлы-утилизаторы, подогреватели воздуха)
• Скопления сажи на печных трубах и их загрязнение (особенно при использовании тяжелого
жидкого топлива и сжигаемых отходов производства)
• Скопление пыли на верхних лопастных вентиляторах (может воздействовать на работу систем
хладагента ниже по потоку или компрессионных холодильных установок)
• Загрязнение термически регулируемых систем и систем подачи охлаждающей воды. (то же самое)
• Загрязнение лопаток турбин
• Характеристики градирен
Методов очистки очень много и все они ориентированы на конкретную область применения. Но
относительно низкая интенсивность процесса загрязнения благоприятствует контролю состояния в
реальном времени, который в сочетании с моделями производственных издержек позволяет осуществлять
оценку оптимальной точки очистки (экономически эффективной). Данные вопросы рассматриваются в
пункте 6.4.5.
6.4.2 Программы определения утечек пара
Очевидно, что на установках, где применяются материалы с высокой температурой текучести, необходим
подогрев трубопроводов паром. И это неизбежно приводит к утечкам пара. Тем не менее, должный подход к
устранению утечек пара может гарантировать значительную экономию пара, а также существенные выгоды в
части безопасности (отсутствие печных каналов), общий порядок и чистоту, а также общую удовлетворенность
ходом работ.
Пример команды специалистов
Для энергосбережения в системе
распределения пароконденсата и
запуска эффективной программы
управления энергией пара
рекомендуется выполнить следующие
действия:
по контролю утечек пара
Менее чем за 6 месяцев команды специалистов из 4 человек сэкономили
1,2 МПа за счет устранения утечек пара на крупных нефтехимических
предприятиях Великобритании. (1 инженер, 1 мастер, 2 сварщика)
После первоначальных инженерно-геологических изыскания инженер
должен определить приоритетные задачи и подготовить список утечек,
которые нужно устранять каждую неделю. Инициативы были реализованы
на площадке, были выданы разрешения на работу, и опубликованы
результаты. Конечным эффектом стало улучшение подходов, применяемых
на площадке, визуальное воздействие и финансовые выгоды.
• Назначить должностное лицо, ответственное за контроль утечек пара, в обязанности которого
входит реализация программы.
• Разработать требуемую стандартную методологию оценки утечек. В литературе открытого
доступа представлено множество методов. Также их можно получить у основных производителей
паросепараторов. Существуют разные степени сложности и различные методики (например,
оценка размера факела с учетом размеров измерительных диафрагм) Важно принять
производственный стандарт, отвечающий требованиям, и применять его в соответствующих
случаях.
• Согласовать структуру цен на пар. Помимо назначения приоритетов, это является важным
элементом выработки осведомленности.
• Выполнить исследование, регистрируя все утечки, собирая данные о размерах, стоимости и
местоположении.
• Распределить бюджет и (в идеале) и назначить команду специалистов по контролю утечек пара,
работающую согласно указанным методам в соответствии со списком приоритетных задач.
• Опубликовать результаты успешно выполненных работ за неделю
©2013 Emerson. Все права защищены.
43
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
6.4.3 Контроль работы паросепараторов
Помимо мероприятий по контролю утечек пара, требуется упреждающий и организованный подход к
техническому обслуживанию паросепараторов. На территории крупного нефтехимического предприятия
могут быть установлены десятки тысяч паросепараторов. Очевидно, что программа полной проверки
нецелесообразна, но все же большая численность персонала допускает осмотр с учетов факторов риска.
Современные беспроводные приборы для обнаружения отказов позволяют контролировать основные
зоны.
Воздействие осмотра на издержки вследствие отказа паросепараторов
700
500
Тысячи
Затраты в год
600
400
300
200
100
0
0
1
2
3
4
5
Интервал между осмотрами (лет)
Затраты
на осмотр
Руководство Emerson по энергоэффективности
Потери пара
44
Затраты
на ремонт
Суммарные
затраты
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
Основные факторы, которые нужно учитывать при разработке программы осмотра:
• Затраты на стравливание пара во время отказа
• Затраты на разработку программы осмотра
• Средние затраты на ремонт паросепараторов
• Частота проведения осмотров/год
• Средняя интенсивность отказов (% отказов/год)
• Средняя задержка между отказом и осмотром
(месяцев)
• Население
С этой точки зрения, это относительно исчерпывающий анализ,
позволяющий определить самую эффективную по стоимости
программу осмотров, поддерживая баланс между затратами
на осмотры и затраты, связанные с потерями пара. Также
анализ позволяет понять, каким образом интенсивность отказов
влияет на производительность. При этом исследуется эффект от
модернизации паросепараторов, и т.д.
Существует множество методов осмотра: ультразвуковой, с
помощью пирометров, вручную. Для выполнения оценки читатель
изучает литературу производителя и поставщика услуг.
