Strategie di regolazione delle macchine rotative per l`ottimizzazione

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Case History
guida 2014
di M. Borghesi e S. Guardiano - Saipem SPA
PETROLCHIMICO
Strategie di regolazione delle macchine rotative
per l’ottimizzazione energetica nell’industria petrolchimica
INTRODUZIONE
è stata utilizzata una strategia di controllo della velo-
Saipem ha realizzato l’ingegneria, l’approvvigiona-
cità di rotazione (“variable speed control”) congiunta-
mento, la costruzione e l’avviamento per un impianto
mente alla regolazione della valvola di mandata alle
che ha come scopo la conversione di 24.400 TPD di
utenze (“discharge throttle valve control”).
NGL in propano, butano e pentano (oltre a sottopro-
Il segnale di controllo che arriva dal DCS è suddiviso
dotti) in un singolo treno. L’impianto, come tale, con-
(“split range”), nel pannello di controllo del com-
tiene un treno di refrigerazione dal rating di 45 MW
pressore, tra la valvola di mandata e il regolatore di
ad assistere le colonne di distillazione, e un’area di
velocità del motore elettrico. Il segnale di controllo
stoccaggio con due serbatoi di propano da 40.000
è generato dal DCS automaticamente per un solo
m3 l’uno, due serbatoi di butano da 40.000 m3 l’uno e
compressore. Il segnale per il secondo compressore
un serbatoio di pentano da 30.000 m3.
(nel caso di marcia di due compressori in parallelo),
L’obiettivo del lavoro è di illustrare come realizzare
è definito manualmente attraverso la tastiera del DCS
una gestione ottimizzata, dal punto di vista energetico,
dall’operatore. Il segnale di controllo che arriva dal
attraverso una scelta accurata delle strategie di rego-
DCS è suddiviso nel pannello di controllo del com-
lazione di macchine rotanti. In particolare, discutere-
pressore nel seguente modo:
mo due casi che hanno avuto, o che potrebbero avere
- - i valori da 0% a 70% del segnale del DCS sono
avuto, miglioramenti da un punto di vista energetico.
convertiti in un segnale da 0 a 100% per la valvola
La prima applicazione si riferisce al compressore di
di controllo (l’uscita 100% dal pannello di controllo
boil off gas che è asservito al serbatoio di propano
corrisponde all’apertura 100% della valvola di man-
allo scopo di mantenere la temperatura del prodotto
data);
a livelli di sicurezza. Per questo compressore è stata
- - i valori da 70% a 100% del segnale del DCS sono
scelta una strategia di regolazione che permette un
convertiti in un segnale da 70 a 100% per il control-
consumo legato al carico di refrigerazione richiesto
lore di velocità.
dal serbatoio e quindi alla domanda di freddo deri-
Il compressore è stato disegnato per 4 casi di marcia,
vante dalla quantità di propano attualmente accumu-
qui riassunti e discussi (Tabella 1).
lata nel serbatoio.
Per ogni caso di marcia, paragoniamo la differenza
La seconda applicazione illustra come l’ottimizza-
che esiste tra utilizzare e non utilizzare il controllore
zione delle strategie di controllo dei compressori di
di velocità.
un ciclo frigorifero (refrigerant compressor) abbia
La realizzazione dello split range al 70% tra variato-
portato a una marcata riduzione dei carichi di picco,
re di velocità e regolazione della valvola di mandata
con una conseguente riduzione del dimensionamento
ha reso possibile un campo di lavoro della macchina
della rete elettrica.
a condizioni non possibili altrimenti.
Ulteriori sforzi possono portare, di caso in caso, alla
CASE STUDY NR. 1: COMPRESSORI BOG
decisione di abbassare lo split range per realizzare
Il DCS controlla la pressione dei serbatoi propano
un campo di velocità ancora maggiore.
6D-231A/B e invia il livello di carico richiesto ai com-
Bisogna però notare che, pure nel caso estremo di
pressori 6K-231A/B (Master Pressure Control).
una variazione di velocità dallo 0 al 100%, non sa-
Al fine di cambiare la performance dei compressori,
rebbe possibile eliminare il controllo del compressore
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PETROLCHIMICO
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TABELLA 1
in ricircolo e in mandata. Infatti:
livello di freddo desiderato a ciascun piatto delle co-
- - il controllo del ricircolo è strettamente necessario
lonne deetanatrice, depropanatrice e debutanatrice,
per la salvaguardia della macchina dal pompaggio;
permettendo la separazione dei componenti.
- - il controllo della pressione di mandata è sempre ne-
Il ciclo frigorifero è alimentato da una coppia di com-
cessario, poiché le utenze sono tarate su una certa
pressori centrifughi a tre stadi (LL Header Pressure, IL
pressione e la rete non può essere oscillante.
