О цифровой трансформации энергетической отрасли

Денис ХИТРЫХ
Директор Центра исследований
и разработок, директор по маркетингу, «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», к. т. н., MBA
e-mail: denis.khitrykh@cadfem-cis.ru

Введение

Цифровых технологий в современном мире становится все больше. В будущем они затронут все отрасли производства и будут способствовать появлению новых видов бизнеса. Отвечая на требования общества и общемировой тренд на декарбонизацию, трансформируется и мировая энергетика. Важными факторами, способствующими изменениям в энергетике, станут цифровые технологии и технологии обработки больших данных.
Технологии, которые окажут наибольшее влияние на трансформацию энергетической сферы, включают продвинутую аналитику данных, в том числе искусственный интеллект (ИИ), облачные и квантовые вычисления, роботизацию, носимые устройства и пр. Они затронут все сегменты отрасли, причем, как ожидается, наибольшее влияние они окажут на электроэнергетику, в которой появятся новые игроки и новые бизнес-­модели.
Навыки, связанные с цифровыми технологиями, вероятно, будут одними из самых востребованных на рынке, но потребуются и другие нетехнические компетенции, такие как решение проблем в условиях неопределенности и управление рисками.
Мировая энергетика трансформируется, отвечая на запросы общества и усиление климатических требований. В 2015 году ООН приняла повестку дня в области устойчивого развития до 2030 года. Программа состоит из 17 глобальных целей (ЦУР), в том числе цели, лежащие в области энергетики. Международное энергетическое агентство (МЭА) отметило основные изменения, которые потребуется осуществить для достижения этих целей. Основной вектор развития энергетики на ближайшие 2–3 десятилетия будет направлен на сокращение выбросов углеводородов в атмосферу с целью достижения нулевых выбросов к 2070 году.
Согласно прогнозам, зафиксированным в сценарии устойчивого развития ООН, в 2040 году, несмотря на рост мировой экономики в среднем на 3,4 % в год, мы увидим существенное снижение спроса на углеводородную энергетику: рынок нефти объемом в 65–70 миллионов баррелей в день к 2040 году вернется к уровню начала 1990‑х годов. При этом произойдет значительное перераспределение инвестиций от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии: инвестиции в ископаемое топливо сократятся почти на 50 %, а расходы на возобновляемые источники энергии увеличатся на 250 %.
Одним из наиболее важных технологических сдвигов в энергетической отрасли, который приведет к значительному повышению эффективности и рентабельности, станет цифровая трансформация. Попытки осуществления цифровой трансформации предпринимались еще c середины 90‑х годов, но прорыв в этой области стал возможен только с появлением и развитием таких технологий как, промышленный интернет вещей (IIoT), обработка больших данных (Big Data) и когнитивные вычисления (Сognitive Сomputing).

Ключевые компоненты цифровизации

В широком смысле цифровизация – это преобразование информации и результатов измерений в численный формат, после чего их можно обрабатывать, хранить и передавать в электронном виде. Цифровые технологии предполагают [8]:

