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mcT Tecnologie per il PetrolchimicoEfficienza Energetica e Automazione di Processo: un binomio da valorizzare

ABB SpA - Nunzio Bonavita – Milano 29 Novembre 2012

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Efficienza Energetica e Automazione di Processo: un binomio da valorizzareAgenda

Efficienza Energetica nell’Industria di ProcessoLe opportunità dell’Automazione per il miglioramento delle prestazioni di impianto:

Strumentazione di campoControllo di processoSistemi per la gestione del processoServizi avanzati

Cosa chiedere ad un fornitore di automazione?Alcune «success stories» …

Efficienza Energetica nell’Industria di Processo Come definire l’Efficienza Energetica


Utilizzo efficiente e produttivodelle risorse energetiche:

( )( )

Efficienza Energetica implica:

Aumento della produzione a paritàdi energia utilizzata.

Conseguimento della stessaproduzione con un minor consumodi risorse.Efficienza Energetica

VSRisparmio Energetico

Efficienza Energetica nell’Industria di Processo

Intensità EnergeticaOpportunità di miglioramento e ottimizzazione

Consumo EnergeticoSe alto, anche piccole percentuali di efficientamentopossono tradursi in elevati risparmi economici ($).


L’Intensità Energetica, calcolatacome Unità di Energia per unità diPIL, fornisce una indicazione delprezzo (e costo) necessario perconvertire l’energia in PIL.

Maggiore è l’Intensità Energetica Maggiore è il costo necessario

L’Industria di Processo presentaalti valori per:

Intensità EnergeticaConsumo Energetico

Il settore petrolchimico utilizzal’energia nel modo più intensivo.

Efficienza Energetica nell’Industria di Processo


Qualsiasi politica di massimizzazione dell’efficienza energetica nonpuò prescindere dall’interessare in maniera consistente le industriedi processo

In Italia l’aggregato dei settori petrolchimici, cartario, siderurgico emetalli non ferrosi da solo rappresenta consumi per un totale di 17.5MTEP di cui 8.6 MTEP sono riconducibili a consumi di idrocarburi(gas e petrolio).

Diversificazione di approccio per incremento efficienza deiprocessi industriali:

Progettazione “energy-sensitive” dei nuovi impianti

Ottimizzazione impiantistica mediante “plant retrofitting”

Implementazione “best practices” attraverso l’utilizzo diadeguate tecnologie per il controllo e il monitoraggio processo(Ottimizzazione, Controllo Avanzato- APC)

“Low-hangingfruit”

Efficienza Energetica TermodinamicaIl ruolo dell’Automazione


I componenti e i sistemi elettrici hanno attratto sinora la massima attenzione nella ricerca dell’EE

Le opportunità per l’efficientamentoenergetico aumentano se si considerano anche le altre aree interessate da utilizzo e consumo energetico.

L’Automazione ha un ruolo diretto perché permette di implementare la sequenza ottimale delle azioni volte a guidare la produzione verso alti livelli di EE.

Ridurre i costi energetici è il principale obiettivo delle aziende produttive che vogliono/devono ottimizzare le proprie operazioni.

Tuttavia recenti analisi realizzate dall’ARC Advisory Group mostrano come il monitoraggio di energia e molte delle altre azioni legate all’efficientamentoenergetico non sono attuati in modo appropriato nella maggior parte degli impianti.

L’Automazione di Processo per l’Efficienza EnergeticaUn’opportunità largamente inesplorata


* Source: CHEManager 2/2009 (page 4), GIT Verlag (Publishers) * Source: ARC Advisory Group, Energy Management Survey 2010.* Fonte: Intermediate Energy Infobook (2011) –Energy Consumption

Le Opportunità dell’Automazione nel miglioramento delle prestazioni di impianto


Sistemi di Gestione del Processo

Controllo di Processo

Strumentazione di campo

Gli operatori di impianto devono controllare e monitorare un grandenumero di dati e parametri provenienti da diverse e complesseconfigurazioni di strumenti e macchinari.Le moderne tecnologie di Automazione di Processo permettono diincrementare l’efficacia e l’efficienza delle operazioni di un impianto.Drivers: 1) accuratezza delle misure, 2) ottimizzazione del processo, 3)pianificazione e programmazione delle attività, 4) disponibilità di impianto.

Determinazione e Mantenimento delle Condizioni Operative Ideali

Strumenti di campoSoft sensorsControllo Statistico di ProcessoMultivariatoMonitoraggio e Tuning dei loop di controlloAnalisi dei DisturbiControllo di Regolazione AvanzatoControllo di Processo Avanzato

Sistemi di Gestione del Processo

Information Management SystemsAsset ManagementEnergy management

ServiceConsulenza direttaValutazione energeticaAttività di service in remoto

Opportunità dell’Automazione per il miglioramento delle prestazioni di impiantoStrumentazione di campo: la tecnologia di base


Acquisizione e trasmissione dei segnali di campo: pressoché tutte le categorie di strumentazione sono utilizzate nell’industria dell’O&G.

