Relatório de percepção da engenharia

Cinco Medidas Principais de Eficiência Energética

Relatório de percepção da engenharia

Cinco medidas principais de eficiência energéticaSua planta de processamento é única. E, identificar o local onde a energia está sendo consumida e onde ela poderia ser economizada ainda é um desafio para muitos gestores de energia. O uso da energia dentro de plantas industriais é extremamente complexo. Existem milhares de processos de fabricação em operação e não existem dois iguais, mesmo dentro da mesma organização. No entanto, as oportunidades de economia de energia são significativas e as compensações fazem com que quaisquer melhorias sejam importantes. Então, a pergunta é: por onde começar?

Neste relatório identificamos cinco prioridades principais de medição a serem consideradas por qualquer equipe de gestão da planta, visando a obtenção de uma melhor percepção do uso de energia do processo. Para cada uma destas áreas, as práticas de medição e o monitoramento eficaz permitirão o melhor gerenciamento do uso da energia em toda a planta.

Aqui estão algumas das principais prioridades de medição para a melhoria da eficiência energética, bem como o aumento da segurança e confiabilidade:

Fluidos de utilidades — medição de vazão e gestão de uso

Uma fábrica de papel na Nova Inglaterra está economizando US$ 1 milhão por ano, monitorando mais de perto seu vapor, ar e água.

Ar comprimido — medição da vazão para identificar vazamentos e gerenciar o uso

Na América do Sul, uma fábrica de produtos químicos está economizando US$ 750 mil por ano, usando uma maneira melhor de medir a vazão do seu ar comprimido.

Caldeiras — melhoria da medição do nível do tambor

Nos Estados Unidos, uma fábrica de papel minimizou os deslocamentos da caldeira durante a ativação através de medições mais precisas do nível da caldeira.

Trocadores de calor — previsão e detecção de obstrução

As refinarias de petróleo estão usando instrumentação wireless, fornecendo aos operadores a visibilidade sobre o desempenho do permutador de calor, para economia de combustível e maior qualidade do produto.

Sistema de vapor — monitoramento de purgadores de vapor

Barking Power, uma planta de geração de energia no Reino Unido, encontrou um vazamento no purgador de vapor que estava lhes custando US$ 2.200 por dia.

A seguir está uma explicação de cada exemplo, o motivo pelo qual é importante e o que pode ser feito para economizar energia.

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Fluidos de utilidades — medição de vazão e gestão de usoOs fluidos de utilidades são a força vital de sua planta. Água, ar, gás e vapor são cruciais para suas operações. A falta de qualquer um deles poderia causar o desligamento de sua planta. Os clientes muitas vezes nos dizem, “Claro, eu posso lhe dizer a quantidade de gás natural que compramos em um ano, mas não tenho ideia de quanto é utilizado em cada unidade de processo”. Toda planta é diferente, mas é razoável dizer que, para a maioria das plantas, de 5% a 15% da energia de um site é desperdiçada na forma de fluidos de utilidades perdidos ou mal utilizados. Esta poderia ser uma oportunidade para economizar entre US$ 1 milhão e US$ 15 milhões por ano.

A medição da vazão de todos os fluidos de utilidades em sua planta é importante para entender os padrões de utilização. Os medidores de vazão fornecem medições de vazão de processo que são essenciais para a gestão da energia. A medição da vazão em diversos locais do processo ajuda a informar as atividades importantes para a melhoria da eficiência energética, como o equilíbrio da vazão de energia nos pontos de utilização, detecção de vazamentos e alterações anormais no consumo, priorização das ações para economizar energia e comunicação dos indicadores chave de desempenho (KPIs) para o pessoal da planta.

O medidor de vazão Rosemount™ 3051SFA Annubar™ é apenas um dos diversos medidores de vazão oferecidos pela Emerson™. Cada um deles possui características ou recursos exclusivos que os tornam adequados para os tipos específicos de fluidos e aplicações. Por exemplo, medidores de vazão por pressão diferencial (PD) integrada possui um custo de instalação muito menor do que alguns medidores convencionais. Se o custo e o tempo de instalação são de grande importância, deve-se considerar também a implementação de um sistema wireless. Instrumentos Rosemount wireless inteligentes podem ser instalados por menos de um quarto do custo de instrumentos com fio.

