153 Zkušenosti s využitím informaních systém pi provozu a optimalizaci rafinérií Ing. Milan Vitvar eská rafinérská a.s., 436 70 Litvínov milan.vitvar@crc.cz, tel. 476 164 477 http://www.crc.cz Souhrn Je popsán procesní informaní systém PDIS implementovaný v eské rafinérské, a.s. Jsou uvedeny hlavní datové zdroje a jejich uložení do databáze Oracle. Pro efektivní využívání systému jsou nejdležitjší tzv. aplikace, které petváejí data v informaci potebnou k rozhodování. Je popsána problematika využití PDIS pi optimalizaci provozu rafinérií a uvedeny zkušenosti s implementací systému. Úvod eská rafinérská, a.s. (dále er), od svého vzniku prošla adou významných zmn. Z hlediska ízení a zpracování informací o chodu výroby uvedu zejména výstavbu nových moderních jednotek, jako je fluidní krak nebo visbreaker centralizaci ízení do tzv. centrálních velín v rafinériích Litvínov i Kralupy zvýšené požadavky akcioná, obchodních partner i kontraktor na množství a kvalitu dat o výrob a na pesnost rozhodování nutnost snižovat výrobní náklady stále se zpísující požadavky na ochranu životního prostedí a bezpenost práce porovnávání er s dalšími rafinériemi (benchmarking). Souasn došlo ke snížení potu pracovník, technology, operátory i pracovníky laboratoí nevyjímaje. Je zejmé, že na tyto zmny, které psobí protichdn, bylo teba patin reagovat. Jedním z prostedk, jak se s tímto problémem vypoádat, je efektivní využití informaních technologií. Cílem této prezentace je popsat naše zkušenosti s vytváením procesního informaního systému PDIS (Process Data Information System), který je využíván cca od roku 2000 v obou rafinériích naší spolenosti. Vznik PDIS Popudem byla výstavba jednotky fluidního kraku v rafinérii Kralupy, která byla první jednotkou pipojenou na centrální velín. Hlavní zásadou bylo využít standardní osvdená ešení, jmenovit databázi Oracle jako úložišt dat (datový sklad) historickou databázi AIM* jako zdroj procesních dat laboratorní informaní systém LISA další standardní ešení pro logistická, environmentální a další data. Jako integrátor byla vybrána firma ChemPlant Technology, s.r.o. Pro ilustraci, databáze procesních dat nyní po pipojení všech jednotek obsahuje údaje o cca 17 000 veliinách, která jsou ukládána s rznou frekvencí a s rznou dobou uchovávání 1343 1 16. 18. 4. 2007 Milovy
(veškerá data jsou ped vymazáním ukládána do archivu). U hodinových a denních prmr se pedpokládá uchovávání po dobu nejmén 10 let. Krom pímo mených veliin je databáze doplována automaticky výpotem ádov stovek odvozených veliin, jako jsou nap. mrné spoteby utilit, výtžky produkt, veliiny dopoítané z bilancí, klíové ukazatele výkonnosti apod. ZDROJE DAT hmotové toky informaní toky LIMS Lab. data Imisní systém ENERGIS Utility PDIS Datový sklad ORACLE Železniní terminál Silniní terminál Produktovod DCS Tank IS AIM* Pohyby produkt Výrobní jednotky Tankovišt a blending Obr.1: Zdroje dat sytému PDIS Validace dat V praxi mohou být data asto znehodnocena nejrznjšími chybami. Je proto nezbytná jejich validace, ímž máme na mysli jejich zpesnní a odstranní pípadných hrubých chyb mi. K tomuto je v PDIS používáno vyrovnávání (rekonciliace) dat na základ bilanních model. V obou rafinériích je pravideln na denní bázi sestavována vyrovnaná bilance hmoty a též nkterých významných subsystém (systémy výmny tepla energeticky intenzivních jednotek, rozvody topného plynu). Výsledky slouží krom materiálového a energetického úetnictví a monitorování výtžk též jako podklad pro cílenou údržbu instrumentace. Obr. 2: Validace dat 1344 16. 18. 4. 2007 Milovy2
