隨著(zhù)全球能源的日益緊缺，各國都致力于提高能源使用效率，減少或避免能源浪費。在工業(yè)過(guò)程中，能源的使用面臨著(zhù)各種嚴峻的挑戰。每一個(gè)應用點(diǎn)的能源泄漏和損失都意味著(zhù)大量的金錢(qián)付諸東流；同時(shí)，還面臨著(zhù)環(huán)保、人員和設備安全及合規性風(fēng)險。艾默生作為過(guò)程工業(yè)控制專(zhuān)家，可以為客戶(hù)提供工廠(chǎng)級能源管理綜合解決方案以幫助各過(guò)程工業(yè)中的客戶(hù)更好地管理整個(gè)工廠(chǎng)內的能源使用情況。其在能源管理軟件平臺方面擁有:

    Energy Advisor工業(yè)級管理平臺，解決了統一、實(shí)時(shí)的能源視圖，非正常能耗報警等問(wèn)題。

    SmartProcess電廠(chǎng)工藝優(yōu)化平臺，解決燃燒優(yōu)化、機組群優(yōu)化、吹灰優(yōu)化等工藝優(yōu)化難題。

    DeltaV和Ovation?分布式控制系統提供安全、可靠、智能的能源信息采集平臺。

    流量測量領(lǐng)域，對蒸汽、燃氣、水、壓縮空氣等能源介質(zhì)的測量提供最佳測量解決方案；并提供蒸汽泄露及熱交換器的在線(xiàn)監測。

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)提供了一種快速、安全、節約的能源管理網(wǎng)絡(luò )形式，解決安裝布線(xiàn)困難，工期緊急等問(wèn)題。

本文將主要分享與幾大測量難題相關(guān)的能源管理應用案例。

    在能源管理中，作為最底層的測量?jì)x表尤為重要。通過(guò)部署最佳測量實(shí)踐方案，工廠(chǎng)將可以密切地監控溫度、液位、壓力和流量信息，從而深入了解并發(fā)現能源改進(jìn)機會(huì )，或者實(shí)現對所有能源效率的持續監測。

    蒸汽系統——監測蒸汽疏水閥

    Barking 電廠(chǎng)使用無(wú)線(xiàn)聲波監測技術(shù)降低了蒸汽成本并提高了工廠(chǎng)效率。

圖1 蒸汽疏水閥健康狀況診斷

    蒸汽疏水閥通常會(huì )出現兩種故障：打開(kāi)或關(guān)閉。蒸汽疏水閥打開(kāi)將會(huì )導致蒸汽泄漏，造成寶貴能源的浪費。蒸汽疏水閥關(guān)閉將會(huì )使冷凝水積聚在蒸汽管內，從而導致可靠性問(wèn)題和“水錘”事件，這可能會(huì )損壞蒸汽系統以及相連的所有工廠(chǎng)設備。蒸汽疏水閥的平均預期壽命約為5年，因此為保證蒸汽系統的正常運行，必須定期更換出現故障的疏水閥。

    英國B(niǎo)arking電廠(chǎng)為了提高高峰用電期的競爭力，必須持續降低成本，并提高靈活性以滿(mǎn)足短期合同的要求。工廠(chǎng)一直在努力最大程度減少所有蒸汽管道上的蒸汽損失，這包括進(jìn)入排水管或任何蒸汽疏水閥的蒸汽，任何排入大氣、啟動(dòng)排氣孔、底部排污管道等的蒸汽，以及任何將增加流出廢水量或導致需要使用更多水來(lái)填補任何損失的情況。為了將損失最小化，操作員需頻繁巡視，以便在正常操作期間識別通風(fēng)孔泄漏、泄壓閥（PRV）未固定和蒸汽疏水閥故障等問(wèn)題。

    大部分情況下，嚴重的單一泄漏點(diǎn)比較容易檢測，但是少量泄漏可能2~3 周都不會(huì )被發(fā)現。盡管這種情況下?lián)p失的體積較小，但如果多處泄漏同時(shí)發(fā)生并持續2~3 周，每小時(shí)的蒸汽損失可能高達四公噸，悄無(wú)聲息地吞食著(zhù)工廠(chǎng)的利潤。因此，Barking電廠(chǎng)希望在工廠(chǎng)績(jì)效受影響之前，能夠找到故障蒸汽疏水閥和故障閥門(mén)引起的泄漏。

