Protokół HART w ekstremalnych warunkach

Norweskie StatoilHydro wraz z partnerami rozpoczęło dostawy gazu ziemnego do Wielkiej Brytanii. Wykorzystano przy tym zaawansowaną technikę komunikacji i samodiagnozowania, wspieraną przez HART Communication Foundation (HCF).

Do normalnej egzystencji ludziom potrzeba ciepła. Najlepiej, gdy do jego wytworzenia służy paliwo niezawodne i w obfitości, cechujące się przy tym jak najmniej niekorzystnym wpływem na środowisko. W tym roku konsumentom z Wielkiej Brytanii udostępniono nowe źródło ciepła: gaz ziemny tłoczony z zakładu Ormen Lange (należącego do firmy StatoilHydro), który eksploatuje norweskie, podmorskie pola naftowe. Dzięki temu Brytyjczycy przez wiele najbliższych lat będą mieli surowiec pozwalający im przygotować nie tylko wrzątek na herbatę czy ogrzać mieszkanie, ale nawet produkować energię. Było to w znacznym stopniu możliwe dzięki temu, że sprzęt automatyki (w tym przetworniki i zawory) został wybrany według wymagań komunikowania się protokołem HART, który jest jednym ze standardów odpowiadających ISA100. Erlin Bamberg, główny inżynier automatyk w tej firmie twierdzi, że osiągnięto najwyższą możliwą wydajność. StatoilHydro zbudowało nabrzeżne urządzenia technologiczne do wytwarzania gazu ziemnego przesyłanego do Wielkiej Brytanii.

Najdłuższy gazociąg świata  

Zasoby gazu ziemnego Ormen Lange u wybrzeża Norwegii zostały odkryte przed dziesięcioma laty. Złoże rozpościera się na długości 40 i szerokości 8 km. Udokumentowane zasoby gazu oblicza się na 400 bln m3. Wystarczy to na pokrycie 1/5 zapotrzebowania na gaz ziemny Wielkiej Brytanii przez najbliższe 40 lat. Niestety, złoże Ormen Lange nie jest łatwe do eksploatacji. Pokłady gazu zalegają na głębokości około 3 000 m i są odległe 120 km od stałego lądu. Głębokość morza wynosi w tym miejscu od 800 do 1 100 m, a dno jest nierówne. Przez większą część roku temperatura wody jest bliska zeru, występują tu też silne prądy podwodne i częste sztormy. W efekcie warunki wydobycia gazu są ekstremalnie trudne. Nic dziwnego, że w realizacji zadania brało udział pięć firm: StatoilHydro, Shell, ExxonMobil, Petoro i Dong. Zadania były rozłożone równomiernie i żaden z partnerów nie miał do wykonania więcej niż jedną trzecią wszystkich prac. StatoilHydro była odpowiedzialna za cały projekt, zaś Shell za budowę zakładu przetwórstwa surowca na nabrzeżu.
Projekt zakładał budowę 24 podmorskich studni głębinowych. Wydobywane paliwo miało być przesyłane 120-kilometrowym rurociągiem do zakładu przeróbki w mieście Nyhamna, położonym na wyspie Aukra przy zachodnim wybrzeżu Norwegii. Uzyskane po przeróbce paliwo, musiało być stamtąd transportowane do Wielkiej Brytanii podmorskim rurociągiem o długości 1 200 km. Zdaniem Ramberga jest to prawdopodobnie najdłuższy na świecie rurociąg podmorski. Przedstawiciel StatoilHydro podkreśla, że surowiec wydobyty ze złoża nie nadaje się od razu do transportu. Było zatem konieczne dodanie do niego pewnej ilości glikolu monoetylenowego, który sprawia, że powstała w ten sposób mieszanina jest przez cały czas ciekła i nie sprawia kłopotu w transporcie.
– Pompujemy glikol do studni wydobywczych i wstrzykujemy do rurociągu przesyłowego bez obawy o zgęstnienie z powodu wychłodzenia w czasie transportu – tłumaczy główny inżynier norweskiej firmy.

