Моделиране на работата на реална ТЕЦ за оптимизация на режимите: пара и математика

Има голяма ТЕЦ. Работи както обикновено: изгаря газ, произвежда топлина за отопление на домове и електрическа енергия за общата мрежа. Първата задача е отопление. Втората - да се продаде всичката произведена електрическа енергия на търговския пазар. Понякога, при студено време и ясно небе, се появява сняг, но това е страничен ефект от работата на градирните.

Средната ТЕЦ се състои от десетина турбини и котли. Ако точно се знаят необходимите обеми на производството на електрическа енергия и топлина, задачата се свежда до минимизиране на разходите за гориво. В този случай изчислението се свежда до избора на състава и процента на натоварване на турбините и котлите, за да се постигне максимално висока ефективност на работата на оборудването. Ефективността на турбините и котлите до голяма степен зависи от типа на оборудването, времето на работа без ремонт, режима на работа и много други фактори. Има и друга задача, при известни цени за електрическа енергия и обеми на топлина да се реши колко електрическа енергия да се произведе и продаде, за да се получи максимална печалба от работата на търговския пазар. В такъв случай факторът за оптимизация - печалба и ефективност на оборудването - има много по-малко значение. Резултатът може да бъде режим, при който оборудването работи абсолютно неефективно, но целият произведен обем електрическа енергия може да бъде продаден с максимална надценка.

В теорията всичко това е отдавна ясно и звучи красиво. Проблемът е как да се осъществи това на практика. Започнахме симулационно моделиране на работата на всяко оборудване и на станцията като цяло. Посетихме ТЕЦ и започнахме да събираме параметри на всички възли, измервайки реалните им характеристики и оценявайки работата им в различни режими. На тяхна основа създавахме точни модели за симулация на работата на всяко оборудване и ги използвахме за оптимизационни изчисления. Предварително ще спомена, че спечелихме около 4% реална ефективност просто чрез математика.

Получиха се резултати. Но преди да опиша нашите решения, ще разкажа как работи ТЕЦ от гледна точка на логиката на вземане на решения.

Основни неща

Основните елементи на електрическите станции са котлите и турбините. Турбините се задвижват от пара с високо налягане, която от своя страна завърта електрогенераторите, произвеждащи електрическа енергия. Остатъците от енергията на парата се използват за отопление и топла вода. Котлите са местата, където се произвежда пара. Загряването на котела и разгонването на парната турбина отнема много време (часове), което представлява пряка загуба на гориво. Същото важи и за промяната на натоварването. Необходимо е да се планират такива неща предварително.

Оборудването на ТЕЦ има технически минимум, който включва минимален, но устойчив режим на работа, при който може да се осигури достатъчно количество топлина на домовете и индустриалните потребители. Обикновено необходимото количество топлина зависи пряко от времето (температурата на въздуха).

Всеки агрегат има крива на КПД и точка на максимална ефективност: при определена натовареност определен котел и определена турбина предоставят най-евтина електрическа енергия. Най-евтина — в смисъл с минимален специфичен разход на гориво.

Повечето ТЕЦ у нас в Русия имат паралелни връзки, когато всички котли работят на един колектор за пара и всички турбини също получават захранване от един и същи колектор. Това добавя гъвкавост при натоварването на оборудването, но силно усложнява изчисленията. Освен това, понякога оборудването на станцията се разделя на части, които работят на различни колектори с различно налягане на парата. А ако добавим разходите за вътрешни нужди — работа на помпи, вентилатори, охладители и, да не крия, бани точно зад оградата на ТЕЦ, то тук вече е сложно.

Характеристиките на всичкото оборудване са нелинейни. Всеки агрегат има крива с области, където КПД е по-висок или по-нисък. Това зависи от натоварването: при 70 % КПД ще бъде един, при 30 % — друг.