Header Pressure, HL Header Pressure), alimentati da
D’altro canto, incrementare il campo di velocità del
motore elettrico.
motore e relativo controllore richiede maggiori sforzi
Ciascun motore elettrico ha una potenza di targa di
nel realizzare un raffreddamento efficiente, fino al
22.750 kW.
punto (in certi casi) di dover installare centraline di
I compressori funzionano in parallelo, ossia sono en-
raffreddamento con acqua demineralizzata.
trambi in servizio e hanno un sistema di controllo che
Quando si approfondisce quest’argomento da un
ne permette l’utilizzo ottimale alle diverse condizioni
punto di vista globale delle emissioni di CO2, è evi-
di carico.
dente che il punto ottimale dove collocare lo split
Il controllo avviene misurando la pressione nei ser-
range va deciso di caso in caso come compromesso
batoi di aspirazione dei tre stadi di compressione e
tra le condizioni sopra descritte.
cercando di mantenerla uguale ai valori desiderati
(impostati dall’operatore).
CASE STUDY NR. 2: COMPRESSORI DI REFRIGERAZIONE
Poiché non è consentito controllare in contemporanea
Il cuore dell’impianto è costituito da un ciclo frigorife-
anche le pressioni ai collettori IL e HL, le valvole di
ro, il cui refrigerante è uno dei prodotti stessi dell’im-
controllo saranno portate in generale alla loro mas-
pianto, e il propano. Il ciclo frigorifero mantiene il
sima apertura.
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PETROLCHIMICO
Questo minimizza le perdite per dissipazione alle
all’avviamento passa da circa 27 MW a 19 MW.
valvole di aspirazione, e permette al sistema di ope-
Purtroppo, altre condizioni di design, non hanno per-
rare alla pressione più bassa possibile ai collettori IL
messo l’inserimento di queste valvole.
e HL, così da ottenere il miglior risultato in termini di
È stato quindi eseguito uno studio approfondito, im-
efficienza di refrigerazione.
plementando una logica completamente dedicata a
L’unico limite imposto, per motivi di sicurezza, è la
questo compressore, al fine di permettere un avvia-
minima pressione sotto la quale non è consentito ope-
mento dolce mediante la regolazione continua delle
rare ciascun collettore, al fine di evitare un collasso
valvole di antipompaggio durante tutto l’avviamento.
meccanico della linea.
Nel caso specifico, sono stati individuati i seguenti
La portata totale richiesta dall’impianto può essere
parametri (che ovviamente sono da calcolare caso
divisa in un’infinita varietà di combinazioni. In certe
per caso, poiché dipendono dalla macchina e dalle
condizioni, una macchina potrebbe trovarsi a opera-
condizioni di pressione presenti alla partenza del
re alla sua minima potenza, mentre l’altra potrebbe
compressore):
trovarsi a operare al massimo carico.
Una situazione di questo tipo deve essere evitata,
poiché porta a una notevole dissipazione di potenza.
Il modo ideale è quello di distribuire i carichi in modo
uguale tra le due macchine, fintantoché la portata
Conclusione: il dimensionamento delle reti elettriche
non si abbassa sotto un limite ben definito.
è fondamentale, soprattutto quando sono in gioco
Il controllore LSIC, oltre ad effettuare i controlli de-
potenze elevate. Infatti, la centrale a monte deve poi
scritti nel paragrafo precedente, si occupa anche di
essere dimensionata per sopportare anche i carichi di
bilanciare i carichi tra le due macchine attraverso
picco, per lavorare successivamente in condizioni che
il controllo sulle valvole di aspirazione, e inviando
non sono vicine al punto di progettazione.
di conseguenza il segnale di controllo necessario al
L’esperienza ci ha insegnato che l’automazione e
controllore dell’Antisurge Controller per effettuare il
la simulazione dinamica possono essere strumenti
ricircolo conseguente alla regolazione suddetta.
molto potenti per traguardare risultati altrimenti non
Durante la progettazione di base è stata effettuata
pensabili.
una simulazione dinamica preliminare alla progetta-
In particolare, nel caso in esame, sono state messe in
zione di dettaglio per assicurarsi di avere sotto con-
evidenza le seguenti potenzialità:
trollo le figure chiave del progetto:
- - la possibilità di integrare controllori reali, ossia
- - potenze in gioco;
equivalenti a quelli disponibili in commercio, con i
- - dimensionamento delle valvole di controllo;
simulatori dinamici, permette di effettuare studi e
- - selezione appropriata delle macchine.
ottimizzazioni preventive mirati a obbiettivi presta-
Dallo studio è emerso che, nonostante la presenza di
biliti, per esempio l’ottimizzazione dei consumi di
un soft start system, la potenza richiesta durante l’avviamento superava i 27 MW.
potenza;
- - a fronte dell’utilizzo di un investimento in hardware
Le simulazioni hanno portato alla necessità di ridurre
aggiuntivi (in questo caso valvole di aspirazione e
i consumi per rientrare entro i parametri permessi dal
relativi sistemi di controllo), è possibile ottimizzare
motore e dall’avviatore.
il funzionamento di un sistema e migliorarne le
La soluzione più immediata, che è raccomandata là
prestazioni;
dove sia possibile, è quella di installare valvole di la-
- - anche nell’impossibilità di aggiungere tali hardwa-
minazione immediatamente all’aspirazione del com-
re, il livello di precisione raggiungibile dall’ingegne-
pressore. Le possibilità di ridurre il dimensionamento
ria permette di studiare, caso per caso, soluzioni
della rete elettrica sono immediate. Infatti, la potenza
che permettono il risparmio energetico.