Ocena procesu wydatkowania energii pomaga określić sposób redukcji jej konsumpcji zarówno w produkcji procesowej, dyskretnej i hybrydowej, jak i w procesie wytwarzania cementu. Holistyczne podejście do zarządzania energią może obniżyć koszty o 20% w takich obszarach, jak pomiar, jakość zasilania, odciążanie, zarządzanie pracą silników elektrycznych, współczynnik mocy oraz optymalizacja zużycia energii.
Pośród producentów borykających się z trudnościami związanymi z wysokimi cenami energii, wytwórcy cementu przeżywają szczególnie trudny okres. Muszą zmierzyć się ze znaczącymi podwyżkami cen, szczególnie w odniesieniu do wykorzystywanych pieców, w których średnie zużycie energii wynosi 100200 kWh na tonę cementu (dane: ?Cement Plant Operations Handbook, 2009?). Stanowi to wyzwanie, dodatkowo połączone z ciągle rosnącymi cenami ropy naftowej i energii, które zmusiło wytwórców cementu do wdrożenia programów zarządzania energią w celu zredukowania kosztów, zachowując dotychczasową konkurencyjność oraz mając na względzie zwiększenie zysków.
Wielu producentów cementu obniżyło koszty energii nawet o 20%, stosując podejście holistyczne do przemysłowego zarządzania zużyciem zasobów, które równie dobrze może pomóc innym wytwórcom oraz pozwala na zwiększenie produkcji. Wybór odpowiedniego podejścia strategicznego do procesu produkcji pozwala uzmysłowić klientom znaczenie pomiarów pomocnych w oszczędzaniu energii oraz poznać takie narzędzia, jak:
- systemy zarządzania zasilaniem i energią,
- napędy o zmiennej częstotliwości,
- układy sterowania predykcyjnego,
- ocena zużycia energii.
Narzędzia te pomagają producentom cementu:
- znaleźć i usunąć działania niewydajne,
- zmodyfikować osprzęt i proces produkcji,
- wskazać wydajne rozwiązania podczas projektowania produktu,
- rozszerzyć działania zakładu tak, aby zawierały obszerne programy zarządzania energią, by dostarczyć wymierne rezultaty i oszczędności.
Zarządzanie produkcją w dynamicznie zmieniających się warukach (zasoby, ceny, wymagania, wydajność procesu, przepisy i regulacje itd.) bywa trudne. Rosnące w tym samym czasie koszty energii, wody, powietrza, gazu, elektryczności i pary wodnej są niejednokrotnie wyzwaniem.
Paul Scheihing, dyrektor techniczny w Industrial Technologies Program U.S. department of Energy, stwierdza: ? Koszt pozyskania energii potrzebnej do produkcji przez każdą jednostkę przemysłową jest widziany jako zmienna wejściowa procesu zarządzania i zazwyczaj przypisywana jest jej duża waga, ponieważ wykorzystanie tej energii przez zakład przemysłowy najczęściej oznacza koszt. Nie jest to regułą we wszystkich przedsiębiorstwach, jednak doświadczenie pokazuje, że dopóki zakład nie stosuje aktywnego zarządzania wykorzystaniem energii i nie ma kompleksowo opracowanego planu w tym zakresie, jest mniej efektywny energetycznie niż mógłby być. Bez zastosowania wskaźników jakości pokazujących konsumpcję energii w stosunku do produkcji wyjściowej ciężko jest zmierzyć lub udokumentować poprawę w użytkowaniu energii.
Po raz pierwszy w historii przemysłu automatyka, optymalizacja i rozwiązania informacyjne potrzebne do poradzenia sobie z wyzwaniem oszczędzania energii i osiągania wymiernych rezultatów są gotowe i dostępne bez trudu.
Ocena procesu wydatkowania energii
Przed wdrożeniem każdego programu zarządzania zużyciem energii wprowadzenie oceny procesu jej wydatkowania może wspomóc firmy w zidentyfikowaniu szerokiego zakresu zmian, jakich mogą dokonać, aby zmniejszyć jej konsumpcję. Może być to proste jak przejście się po budynku albo zakładzie i znalezienie okazji bądź może to wymagać większego wysiłku. Ocena stanu wydatkowania może pomóc ustanowić zasięg zmian, jakich należy dokonać, aby zaoszczędzić energię, zdefiniować kluczowe pomiary oraz uporządkować zasoby, aby mieć holistyczny widok na energię wykorzystywaną w całym przedsiębiorstwie.
Wnioski płynące z oceny stanu wydatkowania mogą zawierać modyfikacje zachowań wymagające niskich bądź pozbawione nakładów pieniężnych, takie jak przesunięcie działań konserwacyjnych na czas wolny, albo iść dalej, np. zmiana oprogramowania w urządzeniach. Oszacowanie i priorytetyzacja najważniejszych możliwości us-prawnień może również być poddana analizie.
