Výrobci cementu jsou velkými spotřebiteli tepelné a elektrické energie, které tak představují stále vyšší náklady. Úsilí o snížení spotřeby používáním zařízení s vyšší účinností a náhradou paliv a surovin je v posledních letech snahou vyrovnat tento nárůst nákladů na energii. Řešením je nalezení optimálního provozního bodu v mezích dynamicky se měnících omezení při správném cenovém mixu paliv a včasném nákupu elektrické energie. Problém moderního ekonomického i ekologického řízení provozu cementářské pece totiž hlavně spočívá v udržování daného teplotního profilu podél pece a v dosažení dobrých podmínek hoření při co nejnižší spotřebě energie. Problémem, který celý regulovaný systém vykazuje, je relativně dlouhé časové zpoždění související s pomalým transportem surovinové moučky řadou tepelných výměníků, cyklonů a následně pecí.

Problematika moderního řízení a optimalizace procesů v cementárnách

Výroba cementu je složitý a energeticky náročný proces. Navíc procesy rotační cementářské pece jsou ze své podstaty nestabilní, protože na ně působí dlouhá časová zpoždění a velké poruchy.

Klíčovou operací v tomto procesu je přeměna mletých surovin (CaCO₃, jílu a/nebo břidlice) na slínek v peci. Tato operace, zahrnující intenzivní ohřev surovin v konvenčním řízení cementářské pece, vyžaduje zkušeného operátora, který neustále interpretuje podmínky procesu a provádí časté úpravy nastavených hodnot stanovených regulátorem. Tento úkol je ztížen složitými odezvami, časovými prodlevami a interakcemi mezi jednotlivými procesními proměnnými. V důsledku toho konvenční regulace pece pracuje při teplotách vyšších, než je optimální, což vede ke zbytečně vysoké spotřebě energie. Navíc zatímco akční proměnné regulovaného systému jsou rychlost pece, přísun energie (paliva), vzduch a přívod, parametry procesu, které mají být řízeny, jsou teplota v čele pece, teplota na vstupu do pece a kyslík v plynech procházejících systémem. V současné době k tomu je nutné ještě přidat další složitost, kterou je také používání alternativních paliv, kde strategie řízení potřebuje vypočítat optimální palivovou / energetickou směs pro dané podmínky. Z toho je patrná složitá problematika a provázanost operací řízení takového procesu.

Řídicí systém v cementárnách je tak zde přímo odpovědný za regulaci stability závodu a kvality dodávaného produktu. Nejčastěji používaným systémem je regulace PID (proporcionální integrální derivace). To tvoří základní úroveň pro automatizaci a funguje dostatečně pro jednoduché procesy. Kvůli variabilitě dodávaných zdrojů a paliva ve spojení s komplexní dynamikou mají manuální operátoři s PID řízením tendenci zůstávat v „bezpečných vzdálenostech“ od procesních rozsahů a omezení, a to na úkor ziskovosti závodu.

A právě k výrazně účinnější optimalizaci těchto procesů nabízí společnost ABB svoje nejnovější nástroje - aplikace ABB Ability™ Expert Optimizer a služby ABB Ability™ Performance Optimization for cement. Typickými výhodami po jejich nasazení v provozu jsou zvýšený výkon, nižší spotřeba paliva, delší životnost žáruvzdorných materiálů a lepší a konzistentnější kvalita. ABB Ability™ Expert Optimizer se vypořádává se složitostí cementářských a těžebních procesů tím, že minimalizuje vliv variability přísunů zdrojů a paliva a poté řídí proces. Topologie instalace umožňuje jeho nasazení jak v řídicím DCS systému ABB Ability™ 800xA, tak v řídicích systémech třetích stran, takže je použitelný pro jakýkoli typ a nastavení systému.

ABB Ability™ Expert Optimizer

ABB Ability™ Expert Optimizer je trvale licencovaný software pro řízení, stabilizaci a optimalizaci průmyslových procesů. Řešení využívá prediktivní řízení lineárního a nelineárního modelu, strojové učení a neuronové sítě k nalezení nejlepších provozních podmínek pro maximalizaci výkonu a dokáže okamžitě detekovat odchylky v procesech výroby cementu.