Tecnologia di base: permette agli operatori di misurare i parametri operativi che caratterizzano l’impianto e monitorare che il processo mantenga le condizioni richieste.

Tecnologia indispensabile: permette il reperimento di dati in tempo reale per assicurare il controllo di ogni parte del processo.

Infrastruttura Abilitante («Enabler») l’Efficienza Energetica Requisito indispensabile ma non sufficienteAccoppiata con altre tecnologie ha un impatto diretto in termini di EE

Gestione di Processo


StrumentazioneStrumentazione

Opportunità dell’Automazione per il miglioramento delle prestazioni di impiantoControllo di Processo 1



Process Control

Strumentazione


Software Caratteristiche Opportunità per EE

Controllo di Regolazione Avanzato

Soluzioni con scopi specifici: implementateper il controllo di equipment o parti diprocesso. Esempi tipici di applicazione sono:• Controllo della qualità nelle colonne di

distillazione;• Controllo della temperatura di uscita negli

scambiatori di calore:• Controllo di livello per boiler.

Controllo più semplice edefficiente, i vantaggi sono strettamente dipendenti dal settore di applicazione.

Monitoraggioe Tuning dei loop di controllo

Soluzioni che permettono ai dispositivi dicontrollo di raggiungere e mantenere livelli diperformance ottimali (produzione maggiore eperdite minori). Una strategia ottimaleprevede il tuning periodico dei controllori.

4 - 7 % grazie a migliori rendimenti dei controllori di impianto

Analisi dei Disturbi e Monitoraggiodi Processo

Identifica le cause primarie di disturbi a livellodi impianto (come variabili oscillanti) chepossono provocare contr . l’effetto si puòriverberare su parametri chiave di processo edeterminare così minor rendimenti.

5 - 10 % dovuto a migliori performance di impianto a livello globale.

Software e Sistemi di Controllo Avanzato sono soluzioni relativamente low-cost per applicazione nei processi che utilizzano energia in modo continuo e intensivo, con migliaia di applicazioni già in funzione in diversi settori.

Opportunità dell’Automazione per il miglioramento delle prestazioni di impiantoControllo di Processo 2



Process Control

Strumentazione



Soft Sensor

Ambienti software che, basandosi sui dati reperitidal sistema di controllo di impianto. utilizzanomodelli per la stima di parametri e variabili diprocesso.

Una tipica applicazione è nel campo delmonitoraggio delle emissioni.

2 - 4 % a seconda delle applicazioni.

Esempi: risparmio di combustibile, migliore qualità dell’output, tempi di funzionamento della strumentazione più lunghi.

Le caratteristiche di predizione consentono migliori gestioni e controlli di processo.

Controllo Statistico di Processo Multivariato

Tecniche avanzate per il controllo e ilmonitoraggio delle condizioni operative di unprocesso.Con l’utilizzo di modelli statistici è possibileriassumere tutte le informazioni derivanti dallevariabili di processo in due o tre matrici.

Massimizzazione della produzione,della qualità e la diagnosi precoce dieventi anomali.

Aumento della produzione ediminuzione delle pertdite.

Controllo diProcesso Avanzato

Tecniche che accoppiano strategie di controllocon modelli matematici. Il contributo piùsignificativo consiste nel restringimento dellavarianze delle variabili di processo.I campi di applicazione sono diversi, inoltrequesta tecnologia richiede una profondaconoscenza della natura del processo.

5 - 15 % in termini di riduzionedell’utilizzo di energia ed aumentodella qualità della produzione.

Le tecnologie di automazione permettono di ridurre la quantità di incertezze sianell’esecuzione che nella performance di un processo.

Opportunità dell’Automazione per il miglioramento delle prestazioni di impiantoGestione di Processo: acquisizione informazioni in tempo reale


Process Mgmt


Strumentazione



Information Management Systems

Database per i dati storici e in tempo reale.Infrastrutture essenziali per immagazzinare evisualizzare le informazioni relative al processo.Gli IMSs trasformano dati in conoscenza: ad esempioKPI (Key Performance Index) possono assistere efacilitare nel prendere decisioni riguardanti strategieper l’ottimizzazione del processo.

Enabler

AssetManagement

Sistemi che forniscono una valutazione complessivadelle condizioni degli equipment di impianto e unapronta identificazione di un eventuale degrado nelleprestazioni.Strettamente legati a manutenzione e service perattività diagnostiche e/o correttive.

