Моделиране на работата на истинска ТЕЦ за оптимизиране на процеси: пар и математика

Има голям ТЕЦ. Работи както обикновено: гори газ, произвежда топлина за отопление на къщи и електричество за общата мрежа. Първата задача е отопление. Втората — да се продаде всичкото произведено електричество на оптовия пазар. Понякога, при студ, снежното покритие се появява, но това е страничен ефект от работата на градирните.

Средният ТЕЦ се състои от десетки турбини и котли. Ако точно се знаят необходимите обеми на производството на електричност и топлина, то 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 постигане на максимално висок КПД на работата на оборудването. КПД на турбините и котлите значително зависи от типа на оборудването, времето на работа без ремонт, работния режим и много други фактори. Има и друга задача, при известни цени на електричеството и обеми на топлина, да се определи колко електричество да бъде произведено и продадено, за да се получи максимална печалба от работата на оптовия пазар. Тогава факторът за оптимизация — печалба и КПД на оборудването — има много по-малко значение. Резултатът може да бъде режим, в който оборудването работи абсолютно неефективно, но целият произведен обем електричество може да бъде продаден с максимална маржа.

В теорията всичко това отдавна е ясно и звучи красиво. Проблемът е как да го постигнем на практика. Започнахме имитационно моделиране на работата на всяка единица оборудване и на станцията като цяло. Посетихме ТЕЦ и започнахме да събираме параметрите на всички узли, измервайки техните реални характеристики и оценявайки работата в различни режими. На тяхна основа създавахме точни модели за имитация на работата на всяка единица оборудване и ги използвахме за оптимизационни изчисления. Предварително ще кажа, че спечелихме около 4 % реална ефективност просто чрез математиката.

Получихме резултат. Но преди да опиша нашите решения, ще разкажа как работи ТЕЦ от гледна точка на логиката на вземане на решения.

Основни неща

Основните компоненти на електрическите станции са котлите и турбините. Турбините се задвижват от пара с високо налягане, която задвижва електрогенераторите, произвеждащи електрическа енергия. Останалата енергия от парата се използва за отопление и гореща вода. Котлите са местата, където се произвежда пара. Загряването на котела и разгряването на паровата турбина отнема много време (часове), което води до пряк разход на гориво. Същото важи и за изменението на натоварването. Необходими са предварителни планове за тези неща.

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

Всеки агрегат има крива на КПД и точка на максимална ефективност: при определено натоварване, определен котел и определена турбина произвеждат най-евтината електрическа енергия. Ефтина — в смисъл на минимален специфичен разход на гориво.

Повечето ТЕЦ в Русия са с паралелни връзки, при които всички котли работят на един колектор на пара, а всички турбини също получават енергия от един колектор. Това добавя гъвкавост при натоварването на оборудването, но усложнява изчисленията. Понякога оборудването на станцията се разделя на части, които работят на различни колектори с различен натиск на парата. А ако добавим разходите за вътрешни нужди — работа на помпи, вентилатори, градирни и, каквото и да крия, сауни точно зад оградата на ТЕЦ, тук вече е трудна работа.

Характеристиките на цялото оборудване са нелинейни. Всеки агрегат има крива с зони, 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, има агрегати с различни конструкции. Правилното подбиране на оборудването и оптималното натоварване в точките на максимално КПД може да намали разходите за гориво, което води до икономия на разходи или по-голям маржиналитет.

Как ТЕЦ знае колко енергия трябва да произведе?

Планирането се извършва за три дни напред: три дни преди това се определя планираният състав на оборудването. Това са турбините и котлите, които ще бъдат включени. Условно казано, знаем, че днес ще работят пет котела и десет турбини. Не можем да включваме различно оборудване или да изключваме планираното, но можем да променяме натоварването за всеки котел от минимално до максимално, а по турбините да увеличаваме или намаляваме мощността. Стъпката от максималното до минималното е от 15 до 30 минути в зависимост от единицата оборудване. Тук задачата е проста: да се изберат оптималните режими и да се поддържат с оглед на оперативни корекции.

