Симулация на работата на реална топлоелектрическа централа за оптимизиране на режимите: пара и математика

Има голяма ТЕЦ. Работи както обикновено: изгаря газ, генерира топлина за отопление на къщи и електричество за общата мрежа. Първата задача е отоплението. Вторият е цялата произведена електроенергия да се продава на пазара на едро. Понякога дори в студено време се появява сняг под ясно небе, но това е страничен ефект от работата на охладителните кули.

Средната топлоелектрическа централа се състои от няколко дузини турбини и котли. Ако необходимите количества електроенергия и топлина са точно известни, тогава 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 възможно най-висока ефективност на работата на оборудването. Ефективността на турбините и котлите силно зависи от вида на оборудването, времето на работа без ремонт, режима на работа и много други. Има друг проблем, когато при известни цени на електроенергия и обеми топлинна енергия трябва да решите колко електроенергия да генерирате и продавате, за да получите максимална печалба от работата на пазара на едро. Тогава факторът за оптимизация - печалба и ефективност на оборудването - е много по-малко важен. Резултатът може да бъде ситуация, при която оборудването работи напълно неефективно, но целият обем произведена електроенергия може да бъде продаден с максимален марж.

На теория всичко това отдавна е ясно и звучи красиво. Проблемът е как да стане това на практика. Започнахме симулационно моделиране на работата на всяко оборудване и на цялата станция като цяло. Дойдохме в ТЕЦ-а и започнахме да събираме параметрите на всички компоненти, да измерваме реалните им характеристики и да оценяваме работата им в различни режими. Въз основа на тях създадохме точни модели за симулиране на работата на всяка част от оборудването и ги използвахме за оптимизационни изчисления. Гледайки напред, ще кажа, че спечелихме около 4% от реалната ефективност просто благодарение на математиката.

Се случи. Но преди да опиша нашите решения, ще говоря за това как работи CHP от гледна точка на логиката на вземане на решения.

Основни неща

Основните елементи на електроцентралата са котли и турбини. Турбините се задвижват от пара под високо налягане, която от своя страна върти електрически генератори, които произвеждат електричество. Останалата парна енергия се използва за отопление и топла вода. Котлите са места, където се създава пара. Загряването на котела и ускоряването на парната турбина отнема много време (часове), а това е пряка загуба на гориво. Същото важи и за промените в натоварването. Трябва да планирате тези неща предварително.

Когенерационното оборудване има технически минимум, който включва минимален, но стабилен режим на работа, при който е възможно да се осигури достатъчно топлина за жилища и промишлени потребители. Обикновено необходимото количество топлина директно зависи от времето (температурата на въздуха).

Всеки блок има крива на ефективност и точка на максимална работна ефективност: при такъв и такъв товар такъв и такъв котел и такава и такава турбина осигуряват най-евтината електроенергия. Евтин - в смисъл на минимален специфичен разход на гориво.

Повечето от нашите комбинирани топло- и електрически централи в Русия имат паралелни връзки, когато всички котли работят на един парен колектор и всички турбини също се захранват от един колектор. Това добавя гъвкавост при товарене на оборудване, но значително усложнява изчисленията. Също така се случва, че оборудването на станцията е разделено на части, които работят на различни колектори с различно налягане на парата. И като добавите разходите за вътрешни нужди - работата на помпи, вентилатори, охладителни кули и, честно казано, сауни точно пред оградата на ТЕЦ - тогава краката на дявола ще се счупят.

Характеристиките на цялото оборудване са нелинейни. Всеки модул има крива със зони, където ефективността е по-висока и по-ниска. Зависи от натоварването: при 70% ефективността ще бъде една, при 30% ще бъде различна.

Оборудването се различава по характеристики. Има нови и стари турбини и котли, както и агрегати с различни конструкции. Чрез правилния избор на оборудване и оптималното му натоварване в точките на максимална ефективност можете да намалите разхода на гориво, което води до спестяване на разходи или по-големи маржове.

