Postoji velika termoelektrana. Radi kao i obično: sagorijeva plin, proizvodi toplinu za grijanje kuća i struju za opću mrežu. Prvi zadatak je grijanje. Drugi je da svu proizvedenu električnu energiju prodamo na veletržištu. Ponekad, čak i po hladnom vremenu, snijeg se pojavi pod vedrim nebom, ali to je nuspojava rada rashladnih tornjeva.
Prosječna termoelektrana se sastoji od nekoliko desetina turbina i kotlova. Ako su potrebne količine proizvodnje električne i toplotne energije precizno poznate, onda se zadatak svodi na minimiziranje troškova goriva. U ovom slučaju proračun se svodi na izbor sastava i procenta opterećenja turbina i kotlova za postizanje najveće moguće efikasnosti rada opreme. Efikasnost turbina i kotlova u velikoj meri zavisi od vrste opreme, vremena rada bez popravki, režima rada i još mnogo toga. Postoji još jedan problem kada, s obzirom na poznate cijene električne energije i količine toplinske energije, morate odlučiti koliko električne energije ćete proizvesti i prodati da biste ostvarili maksimalnu dobit od rada na veletržištu. Tada je faktor optimizacije - profit i efikasnost opreme - mnogo manje važan. Rezultat može biti situacija u kojoj oprema radi potpuno neefikasno, ali se cjelokupna količina proizvedene električne energije može prodati uz maksimalnu maržu.
U teoriji, sve je to odavno jasno i zvuči lijepo. Problem je kako to učiniti u praksi. Započeli smo simulacijsko modeliranje rada svakog dijela opreme i cijele stanice u cjelini. Došli smo u termoelektranu i počeli prikupljati parametre svih komponenti, mjeriti njihove stvarne karakteristike i procjenjivati njihov rad u različitim režimima. Na osnovu njih kreirali smo precizne modele za simulaciju rada svakog komada opreme i koristili ih za optimizacijske proračune. Gledajući unaprijed, reći ću da smo samo zahvaljujući matematici dobili oko 4% stvarne efikasnosti.
Desilo se. Ali prije nego što opišem naše odluke, govorit ću o tome kako CHP funkcionira sa stanovišta logike odlučivanja.
Osnovne stvari
Glavni elementi elektrane su kotlovi i turbine. Turbine se pokreću parom pod visokim pritiskom, koja zauzvrat rotira električne generatore koji proizvode električnu energiju. Preostala energija pare koristi se za grijanje i toplu vodu. Kotlovi su mjesta gdje se stvara para. Za zagrijavanje kotla i ubrzanje parne turbine potrebno je dosta vremena (sati) i to je direktan gubitak goriva. Isto vrijedi i za promjene opterećenja. Ove stvari morate planirati unaprijed.
CHP oprema ima tehnički minimum, koji uključuje minimalan, ali stabilan način rada, u kojem je moguće osigurati dovoljno topline za domove i industrijske potrošače. Tipično, potrebna količina topline direktno ovisi o vremenu (temperatura zraka).
Svaka jedinica ima krivu efikasnosti i tačku maksimalne radne efikasnosti: pri tom i takvom opterećenju, taj i taj kotao i takva i takva turbina daju najjeftiniju električnu energiju. Jeftino - u smislu minimalne specifične potrošnje goriva.
Većina naših termoelektrana u Rusiji ima paralelne priključke, kada svi kotlovi rade na jednom parnom kolektoru, a sve turbine također napaja jedan kolektor. Ovo dodaje fleksibilnost prilikom utovara opreme, ali uvelike komplicira proračune. Također se dešava da je oprema stanice podijeljena na dijelove koji rade na različitim kolektorima s različitim pritiscima pare. A ako se tome dodaju troškovi za unutrašnje potrebe - rad pumpi, ventilatora, rashladnih tornjeva i, budimo iskreni, sauna odmah ispred ograde termoelektrane - onda će se đavolu noge slomiti.
Karakteristike sve opreme su nelinearne. Svaka jedinica ima krivu sa zonama u kojima je efikasnost veća i niža. Zavisi od opterećenja: na 70% efikasnost će biti jedna, na 30% će biti drugačija.
Oprema se razlikuje po karakteristikama. Postoje nove i stare turbine i kotlovi, a postoje i agregati različitih dizajna. Pravilnim odabirom opreme i optimalnim punjenjem na tačkama maksimalne efikasnosti možete smanjiti potrošnju goriva, što dovodi do uštede troškova ili veće marže.
