OPTYMALIZACJA ENERGETYCZNA PROCESÓW PRODUKCYJNYCH NA PRZYKŁADZIE POMPOWNI – SPOSOBEM NA DUŻE OSZCZĘDNOŚCI

Ostatnie 4 lata na rynku energii elektrycznej to prawdziwy roller-coaster. Po zahamowanych w 2018/2019 dzięki interwencjom na rynku energii wzrostach cen i ich całkowitej redukcji w post-pandemicznym spowolnieniu gospodarki, stabilna sytuacja nie trwała długo. Obecny kryzys energetyczny na Starym Kontynencie, skatalizowany przede wszystkim przez wojnę w Ukrainie, stawia przedsiębiorstwa w trudnym położeniu. Wzrost cen o kilkaset procent sprawia, że trzeba szukać oszczędności. Jak?

Zacznij zbierać dane o zużyciu energii

Oczywiście dane same w sobie nie sprawią, że koszty rachunków spadną. Jednak zbieranie precyzyjnych informacji o tym, ile energii zużywa całe przedsiębiorstwo, kiedy i na jakich urządzeniach pobór jest największy itd., pozwala na podjęcie działań prowadzących do zmniejszenia zużycia mediów.

Opomiarowanie zużycia mediów w zakładzie pozwala na identyfikację obszarów, które mogą w pierwszej kolejności zostać objęte działaniami mającymi na celu obniżenie kosztów energii. Dzięki temu możliwe będzie skupienie uwagi na obszarach o największym potencjale, a tym samym środki przeznaczone na inwestycje zostaną wydane w sposób najbardziej efektywny.

Wprowadź do swojej firmy System Zarządzania Energią, inaczej… optymalizuj!

Systemy Zarządzania Energią dają realną szansę na obniżenie zapotrzebowania procesów produkcyjnych na energię, przy jednoczesnym utrzymaniu ich wydajności (lub nawet ze wzrostem), ponieważ pozwalają podjąć konkretne działania na bazie realnych i obiektywnych informacji. 

Dopiero mając precyzyjne informacje o przebiegu procesu, zużywanej ilości energii czy o planie produkcyjnym, z zastosowaniem metod analitycznych bądź symulacji możliwe staje się precyzyjne obliczenie energochłonności. Szerokie zastosowanie znajdują tutaj również techniki uczenia maszynowego. Świadome podejście do problemu jest prawdziwe również w wielu innych obszarach, nie trudno tu o analogie – o wiele łatwiej ekonomicznie jechać samochodem, jeżeli widzimy na desce rozdzielczej wartość średniego spalania, a lekarz będzie w stanie postawić tym precyzyjniejszą diagnozę, im dokładniejsze badania zostaną wykonane.

Opomiarowanie zużycia mediów w zakładzie to podstawowy krok w kierunku efektywności. Pozyskanie szczegółowych danych pomiarowych pozwala bowiem na identyfikację obszarów, które mogą w pierwszej kolejności zostać objęte działaniami mającymi na celu obniżenie kosztów energii. Dzięki temu możliwe będzie skupienie uwagi na obszarach o największym potencjale, a tym samym środki przeznaczone na inwestycje zostaną wydane w sposób najbardziej efektywny.

Pompy – sercem procesów przemysłowych

Pompy uznawane są za serce większości procesów przemysłowych. Z tego też powodu, pompy są często pomijane jako potencjalne źródło zwiększonej produktywności lub jako przyczyna nadmiernych kosztów, jeśli nie są prawidłowo obsługiwane. Kierownicy zakładów, inżynierowie utrzymania ruchu i kierownicy produkcji powinni stosować się do najlepszych praktyk i rozumieć, co należy, a czego nie należy robić w celu prawidłowego wykorzystania pomp w zastosowaniach produkcyjnych i przemysłowych.

W niniejszym artykule omówione zostanie zagadnienie jakim jest optymalizacja energetyczna pomp i jak wpływa ona na wzrost poziomu oszczędności zużycia energii w firmie. Zaprezentowane zostanie również case study dot. optymalizacji pracy jednej z przepompowni KGHM.

