Predykcja obciążeń i zużycia pary w fabryce papieru

W zakładach papierniczych Langerbrugge wykorzystano analizy symulacyjne w utrzymaniu stabilności pracy kotłów i całego systemu dystrybucji pary, nawet w najbardziej ekstremalnych sytuacjach awaryjnych, takich jak np. niespodziewane zatrzymanie czy wyłączenie turbin.

W zakładach Langerbrugge firmy Stora Enso w Belgii zdecydowano się na instalację kotła nowej generacji CFB (ang. Circulating Fluidized Bed – z obiegowym złożem fluidalnym) z parową turbiną kondensacyjną. Jako konsultanta projektu oraz koordynatora prac związanych z opracowaniem i wdrożeniem dynamicznego układu symulacji sieci dystrybucji pary wybrano firmę Poyry. Układ ten stał się podstawowym elementem opracowania procedur sterowania i predykcji obciążeń całego systemu produkcji i przesyłu pary w papierni.
Zadanie, przed którym stanęli jej przedstawiciele, było o tyle trudne, że wcześniej para wykorzystywana w zakładach była kupowana i dostarczana do zakładu z zewnątrz, a wraz z zakupem i instalacją nowego kotła powstała konieczność opracowania nowego systemu monitoringu i sterowania dla układu zasilania w parę, posiadającego własne jej źródło. Wspomniana już idea wdrożenia dynamicznego układu symulacji systemu produkcji i dystrybucji pary, wspierającego prace projektowe i wdrożeniowe nowych instalacji, pozwoliła na udział inżynierów specjalistów we wszystkich etapach tych prac. W związku z tym po uruchomieniu procesów produkcyjnych system sterowania był zdolny do szybkiej i optymalnej pracy, nawet w nieprzewidywalnych sytuacjach awaryjnych – zatrzymaniu turbiny czy zerwaniu zwojów papieru przy maszynie papierniczej. Podejście to doskonale sprawdziło się w zakładach Langerbrugge, a niniejszy artykuł zawiera opis zrealizowanych tam prac inżynierskich i implementacyjnych.
Symulacje statyczne i dynamiczne
Pomimo tego, że obecnie na rynku dostępnych jest wiele nowoczesnych narzędzi umożliwiających zaawansowane symulacje najrozmaitszych systemów i podsystemów występujących w zakładach przemysłowych, w wielu z nich parametry pracy systemów sterowania wciąż bazują na obliczeniach powstałych w wyniku analiz modeli statycznych lub klasycznych równań bilansu cieplnego. I choć nie można odmówić im użyteczności, jednak należy podkreślić, że w ich założeniach przyjmuje się najczęściej pewne ustalone, średnie wartości parametrów procesowych – jak na przykład zużycie pary, dla określonego punktu pracy systemu. W rzeczywistości jednak każdy dzień pracy zakładu przemysłowego obfituje w różne nieprzewidywalne sytuacje, które mogą wprowadzać destabilizację w systemach obsługujących proces produkcyjny.

Ponieważ jednak sztuczne wywoływanie stanów awaryjnych w rzeczywistym układzie zawsze wiąże się z bardzo wysokimi kosztami, nie przeprowadzano takich prób przy projektowaniu i instalacji systemów np. dystrybucji pary. Dlatego też do dziś wiele elementów w systemach sterowania złożonymi procesami przemysłowymi dobieranych jest na zasadzie prób i błędów, w celu ustalenia optymalnych parametrów pracy w stanie ustalonym lub ewentualnie przy bardzo niewielkich od niego odstępstwach.
Tymczasem firma Poyry już 10 lat temu opracowała dynamiczny symulator sieci dystrybucji pary – Modysim. Jego podstawową zaletą jest prostota i efektywność – modele systemowe są na tyle proste, że symulacje nie są kosztowne i czasochłonne, a ich efekty i wyniki na tyle szczegółowe i miarodajne, by pozwolić na dobór parametrów pracy systemu z wysoką dokładnością. Ponadto we wspomnianym czasie symulator ten był już wykorzystany przy ponad 40 projektach, gdzie zweryfikowano jego użyteczność, a precyzyjne wyniki były dostępne dla inżynierów projektantów już po kilku dniach od rozpoczęcia symulacji.
Po tym jak symulator Modysim był z sukcesem stosowany w licznych projektach optymalizacji sieci dystrybucji pary, firma Poyry zdecydowała się na jego modernizację i poszerzenie możliwości funkcjonalnych symulacji tak, by objąć nimi inne elementy projektów systemowych. Wspomniane już zakłady Langerbrugge firmy Stora Enso stały się jednym z pierwszych beneficjentów tej koncepcji.

