Abstract English Version The aim of this thesis is to study and to assess energy consumption in the most accurate and precise way by means of tools useful to support the energy intensive industrial organisations ability to focus on potential energy savings. All activities relating to oil refinery, metallurgy, chemistry and the industry of pulp and cement can be considered energy intensive. A wide concern on the global issue of Climate Change set off at the Rio Conference (1992) and steady rose due to the international debate following thereafter; between all, it focus on atmospheric pollution as one of the main reasons of the alteration of the atmosphere dynamics. The basic reasons for this are mainly related to an irrational and disproportionate use of energy leading to a substantial increase in the production of greenhouse gases. A radical improvement of the global situation might originate from targeted actions at local level. They might be based on the development of technology and management systems and shall also involve raising awareness about the delicate subject of sustainable and efficient use of energy resources. From this perspective, the first step to perform is the accurate and precise quantification of energy consumption of each organization, either production-related or not. To accomplish continuous improvement of self-energy performances, a comparison between self-consumption and consumption among similar organizations helps understanding which points of processes should be reviewed and which technologies could be applied to obtain effective results (benchmarking activities). The target- 2
3 ed activities, related to monitoring and implementing energy performances, indeed support the development of energy programs. To define energy consumption and the level of efficiency attained by an organization (considering in particular production sites) the ability to develop and run models, using proper software that can reproduce the dynamics which characterize the industrial sites, is an added value that can contribute to the assembling of more reliable data from the field (data coming from the measuring instruments located in the plants). In addition to this main objective, tailor made models for a given organization can bring benefits in the management of its daily activities. For example, these models can contribute to maintenance activities by increasing the ability to decide which instruments should be prioritised. Developing models can also help to spread a culture of sustainability, by increasing the awareness of employees about the need for monitoring, and implementing energy consumption and environmental performances. This research work focuses on an oil refinery owned by api raffineria di Ancona SpA, an energy intensive company continuously active to improve the organisation s energy and environmental performances. In refineries, energy consumption represents 35% to 50% of operating costs and is a source of emissions into the atmosphere mainly due to fuel combustion. Airborne-pollutant emission-levels mainly depend on the type and the quantity of such fuels. The api raffineria di Ancona SpA s oil refinery, during 2006, met about 97% of its energy demand burning fuel gas, which is mainly composed of natural gas (methane) and gaseous by-products coming from oil-processing activities. Thus, we focused our attention on fuel gas consumption as main energy source to supply energy to the furnaces. By developing a model capable of representing the fuel gas network of the refinery, the implementation, and the use of such auxiliary model has been shown useful for the monitoring and the reliable assessment of the site s fuel consumption. This lets to focus the attention on the analysis of potential sources of energy recoveries. It has been demonstrated that the model can also be considered as a promising
4 tool to support the maintenance of measuring instruments and that its development and implementation can be a valid way to involve employees by cross-fertilising and integrating their different professional knowledge bases. Moreover, introducing the CO 2 assessment in the model can help the company to fulfill the directives related to emission trading. This model, which represents the fuel-gas network in a simplified way, uses groups of data as input, some of which need to be treated first. Measurements coming from field instruments need to be compensated where necessary. Compensation is done when the readings of the instruments, based on design conditions, are related to the operating conditions of temperature, pressure, and molecular weight: in any event, this treatment does not ensure that the measurement will be error-free. Once the measurements have been compensated they have been reconciled to improve their reliability. Data reconciliation uses redundancies of measurements, which must respect several mass-balance and energy-balance equations, to determine the most correct values that better fulfil equations. This is done by reducing to the minimum amount the correction that must be done to the measurements, taking into account the characteristics of the instruments. Indeed to build the model of the fuel gas network, an appropriate software for data reconciliation has been used, namely the Data Reconciliation Software DATREC developed by Technip France. By means of several equations, which constitute a system of redundancies able to describe the most significant characteristics of the fuel gas network, this software processes input data and gives reconciled data as output. Mass and energy balances have enabled a simplified representation of the network under investigation within this research work. This model has been applied off-line to analyse, as a case study, an unexpected increase in fuel gas consumption. This analysis has shown that the application of the model helps to better understand the behaviour of single plants, allowing the concentration and targeting of resources dedicated to the energy management so to avoid their ineffective distribution. On the one hand the model has focused on one
5 measuring instrument as the main cause of this unexpected trend while on the other hand it has highlighted potential errors of other instruments (not only fuel gas flow meters). From these findings, some reflections have been made about the behaviour of the plants. In particular, the possible malfunctioning of an instrument measuring the content of oxygen of the flue gas in the stack has shown, according to the hypothesis assumed and according to the model, possible infiltration of air, downstream of the energy recovery in one plant. By involving staff with different capabilities and competencies, awareness and responsibility about the theme of energy efficiency at different levels inside the company have increased. With reference to the environmental management systems, the direct involvement of top management, namely the oil refinery deputy manager, in the activities and the occurred interaction during development of this PhD thesis, have been fundamental cornerstones for the success of the work itself. Out of several potential actions, with the aim to ensure that this model remains operational, a possible application of this work can be its on-line application which would take advantage of the possibility to use data coming from the Distributed Control System (DCS) of api raffineria di Ancona SpA. The on-line application would positively affect the calculation of the energy performances indexes of the company, which influence top management decision-making processes on potential future actions and programs. Another possible implementation of this work, which has been also suggested, would be the extension of the reconciliation of fuel gas consumption data to the calculation of CO 2 as redundancy to the calculation actually made by the company according to the emission trading rules. The potential demonstrated by this innovative tool for the implementation of energy efficiency and consequently the reduction of the environmental impact could be extended in an integrated way to the monitoring of steam consumption (steam network monitoring) and to the monitoring and reduction of the energy losses caused by material disposed of in the safety flare.
