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    隨著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(fèi)。在工業(yè)過程中，能源的使用面臨著各種嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。每一個應(yīng)用點(diǎn)的能源泄漏和損失都意味著大量的金錢付諸東流；同時(shí)，還面臨著環(huán)保、人員和設(shè)備安全及合規(guī)性風(fēng)險(xiǎn)。艾默生作為過程工業(yè)控制專家，可以為客戶提供工廠級能源管理綜合解決方案以幫助各過程工業(yè)中的客戶更好地管理整個工廠內(nèi)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(tǒng)一、實(shí)時(shí)的能源視圖，非正常能耗報(bào)警等問題。

    SmartProcess電廠工藝優(yōu)化平臺，解決燃燒優(yōu)化、機(jī)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(tǒng)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?xì)狻⑺嚎s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監(jiān)測。

    無線技術(shù)提供了一種快速、安全、節(jié)約的能源管理網(wǎng)絡(luò)形式，解決安裝布線困難，工期緊急等問題。

本文將主要分享與幾大測量難題相關(guān)的能源管理應(yīng)用案例。

    在能源管理中，作為最底層的測量儀表尤為重要。通過部署最佳測量實(shí)踐方案，工廠將可以密切地監(jiān)控溫度、液位、壓力和流量信息，從而深入了解并發(fā)現(xiàn)能源改進(jìn)機(jī)會，或者實(shí)現(xiàn)對所有能源效率的持續(xù)監(jiān)測。

    蒸汽系統(tǒng)——監(jiān)測蒸汽疏水閥

    Barking 電廠使用無線聲波監(jiān)測技術(shù)降低了蒸汽成本并提高了工廠效率。

圖1 蒸汽疏水閥健康狀況診斷

    蒸汽疏水閥通常會出現(xiàn)兩種故障：打開或關(guān)閉。蒸汽疏水閥打開將會導(dǎo)致蒸汽泄漏，造成寶貴能源的浪費(fèi)。蒸汽疏水閥關(guān)閉將會使冷凝水積聚在蒸汽管內(nèi)，從而導(dǎo)致可靠性問題和“水錘”事件，這可能會損壞蒸汽系統(tǒng)以及相連的所有工廠設(shè)備。蒸汽疏水閥的平均預(yù)期壽命約為5年，因此為保證蒸汽系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須定期更換出現(xiàn)故障的疏水閥。

    英國Barking電廠為了提高高峰用電期的競爭力，必須持續(xù)降低成本，并提高靈活性以滿足短期合同的要求。工廠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?qū)е滦枰褂酶嗨畞硖钛a(bǔ)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題。

    大部分情況下，嚴(yán)重的單一泄漏點(diǎn)比較容易檢測，但是少量泄漏可能2~3 周都不會被發(fā)現(xiàn)。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(xù)2~3 周，每小時(shí)的蒸汽損失可能高達(dá)四公噸，悄無聲息地吞食著工廠的利潤。因此，Barking電廠希望在工廠績效受影響之前，能夠找到故障蒸汽疏水閥和故障閥門引起的泄漏。

    通過部署非侵入式WirelessHART聲波“監(jiān)聽”技術(shù)與集成溫度測量技術(shù)，艾默生為其識別可能導(dǎo)致計(jì)劃外停車、渦輪效率不佳和能源損失的問題提供了可靠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。艾默生羅斯蒙特?708無線聲波變送器能對蒸汽疏水閥進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測并快速識別故障疏水閥，該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

    （1）設(shè)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(shè)備，可以輕易地安裝到狹窄部位和危險(xiǎn)區(qū)域。

    （3）它可以自組網(wǎng)，自動連接至無線網(wǎng)絡(luò)并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送至控制室。

