Ёсць вялікая ЦЭЦ. Працуе як звычайна: паліць газ, выпрацоўвае цяпло для апалу хат і электрычнасць для агульнай сеткі. Першая задача - апал. Другая - прадаць усю выпрацаванае электрычнасць на аптовым рынку. Часам яшчэ ў мароз пры ясным небе з'яўляецца снег, але гэта пабочны эфект працы градзірняў.
Сярэдняя ЦЭЦ складаецца з пары дзясяткаў турбін і катлоў. Калі дакладна вядомы неабходныя аб'ёмы выпрацоўкі электраэнергіі і цяпла, то задача зводзіцца да мінімізацыі затрат на паліва. У гэтым выпадку разлік зводзіцца да выбару складу і працэнта загрузкі турбін і катлоў для дасягнення максімальна высокага ККД працы абсталявання. ККД турбін і катлоў моцна залежыць ад тыпу абсталявання, часу працы без рамонту, рэжыму працы і шмат чаго яшчэ. Ёсць і іншая задача, калі пры вядомых коштах на электрычнасць і аб'ёмах цяпла трэба вырашыць, колькі выпрацаваць і прадаць электраэнергіі для таго, каб атрымаць максімальны прыбытак ад працы на аптовым рынку. Тады фактар аптымізацыі - прыбытак і ККД абсталявання - мае значна меншае значэнне. Вынікам можа быць рэжым, калі абсталяванне працуе абсалютна неэфектыўна, але ўвесь выпрацаваны аб'ём электраэнергіі можна прадаць з максімальнай маржой.
У тэорыі ўсё гэта даўно зразумела і хораша гучыць. Праблема - як гэта зрабіць на практыцы. Мы пачалі імітацыйнае мадэляванне працы кожнай адзінкі абсталявання і ўсёй станцыі ў цэлым. Дашлі на ЦЭЦ і пачалі збіраць параметры ўсіх вузлоў, замяраючы іх рэальныя характарыстыкі і ацэньваючы працу ў розных рэжымах. На іх аснове мы стваралі дакладныя мадэлі для імітацыі працы кожнай адзінкі абсталявання і выкарыстоўвалі іх для аптымізацыйных разлікаў. Забягаючы наперад, скажу, што мы выйгралі каля 4% рэальнай эфектыўнасці проста за кошт матэматыкі.
Атрымалася. Але да апісання нашых рашэнняў я раскажу аб тым, як жа працуе ЦЭЦ з пункту гледжання логікі прыняцця рашэнняў.
Базавыя рэчы
Асноўныя элементы электрастанцыі - катлы і турбіны. Турбіны прыводзяцца ў кручэнне парай высокага ціску, круцячы, у сваю чаргу, электрагенератары, якія і выпрацоўваюць электраэнергію. Рэшткі энергіі пары ідуць на апал і гарачую ваду. Катлы - гэта месцы, дзе ствараецца пара. На разаграванне катла і разгон паравой турбіны сыходзіць вельмі шмат часу (гадзіны), і гэта прамыя страты паліва. Тое ж самае тычыцца змены нагрузкі. Трэба планаваць такія рэчы загадзя.
У абсталявання ЦЭЦ ёсць тэхнічны мінімум, які ўключае мінімальны, але пры гэтым устойлівы рэжым работы, пры якім можна забяспечыць дастатковую колькасць цяпла дамах і прамысловым спажыўцам. Звычайна неабходная колькасць цяпла напрамую залежыць ад надвор'я (тэмпературы паветра).
У кожнага агрэгата ёсць крывая ККД і кропка максімальнага значэння эфектыўнасці працы: пры вось такой загрузцы вось такі кацёл і вось такая турбіна даюць найболей танную электраэнергію. Танную - у сэнсе з мінімальным удзельным расходам паліва.