1. Глубокую аналитику данных, которая включает в себя прогнозную аналитику, большие данные и интеллектуальный анализ данных на базе машинного обучения и искусственного интеллекта. Глубокий анализ данных и искусственный интеллект уже влияют на то, как энергетические компании принимают решения, и в будущем изменят status quo для всех участников цепочки поставок в энергетической отрасли. Что касается разведки новых месторождений и добычи ископаемого топлива, развитие цифровых технологий будет способствовать появлению новых методов разведки нефти и газа.
2. Дополненную, ассистирующую и виртуальную реальность (AR/VR) на базе которых можно создавать различные экспертные системы, интерактивные электронные технические руководства, выводить информацию о режимах работы оборудования (включая телеметрию) и пр. В результате внедрения AR/VR-технологий повышается производительность труда за счет сокращения времени при выполнении операций, времени на подготовку к операциям, оптимизации перемещений персонала.
3. Оцифровку бизнес-­процессов, что позволит оптимально перераспределить персонал по проектам, сократить количество ошибок и аварий и обеспечить прозрачность коммерческих решений.
4. Облачные вычисления – предоставление сетевого доступа по требованию к некоторому общему фонду конфигурируемых вычислительных ресурсов (серверам, хранилищам, базам данных, программному обеспечению). Облачные вычисления позволяют более быстро внедрять инновации, обеспечивают гибкость ресурсов и экономию за счет роста масштабов. Облачные технологии станут высокоценным ресурсом и для покупателей энергоресурсов, позволяя фирмам реализовывать инициативы, направленные на привлечение потребителей, например, способствуя созданию «зеленого» образа компании.
5. Кибербезопасность – защита систем, сетей и программ от цифровых атак. Обычно «кибератаки» нацелены на получение доступа к данным, изменение или уничтожение конфиденциальной информации, нарушение бизнес-­процессов. В качестве примера можно привести кибератаку на крупный энергетический объект в Норвегии в 2019 году. Жертвой атаки стала металлургическая компания Hydro. На восстановление ее работоспособности потребовалось несколько недель, а ущерб составил около 70 млн долл. США.
6. Блокчейн и распределенные реестры – совместно используемые и распределенные структуры данных или реестры, которые могут безопасно хранить информацию о цифровых транзакциях без использования центральной точки управления. Блокчейн и технология распределенного реестра могут использоваться для риск-менеджмента или торговли «зелеными» сертификатами.
7. Интернет вещей (IoT) и промышленный интернет вещей (IIoT) – это обширная сеть подключенных вещей и людей, которые собирают данные и обмениваются данными об окружающей среде, о самом устройстве и о том, как оно используется.
8. Цифровой двой­ник – виртуальная копия технического объекта, воспроизводящая и задающая структуру, состояние и поведение объекта в реальном времени. Цифровой двой­ник является ключевым базовым элементом высокотехнологичной системы управления. К числу высокотехнологичных объектов, управление которыми целесообразно организовывать на базе технологии цифровых двой­ников, относятся, например, современные системы распределенной энергетики, включающие разнообразные энергоприемники, локальное генерирующее оборудование и накопители электроэнергии.
9. Дроны и беспилотные летательные аппараты (БПЛА) – беспилотные транспортные средства, в основе работы которых лежат такие технологии, как компьютерное зрение и искусственный интеллект. Сегодня БПЛА используются, например, для плановой диагностики и инспекции состояния ЛЭП, проведения аварийно-­восстановительных работ, создания цифровых и кадастровых планов, сопровождения работ по строительству и реконструкции ЛЭП и мн. др.
10. Робототехнику, которая существенным образом меняет энергетическую отрасль, трансформируя такие процессы, как производство, эксплуатация и диагностика различного оборудования. Например, применение роботов, которые могут перемещаться по газораспределительной системе и с помощью датчиков измерять толщину стенок и напряжения, может значительно сократить объем земляных работ, необходимых для проверки трубопроводной системы.

Секторы энергетики, подверженные наибольшему влиянию цифровизации

В краткосрочной перспективе цифровая трансформация энергетики сможет увеличить доходы компании в отрасли на 3–4 % в год. Основной рост доходов – в генерации и распределении – будет достигнут за счет анализа всех доступных данных, автоматизации бизнес-­процессов и локального внедрения цифровых решений на критических объектах инфраструктуры. Важно понимать, что цифровая трансформация энергетики – это цифровизация всех отраслей ТЭК: электроэнергетики, нефтегазового комплекса (добыча, транспорт и переработка) и угольной промышленности.

Разведка и добыча нефти и газа

Ожидается, что в добыче нефти и газа рост чистой прибыли будет обеспечен за счет снижения затрат, связанных с интерпретацией данных, повышением добычи благодаря использованию прогнозного технического обслуживания, и увеличением времени безотказной работы основного и вспомогательного оборудования.
Сегодня все крупные нефтяные компании реализуют проекты, которые можно отнести к категории «умного» производства: Smart Wells («умные скважины») – Schlumberger, Smart Field («умное месторождение») – Shell, Field of Future («месторождение будущего») – BP, «цифровое месторождение» – «Роснефть» совместно с «Башнефть» и др. [1].

