Procesy energetyczne pod kontrolą

Postęp technologii informatycznych, a także lepsza dostępność aparatury kontrolno-pomiarowej wyrażona w proporcji ceny do jakości realizowanego pomiaru, otworzyły duże możliwości w obszarze dedykowanych systemów kontroli procesów energetycznych. Postęp ten nie rozwiązał jednakże wszystkich problemów. Na niektóre pytania odpowiedzi nadal są trudne, jak choćby kwestia „czego oczekuje się od systemu kontroli procesu energetycznego?”.


Ostatnich kilka lat to okres kiedy zintensyfikowane zostały starania firm zarówno z sektora energetycznego, jak również z przemysłu w zakresie wdrożenia rozwiązań informatycznych pozwalających na kontrolę i podejmowanie sukcesywnych działań prowadzących do zoptymalizowania prowadzenia procesu energetycznego. Artykuł zawiera odniesienie do kilku aspektów związanych z wdrożeniem systemów informatycznych służących szeroko pojętej optymalizacji gospodarki energetycznej w przedsiębiorstwie, a także porusza istotne kwestie, o których nie powinno się zapominać przy projektowaniu i wdrażaniu takich rozwiązań.

Różni klienci, różne potrzeby, pewne elementy podobne

Element dbałości o gospodarkę energetyczną w przedsiębiorstwie, jakim jest optymalizacja procesów energetycznych, ma inny wymiar w energetyce zawodowej, inny w obszarze jednostek współpracujących z systemami ciepłowniczymi, a jeszcze inny w przedsiębiorstwach przemysłowych. Sama strona informatyczna służąca rozwiązaniu problemu, choć bardzo istotna, cechuje się w dużej mierze pewnym uniwersalizmem pozwalającym oferować to samo rozwiązanie do różnych zastosowań. Dzieje się tak aż do poziomu warstwy integrującej dane, jakie napływają z obiektów i instalacji. Następna warstwa to już rozwiązania, które powinny być dedykowane dla poszczególnej instalacji. Trudno sobie bowiem wyobrazić na tyle uniwersalny system, który z powodzeniem służy np. do optymalizacji układu elektrociepłowni zawodowej i równocześnie w podobnej konfiguracji pomaga optymalizować procesy energetyczne np. w przedsiębiorstwie spożywczym. Pewien wyjątek stanowią systemy otwarte, w których użytkownik otrzymuje rozwiązanie integrujące dane obiektowe i szereg użytecznych narzędzi pozwalających na zamodelowanie większości układów technologicznych. Należy jednak dodać, że tego typu rozwiązania wymuszają na Zamawiającym konieczność posiadania specjalistów zdolnych do opracowania aplikacji odwzorowujących posiadaną technologię, co nie zawsze jest łatwe i możliwe.

Jak wykazuje praktyka i doświadczenia klientów, u podłoża prawidło działającego systemu informatycznego służącego optymalizacji procesów energetycznych, powinna leżeć prawidłowość i stabilność wskazań aparatury kontrolno-pomiarowej.

