Duslo, a. s., patrí k najväčším a najvýznamnejším spoločnostiam chemického priemyslu na Slovensku. Počas svojej histórie sa vyprofilovalo na výrobcu hnojív európskeho významu a globálneho dodávateľa gumárskych chemikálií. Okrem hnojív a gumárskych chemikálií vyrába polyvinylacetátové a polyakrylátové lepidlá, disperzie a ďalšie špeciálne produkty chemickej výroby. Duslo je vzhľadom na charakter svojich výrobných technológií aj najväčším odberateľom zemného plynu, pričom spotrebúva približne 10 % celkovej spotreby zemného plynu na Slovensku.

Zmodernizovaný základný kameň Dusla

V rámci technologických procesov v spoločnosti Duslo, a. s., je čpavok základnou vstupnou surovinou na výrobu anorganických hnojív, ktoré tvoria jeden z nosných vyrábaných produktov. V roku 1973 spustil podnik v poradí tretiu výrobu čpavku v prevádzke s názvom Čpavok 3. Pôvodný výkon na úrovni 1 000 ton/deň bol po intenzifikácii a vylepšení technológie v roku 2007 zvýšený na 1 300 ton/deň. Prevádzka si pre morálnu zastaranosť vyžadovala každoročne nemalé prostriedky na svoju údržbu, pričom prevádzková spoľahlivosť bola tiež na hranici. „Výroba čpavku vyžaduje na svoj nábeh a prevádzku veľké množstvo energie, najmä vo forme zemného plynu, a preto je dôležité, aby bol technologický proces zvládnutý čo najefektívnejšie a optimálne,“ vysvetľuje na úvod nášho stretnutia Igor Gál, vedúci odboru technického rozvoja, úsek výroby Anorganika v Duslo, a. s. Na základe vnútropodnikových bilancií jednotlivých technológií bolo rozhodnuté o navýšení dovtedy existujúcej kapacity výroby čpavku. To všetko boli teda dôvody, prečo sa vedenie spoločnosti rozhodlo schváliť výstavbu novej prevádzky s nominálnou výrobnou kapacitou 1 600 ton/deň.

Projekt bol realizovaný ako kontrakt EPC s firmou Technip Italy, S.p.A. na základe licencie technológie Haldor Topsoe. Práce sa začali ihneď po podpise kontraktu v októbri 2014, pričom ukončenie individuálnych a komplexných skúšok a ready for start-up protokol bol podpísaný vo februári 2018. Dielo bolo prebraté po úspešnom garančnom chode a splnení garantovaných parametrov v júli toho istého roku a odvtedy je úspešne v prevádzke. Okrem samotnej jednotky výroby čpavku bolo potrebné vybudovať aj nové chladiace veže na dodávku chladiacej vody a hospodárstvo spracovania kondenzátov. Vzhľadom na veľkosť a technologickú náročnosť celej investície sa na realizácii a spustení projektu podieľali viacerí odborní pracovníci z Duslo, a. s., ktorí boli členmi realizačného tímu. Samotný výrobný proces vychádza zo základných vstupných surovín, ako je zemný plyn, vzduch a voda. „Výrobňa sa skladá z viacerých technologických celkov, z ktorých ako základné treba uviesť prípravu syntézneho plynu, syntézu amoniaku, kompresiu plynov, spätné získavanie vodíka a čpavku, prípravu napájacej vody a technologickej pary,“ hovorí I. Gál.

Automatizácia ako základ efektívnej a bezpečnej prevádzky

Procesy, ktoré prebiehajú v rámci výroby čpavku a výrobných technológií Čpavok 4, patria medzi najzložitejšie v anorganickej chémii. Správny a efektívny priebeh procesov, bezpečnosť aj ochranu životného prostredia má preto pod taktovkou sofistikovaná automatizácia, najmodernejšie riadiace a bezpečnostné systémy či veľmi presné a spoľahlivé prevádzkové meracie prístroje a akčné členy. „Riadenie jednotlivých výrobných a podporných technológií v prevádzke Čpavok 4 zabezpečujú štyri systémy od spoločnosti Schneider Electric – hlavný decentralizovaný riadiaci systém (DCS) Foxboro Evo, bezpečnostný riadiaci systém Triconex (ESD), systém detekcie úniku plynu (GDS) a systém riadenia spaľovacieho procesu,“ vysvetľuje Ing. Jaroslav Széplaky, technický pracovník z Odboru investičnej výstavby.

