de Patrick Le Fèvre
Director Marketing & Communication
Powerbox
Figura 1: Emisii de gaze naturale şi petrol pe parcursul întregului proces (Sursă: Clean Air Task Force).
Provocările pentru industriile ce implică gaze, petrol şi substanţe periculoase
Producerea, transportul şi distribuirea de gaze, petrol şi substanţe periculoase necesită, la fiecare pas al proceselor, un înalt nivel de monitorizare, garantare a securităţii şi protecţie a mediului. Este critică prevenirea oricărei scurgeri, iar dacă acest lucru se întâmplă, evenimentul trebuie detectat şi raportat fără întârziere, trebuind ca senzorii, staţiile de monitorizare, de comunicaţii şi alte dispozitive conectate să fie alimentate cu energie stabilă “mereu disponibilă”. Poate suna ca evident, dar considerând întregul lanţ, de la producţie la distribuţie, calitatea energiei livrate de la reţele şi micro-reţele nu este întotdeauna optimă, ceea ce poate compromite siguranţa. Iată de ce este nevoie de o soluţie foarte specifică de alimentare, inclusiv stocare locală a energiei, monitorizare şi comunicaţie între sistemul gazdă şi sistemul de gestionare.
Vom reveni asupra soluţiei de alimentare în detaliu, dar o altă provocare căreia trebuie să îi facă faţă industria o reprezintă îmbătrânirea echipamentelor instalate, dintre care unele sunt în operare de mai mult de 20 de ani, alimentate de surse de putere liniare cu randament scăzut şi baterii de rezervă, fără monitorizare dinamică, necesitând în consecinţă, din motive de siguranţă, înlocuirea preventivă a bateriilor pe bază de calendar. Există cel puţin implicaţii de cost pentru operatori, precum şi impact de mediu, dacă luăm în considerare randamentul redus al alimentării şi reciclarea bateriilor; reducerea consumului energetic şi durata de viaţă a bateriilor au motivat companiile să reînnoiască baza de surse de alimentare cu surse de randament ridicat, monitorizare baterii şi comunicaţii în timp real între unitatea de energie şi centrul de supervizare. Modernizarea este un proces important, dar, în cazul industriei gazelor, nu este suficient pentru atingerea obiectivelor pe care diferite guverne le doresc, legate de reducerea emisiilor de metan ce pot rezulta din scurgerile de gaze din întregul proces, după cum a raportat Clean Air Task Force. În U.S.A, Casa Albă a publicat Planul de Acţiune asupra Climatului “Strategii de reducere a emisiilor de metan” în martie 2014. Acest document acoperă o gamă largă de zone în care emisiile de metan trebuie reduse, de la agricultură la sectoarele de petrol şi gaze naturale, evidenţiind necesitatea de îmbunătăţire a metodelor de măsurare (de exemplu prin dezvoltarea de noi tehnologii de măsurare, inclusiv echipamente economice de detecţie a emisiilor), iar pentru operatori necesitatea de iniţiere de activităţi pentru a reduce scurgerile de gaze de-a lungul întregului proces.
Procesul de modernizare este foarte bine aliniat cu cerinţele, dar considerând scara acestui lanţ global (figura 1), vor fi necesare staţii de măsurare suplimentare pentru a detecta scurgerile cât mai devreme posibil şi pentru a iniţia reparaţii imediat ce este necesar. În această industrie, timpul contează, iar problemele trebuie identificate cât mai din vreme, diminuând impactul asupra mediului; pentru acest lucru sursele de energie sigure sunt obligatorii!
Marcă de certificare FM
Logo certificare BRE Global Loss Prevention Certification Board
Care este cea mai bună soluţie de alimentare pe care ar trebui să o ia în considerare producătorii pentru domeniul gaze, petrol şi substanţe periculoase?
Siguranţă şi normative
Numeroase aplicaţii utilizează surse de alimentare neîntreruptibile (UPS) cu toate că, luând în considerare natura segmentului industrial, mediile cu potenţial exploziv, proiectanţii de surse de alimentare trebuie să ia în considerare un număr de parametrii tehnici, inclusiv legislaţie şi norme specifice ţărilor în care echipamentul final este instalat.
Detecţia de gaz este foarte mult conectată de segmentul de business “Alarme de incendiu” şi, încă din timpuri mai vechi, soluţiile de putere proiectate pentru acest tip de aplicaţii trebuie să respecte standarde de siguranţă referitoare la acest segment.
În Europa, standardul EN 54 referitor la sisteme de alarmare şi detecţie incendii este obligatoriu. Acesta specifică cerinţele şi testele de laborator pentru fiecare componentă a sistemului de alarmă sau detecţie a incendiilor, permiţând circulaţia liberă a produselor între ţările din Uniunea Europeană. Partea a 4-a (Surse de tensiune – EN54-4:2007) specifică cerinţe, metode de testare şi criterii de performanţă pentru echipamentele de alimentare ale sistemelor de alarmare şi detecţie incendii. În standard sunt incluse teste de funcţionalitate, cerinţe de proiectare electrică şi mecanică, precum şi teste de mediu precum frig, vibraţii, impact, încălzire/umezeală şi compatibilitate electromagnetică.
