Определение возможностей уменьшения энергопотребления на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях Определение возможностей уменьшения энергопотребления на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях Обзор Горнодобывающие и перерабатывающие компании увеличивают энергоэффективность не только для соблюдения требований государственной политики по возможностям энергосбережения (ВЭС), но и для уменьшения затрат в текущей экономической обстановке. Одна из главных сложностей с ВЭС – нехватка доступной информации об энергопотреблении и, особенно, связи между данными об энергопотреблении и производстве, определяющей возможности сбережения энергии. Как и с экономией энергии, горнодобывающие и перерабатывающие компании часто испытывают сложности с прогнозированием энергопотребления и часто штрафуются за недостаточную или избыточную оценку. Такое прогнозирование также осложняется нехваткой своевременной информации. Этот доклад рассматривает расширение использования систем управления производством посредством интеграции с энергетическими решениями. Такая интеграция позволит автоматически получать своевременную информацию с подробностями, облегчающими определение ВЭС, снижение расходов на энергию и позволяющими точнее прогнозировать энергопотребление в горнодобывающих и перерабатывающих производственных процессах. David Sterling Manufacturing Execution Systems Industry Business Schneider-Electric [email protected] http://www.schneider-electric.com июль 2009 2 1. Возможности энергосбережения (ВЭС) Отношения между техобслуживанием и производством не всегда бывают гладкими. На экстренном совещании, созванном для обсуждения причин срыва плана, ответ производственников может звучать как «простои, вызванные поломками оборудования и медленной реакцией техобслуживания». В ответ техобслуживание может предъявить обвинение в «плохой организации производственных процессов и отсутствии доступа для своевременных работ по предотвращению поломок». Такие ситуации могут быстро привести к конфликту. И в самом деле, частично правы обе стороны спора, но найти истину сложно именно потому, что участвуют «стороны». В то же время конкурентное давление продолжает усиливать требования к снижению себестоимости и повышению производительности, а социальное давление требует усиления безопасности и экологичности. Поэтому на обоих краях пропасти между производством и техобслуживанием давно поняли необходимость совместной работы для улучшения и оптимизации производительности предприятий и разработали на протяжении последних лет множество методов оптимального управления. В 2009 году основными темами обсуждения являются как финансовый, так и атмосферный климат. Горнодобывающие и перерабатывающие компании стремятся снизить энергозатраты и для уменьшения себестоимости, и для снижения выбросов, особенно в свете возможного внедрения каких-либо схем по выбросам окислов углерода. Для достижения этих целей компаниям необходимо ясное представление об их текущем энергопотреблении, а следовательно, и инструменты, которые дадут людям возможность принимать решения. Правительства осознают потенциал энергоэффективности, особенно в горнодобывающей отрасли. Многие из них вводят в действие программы возможностей энергосбережения, поощряющие большие энергоёмкие предприятия к повышению энергосбережения посредством определения, оценки и обнародования рентабельных возможностей энергосбережения. Многие правительства делают участие в возможностях энергосбережения обязательным для компаний, чьё энергопотребление превышает 0,5 петаджоулей (ПДж) в год. Одним из обоснований программы ВЭС является убеждение правительств в том, что широкое принятие рентабельных энергосберегающих технологий и процессов поможет предприятиям сохранить конкурентоспособность в условиях глобального движения в сторону экономики с уменьшением выброса окислов углерода и принятия планов уменьшения углекислого загрязнения. Как показано на приведённой ниже диаграмме Рио Тинто (из презентации Рио Тинто на форуме ВЭС), между загрязнением и энергопотреблением существует тесная связь. Между загрязнением и энергопотреблением существует тесная связь Загрязнение Энергопотребление Загрязнение Рио Тинто Энергопотребление Рио Тинто Рисунок 1. Связь между энергопотреблением и загрязнением Рио Тинто (как Рио Тинто подходит к управлению энергоснабжением. Возможности