153
program
Zkušenosti s využitím informaþních systémĤ pĜi provozu a optimalizaci rafinérií Ing. Milan Vitvar ýeská rafinérská a.s., 436 70 Litvínov
[email protected], tel. 476 164 477 http://www.crc.cz Souhrn Je popsán procesní informaþní systém PDIS implementovaný v ýeské rafinérské, a.s. Jsou uvedeny hlavní datové zdroje a jejich uložení do databáze Oracle. Pro efektivní využívání systému jsou nejdĤležitČjší tzv. aplikace, které pĜetváĜejí data v informaci potĜebnou k rozhodování. Je popsána problematika využití PDIS pĜi optimalizaci provozu rafinérií a uvedeny zkušenosti s implementací systému.
Úvod ýeská rafinérská, a.s. (dále ýeR), od svého vzniku prošla Ĝadou významných zmČn. Z hlediska Ĝízení a zpracování informací o chodu výroby uvedu zejména x x x x x x
výstavbu nových moderních jednotek, jako je fluidní krak nebo visbreaker centralizaci Ĝízení do tzv. centrálních velínĤ v rafinériích Litvínov i Kralupy zvýšené požadavky akcionáĜĤ, obchodních partnerĤ i kontraktorĤ na množství a kvalitu dat o výrobČ a na pĜesnost rozhodování nutnost snižovat výrobní náklady stále se zpĜísĖující požadavky na ochranu životního prostĜedí a bezpeþnost práce porovnávání ýeR s dalšími rafinériemi (benchmarking).
SouþasnČ došlo ke snížení poþtu pracovníkĤ, technology, operátory i pracovníky laboratoĜí nevyjímaje. Je zĜejmé, že na tyto zmČny, které pĤsobí protichĤdnČ, bylo tĜeba patĜiþnČ reagovat. Jedním z prostĜedkĤ, jak se s tímto problémem vypoĜádat, je efektivní využití informaþních technologií. Cílem této prezentace je popsat naše zkušenosti s vytváĜením procesního informaþního systému PDIS (Process Data Information System), který je využíván cca od roku 2000 v obou rafinériích naší spoleþnosti. Vznik PDIS Popudem byla výstavba jednotky fluidního kraku v rafinérii Kralupy, která byla první jednotkou pĜipojenou na centrální velín. Hlavní zásadou bylo využít standardní osvČdþená Ĝešení, jmenovitČ x x x x
databázi Oracle jako úložištČ dat (datový sklad) historickou databázi AIM* jako zdroj procesních dat laboratorní informaþní systém LISA další standardní Ĝešení pro logistická, environmentální a další data.
Jako integrátor byla vybrána firma ChemPlant Technology, s.r.o. Pro ilustraci, databáze procesních dat nyní po pĜipojení všech jednotek obsahuje údaje o cca 17 000 veliþinách, která jsou ukládána s rĤznou frekvencí a s rĤznou dobou uchovávání
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1343
1
16.–18. 4. 2007 Milovy
program
(veškerá data jsou pĜed vymazáním ukládána do archivu). U hodinových a denních prĤmČrĤ se pĜedpokládá uchovávání po dobu nejménČ 10 let. KromČ pĜímo mČĜených veliþin je databáze doplĖována automaticky výpoþtem ĜádovČ stovek odvozených veliþin, jako jsou napĜ. mČrné spotĜeby utilit, výtČžky produktĤ, veliþiny dopoþítané z bilancí, klíþové ukazatele výkonnosti apod. ZDROJE DAT hmotové toky informaþní toky
LIMS
Imisní systém
Lab. data
Železniþní terminál
ENERGIS
PDIS
Utility
Silniþní terminál
Datový sklad ORACLE
Produktovod
DCS
Tank IS
Pohyby produktĤ
AIM*
Výrobní jednotky
TankovištČ a blending
Obr.1: Zdroje dat sytému PDIS Validace dat V praxi mohou být data þasto znehodnocena nejrĤznČjšími chybami. Je proto nezbytná jejich validace, þímž máme na mysli jejich zpĜesnČní a odstranČní pĜípadných hrubých chyb mČĜiþĤ. K tomuto je v PDIS používáno vyrovnávání (rekonciliace) dat na základČ bilanþních modelĤ. V obou rafinériích je pravidelnČ na denní bázi sestavována vyrovnaná bilance hmoty a též nČkterých významných subsystémĤ (systémy výmČny tepla energeticky intenzivních jednotek, rozvody topného plynu). Výsledky slouží kromČ materiálového a energetického úþetnictví a monitorování výtČžkĤ též jako podklad pro cílenou údržbu instrumentace.