Aplikace Vzhledem k obrovskému množství dat je jejich pímé využití problematické. Práv softwarové aplikace petváejí data v užitené informace, které lze využívat pi rozhodování. U aplikací byla požadována maximální volnost uživatele pi jejich vytváení a modifikaci podle vlastních poteb. Krom veejných aplikací spravovaných administrátorem systému mají uživatelé možnost vytváet si aplikace vlastní. Uveme nyní nejdležitjší aplikace. Prohlížee dat Slouží k zobrazování dat v íselné nebo grafické form. Data lze prohlížet podle pedem vytvoených skupin, podle místa v rafinérii, podle názvu veliiny a na procesních schématech. Prohlížee dále umožují uživatelm stahování dat do soubor Excel. Prohlížee jsou dva pro prostedí MS Windows a pro prostedí podnikového Intranetu. Poslední mže sloužit též pro pístup k datm pes Internet pro pracovníky er nebo obchodní partnery. Generování report a presentací Reporty lze generovat run nebo automaticky. Výstupním formátem report je MS Excel nebo HTML. Krom pedem pipravených a automaticky generovaných report (bilance, stavy zásob, apod.) si uživatelé mohou též vytváet privátní reporty na základ excelovských šablon, což jim dává prakticky neomezené možnosti pro vlastní presentace. Hmotové a energetické bilance Rafinérie k bilancování využívá systémy ChemPlant Technology, s.r.o. IBIS (bilancování hmoty Yield Accounting na denní bázi) a RECON (hmotové a energetické bilance na hodinové bázi). Viz též odstavec Validace dat. Monitorování výrobních proces (Performance Monitoring) Hlavním prostedkem monitorování výrobních proces jsou tzv. Technologické Karty (Operating Windows). Pro každou výrobní jednotku nebo technologický proces mže být definována jedna nebo více karet, což je výbr veliin se zadanými mezemi, mezi nimiž se mají udržovat hodnoty technologických promnných (prtoky, teploty, analytické hodnoty apod.). Veliinami v kartách mohou být jak pímo mené veliiny tak i veliiny odvozené, jako jsou výtžky, klíové ukazatele aj. Meze karet mohou být konstantní, závislé na technologickém režimu nebo dynamické, jako funkce jiných veliin. Obr.3: Ukázka technologické karty. ervená barva znaí pekroení, zelená podkroení mezí Karty jsou automaticky vyhodnocovány a graficky ukazují veliiny a as, kdy jsou procesní veliiny mimo meze. Technologické karty lze provozovat jak on-line, tak dlouhodob statisticky vyhodnocovat jejich plnní. 1345 16. 18. 4. 2007 Milovy3
Technologické karty patí k nejvyužívanjším aplikacím a pedstavují dležitý zpsob komunikace mezi technology, operátory a vedením. Technolog mže nap. souasn s pokynem ke zmn režimu nastavit zmnu mezí a operátor i technolog pak vidí, do jaké míry je pokyn splnn. Zde je teba poznamenat, že meze v kartách mají zajistit zejména vyrobení požadovaných produkt s minimálními náklady. Nelze je ztotožovat s tzv. tvrdými limity zajišujícími integritu zaízení a bezpenost práce. Dodržování tchto limit musí být ešeno v rámci ídícího systému pomocí alarm a blokád. Quality Estimators (QE) Nevýhodou laboratorních analýz je jejich malá frekvence. Vtšina analýz se provádí jednou denn, nebo i mén asto. Krom toho jsou tlaky na jejich další omezení. Ani masivní využití automatických analyzátor není vzhledem k jejich vysoké cen, asto malé spolehlivosti a vysokým nákladm na jejich údržbu ešením. V ad pípad zde mohou pomoci QE (nkdy oznaované jako softwarové senzory). QE jsou v podstat matematické modely, které poítají vlastnosti produkt (hustota, destilaní vlastnosti, viskozita, apod.) na základ mení procesních veliin, jako