    通過(guò)部署非侵入式WirelessHART聲波“監聽(tīng)”技術(shù)與集成溫度測量技術(shù)，艾默生為其識別可能導致計劃外停車(chē)、渦輪效率不佳和能源損失的問(wèn)題提供了可靠且經(jīng)濟高效的解決方案。艾默生羅斯蒙特?708無(wú)線(xiàn)聲波變送器能對蒸汽疏水閥進(jìn)行持續監測并快速識別故障疏水閥，該設備具有以下特點(diǎn)：

    （1）設備本身極易安裝 - 非侵入式。您只需要用隨附的不銹鋼安裝帶將其固定到蒸汽疏水閥上游的管上。

    （2）這是一款小型輕質(zhì)設備，可以輕易地安裝到狹窄部位和危險區域。

    （3）它可以自組網(wǎng)，自動(dòng)連接至無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )并將現場(chǎng)數據傳送至控制室。

    Barking電廠(chǎng)先使用了一臺聲波變送器來(lái)檢測故障蒸汽疏水閥，其配套的軟件通過(guò)“監聽(tīng)”來(lái)發(fā)現噪聲等級相對于預期值的變化。如存在任何偏離正常狀態(tài)的現象，都將向操作員發(fā)出報警，以便其采取糾正措施。這樣可降低在生產(chǎn)期間發(fā)生重大泄漏的風(fēng)險，最大程度減少了能源損失。在運行的第一個(gè)星期，新技術(shù)就識別到高壓過(guò)熱器蒸汽疏水閥的一次泄漏，該泄漏造成的蒸汽損失估計超過(guò)1400 歐元/天。蒸汽損失不局限于蒸汽疏水閥，排氣閥可能在開(kāi)車(chē)期間卡滯，或未能正確就位；如果再加上操作轉至熱待機模式時(shí)的壓力損失、工廠(chǎng)進(jìn)入冷待機狀態(tài)的氮損失、增加的廢水排放量和水及化學(xué)品用量，那么經(jīng)濟損失可能高達2,200美元/天。以往，該客戶(hù)通常安排操作員查看故障閥門(mén)，但是安裝了無(wú)線(xiàn)聲波變送器后，就可以從控制室監測這些設備，無(wú)需再進(jìn)行現場(chǎng)檢查了。

    通過(guò)對高壓過(guò)熱器進(jìn)行早期泄漏檢測，該工廠(chǎng)消除了持續數周的由多處緩慢泄漏而導致的蒸汽損失；改良了電力入網(wǎng)能力，使其更快速、更穩定；提高了整個(gè)工廠(chǎng)的效率；并通過(guò)關(guān)鍵資產(chǎn)的早期故障檢測減少了計劃外停車(chē)時(shí)間。

圖2 羅斯蒙特708無(wú)線(xiàn)聲波變送器

    公用工程流體——計量流量，管理使用情況

    新英格蘭的一家造紙廠(chǎng)通過(guò)對蒸汽、空氣和水的密切跟蹤，一年節約了1,000,000美元。

    公用工程流體是工廠(chǎng)的命脈。水、空氣、燃氣和蒸汽對于工廠(chǎng)的運行至關(guān)重要；缺少任何一樣都會(huì )使工廠(chǎng)陷于癱瘓狀態(tài)。用戶(hù)經(jīng)常告訴我們：“我知道每年要購買(mǎi)的天然氣量，但是我不知道各工藝設備的用量是多少。”盡管每個(gè)工廠(chǎng)的情況不同，但可以合理地認為，大多數工廠(chǎng)5%到15%的現場(chǎng)能源都以損失或誤用公用工程流體的形式浪費了。這也可能是一個(gè)機會(huì )，讓工廠(chǎng)每年節省1,000,000到15,000,000美元。

