Dziś już nikt nie ośmieliłby się dyskutować z tezą, że procesy energetyczne w przedsiębiorstwach powinny podlegać kontroli. Kwestią otwartą pozostaje natomiast dobór odpowiednich narzędzi do jej przeprowadzenia oraz sposób realizacji.
Postęp w zakresie narzędzi umożliwiających bieżącą kontrolę parametrów procesów energetycznych jest w ostatnich latach ogromny. Z jednej strony daje się zaobserwować stale obniżający się poziom cen aparatury kontrolno-pomiarowej, z drugiej zaś stałe dążenie do wzrostu jej jakości, pewności działania i niezawodności. Większa dostępność oraz coraz lepsze relacje ceny do jakości sprzyjają upowszechnieniu takiej kontroli i bardzo często prowadzą do tworzenia dedykowanych specjalistycznych systemów kontroli procesów energetycznych. Oczywiście w zależności od potrzeb i celów, jakie użytkownik stawia przed tego typu systemem, musi on być odpowiednio skonfigurowany i wyposażony we właściwe elementy pomiarowe.
Niniejszy artykuł stanowi rozwinięcie pracy autorstwa Tomasza Słupika [1] i odnosi się jedynie do kilku wybranych aspektów związanych z wyborem i wdrożeniem tego typu systemu w przedsiębiorstwie. Poniżej omówione zostały podstawowe cele, które taki system powinien spełniać. Poruszone zostały również kwestie, na które należy zwrócić szczególną uwagę przy projektowaniu i wdrażaniu takiego systemu oraz te, które należy rozważyć przy formułowaniu celów, jakim powinien on służyć.
Różnorodność potrzeb a uniwersalność systemu
Optymalizacja procesów energetycznych w każdym przedsiębiorstwie jest jednym z zasadniczych celów działań kierownictwa firmy. Inny zakres optymalizacji będzie jednak dotyczył produkcyjnego przedsiębiorstwa przemysłowego, a inny elektrowni lub elektrociepłowni. Stąd też stworzenie jednego w pełni uniwersalnego systemu w zakresie prowadzenia i optymalizacji procesów energetycznych jest raczej niemożliwe. Każdy tego typu system będzie składał się jednak z trzech podstawowych warstw:
Warstwa pierwsza – to część systemu, w której następuje zebranie, zagregowanie oraz zintegrowanie danych spływających z czujników i mierników pomiarowych zainstalowanych na obiekcie. W efekcie są one zapamiętywane i przechowywane w postaci bazy danych do wykorzystania w dalszych warstwach systemu. Jak pokazuje praktyka oraz doświadczenia klientów, prawidłowe i stabilne wskazania obiektowej aparatury kontrolno-pomiarowej stanowią podstawę właściwie działającego systemu informatycznego. Odpowiedni wybór oraz inwentaryzacja punktów pomiarowych, z których sygnały będą wchodziły do systemu, jest bardzo ważnym krokiem na etapie tworzenia systemu i wymaga dobrego rozeznania schematu technologicznego obiektu.
Warstwa druga – to część systemu, w której następuje pobieranie, walidacja i przetwarzanie zebranych danych oraz obliczanie wielkości potrzebnych do oceny i optymalizacji procesu energetycznego. Zastosowane algorytmy obliczeniowe muszą być już dedykowane konkretnej instalacji, której proces optymalizacji dotyczy. Warstwa ta stanowi zasadniczą część systemu i najczęściej jest przygotowywana specjalnie dla konkretnej instalacji lub procesu. Pewien wyjątek stanowią tu systemy otwarte, w których użytkownik otrzymuje narzędzie pozwalające na integrację danych obiektowych i pewien pakiet narzędzi użytecznych pozwalających na modelowanie układów technologicznych wchodzących w skład instalacji będącej przedmiotem optymalizacji. Należy jednak podkreślić, że zastosowanie tego typu rozwiązania wymusza konieczność posiadania w swoich zasobach specjalistów zdolnych do opracowania aplikacji odwzorowujących zachodzące w optymalizowanej instalacji procesy, co nie zawsze jest łatwe i możliwe do zrealizowania.
Warstwa trzecia – to część systemu, w której następuje walidacja i agregacja wyznaczonych w warstwie drugiej wielkości, ich zapamiętywanie oraz tworzenie raportów wykresów i tabel pozwalających na optymalne prowadzenie instalacji. Niektóre systemy pozwalają także na konfigurowanie własnych raportów (raportów użytkownika), wybór wielkości, które znajdą się w tabelach, szaty graficznej wykresów, a także wielkości których wykresy mają dotyczyć.