Díky svým nejmodernějším optimalizačním technologiím ABB Ability™ Expert Optimizer software pomáhá přesně a konzistentně přijímat ta nejlepší provozní rozhodnutí. Expert Optimizer (EO) poskytuje pokročilé procesní techniky, včetně lineárního a nelineárního modelu prediktivního řízení, fuzzy logiky a neuronových sítí. Koordinací nastavených hodnot v různých fázích procesu a okamžitou detekcí odchylek mezi různými provozními postupy pomáhá EO manažerům závodů dosáhnout stanovených cílů ziskovosti a udržitelnosti během významné doby návratnosti (zákazníkům se investice vrátila za méně než jeden rok). S řadou modulů EO ABB pokrývá nejkritičtější součásti a zařízení v cementárenském závodě, jako jsou např. pec, alternativní palivo, mlýny a mísení.

Základní funkce produktu ABB Ability™ Expert Optimizer pro cementárny (více info o jednotlivých funkcích najdete na webové stránce produktu Expert Optimizer for cement).

Příklad funkce optimalizace spotřeby paliv / energie (Fuel management) pro regulaci teploty v peci a optimalizaci efektivity mlýnů.

ABB Ability™ Performance Optimization

ABB Ability™ Performance Optimization pak slouží jako služba pro identifikaci příležitostí pro optimalizaci procesů a energetickou účinnost. S rostoucími cenami energie je pro výrobce cementu totiž téměř zásadní, aby provozovali závody optimálním způsobem, aby zůstali nákladově konkurenceschopní.

S ABB Ability™ Performance Optimization pro cementárny má ABB schopnost provést komplexní studii a analýzu současné výkonnosti procesů, identifikovat potenciální příležitosti ke zlepšení a doporučit řešení, která pomohou zvýšit výkonnost závodu a zlepšit energetickou účinnost. Pomocí osvědčených analytických nástrojů a nástrojů pro modelování procesů ABB poskytuje závodům jasnou cestu k dosažení provozní dokonalosti. V dnešním složitém prostředí výroby cementu je nemožné, aby někdo byl odborníkem na všechny produkty a procesy. Proto ABB nabízí několik balíčků podpory, které zajistí maximální dlouhodobý výkon, včetně monitorování KPI (protokolování KPI a dashboardy) nebo reportování výkonu.

Optimalizace v cementárně CEMEX

ABB Ability™ Expert Optimizer například zlepšil kontrolu emisí SO₂ a pomohl výrazně snížit spotřebu hydrátů o 11 % v závodě CEMEX v Německu. Řídicí systém ABB je zde přímo odpovědný za regulaci stability závodu a kvality dodávaného produktu.

Závod CEMEX nacházející se v německém Rüdersdorfu, který již využívá Expert Optimizer od ABB na svých RMP, mlýnech a pecích, oslovil ABB, aby zlepšil svůj systém řízení emisí. Hlavním úkolem bylo snížit odchylku od provozního cíle pro denní emise SO₂. Toho bylo dosaženo pomocí ABB produktu Ability™ Expert Optimizer. To umožnilo továrně běžet blíže k cílovým i omezovacím limitům (práci výrobního procesu více na limitech), zajistit nulové emise a zároveň snížit zbytečné předávkování a spotřebu hydrátů.

ABB řídicí jednotka také snížila pracovní zátěž operátora tím, že automaticky optimalizovala krátkodobý cíl výfukových emisí SO₂ na základě aktuálního denního průměru. V tomto směru jsou k dispozici dva režimy optimalizace, které umožňují operátorovi vybrat buď normální nebo agresivní optimalizaci, podle toho, zda je záměrem cílit na denní průměr pod limit na konci dne nebo během následujících 30 minut. ABB Ability™ Expert Optimizer pak automaticky nastavuje více míst přívodu vápenného hydrátu, aby bylo zajištěno přísné splnění cílů SO₂ a HCL. Po jednom roce provozu ABB Ability™ Expert Optimizer nejen minimalizoval směrodatnou odchylku, ale i významně snížil odchylku od provozního cíle pro denní emise SO₂. Také pomohl snížit celkovou spotřebu hydrátů v procesu až o 11 %.

