Беспроводные передатчики позволяют экономить энергию

Любое производственное предприятие, если оно действительно хочет сэкономить и уменьшить затраты на энергию, должно выполнить для этого сотни, если не тысячи измерений. Однако установка проводных систем для снятия показаний и передачи данных о давлении, расходе, температуре или других показателях процессов в технологических устройствах является делом довольно-таки дорогостоящим. Проводная технология с током в петле 4–20 мА, такая как Profibus (тип локального сетевого соединения) или Foundation Fieldbus (технология Foundation Fieldbus — цифровая последовательная, двусторонняя система связи, которая служит в качестве базового уровня сети в заводских или фабричных системах автоматизации), требует питания, кабелей, кабельных каналов, распределительных коробок и шкафов, а также системы управления входами или шинами локального управления. Если измерение должно быть проведено в удаленном месте или в верхней части высокого танка (бака), то стоимость изготовления и установки такой системы измерения с проводной передачей данных может стать просто астрономической.

Если же рассматривать беспроводной передатчик, он может быть установлен и подключен к системе управления с затратами примерно от одной пятой до одной трети от стоимости проводного передатчика, что находится в зависимости уже от конкретной области его применения. Многие предприятия, пользующиеся беспроводными передатчиками, получают не только значительную экономию энергии, но и короткий срок окупаемости подобных систем, не превышающий двух недель.

Мониторинг конденсатоотводчиков для повышения энергоэффективности

Конденсатоотводчик является примером устройства, которое достаточно трудно контролировать с помощью проводных передатчиков. Они часто находятся в труднодоступных местах, вдали от других измерительных приборов и устройств поддержки с проводной инфраструктурой, а иногда и расположены в опасной зоне. В течение многих десятилетий сбои в работе такого оборудования выявлялись, скажем так, вручную, его функционирование контролировалось акустическим мониторингом утечек с помощью ультразвука и температурных методов зондирования. Многие предприятия проводят подобное тестирование лишь один раз в год, что повышает угрозу возникновения аварийных ситуаций из-за столь редких контрольных проверок оборудования. На предприятиях, где существует подобный профилактический график обслуживания, обычно имеют место внештатные или даже аварийные ситуации на каждом пятом конденсатоотводчике. При выполнении проверки данных компонентов технологических установок только раз в год ожидаемая интенсивность отказов составляет 12–25%.

Рис. 1. Бесконтактный беспроводной акустический преобразователь Rosemount 708

Беспроводные передатчики со встроенными модулями питания проводят ультразвуковое акустическое измерение поведения и температуры в конденсатоотводчике и отправляют полученную информацию в систему управления или мониторинга с помощью беспроводной ячеистой сети. В качестве примера можно привести бесконтактный беспроводной акустический преобразователь Rosemount 708 (рис. 1).

Оценить и измерить финансовые последствия аварий на холодном конденсатоотводчике достаточно трудно, хотя есть множество примеров, когда от разрыва паропровода и связанных с этим незапланированных отключений для ремонта оборудования был причинен ущерб на миллионы долларов. Так, одна крупная компания пережила тяжелый гидроудар, вызванный отказом сразу четырех подключенных конденсатоотводчиков. В результате произошло шестичасовое отключение технологического оборудования, и компания потратила на ремонт $250 тыс. Другое предприятие из-за отказа в конденсатоотводчике не смогло точно установить контроль температуры жизненно важного производственного процесса, что привело к потере партии продукта переработки стоимостью в несколько миллионов долларов.

В качестве дополнительного примера можно взять химический завод в городе Леверкузен (Германия), которому в соответствии с Директивой по энергоэффективности Европейской комиссии, принятой в июне 2012 года, пришлось сокращать расходы на электроэнергию. На заводе было установлено, что аварии на конденсатоотводчиках приводили к потерям пара и неэффективной передаче тепла, а следовательно, энергия тратилась впустую. В качестве решения на 100 критических конденсатоотводчиках были установлены беспроводные передатчики мониторинга состояния и соответствующее программное обеспечение, которое используется для анализа данных от этих передатчиков. Беспроводные передатчики и программное обеспечение были установлены в сентябре 2014 года на три месяца для их апробирования в условиях производства. Уже в течение испытательного периода система мониторинга сразу же обнаружила несколько неисправных конденсатоуловителей и несколько конденсатоуловителей, не подходящих для решения возложенной на них задачи. После ремонта и замены технологического оборудования на заводе значительно снизились расходы на электроэнергию, но главное, повышение энергоэффективности позволило предприятию полностью выполнить требования Директивы по энергоэффективности и регламенты стандарта по энергосбережению ISO 500001.

