Možnosti IoT v petrochemickom a plynárenskom priemysle

Podnikanie v oblasti ťažby a prepravy ropy a zemného plynu je plné výziev. Na udržanie konkurencieschopnosti sa spoločnosti v tomto odvetví musia neustále usilovať o výrobu ropy a rafinovaných výrobkov pri čoraz nižších nákladoch. Trvale sa snažia o zvýšenie a rozšírenie hodnoty svojich existujúcich aktív a zároveň hľadajú nové ložiská ropy a zemného plynu. Normy v oblasti životného prostredia sú čoraz prísnejšie, vyžadujú transparentnosť v prevádzkach a prísnejšie riadenie výroby a distribúcie.
Možnosti IoT v petrochemickom a plynárenskom priemysle

Ropné a plynárenské spoločnosti z celého sveta začali hľadať kreatívne riešenia na prekonanie týchto výziev. Faktom je aj skutočnosť, že takéto výzvy nie sú pre ropný a plynárenský priemysel nejakými novinkami. Za posledných niekoľko desaťročí došlo k obrovskému stimulu na zvýšenie efektívnosti a zníženie prestojov, čo viedlo k implementácii metód prediktívnych analýz a strojového učenia. Niektorí by ich klasifikovali ako súčasť internetu vecí, ale moja definícia IoT je užšia a vzťahuje sa konkrétne na pripojené senzory a kontroléry a všetko, čo je pred nimi – zariadenia, ktoré sú zdrojom údajov alebo môžu konať na základe príkazu.

Vďaka internetu vecí možno získavať údaje o analýze čoraz ľahšie. Technológia pripojenia sa zlepšuje, snímače sú lacnejšie, dostupné sú technológie s nízkym výkonom a batérie majú väčšiu výdrž a dlhšiu životnosť. Tento vývoj znamená, že ropné a plynárenské spoločnosti môžu na viacerých miestach používať viac senzorov na monitorovanie strojných zariadení a environmentálnych podmienok, najmä na koncových úsekoch, kde cenovo dostupné pripojenie nebolo predtým dostupnou možnosťou.

V prvej časti tohto článku poukážeme na to, ako sa menia tradičné metódy monitorovania, ktoré využívajú ropné a plynárenských spoločnosti. Potom sa pozrieme na niekoľko prípadov použitia, keď rozsiahle siete s nízkou spotrebou (LPWAN) môžu ponúknuť jedinečné hybridné riešenie pre aplikácie M2M v ropnom a plynárenskom priemysle.

Metódy inteligentného monitorovania ropy a plynu

Ropné a plynárenské spoločnosti majú zvyčajne veľa technických prostriedkov rozmiestnených na vzdialených lokalitách, ktoré vyžadujú monitorovanie. Tradične využívajú tieto metódy monitorovania:

  • Programovateľné logické riadiace systémy (PLC). Tieto prvky IoT sú do celej štruktúry pripojené káblami a často sa používajú priamo v priemyselnej prevádzke. Výzvou pri zbere údajov pomocou káblových riešení je to, že niekto musí tie káble nainštalovať, pričom takéto riešenie môže byť nákladné. Okrem toho architektúra týchto káblových systémov je zložitejšia, takže keď je PLC nasadené, veľa možností zmien tam nie je. Často tieto systémy používajú komunikáciu po sériovej linke (napr. RS-232 a RS-435).
  • Satelitná komunikácia (napríklad Iridium a Inmarsat). Nevýhodou v tomto prípade je, že satelitné pripojenie môže byť drahé. Ropný a plynárenský priemysel mal tradične veľký záujem realizovať vzdialené monitorovanie, preto boli takéto vyššie náklady často odôvodnené.
  • Fyzické monitorovanie. Mnohé ropné a plynárenské spoločnosti stále zamestnávajú pracovníkov na fyzické pochôdzky na ručné monitorovanie hladiny a iných veličín. Výhodou tejto metódy je, že je pomerne jednoduchá a ľahko realizovateľná. Na druhej strane čas a náklady na prácu spojené s týmto typom monitorovania môžu byť vysoké, najmä vo vzdialených lokalitách (napr. tam, kde sa nachádzajú mnohé ropné a plynové vrty).