    Barking電廠先使用了一臺聲波變送器來檢測故障蒸汽疏水閥，其配套的軟件通過“監(jiān)聽”來發(fā)現(xiàn)噪聲等級相對于預(yù)期值的變化。如存在任何偏離正常狀態(tài)的現(xiàn)象，都將向操作員發(fā)出報(bào)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(xiǎn)，最大程度減少了能源損失。在運(yùn)行的第一個星期，新技術(shù)就識別到高壓過熱器蒸汽疏水閥的一次泄漏，該泄漏造成的蒸汽損失估計(jì)超過1400 歐元/天。蒸汽損失不局限于蒸汽疏水閥，排氣閥可能在開車期間卡滯，或未能正確就位；如果再加上操作轉(zhuǎn)至熱待機(jī)模式時(shí)的壓力損失、工廠進(jìn)入冷待機(jī)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(jì)損失可能高達(dá)2,200美元/天。以往，該客戶通常安排操作員查看故障閥門，但是安裝了無線聲波變送器后，就可以從控制室監(jiān)測這些設(shè)備，無需再進(jìn)行現(xiàn)場檢查了。

    通過對高壓過熱器進(jìn)行早期泄漏檢測，該工廠消除了持續(xù)數(shù)周的由多處緩慢泄漏而導(dǎo)致的蒸汽損失；改良了電力入網(wǎng)能力，使其更快速、更穩(wěn)定；提高了整個工廠的效率；并通過關(guān)鍵資產(chǎn)的早期故障檢測減少了計(jì)劃外停車時(shí)間。

圖2 羅斯蒙特708無線聲波變送器

    公用工程流體——計(jì)量流量，管理使用情況

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

    公用工程流體是工廠的命脈。水、空氣、燃?xì)夂驼羝麑τ诠S的運(yùn)行至關(guān)重要；缺少任何一樣都會使工廠陷于癱瘓狀態(tài)。用戶經(jīng)常告訴我們：“我知道每年要購買的天然氣量，但是我不知道各工藝設(shè)備的用量是多少。”盡管每個工廠的情況不同，但可以合理地認(rèn)為，大多數(shù)工廠5%到15%的現(xiàn)場能源都以損失或誤用公用工程流體的形式浪費(fèi)了。這也可能是一個機(jī)會，讓工廠每年節(jié)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實(shí)施了綜合能源管理。“我們很快地意識到，想要節(jié)約能源我們首先需要進(jìn)行測量。”工廠能源經(jīng)理說。“我們知道總能耗，但是卻從來沒有對單個能源使用區(qū)域進(jìn)行過測量。”考慮了眾多不同流量測量技術(shù)后，工廠安裝了兩個無線網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)都裝有無縫集成DeltaV控制系統(tǒng)的智能無線網(wǎng)關(guān)。在蒸汽、空氣、熱水、淡水和冷凝水管道上共安裝了60個羅斯蒙特3051SFA阿牛巴?無線流量計(jì)。客戶選擇羅斯蒙特 3051S 無線設(shè)備主要基于以下優(yōu)勢：無需安裝復(fù)雜的有線基礎(chǔ)設(shè)施，因此可顯著減少部署時(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(xiǎn)，最大程度減少了能源損失。在運(yùn)行的第一個星期，新技術(shù)就識別到高壓過熱器蒸汽疏水閥的一次泄漏，該泄漏造成的蒸汽損失估計(jì)超過1400 歐元/天。蒸汽損失不局限于蒸汽疏水閥，排氣閥可能在開車期間卡滯，或未能正確就位；如果再加上操作轉(zhuǎn)至熱待機(jī)模式時(shí)的壓力損失、工廠進(jìn)入冷待機(jī)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(jì)損失可能高達(dá)2,200美元/天。以往，該客戶通常安排操作員查看故障閥門，但是安裝了無線聲波變送器后，就可以從控制室監(jiān)測這些設(shè)備，無需再進(jìn)行現(xiàn)場檢查了。

