Meranie spotreby plynu v priemysle

Pre bežných koncových odberateľov je to tlaková úroveň 2 kPa, avšak pre odberateľov s potrebou vyššieho tlaku alebo množstva je to tlaková úroveň od cca 100 kPa až po stovky kPa. Keďže ide o rôzne tlakové úrovne a rôzne zloženie a výhrevnosť plynu, používajú sa aj rôzne meracie systémy a rôzne metódy na meranie odberu plynu. Pri nízkej tlakovej úrovni sa používajú iba bežné plynomery zabezpečujúce meranie iba pretečeného množstva plynu s výstupnou informáciou formou impulzov zodpovedajúcich odobratým metrom kubickým plynu. No pri vyššej tlakovej úrovni je nevyhnutné samotný odobratý objem pri danej tlakovej úrovni prepočítať na takzvané normokubíky plynu, t. j. odobraté množstvo plynu pri presne definovanom tlaku, teplote a zložení v zmysle príslušných noriem STN. Na takéto meranie už nestačí samotný plynomer, ako meradlo sa používa celá meracia zostava, ktorá okrem meradla objemu (napr. turbíny alebo iného meracieho systému) obsahuje aj snímač (absolútneho) tlaku a teploty, parametre samotného zloženia plynu a takzvaný prepočítavač plynu, t. j. inteligentné počítačové meradlo, ktoré na základe aktuálnych parametrov a prietoku vypočítava priebežne odobraté množstvo plynu v normokubíkoch.

Okrem uvedených typov merania sa v niektorých prípadoch používajú aj nepriame metódy merania, keď sa meria iba plynomerom, ale samotný prepočet sa realizuje dodatočne na základe nadmorskej výšky (určenie absolútneho tlaku), resp. teploty plynu v zmysle definícií príslušných noriem. Vždy je nevyhnutné uvedomiť si túto dôležitú skutočnosť, že každé meranie plynu, ktoré chceme vyhodnotiť alebo porovnať, musí byť nielen v rovnakých fyzikálnych jednotkách, ale aj prepočítané na rovnaké tlakové a teplotné podmienky.

Načo nám poslúžia údaje o meraní plynu

Keďže plyn je dopravovaný k odberateľovi pomocou potrubia distribučnej plynárenskej sústavy, je dôležité, aké potrubie je na mieste odberu a aká je kapacita samotného plynovodu, aby zabezpečila požiadavky daného odberateľa plynu. Tieto podmienky, ktoré sú definované v zmluve medzi dodávateľom a odberateľom plynu, treba priebežne kontrolovať a hlavne dodržiavať. V podmienkach zmluvy je napr. tlak na danom odbernom mieste, denné odoberané maximum a mnohé iné parametre, ktoré však majú vplyv aj na samotnú cenu plynu a zmenu tejto ceny podľa dodržiavania, resp. nedodržiavania týchto zmluvných podmienok. Ak napríklad chce odberateľ ušetriť a mať nižšiu cenu za odoberaný plyn, postačuje niekedy (podľa podmienok zmluvy) mať dohodnuté nižšie denné odoberané maximum. Na základe napríklad takýchto podmienok poznáme príklady z praxe, keď niektorí odberatelia ušetria pomocou priebežného on-line sledovania odberu plynu a zníženia odberu v správnom čase tak, aby neprekročili kontrolovanú hranicu. Takýmto spôsobom si potom dohodnú v zmluve nižšie maximálne odoberané množstvo za daný čas a znížia si tak celkovú cenu za plyn. Riešenia sú rôzne a závisia od konkrétnej technológie a jej možností.

Zaujímavé príklady z praxe:

  • Prípad odberateľa typu tzv. kúrenár: V areáli je použité vykurovanie plynom. Odberateľ zabezpečil on-line monitorovanie odberu plynu pomocou ktorého vypol, resp. znížil odber plynu v kritickom čase na kotloch vykurovania a využil tak tepelnú zotrvačnosť vykurovacej sústavy, ale tak, aby vykurované priestory boli ešte dostatočne vyhrievané.
  • Prípad odberateľa typu tzv. technológ: Odberateľ zabezpečil on-line monitorovanie odberu plynu, pomocou ktorého vypol v technologickej peci časť plynových horákov, aby sa neprekročilo maximum odberu. Počet vypínaných horákov prepočítal podľa aktuálneho stavu na linke, čo síce spôsobilo spomalenie výrobného procesu, ale to bolo iba krátkodobé a celkove to spôsobilo oveľa nižšiu finančnú stratu vo výrobe, ako sa ušetrilo znížením odoberaného maxima plynu.
  • Všeobecné pravidlo pre odber plynu:
    Bez ohľadu na to, akú máme technológiu využívajúcu plyn, platí, že musíme poznať svoje odbery nielen v čase, keď dostaneme faktúru, ale priebežne, t. j. ako sa využíva odber v čase a ako ho využívajú naše plynové zariadenia. Niekedy stačí sledovať odber dodatočne po ukončení plynárenského dňa, ale vo väčšine prípadov to pomôže iba vtedy, keď máme prehľad o svojich odberoch v reálnom čase a vieme tak sledovať efektivitu využitia plynu a ak je to možné, aj ovplyvniť jeho odber. Často sa stáva, že po zmapovaní technológie a jej odberoch v čase, a to v priebehu dlhšieho obdobia zistíme, že kritická situácia v odbere nastáva iba niekoľkokrát do roka alebo iba za určitých nepriaznivých okolností, ktoré vieme minimalizovať.