энергосбережения, 22 мая, Мельбурн, 2008) 3 Актуальные примеры ВЭС в австралийской горнодобывающей и обрабатывающей отраслях. В рамках программ ВЭС крупные потребители энергии должны составлять отчёты ВЭС. Эти отчёты размещаются в свободном доступе на веб-сайтах компаний и вебсайтах правительства по энергии. Одна из проблем с отчётами ВЭС – увеличивающаяся «одинаковость» в видах ВЭС, которые горнодобывающие компании начинают определять в своей деятельности. Например, часто встречаются следующие ВЭС: • Уменьшение освещения (системы управления освещением) • Уменьшение энергопотребления в кондиционировании воздуха путём замены вида систем кондиционирования • Переход на приводы с регулируемой скоростью для сбережения энергии • Сбережение энергии, связанной с утечками сжатого воздуха Вышеперечисленные предложения дают экономию, даже возможность скорой выгоды в горнодобывающей и обрабатывающей отраслях. Но вопрос в том, что позволит сократить энергопотребление в следующие несколько лет. Автоматическое отключение освещения – угольная шахта Маунт-Артур Состояние: внедрено Область: производство В процессе совещания по возможностям на угольной шахте Маунт-Артур была определена возможность установки устройств автоматического отключения на всех осветительных станциях, находящихся в карьере, с сокращением использования топлива во время, когда достаточно естественного освещения. Установка устройств автоматического отключения на осветительных станциях, по оценке, сэкономит девять часов их работы в сутки. Это составляет ежегодную экономию энергии около 17 ТДж. Также это уменьшило расходы на техобслуживание и замену. Отслеживание эффективности устройств производилось в процессе плановых ежемесячных технических проверок. Возможность 1 Уменьшение времени освещения цеха электролиза. На медеочистительном заводе цех электролиза освещался 270 мощными лампами. Они горели 24 часа в сутки, каждый день. После установки таймеров и датчиков дневного света стоимостью около 13000 долларов ежегодная экономия на электричестве за счёт выключения освещения в дневное время составила 22000 долларов. Возможности 7-9 Три существенных возможности для Рио Тинто в заливе Алкан Белл: 7. «Умные» патроны для освещения (в раздевалках) – для снижения потребления электричества светильники заменены на трёхфосфорные. Более высокая интенсивность освещения позволила уменьшить количество светильников. Эта возможность была совмещена с установкой системы управления освещением и отоплением, заменившей существовавшую ранее ручную систему. Рисунок 2. Выдержки из отчётов ВЭС BHPB, Xstrata и Рио, показывающие потенциал «уменьшения освещения» как ВЭС Мы считаем, что рабочие бригады будут играть важную роль на следующем этапе энергосбережения. Перед рабочими бригадами будет поставлена задача – достигнуть плановой добычи при минимальном энергопотреблении. Следующий этап энергосбережения произойдёт за счёт изменений в управлении процессами и производством, а не использования более экономичных приводов или изменений в освещении. 4 2. Энергетические прогнозы и случаи излишнего энергопотребления Введение В дискуссиях с горнодобывающими и перерабатывающими компаниями становится очевидно, что когда они пытаются достичь больших результатов с меньшим энергопотреблением, они сталкиваются с одними и теми же проблемами. Сложность для горнодобывающих и перерабатывающих компаний заключается в том, что на данный момент они не владеют достаточной информацией для принятия решений по снижению энергопотребления (определению ВЭС) или надёжного прогнозирования энергопотребления. Для лучшего прогнозирования энергопотребления существуют сложные инструменты, но они не учитывают обстоятельства перерасхода энергии, или статистические и прогнозируемые данные производства, следовательно, не дают точных прогнозов. Горнодобывающие и перерабатывающие компании вкладывают средства в измерительное оборудование и промышленное программное обеспечение для управления энергоснабжением (УЭ) для отслеживания и визуализации, а также отчётов об энергопотреблении. Предоставление информации об энергопотреблении решает задачу определения новых возможностей энергосбережения, а следовательно, и соответствия ВЭС, только частично. Помимо энергопотребления, необходима также информация о том, что именно происходит на предприятии в каждый момент. Иными словами, необходимо знать обстоятельства