Все эти системы похожи друг на друга по своим основным целям и задачам, которые они решают. В первую очередь, речь идет о моделировании различных сценариев развития ситуации на нефтегазовом производстве и выборе оптимальных решений при добыче, транспортировке и переработке нефти [5]. К наиболее перспективным умным нефтегазовым технологиям относятся: робототехника для бурения, обслуживания и наблюдения скважины, подводная добыча нефти, беспилотные платформы и др. [7]. Использование умных технологий в режиме реального времени позволяет цифровым нефтегазовым компаниям достичь следующих целей [2]:
— расширить сырьевую базу предприятия в 3 и более раз;
— увеличить показатели извлечения и объемы добычи нефти на 10 %;
— повысить производительность предприятий на 10 %;
— снизить удельную себестоимость добычи нефти на 15 %;
— уменьшить число аварий (включая утечки и выбросы) на 20–30 %.
Экономическая эффективность от применения «умной» нефтегазодобычи достигается в первую очередь за счет уменьшения числа простоев фондов нефтедобывающих скважин, сокращения потерь нефти и газа при сепарации, полной оптимизации процесса нефтедобычи.

Нефтепереработка и нефтехимия

Эффективность работы нефтеперерабатывающей отрасли в целом следует за тенденцией основных макроэкономических показателей страны и зависит от изменений потребительского спроса. Поэтому последствия пандемии коронавируса в 2021 году вероятно повлекут за собой значительный спад спроса на нефтепродукты как на российском, так и на европейском рынках.
Данные из открытых источников позволяют оценить техническое состояние нефтеперерабатывающей отрасли в России. Так, согласно данным Минэнерго России (реестр НПЗ) из 38 крупных нефтеперерабатывающих заводов с объемами переработки более 1 млн тонн в год, 24 завода эксплуатируются уже более полувека. Наиболее показательными в данном контексте являются следующие НПЗ:
— Туапсинский, который эксплуатируется с 1928 года;
— Саратовский, работающий с 1934 года;
— Московский, функционирующий с 1938 года.
Средний возраст российских НПЗ – свыше 60 лет. Это говорит об изношенности нефтеперерабатывающих мощностей. Вместе с тем, крупнейшие нефтеперерабатывающие заводы России продолжили в 2019–2020 гг. реконструкцию и ввод новых технологических мощностей в рамках национальной программы модернизации. Одной из целей этой программы модернизации является рост производства высокооктановых бензинов, соответствующих стандартам Евро‑5 и выше. В результате средняя глубина переработки нефти на российских НПЗ за последние 5 лет выросла на 17 % и в 2020 году составила 84,4 % [4].
В 2019–2020 гг. в России произошли ряд техногенных аварий, которые нанесли серьезный экологический и экономический ущерб. Так 9 января 2020 года в городе Ухта Республики Коми загорелась установка НПЗ ООО «ЛУКОЙЛ-Ухтанефтепереработка». Предприятию был причинен ущерб в размере около 12 млн руб­лей. В январе 2019 года случилась авария на Ангарском нефтехимическом комплексе. Экономический ущерб составил 347,9 млн руб­лей. В марте были пожары на Новокуйбышевском НПЗ и Комсомольском НПЗ. В результате аварии на Новокуйбышевском НПЗ пострадал один человек. На Комсомольском НПЗ обошлось без пострадавших, но экономический ущерб составил в 809,45 млн руб­лей. Всего за 2019 год было зафиксировано 19 серьезных аварий на нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях России. Поэтому экологическая повестка сейчас является актуальной.
Совокупность и учет всех этих факторов привели к тому, что сегодня большинство нефтеперерабатывающих компаний страны осознают необходимость и важность внедрения цифровых и автоматизирующих технологий, и в первую очередь – интеллектуальных средств мониторинга технического состояния наиболее критического оборудования НПЗ.