Recomendamos a medição da vazão de cada fluido de utilidades em todos os centros de contabilidade energética — os principais consumidores de energia ou grandes subseções da planta. Os medidores de vazão fornecem informações para um sistema de informação de gestão de energia (EMIS, sigla em inglês), que interpreta e analisa as informações e pode alertá-lo quanto a mudanças que indiquem o desperdício de energia. O software Emerson Energy Advisor é um adicional simples para o sistema de PI OSIsoft®, líder de mercado, e outras aplicações. Com este software, você tem um sistema de informação abrangente que lhe dá visibilidade e capacidade de decisão energética para toda a vida útil de sua planta. Em suma, o medidor de vazão Rosemount, juntamente com o software de EMIS, permite obter o retorno de 15% da energia desperdiçada em seus sistemas de utilidades.

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Para ajudar a compensar o custo do aumento dos preços dos combustíveis, uma fábrica de celulose e papel na Nova Inglaterra implementou um programa abrangente de gerenciamento de energia. “Percebemos rapidamente que, para economizar energia, era necessário medi-la”, disse o gerente de energia da fábrica. “Nós conhecíamos o nosso uso total de energia, mas nunca havíamos medido as áreas de energia individuais.” Depois de considerar diversas tecnologias de medição de vazão diferentes, a fábrica instalou duas redes wireless, cada uma com um gateway wireless inteligente, que se integra perfeitamente com o sistema de controle DeltaV™. Um total de 60 medidores de vazão wireless Rosemount 3051SFA Annubar foi instalado nas linhas que transportam vapor, ar, água quente, água fria e condensados. “Podemos ago ra responder por quase todo o uso de energia dentro da fábrica”, disse o engenheiro de projetos. “A informação wireless nos permitiu concentrar a nossa atenção sobretudo nas áreas de alta energia e naquelas que têm o maior impacto na nossa posição de custos.” O resultado para esta fábrica foi que o projeto se pagou em menos de oito meses, com uma economia de bem mais de US$ 1 milhão em custos de energia no primeiro ano.

Ar comprimido — medição da vazão para identificar vazamentos e gerenciar o uso

O sistema de ar comprimido de sua planta é um grande consumidor de energia. Sistemas de ar comprimido geralmente têm muitos vazamentos e outros problemas que levam ao desperdício. A medição da vazão em um sistema de ar comprimido ajuda a identificar áreas de uso excessivo e gerenciar melhor o uso do ar em geral. A medição do consumo de ar é melhor realizada com vários pontos de medição de vazão ao longo do sistema de ar comprimido: Medições de vazão podem ser feitas em cada compressor, nos coletores e em cada linha de ramificação principal. Mais pontos de medição de vazão permitem um controle mais estrito dos vazamentos e uma melhor gestão das condições do sistema de ar comprimido.

A medição da vazão pode ser realizada de diversas maneiras e cada tipo causará uma perda permanente de pressão (PPP) para cada ponto de medição. Essas perdas permanentes de pressão somam um grande desperdício da energia que está sendo consumida pelos compressores. Por esta razão, é imprescindível contabilizar as PPP causadas pela instalação adicional de medidores de vazão em um sistema de ar comprimido. O medidor de vazão Rosemount 3051SFA Annubar tem um impacto muito menor na pressão do que outros instrumentos de medição. Por exemplo, a média é de apenas 5% da PPP de um medidor de vazão com placa de orifício dosador, a forma mais comumente utilizada de dispositivo de medição de vazão. Este nível inferior de PPP é insignificante no cálculo da energia consumida no sistema de ar comprimido.

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Em um caso documentado, uma fábrica de produtos químicos sul-americana alcançou um aumento dramático na eficiência do sistema de ar comprimido e reduziu os custos de eletricidade. Neste caso, o uso de ar comprimido foi crescendo rapidamente, aumentando os custos operacionais e conduzindo a uma necessidade de aumento da capacidade. Esta planta estava preocupada com o risco de escassez de ar comprimido, o que poderia levar à falha do equipamento pneumático. Engenheiros descobriram que medidores de vazão com placa de orifício dosador estavam criando alta PPP no sistema de ar comprimido. A solução envolveu a remoção do medidor de vazão com placa de orifício dosador e a instalação de 10 medidores de vazão Rosemount Annubar: nove para monitorar a saída de cada um dos nove compressores e um para medir a vazão no coletor principal. Estes 10 pontos de medição da vazão permitiram aos operadores identificar antecipadamente o aumento do uso, sem a desnecessária perda de pressão do sistema que estava sendo causada pelas placas de orifício. Como resultado da instalação de medidores de vazão Annubar de baixa perda de pressão, essa planta viu uma melhora de 10% na eficiência geral do sistema de ar comprimido, e uma redução anual de custo de energia elétrica de US$ 750.000, com o benefício adicional de uma melhor pressão de linha em locais remotos no seu sistema.

