EVOLUZIONE DEGLI IMPIANTI
Importanza della digitalizzazione
Per motivi di economia di scala la realizzazione di impianti piu grandi comporta turbine, compressori, motori di azionamento ed equipaggiamenti sempre più complessi ed avanzati, con maggiore accuratezza progettuale per una costanza su sicurezza, operatività e affidabilità.
Occorrono tecnologie sempre migliorate per macchinari, strumentazione, controlli e monitoraggio delle prestazioni con i benefici dell’elettronica e della digitalizzazione.
Per apparecchiature e impianti notevoli sono le soluzioni disponibili incluso i Distributed Cotrol Systems (DCS). Il Remote Monitoring e Diagnostic consente poi di dare un contributo notevole per una Predictive Maintenance col supporto dell’Ingegneria della Manutenzione e quando necessario dei costruttori dei macchinari più importanti.
Interazioni nel ciclo attuativo
Gli aspetti fondamentali riguardano la realizzazione con macchinari ed equipment e la gestione operativa di esercizio, manutenzione, logistica e interfaccia col mercato. Oltre all’utilizzatore, licenziatari, società di ingegneria/costruzioni e fornitori di macchine, equipment e accessori vari devono essere collegati:
- nella fase di fornitura (Progettazione, Produzione)
- In cantiere (Installazione, Esercizio, Manutenzione, Logistica e Supervisione)
L’interazione tra OEM e utilizzatore crea le condizioni di efficienza, affidabilità, disponibilità ed una flessibilità per rispondere alle richieste variabili del mercato. Il contributo della digitalizzazione riguarda quindi tutta la supply chain dei costruttori e dei produttori con interfaccia di molti sistemi.
Design Through Analysis
Software, modelli più completi e flessibili consentono controlli immediati durante la fase progettuale per realizzare macchinari e componenti, senza interventi di un team di specialisti. Il design 3D offre un ulteriore supporto e nuove idee possono essere realizzate in breve tempo con un vantaggio competitivo. Tutti gli aspetti possono essere considerati tempestivamente per un esercizio sicuro ed affidabile. Environment, Healt and Safety (EHS) sono alla base di ogni progetto per identificare, valutare e ridurre i possibili rischi, in particolare in presenza di gas pericolosi, o infiammabili, come in raffineria e petrolchimica. Analisi strutturali sono una verifica della resistenza, ad esempio con Finite Element Analysis (FEA) di apparecchiature, tubazioni e strutture con eventuali analisi delle vibrazioni, significativi negli impianti di Low Density Polyethilene (LDPE). Simulazioni dinamiche evidenziano comportamenti anomali di impianti operanti con macchinari vari.
Modelli con Computational Fluid Dynamics (CFD) permettono di verificare i flussi effettivi, le soluzioni per fenomeni complessi, ad esempio per impianti di Liquified Natural Gas (LNG) o aspetti di efficienza energetica, nei turbocompressori.
SVILUPPI DELL’INFORMATICA
Il motivo per cui le iniziative sulla digitalizzazione emergono e sono destinate ad un’attenzione elevata, risiede nelle nuove tecnologie come Internet of Things (IoT). Quelle dell’industria 4.0, dei Big Data Analytics, Performance Computing e piattaforme IoT offrono la possibilità di sviluppare i Digital Twin. Questi rappresentano copie digitali di realtà e permettono una più facile interazione per verificare la funzionalità. Il Digital Twin è più avanti rispetto ai modelli convenzionali. È capace di riproduzioni digitali con elevata rispondenza alla realtà di prodotti, macchinari e processi. Simulare le macchine singole è l’inizio di questa tecnologia, la cui potenzialità si esprime nell’ottimizzazione virtuale di sistemi industriali (interazione con i Digital Twin di ogni componente) e processi di produzione.
I progettisti possono ridurre i tempi e i costi di attuazione, evidenziando i problemi prima che si manifestino e trovare soluzioni.
I Digital Twins sono la base per un posto di lavoro intelligente con una modellazione digitale. Il Digital Twin è realizzato con l’utilizzo di modelli digitali di ogni componente dell’impianto sia dal punto di vista fisico che funzionale. Accelera il processo di progettazione e permette di analizzare e ottimizzare: condizioni operative, prestazioni e produttività; rischi di fermate non previste e quindi manutenzione.