Každé z týchto riešení má výhody a obmedzenia, ktoré treba zohľadniť. Obmedzeniami sú hlavne:

  • Cena: Náklady na zavedenie káblového riešenia sú zvyčajne pomerne vysoké.
  • Zložitosť: Satelitné monitorovanie vyžaduje na poskytovanie informácií často množstvo komunikačných liniek.
  • Čas: Fyzické monitorovanie ropných a plynových polí vyžaduje značné úsilie a vyčlenenie pracovnej sily.

Vzhľadom na to, že trh obojsmernej komunikácie medzi zariadeniami (M2M) sa v posledných rokoch rozrástol a rozšíril, niektoré ropné a plynárenské spoločnosti sa snažia nahrádzať káblové riešenia bezdrôtovými, aby mohli ďalej konsolidovať svoje spojenia. Bezdrôtové IoT riešenia umožňujú týmto spoločnostiam robiť veci viac ad hoc. Napríklad im to umožňuje pridať 100 senzorov do jedného vrtu a ak to považujú za potrebné, neskôr pridať ďalších 1 000 senzorov. S bezdrôtovými technológiami je to oveľa jednoduchšie ako v prípade PLC a iných káblových systémov.

Poznámka: Pretože proces monitorovania vrtov je veľmi zložitý s mnohými pohyblivými časťami (a veľkou hodnotou), nemusí mať vždy zmysel používať bezdrôtovú technológiu, aj keď je k dispozícii. Výber tej-ktorej technológie možno posudzovať od prípadu k prípadu.

Ako IoT technológie pretvárajú ropný a plynárenský priemysel

Ropný a plynárenský priemysel sa pri využití celého potenciálu internetu vecí stále vyvíja; IoT zatiaľ v ropnom a plynárenskom priemysle ešte nespustil revolúciu, ako sa to deje v iných priemyselných odvetviach. Uľahčuje však spoločnostiam zhromažďovanie dôležitých informácií, ktoré vedú k informovanejším obchodným rozhodnutiam. Bezdrôtová technológia pomáha ropnému a plynárenskému priemyslu:

  • optimalizovať efektívne čerpania,
  • udržiavať potrubia a vrty,
  • monitorovať poruchy zariadení a únik plynu,
  • monitorovať hrúbku potrubí, teplotu a eróziu potrubí v rafinérii.

Bezdrôtové riešenia IoT umožňujú spoločnostiam sledovať viac vecí pomocou technológie na úrovni senzorov, robiť menej ručných odpočtov a zhromažďovať viac údajov a informácií s cieľom lepšie optimalizovať obchodné procesy. Ťažko povedať, čo sa deje v zákulisí s rozsiahlymi údajmi, ale faktom je, že IoT postavený na snímačoch môže podstatne uľahčiť proces zhromažďovania týchto údajov. Dôležité napríklad je, aby aj malá ropná spoločnosť mala zabezpečenú primeranú optimalizáciu vrtov na zvýšenie ziskovosti. Ak spoločnosť realizuje nový vrt, musí do neho zavádzať aj rôzne chemikálie, aby udržala horniny poddajné. Len čo je vrt online monitorovaný a vyrába, musí spoločnosť zabezpečiť vyrovnávanie tlaku, musí sa uistiť, že teplota je správna, musí zabezpečiť, aby sa ťažilo správne množstvo ropy atď. Len čo sa začne produkovať o vrte viac podrobných údajov (teplota, tlak, rýchlosť, chemické zloženie, viskozita atď.), spoločnosť ich začne zbierať, vykonávať postprodukčnú analýzu, optimalizovať tok a budúce procesy vŕtania s cieľom zvýšiť svoj podiel na trhu a ziskovosť.