Obiekty energetyki cieplnej i zawodowej cechują się zazwyczaj nadmiarem punktów pomiarowych – co jest oczywiście korzystne, ale aby było dobrze wykorzystane, wymaga dobrego rozeznania w schemacie technologicznym i ich umiejscowienia na obiekcie. W pierwszej kolejności konieczna jest zatem rzetelnie przeprowadzona inwentaryzacja punktów pomiarowych realizowana dla potrzeb dalszych kroków, takich jak opracowanie modułów walidacji i w następnej kolejności modułów obliczeń specjalistycznych dedykowanych dla konkretnej specyfiki przedsiębiorstwa. W przypadku nadmiaru punktów pomiarowych, po określeniu ich wagi względem użyteczności dla algorytmów obliczeniowych, warto zastosować elementy rachunku wyrównawczego. Zapewnienie stabilności obliczeń powinno zaś być wynikiem powyższych zabiegów i specyfiki danego sygnału pomiarowego, tzn. możliwości zaimplementowania odpowiedniej wielkości lub charakterystyki zastępczej – ujmującej fizyczne powiązanie danego sygnału z innym – i odpowiedniego powiadamiania w postaci alarmu o zastosowaniu wielkości zastępczej. Nieco inaczej sytuacja wygląda na instalacjach przemysłowych, gdzie ilość sygnałów pomiarowych w obszarze parametrów cieplno-przepływowych jest zazwyczaj mniejsza od wymaganej z poziomu matematycznej specyfiki zastosowanych algorytmów. Inwentaryzacja w takim przypadku jest również bardzo istotna, a jej wynik powinien określać możliwości obliczeń w zakresie posiadanych czujników pomiarowych oraz opcje rozszerzenia funkcjonalności systemu informatycznego w połączeniu z zastosowaniem dodatkowego opomiarowania. W obydwu przypadkach niezbędne jest określenie niepewności wyników, które będą wyliczane w systemie informatycznym. Zaleca się przy tym, aby niepewności były liczone dla istotnych z punktu widzenia osiągnięcia celów wielkości, dla których system informatyczny został zaimplementowany.

Funkcjonalności dla energetyki zawodowej i cieplnej

Ostatnie lata to etap konsolidacji energetyki krajowej w duże grupy energetyczne. Okres ten to także czas formułowania oczekiwań i przymiarek do implementacji korporacyjnych systemów informatycznych wspierających zarządzanie produkcją. Pojęcie to może być tak szerokie, że w sposób świadomy ograniczone zostało w ramach niniejszej publikacji do funkcjonalności służących optymalizacji gospodarki energetycznej i co z tego wynika – poprawy efektywności wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej. Obecne możliwości obiektowe w większości elektrowni i elektrociepłowni pozwalają na stosunkowo łatwą implementację takich funkcjonalności jak:

  • Obliczenia wskaźników zużycia paliw i sprawności obiegów dla całej elektrowni, jak i dla poszczególnych bloków, które stanowić mogą element kontrolny dla systemów bezpośrednich rozliczania paliw takich jak np. wagi.
  • Obliczenia sprawności głównych elementów obiegu technologicznego takich jak np. turbina i jej poszczególne części lub kocioł.
  • Obliczenia sprawności i wskaźników efektywności pracy głównych urządzeń potrzeb własnych, takich jak: urządzenia zasilane średnim napięciem, tzn. pompy wody zasilającej, chłodzącej, kondensatu czy wentylatory powietrza bądź spalin, których jednym z celów i funkcjonalności jest wsparcie służb remontowych poprzez możliwość realizacji analiz ujmujących trendy zmian sprawności urządzenia w kontekście obciążenia w skali roku i elementów prognozy pracy na najbliższe lata. Wiedza taka uzupełniona o informacje, takie jak koszt remontu i poprawa sprawności w wyniku jego przeprowadzenia, pozwolić może na lepsze zarządzanie remontami urządzeń.
  • Obliczenia optymalnej ilości wody chłodzącej do skraplacza. Ta funkcjonalność jest szczególnie istotna w elektrowniach z obiegami otwartymi, które posiadają możliwości regulacji ilości wody chłodzącej do skraplacza. Zagadnienie to może nabrać dodatkowo dużego znaczenia w przypadku, gdy np. w sezonie zimowym sprzed części NP turbiny pobierane są znaczne ilości pary do celów ciepłowniczych.
  • Obliczenia strat rozruchowych – obliczenia te są z jednej strony dokonywane dla potrzeb wyznaczania wskaźników zużycia paliw, ale mogą stanowić również odrębny moduł pozwalający na określenie ilości zużytego paliwa w określonych przedziałach rozruchu bloku.
    Obliczenie ilości energii wyprodukowanej w wysokosprawnej kogeneracji czy energii zielonej będącej następstwem współspalania biomasy.
  • Wyliczanie prognozowanych zmian głównych parametrów pracy bloku w funkcji zasymulowanej zmiany jednej z wielkości (np. zmiany temperatury pary świeżej i przełożenia tej zmiany na sprawność obiegu i korzyści bądź straty z tego tytułu wynikające). Funkcjonalności tego typu są bardzo pomocne przy wykonywaniu różnego rodzaju analiz przedmodernizacyjnych dotyczących turbiny i kotła wraz z głównymi układami z nimi współpracującymi.

