Modelování provozu reálné teplárny pro optimalizaci režimů: pára a matematika

Existuje velká tepelná elektrárna. Funguje jako obvykle: spaluje plyn, vyrábí teplo pro vytápění domů a elektřinu pro veřejnou síť. Hlavním úkolem je vytápění. Druhým je prodat veškerou vyrobenou elektřinu na velkoobchodním trhu. Někdy, když je venku mráz a jasná obloha, se objevuje sníh, ale to je vedlejší efekt činnosti chladicích věží.

Průměrná tepelná elektrárna se skládá z desítek turbín a kotlů. Pokud jsou přesně známy potřebné objemy výroby elektřiny a tepla, úloha spočívá ve minimalizaci nákladů na palivo. V tomto případě se výpočet soustředí na výběr složení a procenta zatížení turbín a kotlů, aby se dosáhlo co nejvyšší účinnosti provozu zařízení. Účinnost turbín a kotlů silně závisí na typu zařízení, době provozu bez opravy, provozním režimu a mnoha dalších faktorech. Existuje také jiná úloha, kdy je třeba při známých cenách elektřiny a objemech tepla rozhodnout, kolik elektřiny vyrobit a prodat, aby se dosáhlo maximálního zisku na velkoobchodním trhu. V takovém případě je faktorem optimalizace zisk a účinnost zařízení, což má mnohem menší význam. Výsledkem může být režim, kdy zařízení pracuje absolutně neefektivně, ale veškeré vyrobené množství elektřiny lze prodat s maximální marží.

Teoreticky je to všechno dávno jasné a krásně to zní. Problém je, jak to udělat v praxi. Zahájili jsme simulační modelování práce každého zařízení a celé stanice jako celku. Přišli jsme do tepelné elektrárny a začali sbírat parametry všech uzlů, měříc jejich skutečné charakteristiky a hodnotící jejich činnost v různých režimech. Na jejich základě jsme vytvářeli přesné modely pro simulaci provozu každého vybavení a používali je pro optimalizační výpočty. Předbíhám dobu, ale řeknu, že jsme získali přibližně 4 % skutečné efektivity jen díky matematice.

Podařilo se. Ale než popíšu naše řešení, řeknu, jak tepelná elektrárna funguje z pohledu logiky rozhodování.

Základní věci

Hlavními prvky elektrárny jsou kotle a turbíny. Turbíny se pohánějí párou vysokého tlaku, která otáčí elektrickými generátory, jež vyrábějí elektrickou energii. Zbytky energie páry se využívají na vytápění a ohřev vody. Kotle jsou místa, kde se vytváří pára. Ohřev kotle a rozběh parní turbíny trvá velmi dlouho (hodiny), což představuje přímé ztráty paliva. To samé platí pro změny zatížení. Je třeba tyto věci plánovat předem.

Zařízení teplárny má technické minimum, které zahrnuje minimální, ale zároveň stabilní režim provozu, který zajišťuje dostatečné množství tepla pro domácnosti a průmyslové spotřebitele. Obvykle potřebné množství tepla přímo závisí na počasí (teplotě vzduchu).

Každý agregát má křivku účinnosti a bod maximální efektivity: při daném zatížení daný kotel a daná turbína poskytují nejlevnější elektrickou energii. Levnou — jak ve smyslu s minimální specifickou spotřebou paliva.

Většina tepláren v Rusku má paralelní vazby, kdy všechny kotle pracují na jeden kolektor páry a všechny turbíny také čerpají z jednoho kolektoru. To zvyšuje flexibilitu při zatěžování zařízení, ale značně komplikuje výpočty. Někdy se stává, že zařízení stanice je rozděleno na části, které pracují na různých kolektorech s různým tlakem páry. A pokud přidáme náklady na vnitřní potřeby — provoz čerpadel, ventilátorů, chladicích věží a, co si budeme nalhávat, saun přímo za plotem teplárny — tak tady už si člověk zlomí nohu.

Vlastnosti všech zařízení jsou nelineární. Každý agregát má křivku se zónami, kde je účinnost vyšší a nižší. To závisí na zatížení: při 70 % bude účinnost jedna, při 30 % — jiná.

