«СТИФКОР» заправляет автомобили как сжиженным углеводородным газом (СУГ), так и сжатым — компримированным природным газом (КПГ). В первом случае используют пропан-бутановые смеси, во втором — природный газ.
СУГ привозят на заправку в жидком виде, хранят и заправляют также в жидком состоянии. Чтобы он оставался жидким, достаточно сравнительно небольшого давления — до 16 бар.
КПГ ведет себя иначе. В газовозе он находится под давлением 200–250 бар и остается в газообразном состоянии. Автомобильный баллон обычно заправляют до 200 бар. На самой заправке давление может достигать 230 бар, но после охлаждения газа оно снижается примерно до 200 бар.
Автозаправки СУГ работают еще с 1980-х годов и хорошо изучены. Заправки КПГ появились в то же время, но активно развиваться начали значительно позже — примерно последние 20 лет. Сейчас их поддерживают на государственном уровне, а сама технология заметно сложнее.
Поэтому дальше речь пойдет именно о КПГ.
Чем необычны заправки СТИФКОР
Обычно автозаправки КПГ размещают рядом с магистральными газопроводами, чтобы обеспечить непрерывную подачу газа.
Сеть «СТИФКОР» использует другую схему — с блоками аккумуляторов газа (БАГ). Это сосуды высокого давления, в которых газ накапливается и хранится.
Такое решение требует использования газовозов, но дает ключевое преимущество: заправку можно разместить в любой точке, удобной для водителей, без привязки к трубопроводу.
Логика работы станции при подключении газовоза следующая:
пока давление в газовозе достаточно, газ подается на заправку автомобилей напрямую;
при падении давления до 19 МПа (190 бар) газ направляют на компрессорную станцию, где его сжимают и закачивают в БАГ;
дальше автомобили заправляются уже из БАГ.
В блоках аккумуляторов поддерживается стабильное давление, достаточное для быстрой заправки.
Оборудование станции изготовили в Китае по техзаданию «СТИФКОР». Поскольку заправка относится к опасным производственным объектам, оборудование и система управления прошли сертификацию.
Кроме того, «СТИФКОР» разработал и согласовал специальные технические условия (СТУ) для размещения КПГ-заправок в плотной городской застройке. Это позволило реализовать такие станции без привязки к магистральному газу и при этом соблюсти требования безопасности.
Проблема: высокие энергозатраты
Экономика таких станций напрямую зависит от энергозатрат.
Чтобы заправить автомобиль или газовоз, давление газа нужно поднять примерно с 0,6 МПа (6 бар) в трубопроводе до 25 МПа (250 бар). Это сопоставимо с давлением воды на глубине около 2500 метров. Такое сжатие требует мощных компрессоров и большого расхода электроэнергии. Дополнительные затраты создает и сама логистика: газ на станцию доставляют газовозами.
На энергопотребление влияют и физические эффекты процесса:
при сжатии метан нагревается;
при сбросе давления во время заправки он резко охлаждается.
Часть энергии при этом неизбежно теряется, и эти потери приходится учитывать.
На чем сэкономить
Есть три основных фактора, которые влияют на расход энергии.
Первый — пусковые токи двигателей: компрессоров и вентиляторов охлаждения газа. Они в несколько раз превышают номинальный ток — примерно в пять раз. Полезной работы в этот момент двигатель почти не делает, но электроэнергию уже потребляет. Чем чаще двигатель включается и выключается, тем выше эти потери.
Второй — работа системы охлаждения газа. При сжатии газ нагревается, поэтому его приходится охлаждать, чтобы удерживать температуру в допустимых пределах. Мощность системы охлаждения составляет 10 кВт, и чем дольше она работает, тем выше расход электроэнергии.
Третий — работа системы обогрева компрессорной установки. Установка работает не непрерывно, а с остановками. При низкой наружной температуре компрессор приходится подогревать, чтобы он оставался готовым к следующему пуску. Это тоже непроизводительные затраты, и они растут вместе с длительностью остановок.
Как сэкономить
Задача здесь с несколькими переменными: нужно поддерживать высокое давление в аккумуляторах газа, при этом заставить компрессор работать как можно дольше, но систему охлаждения — как можно меньше. И все это — в пределах допустимых режимов технологической установки. Дальше уже начинается математика.
Длительность работы компрессора зависит от того, при каком давлении газа в каскаде его включают и при каком выключают. Чем больше этот перепад, тем дольше компрессор работает. Но температура газа зависит от того же перепада противоположным образом: чем дольше работает компрессор, тем сильнее сжимается газ и тем выше его температура. Использование газовоза дополнительно усложняет расчет, потому что давление на входе компрессора тоже меняется, и это нужно учитывать.
После анализа этих зависимостей составили таблицу уставок включения и выключения компрессора в зависимости от температуры наружного воздуха. Эти уставки обеспечивают нужное давление в каскаде за требуемое время и одновременно снижают лишние затраты.
