Dosahování provozní excelence pomocí APC

Provozní excelence je pro firmy nutností k tomu, aby si získaly a udržely silnou pozici na trhu v rámci chemického průmyslu. Cestou k získání vysoké míry zralosti provozní excelence je dobře naplánovaný program implementace pokročilých metod řízení procesů (APC). Ačkoli je cíl implementace APC v chemickém průmyslu jednoduchý, tj. maximalizovat marže při současném splnění zákaznických požadavků, existuje několik faktorů, které musejí provozovatelé chemických závodů zohlednit, aby zajistili úspěšnou implementaci. 

Pochopte přínosy APC

Když byly metody APC poprvé od počátku do poloviny 80. let minulého století zaváděny, byly určeny pro rafinérie a petrochemické závody. Od té doby se tato technologie vyvinula. APC je technologií pro řízení a optimalizaci procesů, která bere v úvahu interaktivní povahu procesních jednotek s mnoha proměnnými a usiluje o snížení variability a nasměrování procesu do optimálního stavu pomocí zásahů v řádu minut. Je toho dosahováno manipulací proměnnými, jako je přívodní průtok, nastavení teploty a tlaku i zpětných toků, které obvykle mění operátoři provozující jednotku. 

Protože je pro procesní interakce charakteristické působení mnoha veličin a variabilita procesních jednotek, provozy nemohou plně optimalizovat proces ručně, neboť by občas docházelo k výkyvům klíčových proměnných v požadovaném rozsahu. Aby provozy hrály na jistotu, jsou nuceny posunout proces z optima do bezpečnějšího provozního rozsahu (viz „A“ na obrázku 1). Nicméně to často vede k vyšším nákladům nebo i k nižšímu objemu výroby. Dochází pak k vyšší spotřebě energie, nižšímu objemu výroby a nižšímu objemu přísunu materiálu ve srovnání s provozem pomocí APC. 

Po celá desetiletí se metody APC osvědčovaly jako prostředek ke snížení variability procesu (viz „B“ na obrázku 1) pomocí aktivního řízení klíčových procesních parametrů na bázi minut. 

Řízené proměnné jsou stabilizované a je omezena směrodatná odchylka. Když jsou klíčové proměnné stabilizované, využije se optimalizační charakter APC k posunutí procesu do optimálnějšího bodu (viz „C“ na obrázku 1). Tím se dosáhne stavu, kdy jednotka konzistentně poběží blízko maximální ziskovosti den za dnem, bezpečně a spolehlivě. 

Identifikujte příležitosti pro použití APC

Prvním krokem při implementaci programu APC je pochopit, jaké procesní jednotky nebo součásti jednotek jsou dobrými kandidáty pro APC. Abyste byli schopni kvantifikovat příležitost k přínosům a zlepšením, je nutné nejprve porozumět ekonomickým principům jednotky a výrobního procesu. Je rovněž nezbytné zohlednit jednotku samotnou nebo v mnoha případech její roli v rámci většího výrobního hodnotového řetězce. 

Jestliže mají organizace obchodní nebo procesní klíčové výkonnostní ukazatele (KPI), mohou je použít jako dobrý výchozí bod pro analýzu příležitostí pro APC. Nicméně existují i jiné způsoby, jak spočítat potenciální přínosy APC. Pro vyčíslení přínosů spojených s projektem APC můžete použít následujících 10 kritérií. 

1. Zvýšení objemu výroby: Ukazuje se, že projekty APC typicky zvýší kapacitu o 3 až 5 %. Snížením variability procesu a provozem blíže limitům odblokuje APC proces nebo součást procesu a umožní vyšší objem výroby. Aby však k tomu mohlo dojít, je nutno dobře pochopit, jak meziprodukty ovlivňují následné jednotky a proč. 

2. Úspora energie: Úspora energie dosažená implementací APC bývá udávána v rozsahu 3 až 15 %, a to v závislosti na procesu a aktuálních operacích. Systém rozvodu energií je většinou složitou řídicí otázkou zasahující napříč podnikem a občas ovlivňuje i elektrickou síť. Aplikace APC lze navrhnout tak, aby řídily systémy rozvodu energie efektivně tím, že sladí výrobu páry s požadavky závodu. Přínosy pocházejí z omezení výpadků tlaku a ze snížení nebo z odstranění nutnosti odpouštět páru na místě. Mnoho firem vykazuje 60% až 90% snížení odpouštění páry díky použití APC. Po stabilizaci tlaků ve sběračích páry lze APC využít také k optimalizaci výroby energie. Například kotlové zátěže, plynové turbíny nebo jiné zdroje energie lze nastavit tak, aby se maximalizovala účinnost celkového systému a aby se zároveň průběžně zajistily stabilní tlaky ve sběračích páry. 