Samozrejme, že musíme k takýmto opatreniam pristupovať individuálne a s najvyššou opatrnosťou a riešiť to vždy metódou postupných krokov a podrobným poznaním svojej technológie. Platí všeobecné pravidlo, že šetriť môžeme pri odbere akejkoľvek energie iba vtedy, keď vieme, koľko jej odoberáme v danom čase a podľa možnosti aj v akej časti technologického procesu. Ak chceme ušetriť a mať odber energií pod kontrolou, musíme mať realizované nielen monitorovanie odberov elektrickej energie, ale aj plynu.

Zber dát v plynárenskom priemysle na Slovensku

Distribúciu plynu na Slovensku zabezpečuje SPP – Distribúcia, a. s., pomocou plynovodov, ktoré sú vybudované na väčšine územia Slovenska. Slovensko patrí všeobecne medzi krajiny s vysokou plynofikáciou územia. Na meranie odberu plynu u jednotlivých odberateľov inštaluje SPP – D rôzne typy obchodných meradiel v závislosti od množstva odoberaného plynu a jeho tlakovej úrovne. U najväčších odberateľov, t. j. kategória veľkoodberateľ (VO), sa z meradiel, čiže prepočítavačov plynu prenášajú údaje o odbere denne pomocou telemetrických systémov s GSM prenosom údajov do informačných systémov SPP – D, kde sa pomocou webového prístupu zobrazujú odberateľom po uzatvorení plynárenského dňa, t. j. off-line na druhý deň. V kategórii s nižším odberom pre tzv. stredoodberateľov plynu (SO), ktorých je celkove niekoľkonásobne viac, realizuje SPP – D diaľkové odpočty z meradiel – prepočítavačov plynu pomocou telemetrických systémov s GSM prenosom údajov niekoľkokrát mesačne a po uzatvorení mesiaca ich zobrazujú odberateľom cez web. Rozdiel medzi telemetrickým systémom zabezpečujúcim odčítavanie meradiel a prenos údajov veľkoodberateľa a stredoodberateľa je okrem iného v tom, ako často prenášajú údaje, aj v tom, že u veľkoodberateľa sú telemetrický systém aj obchodné meradlo napájané zo zdroja 230 V, aby mohli byť časté odpočty, a u stredoodberateľa sú meradlo aj telemetria napájané iba z batérií, a preto sú aj prenosy menej časté. Okrem kategórie veľko- a stredoodberu je najväčšia kategória odberov takzvaný maloodber (MO) v priemysle (nie obyvateľstvo). Tu väčšinou ide o najnižšiu tlakovú úroveň a ako meradlá sú použité väčšinou plynomery, ktoré sa diaľkovo nemonitorujú (monitorovanie je iba v minimálnom množstve) a odpočty sa robia osobným odpočtom raz alebo niekoľkokrát do roka.

Ak potrebuje mať samotný odberateľ plynu údaje o svojom odbere k dispozícii on-line, má v týchto prípadoch nasledujúce možnosti:

  • A. Ak sme odberateľ SPP – D, či už v kategórii veľko-, stredo- alebo maloodberu, môžeme si zabezpečiť vlastné, tzv. podružné meradlo, ktoré bude slúžiť na okamžitú kontrolu odberu a v prípade potreby aj jeho on-line reguláciu. Výhodou tohto riešenia je, že je úplne nezávislé od dodávateľa plynu a realizovať sa dá v časti technológie, kde je konkrétna potreba napr. regulácie odberu. Nevýhodou je však jeho cena, potrebný zásah do technológie (potrebná úprava rozvodov plynu) a hlavne to, že údaje z takéhoto podružného merania nebudú nikdy zhodné s údajmi z obchodného meradla SPP – D (vzhľadom na číselné aj časové rozdiely v meraní). V takýchto prípadoch sa potom nemožno odvolávať na údaje z vlastného merania a v prípade nedodržania zmluvných podmienok platia údaje z meradla SPP – D. Ak potrebujeme iba regulovať odber a nekontrolujeme samotné zmluvné podmienky ako celok, je takéto riešenie postačujúce.
  • B. Ak potrebujeme kontrolovať obchodné meradlo v kategórii veľkoodber (VO), SPP – D umožňuje odberateľovi pripojiť sa na jeho telemetrický systém, získavať z neho obchodné informácie zhodné s informáciami použitými na fakturáciu a načítavať ich každých 10 minút. Odberateľ však musí dodržať predpísané obchodné a technické podmienky pre konkrétne pripojenie, ktoré sú zverejnené na stránkach SPP – D a celé riešenie musí byť projektovo a realizačne vopred odsúhlasené. Ide teda o paralelný prenos údajov pre samotného odberateľa (PPU). Veľkou výhodou je, že odberateľ má údaje nie po ukončení plynárenského dňa, ale každých 10 minút on-line (obr. 1).
  • C. Ak potrebujeme kontrolovať obchodné meradlo v kategórii stredoodber (SO), SPP – D opäť umožňuje odberateľovi pripojiť sa na jeho telemetrický systém a získavať z neho obchodné informácie ako v kategórii veľkoodber, avšak odberateľ musí zabezpečiť na vlastné náklady elektrické napájanie 230 V pre celú zostavu, t. j. pre meradlo aj pre telemetrický systém SPP – D. Pre toto riešenie platia tiež predpísané obchodné a technické podmienky, ktoré musia zahŕňať aj preloženie telemetrického systému SPP – D mimo zóny Ex (mimo prostredie s nebezpečenstvom výbuchu plynu) a napájanie pre prepočítavač. Výsledkom je potom možnosť mať k dispozícii svoje podrobné obchodné údaje každých 10 minút (obr. 2).
  • D. Ak máme odberné miesto v kategórii maloodber (MO), pravdepodobne tam nemáme žiadny telemetrický systém SPP – D, avšak samotné obchodné meradlo patrí SPP – D, takže si tam nemôžeme svojvoľne namontovať diaľkový odpočet plynu. Rovnako ako v predchádzajúcich prípadoch musíme požiadať SPP – D o možnosť diaľkového odpočtu pre dané odberné miesto s tým, že ak nám ho povolia za predpísaných obchodných a technických podmienok, tak si budeme môcť na vlastné náklady inštalovať schválený telemetrický systém na diaľkový odpočet, avšak merané údaje bude potrebné posielať denne elektronicky aj SPP – D, aby sa zabezpečilo zhodné odčítavanie obchodného meradla (obr. 3).
  • E. Ak máme odberné miesto, ktoré nepatrí priamo SPP – D., t. j. ak je dodávateľ plynu samotný majiteľ areálu a je veľko- alebo stredoodberateľom plynu, nemusí nám inštaláciu odsúhlasiť SPP – D, ale potrebujeme dohodnúť kontrolu odpočtu s lokálnym dodávateľom plynu. Musíme však pamätať na to, že ak na meranie používame plynomer alebo prepočítavač plynu, musíme sa pripojiť s telemetrickým systémom za podobných technických podmienok, ako sa to realizuje na meradlách SPP – D, nakoľko ide o rovnaké technické zariadenia a platia všeobecné obchodné pravidlá v zmysle platnej legislatívy aj nariadení URSO.
  • F. Ak máme iba vlastné meradlá plynu v rámci technológie a nejde o vstupné dodávateľské meranie, nepotrebujeme žiadne odsúhlasenie, musíme však použiť vhodné technické riešenie v zmysle platnej legislatívy, nakoľko môže ísť o prostredie Ex zóna 2 a podľa toho treba celé riešenie realizovať v súlade s protokolom o určení prostredia v nadväznosti na to, na akej tlakovej úrovni máme samotné meradlo plynu a aké máme realizované samotné rozvody plynu. Musíme však pamätať na to, že ak na meranie používame plynomer alebo prepočítavač plynu, musíme sa pripojiť k telemetrickému systému za podobných technických podmienok, ako sa to realizuje na meradlách SPP – D, nakoľko ide o rovnaké technické zariadenie. Samotné prepočítavače plynu používajú rôzne komunikačné protokoly aj rôzne technické rozhrania v zmysle noriem pre prostredie Ex, preto na to treba prihliadať a dodržiavať platnú legislatívu (normy, vyhlášky aj nariadenia vlády) a nevyhnutné technické podmienky pre prostredie s nebezpečenstvom výbuchu plynu.