jsou prtoky, teploty, apod. Matematický model mezi laboratorními výsledky a procesními veliinami lze vytvoit pomocí regresní analýzy historických dat. Na dalším obrázku je vidt píklad porovnání modelu a laboratorních analýz A n a ly z a V y p o c e t 4 0 5 4 0 0 3 9 5 3 9 0 3 8 5 3 8 0 3 7 5 3 7 0 3 6 5 3 6 0 3 5 5 3 5 0 3 4 5 3 4 0 3 3 5 3 3 0 3 2 5 2 8.2.2 0 0 3 2 9.4.2 0 0 3 2 8.6.2 0 0 3 c a s 2 7.8.2 0 0 3 2 6.1 0.2 0 0 3 2 5.1 2.2 0 0 3 Obr. 4: Píklad výpotu teploty konce destilace produktu z teplotního profilu na destilaní kolon Pro informaci, nap. v rafinérii Litvínov je využíváno 33 QE, z nichž 6 je hodnoceno jako výborných, 9 jako velmi dobrých, 9 jako dobrých a 9 jako na hranici použitelnosti. Shoda QE s výsledky analýz se jednou ron kontroluje a modely se pípadn opravují. K tomuto existuje v PDIS zvláštní aplikace, která usnaduje kontrolu existujících QE a vytváení nových QE. Monitorování spoteby energie (utilit) U spoteby energií je sledována jak jejich celková spoteba, tak i mrné spoteby vztažené na nástiky jednotek. Aby získali uživatelé pehled o významnosti jednotlivých položek, jsou zobrazovány jak údaje ve fyzikálních jednotkách, tak i v penžním vyjádení 1346 16. 18. 4. 2007 Milovy4
Aplikace pro podporu výroby Tyto aplikace jsou zameny hlavn na podporu práce operátor a dalších pracovník výrobní sekce. Operátoi sice mají k disposici vlastní ídící systém (DCS), PDIS však umožuje vtší flexibilitu. Lze snáze zobrazit veliiny z rzných míst výroben a pípadn procesní data integrovat s výsledky analýz a údaji z jiných systém. Lze využívat složitjší modely, než je reálné v rámci DCS. Nejjednodušší aplikace pro podporu výroby spoívají ve shromáždní potebných informací na jedné obrazovce. V jiných pípadech je podpora složitjší. Operátoi jsou asto postaveni ped potebu se rychle rozhodnout mezi nkolika variantami. Pitom jim mohou pomoci tzv. procesní kalkulátory. Jsou to aplikace, které napíklad zobrazí na obrazovce poslední hodnoty procesních veliin a laboratorních stanovení a provedou s nimi výpoty (nap. bilanní). Pak má operátor možnost upravovat hodnoty veliin a zjišovat co by se stalo, kdyby?. Na následujícím obrázku je píklad procesního kalkulátoru výpotu vlastností nástiku na výrobní jednotku oxidace asfaltu. Obr. 5: Obrazovka procesního kalkulátoru vlastností nástiku oxidace asfaltu Nástik na výrobní jednotku vzniká smísením až ty proud, jejichž vlastnosti jsou stanovovány v laboratoi. Pro vlastní sms však neexistuje analyzátor. Cílem aplikace je pedpovídat vlastnosti nástiku z prtok a vlastností jednotlivých vstupních proud. Aplikace nejprve pete z databáze prtoky a analýzy a vypoítá vlastnosti nástiku. Operátor poté mže prtoky a vlastnosti mnit a najít tak pomry, pi nichž má nástik požadované vlastnosti. Aplikace pro ochranu životního prostedí Centrální databáze systému PDIS je též základem pro minimalizaci vlivu na životní prostedí a evidenci vyžadovanou legislativou. Jedná se zejména o kontinuální monitoring emisí a imisí evidenci odpad evidenci chemických látek Unikátní je nap. systém pro monitorování emisí VOC z tank metodou EPA AP-42. Tato aplikace vyhodnocuje pohyby hladin v tancích a další veliiny a poítá množství tkavých látek uvolnných do ovzduší. 1347 16. 18. 4. 2007 Milovy5