Откъде идва съставът на оборудването? Той е определен на базата на резултатите от търговете на оптовия пазар. Има пазар на мощност и електрическа енергия. На пазара на мощност производителите подават заявки: "Има такова оборудване, ето такава минимална и максимална мощност, като се вземат предвид планираните ремонти. Можем да дадем 150 МВт на такава цена, 200 МВт — на такава цена, а 300 МВт — на такава цена". Това са дългосрочни заявки. От другата страна, големите потребители също подават заявки: "Нуждаем се от толкова енергия". Конкретните цени се определят в момента на пресичането на това, което производителите на енергия могат да предоставят, и това, което потребителите искат да получат. Тези мощности се определят за всеки час от денонощието.

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

Маржиналността зависи от цените на пазара и себестойността на производството на електрическа енергия. На пазара цените могат да се формират по такъв начин, че да е изгодно да се изгаря горивото, но електрическата енергия да се продава добре. А може да се случи, че в конкретен час трябва да се премине на технически минимум и да се намалят загубите. Също така е необходимо 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 пристигане

Практически на хартия по не много точни характеристики на оборудването, които имат голямо отклонение от фактическите. Веднага след изпитанията на оборудването в най-добрия случай ще бъдат плюс-минус 2 % от факта, а вече след година — плюс-минус 7-8 %. Изпитанията обаче се провеждат веднъж на пет години, често и по-рядко.

Следващият момент е, че всички изчисления се водят на условно гориво. В СССР беше приета схема, когато се считаше за определено условно гориво за сравнение на различни станции на мазут, въглища, газ, ядрена енергия и т.н. Нужно беше да се разбере ефективността в попугайите на всеки генератор, а условното гориво е именно онзи попугай. Определя се с калоричността на горивото: една тонна условно гориво е приблизително равна на една тонна каменни въглища. Има таблици за преобразуване за различни видове гориво. Например, за кафявите въглища показателите са почти два пъти по-лоши. Но калоричността не е свързана с рубли. Това е като бензин и дизел: не е факт, че ако дизелът струва 35 рубли, а 92-ят струва 32 рубли, то по калоричност дизелът ще е по-ефективен.

Третият фактор е 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 нито една математическа моделировка никога няма да ги надмине.

Ние сме тук. За да решим задачата, подготвяме цифров близнак – симулационен модел на станцията. Това е, когато с помощта на специални подходи имитираме всички технологични процеси за всяко оборудване, пресмятаме пароводните и енергийни баланси и получаваме точен модел на работа на ТЕЦ.

За създаването на модела използваме:

• Конструкцията и паспортните характеристики на оборудването.
• Характеристиките от последните изпитвания на оборудването: на всеки пет години на станцията се извършват изпитания и уточнения на характеристиките на оборудването.
• Данните в архивите на АСУ ТП и системите за отчитане по всички налични технологични показатели, разходи и производство 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.
• Данните от лентови и кръгови хартиени диаграми. Да, такива аналогови начини за запис на параметри на работата на оборудването все още се използват в руските електрически станции, и ние ги цифровизираме.
• Хартиени дневници на станциите, където постоянно се регистрират основните параметри на режимите, включително тези, които не се фиксират от датчиците на АСУ ТП. Обходчикът прави обиколка на всеки четири часа, преписва показанията и записва всичко в дневника.

Тоест имаме възстановени набори от данни за това как в какъв режим е работило, колко гориво е подавано, 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 узел. За щастие, в този Data Mining ние умеем да играем отдавна.

Описването на такива сложни обекти с помощта на математически модели е изключително сложно. А още по-трудно е да се убеди главния инженер, че нашият модел правилно изчислява режимите на работа на станцията. Затова решихме да използваме специализирани инженерни комплекси, които позволяват да се сглобят и тестват модел на ТЕЦ въз основа на конструктивни и технологични характеристики на оборудването. Избрахме софтуерът Termoflow на американската компания TermoFlex. В момента се появиха руски аналози, но тогава именно този пакет беше най-добрият в своя клас.

За все агрегати се избират неговите конструктивни и основни технологични характеристики. Системата позволява подробно описание на всичко както на логическо, така и на физическо ниво, до посочване на степента на отложения в тръбите на топлообменниците.

В крайна сметка моделът на топловата схема на станцията се описва визуално в термини на технологи-енергетици. Технологиите не разбират от програмиране, математика и моделиране, но могат да изберат конструкцията на възела, входовете и изходите на агрегатите и да посочат параметрите им. След това системата сама избира най-подходящите параметри, а технологът ги уточнява, за да постигне максимална точност за целия диапазон на режимите на работа. Поставихме си за цел да осигурим точност на модела от 2% за основните технологични параметри и го постигнахме.

