Reducción de costes energéticos usando una herramienta de optimización en línea

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1 Ahorro y Eficiencia Energética Reducción de costes energéticos usando una herramienta de optimización en línea D. Ruiz Massa, C. Ruiz García Soteica Europe, S.L. David Nelson, Gary Roseme Nelson & Roseme, Inc. (EE.UU.) M. Lázaro Meléndez, M. Sartaguda Pardos Repsol-YPF, S.A., Refinería de Tarragona La refinería de Repsol-YPF en Tarragona opera un sistema de energías extenso y complejo. La optimización de este sistema se realiza con un programa de ordenador en línea para lograr que la refinería sea más eficiente energéticamente, reduciendo los costes operativos. La aplicación permite a los operadores e ingenieros monitorizar el uso y producción de vapor; optimizar la producción y uso de vapor, los combustibles y la energía eléctrica con el objeto de reducir costes, así como realizar estudios qué pasa si y auditar el sistema con datos validados continuamente. Se ha considerado la optimización del sistema completo, incluyendo los impulsores de las bombas y compresores, la producción de vapor en las calderas y recuperadores de calor, y la producción de energía eléctrica de las turbinas de gas y turbogeneradores. 1. Introducción La refinería de Repsol-YPF en Tarragona, con una capacidad de refino de 9 millones de toneladas de crudo por año, opera un sistema de energías extenso y complejo. Las refinerías y grandes plantas químicas son típicamente grandes consumidores de energía que tienen algunos grados de libertad. El aprovechamiento de esos grados de libertad con un programa de optimización basado en los costes usualmente resulta en ahorros significativos en los costes operativos, requiriendo sólo una pequeña inversión. Esto es particularmente importante en los mercados eléctricos desregulados. Dado que la gestión del sistema eléctrico impone una de las principales soluciones de compromiso económicas con respecto a la gestión del sistema de vapor, la desregulación proporciona muchos nuevos desafíos para operar los sistemas completos combinados al mínimo coste. Con el objeto de implementar con éxito las recomendaciones de la optimización, es necesaria una herramienta orientada a los operadores bien entendida e implementada. Entre los aspectos usualmente encontrados en los grandes complejos, se debe resaltar que los operadores no suelen estar preocupados por las reducciones en el coste, sino solamente en lo que respecta a las unidades bajo su responsabilidad directa. Muchas veces, hay más de un responsable en el com- plejo (atendiendo áreas diferentes), lo que genera dificultades en la aplicación de estrategias coordinadas para reducir los costes globales. Otro aspecto importante es que los sistemas de energías están continuamente evolucionando y a veces hay falta de sensores, lo que necesita ser resuelto apropiadamente, ya sea estimando o calculando los consumos no medidos con la ayuda de un modelo. Además, los sistemas de energías tienen diversas restricciones, que provienen usualmente del lado de operaciones. Finalmente, es necesario remarcar que la convergencia del optimizador de un sistema global de energías, esto es, considerando costes energéticos globales del sitio completo sobre una base horaria o diaria, no es un detalle menor debido a su complejidad. Todos los aspectos mencionados anteriormente han sido resueltos con éxito en la refinería de Tarragona mediante un programa de ordenador en línea para la gestión del sistema de energías. Su implantación exitosa permitió a la refinería ser más eficiente energéticamente y reducir los costes operativos globales del sistema de energías. La aplicación ayuda a mejorar la eficiencia del sistema de energías de la refinería de cuatro maneras principales, que resultan en millones de euros por año de ahorros: Monitorización: la aplicación monitoriza el sistema completo de vapor, agua de calderas y condensa- 108 Ingeniería Química