При эксплуатации оборудования НПЗ сегодня различают несколько стратегий управления его техническим обслуживанием и ремонтом: техническое обслуживание и ремонт по событию, реактивное обслуживание, превентивное обслуживание и ТОиР по фактическому состоянию. При этом использование технологии цифровых двой­ников является необходимым условием реализации стратегии «ТОиР по фактическому состоянию».
ТОиР по фактическому состоянию основан на непрерывном мониторинге технического состояния оборудования и методах машинного обучения, используемых для прогнозной аналитики. Этот вид технического обслуживания также часто называют предиктивным или прогнозным обслуживанием. Ключевые показатели эффективности при применении обслуживания по фактическому состоянию с учетом роста проникновения технологий цифровых двой­ников в нефтеперерабатывающую отрасль могут достигать следующих показателей:
— расходы на техническое обслуживание – снижаются на 25 %;
— устранение аварий – на 70 %;
— незапланированный простой (предупреждение аварий) – на 35 %;
— производительность оборудования – увеличивается на 20 %.
Выход из строя только насосного агрегата НПЗ может привести к снижению производственной мощности НПЗ на 0,2 % [3].
Рассмотрим эффективность применения цифрового двой­ника на основе вибромониторинга и машинной аналитики на примере насоса циркуляционного орошения, используемого в вакуумной ректификационной колонне. Затраты на ремонт насоса по оценкам ООО «ЛУКОЙЛ-ИНФОРМ» составляют 12000 долл. США, потеря прибыли 15000 долл./ч, общая утраченная прибыль 90000 долл., общая стоимость отказа 158000 долл. Таким образом убытки от простоя оборудования в денежном выражении при отсутствии своевременной вибродиагностики и предиктивной аналитики циркуляционного насоса составляют 11850 тыс. руб./год при двух внеплановых остановках. Если отмасштабировать эффект от внедрения цифрового двой­ника на все подобное оборудование НПЗ, то экономический эффект будет на несколько порядков больше. Срок окупаемости мероприятия при внедрении только виброанализатора стоимостью 1,5 млн руб. составит 0,126 года или 1,5 месяца [10].
Вследствие роста использования возобновляемых источников энергии и «зеленых» технологий все больший интерес к энергетике стали проявлять новые игроки, в том числе некоторые крупные нефтяные компании. За последние несколько лет инвестиции нефтяных компаний в технологии накопления энергии, электрификацию транспорта и возобновляемые источники энергии заметно увеличились [6]. Ожидается, что эта тенденция сохранится и в более долгосрочной перспективе, поскольку падение цен на нефть и экономические последствия, связанные с пандемией коронавируса, оказывают лишь косвенное воздействие на стабильность нефтяных компаний.

Электроэнергетика

наибольшее влияние испытает на себе электроэнергетика, именно в ней в результате цифровизации будет наблюдаться самый большой рост числа активов и рабочих мест. В результате воздействия таких факторов как, изменение цен на топливо и его доступность, распространение возобновляемых источников энергии и повышенный риск кибератак, электроэнергетика подвергнется в ближайшем будущем серьезным изменениям.
Для любой генерирующей компании цифровизация открывает возможности в следующих четырех областях:

1. Управление жизненным циклом активов: технологические решения могут обеспечивать дистанционное управление или профилактическое обслуживание в режиме реального времени, приводя таким образом к продлению жизненного цикла актива или достижению лучшей производительности генерирующих, передающих или распределительных активов и инфраструктуры.
2. Оптимизация энергосети: оптимизировать работу сетей можно за счет балансировки нагрузки в реальном времени, управления сетью, сквозного подключения, достигаемого путем подключения активов, оборудования и устройств, а также расширенных возможностей мониторинга сети.
3. Интегрированный подход к обслуживанию клиентов: объединение инновационных цифровых продуктов и услуг, относящихся к производству энергии и управлению энергопотреблением, в единую интегрированную систему обслуживания клиентов.
4. Персонализация электроэнергии – персонализированные подключаемые услуги за пределами цепочки создания стоимости электроэнергии, адаптирующиеся к потребителю.