Оборудването се различава по характеристики. Има нови и стари турбини и котли, както и агрегати с различни конструкции. Правилно подбирайки оборудването и оптимално натоварвайки го в точките на максимално КПД, може да се намали разхода на гориво, което води до икономия на разходите или по-голяма маржиналност.

Откъде ТЕЦ знае колко енергия трябва да произведе?

Планирането се извършва за три дни напред: три дни преди това става известен планираният състав на оборудването. Това са турбините и котлите, които ще бъдат включени. Условно казано, знаем, че днес ще работят пет котла и десет турбини. Не можем да включваме друго оборудване или да изключваме планираното, но можем да променяме натоварването за всеки котел от минимум до максимум, а по турбините да увеличаваме и намаляваме мощността. Стъпката от максимума до минимума е от 15 до 30 минути, в зависимост от единицата на оборудването. Тук задачата е проста: да изберем оптималните режими и да ги поддържаме, като вземаме предвид оперативните корекции.

Откъде се появи този състав на оборудването? Той е определен според резултатите от търговете на оптовия пазар. Има пазар на мощност и електрическа енергия. На пазара на мощност производителите подават заявки: "Имаме такова оборудване, ето минималната и максималната мощност с оглед на планирания ремонт. Можем да предоставим 150 МВт на такава цена, 200 МВт — на такава цена, а 300 МВт — на такава цена." Това са дългосрочни заявки. От друга страна, големите потребители също подават заявки: "Нуждаем се от толкова много енергия." Конкретните цени се определят в момент на пресичане на това, което производителите могат да предоставят, и това, което потребителите искат да вземат. Тези мощности се определят за всеки час от денонощието.

Обикновено ТЕЦ носи приблизително еднакво натоварване през целия сезон: през зимата основният продукт е топлина, а през лятото — електрическа енергия. Силните отклонения най-често са свързани с каквито и да е аварии на самата станция или на съседни електрически станции в една ценова зона на оптовия пазар. Но винаги съществуват колебания и тези колебания оказват значително влияние върху икономическата ефективност на работата на станцията. Необходимата мощност може да бъде осигурена от три котла с натоварване 50% или от два с натоварване 75% и да се види кое е по-ефективно.

Маржиналността зависи от цените на пазара и от себестойността на производството на електрическа енергия. На пазара цените могат да се образуват така, че да е изгодно да се изгаря гориво, но добре да се продава електрическата енергия. Може и да стане така, че в конкретен час трябва да се премине на технически минимум и да се намалят загубите. Също така, трябва да се помни за запасите и цената на горивото: същият природен газ обикновено е лимитиран, а извънлимитният газ е значително по-скъп, да не говорим за мазута. Всичко това изисква точни математически модели, за да се разбере какви заявки да се подават и как да се реагира на променящите се обстоятелства.

Как се правеше преди нашето идване

Практически на хартия, на базата на не много точни характеристики на оборудването, които имат голямо разминаване с действителността. Веднага след изпитанията на оборудването в най-добрия случай те ще бъдат плюс-минус 2 % от факта, а след година — плюс-минус 7-8 %. Изпитанията обаче се извършват на всеки пет години, а често и по-рядко.

Следващият момент е, че всички изчисления се извършват на основание условно гориво. В СССР беше приета схема, при която се сметеше някакво условно гориво за сравнение на различни станции на мазут, въглища, газ, ядрена генерация и др. Нужно беше да се разбере ефективността в попугайчетата на всеки генератор, а условното гориво и е именно това попугайче. Определя се според калоричността на горивото: една тонa условно гориво е приблизително равна на една тонa каменни въглища. Има таблици за конверсия за различни видове гориво. Например, за кафявите въглища показателите са почти два пъти по-лоши. Но калоричността не е свързана със рублите. Това е като бензин и дизел: не е факт, че ако дизелът струва 35 рубли, а 92-ият струва 32 рубли, то по калоричност дизелът ще бъде по-ефективен.

