Digitalizácia v prevádzkach petrochemického a plynárenského priemyslu

Petrochemický a plynárenský priemysel majú už prvé skúsenosti v oblasti rozsiahlych údajov (big data) či technologických a digitálnych inovácií za sebou. Už koncom minulého storočia spoločnosti z týchto segmentov nasadzovali digitálne technológie s cieľom zlepšiť prehľad o existujúcich zásobách v jednotlivých ložiskách, zvýšiť produkciu a ťažbu, zlepšiť ochranu zdravia a bezpečnosť svojich pracovníkov či zvýšiť efektívnosti svojich prevádzok po celom svete. Nasledujúci príspevok prináša prehľad skúseností z digitalizácie procesov a využívania moderných riešení v oblasti plynárenského a petrochemického priemyslu.
Digitalizácia v prevádzkach petrochemického a plynárenského priemyslu

Kognitívne výpočty s cieľom zvýšiť ťažbu a znížiť riziko pri prieskume nových vrtov

Nadnárodná spoločnosť Repsol s hlavným sídlom v španielskom Madride realizuje aktivity v oblasti ťažby a výroby po celom svete. Zamestnáva viac ako 24 000 ľudí, pričom jej aktivity smerujú najmä do oblasti petrochemického a plynárenského priemyslu. Robí prieskumy potenciálnych ložísk nerastných surovín a zabezpečuje ťažbu, výrobu, rafináciu a distribúciu. Spoločnosť sa rozhodla pre spoluprácu s IBM v oblasti predvýrobných procesov. Aktuálne spoločnosť vynakladá od 200 do 400 mil. USD na navŕtanie jedného ložiska na mori, pričom len 20 až 25 % týchto pokusov sa končí úspechom. Dôvodom je, že vrty sa uskutočňujú podľa určitých údajov, ktorých objem je často nedostatočný. Kognitívne technológie dokážu spracúvať rôzne údajové zostavy podstatne rýchlejšie a vykonať cieľovú analýzu a simuláciu, čo znižuje riziko spojené s týmito procesmi. Repsol investoval do dvoch typov týchto aplikácií určených na rozšírenie schopnosti strategického rozhodovania v súvislosti s optimalizáciou výroby a získavania nových ropných ložísk. Kognitívne technológie umožnili spoločnosti Repsol zvýšiť produktivitu v jej ropných a plynárenských prevádzkach a minimalizovať riziká spojené s prieskumom a vyhľadávaním nových zdrojov. Projekt je aktuálne vo vývoji a bol rozplánovaný na tri roky. Repsol očakáva, že po skončení druhého roku prevádzky kognitívnych systémov bude schopný zlepšiť svoju výrobu a po troch rokoch využívania optimalizovať získavanie nových ropných polí.

Vývoj špecializovaných snímačov, aby sa maximalizovalo využitie podzemných zásob

Spoločnosť BP vyvinula špecializované snímače, ktoré sú také citlivé, že dokážu merať jednu bilióntinu zemskej príťažlivosti. Snímače sú malé a veľmi odolné, vďaka čomu ich možno umiestniť hlboko do vrtov, kde dokážu rozlíšiť vodu od ropy. BP pri výrobe a nasadení týchto snímačov nadviazala partnerstvo so spoločnosťou Silicon Microgravity. V rámci novej patentovanej technológie snímania mikrogravitácie vo vrte pomáhajú snímače prevádzkovým technikom predchádzať potenciálnemu zničeniu, ktoré môže spôsobiť prienik vody do prameňa, a mať aj lepší dohľad nad zásobami v ropnom poli. Silicon Microgravity odhaduje, že tieto snímače by mohli zlepšiť vyťažiteľnosť rezervoárov ropy o ďalšie 2 %.

Prediktívna údržba predchádza odstávkam kritických zariadení

Nezávislá americká spoločnosť Apache Corporation využíva prediktívne analýzy na predchádzanie odstávkam kriticky dôležitých čerpadlových systémov, akú sú napr. elektronické ponorné čerpadlá (EPČ). Firma sa pri nasadení riešenia spojila so spoločnosťou Ayata, ktorá sa odčlenila z výskumného laboratória. EPČ predstavovali v prevádzke úzke miesto, pričom ich odstávka znamenala pre spoločnosť stratu 10 000 barelov ropy denne. Aby sa podarilo predchádzať ich poruchám, nainštalovali tu tzv. databázu spolupracujúceho priemyslu (informácie o spoľahlivosti elektronických ponorných čerpadiel a systém sledovania chýb), ktorá dokumentovala a kvantifikovala polohu a prevádzkové podmienky pri viac ako 100 000 čerpadlách. Apache po prezretí získaných údajov identifikovala 40 dôležitých premenných, ktoré by mohli zlepšiť prevádzkovú dostupnosť EPČ. Výsledkom bolo zníženie strát vo výrobe a zvýšenie výkonu – práve vďake zvýšeniu celkového času bezchybnej prevádzky čerpadiel.