3. Zvýšení kvality: Je důležité snižovat variabilitu kvality konečného produktu. Některé produkty, například určité druhy polymerů a speciálních chemikálií, se prodávají za cenu, která závisí na variabilitě kvality vyráběné šarže. Mnoho firem vykazuje snížení směrodatné odchylky kvality produktu až o 50 %. 

4. Zvýšení výnosu: Mnoho organizací zaznamenává díky zavedení APC zvýšení výnosu o 1 až 2 %. Typicky je toho dosahováno optimalizací reaktorové části procesu nebo i separační části, exotermické či endotermické, což znamená, že klíčovým faktorem je správná teplota reaktoru. Velmi přínosná je navíc dobrá kontrola a optimalizace poměru komponent přiváděných do katalyzátoru. Dobře řízené reaktory obvykle zaznamenají nárůst výnosu o 0,5 % na průchod, a to při stejném objemu výroby a současném zachování bezpečných provozních teplot. V některých případech bylo prokázáno, že se prodloužila provozní doba dobře řízeného polymerového reaktoru až o 5 %, dříve než jej bylo nutno odstavit kvůli vyčištění, což vede k vyšším výnosům a objemu výroby. 

Pokud jde o nereakční části procesu, jako jsou destilační kolony, udržení specifikací u konečného výrobku může zvýšit výnos požadovaného produktu zvýšením poměru nečistot až na kontrahované specifikace. Vyšší množství produktů nižší hodnoty (nečistot) v konečném produktu jsou prodávána v rámci produktu s vyšší hodnotou, samozřejmě při současném zachování specifikací a očekávání zákazníka. 

5. Optimalizace výrobního cyklu polymerů: Při výrobě polymerů obvykle není výrobní cyklus optimalizovaný pro potřeby trhu, protože provozy mohou odmítat náročné přechody. Bez APC trvají přechody mezi třídami déle a výsledkem je výroba produktů o nízké hodnotě po dobu těchto přechodů. Obvykle je možno pozorovat 20% až 50% zkrácení doby přechodu mezi třídami. Prostřednictvím APC je možno spustit výrobní cyklus a vyrábět třídy produktů, když je po nich poptávka, a zároveň minimalizovat dobu, kdy se vyrábějí přechodové produkty nižší hodnoty. Firmy využívající APC ve spojení se softwarem pro dodavatelský řetězec mohou využívat nové možnosti k další optimalizaci výrobního cyklu (viz obrázek 2).

6. Míra recyklace: Dobrými kandidáty na APC jsou jednotky, které využívají recykláty. Přidávání čerstvě přiváděných komponent závisí na kvalitě recyklátu. Bez APC se udržuje pevný poměr doplňování čerstvého materiálu k recyklátu. To však nebere v úvahu kvalitu produktu, provoz následných zařízení nebo omezení jednotky. Tím, že APC pracuje s více proměnnými, umožňuje optimalizovat poměr čerstvého materiálu k recyklovanému a maximalizovat tím objem výroby, stejně jako udržovat kvalitu v rámci specifikací. 

7. Řízení emisí: Implementace APC může rovněž pomoci s řízením ekologických omezení. Využíváním APC pro modelování a aktivní řízení pecí a kotlů u parorozvodného závodu je možno držet provoz blíže emisním limitům, aniž by došlo k jejich překročení. Pomáhá také snížit spotřebu energie a minimalizovat náklady na dodržování emisních limitů NO_x a SO_x. 

8. Využití efektů okolní teploty: Metody APC se osvědčují při využívání přínosů spojených s podmínkami okolního prostředí. Teplota prostředí má vliv na chování kompresoru, kondenzační schopnost, provoz plynové turbíny, teplotu chladicí vody, schopnost chlazení, objemy plynů a na mnoho dalších podmínek spjatých s procesem. Vlivy střídání dne a noci, vlhkost nebo i oblačnost působí na teplotu chladicí vody, což může vést ke změnám limitů dodávaného objemu kompresoru. Nelze očekávat, že by operátoři využívali přínosy související se změnami teploty prostředí. Znamenalo by to předvídat dopady teploty prostředí na proces a provádět úpravy procesních parametrů, aby se pak všechny změny zase vrátily zpět, když ráno vyjde slunce. Jednotky ovlivněné podmínkami prostředí mohou těžit z přínosů APC, protože jsou schopny tyto změny předvídat a náležitě upravovat procesní parametry v řádu minut. 