Procesory systému DCS sú dimenzované na zvládnutie 28 000 blokov, čo z neho robí najrozsiahlejší riadiaci systém v rámci Dusla. DCS je primárne určený na riadenie a dohliadanie, pričom v miestnosti riadenia sa nachádzajú štyri operátorské stanice so štyrmi samostatnými monitormi. Ďalšie dve stanice sú určené na vizualizáciu procesov na videostenu zloženú z ďalších ôsmich veľkoplošných obrazoviek, kde si operátori môžu voliť, čo sa bude zobrazovať. „Vizualizácia na operátorských staniciach aj na videostene bola spracovaná v súlade s normou ISO 101, ktorá uprednostňuje zobrazovanie v odtieňoch sivej vrátane zobrazovania procesných médií, na čo si museli operátori chvíľu zvykať,“ konštatuje J. Széplaky. Farebne sa zobrazujú len neštandardné stavy, ktorým je podľa ich závažnosti priradená vopred definovaná farba. V rámci Dusla ide o unikátne riešenie, ktoré odporučil aj samotný výrobca riadiaceho systému, ale ktorý si na základe záverov viacerých nezávislých štúdií zvolili aj pracovníci Dusla. Tie hovoria o tom, že v prípade obrazoviek v odtieňoch sivej je reakčný čas na zdetegovanie neštandardnej situácie o 40 % kratší ako v prípade obrazovky farebnej.

Systém ESD Foxboro Triconex s trojitou redundanciou na úrovni procesorov aj zberníc je tiež od spoločnosti Schneider Electric. Skenuje prichádzajúce signály s periódou 250 ms a zabezpečuje ich porovnanie a vyhodnotenie. V prípade výskytu neštandardných stavov zabezpečí bezpečné odstavenie technológie. Systém je natívne integrovaný so štandardom samoorganizujúcej sa siete – Mesh Control Network. Komunikačné karty majú v tomto prípade vlastné procesory DCS, ktoré na rozdiel od štandardných komunikačných kariet bez procesora dokážu prenášať až do 4 000 bodov. Systém ESD je certifikovaný v súlade so štandardom SIL, pričom v samotnej prevádzke sa nachádza niekoľko obvodov zaradených až do kategórie SIL3. Práve J. Száplaky je zároveň certifikovaným bezpečnostným technikom pre SIL. „V rámci prípravy projektu som spolu s kolegami participoval na spracúvaní štúdií HAZOP a LOPA ako východísk na návrh jednotlivých bezpečnostných obvodov a technológií. Aj spoločnosť Technip Italy delegovala do tímu na spracovanie štúdií svojho špecialistu, ktorý nezávisle od iných skutočností veľmi profesionálne posudzoval otázky celkovej bezpečnosti,“ vysvetľuje J. Széplaky. V miestnosti riadenia sa nachádzajú dva blokačné panely, z ktorých jeden je určený na manuálne vyvolanie blokád v rámci systému ESD a jeden pre systém DCS. Aktivácia jednotlivých blokád je signalizovaná rozsvietením príslušného tlačidla. Niektoré blokády sú definované pre lokálne zariadenia alebo stroje, iné sú vyššej úrovne, ktoré odstavujú celú technológiu.

Operátori dokážu v prípade potreby vykonania údržby, príp. servisného zásahu premostiť jeden z troch bezpečnostných meracích kanálov pomocou systému Maintenance Override, ktorý bol koncipovaný v súlade s normou IEC 61508 a IEC 61511. Podobná filozofia bola aplikovaná aj na blokády v rámci systému DCS, kde tieto možnosti boli vyriešené pomocou Process Override Switch (POS).

