能源管路操作員升級架構

背景

電力與天然氣輸送公司 CenterPoint Energy - Mississippi River Transmission LLC (CNP-MRT) 擁有並營運 8,200 英里的傳輸管路，2012 年期間在內陸地區的九個州載運 1.6 兆立方英尺的天然氣。傳輸事業的成功取決於克服複雜、資本密集型及資料關鍵型基礎建設的挑戰，並將大量天然氣經由長距離且可靠的方式輸送至 22 座燃氣發電廠。

為了與其他傳輸公司及替代能源爭奪公用事業客戶，CNP-MRT 必須充分運用科技以降低營運、維護與停機時間的成本，使其能夠提供可贏得並留住公用事業客戶的價格與服務等級。

由於傳輸業是仰賴產量的行業，而且必須適各種變化，例如天氣溫和導致需求減少、氣體價格波動，以及合規管理費用等，使得傳輸業務的獲利變得更為複雜。

有效、可靠且有智慧地控制、自動化及監控往復式引擎壓縮機的效能，是以最低成本輸送最大量天然氣的最大挑戰之一。相當於一輛校車尺寸的引擎負責維持加壓流量 (高達 1,500 psi)，最高可將氣體體積縮小 600 倍，然後透過管路將氣體向前推送。

控制與自動化有機會降低基礎建設維護成本，而盡可能減少停機時間並運用即時診斷系統也非常重要。但是，這必須為近 70 個傳輸管線壓縮機部署升級的控制技術，而這麼做將需要資本投資與資源配置。

挑戰

在管路沿線間隔 40 至 100 英里設置的每個壓縮站，使用 2 至 10 台 2,000 匹馬力的壓縮機。在能源供應行業中，典型老舊的系統都是以長期使用為目標而建立的。即使是 1960 年代上線運轉的設備，仍可能還有 20 年的使用壽命。同時，已使用數十年的機器不像現有的技術那麼有效率。因此，控制系統的效能通常落後於目前的標準。

若要升級龐大的中西部壓縮機群的控制系統，將需要龐大的資本，特別是在傳統的外包模式下，合約將會影響多家工程公司與系統整合商的設計與實作。一段時間之後，此種方法將為 CNP-MRT 創造出混合的控制產品與解決方案，它們通常以黑盒子專屬邏輯為基礎。由於這種情況通常會使得管理與站點操作員保持距離，並過度依賴外部廠商而限制了內部人員的能力，同時也將大幅增加成本，包括配置、整合、擴充及升級控制等成本。

CNP-MRT 控制與自動化群組將公司的 Horseshoe Lake 壓縮機站視為設計與部署內部執行站點升級的測試案例，這座位於伊利諾州格蘭特 (Grant) 市的四部壓縮機設備位在 CenterPoint Mississippi River Transmission (MRT) 的管路上，將大量天然氣輸送至密蘇里州、阿肯色州及伊利諾州等地。

該公司從另一個實體承接了 Horseshoe Lake，該實體指定並建造設備，然後將它轉交給 CNP-MRT 進行營運。這座已有七年歷史的站點相當新，但是在建造當時，重視經濟性的原有系統整合商選擇了已接近使用壽命的專屬架構與可程式邏輯控制器。

負責監督北方管路的 CNP-MRT 儀器與電子專家 Steve Starkey 表示：「相對於當今開放式架構的潛力，結果就是以過時方式設計陳舊的控制系統。另外，CNP-MRT 完全使用 Rockwell Automation 而且不支援該設備所使用的平台。因此，如果我們不花費大量時間與金錢進行培訓，就無法自行在控制系統上作業。」

例如，只是在引擎啟動順序中新增一個步驟，控制供應商就必須針對每項改進重新進行程式設計，而且需要額外的成本。故障檢測問題或障礙時，特別是在半夜或週末，將使得壓縮機運轉面臨停機時間的風險。

Starkey 表示：「一般而言，沒有很多方法能夠故障檢測黑盒子的問題，但 CNP-MRT 不相信這一點。我們希望能夠直接管理，以便控制故障檢測作業。另外，專屬系統通常未模組化，當必須整合與擴充時，無法個別更換模組。」

最後，CNP-MRT 需要大幅提升資訊解決方案，從資料存取、收集與共用，到即時遠端監控與警報。大型壓縮機的主要費用變化因素包括引擎維護以最佳化運轉效率與效能，以及修復應可避免的故障成本。

引擎停擺或故障意味著能源公司不賺錢。以高交付可靠性標準為基礎的合約，包括未依照承諾輸送氣體的罰款，缺乏資料驅動的透明度，將導致無法進行主動的維護，迅速反應以進行調整，以及有效地擴充或擴大。