Enabler in termini di qualitàdella performance di impiantoe disponibilità degli asset.

Energy Management

Sistemi che aiutano gli impianti a soddisfare i requisitiambientali e/o di mercato. Gestione delle risorse e deiconsumi energetici di impianto, l’obiettivo principale èla realizzazione di una pianificazione per la riduzionedei costi energetici.

2 - 4% in termini di: riduzionedei consumi energetici,pianificazione, previsione eottimizzazione utilizzo vettorienergetici.

Accedere alle informazioni di processo in modo puntuale e affidabile è un aspetto cruciale per la pianificazione delle strategie operative.

I Sistemi per la gestione dell’Informazione consentono l’acquisizione, la visualizzazione e lo storage in real-time di parametri quali:

costi energetici;qualità del prodotto finale;ulteriori e vari parametri legati all’utilizzo di energia.

Opportunità dell’Automazione per il miglioramento delle prestazioni di impiantoGestione di Processo: Power Management System


Process Mgmt


Strumentazione


I Power Management Systems hanno un impatto diretto sull’EfficienzaEnergetica, in particolare in termini di migliore affidabilitàdell’alimentazione elettrica. Caratteristiche principali:

Controllo e Monitoraggio dei sistemi elettrici volti ad assicurarepotenza ai carichi critici andando ad interrompere l’alimentazione aicarichi non prioritari.Ottimizzazione della rete elettrica in termini di generazione,distribuzione e fornitura di energia elettrica tenendo inconsiderazione il suo costo variabile.


Power Management

Bilancio dell’energia richiesta dall’impianto conl’energia disponibile e relativo costo.Le maggiori funzionalità sono:• Gesione, ripartizione e stacco carichi• Controllo di potenza e distribuzione• Monitoraggio e controllo delle reti elettriche

2 - 3 % in termini di riduzionedell’utilizzo dell’energiaelettrica. Riduzione dellapossibilità di black out eaumento della disponibilità diimpianto.

Opportunità dell’Automazione per il miglioramento delle prestazioni di impianto Advanced Service

Dal service tradizionale alle attività di service avanzato:Il service tradizionale è associato alle attività di manutenzione preventiva o di intervento a fronte di un guasto. Miglioramenti e ottimizzazione di questo approccio nei processi termici si possono ottenere andando a valutare in modo più dettagliato il controllo di processo, nonché l’approvigionamento e la gestione organizzata delle risorse energetiche.




Strumentazione

Service Caratteristiche Opportunità per EE

Consulenza diretta

Gruppi di esperti assistono i responsabili di impiantonel misurare i rendimenti e i consumi, indirizzandoliverso azioni volte a determinare e raggiungere ilmassimo potenziale in termini di efficienzaenergetica.

Fino al 20%

Valutazione energatica

Identificazione e valutazione dell’attuale statodell’impianto e proposte volte all’ottimizzazione degliequipment, dispositivi ed organizzazione (e.g.pianificazione della produzione).

5 - 20 %

Remote Service Connessione in remoto con esperti di efficienzaenergetica , per ovviare a problematiche quali sitidifficilmente raggiungibili o interventi urgenti e nonprogrammati.

Fino al 20%

Cosa chiedere ad un fornitore di Automazione?Una completa offerta di servizi e supporti tecnici


La tecnologia (prodotti e soluzioni) non è sufficiente: la capacità di fornire servizi professionali ad alto valore aggiunto è determinante

L’approccio nel service deve fornire un completo supporto nei diversi settori dell’automazione

Dall’assistenza su prodotti durante il loro ciclo di vita, alle attività di manutenzione e consulenza. Esperti di automazione dei processi industriali possono aiutare a raggiungere alti livelli di efficienza.

Grazie all’applicazione di soluzioni tecnologiche all’avanguardia, è possibile raggiungere gli alti standard richiesti nei settori petrolchimico ed O&G.

Success Stories: Ottimizzazione e monitoraggio dei Loop di Controllo nella produzione di materie plastiche


Richiesta del clienteMaggiore consistenza della qualità.Riduzione del consumo energetico.

La Soluzione ImplementataImplementazione di un tool per l’identificazione dei loop di controllo con performance non soddisfacenti e retuningregolare. Lo scopo è quello di mantenere la strumentazione di impianto e il sistema di controllo operanti al massimo delle prestazioni.Monitoraggio delle prestazioni nel tempo tramite la funzionalità di Auditing.

I RisultatiTuning di 250 PID in meno di 3 settimane (anziché 6-8 mesi!)Il miglior controllo delle prestazioni ha permesso una riduzione del 5% del metano usato nel sistema di produzione di vapore dell’impianto.

