Как выстроить систему управления энергопотреблением: опыт завода Deer Park

Завод Deer Park обладает уникальной программой управления энергоснабжением, которая успела доказать свою высокую эффективность и позволяет экономить 15 млн долларов ежегодно! В статье описывается эта программа, ее история, успехи, уникальные черты, которые привели к этим успехам.

Фредерик П. Фендт (Frederick P. Fendt), Компания Rohm and Haas

Перевод – Виктория Олешко, портал «Управление производством»

Краткое резюме

В течение более чем двадцати последних лет во многих отраслях промышленности инженеров стали напрямую привлекать к реализации проектов, связанных с энергообеспечением предприятий. Мне пришлось повидать большое разнообразие проектов по повышению энергетической эффективности и программ, которые покрывали полный спектр показателей эффективности. Завод Deer Park компании Rohm and Haas, расположенный в Техасе, обладает уникальной программой управления энергоснабжением, которая успела доказать свою высокую эффективность. В результате этой программы использование энергоресурсов сократилось на 17% на каждый фунт выпускаемой базовой продукции, что позволяет экономить 3,25 млрд btus[1]  и 15 млн долларов ежегодно! В настоящей статье описывается эта программа, ее история, успехи, уникальные черты, которые привели к этим успехам.

Компания Rohm and Haas

На протяжении более 90 лет компания Rohm and Haas является лидером в области специализированных химических технологий. Ее продукцию сегодня можно встретить в составе красок и шпаклевок, адгезивов и герметиков, бытовой химии, персональных компьютеров и деталей электроники, строительных материалов и еще тысяч наименований товаров повседневного спроса. В каждом уголке мира продукция компании Rohm and Haas «Незаметно улучшает качество жизни ™».

Компания Rohm and Haas является одной из крупнейших в мире по производству специализированных химических продуктов – технологически сложных материалов, которые нашли себе применение на многих рынках. Большинство продуктов компании потребители никогда не увидят; тем не менее, они используются другими отраслями промышленности, чтобы производить более совершенные, высококачественные товары для конечных потребителей. История компании Rohm and Haas представляет собой серию технических инноваций в науке и промышленности, которые обычно оставались «за кулисами».

В 1999 г. Rohm and Haas поглотила 2 крупные компании: LeaRonal, производителя химической продукции для электроники, и Morton International, мирового производителя специализированных химических продуктов и соли. Это поглощение помогло компании дорасти до ее нынешних размеров, с оборотом в 6,5 млрд  долларов и более чем 20000 сотрудников. Она управляет приблизительно 150 научными и производственными филиалами в 25 странах.

Компания Rohm and Haas предана идее непрерывного развития и взяла на себя обязательства приложить все усилия, чтобы гарантировать, что процессы и продукция компании соответствуют потребностям сегодняшнего мирового рынка, не ущемляя при этом возможности будущих поколений удовлетворять свои потребности. Экономический рост, защита окружающей среды и социальная ответственность являются неотъемлемыми факторами, исходя из которых в компании принимаются решения.

Завод Deer Park компании Rohm and Haas

Завод Deer Park компании Rohm and Haas, штат Техас, работает уже более 52 лет и расположен на берегу Хьюстонского судоходного канала в 22 милях к востоку от делового центра Хьюстона. Он занимает более 900 акров земли и обеспечивает работой более 800 человек. Завод является флагманом компании Rohm and Haas и крупнейшим производителем мономеров для ключевых продуктов компании. Завод производит более 2 млрд фунтов химической продукции ежегодно, включая метилметакрилат и различные виды акрилов. Соответственно, на один этот завод приходится около 35 % всего объема потребления энергоресурсов компании Rohm and Haas.

Рисунок. Распределение потребления энергоресурсов между 20 крупнейшими заводами Rohm and Haas

Производимые здесь химические мономеры являются строительными блоками для других продуктов компании, поэтому энергетическая эффективность завода Deer Park влияет на всю производственную цепочку компании – от исходного сырья до продукции для конечных потребителей.

Завод состоит из 11 различных производственных участков, которые работают как самостоятельные производственные мощности или «заводы внутри завода» – ЗВЗ («Plants Within A Plant» – PWP). В ходе многих производственных процессов выделяется большое количество энергии, поэтому значительная часть пара, который потребляется заводом Deer Park, вырабатывается котлами-утилизаторами.

