Niniejszy artykuł opisuje opracowanie i wdrożenie zaawansowanego systemu sterowania APC dla instalacji wytwarzania amoniaku. Przedmiotem projektu była dynamiczna optymalizacja pracy instalacji wytwarzania amoniaku mająca na celu poprawę efektywności energetycznej i obniżenie zużycia surowców. Realizacja projektu odbyła się w ramach programu sektorowego ?INNOCHEM? finansowanego ze środków NCBiR w ramach Działania 1.2 ?Sektorowe programy B+R? Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020. Wdrożenie rozwiązania APC zostało zrealizowane przez Honeywell przy współudziale pracowników naukowych Politechniki Warszawskiej w Grupie Azoty Zakłady Azotowe Puławy S.A. na instalacji amoniaku nr 2.
Charakterystyka APC
APC (ang. Advanced Process Control) to inaczej automatyka zaawansowana, pozwalająca na bardziej efektywne wykorzystywanie możliwości istniejących instalacji przemysłowych bez wprowadzania zmian technologicznych. Celem APC jest takie prowadzenie procesu, by maksymalizować uzyski najbardziej wartościowych produktów przy jednoczesnym utrzymaniu ich prawidłowych parametrów jakościowych. Rozwiązanie APC firmy Honeywell należy do grupy produktów Honeywell Forge.
Działanie APC polega na automatycznym wysyłaniu odpowiednich wartości zadanych do podstawowych układów regulacji PID w systemie sterowania DCS. APC stanowi regulator nadrzędny dla istniejącego systemu sterowania. Rozwiązanie to jest wielowymiarowym regulatorem predykcyjnym typu MPC (ang. Multivariable Predictive Controller) wykorzystującym dynamiczne modele procesu. Optymalne sterowanie pozwala na utrzymanie parametrów procesowych na odpowiednich poziomach i w odpowiednich zakresach co korzystnie wpływa na stabilizację procesu i zmniejszenie jego energochłonności. Inaczej mówiąc, APC nie służy jedynie do sterowania instalacją, lecz jest narzędziem pozwalającym na optymalizację jej pracy.
Regulator APC jest narzędziem wspierającym pracę Operatora w stanach stabilnej pracy instalacji. Nie zastępuje on podstawowych układów regulacji ani tym bardziej systemów zabezpieczeń. W przypadku pojawienia się awarii lub innej niestandardowej sytuacji o znacznym wpływie na przebieg procesu produkcyjnego Operator przejmuje sterowanie procesem z wykorzystaniem klasycznych regulatorów i logik w systemie DCS. Wtedy to pierwszym zadaniem operatora jest wyprowadzenie instalacji ze stanu niebezpiecznego, a następnie po przywróceniu prawidłowych parametrów procesu możliwe jest włączenie aplikacji optymalizującej.
Charakterystyka procesu wytwarzania amoniaku
W Zakładzie Amoniaku w Grupie Azoty Zakłady Azotowe Puławy istnieje 5 linii produkcji amoniaku pracujących równolegle. Każdy z ciągów technologicznych podzielony jest na dwie instalacje: Przygotowania Gazu oraz Syntezy Amoniaku. Po etapie przygotowania gazu następuje sprężenie gazu na Hali Maszyn do odpowiedniego ciśnienia na wlocie do sekcji syntezy.
Charakterystycznym jest połączenie wszystkich linii wspólnym kolektorem przed i za Halą Maszyn. Zapewnia to pewną elastyczność ruchową Zakładu Amoniaku, ale jednocześnie powoduje wzajemny wpływ pracy poszczególnych linii w przypadku nierównomiernego obciążenia. Z tego też powodu niezbędne jest zastosowanie indywidualnego opomiarowania każdej z linii technologicznych tak, aby była możliwa niezależna ocena pracy danej linii oraz wyznaczenie odpowiednich wskaźników jakościowych dla każdej z nich.