Kontrola energii
Po dokonaniu oceny stanu wydatkowania pierwszym krokiem w kierunku zarządzania zużyciem energii jest zrozumienie charakteru i trendów korzystania z energii w całym obiekcie.
Personel zarządzający budynkiem powinien mieć wgląd w odczyty zużycia energii w placówce, aby mógł zebrać potrzebne dane o zasobach energetycznych wykorzystywanych przez sprzęt oraz warunkach środowiskowych. Postępowanie powinno zapewnić informacje o miejscach poboru energii, od procesu przemysłowego po systemy obsługi zainstalowane w budynku.
Dane te są następnie wprowadzone i oznaczone pod względem czasu wystąpienia z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania, pozwalającego wyznaczać trendy lub niezgodności w jakości energii i jej konsumpcji oraz optymalizować pod kątem przyszłych ulepszeń. Dzięki tak szerokiemu widokowi na sumaryczne wydatkowanie energetyczne placówki personel zarządzający budynkiem może wyszukać i dokonać zmian tak, aby pomóc zredukować konsumpcję energii i kosztów z tym związanych (straty obciążenia czy czasowe obniżenie poziomu zasilania, kiedy zakład pracuje z pełną mocą).
Pomiary energii
Pierwszym krokiem jest pomiar głównych przychodzących zasobów i podział zakładu na Centra Alokacji Energii (CAE). W przypadku elektryczności producent może zainstalować główny licznik na generatorach, piecach, silnikach o mocy powyżej 200 kM oraz większych odbiorcach prądu znajdujących się w obrębie danego CAE.
W kwestii paliw kopalnych producent może mierzyć przepływ przychodzącego gazu na głównym zaworze, piecach oraz większych jego odbiorcach. Urządzenia kontrolujące produkcję zapewniają także wiedzę na temat wyznaczania konsumpcji energii. Zidentyfikuj najlepsze miejsca akwizycji danych procesowych i zaprogramuj system, aby analizował i przechowywał te dane.
Sporządź wykresy profilowe konsumpcji energii, dokonując pomiarów i zapisu wykorzystania energii w celu zidentyfikowania okresów wzmożonego zapotrzebowania, skoreluj konsumpcję z aktywnością zakładu i produkcją w czasie rzeczywistym, dokonaj prognozy zapotrzebowania na energię.
Kontrola jakości zasilania: Zebranie i przejrzenie informacji na temat jakości zasilania może pomóc zidentyfikować anomalie systemu zasilania i obliczyć koszt przerw w dostawie zasilania.
Pomiary kontroli jakości zasilania wyświetlają, zapisują, tworzą trendy i ostrzegają o parametrach jakościowych zasilania, takich jak harmoniczne, skoki napięcia czy zakłócenia w systemie.
Dzięki bazie historycznych danych zarządcy budynku mogą zidentyfikować kwestie związane z jakością zasilania, takie jak spadki napięcia czy harmoniczne, które mogą spowodować uszkodzenia sprzętu wewnątrz zakładu i powodować problemy ze współczynnikiem mocy w sieci elektrycznej. Znając te ryzyka, producenci mogą lepiej chronić swój sprzęt i unikać ponoszenia kar nakładanych przez firmy zewnętrzne za niewywiązanie się z umowy.
Zwiększona efektywność: Wytwórcy cementu mogą wdrażać strategie sterowania, takie jak awaryjne odciążanie, alokacje kosztów oraz wymagać zarządzania, zwiększajacego wydajność zakładu.
Awaryjne odciążanie: Aby usprawiedliwić koszt systemu awaryjnego odciążania, wystarczy z grubsza oszacować, ile kosztowałby zanik zasilania w trakcie produkcji, korzystając z zebranych danych podczas wcześniej dokonanej oceny procesu wydatkowania. Większość producentów cementu ocenia, że koszt systemu awaryjnego odciążania zwróci się w ciągu jednej lub dwóch przerw w dostawie energii elektrycznej.
Awaryjne odciążanie stosowane jest w miejscach generowania prądu bądź tam, gdzie występuje wiele liczników energii. Pomaga ono producentom w ochronie generatorów przed niebezpiecznymi przeciążeniami, utrzymując obciążenie znamionowe podczas zaniku zasilania i eliminując koszty związane z naprawą sprzętu i czasem wyłączenia go z produkcji.
Konsumpcja energii, alokacja kosztów, kontrola wydatków: Dokonując przeglądu wcześniej zebranych danych z użytkowania energii, wytwórcy cementu mogą dowiedzieć się, gdzie i w jakim stopniu wydatkowane są pieniądze. Może to pomóc w alokacji kosztów na dany wydział, proces czy zakład. Weryfikacja dokładności rachunków może skutkować zmianą w ilości dostarczanej energii i kontraktów na nią.
System zarządzania zapotrzebowaniem ogranicza zapotrzebowanie energetyczne dzięki zastosowaniu strategii odciążania oraz unikania poboru szczytowej, drogiej energii z sieci. Pomaga to w zredukowaniu opłat i zarządzaniu kupnem energii w czasie rzeczywistym lub minimalizowaniu obciążenia podczas okresów przestoju.