На заводе есть 5 уровней потребления пара: 600, 150, 75, 35 и 15 psi[2] . На уровне 600 psi из почти 1млн фунтов в час потребляемого пара только 200 тыс. фунтов в час производится котельной. На уровнях 150 psi и ниже используется пар, произведенный котлами-утилизаторами и турбинами обратного давления.  Большая часть достижений в области энергетической эффективности, полученных, начиная с 1997 г., были достигнуты благодаря извлечению выгоды из оптимизации пересекающихся процессов и общезаводской интеграции энергетического хозяйства – сближения систем ЗВЗ всего завода. Также цели по энергоэффективности достигаются здесь благодаря извлечению преимуществ из больших объемов энергии, которая выделяется в ходе производства продукции. Каждый ЗВЗ является независимым в вопросах производства и все еще имеет высокий уровень независимости в сфере энергоснабжения. Тем не менее, главной задачей, стоявшей перед заводом, была более плотная интеграция крайне сложных производственных мощностей, чтобы подняться на новый уровень энергетической оптимизации.

Энергетическая эффективность – «грязная» история

В течение первых 50 лет завод работал в условиях постоянно меняющихся и противоречивых целей в области энергетической эффективности. Большинство более ранних усилий в этой сфере прикладывалось отдельными специалистами, концентрировавшимся на решении специфических проблем.

Текущая программа в действительности началась в 1997 г. с формирования общезаводской команды энергетиков. Эта команда организовала независимое общезаводское обследование и анализ энергосистем. Затем они создали учебную базу данных возможных мероприятий по повышению энергетической эффективности. Позже внедрили общезаводской энергетический мониторинг и оптимизационную систему на базе программного пакета «Visual Mesa».

Кросс-функциональная команда энергетиков

Ключом к успеху завода Deer Park с сфере энергетической эффективности была готовность сотрудников работать как единая команда внутри многих бизнес-единиц завода. Создание кросс-функциональной команды энергетиков началось с выделения ресурсов – назначения представителей всех ЗВЗ, специалистов в различных областях (производство, энергетика, электрика, проектное управление), включая главного энергетика завода. У команды была сильная поддержка со стороны руководства завода. Команда использовала несколько приемов для обеспечения успешной реализации программы, это:

• Четко сформулированная миссия и стратегия управления энергообеспечением, целью которой была минимизация стоимости производства продукции на долгосрочном горизонте.
• Определение факторов, критичных для успеха энергетической программы.
• Готовность выходить за рамки завода, чтобы изучить лучшие практики в сфере энергетической эффективности путем участия в соответствующих семинарах и конференциях, налаживания связей с компаниями, энергетическими агентствами и т.д. Полученные вовне знания распространялись внутри Deer Park в ходе десятидневок «выученных уроков», на которых готовились полные перечни потенциальных ресурсов и возможностей.
• Двухуровневый подход к составлению графика и выбору потенциальных проектов для внедрения. Краткосрочный тактический план использовался для определения и внедрения автономных проектов, ведущих к быстрому сокращению затрат на энергоснабжение. Долгосрочные и стратегические проекты внедрялись, чтобы обеспечить развитие систем и инфраструктуры, которые позволят получать стабильную экономию энергоресурсов в будущем.

Предпринятые действия

В первую очередь команда направила свои усилия на то, чтобы выявить и поддержать внедрение всех обоснованных проектов, направленных на повышение общей энергетической эффективности. Первые цели (1998-2000 гг.) фокусировались на быстром сокращении расходов, чтобы завод смог соответствовать требованиям краткосрочного бюджета. Вот ключевые характеристики мероприятий, произведенных в этот период.