Zgodnie z oceną możliwości rynkowych przemysłowych systemów silników elektrycznych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych z 2002 r., pompy przemysłowe odpowiadają za 25 procent całkowitej energii systemów silników w dzisiejszej produkcji. Chociaż wydajność pomp przemysłowych poprawiła się wraz z ulepszeniami ich konstrukcji, materiałów i pojawiającym się zastosowaniem technologii cyfrowej do monitorowania wydajności, podstawowa struktura niewiele się zmieniła od dziesięcioleci.

Pompa odśrodkowa to wirująca maszyna składająca się z sześciu głównych części, które współpracują ze sobą, aby pompa działała prawidłowo. Obejmują one wirnik, obudowę pompy, łożyska, ramę łożyska, wał i uszczelnienie mechaniczne.

Zasada działania pompy odśrodkowej polega na przekształceniu energii mechanicznej wytworzonej przez silnik napędzającej wirnik w energię sił odśrodkowych. Energia ta powoduje przepływ zebranego płynu do wyjścia pompy. Podczas pracy obracający się wirnik przyspiesza płyn, a prędkość płynu wywołuje wzrost ciśnienia – w rezultacie płyn opuszcza wylot pompy a po stronie ssącej następuje jego spadek. Każda pompa wirowa ma więc dwie strony: ssąca, czyli wlotową oraz tłocząca, czyli wylotową.

Tym samym mogą one być sterowane w taki sposób, aby zmaksymalizować wykorzystanie energii w okresie, gdy jest ona tania oraz ograniczyć pracę w okresie wzrostu zapotrzebowania na moc w krajowym systemie energetycznym.

Tzw. krzywa kaczki (ang „duck curve”) to termin używany w kontekście energii elektrycznej, który odnosi się do charakterystycznego kształtu krzywej zapotrzebowania na energię w ciągu dnia (nazwa pochodzi od podobieństwa jej kształtu do sylwetki kaczki). Jest ona często obserwowana w sytuacji, gdy szeroko stosuje się energię słoneczną w instalacjach fotowoltaicznych oraz w miesiącach wiosennych i letnich, gdy ich jednostkowa sprawność jest najwyższa.

Pompownie mogą z powodzeniem wykorzystać zmienne ceny energii z użyciem inercji wynikającej z zastosowania zbiornika retencyjnego, aby efektywnie „poruszać się” po krzywej. Zbiornik retencyjny może być wtedy interpretowany jako swoisty magazyn energii, który umożliwia nie tyle jej zmagazynowanie co przesunięcie planowanego poboru na okres późniejszy.

Na poniższym wykresie zilustrowano potencjał w zakresie celowego opóźnienia pompowania. Należy zauważyć, że różnica pomiędzy okresem wysokiej i niskiej ceny energii o poranku i przed południem w skrajnym przypadkach wynosić może tylko 2 godziny.

Opróżnienie zbiornika retencyjnego między godziną 11.00 a 16.00 może być nawet 8-krotnie tańsze niż w pozostałych godzinach a spodziewać można się, że wraz z wzrostem ilości energii solarnej produkowanej w systemie elektroenergetycznym różnica ta będzie się powiększać.

 

 

Case study – Optymalizacja pracy jednej z przepompowni KGHM

Eksperci z KGHM Centrum Analityki w ramach prac przygotowawczych, do realizacji projektu w jednym z oddziałów KGHM, wykonali szereg analiz i eksperymentów w celu zbudowania charakterystyk pomp i budowy prototypu optymalizatora, oraz jego przetestowania. Stworzono nowe charakterystyki poboru prądu przez pompy. Wykonano optymalizacje i symulacje testowe.

W prezentowanym przypadku, wyzwaniem do rozwiązania, było niedostateczne opomiarowanie i nieoptymalny sposób regulacji wydajności pompowni powodujące duże straty – regulacja poprzez dławienie przepływu.

Innowacyjne metody stosowane przez ekspertów z zespołu KGHM Centrum Analityki, pozwoliły mimo braków w zakresie opomiarowania na oszacowanie charakterystyk z wykorzystaniem pomiarów bezpośrednich oraz korekty błędów pomiarowych z uwzględnieniem korelacji z parametrami obserwowanymi w kolektorze zbiorczym.

Metody uczenia maszynowego a w szczególności regresji mogą zatem znaleźć zastosowanie już na etapie przygotowania danych wejściowych do modelu fizycznego obiektu!

