Automatyzacja w gazownictwie

Gazownictwo – bez wątpienia jedna z najważniejszych gałęzi przemysłu energetycznego – musi stawić czoła wyzwaniom dzisiejszych czasów. Eksplorowanie nowych złóż, stałe obniżanie kosztów przy konieczności utrzymania wysokiej jakości oraz wielopoziomowe bezpieczeństwo to najważniejsze z tych zadań. Zrealizowanie ich bez pomocy automatyzacji byłoby niewykonalne.
Jeszcze kilkadziesiąt lat temu naturalny gaz ziemny był uważany za surowiec o niewielkim znaczeniu.
Najczęściej spalano go na miejscu wydobycia. Znacznie chętniej korzystano z gazu miejskiego, produkowanegodrogą przeróbki węgla kamiennego i rozprowadzanego lokalną siecią w obrębie aglomeracji. W miarę pojawiania się systemów rurociągów rosło zainteresowanie „błękitnym paliwem”. Powszechnie zaczęto stosować w domach kuchenki gazowe i piece centralnego ogrzewania, a w przemyśle turbiny gazowe i generatory.
Światowe zapotrzebowanie na energię regularnie wzrasta. Przewiduje się, że w obecnym stuleciu w skali świata gaz stanie się jednym z najważniejszych nośników energii pierwotnej. – Na pewno nigdy nie będzie jedynym źródłem energii. Ale jego kluczowa pozycja jest niepodważalna – tłumaczy dr Robert Zajdler, ekspert ds. energetyki w Instytucie Sobieskiego. Wymienia też najważniejsze powody takiego stanu rzeczy: dywersyfikację źródeł pozyskiwania gazu, możliwość uniezależnienia się od sytuacji politycznej oraz przewagę klimatyczno-środowiskową nad innymi źródłami energii. – Czynniki emisyjności zanieczyszczeń z gazu są punktem wyjścia. Wszystko, co szkodzi środowisku bardziej niż gaz ziemny, jest na straconej pozycji – wyjaśnia dr Zajdler.
Klucz do sukcesu
Szybko zmieniający się świat, ogromna konkurencja i kolejne wyzwania współczesności sprawiają, że automatyzacja staje się kluczowa dla rozwoju przemysłu, w tym gazownictwa.
Automatyzacja w dużym skrócie polega na wprowadzaniu do produkcji przemysłowej środków technicznych i urządzeń automatycznych, które działają na zasadzie samoregulacji i pracują bez udziału człowieka lub przy jego ograniczonym udziale. Ma ona na celu ograniczenie roli ludzi w obsłudze procesów przemysłowych i maszyn jedynie do czynności nadzorczo-kontrolnych. Automatyzacja jest wykorzystywana również w celu zoptymalizowania kosztów oraz w miejscach, gdzie pracy nie da się wykonać ludzkimi rękoma. Podstawowe korzyści z jej wprowadzenia to obniżenie kosztów produkcji, polepszenie jakości oraz zwiększenie bezpieczeństwa. Podstawę teoretyczną i techniczną automatyzacji stanowią m.in. automatyka, informatyka oraz robotyka.
– Automatyzacja rzeczywiście może być kluczowa dla rozwoju przemysłu, ale trzeba zachować zdrowy rozsądek i znaleźć złoty środek – zaznacza Przemysław Gil, dyrektor Departamentu Zarządzania Ruchem Sieci w Polskiej Spółce Gazownictwa. – Automatyzacja i ograniczenie lub brak ludzi w jakimś obiekcie może prowadzić do dużych oszczędności czasu i pieniędzy. Ale jednocześnie to zjawisko niesie ze sobą pewne ryzyko. W przypadku wielkich awarii, których nie da się łatwo usunąć, dana lokalizacja może być czasowo zupełnie bezużyteczna.