Большасць ЦЭЦ у нас у Расіі - з паралельнымі сувязямі, калі ўсе катлы працуюць на адзін калектар пары і ўсе турбіны таксама сілкуюцца ад аднаго калектара. Гэта дадае гнуткасці пры загрузцы абсталявання, але моцна ўскладняе разлікі. Яшчэ бывае, што абсталяванне станцыі дзеляць на часткі, якія працуюць на розныя калектары з розным ціскам пары. А калі дадаць выдаткі на ўнутраныя патрэбы - працу помпаў, вентылятараў, градзірняў і, чаго граху ўтойваць, саунаў прама за плотам ЦЭЦ, - то тут ужо чорт нагу зломіць.
Характарыстыкі ва ўсяго абсталявання нелінейныя. У кожнага агрэгата ёсць крывая з зонамі, дзе ККД вышэй і ніжэй. Гэта залежыць ад нагрузкі: пры 70% ККД будзе адзін, пры 30% - іншы.
Абсталяванне адрозніваецца па характарыстыках. Ёсць новыя і старыя турбіны і катлы, ёсць агрэгаты розных канструкцый. Правільна падбіраючы абсталяванне і загружаючы яго аптымальна ў кропках максімуму ККД, можна змяншаць выдатак паліва, што вядзе да эканоміі выдаткаў ці большай маржынальнасці.
Адкуль ЦЭЦ ведае, колькі трэба вырабіць энергіі?
Планаванне вядзецца на тры дні наперад: за трое сутак становіцца вядомы планавы склад абсталявання. Гэта тыя турбіны і катлы, якія будуць уключаны. Умоўна кажучы, мы ведаем, што сёньня будуць працаваць пяць катлоў і дзесяць турбін. Мы не можам уключаць іншае абсталяванне ці выключаць запланаванае, але можам змяняць для кожнага катла нагрузку ад мінімуму да максімуму, а па турбінах набіраць і зніжаць магутнасць. Крок ад максімуму да мінімуму - ад 15 да 30 хвілін у залежнасці ад адзінкі абсталявання. Тут задача простая: абраць аптымальныя рэжымы і трымаць іх з улікам аператыўных карэкціровак.
Адкуль узяўся гэты склад абсталявання? Ён вызначыўся паводле вынікаў таргоў на аптовым рынку. Ёсць рынак магутнасці і электраэнергіі. На рынку магутнасці вытворцы падаюць заяўку: «Ёсць такое абсталяванне, вось такія мінімальная і максімальная магутнасці з улікам планавага вываду ў рамонт. Мы можам выдаць 150 МВт па такім кошце, 200 МВт - па такім кошце, а 300 МВт - па такім кошце ». Гэта доўгатэрміновыя заяўкі. З іншага боку, буйныя спажыўцы таксама падаюць заяўкі: "Нам трэба столькі энергіі". Канкрэтныя кошты вызначаюцца ў момант перасячэння таго, што вытворцы энергіі могуць даць, і таго, што спажыўцы жадаюць узяць. Гэтыя магутнасці вызначаюцца на кожную гадзіну сутак.
Звычайна ЦЭЦ нясе прыкладна аднолькавую нагрузку ўвесь сезон: зімой першачарговы тавар - цяпло, а летам - электраэнергія. Моцныя адхіленні часцей за ўсё злучаны з нейкімі аварыямі на самой станцыі ці на сумежных электрастанцыях у адной коштавай зоне аптовага рынка. Але заўсёды ёсць ваганні, і гэтыя ваганні моцна ўплываюць на эканамічную эфектыўнасць працы станцыі. Неабходную магутнасць можна ўзяць трыма катламі з загрузкай у 50% ці двума з загрузкай у 75% і глядзець, што пры гэтым больш эфектыўна.
Маржынальнасць жа залежыць ад коштаў на рынку і сабекошту выпрацоўкі электраэнергіі. На рынку кошту могуць скласціся так, што выгадна перапаліць паліва, але добра прадаць электраэнергію. А можа так, што ў пэўную гадзіну трэба сыходзіць на тэхнічны мінімум і скарачаць страты. Таксама трэба памятаць аб запасах і кошце паліва: той жа прыродны газ звычайна лімітаваны, а звышлімітны газ прыкметна даражэй, не кажучы ўжо аб мазуце. Усё гэта патрабуе дакладных матэматычных мадэляў, каб разумець, якія заяўкі падаваць і як рэагаваць на зменлівыя абставіны.
