能源變成過程變量
在未來,四個重要的參數中會引入新的成員嗎?盡管電能的消耗與流量或壓力的計算不同,充分最優化的使用電能,還是可以在過程處理環境中節省大量的資源,同時還有利于減少碳的排放。
如今工業能源消耗已成為日益嚴重的問題,其形勢十分嚴峻。除了一大堆顯而易見的原因外,公司和個人也需要開始考慮能源是如何被消耗的,并且努力找到可以從各方面充足利用能源的辦法。三十年前,吉米·卡特總統把美國的能源自給比作一場“道德上的戰爭”?,F在雖然這句話在其政治上的用意和動機已經改變了,但是對于節約能源的重要性來說并沒有改變。拿減少碳元素的排放來說,實際上就是一場道德上的戰爭。而對于其他方面,節約能源的努力可以緩解持續攀升的油價,并且還有很多減少工廠控制系統能源消耗的額外需求。
宏觀層面:碳的排放
雖然很難預測其政治前景,但能源節約與碳的減排很有可能因為以下兩個因素而開展起來:削減成本以提升利潤以及政府的管控。當前美國一年的碳排放量為72億噸,數據顯示到了2030年這一數值會達到97億噸。對于控制碳排放量的立法提議有很多種,從激進的減排到控制排放增長速度都有。比較中庸的看法是將排量限制到當前排量略低的水平上 ,這意味著如果得到有效地實施未來的20年可以減少30億噸的排放量。
將排量穩定到當前水平或者比其略低,會增加額外的支出,但是長期看來還可以通過其他的方法達到降低成本的目的。一些企業家相信這如同清潔一樣有效,通過有益的成本控制來減少或避免遵守規定時付出的代價。
“許多溫室氣體的排放都和能源或燃料的消耗有關,” 霍尼韋爾過程解決方案的全球市場銷售副總裁Harsh Chitale說道,“通過減少能源和燃料消耗的同時你也減少了碳的排放,而且節省了成本。燃料的節省也就抵消了初期的投入。”
霍尼韋爾公司參與了麥肯錫近期進行的溫室氣體排放研究,并且計算出僅其自給經費的項目在碳減排上的貢獻就可達到17億噸,折算成現值可以節省幾乎一半。不幸的是資產比較更傾向于凈產值,但當兩個拿來一起衡量的時候,最終結果還是更接近經濟實用的一方。對于單獨的工廠來說最終的選擇要視具體情況而定。
微觀層面:工廠
那么在對宏觀目標有了清晰認識的同時,我們又如何在工廠這樣的層次上更好的應用它呢?
要知道能源消耗的概念在很多領域里都要使用,如過程處理和其他制造業工廠等,而在本文中,我們要使用輔助電機而造成的電能消耗。輔助電機似乎聽上去并不是能源消耗的大戶,而據美國能源部估計,由電動機驅動設備在工業生產部門電力消耗所占的比例為64%。
研究表明在美國能源投入最大的工業企業,電機系統每年消耗了近似為2900億千瓦時的電量。如果將這個數換算成每秒的消耗量,用來轉動工業電動機的能量可以達到3.3×1010瓦(相當于50-60座燃煤發電廠所輸出的全部電量)。
測量并控制
解決電能的消耗是工廠經營者尋找解決降低成本的最終方案之一。歷史上在使用泵、壓縮機和送風機時耗散的能量,一般是認為屬于額定消耗。比如一臺泵額定為20馬力,不管其是否運轉,能量的多少取決于處理過程的需要,因此可以用來最優化的方面并不多。可能會有人提出這樣的建議——使用一臺效率更高的電機,然而事實上我們已經這樣做了。
電能的消耗一般是通過維護或對更大的電力部分的監控得到的,但是從來沒有被引入到一個生產過程中去系統的考慮,更不用談其細節了。西門子能源與自動化集團的DCS市場顧問Moin Shaikh指出了問題所在:“公司雖然了解其在能源上的開銷,但是并不知道如何精確到每項操作上所消耗的份額是多少。假設你有一個過程控制系統和一個能源管理系統,它們彼此不同或是處于不同的環境之中,并且不再附加到這個過程之中。如果想讓其與過程產生聯系,就必須讓其處于同一個系統之中。只有將能源消耗與過程聯系到一起,才可能知道能源是在何時何地消耗的。”
大多數人一開始就將著眼點放在整個設施上,而不是細心挖掘每個小單位的潛力。Shaikh又說道:“一旦你將自己的目光放在了生產過程中使用的驅動電機上,同樣如處理過程中用到的能源管理系統,仔細分析過程的每一步,將過程中消耗能量的單位鎖定,你就可以深入發掘其中可以節省能源的部分了。”
所幸的是這個領域的技術在不斷地進步,監控調節單獨電機和驅動系統層次的電力消耗的問題已經可以得到完善的解決。電機控制裝置可以集成智能功能同時將工廠狀態報告給操作員和維護部門。它們所具有的典型特點如下:
■ 電源質量——電壓波動、諧波問題、相位問題;
■ 電機運轉狀態和趨勢——傳感器可以監控指示繞組溫度、電能消耗、電機啟動等;
■ 負載及功率狀態——設備電機的負載數據可以為探視過程提供一個有利條件,如泵提供特定流量是的功率、時間曲線等;
■ 運行效率——從節省成本上來講最終的信息就是效率,支持運營成本的計算、設備的選型和有可能增加容量等。
公司考慮加入這方面的能力時可能會發現,在他們現有的控制網絡設施中,在數量巨大的伺服電機間增加通信是不能完成的任務的。而在現有裝置中加裝智能馬達控制系統則沒有太大困難,數據通過數字通信(如Modbus或Profibus)傳至DCS。這種方法可以減少系統中電機數量或布線,無線也可同樣選擇。
操作員任務會增加嗎?
這些信息會很快出現在工業過程中控制室的電腦屏幕上嗎?
“不會那么快的,”Shaikh說道“因為工廠中的操作員數量少,他們往往需要負責很多過程控制中的事務,你不能再扔給他們更多的任務了。電氣性能參數有可能來自同一個控制系統,但是卻要在不同的人工界面顯示。”
那些操作員可以根據電能消耗來設置采樣參數點的可控過程很少,不可否認這種過程是存在的并且早處在控制之中。但對于多數的裝置來說會顯露出這樣的問題:我們能否在維持過程不變的前提下削減電能損耗?
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