Funkcjonalności systemu dla energetyki zawodowej i cieplnej
Z dotychczasowych doświadczeń w zakresie projektowania i wdrażania systemów informatycznych służących optymalizacji na obiektach energetyki cieplnej i zawodowej wynika, że obiekty te cechują się zazwyczaj nadmiarem punktów pomiarowych, które można wykorzystać w tego typu systemach. W pierwszej kolejności konieczne jest zatem przeprowadzenie ich rzetelnej inwentaryzacji, mając na uwadze także dalsze kroki w tym zakresie, a więc także opracowanie walidacji, a w następnej kolejności modułów obliczeń specjalistycznych dedykowanych specyfice konkretnego przedsiębiorstwa. W przypadku nadmiaru punktów pomiarowych, po określeniu ich wagi względem przydatności każdego z nich dla algorytmów obliczeniowych, warto także zastosować elementy rachunku wyrównawczego. Nadrzędnym celem wszystkich tych zabiegów powinno być zapewnienie stabilności obliczeń realizowanych w oparciu o zestaw wielkości pomiarowych bądź też zaimplementowanie odpowiedniej wielkości zastępczej lub charakterystyki ujmującej powiązanie konkretnej wielkości pomiarowej z innymi ważnymi z punktu widzenia prowadzenia i optymalizacji pracy instalacji. Przy doborze wielkości pomiarowych należy także mieć na uwadze sprawę minimalizacji niepewności pomiarowych wyliczanych w systemie informatycznym. Warto przy tym czasem doposażyć obiekt w kilka dodatkowych punktów dla uzyskania pewniejszych danych pomiarowych i zminimalizowania wyliczanej niepewności. Zaleca się, aby niepewności były liczone dla istotnych wielkości z punktu widzenia osiągnięcia celów, dla których sam system informatyczny został zaimplementowany. Obecne wyposażenie pomiarowe większości krajowych elektrowni i elektrociepłowni pozwala na stosunkowo łatwą implementację takich funkcjonalności jak:
- obliczenia wskaźników zużycia paliw i sprawności obiegów dla całej elektrowni, jak i dla poszczególnych jednostek/bloków energetycznych, które mogą stanowić element kontrolny dla systemów bezpośrednich rozliczenia paliw takich jak np. wagi;
- obliczenia sprawności głównych elementów obiegu technologicznego takich jak turbina, kocioł;
- obliczenia sprawności i wskaźników efektywności pracy głównych urządzeń potrzeb własnych takich jak np. urządzenia zasilane średnim napięciem, tzn. pompy wody zasilającej, chłodzącej, kondensatu czy wentylatory powietrza i spalin;
- obliczenia optymalnej ilości wody chłodzącej do skraplacza – funkcjonalność szczególnie istotna w elektrowniach z obiegami otwartymi, które posiadają możliwości regulacji ilości wody chłodzącej do skraplacza;
- obliczenia strat rozruchowych – funkcjonalność pożyteczna dla obliczeń wskaźników zużycia paliw w czasie odstawień i rozruchów jednostek energetycznych wchodzących w skład elektrowni bądź elektrociepłowni (może również stanowić 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;
- prognozowanie zmian głównych parametrów pracy bloku w funkcji zasymulowanej jednej z wielkości wiodących (np. zmiany temperatury pary świeżej i przełożenia tej zmiany na sprawność obiegu i korzyści bądź straty z tego tytułu wynikające) – funkcjonalność szczególnie pomocna przy wykonywaniu różnego rodzaju analiz przedmodernizacyjnych dotyczących turbiny i kotła wraz z głównymi układami z nimi współpracującymi;
- analiza trendów zmian sprawności urządzeń w kontekście obciążenia bloku w skali roku i elementów prognoz pracy na najbliższe lata, mająca na celu optymalizację okresów międzyremontowych oraz ich zakresu i kosztów, a także spodziewanych efektów poprawy sprawności po ich przeprowadzeniu – pozwala na lepsze zarządzanie remontami urządzeń.
W przypadku elektrociepłowni, prócz wymienionych powyżej funkcjonalności, istotne są również moduły służące planowaniu produkcji w podziale na ciepło i energię elektryczną, w których mieszczą się takie funkcjonalności jak:
- prognozowanie ilości ciepła w zależności od warunków otoczenia i w odniesieniu do posiadanej struktury źródeł oraz specyfiki sieci ciepłowniczej;
- optymalizacja doboru źródeł przy uwzględnieniu ich dyspozycyjności np. w kontekście efektywności pracy całego systemu ciepłowniczego;
- optymalizacja rozkładu obciążeń jednostek wytwórczych przy zasilaniu kolektorów pary do ciepłownictwa i technologii;
- optymalizacja współpracy akumulatora ciepła z systemem ciepłowniczym – funkcjonalność szczególnie przydatna w układach, które posiadają taki akumulator i ich działanie powinno być sprzężone z informacjami na ten temat.