Zařízení se liší charakteristikami. Existují nové a staré turbíny a kotle, existují agregáty různých konstrukcí. Správným výběrem zařízení a jeho optimálním zatížením v bodech maximální účinnosti lze snižovat spotřebu paliva, což vede k úsporám nákladů nebo k vyšší marži.

Jak teplárna ví, kolik energie má vyrobit?

Plánování probíhá dopředu na tři dny: během tří dnů se stanou známé plánované složení zařízení. To znamená turbíny a kotle, které budou zapnuty. Řekněme, že víme, že dnes bude pracovat pět kotlů a deset turbín. Nemůžeme zapínat jiné zařízení ani vypínat to plánované, ale můžeme měnit zatížení každého kotle od minima do maxima a u turbín zvyšovat nebo snižovat výkon. Přechod od maxima k minimu trvá od 15 do 30 minut v závislosti na jednotce zařízení. Úkol je zde jednoduchý: vybrat optimální režimy a udržovat je s ohledem na operativní korekce.

Odkud pochází toto složení zařízení? Určilo se na základě výsledků obchodování na velkoobchodním trhu. Existuje trh výkonu a elektřiny. Na trhu výkonu výrobci podávají žádost: „Mám takové zařízení, zde jsou minimální a maximální výkony s ohledem na plánované odstávky. Můžeme poskytnout 150 MW za tuto cenu, 200 MW — za tuto cenu a 300 MW — za tuto cenu.“ To jsou dlouhodobé žádosti. Na druhé straně, velcí spotřebitelé také podávají žádosti: „Potřebujeme tolik energie.“ Konkrétní ceny se určují v okamžiku, kdy se překrývá, co výrobci energie mohou nabídnout, a co spotřebitelé chtějí vzít. Tyto výkony se určují každou hodinu.

Obvykle TČE nese přibližně stejnou zátěž po celé období: v zimě je prioritní produkt — teplo, a v létě — elektřina. Silné odchylky jsou většinou spojeny s nějakými haváriemi na samotné stanici nebo na přilehlých elektrárnách ve stejné cenové zóně velkoobchodního trhu. Ale vždy existují kolísání, která silně ovlivňují ekonomickou efektivitu provozu stanice. Potřebný výkon lze získat třemi kotli s zatížením 50 % nebo dvěma s zatížením 75 % a sledovat, co je v tomto ohledu efektivnější.

Maržovost závisí na cenách na trhu a na nákladech na výrobu elektrické energie. Na trhu mohou ceny dosáhnout takové úrovně, že je výhodné spálit palivo, ale dobře prodat elektřinu. Může se také stát, že v danou hodinu bude nutné přejít na technické minimum a snížit ztráty. Také je třeba si pamatovat na zásoby a náklady na palivo: ten samý zemní plyn je obvykle limitován, a nadlimitní plyn je výrazně dražší, nemluvě o topném oleji. To vše vyžaduje přesné matematické modely, aby bylo možné pochopit, jaké nabídky podávat a jak reagovat na měnící se okolnosti.

Jak se to dalo dělat před naším příchodem

Prakticky na papíře na základě nepříliš přesných technických charakteristik zařízení, které se hodně liší od skutečnosti. Hned po zkouškách zařízení bude v nejlepším případě rozdíl plus mínus 2 % od skutečnosti, a po roce už plus mínus 7-8 %. Zkoušky se provádějí jednou za pět let, často dokonce méně.

Další věc je, že všechny výpočty se dělají v podmínkovém palivu. V SSSR byla přijata schéma, kdy bylo počítáno s určitým podmínkovým palivem pro srovnání různých stanic na topném oleji, uhlí, plynu, jaderné energii a tak dále. Bylo třeba pochopit účinnost každého generátoru v 'papoušcích', a podmínkové palivo je tímto papouškem. Určuje se na základě kaloričnosti paliva: jedna tona podmínkového paliva je přibližně rovna jedné toně černého uhlí. Existují tabulky přepisu pro různé druhy paliv. Například u hnědého uhlí jsou ukazatele téměř dvakrát horší. Ale kaloričnost nesouvisí s rubly. Je to jako benzín a nafta: není fakt, že pokud nafta stojí 35 rublů a 92. benzín 32 rublů, bude nafta účinnější z hlediska kaloričnosti.