Kako CHP postrojenje zna koliko energije treba da proizvede?
Planiranje se vrši tri dana unaprijed: u roku od tri dana postaje poznat planirani sastav opreme. To su turbine i kotlovi koji će biti uključeni. Relativno govoreći, znamo da će danas raditi pet kotlova i deset turbina. Ne možemo uključiti drugu opremu niti isključiti planiranu, ali možemo promijeniti opterećenje za svaki kotao sa minimalnog na maksimalno, te povećati i smanjiti snagu za turbine. Korak od maksimuma do minimuma je od 15 do 30 minuta, u zavisnosti od komada opreme. Zadatak je ovdje jednostavan: odaberite optimalne načine rada i održavajte ih, uzimajući u obzir operativna podešavanja.
Odakle ovaj sastav opreme? Utvrđen je na osnovu rezultata trgovanja na veletržištu. Postoji tržište kapaciteta i električne energije. Na tržištu kapaciteta proizvođači podnose prijavu: „Ima te i takve opreme, to su minimalni i maksimalni kapaciteti, uzimajući u obzir planirani ispad radi popravke. Po ovoj cijeni možemo isporučiti 150 MW, po ovoj cijeni 200 MW i po ovoj cijeni 300 MW.” Ovo su dugoročne aplikacije. S druge strane, zahtjeve podnose i veliki potrošači: „Treba nam toliko energije“. Specifične cijene određuju se na raskrsnici onoga što proizvođači energije mogu pružiti i onoga što su potrošači spremni uzeti. Ovi kapaciteti se određuju za svaki sat u danu.
Tipično, termoelektrana nosi približno isto opterećenje cijele sezone: zimi je primarni proizvod toplina, a ljeti struja. Jaka odstupanja najčešće su povezana sa nekom vrstom havarije na samoj stanici ili na susjednim elektranama u istoj cjenovnoj zoni veletržnice. Ali fluktuacije uvijek postoje, a te fluktuacije uvelike utiču na ekonomsku efikasnost postrojenja. Potrebnu snagu mogu uzeti tri kotla sa opterećenjem od 50% ili dva sa opterećenjem od 75% pa pogledajte koji je efikasniji.
Marginalnost ovisi o tržišnim cijenama i troškovima proizvodnje električne energije. Na tržištu su cijene možda takve da je isplativo sagorijevati gorivo, ali je dobro prodavati struju. Ili može biti da u određenom satu morate ići na tehnički minimum i smanjiti gubitke. Također morate imati na umu rezerve i cijenu goriva: prirodni plin je obično ograničen, a plin iznad granice je znatno skuplji, da ne spominjemo mazut. Sve ovo zahtijeva precizne matematičke modele kako bi se razumjelo koje prijave podnijeti i kako odgovoriti na promjenjive okolnosti.
Kako je to urađeno prije našeg dolaska
Gotovo na papiru, na osnovu ne baš tačnih karakteristika opreme, koje se jako razlikuju od stvarnih. Odmah nakon testiranja opreme, u najboljem slučaju, oni će biti plus-minus 2% činjenice, a nakon godinu dana - plus-minus 7-8%. Testovi se provode svakih pet godina, često rjeđe.
Sljedeća stvar je da se svi proračuni provode u referentnom gorivu. U SSSR-u je usvojena shema kada je određeno konvencionalno gorivo smatrano za upoređivanje različitih stanica koje koriste lož ulje, ugalj, plin, nuklearnu proizvodnju i tako dalje. Trebalo je razumjeti efikasnost u papagajima svakog generatora, a konvencionalno gorivo je upravo taj papagaj. Određuje se kaloričnom vrijednošću goriva: jedna tona standardnog goriva je približno jednaka jednoj toni uglja. Postoje tabele konverzije za različite vrste goriva. Na primjer, za mrki ugalj pokazatelji su skoro duplo lošiji. Ali sadržaj kalorija nije vezan za rublje. To je kao benzin i dizel: nije činjenica da ako dizel košta 35 rubalja, a 92 košta 32 rublje, onda će dizel biti efikasniji u smislu kalorijskog sadržaja.