Mimo uvedených technických riešení sa začínajú využívať aj samotné meradlá s integrovaným prenosovým systémom, avšak takéto riešenia sú iba na začiatku svojho využívania a budú sa inštalovať postupne, pravdepodobne až po morálnom a technickom dožití existujúcich meracích a prenosových zostáv a pri postupnej obnove obchodných meradiel.

Spôsob, ako a kde bude prenášať odberateľ plynu (VO, resp. SO) získané obchodné informácie formou PPU alebo z plynomeru (MO), je na ňom, ale možno to realizovať aj pomocou hotových technických riešení, ktoré sú už odsúhlasené zo strany SPP – D a riešia celú prenosovú trasu vrátane zobrazovania údajov bez potreby vlastného servera alebo aj s prepojením na informačný systém odberateľa plynu. Ak má odberateľ plynu vlastný systém SCADA alebo iný informačný či riadiaci IT systém alebo vlastný dispečing, možno tieto údaje prenášať aj do týchto systémov. Tieto schválené riešenia PPU už využívajú stovky odberateľov plynu na Slovensku a možno sa o nich informovať aj priamo u zástupcov SPP – D v lokálnych centrách. Príklad diaľkových odpočtov PPU so zobrazením meraných výsledkov na webovom energetickom portáli je na obr. 4. Okrem týchto riešení je v súčasnosti na trhu aj množstvo ďalších dodávateľov, ktorí realizujú komplexné riešenia na diaľkové odpočty energií, avšak musíme pritom dodržať podmienky zo strany dodávateľa plynu, aby sme mohli realizovať aj reálnu kontrolu a šetrenie a vždy to spojili aj s obchodným meradlom.

Prenosové komunikačné trasy

Na samotný prenos údajov sa v drvivej väčšine v SPP – D aj u väčšiny odberateľov plynu využívajú prenosové trasy GSM, pričom v poslednom čase sa už začínajú testovať a využívať aj iné komunikačné možnosti na báze IoT riešení. Musím však pripomenúť, že pri prenose dôležitých údajov a hlavne pri potrebe obojstranného prenosu informácií z odberných miest v kategórii VO a SO odberateľov nie je vždy vhodné využívať IoT riešenia v nelicencovanom pásme. Nie je to iba problém pokrytia signálom, ide aj o spoľahlivosť a zaručený čas prenosu v prípade dopravy obchodných informácií slúžiacich na fakturáciu alebo reguláciu odberu u samotného odberateľa. Ďalším dôvodom vyšších nárokov na prenosovú sieť je aj potreba obojsmernej komunikácie a prenosu väčšieho množstva dát z dôvodu potreby možnej diaľkovej výmeny softvérového vybavenia odpočtových telemetrických systémov, ako aj diaľkovej zmeny ich konfigurácie či úprav alebo doplnenia komunikačných protokolov pri výmene meradiel za novšie typy a podobne.

Preto na základe našich skúseností odporúčame využitie hlavne GSM sietí v licencovanom pásme, ktoré poskytujú aj TCP/IP komunikáciu, čím umožníme aj priame prepojenie s IT sieťou samotného odberateľa plynu. Okrem bezdrôtového prenosu dát z meradiel možno realizovať prenos aj využitím káblových trás v rôznych priemyselných štandardoch, no ak ide o rozsiahlejší areál, najlacnejším riešením je využitie samotnej GSM siete, pričom vybudovanie takéhoto systému je najrýchlejšie aj najlacnejšie. Využitie IoT siete v nelicencovanom pásme alebo využitie WiFi siete na prenos dát neodporúčame, nakoľko vo väčšine technologických procesov samotné priemyselné zarušenie prostredia neumožňuje kvalitný a spoľahlivý prenos takýchto údajov. Jednou z výhodných možností využitia káblových trás je lokálny zber údajov zo zariadení nachádzajúcich sa v blízkosti telemetrického systému a až potom ich prenos GSM trasou na nadradený systém.