為了抵消燃料價(jià)格上漲的成本，新英格蘭的紙漿和造紙廠(chǎng)實(shí)施了綜合能源管理。“我們很快地意識到，想要節約能源我們首先需要進(jìn)行測量。”工廠(chǎng)能源經(jīng)理說(shuō)。“我們知道總能耗，但是卻從來(lái)沒(méi)有對單個(gè)能源使用區域進(jìn)行過(guò)測量。”考慮了眾多不同流量測量技術(shù)后，工廠(chǎng)安裝了兩個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )都裝有無(wú)縫集成DeltaV控制系統的智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。在蒸汽、空氣、熱水、淡水和冷凝水管道上共安裝了60個(gè)羅斯蒙特3051SFA阿牛巴?無(wú)線(xiàn)流量計?？蛻?hù)選擇羅斯蒙特 3051S 無(wú)線(xiàn)設備主要基于以下優(yōu)勢：無(wú)需安裝復雜的有線(xiàn)基礎設施，因此可顯著(zhù)減少部署時(shí)間，同時(shí)警，以便其采取糾正措施。這樣可降低在生產(chǎn)期間發(fā)生重大泄漏的風(fēng)險，最大程度減少了能源損失。在運行的第一個(gè)星期，新技術(shù)就識別到高壓過(guò)熱器蒸汽疏水閥的一次泄漏，該泄漏造成的蒸汽損失估計超過(guò)1400 歐元/天。蒸汽損失不局限于蒸汽疏水閥，排氣閥可能在開(kāi)車(chē)期間卡滯，或未能正確就位；如果再加上操作轉至熱待機模式時(shí)的壓力損失、工廠(chǎng)進(jìn)入冷待機狀態(tài)的氮損失、增加的廢水排放量和水及化學(xué)品用量，那么經(jīng)濟損失可能高達2,200美元/天。以往，該客戶(hù)通常安排操作員查看故障閥門(mén)，但是安裝了無(wú)線(xiàn)聲波變送器后，就可以從控制室監測這些設備，無(wú)需再進(jìn)行現場(chǎng)檢查了。

    通過(guò)對高壓過(guò)熱器進(jìn)行早期泄漏檢測，該工廠(chǎng)消除了持續數周的由多處緩慢泄漏而導致的蒸汽損失；改良了電力入網(wǎng)能力，使其更快速、更穩定；提高了整個(gè)工廠(chǎng)的效率；并通過(guò)關(guān)鍵資產(chǎn)的早期故障檢測減少了計劃外停車(chē)時(shí)間。

    還可確保安裝過(guò)程無(wú)故障；可以使用擴大接收范圍的天線(xiàn)選配件來(lái)監控遙遠且難以到達的位置，讓員工遠離危險區域；羅斯蒙特3051S 提供十年的免維護性能，以及十年的穩定性和電源模塊使用壽命；它是一款具成本效益和可靠性的資產(chǎn)監控方式。

    通過(guò)部署艾默生解決方案，“現在我們幾乎掌握了廠(chǎng)內所有的能源使用情況。”項目工程師說(shuō)。“無(wú)線(xiàn)信息首先使我們關(guān)注到高能耗領(lǐng)域以及對我們成本產(chǎn)生最大影響的領(lǐng)域。”結果該項目在8個(gè)月內就收回了投資，而且第一年就節省了100多萬(wàn)美元的能源成本。

圖3 羅斯蒙特3051S系列變送器

    壓縮空氣——測量流量以識別泄漏和管理使用情況

    某化工廠(chǎng)采用了一種更好的測量壓縮空氣流量的方法，每年可以節約750,000美元。

    工廠(chǎng)內的壓縮空氣系統是主要的能源消耗者。壓縮空氣系統通常會(huì )有多處泄漏以及其他浪費源。測量壓縮空氣系統內的流量有助于識別泄漏和管理空氣使用。最好在壓縮空氣系統中多個(gè)流量測量點(diǎn)進(jìn)行空氣使用測量?？梢栽诟鲏嚎s機、集管以及各主要分支管路上進(jìn)行流量測量。流量測量點(diǎn)越多，泄漏控制就越嚴格，壓縮空氣系統健康管理越好。