Jednak niezależnie od niebezpieczeństw związanych z rozwojem automatyzacji, to właśnie w niej jest przyszłość. Według raportu MarketsandMarkets, międzynarodowej firmy badawczej i konsultingowej, wartość rynku rozwiązań automatyki dla terminali naftowych i gazowych będzie rosła rocznie średnio o prawie 9 proc., aż przekroczy 11 mld dolarów w 2019 r. z ok. 6 mld w roku 2014. Inteligentne liczniki, systemy DCS, SCADA, komunikacyjne, GIS, sterowniki PLC, panele operatorskie, urządzenia pomiarowe i bezpieczeństwa czy detekcji wycieków będą coraz częściej stosowane w gazownictwie. Wiele wskazuje na to, że dostawcy gazu ziemnego przekonają się do nich, bo mogą dzięki nim ograniczyć koszty pracy i konserwacji systemów przesyłowych, spełnić wymogi norm bezpieczeństwa i środowiskowych, a także zapewnić niezawodność dostaw. – Nie można również zapomnieć, że musimy poszukiwać nowych rozwiązań w gazownictwie i w przemyśle, a do tego rozwój automatyzacji jest niezbędny. Nie można poprzestawać na tym, co już osiągnęliśmy i używać gazu w najprostszy sposób. Trzeba rozglądać się za jego nowymi zastosowaniami – zaznacza dr Zajdler, który pracuje również na Politechnice Warszawskiej. – Staram się tworzyć tam stałe powiązania między studentami a przemysłem, bo to da w przyszłości efekty i może stworzyć nowe możliwości.
Wydobywanie
Automatyzacja jest obecna w gazownictwie na każdym etapie. Świetnie rozwój tego zagadnienia można zaobserwować na przykładzie gazu łupkowego, którego wydobywanie na masową skalę jest trudniejsze niż tradycyjnego gazu ziemnego. Technologia jego pozyskiwania jest drobiazgowo opisana na branżowym portalu Polskielupki.pl. Czytamy tam m.in., że w czasie pozyskiwania gazu, występującego w podziemnych złożach łupków osadowych, najpierw wykonywany jest odwiert pionowo w dół. Gdy wiercenie dotrze do skał bogatych w surowiec, następuje nawiercanie poziomo (w bok – jest to w przypadku łupków konieczne, aby pozwolić zawartym w nich zasobom na wydostanie się; inaczej jest w przypadku złóż konwencjonalnych, gdzie wiercenie pionowo w zasadzie wystarczy, nie ma kolejnych „barier”, przez które trzeba się przedostać do samego gazu).
Do wykonanego otworu wkładana jest następnie rura oddzielająca go od otoczenia i pełniąca funkcję zabezpieczającą. Otwór jest też uszczelniany cementem. Potem do poziomego odcinka odwiertu wprowadzane jest urządzenie zwane „działem perforacyjnym”, którego celem jest wykonanie drobnych otworów w rurze, przez które zgromadzony wokół niej gaz ma się dostać do odwiertu, a potem wydostać się na powierzchnię (działo zawiera ładunki wybuchowe, które tworzą wspomniane dziury). Do wykonanego odwiertu wlewany jest pod dużym ciśnieniem płyn szczelinowy. Jego zadaniem jest dodatkowe udrożnienie skały, poszerzenie już stworzonych pęknięć (szczelin) i rozpoczęcie nowych, a tym samym zwiększenie możliwości wypływu zawartości do odwiertu. Gdy ten proces jest zakończony, możliwe jest pozyskiwanie np. gazu ze złoża niekonwencjonalnego. Dzięki infrastrukturze na powierzchni odwiertu gaz jest magazynowany i wpuszczany do systemu gazociągów doprowadzających go do odbiorców.
Na przełomie 2011 i 2012 r. amerykańska firma naftowa Schlumberger rozpoczęła prace wydobywcze w oparciu o stworzoną autorską metodę Hiway. Różni się ona nieco od „klasycznego” szczelinowania hydraulicznego. Płyn szczelinujący nie jest wlewany raz, tylko kilkakrotnie (wtrysk pulsacyjny), co pozwala na stworzenie większej ilości pęknięć, sięgających dalej. Oprócz płynu szczelinującego wprowadza się naprzemiennie do odwiertu także włókna rozpuszczalne, które poprawiają wydajność działań.
Automatyzacja towarzyszy specjalistom nie tylko przy wydobywaniu, ale także przy ocenie, czy w ogóle warto szukać. Powszechnie wykorzystywaną metodą związaną z oceną potencjału danego złoża jest System Zarządzania Zasobami Paliwowymi (Petroleum Resources Management System – PRMS). Ogłoszony został w 2007 r. i jest efektem prac prowadzonych przez kilka międzynarodowych organizacji branżowych z sektora wiertniczego. Przy użyciu tej metody wykorzystuje się dane, takie jak rozmiary złoża, przepuszczalność skał, grubość warstw o zawartości substancji organicznej powyżej 2 proc., czy typ i stopień dojrzałości tejże substancji.