Caldeiras — melhoria da medição do nível do tamborNas caldeiras, o nível da água no tambor de vapor deve ser controlado precisamente, para otimizar a produção de vapor, maximizar a eficiência da caldeira e manter a segurança da operação. Se o nível da água estiver muito baixo, há um risco de danificar a caldeira e o risco significativo de deslocamentos dispendiosos da caldeira. Se o nível de água é muito alto, a água pode ser carregada com o vapor, o que reduz a eficácia da transferência de calor e pode causar danos à turbina a jusante. O desempenho mais eficiente do seu sistema de vapor é quando as caldeiras estão operando de forma estável e os ciclos dispendiosos de desligamento, purga e reinicialização são evitados. Medições confiáveis do nível do tambor são uma parte muito importante para o atendimento dessa condição de operação desejada.

Tradicionalmente, o nível de água da caldeira de vapor tem sido medido por vários métodos, incluindo mecanismos mecânicos simples e vários sistemas eletrônicos de medição. O código para caldeiras e vasos de pressão (BPVC, em inglês) exige uma indicação local e visual do nível de água do tambor. Isto é proporcionado pelo uso de visores, indicadores de nível magnético ou sistemas, como o sistema de medição eletrônico Emerson Hydrastep™. O BPVC também requer a medição de nível adicional, redundante, do líquido no tambor da caldeira. Mais avançados, os sistemas eletrônicos são usados para controlar o nível de água da caldeira. Estes sistemas avançados para controle de nível do tambor da caldeira empregam medições de nível PD. Estas medições podem ser ajustadas com os parâmetros de temperatura e pressão da caldeira para compensar a densidade e alcançar melhores cálculos de nível.

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Em algumas situações, um transmissor de radar por onda guiada (GWR, em inglês) fornece uma alternativa para a medição do nível do tambor de vapor. Os transmissores de radar por onda guiada podem medir o nível de maneira completamente independente da densidade do líquido, de modo que a complexidade de compensação de densidade não é necessária. Em uma instalação típica, o transmissor de radar por onda guiada é montado no topo de uma câmara externa à caldeira, com uma sonda que se prolonga a partir do GWR para toda a profundidade da câmara. Utilizando informações sobre o nível na estratégia de controle, o controle do nível do tambor pode ser atingido.

Para atender aos requisitos do BPVC para redundância nas aplicações de nível do tambor da caldeira, uma medição do nível de PD pode ser usada em conjunto com o radar de onda guiada. Juntos, esses dispositivos oferecem uma solução de baixa manutenção que proporciona um alto grau de precisão para controle do nível do tambor da caldeira.

Aqui está um exemplo: uma grande fábrica de papel nos Estados Unidos estava enfrentando a perda de produção e aumento dos custos de utilidades devido aos deslocamentos da caldeira durante as inicializações de rotina. Os deslocamentos da caldeira eram causados por um erro na leitura do nível da caldeira de uma transmissão PD instalada com linhas de impulso. O transmissor de nível de PD foi calibrado para caldeiras operando com máxima pressão e temperatura. No entanto, durante a inicialização, quando a caldeira estava fria, as diferenças de densidade da água e da pressão nas linhas de impulso causavam erros nas leituras de nível de PD. A solução foi complementar a medição de PD com um radar de onda guiada Rosemount 5301, com compensação dinâmica de vapor. Com leituras de nível mais precisas durante todas as condições do processo, desde a inicialização até à saída completa, os deslocamentos da caldeira foram minimizados. Esta fábrica de papel agora desfruta de aumento da eficiência da caldeira, minimização dos desligamentos de processo não planejados e aumento da produção.

Trocadores de calor — previsão e detecção de obstrução Plantas de processamento podem ter centenas de trocadores de calor, que podem ser obstruídos ao longo do tempo, afetando diretamente a capacidade de produção, os custos de manutenção e o consumo de energia. A obstrução do permutador de calor pode ser acelerada por diversos fatores, incluindo sedimentação, corrosão, decomposição e cristalização. No entanto, devido à dificuldade e ao alto custo de monitoramento percebido em tempo real, muitos trocadores de calor só podem ser verificados periodicamente, durante as rondas de campo. Os operadores, utilizando métodos de medição visuais e manuais, são muitas vezes desafiados a identificar sinais de contaminação e, ao longo do tempo, ocorre o acúmulo. O acúmulo impede a transferência de calor, reduz a taxa de transferência e eleva o consumo de energia. Os custos de energia sobem quando a obstrução exige que mais calor seja fornecido para atender uma mudança de temperatura necessária.