2 Ahorro y Eficiencia Energética dos, resaltando problemas. Como ejemplo, los cambios grandes en los caudales de vapor son indicados de manera que los operadores pueden rápidamente identificar lo que ha cambiado y hablar con la persona responsable de ese cambio. Mediante esta funcionalidad para encontrar y corregir problemas en el sistema de vapor, se pueden reducir las posibilidades de que una refinería o plantas de proceso individuales se paren debido a fallos en el sistema de vapor. La aplicación además monitoriza el rendimiento de los equipos. Por ejemplo, la turbina de gas (eficiencia) puede seguirse y planificar su mantenimiento cuando esté justificado económicamente. Optimización: la aplicación optimiza el sistema completo de vapor, incluyendo la elección de los cambios de impulsores en bombas y compresores (por ejemplo, turbina o motor eléctrico cuando esta impulsión dual está disponible), la producción de vapor en las calderas y recuperadores de calor, y la producción eléctrica de las turbinas de gas y turbogeneradores. Estudios de ingeniería qué pasa si : La aplicación se usa en forma rutinaria para estudiar los beneficios de cambios, tanto pequeños como complejos, en las operaciones o equipos del sistema de energías. Ahorros de euros se encuentran mediante la comparación de un caso base dado y un caso optimizado que incluye el cambio propuesto. Los ejemplos de estudios qué pasa si incluyen la evaluación de cambios turbinamotor, la construcción de plantas nuevas y la planificación del sistema de energías para una parada. En los arranques, la planificación exacta usando la herramienta puede ahorrar tiempo y dar como resultado la construcción del proyecto más económico y además cumpliendo los ahorros proyectados en los costes operativos. Auditoría y contabilidad: Usando técnicas de validación de los datos que dispone la aplicación, se puede contabilizar el uso del vapor e identificar y hacer el seguimiento de los desperdicios e ineficiencias donde sea que estén. Además, la herramienta permite hacer el seguimiento del rendimiento en línea, de manera que estos ahorros se mantienen año tras año y puede hacerse su historial apropiadamente. En este trabajo se resumen la implantación de una herramienta para reducir los costes energéticos y los principales beneficios ya obtenidos. Después de comentar los principales pasos de la implantación, se discuten los aspectos prácticos para el uso con éxito de este tipo de aplicaciones, añadiéndose explicaciones sobre la visualización de información, la monitorización, la realización de estudios de ingeniería y la auditoría del sistema de energías. Finalmente, se presentan los beneficios y las conclusiones. 2. Descripción de la implantación La implantación ha incluido las siguientes actividades generales: Colección de datos. Construcción del modelo. Enlace de la herramienta con el sistema de información de plantas. Configuración de la optimización en línea. Figura 1. Sistema de energías del complejo de Repsol-YPF en Tarragona: vista general Revisión del modelo y la optimización con los usuarios. Entrenamiento para los usuarios de la herramienta. En los siguientes párrafos, se describen brevemente los pasos de la construcción del modelo y la implantación de la optimización Construcción del modelo El complejo de la refinería de Repsol YPF en Tarragona comparte el sistema de energías con su vecina planta de olefinas. Se ha construido un modelo completo del sistema de energías de todo el complejo. El mismo contempla el sistema completo de vapor, agua de calderas, condensado y generación de energía eléctrica. El vapor se genera en diferentes unidades, con calderas convencionales, recuperadores de calor y dos unidades de cogeneración. Se contemplaron los cinco niveles de presión de vapor y todas las unidades en un alto nivel de detalle, incluyendo todos los consumidores y proveedores de los respectivos colectores de vapor, agua de calderas y condensados. 109

