Zvýšení spolehlivosti a výkonnosti řídicího systému chemické společnosti

V roce 2021 se globální chemická společnost obrátila na tým automatizace průmyslových procesů společnosti Wood, aby pomohl s otázkou dvoukomorového ohřívače horkého oleje s vyváženým tahem, který narušoval plnění cílů výroby. Systémy řízení hořáků (BMS) a regulace spalování, které původně poskytoval výrobce původního zařízení (OEM), potřebovaly modernizaci. Dodané ovládací prvky neumožňovaly automatické ovládání ohřívače, takže zákazník měl k dispozici pouze manuální ovládání. V důsledku toho se chemická společnost potýkala s častými výpadky ohřívače a neschopností plnit projektovaný úkol ohřevu horkého oleje. 

Modernizace řídicího systému

Tlak na časový harmonogram byl intenzivní, protože pět měsíců po zahájení projektu byl naplánován milník, který měl následující cíle:

• Vyhodnotit řešení systému BMS a regulace spalování ve vztahu k zavedeným standardům osvědčených postupů v oboru (např. API 556.)
• Vyhodnotit řešení regulace spalování a v případě potřeby jej přepracovat tak, aby bylo zajištěno stabilní automatické řízení poměru vzduchu a paliva a úprava kyslíku pro zajištění projektovaného ohřevu.
• Vypracovat a otestovat požadované revize nebo nahrazení strategií řízení spalování a BMS.
• Implementovat revidovanou konfiguraci v rámci naplánovaného milníku a uvést ovládací prvky do provozu.
• Zajistit školení obsluhy a techniků, včetně seřízení ohřívače. 

Přepracování systému BMS a ovládacích prvků

Šetřením bylo zjištěno, že ovládací prvky vzduchu/paliva a rychlosti spalování nebyly funkční. Regulace spalování musela uplatnit „nový konstrukční přístup“ a být kompletně přepracována, jako by se jednalo o novou konstrukci ohřívače. Ohřívač byl složitý a vyžadoval křehkou rovnováhu mezi automatizovanými a manuálními funkcemi. Ohřívač s vyváženým tahem vyžadoval automatizaci hořáků a ruční nastavení jednotlivých vzduchových registrů. Původní konstrukce používala klapky a regulátory s frekvenčním měničem (VFD) pro ventilátory s nuceným tahem (FD) a indukovaným tahem (ID). Tím vznikal problém s regulací, kdy obě smyčky na bázi tlaku byly ve vzájemném rozporu při snaze o přesnou regulaci poměru vzduchu a paliva. To nakonec vedlo k výpadkům ohřívače, což zákazníka přimělo ovládat klapky výhradně manuálně.

Stávající složité řešení a konfigurace regulace bylo opuštěno ve prospěch použití referenční knihovny šablon návrhu, popisů regulace API 556 a popisů regulace vícehořákových ohřívačů s vyváženým tahem.

Návrh řízení byl rozdělen na dvě hlavní komplexní strategie řízení: (a) ovládání ventilátoru a tahu a (b) ovládání poměru vzduchu/paliva. Na základě základních údajů o konstrukci ohřívače a hořáku bylo vytvořeno nové regulační schéma a popis.

Pro optimalizaci účinnosti spalování je rozhodující poměr vzduch/palivo. Příliš mnoho vzduchu plýtvá energií; příliš málo plýtvá palivem. Ideální poměr závisí na provozním zatížení a typu paliva. Aby se usnadnilo řešení tohoto problému, byly zvoleny následující přístupy:

• Na základě poskytnutých datových listů ohřívače a hořáku a údajů o složení palivového plynu byla vypracována metodika a modelování spalování pro řízení poměru vzduch/palivo a rychlosti spalování.
• Byly vypracovány charakteristické křivky a výpočty pro implementaci do řízení poměru vzduch/palivo a rychlosti spalování. 

Přehodnocení strategie řízení

Jakmile byly stanoveny správné výpočty poměru vzduchu a paliva, byla vyvinuta řídicí schémata, aby se modely mohly použít v praxi. Nebylo to jednoduché. Regulace otáček ventilátoru byla oddělena od regulace tlaku spalovacího vzduchu a tahu pomocí strategie nelineární regulace polohy zesílení na klapkách regulace primárního spalovacího vzduchu a tahu. To umožnilo automatické řízení zvyšování a snižování otáček ventilátoru. Byla použita regulace tahu a zpoždění, přičemž regulátory tlaku tahu a průtoku spalovacího vzduchu fungovaly jako hlavní, aby zajistily okamžitou regulaci tahu a průtoku vzduchu a VFD plnily roli zpoždění. Toto řídicí schéma účinně oddělilo primární a sekundární smyčku.

Byla vyžadována dynamická kompenzační regulace přebytku vzduchu, O2 a CO. Toho bylo dosaženo přizpůsobením žádané hodnoty na základě počtu hořáků v provozu a hořáků mimo provoz z důvodu údržby. Nezapálené hořáky bylo nutné zohlednit, ale kompenzovat zvlášť, protože vzduch proudící do ohřívače přes tyto hořáky nebyl k dispozici pro spalování. Po dokončení ovládacích prvků byl nový návrh ověřen jako funkční ještě před instalací nové aplikace do běžícího řídicího systému.

Vzhledem ke složitosti řídicích strategií byl považován za nezbytný software pro offline přejímací zkoušky v závodě (Factory Acceptance Test – FAT), aby bylo možné ověřit a validovat všechny charakteristiky, výpočty a chování řízení ještě před spuštěním provozu. Nové konfigurační soubory a grafické úpravy byly nainstalovány během plánovaného milníku, před uvedením ohřívače do provozu byly provedeny přejímací zkoušky na místě (Site Acceptance Test – SAT) a kontroly před uvedením do provozu.

Instalace řídicího systému

Poté, co se tým ujistil, že ovládání ohřívače je funkční, přesunul konfiguraci do zařízení chemického závodu. Ohřívač byl zapálen, provozován od pouze pilotního provozu, přes spalování pod projektovanou hodnotou až po projektovaný tepelný výkon s novými regulačními strategiemi pracujícími v kaskádovém a automatickém režimu. Během postupného zahřívání a náběhu a udržování procesu byly provedeny drobné úpravy a změny nastavení, které udržovaly řízení v kaskádovém režimu po celou dobu restartu zařízení a náběhu potřeby tepla.

Operátorům chvíli trvalo, než novému schématu řízení začali důvěřovat, protože si zvykli na oddělené ovládání a časté výjezdy bez ručního zásahu. Operátoři byli ohromeni tím, že nyní mohou pomocí automatického ovládání zvýšit výkon ohřívače na dříve nedosažitelný tepelný výkon. Ohřívač nikdy předtím nebyl schopen pracovat se všemi ovládacími prvky v kaskádovém a automatickém režimu.

Navzdory problémům se projekt podařilo dokončit v plánovaném termínu.

Brad Bonnette, autor tohoto článku, je technickým ředitelem společnosti Wood's Applied Intelligence. Společnost Wood je obsahovým partnerem vydavatelství CFE Media and Technology. www.woodplc.com.