Kompletní APC pro cementárny Jura

Ve snaze snížit spotřebu energie a zvýšit kvalitu a efektivitu procesů, zavedla společnost Jura pro své závody v Itálii a Švýcarsku kompletní řešení automatizace od ABB. Primárním cílem tohoto projektu automatizace bylo snížit spotřebu energie ve všech oblastech v kombinaci s hledáním optimálního provozního bodu a v souladu s cíli zvýšení produktivity a kvality a přitom zůstat v souladu s emisními limity pro životní prostředí.

Pro tento složitý úkol ABB spojilo síly hned několika svých produktů a implementovalo kompletní řešení poháněné svými digitálními technologiemi ABB Ability™ System 800xA, ABB Ability™ Expert Optimizer a ABB Ability™ Knowledge Manager for cement. Ty napomáhaly při shromažďování informací s následným modelováním procesu k identifikaci nejlepšího možného způsobu řízení závodu za všech okolností. Jednou z klíčových součástí tohoto řešení byly pohony s proměnnou rychlostí (VSD) a druhou modelové prediktivní řízení (MPC). Obě tyto komponenty spojené s využitím pokročilých digitálních technologií byly klíčem k umožnění optimalizovaného využití energie v závodě ve Švýcarsku.

Velké ventilátory, které nasávají vzduch pecí, předkalcinátorem, mlýny a filtry do výfukového komína, podporované menšími ventilátory, které tlačí vzduch do roštového chladiče, vyžadují přesné nastavení a ovládání proudění vzduchu. Tyto úpravy musí zohledňovat různé faktory, včetně atmosférických podmínek, podmínek procesu a ventilace. Zde hrály měniče kmitočtu instalované v závodě klíčovou roli při řízení energetické účinnosti. V závislosti na požadovaném průtoku pak řídicí systém pomohl dosáhnout úspory energie až 70 % ve srovnání s motory s pevnými otáčkami. V závodě Jura ABB použilo systém s více pohony, který nabízel všechny výhody VSD plus řadu dalších výhod včetně snížených požadavků na kabeláž, úspory energie při brzdění mezi motorem, snížené nároky na prostor a eliminaci distribuce nízkého napětí vyžadované pro jednotlivé pohony.

Kromě VSD měničů ABB implementovalo i řešení MPC. To je založeno na filozofii ustupujícího horizontu, kde se sekvence budoucích optimálních regulačních akcí volí podle predikce krátkodobého až střednědobého vývoje systému během daného času. Když jsou k dispozici měření nebo nové informace, vypočítá se nová sekvence, která pak nahradí předchozí. Cílem každého běhu nové sekvence je optimalizace výkonu a ochrana systému před porušením omezení. Tato kombinace hrála klíčovou roli v pomoci společnosti Jura dosáhnout všech jejích cílů z automatizace v závodě a realizovat široké spektrum výhod.

Odkazy:

• Webové stránky ABB o produktu Expert Optimizer for cement - https://new.abb.com/cement/systems-and-solutions/advanced-process-control/abb-ability-expert-optimizer-cement
• Webové stránky ABB o produktu Performance Optimization for cement plants - https://new.abb.com/cement/service/advanced-digital-services/abb-ability-performance-optimization-cement
• Článek "ABB Ability™ Expert Optimizer improved SO₂ emission control at a CEMEX plant in Germany" - https://new.abb.com/cement/references/abb-ability-expert-optimizer-improved-so2-emission-control-at-cemex-plant-in-germany
• Článek "ABB helps Jura optimize energy costs for its cement plant in Switzerland"-  https://new.abb.com/cement/references/optimized-energy-and-production-excellence-at-jura-switzerland-plant