9. Příležitosti v oblasti dynamiky: Bez APC dochází k tomu, že narušení vznikající v předchozích nebo následujících jednotkách ovlivní procesní jednotky a sníží marže. Například v dočasných situacích, kdy se kvalita přívodu sníží o 1 až 5 %, zareagují operátoři tak, aby udrželi produkt v rámci specifikací, ale s nejvyšší pravděpodobností nikoli optimálním způsobem. Když se situace stabilizuje, jednotka nemusí být optimalizovaná, protože situace je dočasná. Toto je přinejlepším cesta k výrobě v rámci specifikací, ovšem za velmi vysokou cenu. Přinejhorším by to mohlo znamenat, že se omezí přísun, aby se situace vyřešila. S technologií APC budou jednotky průběžně reagovat na narušení optimálním způsobem. 

10. Příležitosti k optimalizaci napříč celým závodem: Provozní jednotky s APC představují pro závod obrovské pole příležitostí k optimalizaci. Optimalizace části procesu izolovaně by znamenala ztracenou příležitost ve srovnání s optimalizací více jednotek zároveň. Například nutit reaktor do maximálního objemu výroby by nemuselo dávat smysl, pokud je úzkým místem jednotky odlučovač (stripper) odpadního plynu. Pokud k tomu dojde, lehké materiály, které by měly být odstraněny, jsou tlačeny buď do hrdla, nebo do odlučovače, kde se ztratí. V určitém okamžiku to může znamenat snížení marží. Tyto interakce a omezení jsou zohledněny v návrhu systémů APC a mohou vést k výrazným úsporám pro celý závod. 
    
    

Zavádění metod APC a životní cyklus projektu

Po identifikaci obchodního případu pro projekt APC je dalším krokem začít vytvářet a implementovat řídicí prvek APC. Projekty APC byly tradičně dlouhotrvající a drahé a ke zprovoznění APC bylo zapotřebí mnoho definovaných kroků. Organizace musely například procházet bezpočtem fází krokového testování, tvorby modelů, vývoje řídicího prvku a zprovozňování, dříve než mohly přejít k zavedení (viz obrázek 3). V důsledku toho mnoho firem čelilo ušlým maržím během dlouhé fáze zavádění a také narušením procesu za účelem sběru dat potřebných k vytvoření modelu APC. Navíc tento proces vyžadoval vysoce zkušené uživatele, kteří by vytvořili a udržovali řídicí prvky.

Některé firmy se dnes přesunuly nad rámec tradičních metod k pokročilejší technologii integrací adaptivního řízení procesů pomocí technologie APC. S adaptivním řízením procesu byly tyto čtyři fáze zkombinovány do jedné, což uživatelům dovoluje realizovat rychlejší zavádění a trvalé přínosy prostřednictvím průběžných aktualizací modelu na pozadí, a to bez narušování procesu (viz obrázek 4). Tyto nástroje navíc umožňují více i méně zkušeným uživatelům zavádět a udržovat řídicí prvky APC, což může v rámci organizace ušetřit čas i peníze.

Vyspělá technologie APC rovněž pomáhá firmám udržovat přínosy. V minulosti by jakékoli změny procesu nebo zařízení po jejich zavedení vyžadovaly novou identifikaci modelu, což by zahrnovalo drahé krokové testování a řešilo by se jako projekt. Nicméně s technologií adaptivního řízení procesu integrovanou do dnešních řešení APC se již udržování řídicích prvků neřeší jako projekt, ale jako průběžný proces. 

Nástroje pro udržitelnost v těchto vyspělých řešeních APC rovněž zahrnují automatickou identifikaci špatného modelu. Tyto modely lze kalibrovat on-line, v uzavřené smyčce a bez žádných přerušení pro proces. Díky tomu je udržování přínosů snadnější a levnější. 

Navíc údržba řídicích prvků APC vyžaduje méně zdrojů a v důsledku toho si řídicí prvky uchovávají špičkový výkon, což zase firmám dovoluje zavádět a udržovat více řídicích prvků a realizovat tak nejlepší program APC v dané třídě. 

APC je klíčem k provozní excelenci

Trh s chemickými výrobky je velmi konkurenční, nestálý a rychle reagující. Pro udržení silné tržní pozice se firmy musejí podívat lépe a důsledněji na svá zařízení, výrobu a operace, aby zajistily, že jejich výrobní řetězec je optimalizovaný. U předních chemických společností je APC klíčovým strategickým nástrojem v cestě za dosahováním vyšších úrovní provozní excelence. 

Tushar Singh je produktový manažer společnosti Aspen Technology. Kate Kuliková je hlavní obchodní konzultantka společnosti Aspen Technology. Upravil Jack Smith, obsahový ředitel, CFE Media, Control Engineering, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..