    通過對高壓過熱器進(jìn)行早期泄漏檢測，該工廠消除了持續(xù)數(shù)周的由多處緩慢泄漏而導(dǎo)致的蒸汽損失；改良了電力入網(wǎng)能力，使其更快速、更穩(wěn)定；提高了整個工廠的效率；并通過關(guān)鍵資產(chǎn)的早期故障檢測減少了計(jì)劃外停車時(shí)間。

    還可確保安裝過程無故障；可以使用擴(kuò)大接收范圍的天線選配件來監(jiān)控遙遠(yuǎn)且難以到達(dá)的位置，讓員工遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域；羅斯蒙特3051S 提供十年的免維護(hù)性能，以及十年的穩(wěn)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(jiān)控方式。

    通過部署艾默生解決方案，“現(xiàn)在我們幾乎掌握了廠內(nèi)所有的能源使用情況。”項(xiàng)目工程師說。“無線信息首先使我們關(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(jié)果該項(xiàng)目在8個月內(nèi)就收回了投資，而且第一年就節(jié)省了100多萬美元的能源成本。

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

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

    工廠內(nèi)的壓縮空氣系統(tǒng)是主要的能源消耗者。壓縮空氣系統(tǒng)通常會有多處泄漏以及其他浪費(fèi)源。測量壓縮空氣系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)中多個流量測量點(diǎn)進(jìn)行空氣使用測量。可以在各壓縮機(jī)、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(yán)格，壓縮空氣系統(tǒng)健康管理越好。

    南美某化工廠發(fā)現(xiàn)其壓縮空氣的使用量迅速增加，導(dǎo)致了運(yùn)行成本增加并且造成了產(chǎn)能增加的需求。該工廠還注意到壓縮空氣不足會存在風(fēng)險(xiǎn)，可能會導(dǎo)致氣動設(shè)備發(fā)生故障。工程師發(fā)現(xiàn)孔板流量計(jì)在壓縮空氣系統(tǒng)中造成較大的永久壓損。最終基于羅斯蒙特阿牛巴流量計(jì)的優(yōu)勢，他們拆卸了原有的孔板流量計(jì)，安裝了10臺羅斯蒙特阿牛巴流量計(jì)：9臺羅斯蒙特阿牛巴流量計(jì)分別用于監(jiān)測9臺壓縮機(jī)的輸出，另外1臺用于測量主集管中的流量。

    阿牛巴流量計(jì)具有如下特點(diǎn)：

    （1）安裝簡便，易于實(shí)施。

    （2）避免不必要的系統(tǒng)壓力損失。

    通過這10個流量測量點(diǎn)，工廠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(tǒng)壓力損失。這使該工廠整個壓縮空氣系統(tǒng)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(tǒng)偏遠(yuǎn)位置上的管路壓力。

    鍋爐——改善汽包液位測量

    某造紙廠通過更加準(zhǔn)確地測量鍋爐液位，將啟動時(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(yùn)行，必須精確控制鍋爐汽包內(nèi)的水位，如果水位過低，就會存在鍋爐損壞風(fēng)險(xiǎn)以及昂貴的鍋爐跳閘重大風(fēng)險(xiǎn)。

    如果水位過高，水中可能會夾雜蒸汽，從而降低傳熱效率并且會導(dǎo)致下游渦輪損壞。當(dāng)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行并能避免昂貴的停機(jī)、清污和重新啟動循環(huán)時(shí)，蒸汽系統(tǒng)就會達(dá)到最有效的性能。可靠的汽包液位測量在實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)行條件的過程中是非常重要的一部分。

    美國的一家大型造紙廠正在經(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(shù)錯誤導(dǎo)致鍋爐跳閘。需要在整個鍋爐的工作壓力和溫度下校準(zhǔn)差壓液位變送器。但是，在鍋爐處于冷態(tài)的情況下啟動時(shí)，引壓管中水和蒸汽密度的差異還是會導(dǎo)致差壓液位讀數(shù)錯誤，進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐跳閘。