Abstract Versione Italiana Questo lavoro si propone l obiettivo di contribuire a definire nel modo più accurato e preciso possibile i consumi energetici di realtà industriali definibili come energeticamente intense, al fine di fornire strumenti utili all individuazione di possibili recuperi. Tra i diversi settori produttivi energeticamente intensi si ritrovano la raffinazione petrolifera, la metallurgia, la chimica e l industria della carta e del cemento. Le grandi questioni globali legate ai cambiamenti climatici sollevate dalla conferenza di Rio (1992) e dal dibattito internazionale che ne è scaturito, focalizzano sull inquinamento atmosferico come principale causa delle alterazioni delle dinamiche atmosferiche. Alla base di questo sta un uso irrazionale e sproporzionato delle risorse energetiche il cui effetto è un elevata produzione di gas serra. Un sostanziale miglioramento della situazione su scala mondiale non può che passare per azioni mirate a livello locale, attraverso il miglioramento tecnologico e gestionale e attraverso la diffusione del senso di responsabilità nei confronti del delicato tema dell uso sostenibile ed efficiente delle risorse energetiche. Primo passo in questa direzione è il bilancio quanto più accurato e preciso possibile dei consumi energetici di una realtà, sia essa produttiva o non, in quanto questo è alla base del concetto di efficienza energetica. Per poter perseguire il miglioramento continuo delle proprie prestazioni energetiche, un analisi comparativa dei propri consumi sia nel tempo che rispetto a realtà simili (benchmarking), contribuisce a capire in quali punti critici del processo e attraverso quali tecnologie intervenire in modo 6
7 tale da ottere risultati concreti. Queste attività mirate di monitoraggio e miglioramento delle prestazioni energetiche contribuiscono a definire programmi di energy management. Al fine di determinare i consumi energetici e quindi il livello di efficienza, in particolare nei siti produttivi, l elaborazione e l utilizzo di modelli capaci di riprodurre attraverso opportuni softwares le dinamiche delle realtà industriali, possono contribuire a migliorare l affidabilità dei dati da campo (l insieme di dati grezzi provenienti dagli impianti). Parallelamente a questo obiettivo principale, i modelli costruiti su misura nei singoli casi, possono portare ulteriori valori aggiunti alle attività quotidiane: possono essere, come dimostra questo lavoro di tesi di dottorato, un valore aggiunto per attività di manutenzione contribuendo, per esempio, a individuare le priorità di intervento nella gestione degli strumenti di misura. Possono inoltre contribuire a diffondere una cultura della sostenibilità aumentando la consapevolezza da parte del personale dipendente della necessità di monitorare e migliorare dove possibile i consumi energetici e le prestazioni ambientali. Questo lavoro di ricerca si è focalizzato sulla realtà della raffineria api raffineria di Ancona SpA date le sue caratteristiche di azienda energeticamente intensa attiva nel processo di miglioramento continuo delle proprie prestazioni ambientali, inserita in un contesto territoriale definito come Area ad Elevato Rischio di Crisi Ambientale (AERCA). I consumi energetici rappresentano nelle raffinerie tra il 35% e il 50% dei costi operativi e sono fonti di immissioni in atmosfera di prodotti di combustione strettamente dipendenti dal tipo e dalla quantità di combustibile utilizzato. La raffineria api raffineria di Ancona SpA nell anno 2006, ha soddisfatto la propria richiesta energetica ricorrendo quasi completamente (circa per il 97%) all uso di gas combustibile fuel gas, ovvero l insieme di gas naturale e di gas di raffineria (quest ultimo è un gas ottenuto come sottoprodotto dei processi di lavorazione del petrolio e dei prodotti da esso derivati). In questo lavoro si è dunque concentrata l attenzione sul consumo di fuel gas, vet-