Як гэта рабілася да нашай парафіі
Практычна на паперы па не вельмі дакладных характарыстыках абсталявання, якія маюць вялікі разлёт ад фактычных. Адразу пасля выпрабаванняў абсталявання ў лепшым выпадку яны будуць плюс-мінус 2% ад факту, а ўжо праз год - плюс-мінус 7-8%. Выпрабаванні ж праводзяцца раз у пяць гадоў, часта радзей.
Наступны момант у тым, што ўсе разлікі вядуцца ва ўмоўным паліве. У СССР была прынятая схема, калі лічылася нейкае ўмоўнае паліва для параўнання розных станцый на мазуце, вугалі, газе, атамнай генерацыі і гэтак далей. Трэба было зразумець эфектыўнасць у папугаях кожнага генератара, а ўмоўнае паліва і ёсць той самы папугай. Вызначаецца каларыйнасцю паліва: адна тона ўмоўнага паліва прыкладна роўная адной тоне каменнага вугалю. Ёсць табліцы пераліку для розных відаў паліва. Напрыклад, для бурага вугалю паказчыкі амаль у два разы горшыя. Але каларыйнасць не звязана з рублямі. Гэта як бензін і дызель: не факт, што калі дызель каштуе 35 рублёў, а 92-і каштуе 32 рублі, то па каларыйнасці дызель будзе больш эфектыўным.
Трэці фактар - складанасць разлікаў. Умоўна на падставе досведу супрацоўніка пралічваюцца два-тры варыянты, а часцей за выбіраецца найлепшы рэжым з гісторыі папярэдніх перыядаў для падобных нагрузак і пагодных умоў. Натуральна, супрацоўнікі вераць, што выбіраюць найбольш аптымальныя рэжымы, і лічаць, што ні адна матмадэль іх ніколі не перасягне.
Прыходзім мы. Каб вырашыць задачу, мы рыхтуем лічбавы двайнік - імітацыйную мадэль станцыі. Гэта калі мы з дапамогай спецыяльных падыходаў імітуем усе тэхналагічныя працэсы для кожнай адзінкі абсталявання, зводзім паравадзяныя і энергетычныя балансы і атрымліваем дакладную мадэль работы ЦЭЦ.
Для стварэння мадэлі мы выкарыстоўваем:
- Канструкцыю і пашпартныя характарыстыкі абсталявання.
- Характарыстыкі па выніках апошніх выпрабаванняў абсталявання: кожныя пяць гадоў на станцыі адчуваюць і ўдакладняюць характарыстыкі абсталявання.
- Дадзеныя ў архівах АСК ТП і сістэмах уліку па ўсіх даступных тэхналагічных паказчыках, выдатках і выпрацоўцы цяпла і электраэнергіі. У прыватнасці, дадзеныя з сістэм уліку па водпуску цяпла і электраэнергіі, а таксама з сістэм тэлемеханікі.
- Дадзеныя з істужачных і кругавых папяровых дыяграм. Так, такія аналагавыя спосабы запісу параметраў працы абсталявання ўсё яшчэ прымяняюцца на расійскіх электрастанцыях, і мы іх аблічбоўваем.
- Папяровыя часопісы на станцыях, дзе ўвесь час рэгіструюцца асноўныя параметры рэжымаў, у тым ліку тыя, якія не фіксуюцца датчыкамі АСК ТП. Ходзіць абходчык раз на чатыры гадзіны, перапісвае паказанні і запісвае ўсё ў часопіс.