Symulacje dynamiczne procesów umożliwiają obserwację i analizę powiązanych z nimi bardzo dużych ilości zmiennych sygnałowych, ale szczególną uwagę zwraca się w nich na optymalną konfigurację całego systemu sterowania i monitoringu. Idea ta w praktyce sprowadza się do ciągłego nadzoru przez specjalistów opracowujących i przeprowadzających symulację. Szczególnie widoczne jest to w trakcie ostatecznego wdrożenia jej rezultatów na rzeczywistym układzie procesowym turbin i kotłów, wsparciu w czasie komisjonowania i uruchamiania urządzeń oraz związanych z nimi sterowników, czujników, elementów wykonawczych.
Doświadczenia z przeprowadzonych już wdrożeń wskazują, że poprawna implementacja rezultatów i wskazań, wynikających z przeprowadzonych wcześniej symulacji dynamicznych obsługi kotłów i turbin oraz systemu dystrybucji pary, pozwala na znaczące skrócenie okresu niezbędnego do uruchomienia pracy tego systemu oraz uniknięcia nieprzewidzianych sytuacji w trakcie początkowej eksploatacji (z kilku miesięcy do kilku tygodni).
Obsługa turbin kondensacyjnych
Jak już wspomniano, przed wdrożeniem nowego projektu zasilania zakładu papierni w parę z własnego kotła i układu kondensacyjnego, medium to było kupowane i dostarczane z innego, zewnętrznego zakładu. Po zainstalowaniu kotła rurociąg dostarczający parę z zewnątrz został całkowicie odłączony. Jednak w pierwotnym rozwiązaniu ciśnienie pary w systemie dystrybucji było zależne i regulowane przez zawory umieszczone w miejscu wejścia tego rurociągu na teren papierni. Dlatego też wdrożenie własnego układu zasilania w parę wymagało również kompleksowego przeprojektowania układów regulacji i obsługi systemu dystrybucji pary.

W nowej koncepcji funkcjonowania systemu produkcji i dystrybucji pary głównym problemem, jeszcze w czasie prac koncepcyjnych i wdrożeniowych, stała się obsługa i sterowanie systemem w przypadku awarii, uszkodzenia, zatrzymania turbin kondensacyjnych. I właśnie w rozwiązaniu tej kwestii szczególnie użyteczna okazała się dynamiczna symulacja Modysim procesu, prowadzona przez specjalistów z firmy Poyry. W symulacji Modysim, bez zbędnych przeszkód i dodatkowo powstałych kosztów, można było przeanalizować zachowanie całego systemu w wyniku wystąpinienia wyżej wymienionych awaryjnych i nietypowych sytuacji.
Schemat istniejącego układu regulacji ciśnienia został opracowany kilka lat wcześniej, dlatego załoga zakładów Langerbrugge była już dobrze zaznajomiona z metodą działania specjalistów firmy Poyry w zakresie budowy zintegrowanych systemów sterowania i monitoringu, również tych powstających z łączenia dotąd całkowicie autonomicznych układów. Dlatego też celem przeprowadzonych symulacji dynamicznych była weryfikacja przyjętych założeń dotyczących połączenia dwóch podsystemów zasilania parą oraz ostatecznego przeprojektowania całego systemu dystrybucji pary na zasilanie z nowych, własnych kotłów i turbin (rysunek 1).
Weryfikacja ustawień i parametrów procesowych
Symulacje dynamiczne to doskonałe narzędzie do ustalania i weryfikacji nastaw oraz parametrów roboczych konkretnych urządzeń procesowych, sterowników i całego zintegrowanego systemu sterowania i monitoringu. Zwykle przepustowości zaworów, czas reakcji elementów wykonawczych czy pojemnościakumulatorów to parametry sprawdzane i weryfikowane przez celowe wprowadzenie do symulacji nastaw odpowiadających nietypowym czy awaryjnym stanom maszyn lub urządzeń procesowych.