8 tore energetico principale per l alimentazione del processo di lavorazione e raffinazione dei prodotti petroliferi. Attraverso lo sviluppo di un modello della rete fuel gas (rete di raccolta e distribuzione del gas combustibile) della raffineria si dimostra come l implementazione e l utilizzo di strumenti ausiliari sia utile e contribuisca a monitorare e valutare in modo piu attento i consumi del combustibile principale del sito, per poi individuare fonti di possibili recuperi energetici. Il modello si è inoltre mostrato come un potenziale mezzo utile per supportare le attività di manutezione degli strumenti di misura, oltre che essere una valida occasione per interessare, aumentare ed integrare professionalità interne all azienda di diverso ruolo e formazione. L estensione del modello al calcolo della CO 2 come prodotto di combustione conseguente all utilizzo del gas combustibile, può inoltre contribuire a rispondere alle direttive e regolamentazioni legate all emission trading a carico dell organizzazione. Il modello atto a rappresentare in modo semplificato la rete di immissione e distribuzione di fuel gas ai forni utilizza una serie di dati che devono essere dapprima trattati. I dati provenienti dalla lettura degli strumenti di campo vanno infatti compensati dove necessario. La compensazione è funzionale a riportare la lettura dello strumento basata su condizioni di progetto alle condizioni operative (temperatura, pressione e peso molecolare); tuttavia non assicura che la misura non trascini con se un errore. Per migliorare l affidabilità delle misure compensate si è quindi utilizzata una tecnica - detta di riconciliazione - che, legando in modo ridondante le misure al rispetto di equazioni di bilancio di materia e di energia, determina i valori più corretti che meglio soddisfano le suddette equazioni, minimizzando la correzione da apportare alle misure sulla base di una caratterizzazione degli strumenti. Pertanto, per la costruzione del modello rappresentativo della rete di immissione e prelievo del gas combustibile utilizzato dai forni di raffineria, si è utilizzato il software Datrec (Data Reconciliation Software, Technip France) per la riconciliazione dei dati. Tale software, attraverso una serie di equazioni ridondanti capaci di descrivere gli
9 aspetti significativi che modellizzano la rete, processa i dati di input per restituire dati riconciliati. I bilanci di materia e di energia costruiti laddove possibile hanno permesso di definire il modello semplificato della rete oggetto di studio. Il modello è stato poi utilizzato per l analisi di un caso studio reale: l applicazione off-line per l analisi di un consumo anomalo di fuel gas ha anche mostrato che il modello aiuta a valutare il comportamento dei singoli impianti permettendo di non disperdere ma piuttosto di mirare le risorse dedicate al programma di miglioramento energetico. Se da un lato infatti il modello ha individuato in un contatore la possibile principale causa dell anomalia, dall altro ha permesso di porre l attenzione su altri strumenti e di valutare il comportamento degli impianti. La possibile staratura di un misuratore di ossigeno indicata dal modello - con i presupposti con cui è stato pensato, sviluppato e utilizzato - ha permesso di fare una valutazione su possibili infiltrazioni d aria a valle del recupero termico al camino di un impianto. Il fatto di aver coinvolto personale con competenze diverse, ha inoltre permesso di aumentare la consapevolezza e il senso di responsabilità nei confronti della tematica dell efficienza energetica nei vari livelli aziendali. In particolare, con riferimento a quanto indicato dagli stessi sistemi di gestione ambientale a cui si fa riferimento all interno di questo lavoro di tesi, la condivisione e il coinvolgimento diretto dell alta direzione aziendale - nel caso specifico il vicedirettore di raffineria - nelle attività e nella discussione dei risultati ottenuti nel tempo con questo lavoro di ricerca, è stato contemporaneamente un risultato e un elemento di successo. Tra i possibli sviluppi di questo lavoro, a valle di determinati interventi mirati a mantenere attivo il modello, ne viene prospettata l applicazione on-line sfruttando la possibilità di inserire dati prelevati dai sistemi di monitoraggio in continuo (DCS) come dati di input del modello. Questo avrebbe come effetto diretto il miglioramento dei calcoli degli indici di performance energetica dell azienda (attività proprie della funzione di Energy Saving & Benchmarking) alla base delle valutazioni e delle scelte dell alta direzione. Si è indicata inoltre come possibile e utile per l azienda l estensione dei risultati
10 riconciliati come base per ridondare i calcoli e le misure della CO 2. Le potenzialità dimostrate da questo strumento innovativo, utilizzato per il miglioramento dell efficienza energetica e la riduzione dell inquinamento, potrebbero essere estese in modo integrato al monitoraggio del consumo di vapore (monitoraggio della rete vapore) - un altro importante vettore energetico per una realtà di processo come la raffineria - e al monitoraggio delle perdite energetiche dovute agli scarichi nella torcia di sicurezza.