V rámci systému GDS je v priestore prevádzky, vnútra budovy či samotnej miestnosti riadenia rozmiestnených približne 50 snímačov na meranie prítomnosti a koncentrácie rôznych plynov. Systém GDS je v rámci architektúry riadenia súčasťou bezpečnostného riadiaceho systému, pričom snímané údaje sa zobrazujú na operátorských staniciach v miestnosti riadenia. V prípade výskytu nebezpečnej situácie je navyše systém GDS prepojený aj so systémom verejných hlášok PAS (Public Announcement System). Podľa typu vzniknutej udalosti zabezpečí pomocou vnútropodnikových zvukových zariadení odvysielanie správ a hlásení, ktoré informujú zamestnancov nielen o vzniknutej situácii, ale aj o ďalšom postupe, ktorý musia dodržať. Systém GDS je paralelne prepojený aj so systémom na monitorovanie úniku plynu v rámci celého podniku lokalizovanom v riadiacej dozorni dispečingu u hasičov.

Systém na riadenie spaľovacieho procesu, ktorý sa využíva pri nábehu a prevádzke pece primárneho reformingu, je tiež prepojený s hlavným systémom DCS. Súčasťou systému GDS je aj záplavový systém, ktorý v prípade výskytu havarijnej situácie v podobe úniku plynu či požiaru v priestoroch strojovne skropí kompresory vodou.

V prevádzke sa nachádzajú aj tri miesta s ovládacím panelom a telefónnym spojením vo vyhotovení do prostredia s nebezpečenstvom výbuchu. Pomocou nich dokážu prevádzkoví pracovníci komunikovať s miestnosťou riadenia, medzi jednotlivými telefónnymi miestami navzájom, ako aj s jednotlivými zónami.

Balené jednotky

V rámci prevádzky Čpavok 4 sa vyskytujú aj ďalšie technologické zariadenia, tzv. balené jednotky so svojimi vlastnými dedikovanými riadiacimi systémami, ktoré boli pomocou redundantnej zbernice Modbus TCP prepojené so systémom DCS, príp. podľa potreby s ESD. Každá balená jednotka má dedikované komunikačné rozhranie a redundantné komunikačné moduly kvôli zaisteniu vyššej dostupnosti pri vzniku poruchy. Medzi DCS a balenými jednotkami sa komunikuje okolo 3 600 signálov. K baleným jednotkám patria napr. tri kompresory Nuovo Pignone (General Electric) s riadiacim systémom Mark 6 a systémom ESD Mark 6S, ktoré fungujú autonómne, pričom sú komunikačne prepojené s hlavným systémom DCS aj ESD. Ďalšou samostatnou jednotkou je kompresor na zemný plyn s vlastným chybovo bezpečnostným riadiacim systémom Simatic S7-400FH, jednotka na spätné získavanie vodíka tiež s vlastným riadiacim systémom a pod.

Rýchle a efektívne zaškolenie nových operátorov

Paralelne je k systému DCS v rámci Dusla nainštalovaný aj offline simulátor – prevádzkový trenažér, ktorý tvorí kópia systému DCS spolu s operátorskými a inžinierskymi stanicami. V rámci systému DYNSIM je vytvorený kompletný model celej prevádzky, riadiaca logika balených jednotiek a pod. „Na tomto systéme prebiehalo preškolenie operátorov pred nábehom novej prevádzky. Systém sa priebežne využíva aj na simuláciu rôznych prevádzkových procesov, na ktorých sa operátori učia riešiť vzniknuté situácie,“ vysvetľuje J. Széplaky.

