هناك محطة طاقة حرارية كبيرة. وهو يعمل كالمعتاد: فهو يحرق الغاز ويولد الحرارة لتدفئة المنازل والكهرباء للشبكة العامة. المهمة الأولى هي التدفئة. والثاني هو بيع كل الكهرباء المولدة في سوق الجملة. في بعض الأحيان تظهر الثلوج حتى في الطقس البارد مع سماء صافية، ولكن هذا هو أحد الآثار الجانبية لتشغيل أبراج التبريد.
تتكون محطة الطاقة الحرارية المتوسطة من بضع عشرات من التوربينات والغلايات. إذا كانت الكميات المطلوبة من توليد الكهرباء والحرارة معروفة بدقة، فإن المهمة تتلخص في تقليل تكاليف الوقود. في هذه الحالة، يتلخص الحساب في اختيار التركيبة ونسبة تحميل التوربينات والغلايات لتحقيق أعلى كفاءة ممكنة لتشغيل المعدات. تعتمد كفاءة التوربينات والغلايات بشدة على نوع المعدات ووقت التشغيل بدون إصلاحات ووضع التشغيل وغير ذلك الكثير. هناك مشكلة أخرى عندما تحتاج، في ضوء الأسعار المعروفة للكهرباء وحجم الحرارة، إلى تحديد كمية الكهرباء التي سيتم توليدها وبيعها من أجل الحصول على أقصى قدر من الربح من العمل في سوق الجملة. ومن ثم فإن عامل التحسين - الربح وكفاءة المعدات - أقل أهمية بكثير. قد تكون النتيجة حالة تعمل فيها المعدات بشكل غير فعال تمامًا، ولكن يمكن بيع كامل حجم الكهرباء المولدة بأقصى هامش ربح.
من الناحية النظرية، كل هذا كان واضحا منذ فترة طويلة ويبدو جميلا. المشكلة هي كيفية القيام بذلك في الممارسة العملية. بدأنا بمحاكاة عملية تشغيل كل قطعة من المعدات والمحطة بأكملها. لقد جئنا إلى محطة الطاقة الحرارية وبدأنا في جمع معلمات جميع المكونات وقياس خصائصها الحقيقية وتقييم عملها في أوضاع مختلفة. وبناءً عليها، قمنا بإنشاء نماذج دقيقة لمحاكاة تشغيل كل قطعة من المعدات واستخدمناها في حسابات التحسين. وبالنظر إلى المستقبل، سأقول إننا اكتسبنا حوالي 4% من الكفاءة الحقيقية بفضل الرياضيات.
حدث. لكن قبل أن أصف قراراتنا، سأتحدث عن كيفية عمل حزب الشعب الجمهوري من وجهة نظر منطق اتخاذ القرار.
اشياء اساسيه
العناصر الرئيسية لمحطة توليد الكهرباء هي الغلايات والتوربينات. يتم تشغيل التوربينات بواسطة البخار عالي الضغط، والذي بدوره يقوم بتدوير المولدات الكهربائية، والتي تنتج الكهرباء. يتم استخدام طاقة البخار المتبقية للتدفئة والماء الساخن. الغلايات هي الأماكن التي يتم فيها إنشاء البخار. يستغرق تسخين المرجل وتسريع التوربينات البخارية الكثير من الوقت (ساعات)، وهذا خسارة مباشرة للوقود. الشيء نفسه ينطبق على تغييرات التحميل. تحتاج إلى التخطيط لهذه الأشياء مسبقًا.
تتمتع معدات CHP بحد أدنى تقني، يتضمن وضع تشغيل أدنى ولكنه مستقر، حيث يمكن توفير حرارة كافية للمنازل والمستهلكين الصناعيين. عادةً ما تعتمد الكمية المطلوبة من الحرارة بشكل مباشر على الطقس (درجة حرارة الهواء).
تحتوي كل وحدة على منحنى كفاءة ونقطة أقصى كفاءة تشغيلية: عند حمل كذا وكذا، توفر غلاية كذا وكذا وتوربين كذا وكذا أرخص كهرباء. رخيصة - بمعنى الحد الأدنى من استهلاك الوقود المحدد.