Обнаружение загрязненных теплообменников на нефтеперерабатывающих заводах

Многие заводы стараются максимально использовать дешевую сырую нефть, однако применение сырья этого типа часто приводит к значительным трудностям его переработки. Узлы теплообменников для предварительного нагрева сырой нефти могут оказаться несовместимыми с некоторыми ее сортами, а свойства этих сортов нефти способны вызвать ускоренный процесс обрастания стенок теплообменника фракциями таких нефтепродуктов — это одна из причин снижения не только эффективности использования энергии, но и выпуска конечной продукции.

Путем добавления беспроводной системы измерения температуры в теплообменник (рис. 2) данные с приборов будут направлены для обработки аналитическим программным обеспечением, что сможет предупредить и предотвратить чрезмерное обрастание теплообменника и, следовательно, снижение его производительности. Эта информация поможет определить, какие смеси сырой нефти несовместимы с данным оборудованием и когда такой теплообменник потребует очистки.

Рис. 2. Теплообменник, оснащенный беспроводными передатчиками

Корректирующее действие и оптимизированные графики очистки могут привести к улучшению показателя энергоемкости и использования производственных мощностей, что дает ежегодную экономию более чем в $3 млн для среднего нефтепере­рабатывающего завода. Теплообменники могут использовать беспроводное измерение температуры и аналитическое программное обеспечение еще и для того, чтобы контролировать текущее состояние оборудования.

Энергоэффективные градирни с беспроводными передатчиками

Рис. 3. Градирни на нефтеперерабатывающем заводе

Энергоэффективность градирни (рис. 3) часто зависит от температуры окружающей среды. В жаркие дни, если мощность градирни ограничена, эффективность охлаждения воды может снизиться, а ее температура — повыситься. Это приводит к перегрузке колонки конденсационных сепараторов и охладителей продукта, соответственно, процесс в технологических установках будет замедлен. В холодные периоды градирня может замерзнуть, и тогда возникнут разрывы и повреждение оборудования. Снятие показаний температуры и других параметров вручную хотя и предоставляет необходимую информацию, но при постоянном выполнении является дорогостоящей операцией, к тому же представляет потенциальную угрозу для безопасности персонала, выполняющего измерения.

Как правило, градирни плохо оснащены измерительным оборудованием, а вентиляторы и насосы проверяются вручную, или их состояние вообще не контролируется. Поскольку процесс испарения зависит от температуры воздуха, влажности, кислотности (рН) воды и эффективности вентиляторов, градирни представляют собой просто идеальную возможность для уменьшения энергии и потребления химических реагентов путем использования для них системы беспроводного мониторинга.

Для контроля градирни на нефтеперерабатывающем заводе вблизи Мехико осмотр и измерения проводились персоналом непосредственно на объекте. По мнению руководства, этого было вполне достаточно. Хотя операторы и выполняли по три осмотра в день, перебои в работе из-за возникновения нештатных ситуаций и аварийных остановок градирен приносили убытки в размере $1,6 млн в год. Приборы для измерений использовались устаревшие, большинство из них вообще не функционировало, а получаемые данные были крайне скудными. Все это приводило к тому, что рассчитать эффективность расходования энергии и оптимизировать функционирование градирни становилось крайне сложно. Поэтому требовалась беспроводная система измерения температуры, давления, уровня воды, кислотности (рН) и датчиков вибрации, что позволило бы полностью контролировать сложные процессы в градирне. В качестве проверки такого решения завод установил 122 беспроводных передатчика и пять шлюзов на четырех градирнях.

Следующим шагом в улучшении управления градирнями стал сбор и анализ данных, полученных от беспроводных передатчиков. Для этого существуют различные пакеты программного обеспечения, позволяющие своевременно предупредить о недостаточном охлаждении. Однако ПО может предоставлять и диагностику, которая оказывает помощь операторам в обслуживании опорных подшипников, или выявить такие проблемы, как нарушения центрирования насосов и вентиляторов в градирне. Автоматические оповещения персонала в виде флага для определенных условий охлаждения воды и регулирования скорости продувки помогают свести к минимуму использование химических веществ для очистки воды. Анализ подобных данных помогает операторам нефтеперерабатывающих предприятий заранее распознавать и предотвращать потенциальные сбои систем охлаждения.

Уже первые установленные беспроводные передатчики и программное обеспечение для анализа дали повышение энергоэффективности градирни на 10%. Имея эти результаты, компания приняла решение и добавила беспроводную измерительную аппаратуру на все остальные градирни на нефтеперерабатывающем заводе и планирует реализацию такого же решения на других своих предприятиях.