To pripomína priemyselné riadiace systémy a ich vývoj smerom k bezdrôtovým verziám. Nie síce tak dlho ako ropa a plyn, ale aj priemyselná automatizácia existuje už veľmi dlho. Spoločnosti z týchto odvetví začali používať pôvodné káblové technológie IoT s cieľom znížiť náklady a pripojiť viaceré časti svojich riadiacich sietí. No keďže sa automatizácia s využitím bezdrôtových snímačov stala na trhu väčšmi rozšírenou a tým aj prístupnejšou, tieto spoločnosti by mohli používať bezdrôtové snímače na ľahšie prepojenie a zozbieranie viacerých údajov a následne analyzovať tieto informácie a zlepšovať svoje procesy.

Poďme sa pozrieť na niektoré spôsoby, akými ropné a plynárenské spoločnosti používajú IoT na zhromažďovanie údajov, ktoré im pomáhajú lepšie sa rozhodovať a tým zlepšovať prevádzku.

Internet vecí: päť prípadových štúdií v oblasti ropného a plynárenského priemyslu

Najčastejšie prípady využitia internetu vecí, ktoré v súčasnosti prinášajú najväčšiu hodnotu pre ropný a plynárensky priemysel, sa týkajú znižovania neproduktívneho času (NČ). NČ, ktorý môže zapríčiniť čokoľvek, od nepriaznivého počasia až po zlyhanie zariadení, má veľký vplyv na príjmy, čo predstavuje približne 10 až 20 % celkových nákladov na vŕtanie. IoT pomáha spoločnostiam bojovať proti NČ tým, že im umožňujú lepšiu prediktívnu údržbu, presnejšie predpovedať zlyhania a rýchlo odhaliť úniky, t. j. v podstate nájsť problémy skôr, ako začnú.

Vytváranie IoT siete v ropnom a plynárenskom priemysle v oblasti, ktorá je riedko osídlená alebo izolovaná, môže byť dosť náročná úloha. Často nie je potrebná konzistentnosť umiestňovania uzlov pre samoorganizujúcu sa sieť, sieťové pokrytie je často nedostupné a satelitné a káblové pripojenia sú veľmi nákladné. V mnohých prípadoch ponúkajú rozsiahle siete s nízkym výkonom (LPWAN) dobrú alternatívu na komunikáciu M2M v rámci ropného a plynárenského priemyslu.

Sledovanie ropných a plynových plošín na mori

Väčšina ťažby ropy a zemného plynu na mori sa robí v pomerne extrémnom prostredí, kde je málo dostupných komunikačných sietí, čo sťažuje monitorovanie teploty, tlaku, prietoku a ďalších procesných veličín a vyžaduje si aj nemalé náklady. Mobilné siete často v takýchto prípadoch nie sú riešením. A aj keby ste mohli používať WiFi alebo samoorganizujúcu sa sieť, pravdepodobne by ste ju museli náročne prispôsobovať, aby fungovala. Kvôli vyriešeniu týchto skutočností sa kritické údaje zvyčajne získavajú prostredníctvom satelitnej komunikácie alebo káblových sietí, pričom obidva spôsoby vyžadujú nemalé náklady.

Pomocou protokolu LPWAN môžete relatívne lacno pripojiť oveľa viac monitorovacích miest. Do siete LPWAN môžete napríklad pripojiť niekoľko detektorov úniku na niekoľkých vrtoch umiestnených v oblasti niekoľkých štvorcových míľ. Každý z týchto detektorov potom posiela informácie späť do centrálneho bodu, ktorý je pripojený na satelit. Alebo by sa údaje mohli jednoducho spracúvať na mieste v závislosti od potrieb spoločnosti. Hybridné riešenie, ako je toto, vám umožňuje zbierať oveľa viac údajov ako tradičné metódy monitorovania. Riešenia s využitím LPWAN môžu tiež pomôcť pri meraní slanosti (aby sa zabezpečilo, že nedochádza k priesaku vody do ropy), ako aj pri monitorovaní zariadení a personálu priamo na mieste.