APPLICAZIONI IN O&G
La sfida digitale è iniziata. Per impianti, macchinari e prodotti complessi, includendo il processo, non sarà una cosa semplice, e occorrerà molto tempo per una realizzazione eventualmente completa. La base è data dalla disponibilità della documentazione in forma digitale, per un utilizzo migliore nella fase di progettazione e per un supporto più efficace durante l’esercizio. Non solo per lo scambio di informazioni e documentazione durante la fornitura, ma anche per l’identificazione di parti di ricambio, ed effettuazione di ordini, che consentono una immediatezza di comunicazione. Nell’O&G da molti anni, per rendere più più effettivo il supporto dell’OEM, esistono i Contract Service Agreements (CSA). In questo modo i macchinari definiti, grazie ai sensori installati, possono essere tenuti sotto controllo anche con attività di Remote Monitoring e Diagnostic (RMD) per un’ottimizzazione delle prestazioni e la previsione di eventuali fermate. È interesse dell’OEM per contenere i costi, e dell’utilizzatore per aumentare la disponibilità operativa. In altri casi il supporto dei fornitori può essere su specifica richiesta. La disponibilità di portali di accesso ad informazioni utili consente di risparmiare tempo nelle fasi di contatto tra fornitori e operativi che copre all’occorrenza un range più completo di assistenza. Per quanto riguarda lo stato di salute dei macchinari esistono applicazioni che possono essere acquistate dagli utilizzatori finali per uso autonomo, oppure per avere supporto dall’OEM dopo l’elaborazione ed infine utilizzate direttamente dal costruttore inviando i dati operativi. I principali fornitori di macchinari (turbine e compressori) ed impianti (Liquified Natural Gas, LDPE, Raffineria) sono impegnati nella digitalizzazione con l’obiettivo di tendere ad un utilizzo più esteso possibile del Digital Twin. Non sarà una cosa facile, ma occorre procedere in questa direzione. I nuovi progetti, con lo sviluppo digitale consistentemente acquisito, avranno vantaggi significativi, con benefici per tutto il ciclo di vita di ogni impianto. Per impianti esistenti si pone un problema per l’assistenza ed il service. Gli sforzi verso la realizzazione dei Digital Twin saranno piu elevati in funzione anche degli anni operativi. Per prodotti/processi più standardizzati e ripetitivi i vantaggi saranno raggiungibili in tempi brevi. Occorrerà iniziare dai macchinari o da componenti più significativi per un ritorno degli investimenti in tempi rapidi.
Ad esempio per impianti di Low Density Poly Ethylene (LDPE) si raggiungono pressioni crescenti fino ad oltre 300 MPa (vedi figura a pag. 26) per ottenere una reazioni con qualità dei polimeri corrispondente alle richieste del mercato.
I compressori alternativi sono tra le macchine più critiche, in questo caso con l’aggiunta della criticità collegata alle elevatissime pressioni. Un’indagine effettuata con vari utilizzatori ha messo in evidenza la possibilita di una riduzione di inconvenienti improvvisi del 30 %, con aumento notevole della disponibilità dell’intero impianto, grazie al supporto della digiltalizzazione. Le possibilità di fermata vanno ricercate nei seguenti componenti dell’impianto:
- ipercompressore 40 %
- impianto (reattore e tubazioni altissima pressione) 20 %
- Balance of Plant 20 %
- compressore primario di etilene 15 %
- compressore Booster 5 %
IMPATTI SULL’AIM
Nella realizzazione degli impianti industriali occorre considerare tutti gli aspetti relativi al ciclo di vita. L’Asset Integrity management (AIM) è una strategia prioritaria per il successo operativo e può contare sulle nuove tecnologie digitali.
Il gemello digitale ha origine nella fase di concepimento di macchine e impianti in modo che i progettisti possano simulare e validare la conformità delle caratteristiche dei prodotti ai requisiti del mercato. Occorrono sistemi di informazione integrati con uno scambio continuo di dati e potenti software che permetteranno la progettazione di macchine, sistemi e impianti e per considerare l’intera catena del valore e la relativa gestione.
Anche durante l’esercizio la rappresentazione virtuale di un prodotto, processo di produzione o prestazioni, consente di collegare le fasi interessate. Porta ad un miglioramento per efficienza, inconvenienti, cicli di sviluppo e opportunità commerciali, con un vantaggio competitivo.
Con macchine in rete e collegate con sistemi di livello superiore si possono gestire centralmente tutti i dati relativi a risorse e produzione.
Il monitoraggio continuo e l’analisi da parte di esperti porta ad un miglioramento di prestazioni dell’impianto. I dati sono visibili dalle varie funzioni aziendali, manageriali e operative per coordinare le azioni conseguenti. Ci sono vantaggi nella gestione degli approvvigionamenti, con benefici di costi inventario ed altri.
Si possono definire strategie di manutenzione predittiva; gestione dei magazzini delle parti di ricambio; emissione degli ordini. Programmi possono realizzare gemelli digitali di raffineria e impianti petrolchimici con utilizzo del cloud che permette di: ottenere i dati operativi dai DCS; estrarre ed elaborare i precedenti; considerare informazioni sui materiali e costi dell’energia.
Rispecchiando la realtà si evidenziano potenziali anomalie con vantaggi per l’avviamento e la manutenzione. Si riducono al minimo i periodi di inattività, pianificando opportunamente interventi di manutenzione predittiva per l’esercizio dell’impianto, ottimizzando: i costi degli interventi; disponibilità di ricambi e attrezzature; programmi di sicurezza. Così è possibile mitigare i rischi di interruzione del processo operativo che impatta apprezzabilmente la produttività.
CONCLUSIONI
L’Internet of Things (IoT) e Big Data Analytics stanno cambiando il mondo, come i Digital twin di prodotti o di processi. I progettisti devono essere pronti ad usare le nuove tecnologie dell’industria 4.0. La realizzazione completa richiede tempo, in funzione della complessità impiantistica. La trasformazione sarà significativa per l’economia produttiva dell’azienda.
La digitalizzazione è in ogni modo, anche a vari livelli di espletamento, un’opportunità per le attività industriali per aumentare efficienza, flessibilità, qualità dei prodotti e la personalizzazione dei processi.
Enzo Giacomelli, Compressor Consultant
