Впервые опубликовано в Pulp, Paper and Logistics
Введение
Цифровизация должна стать частью стратегии каждой компании, стремящейся перевести целлюлозно-бумажную промышленность на автономное управление, что способствует повышению производительности и прибыльности. Передовое управление технологическими процессами (Advanced Process Control, APC) все чаще используется предприятиями в качестве инструмента цифровой трансформации. Оно служит связующим звеном между низкоуровневыми системами автоматизации и управлением более высокого уровня, такими как системы производственного планирования.
Сегодня APC стало незаменимым для многих операторов. Внедрение гибких решений APC позволяет интегрировать стратегии экономической оптимизации, помогая снизить производственные затраты и лучше адаптироваться к изменениям целевых показателей или сезонным условиям. Вероятно, в ближайшие несколько лет появится еще больше разработок, которые помогут предприятиям оставаться конкурентоспособными.
Современные решения APC уже доказывают свою универсальность благодаря расширенной функциональности, которая позволяет адаптироваться не только к конкретному целевому значению, но и к диапазону, что дает возможность найти оптимальный режим работы. В конечном итоге это приводит к значительной экономии без ущерба для качества.
Адаптация APC к сложности целлюлозно-бумажных процессов
Одним из фундаментальных инструментов в любом APC является прогнозное управление на основе моделей (Model Predictive Control, MPC) — набор алгоритмов для обратной и прямой связи, основанный на модели процесса. Хотя MPC существует с 1980-х годов, для целлюлозно-бумажной промышленности это относительно новая технология, во многом из-за сложности самих процессов. Например, сульфатная варка целлюлозы включает множество взаимодействующих процессов, меняющуюся динамику и противоречивые цели, что крайне затрудняет моделирование и управление. Кроме того, на процесс легко влияют такие факторы, как качество сырья, износ оборудования и погодные условия.
За прошедшие годы компания ABB разработала дополнительные инструменты для дальнейшей оптимизации автоматизации процессов и превращения APC в более надежную и адаптируемую форму, что упростило и сделало более успешным его внедрение в целлюлозно-бумажной отрасли. Области, где решения ABB APC были успешно реализованы, включают варочные установки, промывочные установки для небеленой целлюлозы, отбельные цеха, известерегенерационные печи, каустизаторы, многокорпусные выпарные установки, а также бумагоделательные машины.
Вариативность процессов может быть значительно снижена, что создает экономию энергии и химикатов, а также зачастую сокращает время простоя и затраты на техническое обслуживание. На интегрированных целлюлозно-бумажных комбинатах наличие модулей APC на целлюлозном заводе обеспечивает непрерывный поток высококачественной целлюлозы на бумагоделательную машину. Это облегчает работу систем управления бумагоделательной машиной и позволяет предприятию сосредоточиться на снижении затрат и повышении эффективности, не беспокоясь о сбоях из-за изменений качества целлюлозы.
Одним из важнейших достижений стало включение виртуальных измерений в тех случаях, когда физические измерения проводятся редко или недоступны. Эти расчетные измерения, также известные как «мягкие датчики» (soft sensors), особенно ценны в целлюлозно-бумажной промышленности, где многие процессы, как известно, трудно поддаются измерению. Возьмем, к примеру, наше решение Kappa Virtual Measurement, которое оценивает число Каппа в варочной зоне котла, где физически измерить его невозможно, что обеспечивает лучшую видимость качества целлюлозы по всему варочному цеху. Благодаря более частым измерениям числа Каппа, APC может вносить немедленные корректировки для обеспечения более равномерной варки. Результаты этих изменений также сразу видны в расчетах.
ABB предлагает дополнительные инструменты для дальнейшей оптимизации автоматизации процессов, такие как Pulp Tracking (отслеживание целлюлозы) и Constraint Management (управление ограничениями). Pulp Tracking — это способ отслеживания перемещения ключевых свойств целлюлозы на протяжении всего процесса, таких как влажность щепы, проводимость целлюлозы в промывочных установках или белизна целлюлозы при отбелке. Эти переменные отслеживаются в пространстве и времени до нужной точки, а полученные данные используются для построения моделей для различных модулей APC по всему комбинату. Если, например, на варочном котле в течение короткого времени производится целлюлоза, не соответствующая спецификациям, система может предсказать, когда этот объем целлюлозы достигнет различных стадий отбелки, и соответствующим образом скорректировать параметры отбелки.
Constraint Management — это запатентованная ABB концепция, которая динамически рассчитывает верхние и нижние пределы для переменных APC. Она использует отслеживание в координации с прогнозным управлением, чтобы помочь процессам, которые обычно характеризуются нелинейностью, медленной динамикой и сильным взаимодействием между ключевыми переменными процесса. Такой подход гарантирует, что APC может адаптироваться к меняющимся условиям процесса и поддерживать жесткий контроль, что в противном случае было бы невозможно.
Применение APC в целлюлозно-бумажной промышленности
Компания ABB определила три критических фактора успеха при внедрении APC в любой процесс:
- Наличие точных датчиков, надежных исполнительных механизмов и надежной распределенной системы управления (РСУ) имеет решающее значение. Это фундамент, на котором строится APC, и если измерительная система или РСУ не соответствуют требованиям, APC не сможет обеспечить ожидаемые преимущества.
