趋势：通过“数字化现场仪表”减少“碳排放”

图片来源：艾默生

制造企业正在努力实现可持续发展，数字化转型是提高效率和减少碳足迹项目的基础。

人们一度认为，如果一家公司有足够的资本和资源长期经营下去，甚至发展壮大，那么它就是可持续的。现在，可持续性的含义已经发展到：一家公司的活动是否可以最大限度地减少对气候变化的影响，并负责任地使用资源。当然，前面的因素仍然适用，但仅仅是盈利能力还不够。

首要问题是不受限制地使用化石燃料和相关排放物，这主要是对气候变化的担忧。其它问题也延伸到了更多领域，例如过度排放、能源效率低下、过度使用水和其它稀缺资源。想要做出改变的公司往往会陷入困惑，试图了解利益相关者的需求。制造企业如何将“减少碳足迹”付诸实践？如何衡量成功与否？

01 工业可持续发展的四个重点领域

一些过程制造企业可能会探索一项重大的过程变革以摆脱碳氢化合物原料，但目前应专注于四个常见领域的改进：

1. 减少蒸汽疏水阀浪费的能源；
2. 监测和减少泄压阀的排放；
3. 监测热交换器的效率并减少能源使用；
4. 减少设施照明的能耗。

这些领域的改进降低了运营成本，同时通过以下方式促进可持续发展计划：

■ 减少过程浪费；

■ 提高过程效率；

■ 减少能源消耗和由此产生的温室气体排放；

■ 减少水和空气污染；

■ 提高维护效率和设备可用性。

与可持续发展并行的是数字化转型，即整合数字化能力以提高绩效的战略。数字化转型本身并不能提高可持续性，但它为制定相关KPI，以跟踪可持续性计划的有效性提供了关键工具。

实现可持续性的第一步是确定在哪些方面改进收益最大。不幸的是，发现这些方面所需要的信息通常不是过程控制或监控的变量。实施需要从部署新的传感器开始，以监控与能耗、资产状况和其它因素相关的变量。这可能会带来问题，因为布线和系统集成的成本往往超过传感器的成本。

数字化转型技术彻底改变了局面。只需在物理设施上安装传感器，每个传感器都可以通过WirelessHART与主机系统通信，因此无需安装电缆，从而大大降低了安装成本和时间。WirelessHART网络与设施内更大的Wi-Fi和以太网无缝集成（图1），因此向主机系统（如资产管理系统）发送数据更简单、更高效。

图1：部署WirelessHART设备的能力使监控系统更易于实施。

预配置的数据分析工具可以收集原始传感器数据，对其进行处理，并通过交互式仪表板将其呈现给可靠性和维护团队。这些运营技术（OT）信息还与IT系统、云和公司网络集成。在大多数情况下，配置需求很小，不需要系统集成的帮助。这种方法是可持续发展计划的基本组成部分，也是关键的技术要素。

消除布线基础设施可以节省大量的铜、铝、钢、塑料，以及由于石油原料和金属开采所产生的材料。再加上消除了设计、运输、安装和维护所需的劳动力，WirelessHART网络与传统技术相比，成本降低了70%甚至更多。

下文所述的可持续性项目类型，可减少能源消耗、提高效率、减少排放和过程废物，同时还会带来多种效益。一些项目通过更有效的维护来延长设备寿命，也会提高安全性，减少环境和其它事故。

02 蒸汽疏水阀：减少能源浪费

蒸汽一旦做功，就会凝结成水。蒸汽疏水阀将冷凝水从新蒸汽管线中分离出来，这会降低整体能源效率，但为了保护设备，它又是必须的。疏水阀是一种自动打开和关闭以释放冷凝水的阀门。因此，所有设计都有一些活动部件。不幸的是，管线中的水垢可能会脱落并停留在容易出问题的地方，如阀座或传动机构。传统上，每年对蒸汽疏水阀系统进行检查，通常通过诊断对疏水阀状况进行分类：

■ 可见的蒸汽泄漏：主要机械故障直接浪费蒸汽；

■ 吹扫：连续将蒸汽直接排放到排水管中，浪费蒸汽；

■ 低温：卡在关闭位置，无法释放冷凝水，导致冷凝水回流，降低蒸汽质量，并可能导致破坏性水锤事件；

■ 正常工作：有效去除冷凝水。

最近的一项研究表明，在大型化学制造设施中，每年会有18%的蒸汽疏水器发生故障，导致每个故障疏水器浪费的能源成本高达16000美元。鉴于对大多数工厂来说，蒸汽都是能源预算中的一个重要项目，减少这种浪费在实现可持续发展方面效果可能是立竿见影的。

大多数疏水阀不会连续释放冷凝水。在正常条件下，如果尺寸正确，蒸汽疏水阀会间歇性打开，排出冷凝液。该动作会通过相邻管道传递噪声。安装在附近的声学发射器（图2），可以检测到周期性的声音，算法可以了解其特征活动。每个设备通过WirelessHART，将数据发送到中央分析平台，运行人员在该平台上监控所有配备有声学变送器的蒸汽疏水阀的运行情况。