Obr. 2: Validace dat
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1344
2 16.–18. 4. 2007 Milovy
program
Aplikace Vzhledem k obrovskému množství dat je jejich pĜímé využití problematické. PrávČ softwarové aplikace pĜetváĜejí data v užiteþné informace, které lze využívat pĜi rozhodování. U aplikací byla požadována maximální volnost uživatele pĜi jejich vytváĜení a modifikaci podle vlastních potĜeb. KromČ veĜejných aplikací spravovaných administrátorem systému mají uživatelé možnost vytváĜet si aplikace vlastní. Uvećme nyní nejdĤležitČjší aplikace. Prohlížeþe dat Slouží k zobrazování dat v þíselné nebo grafické formČ. Data lze prohlížet podle pĜedem vytvoĜených skupin, podle místa v rafinérii, podle názvu veliþiny a na procesních schématech. Prohlížeþe dále umožĖují uživatelĤm stahování dat do souborĤ Excel. Prohlížeþe jsou dva – pro prostĜedí MS Windows a pro prostĜedí podnikového Intranetu. Poslední mĤže sloužit též pro pĜístup k datĤm pĜes Internet pro pracovníky ýeR nebo obchodní partnery. Generování reportĤ a presentací Reporty lze generovat ruþnČ nebo automaticky. Výstupním formátem reportĤ je MS Excel nebo HTML. KromČ pĜedem pĜipravených a automaticky generovaných reportĤ (bilance, stavy zásob, apod.) si uživatelé mohou též vytváĜet privátní reporty na základČ excelovských šablon, což jim dává prakticky neomezené možnosti pro vlastní presentace. Hmotové a energetické bilance Rafinérie k bilancování využívá systémy ChemPlant Technology, s.r.o. IBIS (bilancování hmoty – Yield Accounting na denní bázi) a RECON (hmotové a energetické bilance na hodinové bázi). Viz též odstavec Validace dat. Monitorování výrobních procesĤ (Performance Monitoring) Hlavním prostĜedkem monitorování výrobních procesĤ jsou tzv. Technologické Karty (Operating Windows). Pro každou výrobní jednotku nebo technologický proces mĤže být definována jedna nebo více karet, což je výbČr veliþin se zadanými mezemi, mezi nimiž se mají udržovat hodnoty technologických promČnných (prĤtoky, teploty, analytické hodnoty apod.). Veliþinami v kartách mohou být jak pĜímo mČĜené veliþiny tak i veliþiny odvozené, jako jsou výtČžky, klíþové ukazatele aj. Meze karet mohou být konstantní, závislé na technologickém režimu nebo dynamické, jako funkce jiných veliþin.
Obr.3: Ukázka technologické karty. ýervená barva znaþí pĜekroþení, zelená podkroþení mezí Karty jsou automaticky vyhodnocovány a graficky ukazují veliþiny a þas, kdy jsou procesní veliþiny mimo meze. Technologické karty lze provozovat jak on-line, tak dlouhodobČ statisticky vyhodnocovat jejich plnČní.
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1345
3 16.–18. 4. 2007 Milovy
program
Technologické karty patĜí k nejvyužívanČjším aplikacím a pĜedstavují dĤležitý zpĤsob komunikace mezi technology, operátory a vedením. Technolog mĤže napĜ. souþasnČ s pokynem ke zmČnČ režimu nastavit zmČnu mezí a operátor i technolog pak vidí, do jaké míry je pokyn splnČn. Zde je tĜeba poznamenat, že meze v kartách mají zajistit zejména vyrobení požadovaných produktĤ s minimálními náklady. Nelze je ztotožĖovat s tzv. tvrdými limity zajišĢujícími integritu zaĜízení a bezpeþnost práce. Dodržování tČchto limitĤ musí být Ĝešeno v rámci Ĝídícího systému pomocí alarmĤ a blokád. Quality Estimators (QE) Nevýhodou laboratorních analýz je jejich malá frekvence. VČtšina analýz se provádí jednou dennČ, nebo i ménČ þasto. KromČ toho jsou tlaky na jejich další omezení. Ani masivní využití automatických analyzátorĤ není vzhledem k jejich vysoké cenČ, þasto malé spolehlivosti a vysokým nákladĤm na jejich údržbu Ĝešením. V ĜadČ pĜípadĤ zde mohou pomoci QE (nČkdy oznaþované jako softwarové senzory). QE jsou v podstatČ matematické modely, které poþítají vlastnosti produktĤ (hustota, destilaþní vlastnosti, viskozita, apod.) na základČ mČĜení procesních veliþin, jako jsou prĤtoky, teploty, apod. Matematický model mezi laboratorními výsledky a procesními veliþinami lze vytvoĜit pomocí regresní analýzy historických dat. Na dalším obrázku je vidČt pĜíklad porovnání modelu a laboratorních analýz A n a ly z a