Oczywiście w zakładach Langerbrugge rzeczywiste maszyny na linii produkcyjnej nie mogą być zmieniane czy poddawane stanom awaryjnym, jednak implementacja kotłów i zespołów turbin kondensacyjnych wymusiła wprowadzenie zmian w strukturze linii produkcyjnej oraz wymagała weryfikacji parametrów pracy urządzeń w nowych warunkach pracy i współpracy ze zmodernizowanym systemem dystrybucji pary.
Początkowo kanał obejścia (bypass) turbin kondensacyjnych był przyłączony do głowicy wysokiego ciśnienia. Takie podłączenie było związane z dużo niższymi kosztami. Natomiast zawór sterujący bypassem wymiarowany był z kolei na minimalne obciążenie nowej turbiny kondensacyjnej, a nie, jak można by się spodziewać, na maksymalne obciążenie. W związku z tym rozważano podłączenie kanału obejścia do głowicy niskiego ciśnienia, co mogłoby się okazać tańszym rozwiązaniem. W tym celu konieczne było posiadanie informacji, czy system dystrybucji pary będzie mógł poprawnie działać przy takiej koncepcji połączeń kanału obejścia.
Do modelu symulacyjnego wprowadzono odpowiednie ustawienia i parametry pracy, dzięki czemu możliwe było sprawdzenie opisanych założeń i ustalenie, które rozwiązanie konstrukcyjne jest możliwe do wykorzystania, gwarantując poprawną pracę wszystkich elementów systemu dystrybucji pary.
Symulacja dynamiczna i jej rezultaty
Uruchomiona symulacja dynamiczna dla określonej aplikacji przemysłowej dostarcza wyniki między innymi w postaci bardzo precyzyjnych krzywych dynamicznych dla ustalonych wcześniej parametrów symulacyjnych, takich jak: przepustowość zaworów i kanałów dystrybucji pary, szybkość działania urządzeń wykonawczych czy parametry połączeń między poszczególnymi komponentami systemu. Na ich podstawie możliwe jest bardzo szybkie ustalenie, czy są one wystarczające do utrzymania stabilności i ciągłości pracy układu dystrybucji pary w określonych sytuacjach, jakie mogą zaistnieć w procesie eksploatacji. W przypadku omawianej papierni sytuacjami awaryjnymi analizowanymi w symulacji były: zerwanie się zwoju papieru oraz nagłe zatrzymanie/wyłączenie turbin kondensacyjnych (rysunek 2).
Wyniki symulacji wskazały na kilka istotnych faktów:

  • Podczas normalnej pracy układu nowa turbina kondensacyjna była w stanie sterować niskim ciśnieniem w układzie nawet podczas znacznie gorszych zaburzeń niż te związane z zerwaniem się taśmy czy zwoju papierowego na maszynach papierniczych.
  • Kanał obejścia – bypass turbiny może być podłączony do głowicy niskiego ciśnienia zamiast do strony wysokociśnieniowej, dzięki czemu urządzenia są tańsze.
  • Aby zagwarantować bezpieczne przetrwanie systemu w czasie nagłego zatrzymania turbiny, zawory na turbinie i jej kanale obejściowym muszą być bardzo szybko otwarte, a zawór uruchomieniowy musi być wyposażony w bardzo szybki, pneumatyczny element wykonawczy.
  • System sterowania turbiną wymaga pewnych modyfikacji, by poprawnie współpracować z istniejącą już w zakładzie infrastrukturą (rysunek 3).

Specyfikacja parametrów pracy sieci dystrybucji pary
W ostatnich latach znacząco wzrasta liczba prowadzonych symulacji dynamicznych układów i sieci dystrybucji pary w zakładach przemysłowych. Stąd coraz większe wynikające z nich doświadczenie i możliwe sformułowanie pewnych ogólnych spostrzeżeń. O ile sam proces przemysłowy i jego parametry działania wpływają na otrzymywane wyniki symulacji, wspomniane doświadczenie wskazuje również, że niemal połowa zjawisk obserwowanych na krzywych wynikowych symulacji (zaburzenia, skoki, przegięcia) ma bezpośredni związek z konfiguracją i doborem nastaw układów sterowania. Dlatego też, niezależnie od tego, jak dobre są wyniki symulacji, mogą one nie mieć żadnego znaczenia, jeżeli do systemu nie zostaną poprawnie zaimplementowane nastawy i parametry pracy układów sterowania obsługujących proces i układy dystrybucji pary. Stąd jednymi z najważniejszych elementów wynikających z przeprowadzenia symulacji dynamicznych są specyfikacje i nastawy parametryczne dla układów sterowania systemem dystrybucji pary, pozwalające na dobór odpowiednich strategii i algorytmów sterowania, gwarantujących poprawną pracę układu i jego bezpieczeństwo w sytuacjach awaryjnych. Dotyczy to torów dystrybucyjnych pary oraz ciśnienia w układzie wytwarzania pary i na turbinach kondensacyjnych.

Z przeprowadzonych analiz wynikają dwa najważniejsze wymogi odnośnie układów sterowania:

  • Po pierwsze wszystkie sterowniki ciśnienia powinny korzystać tylko z jednego czujnika ciśnienia. Pozwala to na uniknięcie błędów pomiarowych pomiędzy różnymi pętlami pomiaru i sterowania, lepszą integrację funkcjonalności wszystkich elementów oprzyrządowania i stabilizację pracy całej sieci dystrybucji pary.
  • Po drugie algorytmy sterowania ciśnienia turbin muszą być modyfikowalne. Wynika to z tego, że sterowniki ciśnienia na turbinach korzystają z zewnętrznych sygnałów pomiarowych ciśnienia, co może prowadzić do zmian we wzajemnych interakcjach pomiędzy zaworami na turbinie.