Treći faktor je složenost proračuna. Uobičajeno, na osnovu iskustva zaposlenika, izračunavaju se dvije ili tri opcije, a češće se odabire najbolji način rada iz povijesti prethodnih perioda za slična opterećenja i vremenske uvjete. Naravno, zaposleni vjeruju da biraju najoptimalnije načine rada i vjeruju da ih nijedan matematički model nikada neće nadmašiti.
Mi dolazimo. Za rješavanje problema pripremamo digitalni blizanac - simulacijski model stanice. To je kada posebnim pristupima simuliramo sve tehnološke procese za svaki komad opreme, kombinujemo paro-vodni i energetski bilans i dobijemo tačan model rada termoelektrane.
Za kreiranje modela koristimo:
- Dizajn i specifikacije opreme.
- Karakteristike na osnovu rezultata najnovijih ispitivanja opreme: svakih pet godina stanica testira i usavršava karakteristike opreme.
- Podaci u arhivi automatizovanih sistema upravljanja procesima i računovodstvenih sistema za sve raspoložive tehnološke pokazatelje, troškove i proizvodnju toplotne i električne energije. Konkretno, podaci iz mjernih sistema za snabdijevanje toplotom i električnom energijom, kao i iz telemehaničkih sistema.
- Podaci sa papirnih trakastih i tortnih grafikona. Da, takve analogne metode snimanja radnih parametara opreme i dalje se koriste u ruskim elektranama, a mi ih digitalizujemo.
- Papirna evidencija na stanicama na kojima se stalno bilježe glavni parametri režima, uključujući i one koje ne bilježe senzori automatiziranog sistema upravljanja procesima. Linijer obilazi svaka četiri sata, prepisuje očitanja i sve zapisuje u dnevnik.
Odnosno, rekonstruisali smo skupove podataka o tome šta je u kom režimu radilo, koliko goriva je isporučeno, kolika je bila temperatura i potrošnja pare i koliko je toplotne i električne energije dobijeno na izlazu. Od hiljada takvih skupova bilo je potrebno prikupiti karakteristike svakog čvora. Srećom, već duže vrijeme možemo igrati ovu igru Data Mining.
Opisivanje tako složenih objekata pomoću matematičkih modela je izuzetno teško. A još je teže dokazati glavnom inženjeru da naš model ispravno izračunava režime rada stanice. Stoga smo krenuli putem korištenja specijaliziranih inženjerskih sistema koji nam omogućavaju sastavljanje i debagovanje modela termoelektrane na osnovu dizajna i tehnoloških karakteristika opreme. Odabrali smo softver Termoflow američke kompanije TermoFlex. Sada su se pojavili ruski analozi, ali u to vrijeme ovaj paket je bio najbolji u svojoj klasi.
Za svaku jedinicu odabire se njen dizajn i glavne tehnološke karakteristike. Sistem vam omogućava da sve opišete do detalja kako na logičkom tako i na fizičkom nivou, sve do naznačavanja stepena naslaga u cijevima izmjenjivača topline.
Kao rezultat toga, model termičkog kruga stanice je vizuelno opisan u smislu energetskih tehnologa. Tehnolozi ne razumiju programiranje, matematiku i modeliranje, ali mogu odabrati dizajn jedinice, ulaze i izlaze jedinica i specificirati parametre za njih. Zatim sistem sam bira najprikladnije parametre, a tehnolog ih dorađuje kako bi se postigla maksimalna tačnost za čitav niz režima rada. Postavili smo sebi cilj - osigurati tačnost modela od 2% za glavne tehnološke parametre i to smo postigli.
Pokazalo se da to nije tako lako učiniti: početni podaci nisu bili baš tačni, pa smo prvih nekoliko mjeseci šetali po termoelektrani i ručno očitavali trenutne indikatore s mjerača tlaka i podešavali model na stvarnim uslovima. Prvo smo napravili modele turbina i kotlova. Verificirana je svaka turbina i kotao. Za testiranje modela formirana je radna grupa u koju su uključeni i predstavnici termoelektrane.
Zatim smo sastavili svu opremu u opštu šemu i podesili CHP model kao celinu. Morao sam da radim jer je u arhivi bilo dosta kontradiktornih podataka. Na primjer, pronašli smo načine rada sa ukupnom efikasnošću od 105%.
Kada sastavite kompletno kolo, sistem uvijek uzima u obzir uravnoteženi način rada: kompiliraju se materijalna, električna i termalna ravnoteža. Zatim procjenjujemo kako sve sastavljeno odgovara stvarnim parametrima režima prema indikatorima iz instrumenata.