Priekopnícka inteligentná potrubná technológia

Spoločnosť Columbia Pipeline Group v spolupráci s Accenture a GE vyvinula pre svoje prepravné potrubné trasy zemného plynu inteligentnú potrubnú technológiu. Riešenie prepája údaje z rôznych zdrojov vrátane využitia geografických informácií, systémov riadenia pracovných výkonov, riadiacich stredísk, jednosmerných volacích systémov a externých zdrojov, ako sú Národná správa oceánov a ovzdušia či Americká geologická spoločnosť. Inteligentná technológia umožňuje používateľom vyhodnocovať údaje rôznymi spôsobmi, aby sa rýchlo lokalizovali oblasti záujmu, zistilo možné ohrozenie a našlo riešenie. Prevádzkovateľom prepravných trás pomáha prioritizovať, kde najlepšie použiť zdroje s cieľom minimalizovať potenciál vzniku nežiaducich udalostí. Tento nástroj aktuálne poskytuje spoločnosti Columbia celofiremný prehľad v reálnom čase o celej, takmer 25 000 km dlhej prepravnej trase prechádzajúcej niekoľkými štátmi vrátane monitorovania ohrozenia potrubia, zlepšenia riadenia rizík a znalosti situácií.

Nositeľná elektronika na zlepšenie bezpečnosti a produktivity prevádzky

Spoločnosť Schlumberger začala s pilotným projektom nasadenia nositeľnej elektroniky s využitím Google Glass, aby sa zvýšila bezpečnosť a produktivita prevádzkových pracovníkov. V spolupráci so spoločnosťou Parsable vytvorila zákaznícky upravené inteligentné okuliare, ktoré pracovníkom poskytujú informácie v reálnom čase. Toto riešenie je súčasťou nástroja na riadenie pracovných činností pracovníkov na ropných poliach a vedeniu spoločnosti poskytuje v reálnom čase metriky o výkonoch daného pracovníka. Okuliare poskytujú informácie o meraniach v reálnom čase, kontrolných a bezpečnostných záznamoch, stave zásob, ako aj video návody, ako vykonávať postupy krok za krokom. Zároveň pomáhajú manažmentu optimalizovať pracovné postupy zaznamenaním času každého kroku hneď po jeho ukončení. Okuliare pomáhajú pracovníkom v prevádzke šetriť čas v rámci rutinných úloh, ako je napr. vypĺňanie kontrolných záznamov v prevádzke.

Mobilné nástroje na zvýšenie bezpečnosti pracovníkov

Spoločnosť Shell s cieľom zvýšiť bezpečnosť vybavila svojich pracovníkov priemyselnými nástrojmi mobility. Vytvorila tak rôzne typy „osôb“ vzájomne prepojených pracovníkov, ktoré sa používajú na prispôsobenie nástrojov úlohe pracovníka. Tieto nástroje pomáhajú zabezpečiť, že zamestnanec je vhodne zaškolený a má prístup k správnym informáciám v správnom čase, čím sa posilní jeho dôvera vykonávať činnosť v prevádzke. Shell sa pri tomto projekte spojila so spoločnosťou Petroleum Development Oman a spolupracuje na najväčšom ekosystéme s cieľom vybudovať platformu pre priemyselnú mobilitu, ktorá umožní prevádzkovému personálu pracovať až o 20 % efektívnejšie.

Riadiaci systém postavený na štandardoch riadi 15 500 km dlhú prepravnú plynovodnú sieť

Spoločnosť Gasuine je európskou spoločnosťou poskytujúcou a riadiacou prepravnú infraštruktúru zemného a „zeleného“ plynu v Holandsku a severnej časti Nemecka. Spoločnosť prevádzkuje a udržiava 15 500 km dlhú prepravnú potrubnú sieť, v rámci ktorej sa nachádza množstvo staníc slúžiacich na prípravu a spracovanie plynu. Patrí k nim 22 kompresorových staníc, 19 zmiešavacích staníc, 93 regulačných a meracích staníc, 14 staníc na export plynu a iné. Spoločnosť sa pred štyrmi rokmi rozhodla zmodernizovať a štandardizovať riadiaci systém pre svojich 50 plynových turbín (deväť rôznych modelov od troch rôznych výrobcov), ktoré poháňali kompresory. Cieľom bolo zaviesť spoločné schémy a postupy, aby sa odstránila nejednotnosť, ktorá vyplývala z nasadenia rozličných systémov riadenia.