Третият фактор — сложността на изчисленията. Условно, на базата на опита на служителя се изчисляват два-три варианта, а по-често се избира най-добрият режим от историята на предишни периоди за подобни натоварвания и метеорологични условия. Естествено, служителите вярват, че избират най-оптималните режими и смятат, че никоя математическа моделировка никога не може да ги надмине.

Пристигаме ние. За да решим задачата, подготвяме цифров близнак — имитационен модел на станцията. Това е, когато с помощта на специализирани методики имитираме всички технологични процеси за всяко едно оборудване, балансираме пароводните и енергийни сметки и получаваме точен модел на работата на ТЕЦ.

За създаването на модела използваме:

• Конструкцията и паспортните характеристики на оборудването.
• Характеристиките от резултатите на последните изпитания на оборудването: на всеки пет години на станцията се провеждат тестове и уточнения на характеристиките на оборудването.
• Данни в архивите на АСУ ТП и системите за отчитане по всички налични технологични показатели, разходи и генериране на топлинна и електрическа енергия. В частност, данни от системите за отчитане на отпускането на топлина и електрическа енергия, както и от системите за телемеханика.
• Данни от лентови и кръгови хартиени диаграми. Да, такива аналогови методи за запис на параметрите на работата на оборудването все още се използват в руските електрически станции, и ние ги цифровизираме.
• Хартиени журнали на станциите, където постоянно се регистрират основните параметри на режимите, включително тези, които не се фиксират от сензорите на АСУ ТП. Обикалящият идва всеки четири часа, преписва показания и записва всичко в журнала.

Тоест имаме възстановени набори от данни относно това в какъв режим е работело, колко гориво е подавало, каква е била температурата и разходът на пара, и колко топлинна и електрическа енергия е получена на изхода. От хиляди такива набора трябваше да съберем характеристиките на всеки възел. За щастие, в този Data Mining умеем да се справяме отдавна.

Да опишем такива сложни обекти с помощта на математически модели е изключително сложно. Още по-сложно е да докажем на главния инженер, че нашият модел правилно изчислява режимите на работа на станцията. Затова избрахме да използваме специализирани инженерни комплекси, позволяващи композицията и настройката на модела на ТЕЦ въз основа на конструктивните и технологичните характеристики на оборудването. Избрахме софтуера Termoflow на американската компания TermoFlex. Сега се появиха руски аналози, но по онова време този пакет беше най-добрият в своя клас.

За все агрегати се избират конструктивът и основните технологични характеристики. Системата позволява подробно описание както на логическо, така и на физическо ниво, дори до посочване на степента на отлагания в тръбите на топлообменниците.

В резултат моделът на термалната схема на станцията се описва визуално в термини на енергийни технолози. Технологите не разбират от програмиране, математика и моделиране, но могат да изберат конструктив на възлите, входовете и изходите на агрегатите и да посочат параметри за тях. След това системата сама подбира най-подходящите параметри, а технологът ги уточнява, за да получи максимална точност за целия диапазон от работни режими. Ние си поставихме цел — да осигурим точност на модела от 2 % за основните технологични параметри и го постигнахме.

Установи се, че това не е толкова просто: входните данни не бяха достатъчно точни, затова през първите два месеца обикаляхме ТЕЦ и ръчно записвахме текущите показания от манометрите, като настроихме модела на реално работещите режими. Първо направихме модели на турбините и котлите. Всяка турбина и котел бяха прецизни.

След това събрахме всичко оборудване в обща схема и тюнингахме модела на ТЕЦ в целостта му. Наложи се да работим, тъй като в архивите имаше много противоречиви данни. Например, намерихме режими с общи КПД от 105 %.

Когато събираш пълната схема, системата винаги смята балансиран режим: съставят се материални, електрически и топлинни баланси. След това оценяваме как всичко съвпада с фактическите параметри на режима по показанията на уредите.