Кроме того, цифровизация электроэнергетики приведет к появлению совершенно новых бизнес-­моделей с акцентом на экологически чистую энергию («зеленую» энергию), поддержку электромобилей, а также на домохозяйства и бизнес. Появятся такие новые модели электроэнергетики, как [8]:

1. Виртуальная энергокомпания (Virtual Utility) – компания, которая собирает энергию из различных распределенных систем и действует как посредник на рынках энергетики.
2. Разработчик энергосистемы (Grid Developer) – коммунальные компании в данной модели приобретают, разрабатывают, строят, владеют и обслуживают линии электропередачи, которые соединяют децентрализованные генераторы с операторами местных распределительных систем.
3. Сетевой менеджер (Network Manager) – управляет распределительными устройствами и предоставляет доступ к своим сетям вырабатывающим электроэнергию предприятиям, компаниям, владеющим соединительными линиями и поставщикам розничного обслуживания.

Однако только отмена государственного регулирования розничного рынка электроэнергии может стать отправной точкой для инноваций в этой сфере.

Цифровой двой­ник электростанции

Современные объекты генерации имеют существенный потенциал повышения энергоэффективности и надежности. Отчасти он реализуется современными системами автоматики (АСУ ТП) с развитыми функциями контроля и управления технологическими процессами, а также современными средствами диагностики и превентивной стратегией обслуживания. Но потенциал современной электростанции намного больше, и это делает оправданным внедрение комплексного цифрового двой­ника. Цифровой двой­ник (ЦД) позволяет существенно повысить показатели станции и дополнить существующую систему АСУ ТП. Повышение эффективности электростанции достигается за счет оптимизации технологических режимов и повышения надежности благодаря переходу на ТОиР по фактическому состоянию.
Эти возможности цифровой двой­ник ТЭС реализует за счет того, что в нем применяются эталонные верифицированные математические модели физических процессов, работающие на данных, поступающих от штатных средств автоматики. Цифровой двой­ник позволяет непрерывно получать информацию о текущем состоянии объекта, для которой ранее требовалось глубокое техническое обследование.
Кроме оценки фактического технического состояния оборудования, двой­ник может спрогнозировать его изменение во времени и оценить его влияние на эффективность работы станции.

Концепция гибридного цифрового двой­ника, разработанная специалистами компании «КАДФЕМ», отличается по своей структуре и функционалу как от штатных АСУ, так и от систем аналитики на базе статистических или балансовых моделей. Главное отличие состоит в том, что математические модели, основанные на Ньютоновской физике, в составе гибридного цифрового двой­ника дают больше данных о техническом состоянии объекта, чем штатные системы диагностики и прогноза. Контроль отклонений производится по динамическим уставкам с учетом данных последнего технического обслуживания. Это позволяет своевременно оповещать о негативных процессах, например, повышенной скорости загрязнения поверхностей нагрева. Благодаря этому персонал станции своевременно принимает меры для устранения возникающих проблем, не допуская их развития. Таким образом, когда углубленный контроль состояния происходит периодически, упускается время между возникновением проблемы и реакцией на нее. При непрерывном контроле меры по устранению принимаются мгновенно.
Гибридный цифровой двой­ник состоит из двух частей. Первая – это цифровой двой­ник, где есть модель, система калибровки, логические блоки интерпретации показаний моделей и анализатор трендов для прогнозирования. Вторая часть – это система поддержки персонала, которая имеет человеко-­машинные интерфейсы (HMI) для оперативного персонала и сервисной службы, и платформа дополненной реальности (AR).

Общий алгоритм работы цифрового двой­ника следующий. Показания физических датчиков, установленных на оборудовании, передаются через штатную АСУ ТП в цифровой двой­ник, реализованный в виде сервера промышленного исполнения или промышленного контроллера. Математическая модель получает эти данные и в непрерывном режиме проводит расчет остальных не измеряемых физически параметров процесса. Эти данные она предоставляет оператору в виде виртуальных датчиков и использует для вычисления технико-­экономических показателей, а также для диагностики определенных дефектов и прогнозирования.
Математическая модель подвергается регулярной калибровке, чтобы соответствовать текущему состоянию оборудования. Также она позволяет определять на ранней стадии отклонения благодаря тому, что может быть использована в качестве эталона для сравнения данных физических измерений. Прогноз строится на основе экстраполяции роста отклонений в соответствии с диагностическими критериями и правилами.
При работе энергетического блока имеет место много взаимосвязанных сложных непрерывных физических процессов. Для отдельных сложных нелинейных процессов создаются трехмерные CAE-модели, преобразуемые затем в модели пониженного порядка (ROM-модели), и далее интегрируемые в единую системную модель, воспроизводящую реальную работу энергоблока.