Funkcjonalności systemu dla przemysłu
W przeciwieństwie do energetyki zawodowej na instalacjach przemysłowych ilość dostępnych punktów i sygnałów pomiarowych, z których można skorzystać przy projektowaniu systemu informatycznego optymalizującego gospodarkę energetyczną tego typu instalacje, jest zwykle mniejsza od wymaganej z punktu widzenia matematycznego zastosowania algorytmów obliczeniowych. Dlatego też inwentaryzacja punktów pomiarowych powinna być prowadzona zarówno pod kątem przyszłego wykorzystania ich do obliczeń, jak i ewentualnego rozszerzenia zakresu istniejącego opomiarowania o dodatkowe punkty i czujniki pozwalające na rozszerzenie możliwości obliczeniowych systemu oraz wzbogacenie jego funkcjonalności. W tym przypadku również konieczne jest określenie niepewności uzyskiwanych wyników, które będą wyliczane w systemie informatycznym. Wybór wielkości, dla których będą one obliczane, jest ściśle uzależniony od celów, dla których system informatyczny został zaimplementowany.
Dla obiektów przemysłowych unifikacja systemów wsparcia inżynierskiego służącego optymalizacji gospodarki energetycznej jest w praktyce niemożliwa. Dlatego też właściwym podejściem w procesie przygotowania tego typu systemu dla przedsiębiorstwa przemysłowego wydaje się audyt energetyczny, który posiada kilka istotnych cech pomocnych na dalszych etapach przygotowania takiego systemu. Oczywiście powinien on spełnić przede wszystkim swoje podstawowe zadanie polegające na wskazaniu możliwości i obszarów poprawy efektywności energetycznej w przedsiębiorstwie, jeżeli są one zasadne z punktu widzenia analizy techniczno-ekonomicznej. Poprawnie przeprowadzony audyt energetyczny powinien także pozwolić 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;
- doskonalenie i ewentualny rozwój możliwości obliczeniowych systemu oraz jego funkcjonalności na bazie aparatury już zainstalowanej, a także na bazie aparatury dodatkowej uznanej za niezbędną dla realizacji założonych celów, które system powinien realizować w przyszłości.
Wydaje się więc, że w większości użytkownicy tego typu systemów będą starali się, aby funkcjonalności dotyczyły przede wszystkim bieżącego 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 natomiast potrzeby będą miały 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 uboższe opomiarowanie, bardziej rozbudowane będą algorytmy służące przygotowaniu danych do obliczeń i zapewnieniu stabilności działania systemu.
Funkcjonalności systemu wsparcia inżynierskiego służącego optymalizacji gospodarki energetycznej w przedsiębiorstwie przemysłowym muszą zatem spełniać wszystkie tego typu wymagania – z jednej strony ogólne, a z drugiej uwzględniające także indywidualne wskaźniki charakteryzujące jakość prowadzonych lub monitorowanych procesów przemysłowych.
Outsourcing w zakresie gospodarki energetycznej
W chwili obecnej tego typu usługi nie są jeszcze wdrażane na szerszą skalę. Wydaje się jednak, że jest tylko kwestią czasu (i to dosyć bliskiego), kiedy usługi tego typu będą zlecane na zewnątrz przez kierownictwa przedsiębiorstw. Już dzisiaj takie podejście ma uzasadnienie w niektórych przedsiębiorstwach przemysłowych.