Новым привлекательным инструментом на рынке паросепараторов
является беспроводной прибор для обнаружения отказов. Как
правило, это простое навесное устройство, работающее от
аккумулятора, которое основано на звуковом методе контроля
работы паросепараторов. Предусмотрены две функции: контроль
основных высокопроизводительных паросепараторов (например,
в системах ПСД) и сбор статистических данных об отказах,
которые позволяют разработать качественную программу
осмотров.
6.4.4 Тепловая изоляция
Хотя повреждения тепловой изоляции часто игнорируются, они могут иметь большое значение.
В голландском Центре технической изоляции определили воздействие поврежденной или отсутствующей
тепловой изоляции на производительность и окружающую среду. Согласно оценкам, от 5 до 10 процентов
систем нефтеперерабатывающих заводов в Европейском Союзе имеют поврежденную изоляцию или
вообще не имеют изоляции. В Соединенных Штатах – от 20 до 25 процентов.
Был исследован один нефтеперерабатывающий завод производительностью 300 000 баррелей/день.
Согласно исследованию, потери от поврежденной изоляции составили 4500 баррелей/день, то есть
это приводит к убыткам примерно 200 миллионов долларов в год. Затраты на уменьшение потерь НПЗ
©2013 Emerson. Все права защищены.
45
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
(установка качественной изоляции) составят примерно 25 миллионов долларов. Период окупаемости
затрат – два месяца. Это позволит уменьшить выбросы CO2 на 500 000 тонн в год.
Зачастую профилактическое техническое
Расчетные потери тепла из 8-дюймовой трубы NPS длиной 600 футов
7,000
Потери тепла, БТЕ/ч - LF
6,500
не менее, изоляция, демонтированная
6,000
персоналом нефтеперерабатывающего
5,500
5,000
завода или персоналом подрядчиков, не
4,500
4,000
Труба с поврежденной
изоляцией
3,500
3,000
подлежит замене без соответствующих
специальных указаний. Во время
рабочего цикла замена изоляции
2,500
выполняется в последнюю очередь.
2,000
1,500
Труба с трубной
изоляцией 1,5" MF
1,000
500
0
обслуживание включает демонтаж и
замену изолированных компонентов. Тем
Неизолированная труба
1
Осадки и коррозия, а также
2
незначительные повреждения могут
3
привести к быстрому выходу изоляции
Номер случая
из строя.
Потери тепла из неизолированной 8-дюймовой трубы NPS
18,000
осмотров тепловой изоляции и
16,000
изоляции другого типа – важный
элемент любой программы
энергосбережения. Широко
распространены методы
вычисления потерь. Инфракрасное
сканирование – общепринятый
метод. Иногда контроль
температур при нефтезаводской
перегонке может выявить потерю
Потери тепла, БТЕ/ч - LF
Поэтому программа регулярных
14,000
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0
200
300
производительности с течением
400
500
600
700
800
Температура трубы, градусов F
900
1000
времени.
6.4.5 Использование методов мониторинга активов
Программное обеспечение для контроля оборудования, как правило, связанное с РСУ/сервером архивных
технологических данных, стало широкодоступно за последние десять лет. Методы построения моделей
и кодирования сегодня находятся в распоряжении инженеров. При этом не требуется специальных
математических навыков и навыков программирования. Вычислительная мощность модемов обеспечивает
высокую скорость вычислений и конвергентность программ настройки и оптимизации, на которых
основано программное обеспечение. Возможны различные подходы:
• Точное моделирование первых принципов
• Непосредственное статистическое моделирование
• «Фоновое» моделирование, которое сочетает в себе известные и научные принципы понимания
Руководство Emerson по энергоэффективности
46
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
физических процессов со статистическим моделированием. Это позволит эффективнее исправлять
ошибки моделирования, неточность моделирования и несмоделированные воздействия.
Изначально направленные на обнаружение отказов, данные методы могут стать очень полезным
средством в стратегии технического обслуживания на основе энергии. Ухудшение энергетических
характеристик – это обычно более медленный процесс, который обусловлен такими факторами как
загрязнение, и является потенциальным объектом долгосрочного мониторинга.
Как правило, модуль увязывается с данными по заводу (в реальном времени) (например, использование
средних данных за час для анализа кратковременного шума). Расчетным подгоняемым под требования
параметром(-ами) будут характеристики проектирования, которые напрямую относятся к аспектам
энергетических характеристик, например, коэффициент передачи тепла, эффективность котла,
эффективность турбины. Готовую модель можно использовать двумя способами:
1. Оповещение о текущем состоянии. Эту функцию можно сочетать с контролем СУП
(статистическое управление процессом).