Основой цифрового двой­ника является платформа промышленного интернета вещей (IIoT), выступающая в качестве фреймворка для создания пользовательских приложений, человеко-­машинных интерфейсов, и включающая все необходимые средства интеграции датчиками, контроллерами, АСУ ТП, ПЛК и другими системами.
IIoT-платформа работает полностью в контуре заказчика, по локальной сети и тем самым снижает нагрузку на инфраструктуру и обеспечивает единую базу знаний по котельному агрегату, включая эксплуатацию, обслуживание, дефекты и пр. Платформа позволяет объединить различные источники данных в ИТ-ОТ контуре станции и обеспечить сквозной мониторинг и аналитику данных.
Подсистема дополненной реальности (система поддержки персонала – СПП) обеспечивает работу оперативного и сервисного персонала, визуализируя эталонные ремонтные операции через интерактивные инструкции в дополненной реальности. При необходимости через систему можно подключить удаленного ассистента.

Вызовы и барьеры

Несмотря на целый ряд технологических достижений, существуют препятствия, которые необходимо преодолеть, прежде чем внедрять цифровые технологии. Ниже представлен ряд вызовов для цифровизации в энергетическом секторе:

1. Регулирование – например операции с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для мониторинга технических объектов регулируются целым рядом государственных постановлений.
2. Стандартизация и обмен данными: маловероятно, что нефтегазовые компании захотят делиться данными (особенно при разведке месторождений). Это создает препятствия на пути стандартизации данных в отрасли.
3. Устаревшие системы: цифровая трансформация представляет собой революционную и болезненную перестройку методов работы организации. Однако отказ от внесения изменений в устаревшие системы ради внедрения новых технологий будет по-прежнему оставаться значительным препятствием на пути к внедрению цифровых технологий.
4. Дефицит квалифицированных специалистов: без «цифровых» специалистов с необходимым набором «цифровых» навыков компании будут неспособны эффективно провести цифровую трансформацию.
5. Кибербезопасность: поскольку все больше и больше информации перемещается в облако, а организации все больше полагаются на новые технологии, они должны быть способны защитить свои данные.

Заключение

Тенденция цифровизации большого количества рыночных сегментов набирает обороты. Энергетическая отрасль, являясь ключевой отраслью для российской экономики, не осталась в стороне от этого процесса. Этапы развития процессов цифровизации в энергетической отрасли страны всегда были обусловлены научно-­техническим прогрессом: появление новой техники и технологий сразу же затрагивало все аспекты функционирования предприятий данной отрасли. Так в период с 1990 по 2010 гг. шло активное распространение и внедрение процессов автоматизации (на базе 3D-сейсмических моделей) на месторождения по всей России, за счет чего происходил рост экономических показателей экономики страны. С 2010 года и по настоящее время в роли таких прорывных технологий в энергетике выступают: искусственный интеллект, продвинутая аналитика, блокчейн, цифровые двой­ники и др.
Осуществление цифровой трансформации является сложной и неоднозначной задачей, при которой необходимо в первую очередь минимизировать риски внеплановой остановки предприятия из-за сбоев при внедрении новых технологий. Кроме того, цифровизации отрасли сильно препятствуют дефицит «цифровых» специалистов, отсутствие целого ряда стандартов, а также киберугрозы и нестабильность рынка в целом.
Анализ международного опыта внедрения цифровых технологий показывает, что внедрение данных технологий на этапах добычи и переработка нефти и газа позволяет повысить эффективность технического обслуживания оборудования на 20–30 %, сократить внеплановые простои оборудования на 15–20 %, увеличить показатели извлечения и объемы добычи нефти на 10 % и снизить удельную себестоимость добычи нефти на 15 %.
В России так же идут работы в этом направлении, но реальных примеров цифровизации энергетической отрасли пока не так много.