Diagnostyka, czyli wyprzedzić awarię

Podczas projektowania zakładu StatoilHydro stanęła w obliczu szeregu poważnych wyzwań. Jednym z nich była odległość złoża, drugim głębokość, a trzecim okresowo zła pogoda. Kolejne wyzwanie to rozmiar przedsięwzięcia. Gotowa nabrzeżna przetwórnia zajmuje powierzchnię prawie 1 km2, ma jedną centralną sterownię i aż dziesięć podstacji. Największego skupienia uwagi podczas projektowania wymagała konieczność zapewnienia całkowitej niezawodności działania. Nie ma mowy, aby brytyjski konsument znosił niewygody tylko dlatego, że ktoś ma trudności z dostawą. Z kolei wykonawca, co zupełnie naturalne, chce zrealizować cel w sposób jak najbardziej efektywny i zapewnić bezawaryjne funkcjonowanie instalacji, bo to gwarantuje utrzymywanie możliwie mało licznego personelu.
Projektanci wiedzieli, że przy istniejących ograniczeniach szczególnie ważne są funkcje diagnostyki. Tylko przy efektywnym diagnozowaniu stanu technicznego zaworów regulacyjnych oraz innych przyrządów można w porę dokonać napraw bądź wymiany i utrzymać pełną gotowość instalacji do działania. Żadna wymiana urządzenia nie może następować zbyt wcześnie lub zbyt późno. Pierwsze podnosi koszty, drugie zagraża przerwą w funkcjonowaniu. Bogactwo informacji diagnostycznych o stanie technicznym urządzeń pozwala uzyskać właściwy obraz każdego problemu. Wówczas możliwe jest zdalne dokonanie korekty lub zaplanowanie prac w taki sposób, aby rzadziej zachodziła konieczność narażania personelu na prace w złych i niebezpiecznych warunkach pogodowych w celu usunięcia awarii na obiekcie. Dane zebrane w dłuższym okresie pozwalają na uniknięcie niektórych kłopotów dzięki ich trafniejszej identyfikacji oraz możliwości opracowania ustalonych, rutynowych sposobów reagowania.   
Ponieważ sposób komunikacji jest tak bardzo istotny, wybrano w tym celu technikę HART. Pozwala ona na uzyskanie obszernych informacji diagnostycznych o urządzeniach. W sumie na obiekcie zastosowano około 1 400 urządzeń i przyrządów wprost połączonych z siecią HART i stale w niej pracujących. W tej liczbie znajduje się około 350 ustawników pozycyjnych, zaś większość pozostałych urządzeń stanowią przetworniki pomiarowe. Pewna liczba tradycyjnych przetworników ciśnienia o sygnale wyjściowym 4–20 mA została podłączona do multipleksera HART. Multiplekser jest bezpośrednio połączony z magistralą transmisyjną.
Regulację automatyczną oparto na sprzęcie ABB. Układ automatyki ma sterownik wiodący dla całego zakładu oraz regulatory nadążne zlokalizowane w podstacjach i bezpośrednio łączone z urządzeniami wykonawczymi. Konieczność zapewnienia niezawodności wymusiła zastosowanie redundancji oraz pewnych, inteligentnych rozwiązań, co w efekcie wytworzyło strukturę o nieoczekiwanych możliwościach. Przykładowo, powstała możliwość połączenia układu automatyzacji z systemem wideokonferencji. W ten sposób specjaliścirozsiani po całym świecie mogą uczestniczyć w diagnozowaniu i rozwiązywaniu problemów zakładu.