W przypadku elektrociepłowni, prócz wymienionych powyżej funkcjonalności, istotne są również moduły służące do planowania produkcji, w których mieszczą się takie funkcjonalności jak:

  • prognozowanie ilości ciepła w zależności od warunków otoczenia i w odniesieniu do struktury i specyfiki sieci ciepłowniczej;
  • optymalizacja doboru źródeł przy ujęciu ich dyspozycyjności, np. w kontekście efektywności pracy całego systemu ciepłowniczego. Powiązany z tą funkcjonalnością jest również optymalny rozkład obciążeń jednostek wytwórczych przy zasilaniu kolektorów pary do ciepłownictwa i technologii;
  • optymalizacja współpracy akumulatora ciepła z systemem ciepłowniczym – obliczenia te są zasadne w układach, które posiadają taki akumulator i ich działanie powinno być sprzężone z informacjami.

Funkcjonalności dla przemysłu

Trudno jednoznacznie zdefiniować potrzeby przemysłu w kwestii systemów wsparcia inżynierskiego służącego optymalizacji gospodarki energetycznej. Z obserwacji wynikających ze współpracy z klientami z różnych obszarów przemysłu wynika dosyć jednoznacznie, że i w tym zakresie następuje definiowanie potrzeb. Dobrym podejściem w przygotowaniu tego typu systemu dla przedsiębiorstwa przemysłowego wydaje się audyt energetyczny, który w tym zakresie posiada klika istotnych cech pomocnych na dalszych etapach.

Poprawnie przeprowadzony audyt pozwala między innymi na:

  • uszeregowanie procesów w kontekście ich energochłonności i znaczenia w bilansie energii przedsiębiorstwa;

  • określenie strat energii dla każdego z istotnych obszarów oraz jego „wrażliwości”, tzn. zmienności strat w funkcji innych parametrów charakterystycznych w danym procesie;

  • określenie możliwości realizacji obliczeń wskaźników świadczących o efektywności procesu na bazie zainstalowanej aparatury pomiarowej. Rozwinięcie tego punktu może stanowić – jak napisano powyżej – rozszerzenie możliwości obliczeniowych po zainstalowaniu dodatkowej aparatury.

Audyt powinien oczywiście spełnić swoje podstawowe zadanie, tzn. wskazać możliwości poprawy efektywności energetycznej w przedsiębiorstwie – jeżeli są one zasadne z punktu widzenia analizy techniczno-ekonomicznej. Aspekt ten, mając na względzie problematykę artykułu, ma jednakże drugorzędne znaczenie. Istotne jest zatem, aby pamiętać o wielowątkowości poprawnie zrealizowanego audytu energetycznego.

Wydaje się, że większość potrzeb odbiorców przemysłowych będzie się skupiać wokół monitorowania istotnych odbiorów energii, które generują znaczne jej straty w bilansie przedsiębiorstwa. W przypadku wszelkiego rodzaju maszyn wirujących, jak pompy, wentylatory itp., aplikacje odpowiadające na potrzeby odbiorcy przemysłowego powinny zostać rozwinięte o śledzenie trendów sprawnościowych w kontekście optymalizacji okresów remontowych (w ujęciu efektywności ekonomicznej prowadzonego przedsięwzięcia). Inne potrzeby będą miały natomiast układy składające się z kilku urządzeń, cechujące się zmiennością wydajności czy innego parametru np. ciśnienia. Tutaj zastosowanie będą miały raczej optymalizatory służące analizie polegającej na ekonomicznym rozkładzie obciążeń. Generalnie można powiedzieć, że rozwiązania w zakresie systemów informatycznych dla przemysłu, wyłączając elektrociepłownie pracujące na potrzeby zakładu, będą miały mniejszy stopień skomplikowania jeżeli chodzi o zawartość matematycznego wsadu samych optymalizatorów gospodarki energetycznej w danym węźle. Uwzględniając jednak uboższe opomiarowanie, bardziej rozbudowane będą algorytmy służące przygotowaniu danych do obliczeń i zapewnieniu stabilności działania systemu.