Какво се получи

В крайна сметка получихме точен модел на технологичните процеси на ТЕЦ, основан на фактическите характеристики на оборудването и историческите данни. Това позволи да се прогнозира по-точно, отколкото само на базата на характеристиките от изпитания. Получи се симулатор на реалните процеси в станцията, цифров близнак на ТЕЦ.

В този симулатор беше реализирана възможността за провеждане на анализи по сценарии „какво ако…“ по зададени показатели. Също така, този модел беше използван за решаване на задачата за оптимизация на работата на реалната станция.

Успяха да се реализират четири оптимизационни изчисления:

1. Сменният началник на станцията знае графика за отпуск на топлината, познати са екипите на системния оператор, известен е графика за отпуск на електричеството: с какво оборудване какви натоварвания да се поемат, за да се постигне максимална маржиналност.
2. Избор на състава на оборудването според прогнозата за цените на пазара: на определена дата, като се вземат предвид графика на натоварванията и прогнозата за температурата на външния въздух, определяме оптималния състав на оборудването.
3. Подаване на заявления на пазара за следващите 24 часа: когато има състав на оборудването и по-точна прогноза за цените. Изчисляваме и подаваме заявката.
4. Балансировъчният пазар — вече в рамките на текущите денонощия, когато са фиксирани електрическите и топлинни графици, но няколко пъти на ден, на всеки четири часа, се стартират търгове на балансировъчния пазар и можете да подадете заявка: "Искам да добавя 5 МВт". Трябва да намерим дяловете за добавяне или намаляване, когато това осигурява максимална маржа.

Тестове

За коректни изпитания ни беше необходимо да сравним стандартните режими на натоварване на оборудването на станцията с нашите изчислителни препоръки при същите условия: състав на оборудването, графици на натоварванията и времето. В течение на няколко месеца избирахме интервали от четири до шест часа с стабилен график. Идвахме на станцията (често през нощта), чакахме, когато станцията достигне режима, и едва след това го изчислявахме в симулационния модел. Ако сменният началник на станцията беше доволен, изпращахме оперативния персонал да върти клапаните и да променя режимите на оборудването.

Сравнявахме показателите преди и след факта. В пика, през деня и нощта, през почивните и работните дни. Във всеки режим получихме икономия на гориво (в тази задача маржа зависи от разхода на гориво). След това преминахме напълно на новите режими. Трябва да се отбележи, че на станцията доста бързо повярваха в ефективността на нашите препоръки и към края на изпитанията все по-често забелязвахме, че оборудването работи в режимите, които преди това бяхме изчислили.

Резултат от проекта

Обект: ТЕЦ с напречни връзки, 600 МВт електрическа мощност, 2400 Гкал — топлинна.

Екип: КРОК — седем души (експерти-технолози,analysts, инженери), ТЕЦ — пет души (бизнес-експерти, ключови потребители, специалисти).
Срок на реализация: 16 месеца.

Резултати:

• Автоматизирахме бизнес процесите за управление режимите и работа на едро пазара.
• Извършихме полеви тестове, които потвърдиха икономическия ефект.
• Спестихме 1,2 % гориво чрез преразпределение на натоварването по време на управлението на режима.
• Спестихме 1 % гориво благодарение на краткосрочното планиране на оборудването.
• Оптимизирахме изчисленията за стъпките на заявките за РСВ с цел максимизиране на маржиналната печалба.

Крайната ефективност е около 4 %.

Оценъчният срок на възвръщаемост на инвестицията (ROI) е 1–1,5 години.

Разбира се, за да внедрим и тестваме всичко това, се наложи да променим много процеси и да работим в тясно сътрудничество както с ръководството на ТЕЦ, така и с генериращата компания като цяло. Но резултатът определено си заслужаваше. Успяхме да създадем цифров близнак на станцията, да разработим процедури за оптимизационно планиране и да постигнем реален икономически ефект.

Източник: habr.com