Problemy i zagrożenia oraz korzyści płynące z wdrożenia tego typu usługi w przedsiębiorstwie przemysłowym zostały szerzej omówione na przykładzie pompowni składającej się z kilkunastu pomp pracujących na praktycznie stałych parametrach. Rozwiązanie informatyczne systemu wspierającego optymalne prowadzenie takiego układu jest klarowne, patrząc od strony obliczeń i dochowania odpowiednich parametrów sprawnościowych. Na problemy możemy się natomiast natknąć, inwentaryzując istniejące opomiarowanie układu. Najczęściej bowiem brakuje opomiarowania pozwalającego wprowadzić taki układ optymalizacyjny w życie – bardzo często brak jest np. pomiaru wydajności poszczególnych pomp, a w oprzyrządowaniu ruchowym mamy do dyspozycji jedynie sumaryczny pomiar czynnika. Szczególnie w starszych tego typu pompowniach często można spotykać rozwiązania, w których dla zapewnienia pewności działania zastosowano nadmierną rezerwację urządzeń. Zdarzają się pompownie, w których na 15 zainstalowanych pomp pracuje tylko 5 (dwukrotna rezerwacja). Możliwe zatem jest stosunkowo łatwe określenie wskaźnika efektywności energetycznej dla całej pompowni, znacznie trudniej zaś ocenić pojedynczą pompę. Potrzeby klienta eksploatującego tego typu układy pompowe były dotychczas ukierunkowane na otrzymanie produktu służącego optymalizacji okresów remontowych dla pomp w kontekście efektywności ekonomicznej eksploatacji całego układu. Dodatkowo klient ten nie posiadał u siebie odpowiednich zasobów inżynierskich zdolnych do wykonania zaawansowanych analiz w tej materii. Dla takiego przypadku, po uzupełnieniu istniejącego opomiarowania, 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 rozwiązania mają wiele zalet i stały się bardziej dostępne właśnie dzięki dedykowanym systemom informatycznym pozwalającym na zdalną kontrolę procesów.
Ponadto już w chwili obecnej wielu dostawców dla swoich potrzeb zbiera i analizuje dane pomiarowe z dostarczanych Klientom urządzeń, analizując w oparciu o nie przebieg pracy i uzyskiwane parametry oraz wskaźniki. W takich przypadkach skorzystanie z tych danych, opracowanie odpowiednich procedur optymalizacyjnych oraz outsorcing w zakresie gospodarki energetycznej wydają się jeszcze prostsze i zależą właściwie tylko od ustaleń między dostawcą i użytkownikiem urządzenia.
Podsumowanie
W czasach współczesnych bieżąca rejestracja parametrów pracy urządzeń i instalacji stała się powszechna, a szczebel kierowniczy w oparciu o przebiegi rejestrowanych wielkości pomiarowych jest w stanie na bieżąco kontrolować procesy energetyczne zachodzące w przedsiębiorstwie. Szczególnie pomocne w tym zakresie są dedykowane systemy informatyczne pozwalające na optymalizację samych procesów lub podpowiadające prowadzącym urządzenia lub instalacje, w jaki sposób monitorowany proces zoptymalizować lub usprawnić. Implementacja takich systemów na obiektach staje się standardem, a korzyści płynące z zastosowania systemu są wymierne i szybko się zwracają. Ponadto systemy takie często pozwalają na bieżącą kontrolę kosztów eksploatacji i odpowiednie zarządzanie tymi kosztami. Taka kontrola może stać się także elementem stymulującym do dalszych modernizacji i obniżania kosztów jednostkowych produktów końcowych. Należy przy tym pamiętać, że system informatyczny, aby spełniał swoje zadnie, powinien być szczegółowo przemyślany, a jego implementacja należycie przygotowana. Szczególnie dotyczy to funkcji celu, dla jakiej system ma zostać zaimplementowany. Powinna ona zostać szczegółowo określona i pod kątem jej spełnienia powinny dopiero zostać dobrane funkcjonalności systemu i zastosowane rozwiązania. Praktycznie w każdym przypadku wymagane jest wykonanie inwentaryzacji istniejących na obiekcie punktów pomiarowych w kontekście ich umiejscowienia i prawidłowości ich wskazań, a na instalacjach przemysłowych dobrze to działanie zrealizować podczas audytu energetycznego, gdyż to pozwala dodatkowo ukierunkować późniejsze projektowanie systemu. Najbliższe lata wydają się czasem dalszej szybkiej informatyzacji procesów energetycznych w sektorze energetycznym w kontekście bieżącego badania efektywności energetycznej, z jaką procesy te przebiegają. W obszarze procesów przemysłowych należy się również spodziewać dużego zainteresowania usługami z zakresu zaawansowanego auditingu energetycznego i wdrażania dedykowanych rozwiązań informatycznych. Każde jednak tego typu działanie musi w pewien sposób być „skrojone na miarę”, gdyż w przeciwnym razie trudno będzie uzasadnić go ekonomicznie.
Literatura
[1] Słupik T.: Procesy energetyczne pod kontrolą, „Industrial Monitor” 2014, nr 1.
Tekst oparty jest na referacie wygłoszonym podczas V Konferencji Szkoleniowej Zakładu Techniki Cieplnej „Procesy energetyczne pod kontrolą” zorganizowanej przez „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o. w dniach 5–7 maja 2014 r. w Gniewie.