Outsourcing w zakresie gospodarki energetycznej

Tego typu usługi, wydają się być tylko kwestią czasu i to nieodległego. Już dzisiaj mają one uzasadnienie w niektórych przedsiębiorstwach przemysłowych. Dla zobrazowania sytuacji przytoczyć można przykład pompowni składającej się z kilkunastu pomp, pracującej na praktycznie stałych parametrach. Rozwiązanie informatyczne, które dla tego typu układu można zaprojektować i wdrożyć jest dosyć klarowne od strony obliczeń samych parametrów sprawnościowych. Problemem natomiast jest brak opomiarowania, tzn. wydajności w zakresie każdej z pomp – przeważnie istnieje tylko sumaryczny pomiar. Dodać należy, że w pompowni tej na 15 zainstalowanych pomp pracuje 5 (dwukrotna rezerwacja). Możliwe zatem jest stosunkowo łatwe określenie wskaźnika efektywności energetycznej dla całej pompowni, znacznie gorzej zaś ocenić pojedynczą pompę. Wcześniejsze potrzeby klienta były ukierunkowane raczej na otrzymanie produktu służącego optymalizacji okresów remontowych dla pomp w kontekście efektywności ekonomicznej eksploatacji całego układu. Dodatkowo klient ten nie posiada u siebie odpowiednich zasobów inżynierskich zdolnych do wykonania zaawansowanych analiz w tej materii. W takim przypadku zasadne wydaje się zainstalowanie u klienta warstwy podstawowej modułu obliczeniowego służącego wyznaczaniu bieżącego wskaźnika efektywności pracy pompowni jako wskaźnika kontrolnego. Wszelkie pozostałe usługi polegające na:

  • okresowej kontroli i nadzorze metrologicznym aparatury kontrolno-pomiarowej współpracującej z systemem informatycznym,
  • okresowej ocenie sprawności każdej z pomp,
  • okresowej analizie zasadności przekazania pompy do remontu,
  • ocenie parametrów pompy po remoncie i tym samym ocenie efektów tego remontu,

mogą zostać zlecone na zasadach outsourcingu. Tego typu rozwiązanie ma wiele zalet i stało się bardziej dostępne właśnie dzięki dedykowanym systemom informatycznym pozwalającym na zdalną kontrolę procesów.

Podsumowanie

Potrzeba posiadania bieżących informacji na temat kosztów eksploatacji i odpowiedniego zarządzania nimi to element stymulujący do implementacji systemów informatycznych bazujących na dedykowanych rozwiązaniach. Każdorazowo wdrożenie takiego systemu spełniającego swoje zadanie musi zostać należycie przygotowane. Określony powinien zostać przede wszystkim cel, dla jakiego system taki jest implementowany i dla niego powinny zostać dobrane pozostałe środki. Praktycznie w każdym przypadku wymagane jest wykonanie inwentaryzacji punktów pomiarowych w kontekście ich umiejscowienia i prawidłowości ich wskazań, a na instalacjach przemysłowych dobrze to działanie zrealizować podczas audytu energetycznego. Pozwoli to lepiej ukierunkować projektowanie samego systemu.

W sektorze energetycznym najbliższe lata wydają się czasem dalszej informatyzacji procesów energetycznych, szczególnie w kontekście bieżącego badania efektywności energetycznej, z jaką procesy te przebiegają. Także w obszarze procesów przemysłowych należy spodziewać się dużego zainteresowania usługami z zakresu zaawansowanego audytingu energetycznego i wdrażania dedykowanych rozwiązań informatycznych.

Każde tego typu działanie musi w pewien sposób być skrojone na miarę, gdyż w przeciwnym razie trudno będzie uzasadnić go ekonomicznie.

Autor: Tomasz Słupik, „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej (artykuł został opublikowany w magazynie „Industrial Monitor” nr 1/2014).