图2：艾默生罗斯蒙特708无线声学变送器通过分析超声波噪声特征，提供蒸汽疏水阀运行和状态的可见性。

仪表板会指示哪些疏水阀工作正常，哪些处于故障模式。该软件可以随时估计损失的能源和由此产生的成本。维护人员了解哪些疏水阀需要注意，并据此进行规划。

03 泄压阀：减少排放和损失

加压系统必须有一种机制（通常是一个泄压阀），使内部压力在高到危险限值之前释放。监测泄压阀的状态和活动，应是电厂正常运行的一部分，但典型的泄压阀内部没有能向自动化系统发送信息的机制。

监控泄压阀借鉴了传统的维护技术：听。与蒸汽疏水阀相同的声学监测装置被直接安装在泄压阀附近的管道上。它可以捕捉通过阀座的流体所发出的、经由金属传输的超声波。

当泄压阀打开，释放液体、气体或两者的混合物时，声学监测器会向自动化系统报告产生的任何噪音。一旦系统的压力释放，阀门应关闭并再次密封，噪音将停止。声学监测器的数据通过图形仪表板（图3），报告释放开始和结束的时间，同时根据噪声幅度来表征释放量的大小。

图3：为泄压阀设计的Plantweb Insight仪表板会对释放进行计时，如果释放后阀门没有完全关闭，它还会向维护团队发出警报。

如果没有泄压阀监测，运行人员不会意识到泄漏，直到他们注意到火炬或泄压系统的流量增加。他们的第一个反应是根据过程知识和经验，确定泄露源在哪里，例如，查看过程的哪个部分处于较高压力。当泄压阀被监测时，运行人员可以缩短响应时间，因为传感器将运行人员引导到事件发生的位置。这有助于减少排放的持续时间、数量，这是可持续发展计划的关键目标之一。

一个常见的问题是重新密封不彻底。如果阀座损坏或微粒滞留在阀门中，阀门可能无法完全关闭，使其永久“沸腾”，将产品释放到装置的污染控制系统中，或者在最坏的情况下直接释放到大气中。当这种情况发生时，运行人员可能需要数小时或数天才能意识到存在的问题，然后才能确定复杂系统发生问题的位置。声学监视器可以听到沸腾的声音，即使是很小的声音也可以消除猜测式维修，从而促进更有效的维修工作。

04 换热器：提升能源使用效率

任何换热器的传热能力都会因一个普遍存在的问题而退化：结垢。流体携带的颗粒物沉积在内表面上，导热率与沉积物类型和厚度成比例下降。换热器两侧的污垢会降低传热速率，从而降低效率。确定效率取决于衡量一系列关键变量：

■ 过程流体温差（入口与出口相比）和流量;

■ 输送流体温差和流量（用于液-液设计）;

■ 冷却空气温度和流量（用于风冷设计）。

通过这些测量可以确定传递的热量以及总体效率。如果这些基本测量仪表不是装置的一部分，则应添加这些仪表。然而，基于WirelessHART的变送器可用于所有类型的热交换器测量：

■ 温度仪表可添加到过程流体和输送流体的管道中，而无需任何贯穿件。无论环境条件如何，这些传感器都能通过管壁准确测量（图4）并读取内部流体温度。

图4：艾默生罗斯蒙特X-well技术可以在管道外部测量管道内部的温度，并通过WirelessHART发送数据。

■ 利用传统的温度传感器，单个发射器可以通过一个无线信号，发送来自多达四个传感器的数据。

■ 读取过程流体入口和出口的压差，确定污垢何时开始积聚，或是否存在管道泄漏。

这些仪表生成的数据被传递给专门为热交换器构建的分析应用，使这些软件工具易于安装、配置和使用。算法通过计算效率并监测其与基线的偏差来寻找污染等工况，结果显示在预先配置的仪表板上。系统识别异常工况，并在满足某些条件时（如当污垢超过阈值），发出报发送数据。

05 照明：减少不必要的能耗

在许多过程制造设施中，无论一天中的活动或时间如何，在无人区域提供照明都会带来能源浪费，这种情况很常见。在某些情况下，在危险区域部署的老式的金属卤化物高强度放电（HID）灯从未关闭，这也会造成浪费。当这种情况发生在数百甚至数千个灯具上时，所消耗的电量是巨大的。

用新的智能LED灯具替换现有灯具，设施可以减少能耗和维护需求，同时提高恶劣和危险场所的安全性。与HID灯具相比，这些灯具的等效光输出所需的能源减少了70%，同时它们由运动检测器（图5）、计时器和环境光检测器控制，在有人的时候打开，无人的时候关闭，因此实际上可以节约更多的能源。这些装置通过WirelessHART进行通信可以远程激活，报告开启时间，并向维护人员发送有关其状态的诊断信息。

发电站、天然气处理厂和炼油厂的运营商正受益于数字孪生技术的实施。由于这些行业具有较高的火灾和爆炸风险，数字孪生技术可以预测何时进行维护，以便在出现问题之前主动解决问题。

新装置可以像任何其它智能现场设备一样，收集数据并进行分析，准确显示照明消耗的电量，以及其对可持续性指标的影响。由于灯光会对周围出现的人做出反应，因此这种方法还有一个副产品：提供设施内活动的大致情况，尤其是在夜间。

由于使用了WirelessHART、普世传感和数据分析解决方案等技术，可以提供对所有公司利益相关者、周围社区和全球环境产生积极影响的结果，因此上述项目可以为制造企业带来收益。同时，这类项目通常是自我支持、易于实施的，因此它们也提高了整体盈利能力。