Modeling and Optimization of the Energy Consumption of Chemical Batch Plants

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1 DISS. ETH NO Modeling and Optimization of the Energy Consumption of Chemical Batch Plants A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Andrej Szíjjarto Ing., Slovak Technical University Bratislava born on June 5 th, 1979 citizen of Slovak Republic accepted on the recommendation of Prof. Dr. K. Hungerbühler, examiner Prof. Dr. R. P. von Rohr, co-examiner Dr. S. Papadokonstantakis, co-examiner Zurich 2008

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3 Abstract Increasing prices of the primary energy-carriers together with rising environmental consciousness in recent years generate more and more pressure on the efficiency of the energy usage. Therefore, methodologies allowing a systematic analysis and optimization of the specific energy utility consumption per tonne of production are of high interest for the process industry. This thesis deals with the development and testing of a systematic process data oriented methodology for identification of the energy-saving potential in the chemical batch plants based on the historical process data measured in the investigated plant. A high level of the process automation in the up-to-date batch facilities provides an extensive amount of process data. This data can be further treated and analyzed with respect to the energy usage efficiency on different levels of aggregation. The most detailed level of aggregation considered in the thesis was the step, which represents the execution of a production activity, as defined by the control recipe. Steam and electricity were considered as the main energy carriers involved in the processes of the chemical batch plants. The development and testing of the energysaving potential methodology was carried out in an industrial case study plant and based on the production data acquired in it. The first part of the case study covers the development and testing of the models describing the energy utility consumption in the case study plant. The approaches tested in the case study covered statistical and engineering models. The statistical models, based on the Top-down approach, which correlates plantlevel measurements of the energy consumption with the production output, exhibited deficiencies due to high variability of the production mix during the period of 53 months investigated in the case study plant. The engineering models of the Bottom-up approach included detailed process data and their parameters were fitted according to measurements performed on the unit operation (UO) level. The batch-to-batch variability of the process parameters influences the results of the engineering models which can be used for the further analysis. Due to the weak performance of the Top-down approach the investigation was concentrated on the Bottom-up approach-based modeling represented by the engineering models. v

4 Investigated engineering models included: - Process-side Model (PSM) focusing on the energy balance of the processed material in the UO - Heating/Cooling System Model (HCSM) balancing the heating/cooling system of particular UO - Controller Output Model (COM) based on the calibration of controller output signal (control valve opening) with the steam flow through the control valve The PSM approach was chosen for the further investigation of the energy-saving potential due to its capability to provide a more detailed analysis of the results, a better prediction-to-measurement accuracy, and higher model transferability to different UOs. In the second part of the case study, the methodology for the identification of the optimization potential was developed and presented. The investigation of the energysaving potential was carried out in two stages comprising efficiency screening on the plant level followed by a detailed analysis of the UOs in the production lines. The proposed efficiency screening of the steam usage in the UOs on the plant level facilitates the selection of the targets for the further detailed analysis. The efficiency of a particular UO was calculated batch-wise and averaged over a period of 60 days for 19 different UOs. The UOs with low batch-averaged thermal efficiency in combination with high standard deviation of the efficiency values were identified as most important optimization spots. Two production lines were investigated in a detailed analysis. Significant energy consumption was identified within the synchronization steps which are representing a non-productive part of the batch production. It was identified that the high energy consumption in the synchronization steps was caused by overheating/overcooling problems of the temperature control loop together with a long duration of the synchronization steps in the low-performing batches. Potential energy savings were estimated based on the minimal heating power consumption during the synchronization step and the minimal duration of this step considering several batches produced in these two investigated production lines. These energy savings were between 1 and 20% for the steam and 10 and 14% for the electricity of the average batch consumption respectively within the investigated time period. These energy savings demonstrate the suitability of the proposed approach for monitoring and optimization targets setting in the production line level. vi