• Выявление возможностей, относящихся одновременно к основному и вспомогательному производству.
• Установление показателей для руководящего и операционного персонала, позволявших отследить продвижение к цели.
• Регулярная отчетность перед заинтересованными лицами о продвижении программы, чтобы обеспечить соответствие результатов программы бизнес требованиям и получить одобрение отклонений программы (по финансам, ресурсам и т.д.)
• Сохранение снижающегося тренда потребления энергоресурсов при составлении бюджетов как отражение взятых прогнозных обязательств.
• Накопление достаточного количества знаний об энергетических системах завода, чтобы выполнить соответствующий технический и финансовый анализ энергетических возможностей.
• Рекомендация внедрения общезаводской системы управления энергообеспечением, которая предоставит информацию о затратах на энергоресурсы в реальном времени и выдаст рекомендации по оптимизации процессов (т.е. операционный персонал будет лучше понимать влияние своих решений об изменении процессов на величину затрат на энергоносители).
• Изменение заводской системы расчета стоимости энергоресурсов, которое позволило каждой бизнес единице платить за реальные объемы потребления.

К настоящему моменту команда инициировала более 125 проектов, и более 40% из них были завершены за последние 3 года. Около 20% все еще находятся на стадии оценки, включая определенную долю не обоснованных на сегодня проектов.

Вот примеры мероприятий, предпринятых для получения экономии энергоресурсов: внутренний энергетический аудит (1995 г.), проверка утечек сжатого воздуха (1998 г., Petro Chem), диагностика огневого нагревателя (1998 г., Zink), оценка моторных систем (1998 г., Planergy), оценка заводской площадки с т.з. энергоснабжения (1998 г., Reliant Energy Services), аппаратная проверка воздушного компрессора и сушки (1998 г.), обследование системы освещения здания (1998 г., Wholesale Electric), проверка фильтров и наличия утечек в паровой системе (1999 г., Petro Chem), оценка DOE – OIT [3] систем накачки (1999, Oak Ridge National Lab), проверка защемлений и пережимов (1999 г., внутренний персонал), обследование с помощью инфракрасной термографии (1999 г.), анализ с помощью энергетического оптимизатора в реальном времени (2000 г.), вторая проверка паровой системы(2000 г., Armstrong Services), оценка производственной площадки (2000 г., Energy Service Co.).

Стратегический подход

Документ «Долгосрочная энергетическая стратегия» завода Deer Park определяет успех следующим образом: «состояние, когда управление энергоснабжением понимается как безусловная часть операционного совершенства, то есть:

• Подразумевается и действительно является частью бизнеса.
• Принимаются активные меры уже на этапе планирования.
• В достаточной мере обеспечено инструментами и системой управления.
• Оборудуется и оптимизируется на постоянной основе.
• Является ключевым пунктом в «Миссии направления мономеров».
• Оптимизируется по всему предприятию.»

Команда, целью которой была разработка стратегии для общезаводской системы управления энергообеспечением, выявила, что потребности завода могут быть представлены четырьмя ключевыми моментами:

1. Отслеживание стратегической информации по энергоснабжению в реальном времени, включая получение и представление данных и расчет показателей.
2. Наличие инструмента (программного обеспечения – прим. перев.) для принятия стратегических решений в области энергоснабжения, в основе которого лежит метод Монте-Карло (расчет статистической вероятности).
3. Наличие системы для непрерывной оптимизации энергопотребления всего завода.
4. Наличие системы или инструментов для локальной непрерывной оптимизации энергопотребления.

После длительного исследования команда пришла к выводу, что не существует единого продукта, который смог бы полностью удовлетворить всем 4 требованиям. Команда предложила обеспечить каждое требование следующим образом:

1.     Отслеживание стратегической информации по энергоснабжению в реальном времени, включая получение и представление данных и расчет показателей.

 Это требование включает наличие полевой измерительной аппаратуры, ИТ инфраструктуры, программного обеспечения для получения, анализа и представления данных. Представление данных (так же, как и расчет и отслеживание показателей) включает их отображение для операторов, руководителей подразделений и инженеров, руководителей завода и заводских инженеров.

Такая система уже была частично готова. Существовала теоретическая возможность полностью завершить ее подготовку, включая разработанные внутренними силами ИТ инфраструктуру и программное обеспечение в дополнение к подходящей полевой измерительной аппаратуре. Например, проект по автоматизации контроля паровых коллекторов на уровнях 150 и 75 psi и по подготовке инструмента для отвода и сброса пара был уже в работе.  Также в планах была разработка метода мониторинга и прогнозирования работы ключевого энергетического оборудования. Тем не менее, в команде существовало мнение, что выгоды от мониторинга и прогнозирования работы ключевого энергетического оборудования, а также от расчета всевозможных показателей будут получены только в рамках общезаводской системы. Возможно, такая общезаводская система могла бы быть разработана собственными силами, но команда считала, что это не будет эффективным. Также, по мнению команды, настоящие выгоды от мониторинга работы и расчета показателей могут быть получены, только если у системы будет один хозяин, рекомендации которого будут исполняться руководителями подразделений в обязательном порядке. Когда бы мониторинг работы не был реализован, он  должен был включать как отслеживание работы оборудования, так и работы аппаратуры.