Dla przykładu huta żelaza zużywała 90 000 MWh energii elektrycznej miesięcznie za łączną kwotę 2,7 miliona dolarów rocznie. Dokonując wymiany starego, zawodnego systemu zarządzania zapotrzebowaniem i aktualizując algorytmy sterowania na bardziej efektywne, poprawił się współczynnik mocy oraz zmniejszyły się spadki napięcia. System wart 300 000 dolarów zwrócił się w ciągu pięciu miesięcy.
Zarządzanie napędami
Prawie 70% elektryczności wykorzystywanej w przemyśle konsumowane jest przez jakiś typ urządzeń wyposażonych w napęd. W ciągu dziesięciu lat eksploatacji napęd może zakumulować energię o łącznej wartości stukrotnie przewyższającej jego pierwotną wartość zakupu.
Wytwórcy cementu mogą znacząco obniżyć zużycie energii przez silniki, implementując inteligentne rozwiązania z dziedziny sterowania, takie jak przemienniki częstotliwości (VFD). W fabrykach cementu VFD wykorzystywane są, aby oszczędzać energię oraz kontrolować parametry procesu i czasy przestoju w rozwiązaniach,w których stosuje się zmienne charakterystyki momentu obrotowego, takie jak przepływ gazów i płynów, lub w zastosowaniach ze stałym momentem obrotowym, np. podawanie materiałów i szlifowanie. Napędy są również wykorzystywane do zasilania rolek do rozdrabniania różnego rodzaju kruszywa do cementu oraz do rozruchu i utrzymywania pracy wielu walców, młynów kulkowych czy taśm transportujących nadwyżki materiału.
Typowe zastosowanie VFD w cementowni obejmuje: wentylatory, napędy pieców, napędy młynów, systemy chwytania materiału, pompy i kompresory.
Współczynnik mocy (WM) pokazuje, jak skutecznie producenci cementu wykorzystują energię pobieraną z sieci. WM równy 1 jest równoznaczny ze 100% wydajnością; cała energia z sieci jest zużyta. WM równy 0 oznacza, że przepływ prądu jest bierny. W celu poprawy współczynnika firmy mogą wdrożyć technologię VFD, wykorzystać silniki synchroniczne (mają one WM w stanie ustalonym, równy 1) albo zainstalować kondensatory korekcyjne (do poprawy słabego współczynnika mocy silników indukcyjnych).
Zoptymalizowana wydajność: Podczas gdy wytwórcy cementu poznali możliwości poprawy wydajności, następnym krokiem jest zbadanie możliwości optymalizacji całego procesu. Istotnie, efektywne sterowanie większą częścią urządzeń procesowych zazwyczaj oznacza radzenie sobie z systemami wielowymiarowymi, jednak niezmiernie mało prawdopodobne jest, że traktowanie każdej pętli sterowania oddzielnie zapewni optymalną kontrolę w większości sytuacji, gdyż działanie jednej pętli wpływa na inne.
Układy sterowania predykcyjnego (MPC) dostarczają do wewnętrznego modelu dynamiki procesu obiekt, który ma ograniczone sterowanie i jest oparty na określonym przedziale częstotliwości. Dane zebrane w poprzednich cyklach kontrolują ruchy, aby określić błąd i zoptymalizowaną funkcję kosztu w horyzoncie predykcji, w celu obliczenia optymalnego ruchu sterującego i kontroli zachowania w przyszłości.
Technologia MPC pozwala regulatorowi zbierać informacje o aktualnych warunkach działania procesu, następnie wykorzystuje model, aby przewidzieć odpowiedź układu na sekwencję przyszłych ruchów manipulowanych wejść w określonym czasie lub ?horyzoncie sterowania?. W kolejnym kroku optymalne rozwiązanie wyliczone online określa najlepszą sekwencję przyszłych ruchów układu wielowymiarowego, tak aby zminimalizować szczegółową funkcję celu, jednocześnie respektując różne ograniczenia procesowe. Część trajektorii sterowania jest zastosowana w procesie, następnie dokonywane są nowe pomiary odzwierciedlające zmodyfikowane warunki działania, pozwalające na porównanie wyjść procesowych do zadanych trajektorii odniesienia. Korzystając z nowej informacji, system powtarza optymalizację i proces sterowania ruchem.
Systemy MPC mogą zoptymalizować proces przygotowawczy surowego materiału, wliczając w to rozdrabnianie cementu czy mieszanie materiałów. Oszczędność energii polega na zoptymalizowaniu spalania, sterowaniu profilami temperatur, optymalizacji procesu rekuperacji ciepła oraz innych. Systemy MPC ograniczają zużycie energii od 3 do 5%, zapewniają lepszą jakość produktu i poprawiają wydajność.
Patrick Murray jest menedżerem sprzedaży w Rockwell Automation
CE