Гэта значыць, у нас ёсць адноўленыя наборы дадзеных па тым, што ў якім рэжыме працавала, колькі паліва падавалася, якія былі тэмпература і расход пары, і колькі цеплавой і электрычнай энергіі атрымлівалася на выхадзе. З тысяч такіх сэтаў трэба было сабраць характарыстыкі кожнага вузла. На шчасце, у гэты Data Mining мы ўмеем гуляць ужо даўно.
Апісваць такія складаныя аб'екты з дапамогай матэматычных мадэляў надзвычай складана. А яшчэ складаней – даказаць галоўнаму інжынеру, што наша мадэль дакладна разлічвае рэжымы працы станцыі. Таму мы пайшлі па шляху выкарыстання спецыялізаваных інжынерных комплексаў, якія даюць магчымасць скампанаваць і адладзіць мадэль ЦЭЦ на аснове канструктыўных і тэхналагічных характарыстык абсталявання. Выбралі ПЗ Termoflow амерыканскай кампаніі TermoFlex. Цяпер з'явіліся расійскія аналагі, але на той момант менавіта гэты пакет быў найлепшым у сваім класе.
Для кожнага агрэгата выбіраюцца яго канструктыў і асноўныя тэхналагічныя характарыстыкі. Сістэма дазваляе апісаць усё вельмі падрабязна як на лагічным, так і фізічна аж да ўказанні ступені адкладаў у трубках цеплаабменнікаў.
У выніку мадэль цеплавой схемы станцыі апісваецца візуальна ў тэрмінах тэхнолагаў-энергетыкаў. Тэхнолагі не разбіраюцца ў праграмаванні, матэматыцы і мадэляванні, але яны могуць абраць канструктыў вузла, уваходы-выхады агрэгатаў і паказаць параметры на іх. Далей сістэма сама падбірае найболей падыходныя параметры, а тэхнолаг удакладняе іх так, каб атрымаць максімальную дакладнасць для ўсяго дыяпазону рэжымаў працы. Мы для сябе паставілі мэта - забяспечыць дакладнасць мадэлі 2% для асноўных тэхналагічных параметраў і дамагліся гэтага.
Зрабіць гэта аказалася не так проста: зыходныя дадзеныя былі не вельмі дакладнымі, таму першую пару месяцаў мы хадзілі па ЦЭЦ і ўручную спісвалі з манометраў бягучыя паказчыкі і цюнінгавалі мадэль пад фактычныя рэжымы. Спачатку зрабілі мадэлі турбін і катлоў. Кожную турбіну і кацёл выверылі. Для праверкі мадэлі стварылі рабочую групу і ўключылі ў яе прадстаўнікоў ЦЭЦ.
Потым сабралі ўсё абсталяванне ў агульную схему і цюнінгавалі ўжо мадэль ЦЭЦ у цэлым. Прыйшлося папрацаваць, бо ў архівах аказалася шмат супярэчлівых дадзеных. Напрыклад, знайшлі рэжымы з агульным ККД 105%.
Калі збіраеш поўную схему, сістэма заўсёды лічыць збалансаваны рэжым: складаюцца матэрыяльныя, электрычныя і цеплавыя балансы. Далей мы ацэньваем, як усё ў зборы адпавядае фактычным параметрам рэжыму па паказчыках з прыбораў.
Што атрымалася
У выніку мы атрымалі дакладную мадэль тэхпрацэсаў ЦЭЦ, заснаваную на фактычных характарыстыках абсталявання і гістарычных дадзеных. Гэта дазволіла прагназаваць больш дакладна, чым на аснове толькі характарыстык выпрабаванняў. Атрымаўся сімулятар рэальных працэсаў станцыі, лічбавы двайнік ЦЭЦ.
У гэтым сімулятары зрабілі магчымасць правядзення аналізу па сцэнарах "што, калі…" па зададзеных паказчыках. Таксама гэтая мадэль выкарыстоўвалася для рашэння задачы аптымізацыі працы рэальнай станцыі.