Как когенерационната централа знае колко енергия трябва да произведе?

Планирането се извършва три дни предварително: в рамките на три дни става известен планираният състав на оборудването. Това са турбините и котлите, които ще бъдат включени. Относително казано, знаем, че днес ще работят пет котела и десет турбини. Не можем да включим друго оборудване или да изключим планираното, но можем да променим натоварването за всеки котел от минимум до максимум и да увеличим и намалим мощността на турбините. Стъпката от максимум до минимум е от 15 до 30 минути, в зависимост от оборудването. Задачата тук е проста: изберете оптималните режими и ги поддържайте, като вземете предвид оперативните корекции.

Откъде идва този състав на оборудването? Тя е определена въз основа на резултатите от търговията на пазара на едро. Има пазар на енергия и електроенергия. На пазара на капацитет производителите подават заявление: „Има такова и такова оборудване, това са минималните и максималните мощности, като се вземе предвид планираното спиране за ремонт. Можем да доставим 150 MW на тази цена, 200 MW на тази цена и 300 MW на тази цена.“ Това са дългосрочни приложения. От друга страна, големите потребители също подават заявки: „Имаме нужда от толкова много енергия“. Конкретните цени се определят в пресечната точка на това, което производителите на енергия могат да осигурят и това, което потребителите са готови да приемат. Тези мощности се определят за всеки час от деня.

Обикновено топлоелектрическата централа носи приблизително еднакъв товар през целия сезон: през зимата първичният продукт е топлина, а през лятото е електричество. Силните отклонения най-често се свързват с някакъв вид авария в самата станция или в съседни електроцентрали в същата ценова зона на пазара на едро. Но винаги има колебания и тези колебания силно влияят върху икономическата ефективност на завода. Необходимата мощност може да се вземе от три котела с товар 50% или два с товар 75% и виж кое е по-ефективно.

Маргиналността зависи от пазарните цени и разходите за производство на електроенергия. На пазара цените може да са такива, че да е изгодно да се гори гориво, но е добре да се продава ток. Или може да се окаже, че в определен час трябва да преминете към техническия минимум и да намалите загубите. Трябва също да запомните резервите и цената на горивото: природният газ обикновено е ограничен, а надлимитният газ е значително по-скъп, да не говорим за мазут. Всичко това изисква точни математически модели, за да се разбере кои заявления да се подават и как да се реагира на променящите се обстоятелства.

Как беше направено преди да пристигнем

Почти на хартия, базирайки се на не много точни характеристики на оборудването, които се различават много от реалните. Веднага след тестване на оборудването, в най-добрия случай, те ще бъдат плюс или минус 2% от факта, а след една година - плюс или минус 7-8%. Тестовете се провеждат на всеки пет години, често по-рядко.

Следващата точка е, че всички изчисления се извършват в еталонно гориво. В СССР беше приета схема, когато се разглеждаше определено конвенционално гориво за сравняване на различни станции, използващи мазут, въглища, газ, ядрено производство и т.н. Беше необходимо да се разбере ефективността на папагалите на всеки генератор, а конвенционалното гориво е точно този папагал. Определя се от калоричността на горивото: един тон стандартно гориво е приблизително равен на един тон въглища. Има таблици за преобразуване за различни видове гориво. Така например при кафявите въглища показателите са почти двойно по-лоши. Но съдържанието на калории не е свързано с рубли. Това е като бензин и дизел: не е факт, че ако дизелът струва 35 рубли, а 92 струва 32 рубли, тогава дизелът ще бъде по-ефективен по отношение на съдържанието на калории.

Третият фактор е сложността на изчисленията. Обикновено, въз основа на опита на служителя, се изчисляват две или три опции и по-често най-добрият режим се избира от историята на предишни периоди за подобни натоварвания и метеорологични условия. Естествено служителите смятат, че избират най-оптималните режими и смятат, че никой математически модел няма да ги надмине.

