过程工厂如何节约能源成本？
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年01/02月合刊，原标题为：无线变送器与能效提升
在工厂设施内安装无线变送器可以提供更多的过程信息，帮助企业提高能源的利用效率。
在每个过程工厂，可能都有成千上万个需要测量的点，从这个方面节省能源可能会产生意想不到的收获。在工艺装置中安装有线的压力、流量、温度或其它变送器，往往费用较高。一个有线的4~20mA、Profibus总线、或基金会现场总线变送器，需要电源、布线、线槽、接线盒、编组柜以及控制系统的输入或现场总线通信。如果测量必须布置在偏远地区、或是布置在水箱上部等难以到达的区域，有线变送器的测量成本可能更是天文数字。
根据特定应用程序的不同，无线变送器安装并连接至控制系统的成本，只有有线变送器费用的五分之一到三分之一。许多过程企业利用无线变送器，节约了大量的能源成本，投资回收期缩短到只需要两周。
蒸汽疏水阀，是用有线变送器难以对设备及进行监测的一个例子。它们往往位于难以到达区域，远离其它仪表以及支持有线的基础设施，有时甚至位于危险区域。几十年来，最常见的方法是使用声学和温度传感方法来识别故障，并进行手动蒸汽疏水阀检查。很多工厂会使用这种做法进行年度检查，但是存在的问题是在两次检查之间容易发生故障。具有预防性维护计划的过程工厂，疏水阀出现问题的概率大约为五分之一。执行类似年度检查的过程工厂，预期的故障率约为12%至25%。
集成电源模块的无线变送器（见图1），能够测量蒸汽疏水阀的超声波特性和温度，并通过无线网状网络，将这些信息发送给控制或监控系统 。
图1：Rosemount 708 无线声波变送器可检测到蒸汽疏水阀运行状况的迹象，并即时将报告和故障信息发送给控制系统。本文所有图片来源：艾默生过程管理
尽管找一个因蒸汽管道破裂造成数百万美元损失、工厂设备维修而造成非计划停机的例子很简单，但是有时很难用金钱来衡量蒸汽疏水阀故障所造成的全部影响。例如，某家大型公司，因4个蒸汽疏水阀堵塞，引起严重的水锤现象，导致现场停机6个小时，耗费维修成本25万美元。另外一个例子是，一家设备制造商由于蒸汽疏水阀故障，无法准确控制某重要制造过程的温度，这直接导致数个批次的产品需要重新处理，成本高达数百万美元。
再举个例子，德国勒沃库森的一家化工厂，为了满足欧盟委员会在2012年6月颁布的能效指令，不得不削减能源成本。经确认，由于失效的蒸汽疏水阀造成蒸汽损失和传热效率低下，从而浪费了大量能源。作为解决方案，无线变送器被安装在100个关键的蒸汽疏水阀上，并使用软件分析来自变送器的数据。
无线变送器和软件安装于2014年9月，进行为期3个月的试用。除了在试用期间检测到数个规格过小的蒸汽疏水阀，系统还很快发现了数个失效的蒸汽疏水阀。
修理或更换失效的蒸汽疏水阀后，很快见到成效，这3个区域的能源成本大幅减少。能源效率的提升，使工厂最终达到了欧盟的能效指令和ISO 500001能源管理标准要求。
该项目的工程师说：“由于能源成本的降低，我们不到两年就收回了投资。同时，我们也减少了由于蒸汽疏水阀失效导致的工艺停车次数，还消除了检修人员定期巡视的需要，从而进一步节省大量开支。”
许多炼油厂正在试图最大限度地利用劣质原油，但是，使用这种类型的原料往往给工艺过程带来巨大的挑战。对于原油装置的预热换热器，一些原油往往与不断变化的原油参数不相容，从而导致意外污染加速。污垢导致能源效率降低和生产受限。
为热交换器增加无线温度测量（见图2），从设备发送到过程分析软件的数据可以提醒操作人员污染的严重程度。这些信息可被用于确定不相容的原油混合物，也用于指示交换管束何时需要清洗。
图2：热交换器可以使用无线变送器，来提高节能水平。
纠正措施和优化的清洗时间表，可以进一步提高能源强度指数和产能利用率，对于一个中等规模的炼油厂而言，可实现每年超过300万美元的回报。热交换装置可以使用无线温度测量和分析软件来检查设备的健康状况。