Monitorovanie rafinérií

V rafinérii ropy a zemného plynu by sa IoT mohol používať na sledovanie takých veličín, ako je hrúbka potrubia, prietok, tlak v potrubí a ďalšie. Ak sú tieto oblasti prístupné ľuďom, veľa meraní sa obvykle zaznamenáva ručne, čo je časovo náročné a pre spoločnosť pomerne nákladné.

Treba mať na pamäti aj to, že niektoré časti rafinérie treba merať v reálnom čase, napríklad ventil, ktorý treba ovládať na základe prietoku monitorovaného inde. V takom prípade by zmena prietoku vyžadovala takmer okamžité ovládanie ventilu. Pri väčšine rádiových systémov je ťažké zaručiť, že sa dáta odosielajú v reálnom čase so 100 % presnosťou – systémy LPWAN nie sú zvyčajne určené na extrémne vysoký výkon. Takže ak treba vykonať meranie každý zlomok sekundy, musí sa rafinéria pravdepodobne spoliehať na drôtový systém.

IoT však naopak umožňuje to, že dokáže pokryť viac meracích bodov a zabezpečiť tak presnejšie údaje. Napríklad mnohé aspekty rafinérie sú navrhnuté so špecifickými úrovňami neistoty, pretože sa jednoducho nedajú merať. Napríklad určitá časť rafinérie nemusí byť schopná bežať pod rovnakým tlakom, ak by bolo k dispozícii viac bodov merania. IoT by v rámci riešenia tohto problému mohol poskytnúť väčší prehľad a dodatočné údaje o prietoku, čo umožní rafinérii pracovať s vyššou kapacitou. Sieť IoT by tiež ušetrila náklady rafinérie tým, že obmedzí počet pracovníkov potrebných na ručné monitorovanie, alebo množstvo zariadení, ktoré vyžadujú káblové spojenie.

Monitorovanie potrubia

Jedným z hlavných problémov s ropovodmi a plynovodmi je netesnosť a úniky. Tie by mohli spôsobiť následné finančné a environmentálne problémy a poškodenie dobrého mena. Ak sa uvoľňuje metánový plyn bez toho, aby bol spálený, jeho vplyv na zmenu klímy je asi 25-krát väčší, ako by mal oxid uhličitý za obdobie viac ako 100 rokov. Ak je navyše metánový plyn vystavený atmosférickému tlaku, existuje tiež vysoké riziko výbuchu pri úniku plynu. Zatiaľ čo v prípade ropy nehrozí riziko výbuchu, existujú veľké riziká spojené s únikom z potrubia. Spoločnosti by mohli stratiť svoje aktíva a znečistenie životného prostredia by mohlo viesť k astronomickým pokutám.

Pred IoT sa na zabezpečenie monitorovania kľúčových bodov v potrubí využíval satelitný internet, ktorý extrapoloval údaje na meranie celkovej výkonnosti systému. Vďaka prepojeniu prostredníctvom M2M komunikácie možno aj v ropnom a plynárenskom priemysle sledovať viac kľúčových bodov za menej peňazí.

IoT môže tiež pomôcť monitorovať jednotlivé komponenty potrubia, napríklad čerpadlá a filtre. Bez „inteligentného“ systému by mala spoločnosť poslať niekoho, kto by vykonával periodickú údržbu každé tri mesiace. No s dodatočnými údajmi, ktoré môžu spoločnosti zhromaždiť zo svojho IoT systému, môžu počkať na údržbu a výmenu čerpadiel a filtrov, až kým výkonnosť systému nezačne klesať (aj keď sa nejaká preventívna údržba stále bude musieť vykonávať).