W przypadku analizowanego w poniższym artykule zakładu papierniczego, przedstawiony użytkownik postąpił według ustalonych rekomendacji wynikających z przeprowadzonych przez ekspertów symulacji. Projekt całego systemu okazał się prawidłowy, spełniający jego wymagania i oczekiwania.
Implementacja
W celu realizacji zadań symulacyjnych, projektowych i implementacyjnych firma Poyry powołała zespół specjalistów, składający się z inżynierów z firm dostawców elementów cyfrowych systemów sterowania, budowniczych kotłów i turbin parowych, personelu zakładów papierniczych, bezpośrednio zaangażowanego w prace projektowo-wdrożeniowe. Ponieważ w projekcie planowano integrację wielu różnych systemów sterujących odpowiedzialnych za pracę różnych elementów infrastruktury zakładowej, taka współpraca i wzajemne wsparcie specjalistów różnych działów było konieczne i pozwoliło na wypracowanie wszystkich korzystnych dla nich rozwiązań technicznych i systemowych. Na rysunku 4 pokazano przyjęty harmonogram prac.
Po pierwszych testach nowe algorytmy i pętle sterowania były uruchamiane i kolejno dostrajane, zgodnie z ustalonymi wcześniej procedurami. Firma Poyry przeprowadziła też serię szkoleń dla personelu papierni, w czasie których wyjaśniano zawiłości techniczne nowego systemu dystrybucji pary. Wstępne nastawy sterowników dobrane były na podstawie wyników i wskazań symulacji dynamicznej.
Wyniki
Uruchomienie nowego systemu przebiegło łagodnie i bezkonfliktowo. Przyjęty harmonogram prac wdrożeniowych okazał się poprawny i kolejno realizowane operacje pozwoliły na sprawne odejście od poprzedniej struktury organizacyjnej systemu dystrybucji pary do nowego systemu. Po uruchomieniu i ostatecznych korektach nastaw sterowników, nowy system dystrybucji działał dokładnie tak, jak wskazywały jego symulacje. Stało się również jasne, że gdyby nie zmodyfikowano strategii i algorytmów sterowania według wskazań wynikających z symulacji dynamicznych, każde zatrzymanie turbiny powodowałoby również awarię całego systemu dystrybucji pary i uszkodzenia głowic układu zasilania w parę. Na rysunkach 5 i 6 porównano wyniki symulacji i rzeczywiste zmiany parametrów procesowych w systemie w wybranych stanach awaryjnych. Firma Stora Enso odniosła wiele praktycznych korzyści z realizacji omawianego w tekście projektu:

  • Wszystkie najgorsze rodzaje zaburzeń i sytuacji awaryjnych, jakie mogły się pojawić w systemie dystrybucji pary przy wdrażaniu nowej instalacji, zostały wcześniej zasymulowane i przetestowane w fazie koncepcyjnych prac inżynierskich i dzięki temu uniknięto okoliczności sprzyjających ich powstawaniu w rzeczywistym procesie produkcyjnym.
  • Potrzeby i wymagania inżynierów procesowych i automatyków zostały uwzględnione i zrealizowane już w fazach koncepcji i projektu całościowego systemu sterowania i monitoringu.
  • Modyfikacje i poprawki konieczne do wprowadzenia w urządzeniach cyfrowych systemów sterowania oraz układzie sterowania pracą turbin zostały sprecyzowane już na wstępnych etapach prac projektowych, w związku z tym nie musiały być testowane i dobierane metodami prób i błędów przy komisjonowaniu i uruchamianiu rzeczywistych urządzeń i sterowników.
  • System sterowania siecią dystrybucji pary opracowany w trakcie symulacji pracuje zgodnie z przewidywaniami od czasu uruchomienia, zapewniając dobrą stabilizację ciśnienia na poziomie ±0,05 bara w czasie normalnej pracy i ±0,1 bara przy zaburzeniach.
  • Implementacja systemu dystrybucji pary, wraz z elementami sterowania, zajęła kilka tygodni, a nie, jak zwykle, kilka miesięcy.
  • Czas przywracania odpowiedniego poziomu ciśnienia w systemie dystrybucyjnym jest zminimalizowany ze względu na bardzo skuteczne układy jego stabilizacji, działające w każdych warunkach.

Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE

Hans Boghaert Stora Enso
Jarno Nyman Poyry Finland
Mikael Maasalo Poyry Finland