2.     Наличие инструмента для принятия стратегических решений в области энергоснабжения, в основе которого лежит метод Монте-Карло (расчет статистической вероятности).

 Это решение предоставляет инструмент, который позволит принимать качественные бизнес решения, основанные на данных о текущих и планируемых объемах энергопотребления завода. Завод Deer Park состоит из частично независимых производственных подразделений, которые совместно пользуются услугами вспомогательных подразделений, но при этом объемы энергопотребления каждого из них сильно зависят от их индивидуальных бизнес условий. Энергетическая модель завода, которая точно отражает текущие условия, может использоваться для прогнозирования будущих значений минимального, среднего и максимального энергопотребления. Бизнес решения (например, выбор между паровой турбиной и электрическим мотором в качестве двигателя), принятые на основании данных о минимальном, среднем или максимальном значении, могут быть различными в каждом из этих случаев. Тем не менее, для того, чтобы принять наилучшее решение на основе анализа Монте-Карло, использующего вводные данные о будущих объемах потребления и распределении их вероятностей, необходимо предоставить статистически обоснованный прогноз наиболее вероятных объемов потребления энергоресурсов заводом.

Внутренний эксперт по вспомогательным процессам разработал отличную модель паровой системы завода в электронных таблицах, которая была почти полной. Одним из вариантов было продолжить работу над завершением этой модели и включить в нее интерфейс для реализации анализа по методу Монте-Карло (например, «@Risk» или «Crystal Ball»). Тем не менее, это потребовало бы существенных затрат времени и задержало бы реализацию других энергосберегающих проектов. Другим вариантом было попросить поставщика общезаводской системы управления энергообеспечением (например, «Visual Mesa») интегрировать в нее инструмент на базе Excel, который бы мог использовать «@Risk» или «Crystal Ball» для реализации анализа Монте-Карло. Поскольку в конечном счете «Visual Mesa» была выбрана главным решением для реализации других требований, был выбран второй вариант решения проблемы.

3.     Наличие системы для непрерывной оптимизации энергопотребления всего завода.

 Эта система должна брать данные из ПО, отвечающего за реализацию первого требования (представление стратегической информации в реальном времени), и внедрять их в общезаводскую программу-оптимизатор. Конечной целью является максимально возможная оптимизация замкнутой системы, но на первоначальной стадии решение может носить рекомендательный характер. Выбор программного обеспечения для оптимизации должен был также ускорить реализацию первых двух пунктов.

После просмотра множества программных платформ и пакетов, компания выбрала ПО «Visual Mesa», предлагаемое компанией Nelson and Roseme. Общезаводская система включает пар, все виды топлива (в т.ч. отходы, используемые в качестве топлива) и конденсат. Она обеспечивает оптимизацию в реальном времени, предоставляя новые возможности энергосбережения. В настоящий момент команда занимается встраиванием в нее интерфейса анализа Монте-Карло для выполнения исследований «что-если».

4.     Наличие системы или инструментов для локальной непрерывной оптимизации энергопотребления.

 Оптимизационная программа на платформе «Visual Mesa» позволяет в некоторых случаях выполнять непрерывную локальную оптимизацию. Также была заявлена возможность ее совместного использования с инструментами оптимизации процессов из пакета «AspenTech». Команда решила управлять локальной оптимизацией отдельно в каждом конкретном случае. Команда по-прежнему твердо уверена в больших преимуществах, которые может дать непрерывная локальная оптимизация процессов, особенно если речь идет о замкнутом контуре.

Критические факторы успеха

Далее команда выявила 9 критических факторов, которые, по ее твердому убеждению, в обязательном порядке необходимо реализовать для достижения успеха в построении общезаводской стратегической системы управления энергообеспечением.