3 INGENIERÍA QUÍMICA Las curvas de eficiencia detalladas de las turbinas más grandes se incluyeron en el modelo y se ajustan continuamente con datos validados en línea. La Fig. 1 muestra una vista del modelo al nivel más alto del complejo. Navegando a través del modelo, puede monitorizarse en detalle cada unidad del sistema de energías. Nivel 1: incluye básicamente los dispositivos de control de presión: calderas, válvulas de laminación y venteos se optimizan para minimizar el coste. Nivel 2: agrega la optimización de las variables continuas, incluyendo turbogeneradores, turbinas de extracción/inducción/condensación. Coste operativo = Coste total de combustibles + Coste eléctrico total + Otros costes El trabajo del optimizador SQP es minimizar esta función objetivo respetando las restricciones operativas del sistema. El coste total de combustibles se determina a partir del uso de combustible de cada caldera y turbina de combustión multiplicado por los precios de los combustibles respectivos. El coste eléctrico total se determina a partir del uso neto de electricidad de cada motor, carga y generador multiplicado por los precios eléctricos respectivos. La generación de energía eléctrica (venta de electricidad) se considera como coste negativo. El modelo tiene en cuenta el precio de la electricidad de la hora y día actuales. El término de la función otros costes es normalmente usado para cargar el agua desmineralizada que se adiciona al sistema, pero se puede usar para cualquier otro coste Optimización La herramienta tiene modelos matemáticos y rutinas de optimización que se construyen para calcular los sistemas de electricidad y vapor al mínimo coste global y cumpliendo con las demandas de vapor de la planta y otras restricciones operativas. La optimización determina dónde hacer los incrementos de vapor (qué calderas o generadores de vapor) y qué turbinas o válvulas de laminación laminarán más eficientemente el vapor entre los diferentes niveles de presión. La herramienta usa un optimizador SQP (Successive Quadratic Programming). La optimización que hace la herramienta puede separarse en cuatro niveles: Figura 2. Ejemplo de informe personalizado en Excel. Nivel 3: agrega la optimización de los cambios turbina-motor (por ejemplo, variables discretas). Nivel 4: agrega los equipos que generarían ardor de estómago si el cambio en el equipo se realizara, tales como impulsar la bomba de alimentación del coquizador con una turbina, con el motor en reserva. Ejecutando a nivel 4, se estaría informando del coste de esa póliza de seguro por no hacer determinados cambios o inversiones. Un modelo bien ejecutado generalmente se ejecutaría a nivel 3, con una ejecución a nivel 4 cada tanto para evaluar cambios operativos potenciales. La función objetivo de la herramienta optimiza el coste operativo total del sistema, el cual es: 3. Aspectos prácticos Dado que la aplicación es una herramienta orientada a operaciones, el entrenamiento apropiado del personal operativo es un paso muy importante. Los diferentes turnos han sido entrenados usando el modelo de Repsol Tarragona. Las aportaciones de los operadores durante y después del entrenamiento han sido muy útiles para facilitar el uso día a día, mejorándose las vistas y la información mostrada. En consecuencia, cuando se analizan las recomendaciones de optimización, el jefe de turno con cobertura sobre toda la refinería, energías y olefinas, fue la persona indicada para coordinar la implantación sobre una base diaria. Con respecto a la falta de sensores, la herramienta usa datos estimados o calculados en el caso de que un sensor no exista o tenga un fallo. Usualmente los principales 110

4 Ahorro y Eficiencia Energética chamiento de la información que provee. La figura 2 muestra un ejemplo de informe generado por la herramienta. En la hoja de cálculo mostrada, la generación de vapor y el consumo de combustibles se informan para los valores actuales y los optimizados. Los datos van a Excel directamente del modelo. Dado que la herramienta se ha construido sobre la tecnología.net, es posible comunicar coherentemente la hoja Excel con los datos actuales y la operación óptima calculada por el modelo. medidores que se necesitan para la optimización son: el caudal de vapor en la cogeneración, el caudal de vapor en las calderas y los caudales laminados en las válvulas, los caudales de venteos, los caudales en las turbinas de extracción /inducción/ condensación y los estados de los pares turbina-motor. Algunos estados marcha-parada son actualizados manualmente por los operadores de planta. Actualmente, se está realizando una mejora para automatizar la captura de estos estados, que estarán disponibles en el sistema de información de plantas. 4. Informes El informe personalizado en Excel proporciona un ambiente familiar para los usuarios al visualizar la información sobre la simulación y la optimización del sistema. Además, facilita a los usuarios del sistema que no están familiarizados con la herramienta el aprove- Figura 3. Ejemplos del informe de grandes cambios y vista de tendencias. Figura 4. Ejemplo de uso de plantillas durante un estudio qué pasa si. 5. Monitorización del sistema de energías Los grandes cambios en los caudales de vapor (adicionalmente los grandes cambios en los caudales de agua, las temperaturas y las presiones) pueden informarse de manera que los operadores pueden rápidamente determinar qué ha cambiado y hablar con la gente responsable de tales cambios. Mediante esta herramienta para encontrar y corregir problemas que causan grandes cambios en el sistema de Energías se pueden reducir las posibilidades de que una refinería o una planta individual de procesos se pare por culpa de un problema en el sistema de energías. Las tendencias de los diferentes sensores pueden verse con el modelo. La figura 3 muestra un ejemplo de un informe de grandes cambios y una de las tendencias correspondientes. 6. Estudios de ingeniería qué pasa si Los estudios de ingeniería qué pasa si se realizan con el objeto de evaluar cambios (por ejemplo, una 111