    該工廠最終選擇導(dǎo)波雷達(dá)(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(dú)立于液體密度的方式測量液位，因此無需復(fù)雜的密度補(bǔ)償。

    （2）可在400℃的高溫和345bar的高壓下測量液位。

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

    （4）無可移動部件，需要極少維護(hù)并具有高可靠性。最終，通過使用具有動態(tài)蒸氣補(bǔ)償?shù)牧_斯蒙特5301導(dǎo)波雷達(dá)對差壓測量進(jìn)行補(bǔ)充，從啟動到全部輸出的所有過程條件中，都可以獲得更加準(zhǔn)確的液位讀數(shù)，從而將啟動過程中的鍋爐跳閘降至最低。現(xiàn)在，該造紙廠不但提高了鍋爐效率、最大程度減少了意外停車，而且提高了產(chǎn)量。

    熱交換器——預(yù)測和檢測污垢

    某煉油廠通過使用無線儀表，操作員可以實(shí)時(shí)了解熱交換器性能，實(shí)現(xiàn)了低油耗和高品質(zhì)。

    過程工廠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(hù)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(jié)晶。但是，由于實(shí)時(shí)監(jiān)測比較困難而且較昂貴，并且采用目測和手動測量方法的操作員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染跡象，污垢日積月累將會阻礙熱傳遞，對生產(chǎn)能力造成負(fù)面影響并且增加能源使用量。此外，污垢迫使下游過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(jiān)測解決方案可通過制定積垢熱交換器的精確清潔計(jì)劃而改善檢修計(jì)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(jiān)測解決方案是在久經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證的技術(shù)和軟件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成。其中羅斯蒙特?zé)o線壓力變送器用于檢測熱交換器冷熱側(cè)的壓差增加情況，從而指示特定交換器需要清潔。羅斯蒙特?zé)o線差壓流量計(jì)測量通過交換器任一側(cè)的流量，用于傳熱效率計(jì)算和高污垢率檢測。羅斯蒙特?zé)o線多點(diǎn)溫度變送器最多可以監(jiān)測四個溫度通道，從而可以進(jìn)行傳熱效率計(jì)算和高污垢率檢測所需的交換器冷熱側(cè)進(jìn)口/出口溫差測量。智能無線網(wǎng)關(guān)將自組織儀表網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)應(yīng)用相連。艾默生AMS Suite：運(yùn)營資產(chǎn)圖提供了指示異常運(yùn)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(dǎo)波雷達(dá)變送器

    某煉油廠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(dǎo)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。該煉油廠通過部署艾默生熱交換器監(jiān)測解決方案取得了良好效果。艾默生熱交換器監(jiān)測解決方案具有以下特點(diǎn)：

    （1）成本經(jīng)濟(jì)，易于實(shí)施。

    （2）非侵入式，使用風(fēng)險(xiǎn)低。

    （3）實(shí)時(shí)診斷，數(shù)據(jù)驅(qū)動。

    通過監(jiān)測進(jìn)出口溫度以及冷熱側(cè)的過程流量，操作員可以及時(shí)了解熱交換器的結(jié)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(xiàn)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，例如在煉油廠中，加氫/制氫裝置進(jìn)料中，艾默生的質(zhì)量流量計(jì)通過控制蒸汽與碳的適當(dāng)比率，減少蒸汽消耗，從而減少能量浪費(fèi)。

    沒有人可以預(yù)測出未來的能源成本。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(xiàn)能源成本符合年度能源預(yù)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(yù)算將會更加準(zhǔn)確。通過執(zhí)行能源項(xiàng)目管理，并實(shí)施最佳實(shí)踐來提高能源利用效率，能夠輕松實(shí)現(xiàn) 10% ～15% 的能源節(jié)省。

圖5 AMS Suite熱交換器結(jié)垢顯示

    摘自《自動化博覽》2015年10月刊