Vibrodiagnostika odhalí blížiaci sa problém

Aby operátori a pracovníci údržby dokázali sledovať stav jednotlivých, hlavne rotačných zariadení, bol nasadený aj sofistikovaný systém na sledovanie a vyhodnocovanie vibrácií od spoločnosti Bentley Nevada. „Online sledovanie a vyhodnocovanie vibrácií zabezpečuje tzv. monitorovací Systém 1, ktorý umožňuje pracovníkom oddelenia vibrodiagnostiky prostredníctvom vzdialeného prístupu sledovať údaje o všetkých strojoch pripojených do tohto systému. V prípade vzniku neštandardnej situácie sa spustí vysokorýchlostné nahrávanie sledovaných údajov,“ vysvetľuje Ing. Gabriel Zsilinszki z odboru podpory a rozvoja údržby. Okrem toho sa pochôdzkovým spôsobom vykonáva aj termovízna diagnostika, keď sa minimálne jedenkrát za rok skontrolujú všetky rozvodne. V technologickom uzle reformingu, kde procesný plyn dosahuje najvyššiu teplotu, sú rozvodné potrubia natreté teplocitlivou farbou, čo tiež umožňuje jednoduchú a rýchlu vizuálnu kontrolu poruchy, resp. netesnosti.

Základný kameň medzi výrobnými prevádzkami – Čpavok 4 je priemyselnými zbernicami Modbus TCP a OPC komunikačne prepojený aj s ďalšími podpornými technológiami, ako je napr. chladiace centrum, úpravňa kondenzátu, tepláreň, skladové hospodárstvo či kyslikáreň.

Presné a spoľahlivé meranie v náročnom prostredí

Veľká časť prevádzky Čpavok 4 je zaradená do kategórie prostredia s potenciálnym nebezpečenstvom vzniku výbuchu a rozdelená do viacerých zón. Táto skutočnosť bola zohľadnená aj pri výbere prevádzkových prístrojov na meranie prietoku, tlaku, teploty aj výšky hladiny, pričom pri meraní tlaku, prietoku či výšky hladiny sa vo väčšine prípadov využíva princíp tlakovej diferencie. Na všetkých prístrojoch sú použité oddeľovacie bariéry od spoločnosti MTL. Celá meracia slučka vrátane káblovania prístrojov je navrhnutá na použitie v prostredí Ex. Väčšinu prístrojov umiestnených v prevádzke alebo v balených jednotkách dodala spoločnosť Emerson Process Management, regulačné armatúry sú od spoločnosti Flowserve. Prevádzkové meracie prístroje využívajú komunikačný protokol HART rev. 7, ktorý umožňuje realizovať diagnostické postupy či snímanie polohy regulačných ventilov cez slučku 4 – 20 mA. Vďaka tomu sa podarilo eliminovať množstvo kabeláže a samostatných 4 – 20 mA slučiek. Na komunikáciu a vizualizáciu stavu prevádzkových prístrojov sa využíva systém AMS od spoločnosti Emerson Process Management. Systém periodicky skenuje pripojené prístroje a okrem iného sleduje a vyhodnocuje alarmové hlásenia zasielané samotnými prístrojmi, čo pracovníkom údržby umožňuje prediktívne vyhodnocovať stav jednotlivých prístrojov. Okrem toho možno pomocou systému AMS detegovať správnu funkčnosť všetkých inštalovaných blokád bez toho, aby ich bolo potrebné fyzicky simulovať ručným komunikátorom priamo na mieste inštalácie.

Prostredie výroby čpavku je zaradené z hľadiska stupňa korozívnej agresivity do kategórie C 5-I – priestory s vysokou vlhkosťou a agresívnym prostredím. Tomu zodpovedal aj výber materiálov a vyhotovenie prevádzkových meracích prístrojov. V prípade veľmi vysokej teploty je elektronika meracieho prístroja umiestnená na oddelenom mieste. Kalibrácia prevádzkových prístrojov sa uskutočňuje pomocou ručných komunikátorov AMS Trex od spoločnosti Emerson Process Management opäť s vyhotovením do prostredia s potenciálnym nebezpečenstvom výbuchu. Výhodou je, že komunikátor poskytuje aj napájanie pre prístroje, nie je teda potrebné ich odinštalovanie z prevádzky kvôli diagnostike či kalibrácii.