1. Чемпион/руководитель проекта должен быть назначен незамедлительно. Это человек должен нести ответственность за то, чтобы гарантировать своевременное наполнение данными ИТ инфраструктуры и модели и содержание в исправном состоянии и надежность аппаратуры. Также этот человек должен нести ответственность (и иметь соответствующие полномочия) за отчетность подразделений об уровне их энергопотребления.
2. Подразделения должны отчитываться за потребленные на 1 фунт продукции энергоресурсы и по другим энергетическим показателям.
3. Необходимо изменение корпоративной культуры, чтобы внедрить оптимизацию энергопотребления. Например, настоящий сдвиг парадигмы в существующей философии контроля отвода и сброса пара на уровнях 150 и 75 psi.
4. Система управления энергообеспечением должна использоваться с целью получения прибыли.
5. Аппаратура должна содержаться в надежном исправном состоянии. Полученные данные должны быть достоверными.
6. Сотрудники должны быть готовы внедрять утвержденные операционные усовершенствования.
7. Необходимо отслеживать исполнение и выявлять отклонения от цели, своевременно предпринимая необходимые действия.
8. Необходимо обеспечить соответствующее обучение.
9. Система управления энергообеспечением должна показывать, где можно относительно быстро провести мероприятия по усовершенствованию.

Результаты

Вот основные достижения в области энергетической эффективности в компании Rohm and Haas на заводе Deer Park, штат Техас, начиная с 1996 г.

• Сокращение потребления энергоресурсов на 1 фунт базовой химической продукции на 17% (см. раздел выше). Начиная с 1997 г. энергопотребление в абсолютном выражении сократилось на 10 %, даже не смотря на рост производства на 7,7 %.
• Достижения завода Deer Park в сфере энергосбережения уже в 2005 г. превысили корпоративную цель компании Rohm and Haas – сократить энергопотребление на 15% (на 1 фунт базовой продукции) по сравнению с уровнем 1995 года.
• Текущая ежегодная экономия энергоресурсов (за период с 1996 г. по 1999 г.) составила как минимум 3,25 млрд Btu, что по самым скромным оценкам составляет около 15 млн долларов в год (включая все накладные расходы). Эта сумма энергосбережения эквивалентна потреблению энергоресурсов 32 тысячами среднестатистических домохозяйств США (101 млн Btu на 1 домохозяйство по данным EIA).

Данные о ежегодном сокращении выбросов:

• NOx = 800 тн в год (при условии, что каждый сэкономленный млн Btu позволяет избежать выброса 0,5 фунта NOx)
• СО2 = 51,350 тн в год, что эквивалентно сокращению количества автомобилей на дорогах на 25 тыс. шт. (каждый сэкономленный млн Btu природного газа позволяет избежать выброса 31,6 фунта СО2, а среднестатистический автомобиль выбрасывает 2 тн СО2 в год)

Направление развития

Конечная цель энергетической программы завода Deer Park – минимизация общих операционных расходов за год. Есть различия между текущим моментом и долгосрочной перспективой. Возможности, которые предоставляет будущая энергетическая программа, включают следующее.

• Более широкое использование показателей энергопотребления и затрат для решения ежедневных задач.
• Более широкое ежедневное использование системы управления энергообеспечением завода в реальном времени.
• Использование партнерских связей с Сервисной энергетической компанией для новых возможностей.
• Дальнейшая работа по изменению корпоративной культуры, чтобы информированность в сфере энергопотребления была широко распространена как на уровне производственных процессов, так и на уровне инженерного планирования.
• Более широкое использование отлаженного контроля процессов.
• Повышение уровня автоматизации процесса оптимизации.
• Более широкое использование показателей и отчетности.
• Расширение использования воды и других устойчивых ресурсов.
• Распространение программы на другие заводы корпорации.

[1] BTU – Британская термическая единица, единица измерения энергии. BTU определяется как количество тепла, необходимое для того, чтобы поднять температуру 1 фунта воды на 1 градус Фаренгейта. Для сравнения: 1 кВт*ч приблизительно равен 3412 BTU/h .

[2] Psi – фунты на квадратный дюйм, единица измерения давления в США и Великобритании. 1 psi = 6894,757 паскалей.

[3] DOE – планирование эксперимента; OIT – комплексные испытания основных средств