    南美某化工廠(chǎng)發(fā)現其壓縮空氣的使用量迅速增加，導致了運行成本增加并且造成了產(chǎn)能增加的需求。該工廠(chǎng)還注意到壓縮空氣不足會(huì )存在風(fēng)險，可能會(huì )導致氣動(dòng)設備發(fā)生故障。工程師發(fā)現孔板流量計在壓縮空氣系統中造成較大的永久壓損。最終基于羅斯蒙特阿牛巴流量計的優(yōu)勢，他們拆卸了原有的孔板流量計，安裝了10臺羅斯蒙特阿牛巴流量計：9臺羅斯蒙特阿牛巴流量計分別用于監測9臺壓縮機的輸出，另外1臺用于測量主集管中的流量。

    阿牛巴流量計具有如下特點(diǎn)：

    （1）安裝簡(jiǎn)便，易于實(shí)施。

    （2）避免不必要的系統壓力損失。

    通過(guò)這10個(gè)流量測量點(diǎn)，工廠(chǎng)操作人員可以提前確定增大的空氣使用量，而避免不必要的系統壓力損失。這使該工廠(chǎng)整個(gè)壓縮空氣系統的效率提高了10%，電力成本每年減少750,000美元，同時(shí)提高了系統偏遠位置上的管路壓力。

    鍋爐——改善汽包液位測量

    某造紙廠(chǎng)通過(guò)更加準確地測量鍋爐液位，將啟動(dòng)時(shí)的鍋爐跳閘降到最低。

    為優(yōu)化蒸汽生產(chǎn)、最大化鍋爐效率和保持安全運行，必須精確控制鍋爐汽包內的水位，如果水位過(guò)低，就會(huì )存在鍋爐損壞風(fēng)險以及昂貴的鍋爐跳閘重大風(fēng)險。

    如果水位過(guò)高，水中可能會(huì )夾雜蒸汽，從而降低傳熱效率并且會(huì )導致下游渦輪損壞。當鍋爐穩定運行并能避免昂貴的停機、清污和重新啟動(dòng)循環(huán)時(shí)，蒸汽系統就會(huì )達到最有效的性能?？煽康钠何粶y量在實(shí)現所需運行條件的過(guò)程中是非常重要的一部分。

    美國的一家大型造紙廠(chǎng)正在經(jīng)歷產(chǎn)量損失和能源成本增加。主要是引壓管上安裝的差壓變送器的鍋爐液位讀數錯誤導致鍋爐跳閘。需要在整個(gè)鍋爐的工作壓力和溫度下校準差壓液位變送器。但是，在鍋爐處于冷態(tài)的情況下啟動(dòng)時(shí)，引壓管中水和蒸汽密度的差異還是會(huì )導致差壓液位讀數錯誤，進(jìn)而導致鍋爐跳閘。

    該工廠(chǎng)最終選擇導波雷達(GWR)變送器為其鍋爐汽包液位測量提供測量方案。與差壓液位技術(shù)相比，它們具有更大的優(yōu)勢。

    （1）完全獨立于液體密度的方式測量液位，因此無(wú)需復雜的密度補償。

    （2）可在400℃的高溫和345bar的高壓下測量液位。

    （3）即使在機械振動(dòng)和高湍流的環(huán)境下，GWR變送器也可以準確而可靠地測量液位。

    （4）無(wú)可移動(dòng)部件，需要極少維護并具有高可靠性。最終，通過(guò)使用具有動(dòng)態(tài)蒸氣補償的羅斯蒙特5301導波雷達對差壓測量進(jìn)行補充，從啟動(dòng)到全部輸出的所有過(guò)程條件中，都可以獲得更加準確的液位讀數，從而將啟動(dòng)過(guò)程中的鍋爐跳閘降至最低?，F在，該造紙廠(chǎng)不但提高了鍋爐效率、最大程度減少了意外停車(chē)，而且提高了產(chǎn)量。

