Оптимизация управления технологическими процессами на заводе по производству этанола

Задача

На заводе в Ханкинсоне (шт. Северная Дакота) применяются технологии поколения 1.5, позволяющие использовать в качестве дополнительного сырья шелуху зерновых культур. После засухи, продлившейся почти весь 2012 г., завод в Ханкинсоне столкнулся с высокими ценами и нехваткой сырья, поскольку большая часть урожая кукурузы была потеряна. В какой-то момент стало очевидным, что только преимущества технологий усовершенствованного управления технологическими процессами (APC) могут значительно улучшить эту ситуацию. Таким образом, целью внедрения APC на заводе в Ханкинсоне было улучшение управления, уменьшение изменчивости, снижение энергопотребления и увеличение содержания влаги в барде для более точного соответствия спецификации.

Реализация проекта была разделена на следующие этапы:

• обследование и предварительное тестирование объекта;
• эскизное проектирование;
• пошаговое тестирование и создание прогнозирующих моделей;
• ввод системы в действие;
• создание исполнительной документации.

Решение

На заводе было внедрено программное обеспечение (ПО) корпорации Honeywell: Profit Controller для многомерного управления, Profit Stepper для проведения автоматического пошагового тестирования и создания прогнозирующих моделей, а также интерфейсы оператора из семейства Profit Suite.

Программно-алгоритмический комплекс Profit Controller является основным компонентом семейства Profit Suite и предназначен для реализации технологий усовершенствованного управления и оптимизации. Он включает в себя средства разработки, внедрения и поддержки приложений многомерного управления технологическими процессами со многими выходами. Системы на его основе обладают уникальной способностью поддерживать высокое качество управления даже при значительных неточностях в моделях, возникающих вследствие изменений параметров технологического процесса. Для управления процессом Profit Controller использует его динамическую модель, что обеспечивает максимальный эффект вследствие прогнозирования будущего поведения процесса. Он обеспечивает оптимальную реакцию объекта благодаря минимизации воздействий, оказываемых на объект для возвращения всех переменных в заданные пределы или к заданным уставкам. Используя Profit Controller, пользователи извлекают выгоду не только благодаря малому сроку окупаемости (менее года), но и за счет стабильного экономического эффекта, превышающего отраслевую норму.

Завод в Ханкинсоне оценил общую выгоду от улучшения управления почти в $800 000 при сроке окупаемости около восьми месяцев

Результаты

После реализации проекта были отмечены улучшения в следующих областях:

• По термическим окислителям/котлам-утилизаторам соотношение газ/пар ступени TO1 снизилось на 1%, а ступени TO2 — на 5,6%.
• По сушильным установкам содержание влаги в продукте увеличилось на 0,67%, при этом изменчивость показателя уменьшилась на 20%.
• Расход газа снизился на 4,45 %, а объем производства увеличился на 6,38%.
• По центрифугам изменчивость потребляемого тока уменьшилась на 56%, а изменчивость фугата снизилась на 31%.

Достигнутый экономический эффект выражается в следующих цифрах:

• Cнижение расходов на природный газ на $116 055, при увеличении объема производства на 6,38%;
• увеличение продаж барды — $675 248.

Общая выгода за счет улучшения управления составила $791 303.
Срок окупаемости — восемь месяцев.

Этиловый спирт (С2Н5ОН) из пище­вого сырья используется для производства алкогольных напитков, в медицинских целях, в качестве автомобильного топлива, для нужд радиоэлектроники. Этиловый спирт из непищевых растительных материалов (например, отходов деревообработки) изготавливается на гидролизных производствах с использованием различных химических методов.

Сырьем для спиртового производства служат материалы, обладающие высоким содержанием крахмала или сахара и имеющие длительный срок хранения. В России в качестве сырья традиционно используются различные виды зерновых (пшеница, рожь, ячмень, овес, кукуруза, просо), картофель, меласса. Годятся также сахарная свекла, виноград, различные фрукты, отходы виноделия и сахарного производства. В Бразилии этанол производится преимущественно из сахарного тростника, а в США — из кукурузы. Большим потенциалом обладает кустарник маниок, культивируемый в Китае, Нигерии, Таиланде.

Этанол в больших количествах может производиться из целлюлозы. Сырьем могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная или рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки и т. д. Однако производство этанола из целлюлозы пока экономически нерентабельно.

Процесс производства этилового спирта в США соответствует техническим требованиям на денатурированный этанол, или денатурат, которые были разработаны Калифорнийским советом по воздушным ресурсам (КСВР). Большинство производителей используют в качестве денатурата газовый бензин.

Одним из факторов, сдерживающих применение этанола в топливе, является его стоимость. Для обеспечения конкурентоспособности этанолсодержащего топлива его себестоимость должна быть не выше себестоимости товарных бензинов. Последние достижения в области биотехнологий позволяют выйти на качественно новый уровень экономики производства. При этом в качестве отечественного сырья возможно использование сельскохозяйственных отходов или древесины.

Для заводов, вырабатывающих спирт из зерна, компания ICM предоставляет лицензии на технологические процессы разных поколений:

• заводы первого поколения используют в качестве сырья кукурузу или сорго;
• на заводах поколения 1.5 в качестве добавки в сырье может использоваться шелуха;
• заводы второго поколения будут использовать в качестве сырья различные виды целлюлозы.