5 INGENIERÍA QUÍMICA co. La figura 5 muestra un ejemplo. parada de un equipo) en el sistema de energías y su impacto económico y técnico. La figura 4 muestra un ejemplo con la vista de un área de planta del modelo y la posibilidad de usar diferentes plantillas para los correspondientes estudios de ingeniería. 7. Auditoría y contabilidad de los costes energéticos Los desequilibrios de las redes de vapor se pueden identificar y reducir mediante la auditoría del sistema de energías. En consecuencia, los datos pueden ser fiables para evaluar la producción y uso de la energía, y los desperdicios se pueden eliminar. La herramienta ayuda a encontrar dónde hay malgasto de vapor en el sistema. Se utiliza un globo, que es un componente de la herra- Figura 5. Ejemplo de ubicación de los globos. Figura 6. Resultados de la reducción de costes energéticos usando una herramienta en línea. mienta, para medir el cierre de un balance de vapor. Un globo hace la suma algebraica de todos los flujos para las corrientes que entran y salen del balance. Dado que se tiene un valor para el caudal de cada corriente, el total debería ser 0.0 (todas las corrientes que entran deben salir). Si el balance neto no es 0.0, o bien hay medidores o caudales estimados en los equipos erróneos, o hay vapor saliendo o entrando en el balance que no está siendo contabilizado. Los globos muestran dinámicamente el error cambiando de tamaño y color, dependiendo del monto del desequilibrio en el balance. Un globo se conecta a cada porción del colector de vapor donde existe la posibilidad de cerrar un balance mási- Un balance de masa cerrado está formado por: un grupo de caudalímetros, equipos con medidores asociados, o una combinación de equipos y caudalímetros. Los globos se usan para dos propósitos principales: Validar los datos de caudales de vapor - Si todos los caudales en un balance continuamente suman cerca de cero, los datos de los caudales pueden ser fiables para evaluar el valor de la producción y uso de vapor, y el desperdicio puede eliminarse. - Si el balance no suma para dar cercano a cero, entonces podría haber medidores defectuosos o los caudales de vapor de los equipos podrían ser diferentes de los estimados y habría un desperdicio significativo. Almacenar el error del modelo donde exista el error para usarlo cuando se compara un caso con otro (por ejemplo, la operación actual con la optimizada). 112

6 Ahorro y Eficiencia Energética 8. Beneficios económicos Con el objeto de evaluar los beneficios económicos con el uso de esta herramienta, se realizó la siguiente prueba en tiempo real: Primer mes, línea base : la herramienta está siendo ejecutada en línea pero no se realizan acciones de optimización. Segundo mes: las sugerencias de optimización se obedecen progresivamente. Tercer mes: las sugerencias de optimización se tienen en cuenta diariamente. Se han obtenido beneficios promedio, debidos sólo a la optimización, de más del 4% del coste energético total en relación al sistema de vapor, y aún se sigue mejorando. La figura 6 muestra los resultados durante los períodos mencionados. 9. Conclusiones Se ha instalado una herramienta en línea para la reducción de costes energéticos que optimiza el sistema de energías de la refinería de Repsol-YPF del complejo industrial de Tarragona, que comprende una refinería y una planta de olefinas. Se han obtenido reducciones en los costes energéticos aprovechando las funcionalidades de la herramienta, que demostró ser un optimizador robusto y apropiado para ser usado rutinariamente por los operadores. El modelo se usa además para evaluar a priori escenarios qué pasa si, que incluyen modificaciones o alternativas de operación del sistema de energías. La auditoría y contabilidad del vapor, agua de calderas y condensados, además, permite reducir desperdicios e identificar los desequilibrios en los balances. Finalmente, la monitorización continua permite prevenir desviaciones de la planta y ayuda a identificar malos usos del vapor. Es importante enfatizar el hecho de involucrar profundamente a los operadores y la motivación que han demostrado desde el comienzo de la implantación. La coordinación entre las áreas de la planta, con el objeto de implementar las recomendaciones de la optimización, es también un aspecto crítico, por lo que la participación de la gerencia es crucial. La robustez de la herramienta ayudó a los operadores a ganar confianza en la misma. Una de las claves de la implantación exitosa ha sido la aceptación de los usuarios finales y el uso extendido, tanto de ingenieros como de operadores. Repsol-YPF está llevando a cabo actualmente implantaciones de esta herramienta en otros complejos.

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