Оптимізація енергоспоживання установки розділення повітря

Просунуті стратегії керування для Установки розділення повітря

Динамічне узгодження навантаження за допомогою адаптивних систем керування

Установки розділення повітря (АСУ) схильні витрачати чимало енергії під час роботи в режимі фіксованих налаштувань, тоді як попит на газ коливається навколо них. Рішення? Адаптивні системи керування вирішують цю проблему, постійно коригуючи такі параметри, як швидкість компресорів, положення клапанів та різні фактори дистиляції на основі поточних даних з датчиків. Це включає моніторинг потреб у кисні та азоті, зовнішньої температури, а також якості надходжувального повітря. Коли попит знижується, ці розумні системи зменшують об’єм повітря, що подається в колони дистиляції, але при цьому зберігають чистоту продукту на прийнятному рівні. Згідно з недавніми дослідженнями 2023 року щодо кріогенних процесів, такий підхід може знизити навантаження на компресори на 12–18 %. Це значно краще за загальноприйняту в галузі практику, яка часто призводить до втрат енергії в межах від 20 % до 30 % через виробництво більшої кількості продукту, ніж необхідно. Крім того, у системах вбудовані самонастроювальні алгоритми, які враховують знос обладнання та сезонні зміни, тож операторам не потрібно постійно вручну коригувати налаштування для підтримки задовільної продуктивності.

Прогнозуюче керування на основі моделі для енергоефективної роботи установки повітряного розділення в реальному часі

Прогнозуюче керування на основі моделі (MPC) виходить за межі реактивної корекції, використовуючи цифрові двійники, засновані на фізичних принципах, для імітації поведінки установки повітряного розділення (ASU) на 15–30 хвилин наперед. Воно обробляє динамічні вхідні дані — вологість вхідного повітря, температуру вихідних газів турбіни та тарифи на електроенергію залежно від часу доби — для розрахунку оптимальних заданих значень параметрів:

• Тиск на виході кріогенного компресора
• Положення клапанів обхідного потоку розширювача
• Співвідношення виробництва рідкого продукту

Аналіз 37 промислових установок розділення повітря у 2022 році показав, що керування на основі моделі (MPC) зменшило енергоспоживання приблизно на 0,12–0,25 кВт·год на кожен Нм³ виробленого кисню. У тому самому дослідженні також зазначено, що зміни в обсягах виробництва відбувалися приблизно на 40 % швидше за умови застосування цього підходу. Те, що робить MPC особливим, — це його здатність передбачати проблеми до того, як вони виникнуть. Наприклад, під час раптового зростання попиту на кисень у доменних печах традиційні системи часто не в змозі забезпечити стабільність чистоти продукту. Натомість MPC безперебійно справляється з такими ситуацями, уникнувши необхідності енергоємних процесів відновлення. Такий проактивний підхід надає операторам можливостей, яких звичайні ПІД-регулятори просто не можуть забезпечити щодо управління загальною ефективністю системи.

Покращення ефективності повітряного компресора в установках розділення повітря

Системи стисненого повітря становлять до 70 % загальних енергетичних витрат АСУ — тому оптимізація компресорів є основою для підвищення ефективності. Три перевірені стратегії забезпечують вимірний ефект:

Частотно-регульовані приводи та зниження втрат тиску в системі в цілому

Перехід від компресорів з фіксованою швидкістю до частотно-регульованих приводів дозволяє двигунам адаптувати свою потужність відповідно до реальної потреби в будь-який момент. У поєднанні з заходами щодо зменшення втрат тиску в усій системі такий підхід дає значний ефект. Наприклад, встановлення високоефективних алюмінієвих труб забезпечує швидкість повітря нижче 6 метрів на секунду. Також варто згадати про програми ультразвукового виявлення витоків, які допомагають усунути приховані втрати, що становлять близько 25 % енергії, втраченої в неоптимізованих системах. Завершує цю картину внесення невеликих, але розумних коригувань тиску з урахуванням реальних вимог кожної окремої технологічної операції. Згідно з недавніми дослідженнями 2023 року щодо ефективності компресорів, застосування цих комплексних стратегій дозволяє скоротити споживання електроенергії на 12–18 %.

Приклад практичного застосування: модернізація двохвинтового компресора, що забезпечила економію енергії на 22 %

Ведучий промисловий виробник замінив застарілі компресори на компресори з двома гвинтовими роторами, оснащені частотно-регульованими приводами (VSD), і інтегрував їх із центральними контролерами з підтримкою Інтернету речей (IoT). Модернізація забезпечила:

Цей проект підтверджує, що стратегічна модернізація може подолати високу енергоємність установок повітряного розділення (ASU) без ушкодження чистоти продукту або його надійності.