Ние идваме. За да решим проблема, подготвяме цифров близнак - симулационен модел на станцията. Това е, когато чрез специални подходи симулираме всички технологични процеси за всяко оборудване, съчетаваме пароводен и енергиен баланс и получаваме точен модел на работата на топлоелектрическата централа.

За да създадем модела използваме:

• Дизайн и спецификации на оборудването.
• Характеристики, базирани на резултатите от най-новите тестове на оборудването: на всеки пет години станцията тества и усъвършенства характеристиките на оборудването.
• Данни в архивите на автоматизираните системи за управление на процесите и счетоводните системи за всички налични технологични показатели, разходи и производство на топлинна и електрическа енергия. По-специално данни от системи за измерване на топлинна и електрическа енергия, както и от системи за телемеханика.
• Данни от хартиени ленти и кръгови диаграми. Да, такива аналогови методи за записване на работните параметри на оборудването все още се използват в руските електроцентрали и ние ги цифровизираме.
• Хартиени дневници на станции, където постоянно се записват основните параметри на режимите, включително тези, които не се записват от сензорите на автоматизираната система за управление на процесите. Линейният служител обикаля на всеки четири часа, пренаписва показанията и записва всичко в дневник.

Тоест реконструирали сме масиви от данни какво в какъв режим е работило, колко гориво е било подадено, каква е била температурата и консумацията на пара и колко топлинна и електрическа енергия е получена на изхода. От хиляди такива набори беше необходимо да се съберат характеристиките на всеки възел. За щастие, ние можем да играем тази игра за извличане на данни от дълго време.

Описването на такива сложни обекти с помощта на математически модели е изключително трудно. И още по-трудно е да докажем на главния инженер, че нашият модел правилно изчислява режимите на работа на станцията. Затова поехме по пътя на използването на специализирани инженерни системи, които ни позволяват да сглобим и коригираме модел на топлоелектрическа централа въз основа на конструктивните и технологичните характеристики на оборудването. Избрахме софтуера Termoflow на американската компания TermoFlex. Сега се появиха руски аналози, но по това време този конкретен пакет беше най-добрият в своя клас.

За всяка единица са избрани нейните конструктивни и основни технологични характеристики. Системата ви позволява да опишете всичко много подробно както на логическо, така и на физическо ниво, чак до посочване на степента на отлагания в тръбите на топлообменника.

В резултат моделът на топлинната верига на станцията е описан визуално от гледна точка на енергийните технолози. Технолозите не разбират от програмиране, математика и моделиране, но могат да избират дизайна на единица, входовете и изходите на единиците и да определят параметри за тях. След това системата сама избира най-подходящите параметри, а технологът ги прецизира така, че да се получи максимална точност за целия диапазон от режими на работа. Поставихме си цел - да осигурим точност на модела от 2% за основните технологични параметри и я постигнахме.

Това се оказа не толкова лесно: първоначалните данни не бяха много точни, така че първите няколко месеца се разхождахме из ТЕЦ-а и ръчно отчитахме текущите показатели от манометрите и настройвахме модела към реални условия. Първо направихме модели на турбини и котли. Всяка турбина и котел бяха проверени. За тестване на модела е създадена работна група, в която са включени представители на ТЕЦ-а.

След това сглобихме цялото оборудване в обща схема и настроихме модела CHP като цяло. Трябваше да свърша малко работа, защото в архивите имаше много противоречиви данни. Например открихме режими с обща ефективност от 105%.

Когато сглобявате пълна верига, системата винаги взема предвид балансирания режим: съставят се материални, електрически и топлинни баланси. След това оценяваме доколко всичко сглобено отговаря на действителните параметри на режима според индикаторите от инструментите.