2. Разработка синхронизируемых по времени моделей для вычисленных параметров моделей,
которые известны как прогнозирующие модели, с целью изучения будущих вариантов
эксплуатации и технического обслуживания. По мере обновления модели она становится
актуальным представлением
текущей ситуации, и содержит
самые ценные данные для
будущего планирования. Как
правило, модели можно сочетать
с системами планирования
технического обслуживания с
целью определения оптимальных
экономически эффективных точек
очистки и вмешательства.
Общие области применения включают:
• Загрязнение теплообменников
и прогноз эксплуатационных
характеристик
• Мониторинг КПД турбин
• Мониторинг КПД котла и печи
• Эксплуатационные характеристики газовой турбины
• Кривая характеристики насоса – работа с учетом наивысшего КПД
• КПД градирен
В идеале, в комплекте программного обеспечения для моделирования должны применяться те же
данные, что и в ИСУППЭ, а результаты должны быть переданы в места хранения данных и составления
отчетов о ИСУППЭ.
©2013 Emerson. Все права защищены.
47
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
Для получения наилучших результатов пакеты программного обеспечения должны пройти формальную
оценку. Результаты должны быть представлены, а решения приняты на регулярной основе, указанной
согласно процессам технического обслуживания СУППЭ, а не на основе случайной технологии,
применяемой одним инженером.
6.5
Пинч-анализ и оптимизация регенерации тепла
Рассмотренные методы являются вспомогательными и применяются для оптимизации
энергоэффективности установки. Конструкция базовой установки остается неизменной. Главные
инвестиционные проекты не рассматриваются.
Тем не менее, операции меняются. Различное сырье, требования к продукции постепенно меняют
условия эксплуатации. Оборудование работает при разных температурах и отклоняется от исходного
проекта. Возможность контроля и коэффициенты отклонения от первоначального проекта, скорее
всего, будут замещаться. И эти аспекты в частности относятся к интеграции технологического тепла
или применяемых систем регенерации тепла. В действительности, на более старой установке
наблюдается плохая интеграция технологического тепла с чрезмерным расходом энергии. Быстрая
проверка температур при нефтезаводской перегонке продукции дает полезную индикацию. Как данную
индикацию можно сопоставить с требованиям к хранению? Не слишком ли много тепла поступило в
охлаждающую воду?
Это позволяет более подробно пересмотреть интеграцию тепла в установку и использование энергии. В
последнее время методы технологической интеграции, а более конкретно, пинч-анализ доказали свою
эффективность при решении этих вопросов.
6.5.1 Пинч-анализ
Метод пинч-анализа был разработан в 1977 году Бодо Линхоффом (Bodo Linnhoff) под руководством д-ра
Джона Флауэра (John Flower) в Университе Лидса. С того времени он стал одним из самых эффективных
инструментов в области интеграции в технологический процесс, в частности за счет более рационального
использования энергии, воды и водорода. Этот метод эффективно используется в химической,
нефтехимической отрасли, в переработке нефти, целлюлозно-бумажной промышленности, пищевой
промышленности и в сталелитейной и металлургической отрасли.
Пинч-анализ включает инструменты, которые позволяют исследовать потоки энергии в процессе и выявлять
самые экономичные способы повышения регенерации тепла и сведения к минимуму потребности во
внешних энергосистемах общего пользования. Тогда как анализ используется в новых конструкциях, в
переоборудованных объектах пинч-анализ может быть направлен на максимальное увеличение прибыли
при инвестициях в проект, также он позволяет комбинировать проектные идеи.
Важный элемент пинч-анализа – определение минимальных задач потребления энергии для данного
процесса или установки. Эта информация обеспечивает выявление максимального потенциала для
улучшения до начала детального технологического проектирования.
Как правило, требуется специальное программное обеспечение. Некоторые программные приложения
включают инструменты для быстрого проектирования сетей теплообменников. Модуль энергосистем
общего пользования предприятия обычно создается в рамках пинч-анализа. Это напрямую соотносит
Руководство Emerson по энергоэффективности
48
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
экономию энергии в ходе технологического процесса с экономией объема закупаемой первичной
электроэнергии.
В регионе зафиксированная в типовых отчетах экономия энергии составляет от 10 до 35%.
(Источник: «Пинч-анализ для эффективного использования энергии и т.д.», Natural Resources, Канада).
Одним из главных инструментов пинч-анализа является графическое отображение результирующих кривых.
Данные процесса представлены в виде набора потоков энергии, или потоков, зависящих от отношения
тепловой нагрузки (кВт) к температуре (ºС). Эти данные объединяются применительно ко всем потокам
установки с целью построения результирующих кривых: одна
кривая для горячих потоков (выделяющих тепло), а вторая
кривая – для всех холодных потоков (требующих тепла). Ближе
всего к результирующим кривым для горячих и холодных
Данные о технологических потоках
T
T
Источники
тепла
потоков находится труднодостижимая точка, в которой указана
Источники
тепла
температура горячего потока и температура холодного потока.