Когда были учтены все составляющие снижения расходов, — а здесь принимались во внимание средства, сэкономленные на обслуживании вентиляторов ($4,8 млн), на закупке химических реагентов ($1,8 млн), при сокращении производственных потерь, связанных с уменьшением как числа проверок в ручном режиме осмотра на 87% ($6 млн), так и простоев алкилационной установки ($5,9 млн), — то компания, оценивая срок окупаемости новых беспроводных передатчиков, пришла к выводу, что для каждой градирни он составляет около двух недель.

Обновление для повышения энергоэффективности электростанций

Паровые трубопроводы и другое оборудование на внешних стенах зданий, где расположены турбины, могут подвергаться воздействию отрицательных температур и замерзнуть, как следствие, это может привести к падению мощности, при котором вероятно аварийное отключение оборудования.

На электростанции в Нью-Гемпшире в холодную погоду из-за замерзания оборудования происходило до пяти таких отключений в год. В результате компания несла убытки до $250 тыс., причина была связана с тем, что температура в здании машинного зала не контролировалась и не отслеживалась.

Электростанция работала на протяжении 60 лет и представляла собой объект с ограниченным количеством приборов, кабельных каналов и проводной инфраструктуры. Столь крупное предприятие нуждалось в специальном персонале для измерения температуры. Однако во многих точках машинного зала отсутствовала возможность установить проводную аппаратуру из-за недоступности определенных мест, к тому же вспомогательная инфраструктура была слишком дорогой.

Первоначально установленная система непрерывного мониторинга и измерения температуры для защиты от замерзания предусматривала пять беспроводных передатчиков и беспроводной шлюз. Сегодня предприятие оборудовано более чем 60 беспроводными устройствами для измерения температуры, давления, расхода масла, вибрации и уровня. В настоящее время для защиты от замерзания завод осуществляет постоянный контроль удаленных панелей управления турбиной и зон индикации состояния барабана котла. Сотрудники диспетчерской службы свое­временно получают оперативные данные, позволяющие принять необходимые меры по исправлению положения, и предупреждаются о потенциальной опасности в связи с неблагоприятными условиями еще до того, как возникает сама нештатная ситуация. С момента первой установки оборудования для беспроводного мониторинга в 2010 году на электростанции больше не возникало аварийных остановок, вызванных замерзанием, что позволило предприятию экономить $1,25 млн в год.

Повышение общей энергоэффективности предприятия

Когда оплата потребленной электроэнергии перейдет на ценообразование с расчетом на каждый день ее потребления, то возникнет большая разница в цене между временем пикового потребления мощности и временем с малой нагрузкой, а следовательно, с низкой стоимостью электроэнергии. Установка беспроводных передатчиков для мониторинга электропитания может помочь заводу оптимально скорректировать свою работу таким образом, чтобы сократить расходы на электроэнергию.

Например, мельница влажного помола кукурузы в Индианаполисе, штат Индиана (США), ежемесячно получает счет с детализацией энерго­потребления, но не за каждый день и не с измерениями в реальном масштабе времени, что позволило бы точно установить расходы и постоянно прогнозировать бюджет на электроэнергию.

Рис. 4. Дискретные беспроводные передатчики Rosemount 702 обеспечивают предоставление данных о потреблении электроэнергии в реальном масштабе времени

Управление затратами и их прогнозирование имеет важное значение, чтобы избежать потерь из-за неоправданных расходов на электроэнергию, регулируя ее использование для различных энергоемких процессов, путем их запуска в периоды низких ставок или отключения оборудования в часы пикового потребления, что также привело бы к дополнительному снижению затрат.

Когда часть завода была закрыта на техническое обслуживание, выяснилось, что несколько мощных электродвигателей и часть технологического оборудования по-прежнему работают. Поэтому был проведен тщательный осмотр предприятия и вместе с местной энергетической компанией определены места, где можно интегрировать в систему учета потребляемой электроэнергии беспроводные дискретные передатчики. Это было сделано с целью обнаружения включенного и работающего оборудования (рис. 4).

Заводы будущего станут использовать данные мониторинга мощности для обнаружения момента, когда уровень потребления энергии предприятием необходимо снизить, чтобы избежать лишних затрат из-за наступления времени пиковой нагрузки расхода электрической энергии. При заблаговременном предупреждении можно будет воспользоваться преимуществами получения электроэнергии по более низким расценкам внепикового уровня потребления и избежать потерь, выключив оборудование и отложив выполнение технологических операций на период низких ставок на электроэнергию и/или перепланировав производственный процесс так, чтобы минимизировать общее энергопотребление.