Optimalizace Optimalizace rafinérských proces není nic nového, sahá od jednoduchých pravidel až po APC. Co je optimální pro chod výroby je vtšinou známé, problémem bývá optimální chod udržet. Dále uvedu standardní postupy, které využíváme v praxi. Lineární ování (LP) LP je základní metodou pro plánování rafinérské výroby ( PIMS). Úspšnost této metody je pímo úmrná kvalit modelu. Význam pitom mají výtžkové modely získávané z denních vyrovnaných bilancí modely mrných spoteb utilit pro jednotlivé výrobní jednotky Tyto modely se vytváejí na základ reálných procesních dat ze systému PDIS. Reálná data se pak také využívají pi zptné kontrole toho, zda byl optimální plán výroby dodržen. Analýza energeticky intenzivních proces metodou Pinch Dobe známá a dnes již klasická metoda Pinch je úinným nástrojem pi odhalování rezerv v oblasti spoteby energie. Aplikace této metody vyžaduje sestavení podrobných energetických bilancí na základ validovaných dat. Optimalizace údržby zaízení Náklady na údržbu nejsou zanedbatelné a její optimalizací lze dosáhnout znaných pínos. Trendem je tzv. cílená údržba zamená na ešení reálných problém. Napíklad monitorováním koeficientu prostupu tepla u výmník lze detekovat ty, které se zanášejí a optimáln plánovat jejich ištní. Ob rafinérie systematicky aplikují metodu LDAR (Leak Detection And Repair), která byla integrována do systému údržby. Je monitorována tsnost cca 70.000 element (ventily, píruby, atd.) a netsné jsou opravovány. Krom ochrany životního prostedí pitom dochází k úsporám v dsledku snížení ztrát uhlovodík. Obr. 6: Píklad monitorování koeficientu prostupu tepla u výmníku Monitorování vybraných veliin (klíových ukazatel) Optimální provoz lze vtšinou charakterizovat jednoduchými pravidly, jejichž porušení lze pomrn snadno kontrolovat. Jako píklady je možno uvést minimalizovat giveaway u produkt 1348 16. 18. 4. 2007 Milovy6
udržovat pebytek kyslíku ve spalinách na minimální technologicky pípustné hodnot minimalizovat refluxní pomry v destilaních kolonách využívat povolené ekologické limity. K tomuto monitoringu jsou využívány již díve popsané technologické karty vyhodnocované on-line. Výhled do budoucna Bylo zde již hovoeno o procesních kalkulátorech, které umožují studie Co když?. Zobecnním tohoto pístupu je širší využití simulaních. Vyešili jsme automatické propojení simulaního u PRO-II s daty v systému PDIS. Lze tak do simulaního u importovat procesní data a provádt simulace reálných provozních situací. Toto by mohla být cesta další podpory operátor. Zabýváme se též možnostmi zavedení APC (Advanced Process Control). Závr Trvalé provozování rafinérií optimálním zpsobem dnes není možné bez intenzivního využívání informaních systém. Tyto informaní systémy však nestaí jen vybrat a nechat je implementovat. Riziko neúspchu je znané a každé zanedbání se mže v budoucnosti projevit zhoršenou funkcí celého systému. Pro konený úspch považuji za dležité mít jasnou vizi, jaké má mít konené ešení funkce vybrat osvdená standardní dílí ešení a integrátora se zkušeností z procesního prmyslu systém budovat postupn. Je teba, aby uživatelé systému absorbovali nové metody pístupu k datm, které do znané míry zmní zpsob jejich práce systém orientovat na poteby uživatel. Dát uživateli maximální prostor pro vytváení vlastních aplikací (privátní reporty, skupiny sledovaných veliin, atd.). Odlehí se tak administrátorovi systému a zlevní se bžný provoz výstavbu systému prbžn sledovat a korigovat pípadný vývoj špatným smrem. Mít zptnou vazbu od uživatel vyžadovat napojení na další informaní systémy a procesy podniku v oprávnných pípadech vyžadovat úpravy dílích ešení (customizace) monitorovat využívání systému (frekvenci pístupu uživatel apod.). Lze tak zjistit pípady, kdy uživatelé nkteré ešení nepijali a systém není využíván. 1349 16. 18. 4. 2007 Milovy7