Zarządzanie
Pozyskiwanie i dystrybucja gazu to ogromne przedsięwzięcie. Odpowiednie zarządzanie całym procesem na każdym jego etapie to klucz do sukcesu jakościowego, wizerunkowego i finansowego. Firmy specjalistyczne produkują zintegrowane systemy sterowania i automatyki, które pomagają wielkim przedsiębiorstwom. Jedną z nich jest niemiecki Siemens i jego produkt – system SIMATIC PCS 7, który jest wykorzystywany w ponad 170 instalacjach w Polsce, m.in. w podziemnych magazynach gazu w Wierzchowicach i w Kosakowie. Systemy pomocne w zarządzaniu wielkimi instalacjami tworzą także m.in. Bosch czy ABB. Ale nie tylko światowi poten-taci liczą się na rynku. Swoje systemy opracowują również polskie firmy, m.in. Tel-ster czy Atrem. Popularne w branży są również polskie przeliczniki sieciowe firmy Plum czy gazomierze Common.
Zintegrowane systemy sterowania i automatyki mierzą istotne parametry przesyłanego gazu, zliczają przepływ gazu na ciągach przemysłowych, sprawują pełną kontrolę funkcjonowania urządzeń i obiektów technologicznych z możliwością natychmiastowego alarmowania, same sterują i regulują procesami na podstawie danych archiwalnych, a dodatkowo wszystko raportują i wizualizują.
W kwietniu tego roku, na branżowej konferencji STERGAS dotyczącej automatyki w gazownictwie, Szymon Paprocki z Siemensa przedstawiał najważniejszym ludziom w branży problemy i trendy współczesnego gazownictwa. Zwrócił uwagę m.in. na zwiększony nacisk i regulacje prawne dotyczące bezpieczeństwa pracy i instalacji, niedobór wykwalifikowanych pracowników, zwiększający się wiek obsługi, konieczność oszczędzania energii, a także optymalizację i zabezpieczenie inwestycji. Jednocześnie klienci chcą zwiększonego bezpieczeństwa i niezawodności, uproszczenia obsługi i projektowania, a także jak najwyższej jakości przy jak najniższych kosztach. – Nie da się tego osiągnąć bez zintegrowanego systemu sterowania i automatyki. W obecnych czasach istnienie profesjonalnego zakładu przemysłowego, który nie jest w nie zaopatrzony, jest niemożliwe – tłumaczy Szymon Paprocki.
Na dowód specjalista z Siemensa pokazuje konkretne wyliczenia. Dzięki zintegrowanym systemom sterowania i automatyki można uprościć projektowanie, programowanie, uruchomienie i eksploatację instalacji. Mają na to wpływ m.in. zintegrowane narzędzia inżynierskie, standaryzacja, symulacja, diagnostyka i polityka serwisowa. W efekcie koszty zarządzania spadają nawet o 20 proc., można zaoszczędzić do 10 proc. czasu, a niezawodność wzrasta do 30 proc.
W procesie mocno rozbudowane są również moduły archiwizacji i raportowania, które można dostosować do własnych potrzeb i oczekiwań.
Bezpieczeństwo
W tak kluczowym sektorze przemysłu jak gazownictwo jedną z najistotniejszych kwestii jest bezpieczeństwo. I to szeroko rozumiane. Trzeba tu wziąć pod uwagę bezpieczeństwo ludzi i instalacji, zabezpieczenie się przed stratami, ochronę antywirusową oraz zabezpieczenie przyszłości i dbałość o ciągłość produkcji. Również w tym przypadku niezastąpione są zautomatyzowane systemy. – Zdublowanie krytycznych elementów, czyli tzw. redundancja zdecydowanie zwiększa bezpieczeństwo. W najbardziej newralgicznych miejscach instalacji elementy są podwojone. Ryzyko, że zepsują się oba jednocześnie, jest minimalne. Dzięki temu możemy być spokojni o bezpieczne, stabilne i nieprzerwane działanie systemu – wyjaśnia Szymon Paprocki.
Poza bezpieczeństwem w gazownictwie rozumianym w sposób najbardziej oczywisty, czyli ochroną przed wybuchem czy dbałością o ludzkie życie, trzeba zabezpieczyć się także przed zagrożeniami wynikającymi z zastosowania samych nowoczesnych technologii. Istotnym elementem jest więc kwestia bezpieczeństwa i ochrony danych procesowych, przesyłanych i gromadzonych we współczesnych sieciowych systemach automatyki przemysłowej.