V ypocet
405 400 395 390 385 380 375 370 365 360 355 350 345 340 335 330 325
2 8 .2 .2 0 0 3
2 9 .4 .2 0 0 3
2 8 .6 .2 0 0 3
cas
2 7 .8 .2 0 0 3
2 6 .1 0 .2 0 0 3
2 5 .1 2 .2 0 0 3
Obr. 4: PĜíklad výpoþtu teploty konce destilace produktu z teplotního profilu na destilaþní kolonČ Pro informaci, napĜ. v rafinérii Litvínov je využíváno 33 QE, z nichž 6 je hodnoceno jako „výborných“, 9 jako „velmi dobrých“, 9 jako dobrých a 9 jako „na hranici použitelnosti“. Shoda QE s výsledky analýz se jednou roþnČ kontroluje a modely se pĜípadnČ opravují. K tomuto existuje v PDIS zvláštní aplikace, která usnadĖuje kontrolu existujících QE a vytváĜení nových QE. Monitorování spotĜeby energie (utilit) U spotĜeby energií je sledována jak jejich celková spotĜeba, tak i mČrné spotĜeby vztažené na nástĜiky jednotek. Aby získali uživatelé pĜehled o významnosti jednotlivých položek, jsou zobrazovány jak údaje ve fyzikálních jednotkách, tak i v penČžním vyjádĜení
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1346
4 16.–18. 4. 2007 Milovy
program
Aplikace pro podporu výroby Tyto aplikace jsou zamČĜeny hlavnČ na podporu práce operátorĤ a dalších pracovníkĤ výrobní sekce. OperátoĜi sice mají k disposici vlastní Ĝídící systém (DCS), PDIS však umožĖuje vČtší flexibilitu. Lze snáze zobrazit veliþiny z rĤzných míst výroben a pĜípadnČ procesní data integrovat s výsledky analýz a údaji z jiných systémĤ. Lze využívat složitČjší modely, než je reálné v rámci DCS. Nejjednodušší aplikace pro podporu výroby spoþívají ve shromáždČní potĜebných informací na jedné obrazovce. V jiných pĜípadech je podpora složitČjší. OperátoĜi jsou þasto postaveni pĜed potĜebu se rychle rozhodnout mezi nČkolika variantami. PĜitom jim mohou pomoci tzv. procesní kalkulátory. Jsou to aplikace, které napĜíklad zobrazí na obrazovce poslední hodnoty procesních veliþin a laboratorních stanovení a provedou s nimi výpoþty (napĜ. bilanþní). Pak má operátor možnost upravovat hodnoty veliþin a zjišĢovat „co by se stalo, kdyby?“. Na následujícím obrázku je pĜíklad procesního kalkulátoru výpoþtu vlastností nástĜiku na výrobní jednotku oxidace asfaltu.
Obr. 5: Obrazovka procesního kalkulátoru vlastností nástĜiku oxidace asfaltu NástĜik na výrobní jednotku vzniká smísením až þtyĜ proudĤ, jejichž vlastnosti jsou stanovovány v laboratoĜi. Pro vlastní smČs však neexistuje analyzátor. Cílem aplikace je pĜedpovídat vlastnosti nástĜiku z prĤtokĤ a vlastností jednotlivých vstupních proudĤ. Aplikace nejprve pĜeþte z databáze prĤtoky a analýzy a vypoþítá vlastnosti nástĜiku. Operátor poté mĤže prĤtoky a vlastnosti mČnit a najít tak pomČry, pĜi nichž má nástĜik požadované vlastnosti. Aplikace pro ochranu životního prostĜedí Centrální databáze systému PDIS je též základem pro minimalizaci vlivu na životní prostĜedí a evidenci vyžadovanou legislativou. Jedná se zejména o x x x
kontinuální monitoring emisí a imisí evidenci odpadĤ evidenci chemických látek
Unikátní je napĜ. systém pro monitorování emisí VOC z tankĤ metodou EPA AP-42. Tato aplikace vyhodnocuje pohyby hladin v tancích a další veliþiny a poþítá množství tČkavých látek uvolnČných do ovzduší.