    熱交換器——預測和檢測污垢

    某煉油廠(chǎng)通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)儀表，操作員可以實(shí)時(shí)了解熱交換器性能，實(shí)現了低油耗和高品質(zhì)。

    過(guò)程工廠(chǎng)中可能有上百臺熱交換器，使用一段時(shí)間后交換器將積存污垢并直接影響生產(chǎn)能力、維護成本和能源使用。多種因素可加快熱交換器積垢，包括沉積、腐蝕、分解和結晶。但是，由于實(shí)時(shí)監測比較困難而且較昂貴，并且采用目測和手動(dòng)測量方法的操作員不能及時(shí)發(fā)現污染跡象，污垢日積月累將會(huì )阻礙熱傳遞，對生產(chǎn)能力造成負面影響并且增加能源使用量。此外，污垢迫使下游過(guò)程加熱器提供更多能量時(shí)，能源成本增加。

    實(shí)施艾默生熱交換器監測解決方案可通過(guò)制定積垢熱交換器的精確清潔計劃而改善檢修計劃，以維持最佳傳熱效率并將能耗降低10%。

    艾默生熱交換器監測解決方案是在久經(jīng)實(shí)踐驗證的技術(shù)和軟件的基礎上設計而成。其中羅斯蒙特無(wú)線(xiàn)壓力變送器用于檢測熱交換器冷熱側的壓差增加情況，從而指示特定交換器需要清潔。羅斯蒙特無(wú)線(xiàn)差壓流量計測量通過(guò)交換器任一側的流量，用于傳熱效率計算和高污垢率檢測。羅斯蒙特無(wú)線(xiàn)多點(diǎn)溫度變送器最多可以監測四個(gè)溫度通道，從而可以進(jìn)行傳熱效率計算和高污垢率檢測所需的交換器冷熱側進(jìn)口/出口溫差測量。智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)將自組織儀表網(wǎng)絡(luò )與主機系統和數據應用相連。艾默生AMS Suite：運營(yíng)資產(chǎn)圖提供了指示異常運行情況的實(shí)時(shí)圖像顯示，包括高污垢率或需清潔交換器通知。

圖4 羅斯蒙特5300系列導波雷達變送器

    某煉油廠(chǎng)由于熱交換器不斷積垢而造成了傳熱效率降低，從而需要燃燒更多燃油，最終導致能源成本增加；此外還將限制煉油生產(chǎn)，降低產(chǎn)品質(zhì)量。該煉油廠(chǎng)通過(guò)部署艾默生熱交換器監測解決方案取得了良好效果。艾默生熱交換器監測解決方案具有以下特點(diǎn)：

    （1）成本經(jīng)濟，易于實(shí)施。

    （2）非侵入式，使用風(fēng)險低。

    （3）實(shí)時(shí)診斷，數據驅動(dòng)。

    通過(guò)監測進(jìn)出口溫度以及冷熱側的過(guò)程流量，操作員可以及時(shí)了解熱交換器的結垢情況，合理安排最佳清潔時(shí)間，從而降低油耗和能源成本，并且實(shí)現最大程度提高裝置利用率和產(chǎn)品質(zhì)量。

除此之外，艾默生還擁有諸多能源管理解決方案，例如在煉油廠(chǎng)中，加氫/制氫裝置進(jìn)料中，艾默生的質(zhì)量流量計通過(guò)控制蒸汽與碳的適當比率，減少蒸汽消耗，從而減少能量浪費。

    沒(méi)有人可以預測出未來(lái)的能源成本。如果不能清楚地了解蒸汽、壓縮空氣、燃料和水的使用量及使用位置；那么，要實(shí)現能源成本符合年度能源預算幾乎是天方夜譚。如果可以精確地掌握能源使用信息，而非靠猜測；那么能源預算將會(huì )更加準確。通過(guò)執行能源項目管理，并實(shí)施最佳實(shí)踐來(lái)提高能源利用效率，能夠輕松實(shí)現 10% ～15% 的能源節省。

圖5 AMS Suite熱交換器結垢顯示

    摘自《自動(dòng)化博覽》2015年10月刊