В данном случае процесс проектирования ограничен больше
Q
всего. Следовательно, если отметить эту точку и начать с нее
проектирование, то можно достичь целевых энергетических
параметров, регенерируя тепло между горячими и холодными
Результирующие кривые
T
потоками в двух отдельных системах. При этом одна кривая
Результирующая кривая
для нагретого состояния
строится для температур выше пинч-температуры, а вторая – для
температур ниже пинч-температуры. В действительности, во
время пинч-анализа существующего проекта между горячим
Q
Возможность
рекуперации
энергии
потоком, температура которого превышает пинч-температуру,
Результирующая
кривая для
холодного состояния
Труднодостижимая
точка
и холодным потоком, температура которого ниже пинчтемпературы, происходит перекрестный обмен теплом. Замена
Q
теплообменников на аналогичные устройства гарантирует, что
будут достигнуты целевые энергетические показатели.
Детальное использование пинч-анализа: в сетях с теплообменниками, конструкциях энергосистем общего
пользования или в установках для когенерации, не рассматривается в настоящем документе. Требуются
специальные навыки и программное обеспечение. Тем не менее, пинч-анализ может играть важную роль в
оценке и оптимизации профилей энергии и средств обеспечения в установке.
6.6
Частотно-регулируемые приводы
Частотно-регулируемые приводы могут обеспечить существенное энергосбережение, связанное с
лучшим управлением технологическим процессом, уменьшением износа механического оборудования
и снижением уровня шумового воздействия. При колебаниях нагрузки частотно-регулируемые приводы
позволяют снизить потребление электроэнергии, особенно, в центробежных насосах, компрессорах и
вентиляторах – вплоть до 50%. Преимущества частотно-регулируемых приводов находят применение в
областях, связанных с переработкой материалов, например, центробежных машинах, прокатных станах
и станках, а также с транспортировкой материалов, например, шахтные подъемники, транспортеры
и подъемники, и выражаются, как в снижении энергопотребления, так и в общем улучшении
эксплуатационных характеристик
©2013 Emerson. Все права защищены.
49
Руководство Emerson по энергоэффективности
Общие энергетические инструменты и методы
Применение частотно-регулируемых приводов может дать другие преимущества:
• расширение полезного рабочего диапазона приводного оборудования
• изолирование электродвигателей от линии, что может снизить напряжение и повысить
эффективность электродвигателя
• точная синхронизация множества электродвигателей
• повышение частоты вращения и надежности реакции на изменяющиеся условия эксплуатации
Несмотря на то, что технология частотно-регулируемых приводов существует многие годы, раньше
их стоимость ограничивала область их применения областями, требующими большой мощности.
Однако современная инверторная электроника существенно снизила типовые капитальные затраты, а
современная технология намного больше подходит для маломощного применения.
Практический пример – Для системы хладагента с небольшим 10 кВт компрессором, работающим в
течение дня в условиях переменного профиля нагрузок, после установки частотно-регулируемого привода
удалось добиться 40% экономии мощности. Период простой окупаемости составил 2,4 года, несмотря на
то, что его работа была ограничена периодом с мая до октября каждого года.
Ток
Используется
частотнорегулируемый
привод
Реж. комп.
Температура
окружающей среды
Температура
пространства
Время
Примечание: частотно-регулируемые приводы не подходят для всех областей, в частности, при
постоянной нагрузке (например, вентиляторы подачи воздуха в псевдосжиженный слой, компрессоры
воздуха окисления и т. д.), поскольку частотно-регулируемый привод будет терять 3-4% подводимой
энергии (выпрямляя и регулируя фазу тока).
Руководство Emerson по энергоэффективности
50
©2013 Emerson. Все права защищены.
Общие энергетические инструменты и методы
©2013 Emerson. Все права защищены.
51
Руководство Emerson по энергоэффективности
©2013 Emerson. Все права защищены.
Логотип Emerson является товарным знаком и знаком обслуживания компанииEmerson Electric Co. Эта публикация
предоставлена только для информации. Несмотря на то, что все сведения, приведенные в настоящем документе,
тщательно проверены, ничто из даннойпубликации не должно рассматриваться как прямая или косвенная гарантия,
выраженная прямо или подразумеваемая, в отношении описанной продукции или услуг, а такжеих использования и
применимости для конкретных задач. Все продажи осуществляются в соответствии с нашими условиями, с которыми
можно ознакомиться по запросу. Мы сохраняем за собой право изменять и улучшать конструкцию или характеристики
наших изделий и услуг в любое время без предварительного уведомления.