энергопотребления. Например, практически в реальном времени отслеживать расход энергии на единицу продукции (кВт*ч/тонну или кВт*ч/унцию). В горнодобывающих и перерабатывающих компаниях, как правило, есть системы, предоставляющие информацию о производстве и задержках (простоях), но они не совмещены и не интегрированы с системами энергопотребления для предоставления более полезной информации. Этот пласт данных даёт точные прогнозные модели и, вероятно, новые ВЭС. Производство и простои, несомненно, являются основными факторами энергопотребления, а значит, интеграция производственных и энергетических систем даёт возможные преимущества. Интеграцию управления энергоснабжением (УЭ) и систем управления производством (СУП) в общем можно назвать оптимизацией производственного энергопотребления (ОПЭ). Основной проблемой, с которой сталкиваются эти компании, является своевременный доступ к точной информации об энергии. У них либо: • Не имеется доступной информации вообще (Пример: она либо не собирается, либо собирается вручную и не всем доступна), • Или не имеется достаточно подробной информации (Пример: недостаточно информации о мощности всего предприятия), • Или предоставленная информация изолирована и не связана с обстоятельствами, в которых она используется (Пример: данные об энергопотреблении не связаны с реально происходящими на заводе процессами). Кроме того, отсутствует способность точно прогнозировать энергопотребление. Как недостаточная, так и избыточная оценка часто приводит к штрафным санкциям со стороны коммунальных предприятий или энергосбытовых компаний. Существует достаточно подтверждений возможности снижения энергопотребления в горнодобывающем и обрабатывающем производстве. 5 Две нижеприведённых диаграммы однозначно указывают на существование таких возможностей. На рисунке 3 рассмотрены 10 наиболее энергозатратных процессов в добыче угля, нерудных минералов и металлов. Самым энергозатратным из них, как и следовало ожидать, является мелкое дробление. Пример 3. Возможности для экономии энергии в горнодобывающей промышленности США для 10 наиболее энергозатратных процессов Взрывные работы Уголь Нерудные минералы Проходка грунта Добыча Металлы Бурение Дренаж Вентилирование Транспортировка и грузовые операции Обогащение и обработка Дизельные Электрические Грубое дробление Мелкое дробление Сегрегация Возможности для экономии энергии (триллионы британских тепловых единиц в год) Рисунок 3. Возможности для экономии энергии в горнодобывающей промышленности США для 10 наиболее энергозатратных процессов Возможности экономии энергии за счёт передовых методов работы (ТБТЕ/год) Возможности экономии энергии Уголь Возможности экономии энергии за счёт исследований и разработок (ТБТЕ/год) Менее практичные возможности экономии энергии (ТБТЕ/год) Возможности экономии энергии Возможности экономии энергии Потребление энергии (триллионы британских тепловых единиц в год) Рисунок 4 интересен тем, что показывает потенциал экономии энергии в угольной, металлообрабатывающей и нерудной подотраслях горнодобывающей промышленности США. Что наиболее заметно из приведённого графика – это что если угольная и металлообрабатывающая промышленность могут уменьшить потребление энергии на 17 % и 21 % соответственно, то в нерудной промышленности потенциал составляет 27 %. Пример 16. Ширины энергетических зон в угольной, металлообрабатывающей и нерудной подотраслях горнодобывающей промышленности США Металлы Минимально необходимые затраты энергии (ТБТЕ/год) Нерудные минералы Подотрасль Рисунок 4. Ширины энергетических зон в угольной, металлообрабатывающей и нерудной подотраслях горнодобывающей промышленности США (Источник: Исследование ширины энергетических зон в горнодобывающей промышленности, проведённое министерством энергетики США, июнь 2007) 6 Похожий вывод был сделан и в отчёте Отдела природных ресурсов Канады в 2005 году, в котором измерялось потребление энергии в отрытых разработках железной руды и золота. В исследовании открытой разработки железной руды были обнаружены возможности снижения затрат (за счёт экономии энергии) на 36 % для добычи и 47 % для измельчения. На золотых шахтах оценка экономии для измельчения достигает целых 53 %. Примеры событий энергопотребления Если СУП наряду с данными о производстве собирает и информацию о простоях крупных добывающих ресурсов, то рационально объединить её с