Proces technologiczny przebiega w następujący sposób. Na instalacji Przygotowania Gazu na linii wytwarzania amoniaku nr 2 wodór niezbędny do produkcji amoniaku pozyskuje się w oparciu o auto-termiczny reforming węglowodorów zawartych w gazie ziemnym z zastosowaniem mieszaniny powietrza atmosferycznego i czystego tlenu.
Przygotowanie gazu procesowego do syntezy amoniaku składa się z następujących etapów:
- podgrzanie mieszanin powietrza i tlenu oraz gazu ziemnego z parą wodną w podgrzewaczach;
- konwersja katalityczna metanu;
- usuwanie z gazu procesowego CO w wyniku konwersji katalitycznej;
- usuwanie CO2 poprzez mycie potasowe,
- dalsze usuwanie z gazu procesowego CO i CO2 wykorzystując tzw. mycie miedziowe.
Synteza amoniaku jest procesem równowagowym, gdzie gazy opuszczające reaktor syntezy zawierają kilkanaście procent amoniaku. Proces prowadzony jest w tzw. ?pętli syntezy?. Reakcja syntezy amoniaku przebiega na katalizatorze żelazowym, gdzie ciepło reakcji wykorzystywane jest do produkcji pary oraz podgrzania gazu wlotowego do reaktora syntezy. Amoniak jest wykraplany z gazu opuszczającego reaktor syntezy poprzez przeponowe wychłodzenie na chłodnicach. Wykroplony ciekły amoniak odseparowywany jest w separatorach, rozprężany i kierowany na inne instalacje bądź do zbiorników magazynowych.
Realizacja projektu APC
W pierwszym etapie realizacji projektu konieczne było przeprowadzenie szczegółowej analizy stanu istniejącego. Analiza ta obejmowała stan aparatury kontrolno-pomiarowej oraz jakość pracy podstawowych układów regulacji PID w systemie sterowania DCS. Analiza ta została przeprowadzona przy współudziale ekspertów z Instytutu Automatyki i Informatyki Stosowanej Politechniki Warszawskiej.
Analiza urządzeń wykonawczych i pomiarowych została przeprowadzona w oparciu o konsultacje z personelem utrzymania ruchu, wyniki badania charakterystyk urządzeń wykonawczych na podstawie zebranych danych historycznych oraz analizę trendów historycznych przedstawiających pracę układów regulacji. Dalsza analiza objęła wyznaczenie podstawowych statystyk oraz właściwości persystentnych (fraktalnych), które odzwierciedlają jakość dynamiczną pracy pętli sterowania. Najbardziej istotne układy regulacji zostały poddane weryfikacji i zostały odpowiednio dostrojone, aby mogły odpowiednio współpracować z nadrzędnym regulatorem APC.
Z uwagi na wspomniane uprzednio połączenie wszystkich linii produkcji amoniaku wspólnym kolektorem niezbędne było uzupełnienie aparatury kontrolno-pomiarowej oraz armatury na 2 linii produkcyjnej amoniaku, aby umożliwić właściwe określenie wskaźników jakościowych dla optymalizowanej linii technologicznej.
W kolejnym etapie przeprowadzone zostały testy obiektowe mające na celu identyfikację dynamicznych modeli procesu wykorzystywanych w regulatorze MPC w odpowiedniej wielowymiarowej macierzy. Testy przeprowadzono na pracującej instalacji w normalnych warunkach ruchowych. Bardzo istotna była ścisła współpraca z personelem zakładowym (technologowie, operatorzy), którzy umożliwili sprawne wykonanie niezbędnych prób jednocześnie zapoznając się szczegółowo z przebiegiem bardzo istotnego etapu realizacji projektu. Wiedza personelu Grupy Azoty Zakładów Azotowych Puławy z zakresu technologii APC została odpowiednio uzupełniona poprzez uczestnictwo w rozszerzonym szkoleniu inżynierskim z zakresu teorii automatyki zaawansowanej i warsztatów praktycznych. Dodatkowo zostało to potwierdzone dużym zaangażowaniem na etapie uruchomienia aplikacji APC i niewątpliwie przyczyniło się to osiągnięcia ostatecznych wyników, czyli stabilizację pracy instalacji oraz poprawę odpowiednich wskaźników jakościowych.