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1347
5 16.–18. 4. 2007 Milovy
program
Optimalizace Optimalizace rafinérských procesĤ není nic nového, sahá od jednoduchých pravidel až po APC. Co je optimální pro chod výroby je vČtšinou známé, problémem bývá optimální chod udržet. Dále uvedu standardní postupy, které využíváme v praxi. Lineární programování (LP) LP je základní metodou pro plánování rafinérské výroby (program PIMS). ÚspČšnost této metody je pĜímo úmČrná kvalitČ modelu. Význam pĜitom mají x x
výtČžkové modely získávané z denních vyrovnaných bilancí modely mČrných spotĜeb utilit pro jednotlivé výrobní jednotky
Tyto modely se vytváĜejí na základČ reálných procesních dat ze systému PDIS. Reálná data se pak také využívají pĜi zpČtné kontrole toho, zda byl optimální plán výroby dodržen. Analýza energeticky intenzivních procesĤ metodou Pinch DobĜe známá a dnes již klasická metoda Pinch je úþinným nástrojem pĜi odhalování rezerv v oblasti spotĜeby energie. Aplikace této metody vyžaduje sestavení podrobných energetických bilancí na základČ validovaných dat. Optimalizace údržby zaĜízení Náklady na údržbu nejsou zanedbatelné a její optimalizací lze dosáhnout znaþných pĜínosĤ. Trendem je tzv. cílená údržba zamČĜená na Ĝešení reálných problémĤ. NapĜíklad monitorováním koeficientu prostupu tepla u výmČníkĤ lze detekovat ty, které se zanášejí a optimálnČ plánovat jejich þištČní. ObČ rafinérie systematicky aplikují metodu LDAR (Leak Detection And Repair), která byla integrována do systému údržby. Je monitorována tČsnost cca 70.000 elementĤ (ventily, pĜíruby, atd.) a netČsné jsou opravovány. KromČ ochrany životního prostĜedí pĜitom dochází k úsporám v dĤsledku snížení ztrát uhlovodíkĤ.
Obr. 6: PĜíklad monitorování koeficientu prostupu tepla u výmČníku Monitorování vybraných veliþin (klíþových ukazatelĤ) Optimální provoz lze vČtšinou charakterizovat jednoduchými pravidly, jejichž porušení lze pomČrnČ snadno kontrolovat. Jako pĜíklady je možno uvést x
minimalizovat „giveaway“ u produktĤ
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1348
6 16.–18. 4. 2007 Milovy
program
x x x
udržovat pĜebytek kyslíku ve spalinách na minimální technologicky pĜípustné hodnotČ minimalizovat refluxní pomČry v destilaþních kolonách využívat povolené ekologické limity.
K tomuto monitoringu jsou využívány již dĜíve popsané technologické karty vyhodnocované on-line. Výhled do budoucna Bylo zde již hovoĜeno o procesních kalkulátorech, které umožĖují studie „Co když …?“. ZobecnČním tohoto pĜístupu je širší využití simulaþních programĤ. VyĜešili jsme automatické propojení simulaþního programu PRO-II s daty v systému PDIS. Lze tak do simulaþního programu importovat procesní data a provádČt simulace reálných provozních situací. Toto by mohla být cesta další podpory operátorĤ. Zabýváme se též možnostmi zavedení APC (Advanced Process Control). ZávČr Trvalé provozování rafinérií optimálním zpĤsobem dnes není možné bez intenzivního využívání informaþních systémĤ. Tyto informaþní systémy však nestaþí jen vybrat a nechat je implementovat. Riziko neúspČchu je znaþné a každé zanedbání se mĤže v budoucnosti projevit zhoršenou funkcí celého systému. Pro koneþný úspČch považuji za dĤležité x x x x x x x x
mít jasnou vizi, jaké má mít koneþné Ĝešení funkce vybrat osvČdþená standardní dílþí Ĝešení a integrátora se zkušeností z procesního prĤmyslu systém budovat postupnČ. Je tĜeba, aby uživatelé systému „absorbovali“ nové metody pĜístupu k datĤm, které do znaþné míry zmČní zpĤsob jejich práce systém orientovat na potĜeby uživatelĤ. Dát uživateli maximální prostor pro vytváĜení vlastních aplikací (privátní reporty, skupiny sledovaných veliþin, atd.). Odlehþí se tak administrátorovi systému a zlevní se bČžný provoz výstavbu systému prĤbČžnČ sledovat a korigovat pĜípadný vývoj špatným smČrem. Mít zpČtnou vazbu od uživatelĤ vyžadovat napojení na další informaþní systémy a procesy podniku v oprávnČných pĜípadech vyžadovat úpravy dílþích Ĝešení (customizace) monitorovat využívání systému (frekvenci pĜístupu uživatelĤ apod.). Lze tak zjistit pĜípady, kdy uživatelé nČkteré Ĝešení nepĜijali a systém není využíván.
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1349
7 16.–18. 4. 2007 Milovy