информацией об энергопотреблении для получения полезных данных об «энергетических событиях». Такие данные могут быть легко представлены или визуализированы вместе. См. рисунок 5. Причин, по которым может произойти скачок энергопотребления обогатительной фабрики, много. Например, если пропускная способность в пределах обогатительной фабрики должна сохраняться, а загружаемый материал – более твёрдая или прочная руда, расход энергии может вырасти более чем на 10 %. Такая статистическая информация о прочности руды должна быть доступна в СУП. Аналогично, если размер дробления требуется уменьшить вдвое для поддержания скорости извлечения в процессе флотации (из-за проблем с выделением из руды), расход энергии вырастет более чем на 10 %, а скорее даже в четыре раза. И статистические данные об изменении выделения также могут быть доступны в СУП. В обоих этих случаях интеграция существующих данных в оптимизацию производственного энергопотребления (ОПЭ) может дать визуализацию практически в реальном времени таких характеристик, как энергия/тонна или цена/тонна. ОПЭ визуализирует простои с информацией об энергопотреблении посредством функций детализации для сопоставления обстоятельств с энергопотреблением. Понастоящему преимущество становится заметным в случаях энергетических событий, т. е. событий, когда энергии потребляется больше или меньше нормы без видимых причин. ОПЭ поддерживают: 1. Автоматический сбор данных о событиях: a. Время начала и окончания, продолжительность, избыточная потребленная энергия; b. Информация об обстоятельствах – сырье, продукте, сорте, бригаде, смене; c. Автоматически или вручную разделённые события. 2. Информирование о потреблении оборудованием излишней энергии и её количестве: a. Когда потребление (кВт) превышает заданное значение; b. Когда кВТ*ч/т превышает заданное значение. 7 Запись события перерасхода Запись рабочих данных, относящихся к энергии, для определения возможностей снижения энергопотребления Суммарное пот ребл ение (МВт*ч) Время начала Время окончания Квота с уммарног о пот ребления (МВт*ч) Продолжительность (мин) Перерасход (МВт*ч) Классификация Производственное Причина Бедное сырьё Смена Бригада Вечерняя Бригада С Рисунок 5. График энергетических событий Рисунок 5 иллюстрирует «энергетическое событие», когда произошёл перерасход энергии. СУП записала обстановку вокруг этого события, и с перерасходом энергии была связана подача бедного сырья. Прогнозы энергопотребления Когда несоответствие предварительному расчёту (в сторону как увеличения, так и уменьшения) влечёт за собой штрафы, отслеживание соответствия энергопотребления расчётному становится крайне важным. Горнодобывающим и перерабатывающим компаниям необходимо точно прогнозировать энергопотребление и иметь своевременный доступ к фактическому энергопотреблению для принятия решений. Для составления прогнозов необходимы усовершенствованные механизмы моделирования энергопотребления. Такие модели доступны как часть решения управления энергопотреблением и используют регрессию и корреляцию, основываясь на рекомендации 14 Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха (ASHRAE). Они помогают определить факторы/причины, влияющие на энергопотребление, а затем разработать алгоритмы, способные прогнозировать энергопотребление. Для эффективного моделирования таким способом требуются данные о производстве и простоях, предоставляемые СУП. Потребление до и после изменения – прогнозируемое Настройки До Сб 12 Пн 14 Вс 13 Ср 16 Вт 15 Пт 18 Чт 17 Сб 19 Вт 22 Вс 20 Пн 21 После Чт 24 Ср 23 Сб 26 Пт 25 Вид Прогнозируемое Пн 28 Вс 27 Рисунок 6. Прогнозируемое потребление энергии с использованием регрессивно-корреляционной модели Интегрируя СУП и системы управления энергоснабжением, модель энергопотребления может быть с лёгкостью выведена из статистических данных о процессах, а СУП предоставит такие данные о будущем, как планы производства, сменные задания и качество добываемого сырья. 