System APC na instalacji amoniaku ma na celu poprawne sterowanie stosunkiem wodór-azot (H2/N2) w pętli syntezy poprzez odpowiednie dozowanie powietrza na sekcji przygotowania gazu przy uwzględnieniu specyficznej dynamiki procesu charakteryzującej się długim czasem do osiągnięcia stanu ustalonego. Dodatkowo, sterując ilością tlenu, ilością pary oraz wartościami temperatur na podgrzewaczach mieszanki powietrze-tlen oraz gazu procesowego, regulator APC utrzymuje pożądane temperatury na krakerze, stosunek para/wsad oraz zawartość metanu po konwersji. Sterując poziomami w wymiennikach ciepła APC utrzymuje odpowiednią temperaturę ługu miedziowego zapewniając pożądaną efektywność mycia miedziowego. W sekcji syntezy amoniaku sterowanie obejmuje regulację ciśnienia pętli syntezy oraz ilości inertów a także optymalne sterowanie chłodzeniem w pętli syntezy za pomocą wentylatorów oraz amoniakalnego układu chłodniczego.
Poniżej przedstawiono szczegółowe cele regulacji APC, zwane zmiennymi regulowanymi CV (ang. Controlled Variables), z podziałem na instalacje.
Regulacja instalacji przygotowania gazu:
- Temperatura konwersji metanu
- Stosunek para/wsad
- Zawartość CH4 po konwersji
- Temperatury konwersji CO
- Zawartość CO po myciu potasowym
- Zawartość H2 po myciu miedziowym
- Mycie potasowe ? zawartość H2 i CO
- Mycie miedziowe – temperatura
Regulacja instalacji syntezy amoniaku:
- Stosunek H2/N2
- Ciśnienie pętli syntezy
- Temperatura gazu syntezowego
- Zawartość inertów w pętli syntezy
- Zużycie amoniaku chłodniczego
- Stopień przereagowania amoniaku
Działanie regulatora APC polega na utrzymywaniu wyżej wymienionych zmiennych regulowanych w odpowiednich zakresach lub utrzymywaniu optymalnych wartości (minimalizacja lub maksymalizacja). W efekcie pozwala to na stabilizację procesu technologicznego i poprawę efektywności pracy instalacji przemysłowej.
System APC został zbudowany w postaci jednego regulatora MPC obejmującego cały ciąg nr 2 wytwarzania amoniaku z podziałem na podregulatory (ang. subcontrollers) dedykowane dla dwóch instalacji: Przygotowanie Gazu i Synteza Amoniaku, stanowiących linię produkcyjną amoniaku. System APC wyposażony jest w dedykowany interfejs użytkownika dostępny na stacji operatorskiej APC. Ponadto uproszczona grafika do sterowania systemem zaimplementowana w systemie sterowania DCS jest wyświetlana na stacjach operatorskich obu sekcji.
Integracja regulatora APC z systemem sterowania DCS została wykonana z wykorzystaniem protokołu komunikacyjnego OPC. Dane wymieniane są dwukierunkowo za pośrednictwem serwera OPC skonfigurowanego w systemie DCS. Połączenie wyposażone jest w pełną diagnostykę stanu komunikacji i w przypadkach awaryjnych następuje automatyczne przełączenie na sterowanie jedynie z systemu DCS. Przełączanie realizowane jest bez skokowych zmian wartości zadanych (bezuderzeniowo) z uwagi na zastosowanie odpowiedniego śledzenia aktualnych wartości zadanych w każdym z trybów pracy.
Osiągnięte wyniki
Wskaźniki jakościowe służące do oceny zastosowanego rozwiązania APC zostały obliczone przez ekspertów z Politechniki Warszawskiej przy współudziale inżynierów technologów z Grupy Azoty Puławy. Na potrzeby przeprowadzenia analizy porównawczej określającej osiągnięte wyniki wykorzystano dwa podstawowe wskaźniki oceny:
- bilans cieplny zużywanej i produkowanej pary wyrażony w stosunku do jednostkowej produkcji amoniaku,
- zużycie gazu ziemnego wyrażone względem jednostkowej produkcji amoniaku.