Od začiatku sa ako riešenie zvolila integrovaná architektúra Rockwell Automation (Rockwel Automation Integrated Architecture). Hlavné riadenie plynových turbín bolo riešené pomocou programovateľného automatizačného systému (PAC) Allen-Bradley ControlLogix®, ktoré s operátorskými rozhraniami komunikuje pomocou komunikácie OPC. Riešenie bezpečnosti bolo jedným z kľúčových momentov celej infraštruktúry riadenia. Pri preprave zemného plynu treba nasadzovať iskrovo bezpečné riešenia, preto boli zvolené rôzne bariéry alebo signálne oddeľovače certifikované podľa normy ATEX. Zároveň sa bezpečnosť riešila aj v súlade s požiadavkami HAZOP/SIL. Nakoniec bolo vyvinuté kombinované riešenie pozostávajúce zo štandardných CPU (ControlLogix) a bezpečnostných CPU (Allen-Bradley GuardLogix®), ktoré sú zodpovedné za funkčnú bezpečnosť. Gasuine nasadila aj štandardizované riešenie od spoločnosti Rockwell Automation na meranie vibrácií a rýchlosti, postavené na 1 444 jednotkách Allen_Bradley Dynamix™.

Vďaka štandardizácii a implementácii produktov Rockwell Automation využíva spoločnosť Gasuine rad integrovaných riešení bežiacich na rovnakej platforme od jedného dodávateľa. Tým sa výrazne zjednodušila aj údržba celého systému a bezproblémové je aj skladovanie a zaobstarávanie náhradných dielov.

Maximálna spoľahlivosť komunikácie a dostupnosť systémov

Zásoby plynu v lokalite Yuanab, ktorá sa nachádza vo východnej časti čínskej provincie Sichuan, sú najväčšie v celej Číne. Spoločnosť China Petroleum & Chemical Corporation (SINOPEC) vybudovala na tomto území rozsiahlu infraštruktúru. Nálezisko sa nachádza v hĺbke až 6 950 m. Pomer plyny a vody, klíma či geologické podmienky sú veľmi náročné, pričom ťažba a preprava plynu sú mimoriadne náročné. Okrem výziev spojených s vybudovaním infraštruktúry náleziska treba zabezpečiť spoľahlivý prenos plynu k zákazníkom. To vyžaduje nasadiť spoľahlivý monitorovací systém potrubných trás s cieľom zaručiť bezpečnosť prepravnej siete a detegovať úniky plynu. Snímače inštalované pozdĺž potrubia musia byť prepojené s centrálnym monitorovacím systémom prostredníctvom vysokovýkonnej a spoľahlivej siete, ktorá dokáže preklenúť veľké vzdialenosti.

V rámci projektu bolo navrhnuté redundantné riešenie využívajúce priemyselný ethernet a postavené na prepínačoch SCALANCE X od spoločnosti Siemens. Tieto zariadenia majú strednú dobu medzi poruchami viac ako 20 rokov a úplne spĺňajú podmienky noriem EN61000-6-2 a EN 61000-6-4 týkajúce sa elektromagnetickej kompatibility. Spolu s prepínačmi boli dodané aj redundantné zdroje napájania, ktoré zaručujú fungovanie prepínačov aj v prípade výpadku napájania. Štvorúrovňová sieť je obzvlášť odolná proti chybám. Ak je v sieti detegovaný chybný bod, prepínače SCALANCE využijú na presmerovanie komunikácie cez nenarušený bod protokol HSR (High-availability Seamless Redundancy), a to v čase kratšom ako 300 ms. Ďalšou kľúčovou požiadavkou pri komunikácii v priemyselných aplikáciách je, aby boli riadiace informácie prenášané v reálnom čase, čo znamená, že signál musí byť spoľahlivo prenesený v stanovenom čase. Na to sa v rámci projektu Yuanab využila komunikácia 1 000 Mbit/s v rámci fullduplex prepínateľného priemyselného ethernetu. Ide o technológiu, ktorá dokáže predchádzať kolíziám paketov v sieti a konfliktom kanálov. Prepínače preposielajú údajové pakety len s oneskorením 5 µs, pričom oneskorenie skupiny 10 prepínačov je 60 µs. Komunikácia v rámci celého systému sa tak pohodlne zmestí do 1 ms.

Monitorovanie stavu zariadení optimalizuje údržbu a znižuje náklady

Aj keď sa monitorovanie stavu zariadení v rámci iných priemyselných odvetví praktizuje niekoľko rokov, v oblasti ropného a plynárenského priemyslu je to nastupujúci trend. Cieľom je znížiť bežné prevádzkové náklady či zvýšiť prevádzkovú bezpečnosť. Spoločnosť Aker BP sa už v roku 2013 rozhodla nainštalovať vzdialené monitorovanie stavu zariadení na plávajúcej ropnej plošine v ropnom poli Ivar Aasen v Severnom mori. Zariadenia na plošine sú trvale vystavené všade prenikajúcemu morskému vzduchu, ktorý spôsobuje koróziu. A k tomu treba pripočítať mechanické namáhanie, ktorému sú zariadenia pri každodennej ťažbe vystavené.