În Statele Unite ale Americii, produsul trebuie să se conformeze cu standardul Asociaţiei Naţionale de Protecţie la Incendii NFPA 72-2010 şi cu avizele FM – standard pentru sisteme de semnalizare incendii – clasă 3010 (FM3010). Echipamentele certificate sunt marcate cu un logo specific de cerificare. În alte ţări, pot fi în vigoare standarde suplimentare de care trebuie să ţină cont proiectanţii de surse, în strânsă colaborare cu producătorii de echipamente, încă din paşii de început ai dezvoltării produsului. De exemplu, în UK, BRE Global Loss Prevention Certification Board (LPCB) verifică şi certifică produsele ce operează în mod de siguranţă la incendiu, marcate de logo-ul LPCB.
Figura 2: Powerbox PBUKW6004 AC/DC – soluţie de alimentare pentru monitorizarea aplicaţiilor industriale critice.
Figura 3: Diagramă bloc PBUKW6004.
Surse de tensiune – baterii, monitorizare şi comunicaţii
Sursele de tensiune standard ce alimentează Alarme de Incendiu sunt uzual dimensionate pentru sisteme mici ce necesită curent limitat, de la 1,5A la 5,5A la o ieşire de 24V.
Aceste valori sunt suficiente pentru a alimenta detectoarele de incendiu, senzorii şi echipamentele de monitorizare, dar nu sunt suficiente pentru a alimenta sisteme mai mari, precum cele ce se implementează în industriile de gaze, petrol şi substanţe periculoase, în special atunci când se actualizează sisteme mai vechi.
Acesta este momentul în care soluţiile particularizate sunt luate în considerare de producătorii de echipamente, care solicită mai multă energie, capacitate mai ridicată a bateriilor şi funcţii suplimentare, precum monitorizare şi comunicare avansate (figura 2).
Soluţiile de surse de tensiune de înaltă putere EN54-4 suportă baterii cu acid de înaltă capacitate; în acest exemplu până la 200Ah. Aceste baterii necesită atenţie specială asupra modului în care se realizează echilibrul între tensiunea de magistrală a sistemului şi încărcarea bateriilor.
Soluţia cea mai optimizată este de a construi un sistem de putere ce include două surse de tensiune independente: prima pentru alimentarea aplicaţiilor (28V/20A – de exemplu camere în infraroşu) şi a doua (28V/15A) pentru încărcarea bateriilor ca scop principal (figura 3).
Închise într-o carcasă IP30, sursele de tensiune şi circuitele de supervizare necesită atenţie specială pentru optimizarea convecţiei cu aer liber, cazul vastei majorităţi a aplicaţiilor. În cazul mediilor cu temperaturi mai ridicate pot fi adăugate întotdeauna ventilatoare controlate termic, dar proiectanţii trebuie să dezvolte produsul pe baza convecţiei cu aer liber, dimensionând componentele şi managementul termic pentru aceste condiţii. Răcirea prin conducţie este regula, iar tehnologii precum ţevi de căldură pasive sunt luate adesea în considerare.
Baterii şi monitorizare – după cum a fost mai devreme menţionat în acest articol, siguranţa surselor de alimentare EN54-4, furnizând alimentare aplicaţiilor strategice, asigurând funcţii vitale, în cazul pierderii reţelei de CA, nu poate face niciun compromis. Obişnuim să spunem “Defectarea nu este o opţiune, iar integritatea bateriei este o obligaţie.” Aceste este locul în care monitorizarea bateriilor devine o ştiinţă, aducând o înaltă siguranţă în funcţionare sistemului de alimentare.
Există diferite metode de testare a integrităţii/ capacităţii bateriilor:
• Test la sarcină completă – pentru acest test, bateria este supusă unui consum de curent pentru o durată extinsă de timp (tipic 20 de ore). Sunt determinate periodic valori ale tensiunii şi curentului, valori din care se determină capacitatea bateriei.
• Test de sarcină redusă sau de întreţinere – similar cu testul anterior, cu excepţia faptului că perioada este redusă (uzual realizat prin operarea sistemului pe baterie pentru o perioadă mai scurtă de timp faţă de testul la sarcină completă).
• Sarcină momentană sau sarcină pulsatorie – testul constă dintr-o serie de pulsuri de sarcină sau sarcini de scurtă durată. Durata şi repetiţia ciclurilor de testare variază în funcţie de tipul bateriei şi dimensiunea acesteia.
• Citirea tensiunii bateriei – uzual tensiunea bateriei este măsurată şi comparată cu valorile optime aşteptate; o mică variaţie a acestui test este de a permite consumul unui curent de la baterie pentru o perioadă de timp, pentru a elimina încărcarea suprafeţei.
Fiecare metodă are avantaje şi dezavantaje, iar cea mai bună metodă este o combinaţie a tuturor.
Luând în considerare aplicaţia şi mediul, proiectanţii de sisteme de putere au dezvoltat algoritmi complecşi (secrete ale companiei), ce integrează parametrii specifici în condiţii de operare la faţa locului şi simularea predictivă a defectărilor, pe baza calculelor şi datelor din teren.