Monitorovanie ústia ložiska

Dnes existuje niekoľko spoločností – Ambyint (predtým PumpWell) a WellAware –, ktoré poskytujú riešenia IoT na monitorovanie vrtov a čerpadiel či plynu a ropy. Podľa spoločnosti WellAware jej riešenia riadenia výroby pomáhajú spoločnostiam znižovať prevádzkové náklady na prenájom, minimalizovať neplánované prestoje a zaisťovať bezpečnosť a dodržiavanie predpisov. Dátové spoločnosti zhromažďujú údaje do platformy, ktorá môže spoločnosti napríklad povedať, či by mali vtláčať do vrtu viac chemikálií alebo pary, alebo aký tlak vákua je v daných podmienkach optimálny.

Do procesu ťažby ropy a zemného plynu vstupuje veľa vecí, pričom IoT riešenia a zariadenia zjednodušujú monitorovanie a zhromažďovanie údajov. Obr. 2 vytvorený spoločnosťou Emerson Process Management opisuje niektoré spoločné hrozby spojené s vrtmi.

Preprava ropy a plynu

Monitorovanie nákladnej lode na prepravu ropy a plynu je podobné ako v prípade vrtných a skladovacích plošín, pretože uprostred oceánu nie je dostupné nič iné ako satelitný internet. Ak chcete zhromažďovať údaje z vašej lode, ktorá môže byť veľmi veľká, vaše možnosti sú obmedzené.

Zariadenia LPWAN vám umožňujú diaľkovo sledovať tie časti lode, kde personál pravidelne nechodí (alebo je takmer nemožné sa k nim dostať). Takéto riešenie je bezpečné a pohodlné. Zatiaľ čo niektoré prvky nákladných lodí na prepravu ropy a plynu musia kvôli pohonu lode komunikovať v reálnom čase, niektoré neprevádzkové prvky (teplota, tlak, prietok atď.) nemusia využívať satelitné spojenie alebo pripojenie v reálnom čase. Preto môžu byť malé siete IoT skvelými alternatívami drôtových senzorov a meradiel.

Riadenie dodávateľského reťazca

Dynamická povaha ropného a plynárenského priemyslu môže sťažiť plánovanie a optimalizáciu zásob. Internet vecí môže pomôcť pri plánovaní a správnom načasovaní obstarávania. Napríklad rafinérie môžu používať snímače na zisťovanie toho, ktoré typy ropy alebo zmesí ropy prichádzajú a/alebo kde je každý typ uložený. Dostupnosť týchto údajov by bolo cennou pomôckou pri rozhodovaní o výrobe a prevádzke. Mohli by sa tiež použiť na meranie hrubého zloženia na účely inventarizácie.

Neustála evolúcia

Proces zavádzania inteligentných riešení do ropného a plynárenského priemyslu bude naďalej pokračovať a vyvíjať sa. Internet vecí dramaticky nezmenil toto odvetvie, ale bezdrôtové technológie mu prinášajú jedinečné výhody. V skutočnosti som presvedčený, že má dobrú pozíciu na to, aby napredoval aj v tejto oblasti, keďže spojenie „vecí“ je lacnejšie a technológia sofistikovanejšia než kedykoľvek predtým. Ak spoločnosti dokážu zhromažďovať informácie (a teda vykonávať ďalšiu analýzu údajov) s obmedzeným počtom koncových bodov, predstavte si, koľko sa dá urobiť s podrobnejšími informáciami.

Nie každý z oblasti ropného a plynárenského priemyslu sa borí s pripojiteľnosťou. Ak však chcete zlepšiť prevádzkovú efektivitu a znížiť náklady viacerými spôsobmi, informácie uvedené v článku vám môžu pomôcť dostať sa medzi lídrov na trhu.

Brian Ray
zakladateľ a CTO spoločnosti Link Labs
https://www.link-labs.com