На практике это работает так: при отрицательной температуре дельту увеличивают — компрессор работает дольше и обогревается собственным теплом. При положительной температуре дельту уменьшают — компрессор включается чаще, но газ нагревается меньше и систему принудительного охлаждения приходится включать реже.
Техническое решение
Первое, что приходит в голову — научить саму компрессорную установку учитывать наружную температуру и корректировать уставки. Но это требует вмешательства в прошивку контроллера.
Заправка относится к опасным производственным объектам, поэтому любое изменение прошивки потребует экспертизы промышленной безопасности и дополнительных согласований. Это долго и дорого.
Есть более простой путь. Автоматика установки принимает уставки извне по Modbus TCP. Значит, можно добавить внешний контроллер, подключить к нему датчик наружной температуры и рассчитывать уставки уже на этом уровне.
Дальше логично расширить функциональность: если есть отдельный контроллер, на него можно вынести диспетчеризацию и дистанционное управление — в базовой автоматике этого нет. Тем более что по Modbus TCP установка отдает большой объем данных.
В качестве платформы выбрали IntraSCADA. В процессе внедрения разработчики порекомендовали использовать Wiren Board как контроллер: недорогое и неприхотливое решение с хорошими возможностями по коммуникациям. IntraSCADA на нем работает без ограничений.
Так на объекте появился контроллер Wiren Board. Через него реализовали расчет уставок и передачу их в установку, а также начали подключать к системе другие подсистемы заправки для общей диспетчеризации.
Дополнительные фото
Контроль загазованности
Контроль загазованности — отдельная подсистема технологической установки. Она включает несколько сенсоров и блок управления. При превышении порогов система переводит установку в безопасное состояние: отключает оборудование и закрывает клапаны. Вмешиваться в эту логику нельзя.
При этом у блока управления есть интерфейс RS-485, через который можно получать данные. Ожидали стандартный Modbus RTU, но на практике оказался проприетарный протокол. Запросили описание у производителя, реализовали драйвер и наладили обмен.
В результате IntraSCADA получает данные со всех датчиков загазованности.
Что это дало:
диспетчер видит показания каждого сенсора в реальном времени;
система отправляет уведомления инженерному персоналу в мессенджер, в том числе заранее — до достижения аварийной концентрации.
Как теперь реагирует система:
при небольшом повышении концентрации — отправляются уведомления;
при аварийной концентрации — отключается питание оборудования в зоне утечки;
при срабатывании нескольких сенсоров или датчика рядом с автоцистерной — закрываются краны системы хранения и приема топлива и отключается питание всей станции.
Скрытый текст
Контроль потребления электроэнергии
Чтобы экономить электроэнергию, сначала нужно ее измерить. Для этого использовали измеритель параметров сети WB-MAP12E. Он работает как 12-канальный для однофазной нагрузки или как четырехканальный для трехфазной. В данном проекте его подключили к линиям питания:
двух компрессоров;
магазина и операторной;
точки общепита.
Контроллер получает данные по Modbus: токи нагрузки и потребление электроэнергии. Эти данные анализируют и используют для оптимизации работы.
В результате удалось:
равномерно распределить однофазную нагрузку по фазам;
перенести включение неприоритетной нагрузки за пределы пиков технологического оборудования;
снизить нагрузку в периоды действия высоких тарифов.
Дополнительно выявили проблему с прибором учета энергоснабжающей компании. Показания WB-MAP и счетчика расходились. При проверке выяснили, что у счетчика неверно настроено время, из-за чего дорогой тариф включался не вовремя. После корректировки времени показания привели в порядок.
Дистанционное управление
На станции есть инженер, который отвечает за эксплуатацию. Сначала он отнесся к удаленному доступу скептически — как к удобной, но необязательной функции.
Сейчас со смартфона он может:
просматривать параметры работы станции;
запускать и останавливать оборудование;
переключать режимы.
К хорошему привыкаешь быстро. Теперь, если пропадает интернет, приходится ехать на объект — и это уже воспринимается как проблема. То, что сначала казалось «игрушкой», стало рабочим инструментом.
Дополнительные фото
Перспективы и развитие
Отопление здания заправки электрическое. Его планируют автоматизировать, чтобы снижать потребление в часы дорогого тарифа. Задача технически простая, но дает заметную экономию.
Дальше систему хотят расширять. В планах — подключить:
оборудование СУГ;
видеонаблюдение;
контроль доступа;
нейросетевой анализ событий.
Все это сведут в единый диспетчерский пункт. Тогда диспетчер сможет в реальном времени получать уведомления о любых событиях на станции: от технических неисправностей и утечек до состояния территории и соблюдения регламентов работы.
Еще одно направление — автономная электрогенерация с аккумуляторами на одной из станций. Это позволит снизить потребление в пиковые тарифные периоды и использовать систему как резервный источник питания.
Описанная система уже работает на шести заправках «СТИФКОР» (пять — в Казани). Текущая станция используется как тестовая площадка для дальнейшего развития автоматизации.