Pierwszy wskaźnik uwzględnia zużycie pary o ciśnieniu 3.2 MPa na etapie przygotowania gazu oraz produkcję pary 1.4 MPa w procesie przygotowania gazu syntezowego oraz w pętli syntezy amoniaku. Bilans pary został przeliczony na energię wyrażoną w [MJ] uwzględniając aktualną entalpię pary (wyznaczana z tablic parowych) oraz właściwe przepływy. Wskaźnik ten wyrażony jest w jednostkach energii na tonę wyprodukowanego amoniaku [MJ/t].
Drugi z tych wskaźników wyznaczony jest jako stosunek zużytego gazu ziemnego do ilości wyprodukowanego amoniaku i wyrażony jest w jednostkach przepływu na tonę wyprodukowanego amoniaku [Nm3/t].
Do analizy wykorzystane zostały dane dostarczone przez Grupę Azoty Puławy. Dane podzielono na dwa zestawy: praca instalacji z załączonym nadrzędnym regulatorem APC oraz praca instalacji bez załączonego regulatora APC z wykorzystaniem jedynie podstawowych układów regulacji PID w systemie DCS. Wszystkie dane archiwalne użyte do obliczeń zostały zebrane z czasem próbkowania 15 minut. W przeprowadzonej analizie uwzględniono dane z pełnego obciążenia instalacji zgodnie z założeniami projektu.
Po przeprowadzeniu kompletnej analizy statystycznej i wykonaniu obliczeń określono poprawę bilansu pary procesowej w instalacji o co najmniej 1.3% oraz zmniejszenie wskaźnika zużycia gazu ziemnego na tonę amoniaku o co najmniej 1%. Grupa Azoty Puławy dodatkowo oszacowała, że w rezultacie pozwoliło to na redukcję śladu węglowego w produkcji amoniaku o ponad 20 kg CO2 / tonę amoniaku.
Ponadto należy zaznaczyć, że w wyniku wdrożenia regulatora APC i w konsekwencji optymalizacji procesu technologicznego nastąpiła istotna poprawa jakości regulacji określana miarą odchylenia standardowego odpornościowego. Osiągnięto ok. 50% poprawę wartości odchylenia standardowego w/w parametrów.
Na histogramach przedstawiono przykładowo zużycie gazu na tonę wyprodukowanego amoniaku oraz zawartość CH4 w gazie po konwersji metanu. W ten sposób graficznie przedstawiona została stabilizacja parametrów procesu wytwarzania amoniaku uzyskana poprzez zastosowanie rozwiązania APC.
Podsumowanie
Implementacja regulatora APC na linii 2 wytwarzania amoniaku w Grupie Azoty Puławy pozwoliła osiągnąć optymalne parametry technologiczne i w konsekwencji wymierne rezultaty. Były one zgodne z oczekiwanymi efektami wdrożenia rozwiązania APC. Osiągnięto przy tym stabilizację procesu technologicznego, która jest bardzo istotna z uwagi na konieczność utrzymania stałej jakości produktu. Stabilność pracy instalacji ma także ważne znaczenie dla personelu utrzymania ruchu, gdyż przyczynia się do ograniczenia częstotliwości interwencji operatorskich.
Osiągnięte rezultaty umożliwią zastosowanie innowacyjnych rozwiązań tego typu na pozostałych liniach wytwarzania amoniaku. W efekcie pozwoli to na kompleksową optymalizację produkcji amoniaku w Grupie Azoty Puławy podnosząc efektywność produkcji i umożliwiając minimalizację emisji CO2 w procesie produkcyjnym.
Autorzy: Robert Jankowski, Honeywell, Paweł D. Domański, IAIS PW, Krzysztof Dziuba, Grupa Azoty Puławy, Radosław Góra, Grupa Azoty Puławy