Какво стана

В резултат на това получихме точен модел на техническите процеси на топлоелектрическата централа, базиран на действителните характеристики на оборудването и исторически данни. Това позволи прогнозите да бъдат по-точни, отколкото въз основа само на характеристиките на теста. Резултатът е симулатор на реални процеси в завода, цифров близнак на топлоелектрическа централа.

Този симулатор направи възможно анализирането на сценарии „какво ще стане, ако...“ въз основа на дадени индикатори. Този модел беше използван и за решаване на проблема за оптимизиране на работата на реална станция.

Беше възможно да се приложат четири изчисления за оптимизация:

1. Мениджърът на смяната на станцията знае графика за подаване на топлина, командите на системния оператор са известни и графикът за подаване на електроенергия е известен: кое оборудване ще поеме какви товари, за да получи максимални маржове.
2. Избор на състава на оборудването въз основа на прогнозата за пазарните цени: за дадена дата, като вземем предвид графика на натоварване и прогнозата за температурата на външния въздух, ние определяме оптималния състав на оборудването.
3. Подаване на заявки на пазара ден предварително: когато е известен съставът на оборудването и има по-точна ценова прогноза. Изчисляваме и подаваме заявка.
4. Балансиращият пазар вече е в рамките на текущия ден, когато електрическите и топлинните графици са фиксирани, но няколко пъти на ден, на всеки четири часа, се стартира търговия на балансиращия пазар и можете да подадете заявление: „Моля да добавите 5 MW за моя товар.“ Трябва да намерим дяловете на допълнителното натоварване или разтоварване, когато това дава максимален марж.

тест

За правилно тестване трябваше да сравним стандартните режими на натоварване на оборудването на станцията с нашите изчислени препоръки при същите условия: състав на оборудването, графици на натоварване и време. В продължение на няколко месеца избрахме четири до шест часови интервали от деня със стабилен график. Те идваха на станцията (често през нощта), изчакваха станцията да влезе в режим на работа и едва тогава го изчисляваха в симулационния модел. Ако ръководителят на смяната на гарата беше доволен от всичко, тогава оперативният персонал беше изпратен да завърти клапаните и да промени режимите на оборудването.

Индикаторите преди и след бяха сравнени постфактум. По време на пиковите часове, денем и нощем, през уикендите и делничните дни. Във всеки режим постигнахме икономии на гориво (в тази задача маржът зависи от разхода на гориво). След това преминахме изцяло на нови режими. Трябва да се каже, че станцията бързо повярва в ефективността на нашите препоръки и към края на тестовете все повече забелязвахме, че оборудването работи в режимите, които сме изчислили преди това.

Резултат от проекта

Съоръжение: ТЕЦ с напречни връзки, 600 MW електрическа мощност, 2 Gcal топлинна мощност.

Екип: КРОК - седем души (технологични експерти, анализатори, инженери), ТЕЦ - петима души (бизнес експерти, ключови потребители, специалисти).
Срок на изпълнение: 16 месеца.

Резултати:

• Автоматизирахме бизнес процесите по поддържане на режими и работа на пазара на едро.
• Проведени пълномащабни тестове, потвърждаващи икономическия ефект.
• Спестихме 1,2% гориво поради преразпределението на товарите по време на работа.
• Спестява 1% гориво благодарение на краткосрочното планиране на оборудването.
• Оптимизирахме изчисляването на етапите на приложенията на DAM според критерия за максимизиране на пределната печалба.

Крайният ефект е около 4%.

Очакваният период на изплащане на проекта (ROI) е 1–1,5 години.

Разбира се, за да внедрим и тестваме всичко това, трябваше да променим много процеси и да работим в тясно сътрудничество както с ръководството на ТЕЦ-а, така и с генериращата компания като цяло. Но резултатът определено си заслужаваше. Беше възможно да се създаде цифров близнак на станцията, да се разработят процедури за планиране на оптимизация и да се получи реален икономически ефект.

Източник: www.habr.com