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Não seria ótimo se você pudesse sustentar a capacidade de produção ideal e conter as perdas de energia em até 10% a cada ano, sabendo sempre com antecedência a hora de limpar os trocadores de calor? Ambos os resultados são possíveis com a utilização da solução de monitoramento das condições do permutador de calor da Emerson. Ela fornece medições de temperatura e pressão que são tendenciadas, abordadas e analisadas para alertar os operadores sobre possíveis problemas de obstrução ou projeto antes que eles surjam. Essas ferramentas fornecem aos seus operadores a transferência de calor calculada, o coeficiente de transferência de calor do trocador, fatores obstruentes e o custo de degradação; todas as informações que seus engenheiros necessitam para manter seus trocadores de calor funcionando com desempenho otimizado.

A solução de monitoramento da condição do permutador de calor da Emerson é construída em torno de instrumentos e softwares prontos para o uso. Os transmissores de pressão wireless Rosemount são utilizados para detectar o aumento da pressão diferencial entre os lados quente ou frio do permutador de calor, indicando que um determinado permutador necessita de limpeza. Os medidores de vazão por PD wireless Rosemount medem a vazão através de cada lado do permutador, para cálculos de transferência de calor e detecção de alta taxa de obstrução. Os transmissores de temperatura wireless multiponto Rosemount podem monitorar até quatro canais de temperatura, permitindo a medição dos diferenciais de temperatura de entrada/saída para os lados quente e frio do permutador. Um gateway wireless inteligente conecta redes auto-organizadas de instrumentos aos sistemas host e aos aplicativos de dados. O pacote Emerson AMS™: Os gráficos de ativos para operações fornecem, em tempo real, telas gráficas que indicam o funcionamento anormal, incluindo alta taxa de obstrução ou notificações de “limpeza necessária” do permutador.

A implementação do monitoramento das condições do permutador de calor pode melhorar seu planejamento de recuperação, permitindo o agendamento preciso das limpezas dos trocadores de calor mais obstruídos, a fim de sustentar a transferência de calor ideal e reduzir a perda de energia em até 10%.

O monitoramento das condições do permutador de calor tem produzido grandes resultados para as refinarias de petróleo. Em cada refinaria de petróleo existem centenas de trocadores de calor. A obstrução gradual dos trocadores de calor reduz a transferência de calor, tornando necessária uma maior queima de combustível. Eventualmente, o aquecedor bruto atingirá sua capacidade máxima, o que pode limitar a produção da refinaria e reduzir a qualidade do produto. A adição de instrumentos de pressão e temperatura wireless é econômica e de fácil implementação, e dá visibilidade aos operadores no desempenho do permutador de calor. Com o monitoramento das temperaturas de entrada e saída e os vazões de processo de ambos os lados, quente e frio, os operadores podem diminuir o uso de combustível e reduzir os custos de energia, bem como garantir a melhor utilização da unidade e a qualidade mais consistente do produto.

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Sistema de vapor — monitoramento de purgadores de vapor

A maioria das plantas industriais utiliza o calor do vapor para fornecer a energia que conduz os processos. Os componentes óbvios desse sistema de vapor são as caldeiras e as linhas de distribuição de vapor. Um componente crítico do sistema de vapor que é frequentemente esquecido são os purgadores de vapor — as válvulas mecânicas que deixam a água condensada fora de seu sistema, mantendo o vapor dentro. Uma grande planta pode ter milhares de purgadores de vapor distribuídos em todo o sistema de vapor.

Quando um purgador de vapor falha, isto pode acontecer de duas maneiras: aberto ou fechado. Um purgador de vapor aberto permite o vazamento do vapor, desperdiçando energia valiosa. Um purgador de vapor fechado permite que a água condensada se acumule no tubo de vapor, criando problemas de confiabilidade e causando eventos chamados “martelo de água” que podem danificar o sistema de vapor e qualquer equipamento conectado à planta. Purgadores de vapor têm uma vida útil média esperada de cerca de cinco anos, portanto, a substituição regular de purgadores defeituosos é essencial para o bom funcionamento de seu sistema de vapor.