Атрымалася рэалізаваць чатыры аптымізацыйных разліку:
- Начальнік змены станцыі ведае графік водпуску цяпла, вядомыя каманды сістэмнага аператара, вядомы графік водпуску электрычнасці: якім абсталяваннем якія ўзяць нагрузкі, каб атрымаць максімум маржынальнасці.
- Выбар складу абсталявання па прагнозе коштаў на рынку: на зададзеную дату з улікам графіка нагрузкі і прагнозу тэмпературы вонкавага паветра вызначаем аптымальны склад абсталявання.
- Падача заявак на рынку на суткі наперад: калі ёсць склад абсталявання і ёсць больш дакладны прагноз коштаў. Разлічваем і падаем заяўку.
- Балансавальны рынак - ужо ўнутры бягучых сутак, калі зафіксаваныя электрычныя і цеплавыя графікі, але некалькі разоў у суткі кожныя чатыры гадзіны запускаюцца таргі на балансуючым рынку, і можна падаць заяўку: "Я прашу дагрузіць мяне на 5 МВт". Трэба знайсці долі дазагрузкі ці разгрузкі, калі гэта дае максімальную маржу.
выпрабаванні
Для карэктных выпрабаванняў нам трэба было параўнаць стандартныя рэжымы загрузкі абсталявання станцыі з нашымі разліковымі рэкамендацыямі пры аднолькавых умовах: складзе абсталявання, графіках нагрузкі і надвор'і. На працягу пары месяцаў мы выбіралі інтэрвалы сутак у чатыры-шэсць гадзін са стабільным графікам. Прыходзілі на станцыю (часта ўначы), чакалі, калі станцыя выйдзе на рэжым, і толькі потым лічылі яго ў імітацыйнай мадэлі. Калі начальніка змены станцыі ўсё задавальняла, то адпраўлялі аператыўны персанал круціць засаўкі і мяняць рэжымы абсталявання.
Параўноўвалі паказчыкі да і пасля па факце. У пік, днём і ноччу, у выходныя і працоўныя дні. У кожным рэжыме атрымалі эканомію на паліве (у гэтай задачы маржа залежыць ад выдатку паліва). Пасля перайшлі цалкам на новыя рэжымы. Трэба сказаць, што на станцыі даволі хутка паверылі ў эфектыўнасць нашых рэкамендацый, і бліжэй да канца выпрабаванняў мы ўсё гушчару заўважалі, што абсталяванне працуе ў пралічаных намі раней рэжымах.
Вынік праекта
Аб'ект: ЦЭЦ з папярочнымі сувязямі, 600 МВт электрычнай магутнасці, 2 Гкал - цеплавой.
Каманда: КРОК - сем чалавек (эксперты-тэхнолагі, аналітыкі, інжынеры), ЦЭЦ - пяць чалавек (бізнес-эксперты, ключавыя карыстальнікі, спецыялісты).
Тэрмін рэалізацыі: 16 месяцаў.
вынікі:
- Аўтаматызавалі бізнес-працэсы вядзення рэжымаў і працы на аптовым рынку.
- Правялі натурныя выпрабаванні, якія пацвярджаюць эканамічны эфект.
- Зэканомілі 1,2% паліва за кошт пераразмеркавання нагрузак пры вядзенні рэжыму.
- Захавалі 1% паліва дзякуючы кароткатэрміноваму планаванню складу абсталявання.
- Аптымізавалі разлік прыступак заявак на РСВ па крытэры максімізацыі маржынальнага прыбытку.
Выніковы эфект - каля 4%.
Ацэначны тэрмін акупнасці праекта (ROI) – 1-1,5 года.
Зразумела, каб усё гэта ўкараніць і выпрабаваць, прыйшлося мяняць шмат працэсаў і працаваць у цесным звязку як з кіраўніцтвам ЦЭЦ, так і з генеравальнай кампаніяй у цэлым. Але вынік пэўна таго каштаваў. Удалося стварыць лічбавага двайніка станцыі, распрацаваць працэдуры аптымізацыйнага планавання і атрымаць рэальны эканамічны эфект.
Крыніца: habr.com