Šta se desilo
Kao rezultat, dobili smo tačan model tehničkih procesa termoelektrane, zasnovan na stvarnim karakteristikama opreme i istorijskim podacima. Ovo je omogućilo da predviđanja budu preciznija nego samo na osnovu karakteristika testa. Rezultat je simulator stvarnih procesa postrojenja, digitalni blizanac termoelektrane.
Ovaj simulator je omogućio analizu scenarija „šta ako...“ na osnovu datih indikatora. Ovaj model je također korišten za rješavanje problema optimizacije rada realne stanice.
Bilo je moguće implementirati četiri optimizacijska proračuna:
- Rukovodilac smjene u stanici zna raspored isporuke topline, poznate su komande operatera sistema, a poznat je i raspored napajanja električnom energijom: koja oprema će podnijeti koja opterećenja da bi se ostvarile maksimalne marže.
- Odabir sastava opreme na osnovu prognoze tržišne cijene: za dati datum, uzimajući u obzir raspored opterećenja i prognozu temperature vanjskog zraka, određujemo optimalan sastav opreme.
- Podnošenje prijava na tržište dan unapred: kada je poznat sastav opreme i postoji preciznija prognoza cene. Izračunavamo i podnosimo prijavu.
- Balansno tržište je već u okviru tekućeg dana, kada su fiksirani elektro i termo rasporedi, ali nekoliko puta dnevno, svaka četiri sata, pokreće se trgovanje na balansnom tržištu, a možete podnijeti zahtjev: „Molim vas da dodate 5 MW za moje opterećenje.” Moramo pronaći udjele dodatnog utovara ili istovara kada to daje maksimalnu maržu.
Testiranje
Za ispravno testiranje, morali smo da uporedimo standardne režime opterećenja opreme stanice sa našim izračunatim preporukama pod istim uslovima: sastav opreme, raspored opterećenja i vremenske prilike. U toku nekoliko mjeseci birali smo intervale od četiri do šest sati u danu sa stabilnim rasporedom. Dolazili su na stanicu (često noću), čekali da stanica uđe u režim rada i tek onda to izračunali u simulacionom modelu. Ako je nadzornik smjene stanice bio zadovoljan svime, tada je bilo poslano operativno osoblje da okrene ventile i promijeni način rada opreme.
Indikatori prije i poslije upoređivani su nakon činjenice. U vršnim terminima, danju i noću, vikendom i radnim danima. U svakom načinu rada ostvarili smo uštedu goriva (u ovom zadatku marža ovisi o potrošnji goriva). Onda smo potpuno prešli na nove režime. Mora se reći da je stanica brzo povjerovala u djelotvornost naših preporuka, te smo pred kraj testova sve više primjećivali da oprema radi u režimima koje smo prethodno izračunali.
Ishod projekta
Objekat: CHP sa unakrsnim priključcima, 600 MW električne energije, 2 Gcal toplotne snage.
Tim: CROC - sedam ljudi (tehnološki stručnjaci, analitičari, inženjeri), CHPP - pet ljudi (poslovni stručnjaci, ključni korisnici, stručnjaci).
Period implementacije: 16 mjeseci.
Rezultati:
- Automatizirali smo poslovne procese održavanja režima i rada na veleprodajnom tržištu.
- Sprovedena puna ispitivanja koja potvrđuju ekonomski učinak.
- Uštedeli smo 1,2% goriva zahvaljujući preraspodeli opterećenja tokom rada.
- Ušteđeno 1% goriva zahvaljujući kratkoročnom planiranju opreme.
- Optimizirali smo obračun faza aplikacija na DAM-u prema kriteriju maksimizacije marginalne dobiti.
Konačni efekat je oko 4%.
Procijenjeni period povrata projekta (ROI) je 1-1,5 godina.
Naravno, da bismo sve ovo implementirali i testirali, morali smo promijeniti mnoge procese i blisko sarađivati kako sa menadžmentom termoelektrane, tako i sa proizvodnom kompanijom u cjelini. Ali rezultat je definitivno vrijedan toga. Bilo je moguće napraviti digitalni blizanac stanice, razviti procedure planiranja optimizacije i dobiti pravi ekonomski efekat.
izvor: www.habr.com