Success Stories: Analisi delle cause primarie di disturbi e loro propagazione in un impianto chimico


Richiesta del clienteIdentificazione della causa dei disturbi oscillatori che rendevano instabili le operazioni di due colonne di distillazione all’impianto di Kingsport della EastmanChemical Company. Con un’analisi condotta manualmente non si riesce ad avere la risposta del problema perché la configurazione dell’impianto è complessa.

La Soluzione ImplementataStudio pilota volto all’identificazione della causa delle oscillazioni tramite la Plant-wide Disturbance Analysis (PDA).Dopo l’identificazione delle cause primarie, è stato realizzato l’auditing per confermare le ipotesi.

I RisultatiCompleta analisi delle prestazioni dell’impianto assistita da personale del service:

Riduzione del tempo impiegato nell’individuazione del problemiMigliori performance grazie alle migliori condizioni operative.

Success Stories: Ottimizzazione e stabilizzazione della fornitura combinata steam-power di stabilimento


Richiesta del clienteMiglioramento della stabilità e flessibilità delle operazioni delle turbine, caldaie e steam header di una centrale elettrica.Riduzione dell’utilizzo di energia (elettrica e vapore).

La Soluzione ImplementataApproccio a più livelli che utilizza Real-time Optimization (RTO), assieme a Controlli Avanzati di Processo (APC).

I RisultatiRiduzione dell’80% della standard deviation della pressione di vapore principale e un simile miglioramento è stato osservato in tutti gli steam header. Risparmi del 1% del costo di energia globale della stazione.

70% dalla massimizzazione della potenza di contropressione.15% usando le caldaie di volta in volta più efficienti10% comprando la massima potenza energia elettrica quando il costo energetico è basso.5% producendo potenza extra e vendendola nel momento in cui il costo è alto.

Payback: 6 mesi

Success Stories: Controlli Avanzati per minimizzazione dei consumi energetici delle utilities in IGCC


Richiesta del clienteIntroduzione di una Unità di ottimizzazione per una delle aree più critiche di un impianto: la sezione Acid Gas Removal (AGR). Lo scopo è quello di ridurre l’utilizzo del vapore mantenendo le variabili controllate conformi ai loro setpoint o limiti.

La Soluzione ImplementataImplementazione di diversi controlli di processo multivariabile e modelli inferenziali; il cuore della tecnologia MPC è un modello matematico del processo utilizzato per predire il comportamento futuro del processo. Le applicazioni sono basate sulla tecnologia Predict & Control (P&C).

I Risultati

Il consumo di vapore è sceso da 35.1 t/h a 26.1 t/h, che equivale ad una riduzione di circa 9 t/h (20-25%).

Il miglior controllo ha permesso di lavorare più vicino alla specifica dell’H2S

Success Stories: Applicazione di un PMS ad un impiantoLNG in Malaysia


Richiesta del clienteEstensione del sistema di distribuzione da 100 MW e 300 MW per due treni LNG (brown field). L’installazione richiede di essere il più possibile affidabile e con la massima disponibilità possibile.

La Soluzione ImplementataPower Management System con le funzionalità di:

Stacco carichiControllo di potenza

I RisultatiMassimizzazione della disponibilità di impianto attraverso la diminuzione della probabilità di black-outs.In questi contesti, i benefici attesi sono dell’ordine del 2-3% in termini di risparmio di energia elettrica.

Success Stories: Professional Services & Metodologia per ottimizzare un Impianto di HFC-32


Richiesta del clienteOttimizzazione ed efficientamento della sezione «Boilers» del più grande impianto di produzione di difluorometano al mondo (USA).Riduzione dei consumi dei 4 boilers presenti.

La Soluzione ImplementataApproccio sistematico per la diagnosi e l’identificazione delle opportunità di miglioramento, implementazione di software tool per:

Upgrades delle logiche di controlloUpgrades del calcolo per la valutazione dell’aria in eccessoRetuning di alcuni loop di controllo identificati come non performantiAdeguamento dei filtraggi su alcuni misuratori (di livello e di portata vapore)

I RisultatiLa soluzione ha portato risparmi nell’ordine del 2.5 % del consumo annuo di gas naturale.L’attività di monitoraggio ha permesso di garantire il raggiungimento di tali performance anche negli anni successivi.

Efficienza Energetica e Automazione di Processo Conclusione


L’efficienza energetica nei processi industriali nasce da un’attenta e metodica attenzione ai dati di processo, alla loro misurazione e al loro trattamento

“… when you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know

something about it; but when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meager and

unsatisfactory kind…” William Thompson, Lord of Kelvin (1883)

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