Dlatego nowoczesne systemy do zarządzania i sterowania chronią centralny punkt dowodzenia na wielu poziomach. W wymienionym już Simatic PCS 7 warstw jest aż 8. Na samej górze znajduje się bezpieczeństwo fizyczne, czyli ograniczony fizyczny dostęp do systemu, następnie procedury i regulacje, sieci przemysłowe i DMZ (bezpieczna architektura sieci z segmentacją), firewalls i VPN (zabezpieczenia i wirtualne sieci prywatne), dostosowanie systemu, zarządzanie użytkownikami, zarządzanie aktualizacjami i na koniec – systemy antywirusowe.
Praktyka
Nowinki techniczne, automatyzacja i poszukiwanie najbardziej optymalnych rozwiązań to codzienność w branży gazownictwa. Te narzędzia są tam obecne na każdym kroku. Jednym z powodów jest ogromna rozpiętość odbiorców. – Mamy klientów, którzy z pomocą gazu gotują, inni tak pozyskują ciepłą wodę, kolejni ogrzewają mieszkania, a do tego są jeszcze małe i średnie firmy oraz ogromne przedsiębiorstwa. Taka różnorodność klientów wymaga różnego podejścia i specyficznych rozwiązań – wyjaśnia dyrektor Przemysław Gil z Polskiej Spółki Gazownictwa, która dostarcza rocznie ponad 9 mld sześciennych gazu do ponad 6,7 mln odbiorców.
Wśród urządzeń, które pomagają spełnić wymagania tak różnych klientów, są m.in. zdalne mierniki zużycia, ograniczniki przepływu, których zadaniem jest monitorowanie i ostrzeganie przed np. pobraniem większej ilości gazu niż zakładano, czy zdalnie wyłączane gazomierze, przeznaczone dla trudnych klientów. Te urządzenia można szybko odłączyć, bez konieczności dojazdu na miejsce poboru, jeśli na czas nie zostanie opłacony rachunek. Dyrektor Gil podkreśla, że w przypadku stosowania tego typu rozwiązań ważne jest dobranie odpowiedniej metody. – Zdalnie odłączane gazomierze są znacznie droższe od tradycyjnych.
To sprawia, że należy ich używać tylko w ściśle określonych i uzasadnionych przypadkach. Inaczej nie będzie się zgadzał rachunek ekonomiczny. A wiadomo, że ostatecznie to on jest kluczowy – twierdzi dyrektor Gil.
Z innych ciekawych rozwiązań wykorzystywanych przez Polską Spółkę Gazownictwa warto wymienić m.in. systemy telemetryczne, znaczniki sieci czy loty kontrolne nad gazociągami przy użyciu helikoptera. Trwają również prace nad bezsiarkowym nawaniaczem, który jest jużwykorzystywany m.in. w hutach szkła, gdyż jest zgodny z tamtejszą polityką środowiskową. Do nawaniania zamiast związków THT wykorzystywana jest substancja oparta na akrylanach, co sprawia, że gaz ziemny traci swój charakterystyczny zapach. – Niemcy już wdrażają ten nawaniacz na szeroką skalę. U nas na razie do tego nie dojdzie, gdyż potrzebne by były dwie rzeczy: nowe regulacje prawne oraz, co pewnie trudniejsze, dotarcie do świadomości ludzi. Zapach gazu, który znamy, jest tak charakterystyczny, że jego radyklana zmiana mogłaby mieć opłakane skutki. Proszę sobie wyobrazić, że ludzie nie wiedzą, czy mają do czynienia z wyciekiem gazu, czy sąsiad akurat maluje mieszkanie – wyjaśnia Przemysław Gil.
Z głową
Jak podkreślają eksperci, automatyzacja w gazownictwie jest wszechobecna i będzie jej coraz więcej. Obniżenie kosztów, podniesienie jakości i zapewnienie wysokich standardów bezpieczeństwa to argumenty, z którymi nie można dyskutować. Równie ważne jednak jak nowe rozwiązania techniczne jest poszukiwanie pomysłów na rozsądny i zbilansowany rozwój przemysłu energetycznego. – Gazu jest dużo i będzie go dużo. Z pewnością więcej niż wyniesie zapotrzebowanie. Dlatego ważne jest, żeby zrobić z niego użytek w odpowiedni sposób – podsumowuje dr Robert Zajdler.

Autor: Dawid Maćkowski – dziennikarz. Jest autorem kilkuset artykułów opublikowanych w prasie ogólnopolskiej, a także branżowej, m.in. dotyczących tematyki przemysłu.