8 3. Рекомендуемое решение Важность производственных данных (уже содержащихся в СУП) Важность производственных данных (уже содержащихся в СУП) невозможно недооценить. Их ценность связана с данными об энергопотреблении. Многие производители присматриваются к предоставлению решений для энергоснабжения, но лучшим предложением будет не совмещение СУП и системы управления энергоснабжением, а интегрированное решение оптимизации производственного энергопотребления. Рекомендуемый подход Совмещая автоматический сбор информации о производстве и простоях в СУП и энергопотреблении в системе управления энергоснабжением, можно реализовать преимущества энергосбережения. Для максимизации преимуществ предлагается не только совмещать информацию, но и отображать её совместно. Такой вариант интегрированного решения мы уже назвали оптимизацией производственного энергопотребления. Наилучшим подходом было бы решению оптимизации производства дать возможности: • Отображения энергопотребления в реальном времени; • Прогнозирования энергопотребления в зависимости от определённых характеристик; • Определение оптимальной величины энергопотребления для каждого производственного участка; • Определение и измерение любого потребления сверх заданного; • Выяснение ключевых причин перерасхода; • Отчёты о энергопотреблении по сменам и суткам, а также событиям перерасхода; • Вычисление показателей эффективности использования ресурсов (например, кВт*ч/тонну) в реальном времени; • Предоставление проверенных фактических показателей для обоснования будущих капиталовложений и/или изменений процессов. Для систематического снижения энергопотребления в обрабатывающей отрасли мы рекомендуем следующий процесс: • Определить факторы энергопотребления на вашем предприятии. К примеру, качество сырья, скорость извлечения и т. д.; • В реальном времени отслеживать энергопотребление и его факторы; • Использовать модель энергопотребления для прогноза, основываясь на прогнозах ваших факторов энергопотребления; • Использовать этот прогноз для определения желаемой величины энергопотребления; • Определять и измерять любое потребление сверх заданного; • Анализировать результаты для нахождения основных причин перерасхода. Перерасход может быть вызван износом оборудования и способен послужить дополнительным сигналом к оптимизации программ техобслуживания. Индикаторы в реальном времени также могут влиять на поведение. Значение «кВт*ч/унцию» легко рассчитать и отобразить, чтобы операторы знали, как завод функционирует в отношении производительности и энергопотребления. Собрав точные данные о причинах энергопотребления, превышающего заданное, можно использовать их для обоснования капиталовложений, необходимых для замены производственного оборудования. 9 Управляющие производством и управляющие энергоснабжением Планирование ресурсов предприятия Службы оптимизации производственного энергопотребления Производство Энергоснабжение Простои Показатели Ampla Простои Качество Производство Экономия Запись эксплуатационных параметров Оборудование Нагрузка Информация Счётчики энергии Энергоснабжение Техобслуживание ЛИУС качества Дробилка Насосы Моделирование Powerlogic ION EEM Показатели Склад Затраты Анализ тенденций Отчёты Анализ тенденций Моделирование Массовое производство Мельница Нагреватели Отчёты Выбросы Ввод от операторов Циклонный сепаратор Вентиляторы Анализ счетов Приводы Распределение затрат Качество энергии Производствен ные системы Транспорт Компрессоры Рисунок 7. Предлагаемая архитектура для решения по интеграции СУП и энергоснабжения предприятия Потенциальное энергосбережение В горнодобывающем производстве необходимы отчёты и анализ в реальном времени. Как и с отслеживанием простоев, требуется обеспечить производственному персоналу возможность получения информации в форме, которая легко воспринимается и позволяет принимать на её основании повседневные решения. Производственный персонал хорошо знает свой завод и может помочь определить ВЭС при наличии своевременной информации. Если рассматривать ОПЭ в отраслях горно-добывающей промышленности, точная своевременная информация необходима для создания возможностей энергосбережения. Исследования в США, наглядно представленные на рисунках 3 и 4, – удачное место для начала определения областей энергосбережения путём повышения эффективности работы. Лучшая информированность облегчает горнодобывающим компаниям определение такой потенциальной экономии. 10 Прогнозирование энергопотребления Улучшение прогнозирования энергопотребления даёт следующие преимущества: 1. Снижение штрафов за недостаточную или избыточную оценку (обычно на основе общей энергосети); 2. Уменьшение разрыва между энергией, поставляемой с электростанции и фактически используемой (специально выделенной электростанцией), часто именуемой «излишком обращения». 