Príklad monitorovania spotreby plynu v rozsiahlom areáli

V predchádzajúcom texte sme stručne opísali, ako sa monitorujú jednotlivé odberné miesta plynu podľa kategórie odberu (veľkosti odberu – VO, SO, MO, lokálne plynové zariadenia), ako sa vieme dostať k údajom z obchodných meradiel SPP – D, aké typy meradiel a merania sa v praxi realizujú a aké prenosové trasy sú najvhodnejšie v rámci priemyselného využitia. Teraz opíšeme možnosti konkrétnej aplikácie z praxe, ako možno merať a kontrolovať jednotlivé odbery plynu a jednotlivé plynové zariadenia v rámci rozsiahleho areálu, ktorý tvorí jeden veľkoodberateľ a jeden stredoodberateľ plynu, pričom z týchto dvoch odberných miest plynu je zásobovaných viacero lokálnych menších odberateľov v rámci daného areálu. Meracie rozhrania týchto odberateľov tvoria plynomery, nakoľko sú už na nižšej tlakovej úrovni a jedno odberné miesto s vyšším tlakom používa na meranie prepočítavač plynu. Riešenie je načrtnuté na obr. 5.

Postup realizácie bol nasledujúci:

  • S cieľom získania údajov o celkovom nákupe plynu a kontroly zmluvne dohodnutých parametrov požiadal VO aj SO odberateľ o povolenie paralelného prenosu údajov zo svojich obchodných meradiel a na základe technických podmienok SPP – D zabezpečil monitorovanie týchto meradiel s prenosom údajov na poskytnutý webový energetický portál cez GSM sieť.
  • Ďalším krokom bolo postupné osadenie všetkých podružných meraní, t. j. plynomerov aj prepočítavača, pre jednotlivých odberateľov telemetrickým odpočtovým systémom, ktorý zabezpečuje prenos všetkých meraných údajov GSM prenosom na rovnaký energetický portál.
  • Na energetickom portáli sa nakonfigurovali reporty a zostavy v požadovanej štruktúre o jednotlivých odberoch, hodinovom, dennom a mesačnom množstve, nastavilo sa sledovanie kontrolovaných hraníc a ďalšie reporty a štruktúry opisujúce celú sledovanú technológiu tak, aby bolo možné podrobne sledovať odber plynu a jednotlivé parametre všetkých odberateľov.
  • Všetkým odberateľom sa vytvorili prístupové kontá, aby mohli sledovať svoje údaje o odberoch aj údaje o odbere svojich zariadení a aby sa im zároveň posielali automatizované reporty na vyhodnotenie energetickej bilancie.
  • Pri vybraných odberateľoch sa nastavilo stráženie hraníc s automatizovaným posielaním SMS pri hrozbe prekročenia denného maxima.
  • Pri vybraných sledovaných zariadeniach sa nastavilo stráženie hraníc, na základe ktorého bola upravená regulácia odberu.

Celé riešenie bolo postupne vybudované pre všetkých odberateľov v danom areáli. Po jeho overení využitím funkcií energetického portálu, kde možno sledovať a vyhodnocovať všetky namerané údaje od všetkých odberateľov vrátane nákupu plynu VO a SO, bolo riešenie rozšírené o priame pripojenie informačných systémov odberateľov. Dvaja odberatelia mali vlastný systém SCADA a jeden odberateľ vlastný dispečing, čo bolo tiež potrebné pripojiť na zber údajov. Na pripojenie poskytol webový energetický portál takzvanú webovú službu, pomocou ktorej mohli príslušné systémy SCADA a jeden IT systém inštalovaný na dispečingu zabezpečiť on-line načítavanie meraných údajov z databázy energetického portálu.

Po zrealizovaní monitorovania odberov plynu rozšírili niektorí odberatelia požiadavku aj na obdobné monitorovanie odberov elektrickej energie a vody, aby mohli cez energetický portál sledovať a vyhodnocovať všetky svoje energie na jednom mieste.

Veľkou výhodou zberu údajov do jedného spoločného energetického portálu je možnosť postupne pripájať sledované odberné miesta a tak postupne budovať celý systém. Ako samotný energetický webový portál možno využiť technické riešenie poskytované v rámci diaľkových odpočtov energií mnohými firmami, pričom niektoré portály majú takéto služby platené a niektoré ich poskytujú v rámci celkových dodávok systémov aj zdarma. Samozrejme, ak má odberateľ plynu vlastný informačný systém alebo SCADA, možno nasmerovať odpočty meradiel aj priamo do takéhoto systému.

Záver

Realizovať diaľkový zber údajov z meradiel energií je dnes relatívne jednoduché. Dôležité je však stanoviť si, čo chceme dosiahnuť týmto zberom údajov a ich vyhodnocovaním. Jednoznačne platí, že ušetriť sa dá stále, ale najprv musíme dobre poznať svoj technologický proces a jeho energetické nároky a odbery v reálnom čase.

Ing. Jozef Nagy
nagy@sct.sk