Оптимізація холодильної камери та системи охолодження для установок повітряного розділення

Підвищення ефекту Джоуля–Томсона за рахунок точного налаштування температурного профілю

Ефективність холодильного обладнання дійсно залежить від управління явищем, відомим як ефект Джоуля–Томсона, що, по суті, описує, як гази охолоджуються під час розширення без зміни їх загального тепловмісту. Коли у різних частинах холодильної камери спостерігаються нерівномірні температурні перепади, компресори змушені працювати інтенсивніше, ніж це необхідно, що призводить до збільшення енергоспоживання приблизно на 15–30 %. Сучасні холодильні системи вирішують ці проблеми за допомогою постійного контролю температури та «розумних» клапанів, які автоматично підлаштовуються відповідно до поточних умов усередині системи. Такі системи постійно узгоджують співвідношення тиску й температури в різних секціях, наприклад, у теплообмінниках та колонах для дистиляції. Результат? Зменшення охолодження в азотозбагачених зонах порівняно з необхідним рівнем, при одночасному підтриманні оптимальних температур у кисневих потоках — це забезпечує стабільну й безперебійну роботу всієї системи без потреби постійних коригувань для збереження чистоти продукту.

Результати включають зниження навантаження на компресор, подовження терміну експлуатації обладнання за рахунок зменшення теплових циклів та забезпечення стабільної якості продукції. Точне налаштування знижує енергоспоживання системи охолодження на 18–22 %, а безперервна калібрування підтримує максимальну ефективність у режимі змінного навантаження — що безпосередньо зменшує витрати електроенергії та обсяги викидів вуглекислого газу.

Комплексний моніторинг енергоспоживання та бенчмаркування для установок розділення повітря

Моніторинг енергоспоживання на АСУ зміщує операційну діяльність від простої ліквідації проблем у момент їх виникнення до їх профілактики шляхом покращеного планування. Коли компанії встановлюють підлічильники на важливе обладнання, таке як компресори, розширювачі та великі колони ректифікації, це створює детальні записи про ефективність роботи, які показують, де енергія витрачається марно, навіть якщо цього ніхто не помічає. Подумайте, наприклад, про надмірне вмикання й вимикання машин або поступове забруднення теплообмінників з часом. Інтерактивні інформаційні панелі в реальному часі дають операторам змогу точно бачити, скільки електроенергії споживають окремі технологічні процеси порівняно з кількістю отриманих продуктів, що дозволяє вносити корективи в періоди різкого зростання тарифів на електроенергію. Аналіз минулих даних допомагає виявити регулярні сезонні зміни, а розумне програмне забезпечення починає попереджати про можливі збої задовго до того, як ці проблеми раптово призведуть до масштабного зростання енергоспоживання.

Аналіз ефективності роботи об'єктів порівняно зі стандартами ISO 50001 або їхніми власними попередніми показниками допомагає оцінити реальні покращення. Більшість підприємств фіксують зниження споживання енергії приблизно на 15–20 % після впровадження таких заходів і, як правило, повертають інвестиції протягом близько 18 місяців. Дослідження Інституту Понемона показують, що дотримання подібних протоколів може скоротити кількість неочікуваних відмов обладнання приблизно на 30 %, що економить компаніям майже 740 000 доларів США щорічно лише на електроенергію. Щоб такі покращення тривали, компанії повинні навчати операторів найефективніших методів у рамках навчальних сесій. Встановлення чітких цілей — наприклад, відстеження кіловат-годин, необхідних для виробництва кожної тони рідкого кисню — надає всім учасникам конкретний орієнтир і полегшує виявлення можливостей для подальшого підвищення ефективності з часом.

ЧаП

Чому енергоефективність є критично важливою для установок повітряного розділення (ASU)?

Енергоефективність є життєво важливою, оскільки вона знижує експлуатаційні витрати, мінімізує вплив на навколишнє середовище та підвищує стійкість у процесах розділення повітря.

Як адаптивні системи керування оптимізують роботу АУР?

Адаптивні системи керування здійснюють коригування швидкостей компресорів і інших експлуатаційних параметрів у реальному часі на основі даних, отриманих від датчиків у режимі онлайн, щоб забезпечити сталість чистоти продукції та зменшити втрати енергії.

Як керування за моделлю передбачення (MPC) сприяє роботі АУР?

MPC передбачає можливі експлуатаційні проблеми шляхом імітації поведінки системи та оптимізації робочих заданих значень для зниження споживання енергії та підвищення швидкодії процесу.

Яку роль відіграють частотно-регульовані приводи у підвищенні ефективності компресорів?

Частотно-регульовані приводи дозволяють компресорам регулювати вихідну потужність двигуна залежно від поточного попиту, що зменшує втрати енергії та оптимізує ефективність компресорів.

Що таке Установки розділення повітря (ASU)?

Апарати розділення повітря (АУР) — це промислові об’єкти, які розділяють атмосферне повітря на його основні компоненти, переважно кисень і азот, за допомогою кріогенних процесів ректифікації.