Kybernetická bezpečnosť

V rámci odvetvia chemického priemyslu ide o veľmi aktuálnu tému a Duslo sa ňou aktívne zaoberá. Z pohľadu prevádzky Čpavok 4 bol v tejto súvislosti inštalovaný špeciálny firewall, ktorý konfigurovali zamestnanci spoločnosti Schneider Electric v duchu pravidiel kybernetickej bezpečnosti. „Nedávno zviditeľnený problém zraniteľnosti týkajúci sa produktu Remote Desktop od Microsoftu nás viedol ku kontaktovaniu odborníkov zo Schneider Electric, ktorí bezodkladne otestovali záplatu vydanú Microsoftom. Po úspešnom výsledku sme ju nainštalovali na systém DCS,“ vysvetľuje J. Széplaky. Na najvyššej úrovni podniku beží aktívny monitoring toho, čo sa v sieťach deje.

Dosiahnuté prínosy a ďalšie plánované vylepšenia

Výrobný proces Čpavok 4 je koncipovaný v súlade s najlepšími dostupnými technikami (BAT). Výstavbou novej prevádzky sa okrem vyššej nominálnej dennej produkcie 1 600 t čpavku dosiahlo tiež výrazné zníženie mernej spotreby zemného plynu ako hlavnej suroviny v súbehu s poklesom celkovej energetickej náročnosti procesu. Zlepšenie energetickej efektivity oproti procesu vo výrobni Čpavok 3 je okolo 15 %. Zníženie celkovej energetickej náročnosti sa premieta aj do redukcie merných emisií CO2 a sledovaných znečisťujúcich látok do ovzdušia. Zároveň sa dosiahlo podstatné obmedzenie produkcie odpadových vôd.

Vyššia hospodárnosť a efektivita procesu je predovšetkým výsledkom optimalizácie hospodárenia s vysoko potenciálnou tepelnou energiou z pohľadu výroby pary a využitia tepla na spracovanie zemného plynu v uzle parného reformovania. V porovnaní so staršími technológiami bol inštalovaný v rámci licencie procesu tretí reformér zemného plynu (HTER – Heat Exchange Reformer), ktorý využitím tepelnej energie procesného plynu umožnil výrazne znížiť spotrebu zemného plynu na kúrenie v reformingovej peci. Okrem toho sa na znížení energetickej náročnosti podieľajú aj ďalšie faktory, ako účinnejší systém vypierania procesného plynu, optimalizované riešenie sekcie syntézy čpavku a konštrukcie syntéznych reaktorov, maximálna miera využitia energie koncových prúdov, inovovaný princíp regulácie výkonu parných turbín spolu s modernizovaným a rozšíreným riadiacim systémom procesu.

Z plánovaných vecí do najbližšej budúcnosti bude asi najzaujímavejším počinom nasadenie systému pokročilého riadenia procesov (APC – Advanced Process Control). Jeho prínosom by malo byť zabezpečenie optimalizácie a predikcie výroby, zvýšenie objemu výroby, resp. ďalšie zníženie spotreby plynu ako vstupnej suroviny či lepšie vyladenie prevádzkových regulátorov. Na vytvorenie modelu prevádzky na pokročilé riadenie sa podujala pobočka spoločnosti Schneider Electric so sídlom vo Veľkej Británii. Aktuálne sa zbierajú údaje, aby sa podarilo čo najpresnejšie spracovať model prevádzky, ktorý ovplyvňuje aj úspešnosť a kvalitu riadenia pomocou APC. „Samozrejme vnímame aj výzvy a príležitosti týkajúce sa konceptu Priemyslu 4.0 spojené najmä so zberom a analýzou ďalších prevádzkových údajov. V tej súvislosti sa na celopodnikovej úrovni uvažuje o využití systému prevádzkovej inteligencie, akým je PI od spoločnosti OSIsoft, ktorý by mal pomôcť napríklad pri vyhodnocovaní plánov,“ poodhaľuje na záver nášho stretnutia perspektívy ďalšieho rozvoja J. Széplaky.

Ďakujeme spoločnosti Duslo, a. s., za možnosť realizácie reportáže a Gabrielovi Zsilinszkému, Igorovi Gálovi a Jaroslavovi Széplakymu za poskytnuté technické informácie.