- Способность объединять эксплуатационные данные со знаниями о процессе имеет первостепенное значение. Гарантия того, что APC не является «черным ящиком», а может включать опыт операторов в свои модели наряду с моделями, основанными на данных, является ключом к достижению целей с минимальными усилиями.
- Прозрачность и простота использования критически важны для того, чтобы операторы приняли систему. Очень важно, чтобы операторы могли соотносить решения, принимаемые APC, визуализировать прогнозы и интуитивно использовать систему для быстрого и эффективного запуска.
После внедрения APC не менее важно постоянно контролировать производительность и делиться ключевыми показателями эффективности, чтобы поддерживать результат. ABB считает, что производительность можно поддерживать и даже улучшать в течение многих лет благодаря тесному сотрудничеству в рамках сервисной модели для достижения долгосрочного успеха.
Эволюция этих критических факторов привела к тому, что APC применяется во многих различных процессах. Возьмем, к примеру, работу известерегенерационной печи, которая является одним из основных потребителей энергии в сульфатном процессе и демонстрирует большую вариативность в использовании энергии, качестве и производительности. Хотя процесс в известерегенерационной печи в принципе прост, операторы печей все еще сталкиваются с трудными проблемами, такими как низкий тепловой КПД, высокий расход топлива, задержки процесса, образование колец и пыли, перегрев футеровки, низкое качество извести и повышенные выбросы. OPT800 Lime управляет этими проблемами для достижения оптимального контроля и эффективного производства извести.
Решение работает над оптимизацией темпов производства извести, снижением энергопотребления и выбросов, увеличением доступности регенерированной извести, уменьшением колебаний остаточного карбоната и улучшением общей работы за счет повышения наглядности процесса. Оно сочетает лабораторные результаты операторов с MPC, получая лучшее из обоих подходов в полностью специализированном решении с минимальной потребностью в доработке на месте. Это обеспечивает более жесткий контроль процесса производства извести, что ведет к более стабильной работе целлюлозного завода.
Если рассматривать сторону производства целлюлозы, то предприятия могут достичь оптимального качества продукции, используя APC в процессе варки. Когда модуль ABB OPT800 Cook/C APC применяется в непрерывном варочном котле, он контролирует расчетное число Каппа в зоне варки, остаточную щелочь на стадии экстракции, уровень щепы в котле и консистенцию массы на выходе. Типичные результаты включают снижение вариативности конечного числа Каппа, а также уменьшение расхода пара и щелочи, что приводит к снижению затрат на энергию и отбелку.
Другим примером внедрения APC является мокрая часть бумагоделательной машины. Производство бумаги на бумагоделательной машине включает в себя ряд крайне сложных процессов, и отклонения в любом из них могут привести к образованию дефекта в полотне или ослаблению бумажного полотна, что в конечном итоге приведет к обрыву полотна или браку из-за низкого качества. Система Wet End Control помогает отслеживать и анализировать процессы в мокрой части и может значительно сократить время простоя, использование химических добавок и производственные затраты, одновременно максимизируя объем производства.
Достижение ощутимых результатов для клиентов
Многие предприятия признают, что внедрение более чем одного модуля APC на целлюлозном заводе может привести к синергии и более плавной работе, и поэтому используют несколько модулей для получения максимальной отдачи от своих процессов. Один целлюлозный завод в Азии установил модули APC как в известерегенерационной печи, так и в каустизационной установке, которые тесно связаны в сульфатном процессе, поскольку известь из печи добавляется в каустизатор для приготовления белого щелока. В известерегенерационной печи вариативность температуры и избыточного кислорода была снижена на 40%, наряду с 8%-ным сокращением энергопотребления. В каустизационном процессе вариативность эффективности каустизации была снижена на 31%, при экономии расхода извести на 11%.
В одном европейском проекте по расширению целлюлозного завода, который удвоил производственную мощность предприятия, владельцы решили внедрить систему отслеживания целлюлозы (Pulp Tracking), а также пять модулей APC в процессах кислородной делигнификации, отбелки, промывки коричневой массы, каустизации и выпаривания.
Другой европейский клиент впервые установил модуль ABB APC для варки целлюлозы в своем непрерывном варочном котле 10 лет назад и с тех пор достигает новых производственных и качественных показателей при каждом обновлении и настройке. Совсем недавно завод достиг лучших показателей работы непрерывного варочного котла во всей организации — это доказательство того, что долгосрочная приверженность адаптации к изменениям на заводе продолжает приносить плоды. Однако на этом все не заканчивается, и завод собирается приступить к своему следующему проекту по автоматизации пусков и остановов, избегая выпуска некондиционной продукции, которая часто может возникнуть при выполнении этих задач вручную. Это показывает, что оптимизация процессов — это бесконечный путь.
Заключение
Фокус на цифровизации и внедрение APC как ключевой ее части — это огромная возможность для целлюлозно-бумажных комбинатов, стремящихся оставаться конкурентоспособными и эффективными. APC не только помогает предприятиям сделать процессы более плавными, но и позволяет вносить динамические корректировки в изменяющиеся переменные для поддержания неизменно высокого качества. Это может помочь по-настоящему перевести целлюлозно-бумажное производство на автономные операции, стимулируя повышение как производительности, так и прибыльности в отрасли.