Třetí faktor — složitost výpočtů. Podle zkušenosti zaměstnance se spočítají dva-tři varianty a častěji se vybírá nejlepší režim z historie předchozích období pro podobné zátěže a povětrnostní podmínky. Samozřejmě, že zaměstnanci věří, že vybírají nejoptimálnější režimy, a domnívají se, že žádný matematický model je nikdy nepřekoná.

Přicházíme. Abychom vyřešili úkol, připravujeme digitální dvojník – simulační model stanice. To znamená, že pomocí speciálních přístupů simulujeme všechny technologické procesy pro každý kus zařízení, vyrovnáváme parovodní a energetické bilance a získáváme přesný model fungování teplárny.

K vytvoření modelu používáme:

• Konstrokci a pasek charakteristik zařízení.
• Charakteristiky na základě výsledků posledních zkoušek zařízení: každých pět let se na stanici provádějí zkoušky a přesné charakteristiky zařízení.
• Údaje v archivech ASU TP a účetních systémech podle všech dostupných technologických ukazatelů, spotřeb a výroby tepla a elektrické energie. Konkrétně údaje z účetních systémů podle dodávky tepla a elektrické energie, jakož i z telemechanických systémů.
• Údaje z páskových a kruhových papírových diagramů. Ano, takové analogové metody zaznamenávání parametrů práce zařízení se stále používají na ruských elektrárnách, a my je digitalizujeme.
• Papírové deníky na stanicích, kde se neustále registrují základní parametry režimů, včetně těch, které nejsou zaznamenávány senzory ASU TP. Prochází kontrolor každé čtyři hodiny, zapisuje hodnoty a všechno zapisuje do deníku.

To znamená, že máme obnovené sady dat o tom, v jakém režimu pracovalo, kolik paliva bylo dodáno, jaká byla teplota a spotřeba páry a kolik tepelné a elektrické energie bylo získáno na výstupu. Z tisíců takových sad bylo třeba shromáždit charakteristiky každého uzlu. Naštěstí v tomto Data Miningu umíme hrát už dlouho.

Popisovat tak složité objekty pomocí matematických modelů je velmi složité. A ještě složitější je přesvědčit hlavního inženýra, že náš model správně počítá režimy práce stanice. Proto jsme zvolili cestu použití specializovaných inženýrských komplexů, které umožňují sestavit a doladit model teplárny na základě konstrukčních a technologických charakteristik zařízení. Vybrali jsme software Termoflow americké společnosti TermoFlex. V současnosti se objevily ruské analogy, ale v té době byl tento balík nejlepší ve své třídě.

Pro každou jednotku jsou vybírány její konstrukční a základní technologické charakteristiky. Systém umožňuje popsat vše velmi podrobně jak na logické, tak na fyzické úrovni, až po uvedení stupně usazenin v trubkách výměníků tepla.

Výsledkem je, že model tepelného schématu stanice je vizuálně popsán v termínech energetických technologů. Technologové se nevyznají v programování, matematice a modelování, ale mohou si vybrat konstrukci uzlu, vstupy a výstupy jednotek a uvést parametry na nich. Poté systém sám vybírá nejvhodnější parametry a technolog je upřesňuje tak, aby dosáhl maximální přesnosti pro celé spektrum pracovních režimů. Naším cílem bylo zajistit přesnost modelu 2 % pro hlavní technologické parametry a dosáhli jsme toho.

Zjistit to se ukázalo jako ne tak jednoduché: počáteční údaje nebyly příliš přesné, takže první pár měsíců jsme chodili po teplárnách a ručně zapisovali aktuální ukazatele z manometrů a ladili model podle skutečných režimů. Nejprve jsme vytvořili modely turbín a kotlů. Každou turbínu a kotel jsme pečlivě zkontrolovali. Pro ověření modelu jsme vytvořili pracovní skupinu a zahrnuli do ní zástupce tepláren.

Poté jsme shromáždili veškeré vybavení do celkového schématu a ladili model teplárny jako celku. Bylo třeba na tom pracovat, protože v archivech se objevilo mnoho protichůdných údajů. Například jsme našli režimy s celkovou účinností 105 %.

Když shromažďujete kompletní schéma, systém vždy počítá vyvážený režim: sestavují se materiálové, elektrické a tepelné bilance. Dále hodnotíme, jak všechno dohromady odpovídá skutečným parametrům režimu podle ukazatelů z přístrojů.