1. Улучшенное прогнозирование энергопотребления для снижения затрат • Использование алгоритмов прогнозирования и сочетание информации об энергопотреблении с информацией о производстве и простоях даёт более точные прогнозы энергопотребления. Это позволяет уменьшить штрафы за недостаточную или избыточную оценку. • Максимизировать использование существующих мощностей инфраструктуры энергоснабжения и избежать строительства излишней инфраструктуры энергоснабжения можно благодаря более точной информации. 2. Прогнозирование и понимание энергопотребления для снижения излишка обращения, создаваемого электростанцией Возьмём, к примеру, горнодобывающий и обрабатывающий комплекс, требующий примерно 1,8 МВт мощности, где выделенная электростанция (управляемая третьей стороной), производит 2,7 МВт, создавая излишек обращения в 0,9 МВт. Компания платит только за 1,8 МВт, но вынуждена платить за техобслуживание и топливо для 2,7 МВт. Излишек обращения 27 МВт мощности Потребляемая мощность 18 МВт Оптимизация энергопотребления до производства Излишек обращения 22 МВт мощности Потребляемая мощность 18 МВт Оптимизация энергопотребления после производства Рисунок 8. Уменьшение излишка обращения на примере использования оптимизации производственного энергопотребления Если бы информация о причинах пиковых нагрузок (к примеру, процедура запуска мельниц) была достаточной, излишек обращения мог бы быть уменьшен; как следствие, снизились бы и затраты на топливо и техобслуживание. События энергопотребления могут быть и причиной размера излишка обращения. Лучшее понимание причин и их предотвращение также могут способствовать снижению затрат, связанных с излишками обращения. 11 4. Заключение Системы управления производством (СУП) повсеместно используются в горнодобывающих и перерабатывающих компаниях, отслеживая основные данные и производственные индикаторы, относящиеся к производству и простоям. Эта информация позволяет управляющим принимать решения и может способствовать совершенствованию бизнеса. Решения по управлению энергоснабжением (УЭ) всё шире внедряются в горнодобывающих и перерабатывающих компаниях, предоставляют информацию для отслеживания производственного потребления, прогнозирования потребления и предоставления информации, относящейся к качеству энергии. Как и с СУП, предоставляемая информация полезна для лучшего понимания энергопотребления. Она позволяет персоналу принимать решения, улучшающие эффективность бизнеса за счёт снижения или лучшего прогнозирования энергопотребления. И СУП и системы УЭ находят своё применение в горнодобывающей отрасли, своевременно предоставляя автоматизированную точную информацию. Тем не менее, именно интеграция обеих систем более ценна в попытках лучше понять энергопотребление, а следовательно, и потенциально снизить энергопотребление. Решения, интегрирующие СУП и УЭ в оптимизацию производственного энергопотребления (ОПЭ), увеличивают ценность системы. Используя ОПЭ, события энергопотребления могут быть выделены, их причины поняты, и, возможно, приняты превентивные меры для снижения частоты их появления или даже их прекращения. ОПЭ, показывающие обстоятельства аномальных событий энергопотребления, незаменимы для понимания энергопотребления и превышения/занижения производительности. Они также полезны для лучшего прогнозирования в горнодобывающих и перерабатывающих отраслях с высоким энергопотреблением. В условиях изолированной добычи возможная быстрая выгода от снижения энергопотребления может быть получена за счёт лучшего прогнозирования и понимания энергопотребления для снижения излишков обращения электростанции. Использованная литература [1] Как Рио Тинто подходит к управлению энергоснабжением. Возможности энергосбережения, 22 мая, Мельбурн, 2008. [2] Публичный отчёт ВЭС 2007, Rio Tinto Ltd. [3] Xstrata Holding Pty Ltd, Возможности энергосбережения, ежегодный публичный отчёт, декабрь 2008. [4] BHPB отчёт ВЭС 2008. [5] Публичный отчёт ВЭС Gold Fields Australia Pty Ltd, 2008. [6] Исследование ширины энергетических зон в горнодобывающей промышленности, июнь 2007, министерство энергетики США, Программа промышленных технологий. [7] Сравнительный анализ энергопотребления в канадских открытых карьерах. Отдел природных ресурсов Канады, 2005. [8] Сравнительный анализ энергопотребления в канадских подземных валовых выемках. Отдел природных ресурсов Канады, 2005. 12