冷却塔的能效（见图3），通常取决于环境温度。天气炎热时，如果冷却塔容量有限，冷却水温度可能会上升。这会导致塔冷凝器过载，需要过程处理单元降低速度。天气寒冷时，冷却塔可能会冻结和损坏设备。人工读取温度和其它变量，可以提供所需的信息来处理这些问题，但是费用较高，还给工作人员带来潜在的安全风险。
图3：炼油厂的冷却塔是无线通信节省能源的另一个例子。
通常情况下，冷却塔很少配置仪表，风机和水泵则通过人工检查仪表或者是根本就不检查。因为蒸发依赖于空气的温度、湿度、水的pH值和风扇效率，利用无线监控系统，为冷却塔提供了一个减少能源和化学消耗的理想机会。
墨西哥城附近的一个炼油厂，以前一直依靠人工巡检检查冷却塔的运行情况。尽管运营商进行每天3轮的巡检，但是因冷却塔降速运行或者停止运行，每年造成的损失仍然高达160万美元。仪表大多年久失修，无法使用，数据缺乏——使其难以计算能源效率和优化操作。
为了减少损失，运营商意识到有必要安装无线温度、压力、水平、pH值和振动变送器，以充分监测冷却塔的复杂过程。作为测试，炼油厂在4个冷却塔上安装了122个无线变送器和5个网关。
为改善冷却塔的控制，需要进一步分析从无线变送器收集的数据。有各种软件包，可以提供受限冷却的早期预警。这些软件还可以提供诊断，以帮助运营商解决冷却塔泵和风扇的轴承、润滑、或对准问题。自动警报提醒工作人员冷却水条件，以便调整排污率和减少水处理化学品的使用。分析这些数据有助于炼油厂运营人员，在故障发生前识别和预防冷却故障。
相关项目人员表示，初次安装无线变送器和分析软件后，就将能源效率提高了10%。由于效果显著，该公司正在为炼油厂内其余的冷却塔，增加无线仪表，部署实施与其它炼油厂相同的解决方案。
据悉，整个项目节约的成本包括，风扇维护减少节约480万美元、化学品成本降低180万美元、生产损失减少160万美元、人工巡检操作减少87%、烷基化装置的停机时间减少节约590万美元。该公司估计：每个冷却塔无线变送器安装投入在两周左右就能收回成本。
靠近汽轮机厂房外墙的蒸汽管线和其它设备，经受的温度可能会低于零度、冻结、并导致电源跳闸。在寒冷天气中，由于设备结冰导致美国新罕布什尔州的发电厂，每年有多达5次的电力跳闸。任何时候，电厂停机给公司造成的损失可达25万美元，而这样的停机，每年就有5次，究其原因就是因为涡轮机厂房没有监测温度的仪表。
该电厂具有60年的历史，仪表、电缆桥架和布线基础设施非常有限。该大型工厂需要人员测量数个分布在各处的涡轮厂房温度。然而，很多地方连有线仪表都没有安装，且安装有线温度变送器和支持基础设施的费用都高昂。
在最初的安装中，用于冷冻保护的连续温度测量，使用了5个无线温度变送器和1个无线网关。现在在整个工厂内，公司配置了超过60个无线设备来测量温度、压力、流量、振动和液位。目前，该厂可以连续监控远程汽机控制板和锅炉汽包液位指示区域，以实现冷冻保护。在出现问题之前，控制室就会得到通知，从而可以采取纠正措施.。自2010首次安装以来，电厂再没有发生过因冷冻而造成的停机，每年节省的费用高达125万美元。
随着电网逐步向分时定价过渡，电价的峰谷差会越来越大。安装无线电源监控变送器可以帮助工厂调整其操作，合理安排运营时间，以减少能源成本。
例如，在美国印第安纳波利斯的玉米加工厂，每月从电网收到的账单中，详细的列出用电情况，但是并没有每天、实时的测量，所以也就没有办法准确的预报每个月能源的消耗量。
将各种高耗能工艺过程调整到低价阶段运行，而在波峰段则关停设备，可以避免因非计划用电造成的额外费用，因此控制和预测费用非常重要。
当工厂部分停工维修时，发现一些大型电机和工艺设备仍在运行。检查整个工厂，并与当地的电力公司一起，确定他们是否可以将独立的无线变送器与其现有的公用事业功率仪集成，以检测这些机器是否在运行（见图4）。
图4：Rosemount 702无线变送器能提供实时电力消耗数据。
未来的工厂，将使用功率检测数据，来检测工厂何时接近触发电网需求收费的电力消耗水平。利用足够超前的预警，企业将能够充分利用低价时段，通过关停设备、将运营推迟到低费率阶段、或者重新规划工艺流程，来避免需求收费。
作者：Jesse Dodge