Co jsme získali

Výsledkem je, že jsme získali přesný model technologických procesů teplárny, založený na skutečných charakteristikách vybavení a historických údajích. To nám umožnilo prognózovat přesněji, než pouze na základě charakteristik zkoušek. Vznikl simulátor skutečných procesů stanice, digitální dvojník teplárny.

V tomto simulátoru byla vytvořena možnost provádět analýzu podle scénářů "co když…" podle zadaných ukazatelů. Tento model byl také použit k řešení úkolu optimalizace provozu skutečné stanice.

Podařilo se realizovat čtyři optimalizační výpočty:

1. Vedoucí směny stanice zná plán tepla, jsou známy týmy systémového operátora, je znám plán dodávky elektřiny: jaké zařízení použít pro jaké zátěže, aby bylo dosaženo maximální marže.
2. Výběr zařízení podle cenové prognózy na trhu: k zadanému datu s ohledem na plán zátěže a prognózu venkovní teploty určujeme optimální složení zařízení.
3. Podání žádostí na trhu na den dopředu: když je složení zařízení a je k dispozici přesnější cenová prognóza. Vypočítáme a podáváme žádost.
4. Vyrovnávací trh – uvnitř aktuálních dnů, kdy jsou stanoveny elektrické a tepelné plány, ale několikrát denně každé čtyři hodiny jsou zahájeny aukce na vyrovnávacím trhu, a můžeme podat žádost: „Žádám o navýšení o 5 MW“. Je potřeba najít podíly na navýšení nebo snížení, kdy to přináší maximální marži.

Zkoušky

Pro správné zkoušky bylo nutné porovnat standardní režimy zatížení zařízení stanice s našimi výpočtovými doporučeními za stejných podmínek: složení zařízení, plány zátěže a počasí. Po dobu několika měsíců jsme vybírali úseky dne v trvání čtyř–šesti hodin se stabilním plánem. Přišli jsme na stanici (často v noci), čekali jsme, až se stanice dostane do režimu, a teprve potom jsme jej počítali v simulačním modelu. Pokud byl vedoucí směny stanice spokojený, poslali jsme provozní personál, aby otáčel ventily a měnil režimy zařízení.

Porovnávali jsme ukazatele před a po ve skutečnosti. V maximu, ve dne i v noci, o víkendech i pracovních dnech. V každém režimu jsme dosáhli úspory na palivu (v tomto úkolu marže závisí na spotřebě paliva). Poté jsme plně přešli na nové režimy. Je třeba říci, že stanice docela rychle uvěřila v účinnost našich doporučení, a blíže k závěru zkoušek jsme čím dál tím častěji pozorovali, že zařízení pracuje v režimech, které jsme dříve spočítali.

Výsledek projektu

Objekt: Teplárna s příčnými vazbami, 600 MW elektrického výkonu, 2 400 Gkal — tepelného.

Tým: KROK — sedm lidí (odborníci-technologové, analytici, inženýři), teplárna — pět lidí (obchodní odborníci, klíčoví uživatelé, specialisté).
Doba realizace: 16 měsíců.

Výsledky:

• Automatizovali jsme podnikové procesy řízení režimů a práce na velkoobchodním trhu.
• Provedli jsme experimenty, které potvrzují ekonomický efekt.
• Ušetřili jsme 1,2 % paliva díky přerozdělení zátěží při řízení režimu.
• Uchovali jsme 1 % paliva díky krátkodobému plánování soupravy zařízení.
• Optimalizovali jsme výpočet stupňů žádostí na RSV podle kritéria maximalizace hrubého zisku.

Konečný efekt — přibližně 4 %.

Odhadovaná doba návratnosti projektu (ROI) — 1–1,5 roku.

Samozřejmě, aby se to všechno implementovalo a otestovalo, bylo nutné změnit mnoho procesů a úzce spolupracovat jak s vedením teplárny, tak se generující společností jako celkem. Ale výsledek rozhodně stál za to. Podařilo se vytvořit digitální dvojník stanice, vyvinout postupy optimalizačního plánování a dosáhnout skutečného ekonomického efektu.

Zdroj: habr.com