解決方案

CNP-MRT 已使用 Horseshoe Lake 站點建立並證明一種潛在的模式，能以主要仰賴內部資源的高成本效益方式，開發、管理及實作重大的控制升級。CNP-MRT 與 Rockwell Automation 全球解決方案團隊的油氣專家共同合作，開始設計 Horseshoe Lake 的專屬解決方案，但也可以做為升級中西部其他地區壓縮機群的標準或範本。

CNP-MRT 已選擇 Rockwell Automation 的 PlantPAx™ 分散式控制系統以整合控制與資訊，並採用開放式架構以結合分散式控制系統的功能及廣泛存取引擎運轉資料。大幅提升的資產透明度及生產資訊為站點操作員提供所需的資料，以便更快速地因應維護、操作及流量控制等問題。

Starkey 表示：「壓縮機運作的趨勢是收集、整合及使用更多的資料。我們正在嘗試即時最佳化各個營運面向，協助提高運作時間、效率及獲利，包括監控各單元的效能與排放，甚至是負責抽取天然氣並以天然氣運轉的引擎安全。」

Starkey 表示：「我們在製程中必須執行的工作，Rockwell Automation 都已經完成了。」

Horseshoe Lake 升級可讓站點操作員更容易管理速度與負載控制，控制系統也能依據引擎運轉時數與系統控制的引擎數量，判斷哪個壓縮機單元應該啟動。Starkey 表示：「過去啟動個別引擎時，會先啟動 1 號引擎，然後啟動 2 號，以此類推。因此，這些引擎的運轉時數總是較高。現在，PlantPAx 系統知道要啟動運轉時數最少的引擎，並優先讓運轉時數最高的引擎離線。」

PlantPAx 系統中的視覺化功能藉由整合引擎、站點及管路系統層級的效能指標與生產資訊狀況顯示，為壓縮運作提供一個窗口。即時引擎活動的準確報告以及分析工具與管理儀表板，提供關聯式、本地化、以角色為基礎的資訊，以進行更好的決策。

Starkey 表示：「我們在製程中必須執行的工作，Rockwell Automation 都已經完成了。能夠取得此領域的專業知識，協助身為營運群組的我們發展出有效率的控制解決方案。這套解決方案是全功能的，使得應用的開發與改善都更加容易。只要勇於夢想，您也能達成目標。」

結果

CNP-MRT 將升級結果總結為四個關鍵領域。

擁有成本 - Horseshoe Lake 新系統的設計、安裝及交付的成本遠低於以前的系統。根據以前系統的經驗，Starkey 估計資本投資約為相同規模的控制專案的 20%。

簡化的人機介面配置 - 無需重新學習每個人機介面應用程式，大幅減少培訓時間。由於有一個工作的基線，即使是不同的站點，內部的控制群組仍可加以修改以匹配幾乎所有類型的引擎，大幅縮短整合時間。

提升可操作性 - Horseshoe Lake 經驗顯示負責各站點的操作員對於可能被要求執行的幾乎任何工作都很有信心。Starkey 表示：「過去這部分有許多灰色地帶，許多實例都顯示操作員無法控制或未具備必要的洞察力。現在的方法已有所不同，操作員本身協助打造很理想的人機介面與控制器程式，這是他們的控制系統。」

減少停機時間 - PlantPAx 系統減少站點的停機時間以及維修的資本支出。過去除了關機以外沒有任何警報，但現在可在引擎故障之前發現引擎的問題並發出警報，操作員也能在引擎故障之前進行維修。員工藉由遠端觀察各種資料，可將引擎設定為最低可用性，直到問題獲得解決。

Horseshoe Lake 是 CNP-MRT 首次利用內部資源進行整體壓縮機控制的站點，管理高層的疑慮是可以理解的。Starkey 表示：「我們必須證明，相較於以前的系統，我們的團隊更容易管理新的系統。它必須比以前採購的任何產品更具有擴充性、更有效率且更可靠。」

透過 Rockwell Automation 對此專案的支援，從目標設定、工程建議、指導，以及特定能源的最佳實作，PlantPAx 解決方案是我們一致同意的壓縮機群控制與自動化模型。從面板到控制系統運作的方式以及設計與實作，已成為 CNP-MRT 未來升級其他壓縮機站的標準。

Starkey 表示：「從可靠性、擴充能力到我們能想到的任何項目的整合，PlantPAx 系統在每一項指標的表現都非常好。」