Obniżyć koszty, podnieść niezawodność  

Otwarcie zaworów na wyprowadzeniach ze studni głębinowych miało miejsce 13 września. Mimo tej „feralnej” liczby zakończyło się pełnym sukcesem. Według Ramberga technika HART pomogła w realizacji wymagającego harmonogramu prac rozruchowych. Przeprowadziła je firma A/S Norske Shell (należąca do grupy Shell), która brała także udział w projektowaniu. Graham Baird, specjalista wizualizacji stanu technicznego urządzeń z A/S Norske Shell, był jednym z odpowiedzialnych za monitoring stanu instalacji w zakładzie StatoilHydro. Miał wgląd w fazę projektowania zakładu, szczególnie z punktu widzenia potrzeb obserwacji stanu technicznego oraz funkcjonowania inteligentnych urządzeń obiektowych. Przy innych rozwiązaniach nie było tak wystarczająco dużej liczby danych funkcjonalnych, jakich jest w stanie dostarczyć system HART. Baird wyróżnia tu optymalizujący oraz nadzorujący pakiet układu automatyki.
– Pierwszym argumentem przemawiającym za tym, że otrzymamy dużo użytecznych danych był fakt, iż narzędzia diagnostyki w sposób nieprzerwany obserwują urządzenia typu HART połączone w sieć – mówi przedstawiciel A/S Norske Stell. – Kiedy pojawia się raport alarmów, operatorzy mogą ustalić priorytety, plan działań oraz ukierunkować swoje wysiłki. Już od początku bardzo szybko formułowali bezbłędne diagnozy umożliwiające dokonanie akcji korygującej.
Co ciekawe, zaobserwowano oznaki współdziałania z innymi systemami monitorowania niż HART. Przykładowo, działanie kompresora może być zakłócone nagłą zmianą warunków pracy zaworu, kalibrowaniem przyrządu lub podobnymi zjawiskami. Jednak przy dużej liczbie dostępnych danych możliwe jest wystąpienie wzajemnych, stabilizujących wpływów połączonych systemów. Z tego też powodu działanie niektórych przyrządów może wydawać się inne, niż to wynika z opisu w projekcie. Baird wyjaśnia, że stosowanie techniki HART oraz obfitość informacji diagnostycznych jest zgodna z opracowaną przez Shell koncepcją „Inicjatywy pełnej niezawodności” (Shell’s Total Reliability Initiative). Uzyskiwanie pełniejszego obrazu funkcjonowania i stanu obiektu ułatwia operatorom życie.
– Tak wielka liczba przyrządów przyłączonych do systemu diagnozowania opartego na technice HART pomaga nam w uzyskaniu wysokiej dyspozycyjności – mówi Baird. – Zapewnia też bezpieczne funkcjonowanie urządzeń, przyrządów i zaworów usytuowanych w kluczowych punktach procesu technologicznego. Przyczynia się to do zaufania operatorów wobec instalacji, utwierdza ich w przekonaniu, że mają właściwy układ automatyzacji.
Ze względu na sukces w wykorzystaniu możliwości techniki HART nadmorskie zakłady Ormen Lange zostały uhonorowane tytułem Zakładu HART Roku 2007. To międzynarodowe wyróżnienie przyznaje się przedsiębiorstwom jako dowód uznania ich pomysłowości i wysiłków w wykorzystaniu techniki HART. Do wyróżnienia pretendują zakłady stosujące u siebie aparaturę lub wykorzystujące zdolności diagnostyczne oraz możliwości funkcjonalne przyrządów techniki HART – w celu usprawnienia działania, podniesienia dyspozycyjności urządzeń oraz obniżenia kosztów.
– W Ormen Lange wykazano się przezornością i zdolnością budowania infrastruktury w pełni wykorzystującej korzyści wynikające z możliwości inteligentnych urządzeń obiektowych, pracujących w technice HART – uzasadnia wybór Ron Helson, członek dyrekcji fundacji HCF.

Więcej o protokole HART na stronie Fundacji HART

Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula, specjalisty automatyka  z wieloletnim doświadczeniem  w projektowaniu i uruchamianiu  układów automatyki