Preto sa oddelenie údržby už na začiatku rozhodlo pre nasadenie najmodernejšieho digitálneho riešenia výkonu údržby, a to prostredníctvom monitorovania stavu zariadení a údržby na základe takto získaných informácií. Pre operátorov je logika monitorovania stavu rovnako presvedčivá, ako jej ekonomika. Načo vykonávať údržbu na základe kalendárne plánovaných výkonov, keď digitálny systém monitorovania skutočného stavu zariadenia umožní vykonávať zásahy práve a len vtedy, keď je to potrebné. Vďaka tomu sa spoločnosti podarilo minimalizovať nákladné transporty personálu a materiálu helikoptérami, ako aj prestoje v dôsledku neočakávaných porúch zariadení. Koncepcia údržby na základe stavu zariadení navyše prispieva k znižovaniu počtu pracovníkov na ropnej plošine, ktorú si spoločnosť stanovila ako jeden z cieľov, a tiež k minimalizácii skladových zásob náhradných dielov, ktoré sú priamo na vrtnej plošine. V rámci riešenia tohto typu údržby boli využité rôzne technológie – od snímačov a vláknovej optiky cez zber a ukladanie až po analýzu údajov. Prínosom bolo aj zjednotenie a štandardizácia jednotlivých systémov a zredukovanie množstva dodávateľov.

Umelá inteligencia mení v BP fantáziu na realitu

Umelá inteligencia (UI) sa už presadila v rôznych oblastiach a priemyselných odvetviach, teraz prišiel čas, aby svoj potenciál ukázala aj v oblasti ropného a plynárenského priemyslu. V spoločnosti BP sa jej využitie stáva realitou.

Podľa Paula Stona, hlavného konzultanta v spoločnosti BP pre informačné technológie a služby je hlavným cieľom UI dokázať robiť veci, ktoré bežne robia ľudia – vizuálne vnímanie, pochopenie a komunikácia v prirodzenom jazyku, prispôsobenie meniacim sa situáciám a prijímanie zložitých rozhodnutí – a pritom ich dokázať skombinovať s tým, čo dnes najlepšie robia počítače, ako napr. dôsledné, presné a rýchle spracovanie rozsiahlych údajov. Všetko je to o počítačoch schopných učiť sa a porozumieť situáciám a udalostiam bez explicitného napodobňovania spôsobu práce človeka. Takýmto spôsobom získame kognitívne počítačové systémy, schopné preukazovať sa ľudskými schopnosťami a skutočne „mysliace“ stroje. To prináša nové príležitosti aj pre ropný a plynárenský priemysel.

„V blízkej budúcnosti budeme mať snímače s pripojiteľnosťou kdekoľvek, zaznamenávajúce údaje tak často, ako budeme potrebovať a neustále vytvárajúce nové množiny údajov,“ konštatuje Dan Walker, vedúci tímu nastupujúcich technológií v Group Technology patriacej do spoločnosti BP. „Použitie procesov využívajúcich UI, nám umožní kombinovať množiny údajov týkajúce sa veľkosti prietokov, tlakov či vibrácií zariadení s údajmi z prirodzeného prostredia, ako sú seizmické informácie a výšky morských vĺn, aby sme dokázali zmeniť spôsob, ako prevádzkujeme a optimalizujeme naše prevádzky. Väčšina oblastí ropného a plynárenského priemyslu sa potýka s problémami spadajúcimi do oblasti počítačových vied, ktoré by mohla pomôcť vyriešiť práve UI,“ vysvetľuje D. Walker. „UI nám môže pomôcť optimalizovať návrh ložiska a špecifikovať postupy, ktoré zabezpečia, že všetky ložiská budú navŕtané tak efektívne a bezpečne, ako to len bude možné. Zároveň nám to pomôže zabezpečiť vysokú spoľahlivosť zariadení a predikovať potreby ich údržby v našich prevádzkach.“ Castrol Brain je priekopnícky digitálny nástroj využívajúci UI, ktorý bol v prvej fáze „naučený“ odpovedať na technické otázky zákazníkov v oblasti lodnej nákladnej prepravy prostredníctvom textového rozhovoru. S pribúdajúcim časom bude schopný sám sa učiť a odpovedať ešte lepšie a presnejšie. Vďaka tomu sa tím Castrol bude môcť sústrediť na technickejšie a zložitejšie otázky, ktoré bude systém schopný zodpovedať. „UI bude stáť pri prechode na štvrtú priemyselnú revolúciu, pričom má potenciál posunúť výkon podnikov na ďalšiu úroveň,“ konštatuje D. Walker.

Zdroje: Worlde Economic Forum, Schlumberger, Rockwell Automation, Shell, Siemens, BP