تحتوي معظم محطات الحرارة والطاقة المجمعة لدينا في روسيا على اتصالات متوازية، عندما تعمل جميع الغلايات على مجمع بخار واحد ويتم تشغيل جميع التوربينات أيضًا بواسطة مجمع واحد. وهذا يزيد من المرونة عند تحميل المعدات، ولكنه يعقد العمليات الحسابية بشكل كبير. ويحدث أيضًا أن معدات المحطة مقسمة إلى أجزاء تعمل على مجمعات مختلفة بضغوط بخار مختلفة. وإذا أضفت تكاليف الاحتياجات الداخلية - تشغيل المضخات والمراوح وأبراج التبريد، ولنكن صادقين، حمامات البخار خارج سياج محطة الطاقة الحرارية مباشرة - فسوف تنكسر أرجل الشيطان.
خصائص جميع المعدات غير خطية. كل وحدة لديها منحنى مع المناطق التي تكون فيها الكفاءة أعلى وأقل. يعتمد ذلك على الحمل: عند 70% ستكون الكفاءة واحدة، وعند 30% ستكون مختلفة.
المعدات تختلف في الخصائص. يوجد توربينات وغلايات جديدة وقديمة، ويوجد وحدات ذات تصميمات مختلفة. من خلال اختيار المعدات بشكل صحيح وتحميلها على النحو الأمثل في نقاط الكفاءة القصوى، يمكنك تقليل استهلاك الوقود، مما يؤدي إلى توفير التكاليف أو زيادة الهوامش.
كيف يعرف مصنع CHP مقدار الطاقة التي يحتاجها لإنتاجها؟
يتم التخطيط قبل ثلاثة أيام: في غضون ثلاثة أيام يصبح التركيب المخطط للمعدات معروفًا. هذه هي التوربينات والغلايات التي سيتم تشغيلها. نسبيا، نعلم أن خمس غلايات وعشرة توربينات ستعمل اليوم. لا يمكننا تشغيل معدات أخرى أو إيقاف تشغيل المعدات المخطط لها، ولكن يمكننا تغيير الحمل لكل غلاية من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى، وزيادة الطاقة وتقليلها للتوربينات. وتتراوح الخطوة من الحد الأقصى إلى الحد الأدنى من 15 إلى 30 دقيقة، حسب قطعة المعدات. المهمة هنا بسيطة: حدد الأوضاع المثلى وصيانتها، مع مراعاة التعديلات التشغيلية.
من أين أتى هذا التكوين للمعدات؟ وتم تحديده بناء على نتائج التداول في سوق الجملة. هناك سوق للطاقة والكهرباء. في سوق القدرات، يقدم المصنعون طلبا: "توجد معدات كذا وكذا، وهذه هي القدرات الدنيا والقصوى، مع مراعاة الانقطاع المخطط للإصلاحات. يمكننا توفير 150 ميجاوات بهذا السعر، و200 ميجاوات بهذا السعر، و300 ميجاوات بهذا السعر». هذه تطبيقات طويلة المدى. ومن ناحية أخرى، يقدم كبار المستهلكين أيضًا طلبات: "نحن بحاجة إلى الكثير من الطاقة". ويتم تحديد الأسعار المحددة عند التقاطع بين ما يمكن أن يقدمه منتجو الطاقة وما يرغب المستهلكون في الحصول عليه. يتم تحديد هذه القدرات لكل ساعة من اليوم.
عادة، تحمل محطة الطاقة الحرارية نفس الحمل تقريبًا طوال الموسم: في الشتاء المنتج الأساسي هو الحرارة، وفي الصيف هو الكهرباء. غالبًا ما ترتبط الانحرافات القوية بنوع من الحوادث في المحطة نفسها أو في محطات توليد الطاقة المجاورة في نفس منطقة الأسعار في سوق الجملة. ولكن هناك دائما تقلبات، وهذه التقلبات تؤثر بشكل كبير على الكفاءة الاقتصادية للمصنع. يمكن أخذ الطاقة المطلوبة عن طريق ثلاث غلايات بحمل 50% أو اثنتين بحمل 75% ومعرفة أيهما أكثر كفاءة.