După cum prezintă FIA (Fire Industry Association) în ghidul său de testare pentru baterii cu acid utilizate pentru alimentarea sistemelor de alarmă şi detecţie incendii, unul dintre procesele cele mai critice este acela de calibrare.
Odată cu îmbătrânirea bateriilor, degradarea chimică produce o reducere a capacităţii chimice maxime a bateriei, reducând performanţele şi conducând la risc de defectare. Definirea momentului în care trebuie generat un semnal de alarmă pentru solicitarea întreţinerii este foarte important şi poate fi realizat numai cu o cunoaştere detaliată a bateriei.
Într-o lume perfectă, profilul de calibrare ar trebui să aparţină bateriei, dar din nefericire nu este mereu cazul. Informaţiile tehnice curente nu sunt mereu suficient de bune pentru aplicaţii, necesitând ca producătorii să-şi construiască propriile baze de date, care sunt apoi integrate în algoritmi.
Calibrarea necesită o cantitate mare de date pentru a stabili profilul de performanţă al bateriilor. Aceste date se bazează pe tensiunea la nivelul celulei în diferite condiţii de sarcină şi temperatură, rezistenţa internă, comportarea dinamică sub sarcini tranzitorii şi alte câteva elemente ale reţetei magice.
Atunci când se află în operare, sistemul de alimentare EN54-4 monitorizează permanent “Starea de încărcare” (Capacitatea rămasă a bateriei / capacitatea la încărcare completă), “Starea de sănătate” (Capacitatea la încărcare completă / capacitatea proiectată a bateriei) şi alţi parametrii definiţi în timpul procesului de proiectare. În cazul produsului prezentat ca exemplu, PBUKW6004 testează rezistenţa internă şi alţi parametri la fiecare 3 minute cu 10 cicluri. Datele sunt apoi comparate cu tabelul de calibrare şi, dacă se identifică devieri, se fac rapoarte prin magistrala de comunicaţii, dar şi cu ajutorul unui LED local de pe panoul frontal.
Comunicaţii – sursele de alimentare utilizate în cadrul sistemelor de alarmare şi detecţie incendii nu integrează uzual interfeţe de comunicaţie. La apariţia unei probleme, pe panoul frontal al echipamentului se aprinde un LED, iar un releu (de exemplu tranzistor colector deschis) declanşează o alarmă.
În cazul controlului scurgerilor de gaze, echipamentele pot fi amplasate în zone izolate, la distanţă sau cu acces limitat. Este foarte important pentru supraveghetorul de sistem să cunoască în timp real starea fiecărei staţii, implicând astfel ca sursele de alimentare să comunice informaţii către supervizor.
Adăugarea de Internet RS-485 cu protocol Modbus unităţilor de alimentare face posibilă monitorizarea strânsă de către supervizorul de sistem a stării de funcţionare a fiecărui echipament, a stării bateriilor, iar cu ajutorul datelor colectate se pot iniţia la nevoie operaţii de întreţinere.
Informaţiile colectate prin magistrala de comunicaţii nu se limitează la baterii, ci pot include şi alte informaţii folositoare precum: temperatură, condiţii de tensiune de magistrală, condiţii de sarcină, adăugând astfel informaţii importante monitorizării sigure în astfel de operaţii.
Căi de viitor şi concluzii
Alimentarea aplicaţiilor solicitante precum monitorizarea scurgerilor de gaze implică tehnologii noi şi foarte interesante, precum senzori cu consum energetic redus ce vor necesita ca proiectanţii de surse de alimentare să exploreze noi abordări în viitor.
În domeniul semiconductoarelor, Nitrura de Galiu, Carbura de Siliciu sau Arseniura de Galiu, deschid o gamă completă de noi aplicaţii şi, după cum este listat în raportul Casei Albe, “Îmbunătăţirea Măsurării Metanului” – dezvoltarea de noi tehnologii de măsurare, inclusiv echipamente economice de detecţie a emisiilor, lansează o invitaţie către proiectanţii de sisteme de alimentare de a investiga modalităţi de recuperare energetică. Ca o concluzie, acest articol se doreşte a fi o scurtă trece în revistă a provocărilor cărora trebuie să le facă faţă proiectanţii de surse de alimentare, atunci când dezvoltă soluţii pentru aplicaţii solicitante, necesitând competenţe şi cunoştinţe suplimentare. Cu siguranţă că este înlăturat clişeul conform căruia Industria de Putere este un sector plictisitor; se poate observa ce interesantă va deveni în viitor ￭
Powerbox
www.prbx.com
Clean Air Task Force report: www.catf.us/resources/publications/view/205
UK Fire Industry Association (FIA) – Guidance lead acid batteries used in fire detection systems: www.fia.uk.com/resourceLibrary/guidance-lead-acid-batteries-in-fda-systems.html
White House – Climate Action Plan / Strategy to reduce methane emissions: www.whitehouse.gov/sites/default/files/strategy_to_ reduce_methane_emissions_2014-03-28_final.pdf