Стана не толкова лесно: изходните данни не бяха много точни, затова първите два месеца обикаляхме ТЕЦ и записвахме ръчно текущите показания от манометрите, адаптирайки модела към фактическите режими. Първо направихме модели на турбините и котлите. Всяка турбина и котел бяха проверени. За проверка на модела създадохме работна група и включихме в нея представители на ТЕЦ.

След това събрахме всичкото оборудване в обща схема и адаптирахме модела на ТЕЦ като цяло. Необходима беше работа, тъй като в архивите имаше много противоречиви данни. Например, намерихме режими с общ КПД от 105%.

Когато събереш пълната схема, системата винаги изчислява балансиран режим: съставят се материални, електрически и топлинни баланси. След това оценяваме как всички в съвкупност съответстват на фактическите параметри на режима по показателите от уредите.

Какво постигнахме

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 база характеристиките от изпитанията. Получи се симулатор на реалните процеси на станцията, цифров близнак на ТЕЦ.

В този симулатор направихме възможност за провеждане на анализи по сценарии „какво, ако…“ по зададените показатели. Също така, този модел се използваше за решаване на задачата за оптимизация на работата на реалната станция.

Успяхме да реализираме четири оптимизационни изчисления:

1. Ръководителят на смяната на станцията познава графика за отпуск на топлинната енергия, познати са екипите на системния оператор, известен е графикът за отпуск на електрическата енергия: какво оборудване и какви натоварвания да се вземат, за да се постигне максимална маржиналност.
2. Избор на състав на оборудването въз основа на прогнозата за цените на пазара: на зададена дата, като се вземат предвид графика на натоварването и прогнозата за външната температура, определяме оптималния състав на оборудването.
3. Подаване на заявки на пазара един ден напред: когато има състав на оборудването и по-точна прогноза за цените. Изчисляваме и подаваме заявката.
4. Балансирующий пазар — вече в текущите дни, когато са фиксирани електрическите и топлинните графици, но няколко пъти на ден, на всеки четири часа, се провеждат търгове на балансировъчния пазар и можем да подадем заявка: „Моля, увеличете натоварването ми с 5 МВт“. Трябва да намерим дялове за увеличаване или намаляване на натоварването, когато това дава максимална маржа.

Тестове

За коректни тестове трябваше да сравним стандартните режими на натоварване на оборудването на станцията с нашите изчислителни препоръки при еднакви условия: състава на оборудването, графиците на натоварването и времето. През последните два месеца избирахме интервали на денонощието от четири до шест часа със стабилен график. Идвахме на станцията (често нощем), чакахме, докато станцията достигне режим, и едва след това го изчислявахме в симулационния модел. Ако ръководителят на смяната на станцията беше доволен, изпращахме оперативния персонал да завърти задвижките и да смени режимите на оборудването.

Сравнявахме показателите преди и след. В пик, през деня и нощем, през уикендите и работните дни. Във всеки режим получихме икономия на горивото (в тази задача маржа зависи от разхода на гориво). След това преминахме изцяло на новите режими. Трябва да споменем, че на станцията доста бързо повярваха в ефективността на нашите препоръки, и към края на тестовете забелязвахме все по-често, че оборудването работи в предвидените от нас режими.

Резултат от проекта

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

Екип: КРОК — седем души (експерти-технологи,analитици, инженери), ТЕЦ — пет души (бизнес експерти, ключови потребители, специалисти).
Срок на изпълнение: 16 месеца.

Резултати:

• Автоматизирахме бизнес процесите на управление режимите и работа на търговския пазар.
• Проведохме натурални изпитания, които потвърдиха икономическия ефект.
• Спестихме 1,2 % гориво чрез преразпределение на натоварванията при управлението на режима.
• Запазихме 1 % гориво благодарение на краткосрочното планиране на състава на оборудването.
• Оптимизирахме изчисленията на стъпките за заявления за РСВ по критерия максимизиране на маржовата печалба.

Крайният ефект - около 4 %.

Оценъчният срок на възвращаемост на инвестицията (ROI) - 1-1,5 години.

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

Източник: habr.com