ويعتمد الهامش على أسعار السوق وتكلفة توليد الكهرباء. في السوق، قد تكون الأسعار بحيث يكون من المربح حرق الوقود، ولكن من الجيد بيع الكهرباء. أو قد تحتاج في ساعة معينة إلى الانتقال إلى الحد الأدنى الفني وخفض الخسائر. عليك أيضًا أن تتذكر احتياطيات الوقود وتكلفته: الغاز الطبيعي عادة ما يكون محدودًا، والغاز فوق الحد أغلى بشكل ملحوظ، ناهيك عن زيت الوقود. كل هذا يتطلب نماذج رياضية دقيقة لفهم الطلبات التي يجب تقديمها وكيفية الاستجابة للظروف المتغيرة.
كيف تم ذلك قبل وصولنا
تقريبًا على الورق، استنادًا إلى الخصائص غير الدقيقة للمعدات، والتي تختلف بشكل كبير عن الخصائص الفعلية. مباشرة بعد اختبار المعدات، في أحسن الأحوال، سيكونون زائد أو ناقص 2٪ من الحقيقة، وبعد عام - زائد أو ناقص 7-8٪. تُجرى الاختبارات كل خمس سنوات، وغالبًا ما تكون أقل تكرارًا.
النقطة التالية هي أن جميع الحسابات تتم بالوقود المرجعي. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم اعتماد مخطط عند النظر في نوع معين من الوقود التقليدي لمقارنة المحطات المختلفة التي تستخدم زيت الوقود والفحم والغاز والتوليد النووي وما إلى ذلك. كان من الضروري أن نفهم كفاءة كل مولد في الببغاوات، والوقود التقليدي هو ذلك الببغاء ذاته. يتم تحديده من خلال القيمة الحرارية للوقود: طن واحد من الوقود القياسي يساوي تقريبًا طنًا واحدًا من الفحم. توجد جداول تحويل لأنواع مختلفة من الوقود. على سبيل المثال، بالنسبة للفحم البني، تكون المؤشرات سيئة تقريبًا. لكن محتوى السعرات الحرارية لا يرتبط بالروبل. إنه مثل البنزين والديزل: ليس حقيقة أنه إذا كان سعر الديزل 35 روبل، و 92 - 32 روبل، فإن الديزل سيكون أكثر كفاءة من حيث محتوى السعرات الحرارية.
العامل الثالث هو تعقيد الحسابات. تقليديا، بناء على تجربة الموظف، يتم حساب خيارين أو ثلاثة خيارات، وفي كثير من الأحيان يتم اختيار الوضع الأفضل من تاريخ الفترات السابقة لأحمال وظروف الطقس المماثلة. وبطبيعة الحال، يعتقد الموظفون أنهم يختارون الأوضاع الأمثل، ويعتقدون أنه لن يتفوق عليهم أي نموذج رياضي على الإطلاق.
نحن قادمون. لحل المشكلة، نقوم بإعداد توأم رقمي - نموذج محاكاة للمحطة. ويتم ذلك عندما نقوم، باستخدام أساليب خاصة، بمحاكاة جميع العمليات التكنولوجية لكل قطعة من المعدات، والجمع بين توازن البخار والماء والطاقة والحصول على نموذج دقيق لتشغيل محطة الطاقة الحرارية.
لإنشاء النموذج نستخدم:
- تصميم ومواصفات المعدات.
- الخصائص بناءً على نتائج أحدث اختبارات المعدات: كل خمس سنوات تقوم المحطة باختبار وتحسين خصائص المعدات.
- البيانات الموجودة في أرشيف أنظمة التحكم الآلي في العمليات والأنظمة المحاسبية لجميع المؤشرات التكنولوجية المتاحة والتكاليف وتوليد الحرارة والكهرباء. على وجه الخصوص، البيانات المستمدة من أنظمة القياس لإمدادات الحرارة والكهرباء، وكذلك من أنظمة الميكانيكا عن بعد.
- البيانات من شريط الورق والرسوم البيانية الدائرية. نعم، لا تزال مثل هذه الأساليب التناظرية لتسجيل معلمات تشغيل المعدات مستخدمة في محطات الطاقة الروسية، ونحن نقوم برقمنتها.
- السجلات الورقية في المحطات حيث يتم تسجيل المعلمات الرئيسية للأوضاع باستمرار، بما في ذلك تلك التي لم يتم تسجيلها بواسطة أجهزة استشعار نظام التحكم الآلي في العمليات. يتجول عامل الخط كل أربع ساعات، ويعيد كتابة القراءات ويكتب كل شيء في سجل.