5 Zusammenfassung In den letzten Jahren erhöhten steigende Preise der primären Energieträger sowie ein erhöhtes Umweltbewusstsein den Druck, Energie möglichst effizient zu verwenden. Deshalb sind für die Prozessindustrie Methoden für eine eingehende Analyse und nachfolgende Optimierung des spezifischen Energieverbrauchs pro Tonne Produkt von grossem Interesse. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und der Untersuchung einer Methodik für die Identifizierung potentieller Energieeinsparungen in chemischen Batch-Betrieben auf der Basis vorhandener Prozessdaten. Solche Daten können auf einfache Art und Weise in modernen Betrieben mit einem hohen Automatisationsgrad gewonnen werden. Hinsichtlich Energieverbrauch können diese Daten dann auf verschiedenen Aggregationsniveaus zusammengefasst und analysiert werden. In dieser Arbeit wurde als detailliertestes Niveau der einzelne Prozessschritt betrachtet, der eine wohldefinierte Aktion im Rahmen der Produktion darstellt und der im Steuerrezept definiert ist. Als Hauptenergieträger in chemischen Batch-Betrieben wurden Dampf und Elektrizität betrachtet. Die Entwicklung und Untersuchung der Methodik zur Bestimmung von potentiellen Energieeinsparungen erfolgte anhand einer industriellen Fallstudie. Der erste Teil der Fallstudie behandelt die Entwicklung und Untersuchung der Modelle, die den Energieverbrauch im untersuchten Betrieb beschreiben. Untersucht wurden statistische Ansätze und Modelle, die auf verfahrenstechnischen Prinzipen basieren. Die statistischen Modelle stellen einen Top-Down Ansatz dar und korrelieren für einen ganzen Betrieb den gesamten Energieverbrauch mit der entsprechenden Produktmenge. Im untersuchten Fallbeispiel zeigte dieser Modellansatz erhebliche Mängel, was auf die hohe Variabilität im Produktmix über die untersuchte Spanne von 53 Monaten zurückzuführen ist. Die verfahrenstechnischen Modelle verwenden Prozessdaten und bestimmte Parameter wurden anhand von Messungen einzelner Apparate gefittet. Die Variabilität zwischen verschiedenen Batches kann durch diese Modelle berücksichtigt werden. Die verfahrenstechnischen Modelle, die einen Bottom-Up Ansatz darstellen, umfassten: - Prozess-basiertes Modell (PSM), das eine Energiebilanz des jeweiligen Apparates beinhaltet vii

6 - Heiz-/Kühl-basiertes Modell (HCSM), das den Heiz-/Kühlkreislauf eines Apparates bilanziert - Steuersignal-basiertes Modell (COM), das auf der Kalibrierung der Öffnung von Steuerventilen mit dem entsprechenden Durchfluss basiert Der PSM-Ansatz wurde für eine weitergehende Untersuchung der Energiesparmöglichkeiten verwendet, weil er detaillierte Ergebnisse liefert, eine höhere Anpassung an die gemessenen Daten erlaubte, und weil er grundsätzlich übertragbar ist. Im zweiten Teil der Fallstudie wurde eine Methodik für die Identifizierung der Optimierungsmöglichkeiten entwickelt. Diese besteht aus zwei Schritten: nach einem Screening des gesamten Betriebes werden bestimmte Apparate im Detail analysiert. Das vorgeschlagene Effizienz-Screening hinsichtlich Dampfverbrauch erlaubt die Auswahl von bestimmten Apparaten, die eingehender untersucht werden sollten. Für 19 Apparate wurde ihre Effizienz für jeden einzelnen Batch berechnet und anschliessend über eine Spanne von 60 Tagen gemittelt. Diejenigen Apparate, die hinsichtlich thermischer Effizienz niedrige Mittelwerte in Verbindung mit einer hohen Variabilität aufwiesen, deuten auf ein Optimierungspotential hin. In der nachfolgenden Detailanalyse wurden zwei Produktionslinien untersucht. Ein erhebliches Einsparpotential wurde bei den Synchronisationsschritten gefunden, die an sich nichts zur Produktivität beitragen. Es zeigte sich, dass bei den Batches mit der niedrigsten Effizienz der hohe Energieverbrauch in den Synchronisationsschritten durch deren lange Dauer sowie Probleme in der Heiz- /Kühlsteuerung verursacht wurde, was zu Überhitzung und Unterkühlung führte. Das Energieeinsparpotential in den beiden Produktionslinien wurde auf der Grundlage der Batches mit der kürzesten Dauer und dem niedrigsten Heizenergiebedarf bestimmt, und resultierte in Werten von 1 bzw. 20 % für den Dampfverbrauch sowie 10 bzw. 14 % für den Stromverbrauch, so dass die Eignung der entwickelten Methodik für Monitoring- und Optimierungszwecke gezeigt werden konnte. viii