 

Dzięki temu zabiegowi możliwe było wyznaczenie empirycznych charakterystyk sprawności agregatów pompowych – z uwagi na dokładność produkcyjną i wieloletni proces eksploatacji istotnie różniących się od przebiegów referencyjnych deklarowanych przez producenta. Należy podkreślić wagę połączenia wiedzy inżynierskiej z analityczną i optymalizacyjną, która pozwala na przeprowadzenie projektów optymalizacyjnych również w warunkach ograniczonej dokładności i ilości danych pomiarowych.

Z takim kompletem danych przystąpiono do stworzenia algorytmu optymalizacyjnego, wykorzystującego rzeczywiste charakterystyki sprawnościowe agregatów pompowych dla optymalizacji ich pracy. Sama minimalizacja zużycia energii nie była jedynym rozpatrywanym kryterium. Dlatego optymalizator uwzględnia liczne ograniczenia, przykładowo konieczność minimalizacji liczby zmian otwarcia przepustnic, by nie przeciążyć ich napędów ani nadmiernie ich nie wyeksploatować. Innym zagadnieniem jest niezbyt częste przełączanie pracujących agregatów, czy ich równa eksploatacja w ciągu roku, co może zostać wyrażone w algorytmie ograniczeniami minimalnego czasu pracy po uruchomieniu i postoju po wyłączeniu, oraz minimalnych czasów pracy w ciągu miesiąca, kwartału czy roku.

Dobór ograniczeń procesu optymalizacji jest bardzo istotnym elementem wpływającym na możliwe do osiągnięcia efekty. Różne, choć niby podobne urządzenia, często wykazują znacznie różny stopień zużycia. Tak było i w tym przypadku. Oznacza to, że wybór bardziej sprawnych agregatów do pracy, może się wiązać ze znacznymi oszczędnościami. Z drugiej strony, nie można pracować tylko pompami bardziej sprawnymi, ponieważ zestawy pompowe w pompowni nie będą zużywała się w równym stopniu – mówimy wtedy o tzw. równoważeniu resursu obiektów technicznych.

Decyzja o ograniczeniach dotyczących czasu pracy powinna być więc efektem dyskusji pomiędzy elektrykami, mechanikami i utrzymaniem ruchu i wyważyć korzyści ekonomiczne z przeszkodami po stronie eksploatacyjnej. W omawianym projekcie efekty możliwe do uzyskania z powodu zwiększenia czasu pracy pomp bardziej sprawnych wyraża tabela nr 2 na sąsiedniej stronie.

Widoczne w tabeli wyliczenia dokładnie wskazują nam poziom oszczędności jakie uzyskamy zwiększając sam czas prac bardziej wydajnych pomp. I tak, już przy 5% zwiększeniu czasu pracy pomp P2, P4 i P5 otrzymamy oszczędność zużycia energii na poziomie 247 MWh rocznie, co w przeliczeniu na złotówki daje oszczędność rzędu 264 000PLN rocznie. Warte rozważenia jest zwiększenie czasu pracy 3 sprawniejszych pomp o 20% w celu uzyskania oszczędności zużycia energii na poziomie aż 379 000PLN rocznie!

Z zaprezentowanych wyliczeń dodatkowo zobaczyć można, że optymalizacja procesu pracy pomp tylko o 1,03% (równy czas pracy pomp vs zwiększony o 20% czas pracy sprawniejszych pomp) przekłada się na oszczędność ponad 120 000PLN kosztów zużycia energii w skali roku! To potwierdza naszą maksymę, którą powtarzamy przy każdej okazji, że poprawa danego procesu produkcyjnego nawet o 1% potrafi przełożyć się na wielotysięczne oszczędności dla firmy.

 

W dzisiejszych czasach optymalizacja energetyczna pomp jest ważniejsza niż kiedykolwiek. Pompy stanowią obecnie około 10% zużycia energii w skali globalnej. Obliczenia wykazują, że jeśli wszyscy użytkownicy zastosowaliby pompy o wysokiej sprawności, udałoby się zaoszczędzić 4% ze światowego zużycia energii. 85% całkowitych kosztów eksploatacji danej pompy jest związanych z jej zużyciem energii. Optymalizacja energetyczna pomp pozwala zaoszczędzić energię, zwiększyć niezawodność i ograniczyć do minimum czas przestoju.

Dlatego warto poświęcić chwilę i sprawdzić jakie oszczędności kryją pompy w Twojej firmie!