وهذا يعني أننا قمنا بإعادة بناء مجموعات البيانات حول ما نجح في أي وضع، وكم الوقود الذي تم توفيره، وما هي درجة الحرارة واستهلاك البخار، ومقدار الطاقة الحرارية والكهربائية التي تم الحصول عليها عند الإخراج. ومن بين آلاف هذه المجموعات، كان من الضروري جمع خصائص كل عقدة. لحسن الحظ، تمكنا من لعب لعبة التنقيب عن البيانات هذه لفترة طويلة.
إن وصف مثل هذه الكائنات المعقدة باستخدام النماذج الرياضية أمر صعب للغاية. ومن الأصعب أن نثبت لكبير المهندسين أن نموذجنا يحسب بشكل صحيح أوضاع تشغيل المحطة. لذلك، سلكنا طريق استخدام الأنظمة الهندسية المتخصصة التي تسمح لنا بتجميع وتصحيح نموذج لمحطة الطاقة الحرارية بناءً على التصميم والخصائص التكنولوجية للمعدات. لقد اخترنا برنامج Termoflow من شركة TermoFlex الأمريكية. الآن ظهرت نظائرها الروسية، ولكن في ذلك الوقت كانت هذه الحزمة هي الأفضل في فئتها.
يتم اختيار تصميمها وخصائصها التكنولوجية الرئيسية لكل وحدة. يتيح لك النظام وصف كل شيء بقدر كبير من التفصيل على المستويين المنطقي والمادي، وصولاً إلى الإشارة إلى درجة الرواسب في أنابيب المبادل الحراري.
ونتيجة لذلك، تم وصف نموذج الدائرة الحرارية للمحطة بشكل مرئي من حيث تكنولوجيا الطاقة. لا يفهم التقنيون البرمجة والرياضيات والنمذجة، لكن يمكنهم اختيار تصميم الوحدة ومدخلات ومخرجات الوحدات وتحديد المعلمات لها. ثم يقوم النظام نفسه باختيار المعلمات الأكثر ملاءمة، ويقوم التقني بتحسينها للحصول على أقصى قدر من الدقة لمجموعة كاملة من أوضاع التشغيل. لقد وضعنا لأنفسنا هدفًا - ضمان دقة النموذج بنسبة 2٪ للمعايير التكنولوجية الرئيسية وحققنا ذلك.
اتضح أن القيام بذلك ليس بالأمر السهل: لم تكن البيانات الأولية دقيقة للغاية، لذلك خلال الشهرين الأولين تجولنا حول محطة الطاقة الحرارية وقمنا يدويًا بقراءة المؤشرات الحالية من أجهزة قياس الضغط وقمنا بضبط النموذج على الظروف الفعلية. أولاً صنعنا نماذج من التوربينات والغلايات. تم التحقق من كل توربين وغلاية. لاختبار النموذج، تم إنشاء فريق عمل وضم ممثلين عن محطة الطاقة الحرارية.
ثم قمنا بتجميع جميع المعدات في مخطط عام وقمنا بضبط نموذج CHP ككل. كان علي القيام ببعض الأعمال بسبب وجود الكثير من البيانات المتناقضة في الأرشيف. على سبيل المثال، وجدنا أوضاعًا ذات كفاءة إجمالية تبلغ 105%.
عندما تقوم بتجميع دائرة كاملة، يأخذ النظام دائمًا في الاعتبار الوضع المتوازن: يتم تجميع موازين المواد والكهرباء والحرارة. بعد ذلك، نقوم بتقييم مدى توافق كل شيء تم تجميعه مع المعلمات الفعلية للوضع وفقًا لمؤشرات الأدوات.
ماذا حدث
ونتيجة لذلك، حصلنا على نموذج دقيق للعمليات الفنية لمحطة الطاقة الحرارية، بناءً على الخصائص الفعلية للمعدات والبيانات التاريخية. وقد أتاح هذا للتنبؤات أن تكون أكثر دقة من الاعتماد على خصائص الاختبار وحدها. وكانت النتيجة محاكاة لعمليات المصنع الحقيقية، وهو توأم رقمي لمحطة الطاقة الحرارية.
أتاحت هذه المحاكاة تحليل سيناريوهات "ماذا لو..." بناءً على مؤشرات معينة. تم استخدام هذا النموذج أيضًا لحل مشكلة تحسين تشغيل المحطة الحقيقية.