Os purgadores de vapor defeituosos nem sempre são evidentes. Normalmente, eles são detectados durante rondas de inspeção manual, que são agendadas apenas uma vez por ano, ou até com menos frequência. Uma conta de energia elétrica típica de uma planta pode ser de US$ 20 milhões a US$ 30 milhões por ano, de acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos(1), “Em sistemas de vapor que não receberam manutenção por três a cinco anos, entre 15% e 30% dos purgadores instalados pode ter falhado, permitindo o escape de vapor vivo”.

O Rosemount 708 Transmissor acústico wireless, operando em uma rede wireless inteligente da Emerson, monitora continuamente os purgadores de vapor e identifica os purgadores defeituosos imediatamente. O dispositivo em si é não intrusivo e muito fácil de instalar: ele é simplesmente anexado ao tubo com cinta de fixação de aço inoxidável, acima do purgador de vapor. Pequeno e leve, este dispositivo pode ser facilmente instalado em locais apertados e áreas de risco. Recomendamos o monitoramento de todos os seus purgadores críticos: aqueles que têm alto potencial de perda de vapor, se houver falha ao abrir, e aqueles que desempenham um papel fundamental em seu processo. Os transmissores Rosemount 708 se auto-organizarão em uma rede que fornecerá informações em tempo real sobre as condições de seu sistema de vapor.

Na Barking Power, uma planta de geração de energia no Reino Unido, 35 transmissores acústicos foram instalados nos purgadores de vapor. Na primeira semana de operação, esta nova tecnologia identificou um vazamento a partir de um purgador de vapor do superaquecedor de alta pressão. O custo desse vazamento foi estimado em mais de € 1.400 (US$ 2.200) para cada 24 horas de operação. “Estes dispositivos nos dão um

1. Departamento de Energia dos Estados Unidos. Escritório de manutenção avançada. Eficiência energética e energia renovável. Ponta de vapor folha nº 1. DOE/GO-102012-3401. Janeiro de 2012. Arquivo PDF.

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retrato melhor do que está acontecendo”, disse Tony Turp, engenheiro sênior de controle. Ele também observou que a planta é agora mais capaz de usar seus recursos de manutenção, planejando reparos com antecedência. “No geral, temos melhorado a eficiência da planta, reduzido as perdas de vapor e melhorado a segurança e a produtividade do nosso pessoal”, disse Turp.

A empresa petroquímica sul-africana Sasol Technology instalou transmissores acústicos em 20 purgadores de vapor críticos, obtendo uma economia de custos de cerca de US$ 42.000 anuais. E, devido ao fato das inspeções manuais nesses purgadores estarem agora reduzidas a umas poucas por ano, a empresa também obteve uma economia de US$ 15.627 em custos anuais de manutenção. “Com o monitoramento acústico on-line, a usina agora recebe antecipadamente um aviso quando houver falha nos purgadores de vapor”, disse o Dr. André Joubert, gerente de sistemas de controle e instrumentação da Sasol. “No geral, os transmissores acústicos inteligentes são compensados em menos de três meses.”

Você não pode gerenciar o que não medeAcima estão vários casos em que as plantas industriais usaram melhores tecnologias de medição para economizar energia e, posteriormente, reduzir os custos operacionais. Uma fábrica de papel na Nova Inglaterra está economizando US$ 1 milhão por ano, acompanhando mais de perto o uso de vapor, ar e água. Na América do Sul, uma fábrica de produtos químicos está economizando US$ 750 mil por ano, usando uma maneira melhor de medir a vazão do seu ar comprimido. Nos Estados Unidos, uma fábrica de papel minimizou os deslocamentos da caldeira durante a ativação através de medições mais precisas do nível da caldeira. As refinarias de petróleo estão usando instrumentação wireless, fornecendo aos operadores a visibilidade sobre o desempenho do permutador de calor, para economia de combustível e maior qualidade do produto. Uma planta de geração de energia encontrou um vazamento no purgador de vapor que estava lhes custando US$ 2.200 por dia. E uma empresa petroquímica sul-africana economizou em torno de US$ 42.000 anualmente em custos de vapor instalando transmissores acústicos. A sua situação é única, mas a implementação de qualquer uma dessas cinco estratégias de medição levará você a economizar energia em sua planta.

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Para recursos adicionais sobre a utilização de medidas para aumentar a eficiência energética e confiabilidade em toda a planta, visite www.EmersonProcess.com/Rosemount-energy

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00870-0222-3001, Rev AB, Outubro de 2015

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