كان من الممكن تنفيذ أربع حسابات التحسين:
- يعرف مدير وردية المحطة جدول إمداد الحرارة، وأوامر مشغل النظام معروفة، وجدول إمداد الكهرباء معروف: ما هي المعدات التي ستتحمل أي الأحمال من أجل الحصول على أقصى هوامش الربح.
- اختيار تكوين المعدات بناءً على توقعات سعر السوق: في تاريخ معين، مع الأخذ في الاعتبار جدول التحميل وتوقعات درجة حرارة الهواء الخارجي، نحدد التركيب الأمثل للمعدات.
- تقديم الطلبات إلى السوق قبل يوم واحد: عندما يكون تكوين المعدات معروفًا ويكون هناك توقعات أكثر دقة للسعر. نحن نحسب ونقدم الطلب.
- سوق الموازنة موجود بالفعل ضمن اليوم الحالي، حيث يتم تثبيت الجداول الكهربائية والحرارية، ولكن عدة مرات في اليوم، كل أربع ساعات، يتم إطلاق التداول في سوق الموازنة، ويمكنك تقديم طلب: “أطلب منكم إضافة 5 ميجاوات لحملتي." نحن بحاجة إلى العثور على حصص التحميل أو التفريغ الإضافية عندما يعطي ذلك الحد الأقصى للهامش.
اختبار
لإجراء الاختبار الصحيح، كنا بحاجة إلى مقارنة أوضاع التحميل القياسية لمعدات المحطة مع توصياتنا المحسوبة في ظل نفس الظروف: تكوين المعدات وجداول التحميل والطقس. على مدى بضعة أشهر، اخترنا أربع إلى ست ساعات من اليوم مع جدول زمني مستقر. لقد جاءوا إلى المحطة (غالبًا في الليل)، وانتظروا وصول المحطة إلى وضع التشغيل، وعندها فقط قاموا بحساب ذلك في نموذج المحاكاة. إذا كان مشرف التحول في المحطة راضيا عن كل شيء، فسيتم إرسال موظفي التشغيل لتحويل الصمامات وتغيير أوضاع المعدات.
تمت مقارنة المؤشرات قبل وبعد بعد الحقيقة. خلال أوقات الذروة، ليلا ونهارا، وعطلات نهاية الأسبوع وأيام الأسبوع. في كل وضع، حققنا توفيرًا في الوقود (في هذه المهمة، يعتمد الهامش على استهلاك الوقود). ثم تحولنا بالكامل إلى أنظمة جديدة. يجب أن أقول إن المحطة سرعان ما آمنت بفعالية توصياتنا، وفي نهاية الاختبارات لاحظنا بشكل متزايد أن الجهاز كان يعمل في الأوضاع التي حسبناها مسبقًا.
نتيجة المشروع
المنشأة: CHP مع توصيلات متقاطعة، 600 ميجاوات من الطاقة الكهربائية، 2 جيجا كالوري من الطاقة الحرارية.
الفريق: CROC - سبعة أشخاص (خبراء تكنولوجيون، محللون، مهندسون)، CHPP - خمسة أشخاص (خبراء أعمال، مستخدمون رئيسيون، متخصصون).
مدة التنفيذ: 16 شهراً.
النتائج:
- قمنا بأتمتة العمليات التجارية الخاصة بصيانة الأنظمة والعمل في سوق الجملة.
- أجريت اختبارات واسعة النطاق تؤكد التأثير الاقتصادي.
- لقد وفرنا 1,2% من الوقود بسبب إعادة توزيع الأحمال أثناء التشغيل.
- توفير 1% من الوقود بفضل التخطيط قصير المدى للمعدات.
- قمنا بتحسين حساب مراحل الطلبات على السد وفق معيار تعظيم الربح الحدي.
التأثير النهائي حوالي 4٪.
فترة الاسترداد المقدرة للمشروع (ROI) هي 1-1,5 سنة.
وبطبيعة الحال، من أجل تنفيذ واختبار كل هذا، كان علينا تغيير العديد من العمليات والعمل بشكل وثيق مع كل من إدارة محطة الطاقة الحرارية وشركة التوليد ككل. لكن النتيجة كانت بالتأكيد تستحق العناء. كان من الممكن إنشاء توأم رقمي للمحطة، وتطوير إجراءات التخطيط الأمثل والحصول على تأثير اقتصادي حقيقي.
المصدر: www.habr.com