{"id":54492,"date":"2019-12-27T00:00:00","date_gmt":"2019-12-26T21:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/blog_prohoster\/modelirovanie-raboty-realnoj-tets-dlya-optimizatsii-rezhimov-par-i-matematika"},"modified":"2020-02-18T14:02:30","modified_gmt":"2020-02-18T11:02:30","slug":"modelirovanie-raboty-realnoj-tets-dlya-optimizatsii-rezhimov-par-i-matematika","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/administrirovanie\/modelirovanie-raboty-realnoj-tets-dlya-optimizatsii-rezhimov-par-i-matematika","title":{"rendered":"Modellierung des Betriebs eines realen Kraftwerks zur Optimierung der Betriebsbedingungen: Dampf und Mathematik","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Modellierung
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\nEs gibt ein gro\u00dfes Kraftwerk. Es l\u00e4uft wie gewohnt: es verbrennt Gas, erzeugt W\u00e4rme f\u00fcr die Beheizung von H\u00e4usern und Elektrizit\u00e4t f\u00fcr das \u00f6ffentliche Netz. Die erste Aufgabe ist die Beheizung. Die zweite besteht darin, die gesamte erzeugte Elektrizit\u00e4t auf dem Gro\u00dfhandelsmarkt zu verkaufen. Manchmal f\u00e4llt bei klarem Himmel und Frost auch Schnee, aber das ist eine Nebenwirkung des Betriebs der K\u00fchlt\u00fcrme.<\/p>\n

Ein durchschnittliches Kraftwerk besteht aus mehreren Dutzend Turbinen und Kesseln. Wenn die notwendigen Volumina an erzeugter Elektrizit\u00e4t und W\u00e4rme genau bekannt sind, reduziert sich die Aufgabe auf die Minimierung der Brennstoffkosten. In diesem Fall besteht die Berechnung darin, die Zusammensetzung und den Ladeprozentsatz der Turbinen und Kessel auszuw\u00e4hlen, um den h\u00f6chstm\u00f6glichen Wirkungsgrad des Betriebs der Ger\u00e4te zu erreichen. Der Wirkungsgrad von Turbinen und Kesseln h\u00e4ngt stark von der Art der Ger\u00e4te, der Betriebszeit ohne Reparaturen, dem Betriebsmodus und vielen anderen Faktoren ab. Es gibt auch eine andere Aufgabe, bei der, angesichts der Preise f\u00fcr Elektrizit\u00e4t und der Volumina an W\u00e4rme, entschieden werden muss, wie viel Elektrizit\u00e4t erzeugt und verkauft werden soll, um den maximalen Gewinn auf dem Gro\u00dfhandelsmarkt zu erzielen. In diesem Fall ist der Optimierungsfaktor \u2013 Gewinn und Wirkungsgrad der Ger\u00e4te \u2013 von weitaus geringerem Interesse. Das Ergebnis k\u00f6nnte ein Betrieb sein, bei dem die Ger\u00e4te absolut ineffizient arbeiten, aber das gesamte erzeugte Volumen an Elektrizit\u00e4t kann mit maximaler Marge verkauft werden. <\/p>\n

In der Theorie ist all dies lange klar und klingt sch\u00f6n. Das Problem ist, wie man das in der Praxis umsetzt. Wir haben mit der Simulationsmodellierung des Betriebs jeder Ger\u00e4teeinheit und der gesamten Anlage begonnen. Wir sind zum Kraftwerk gegangen und haben begonnen, die Parameter aller Komponenten zu sammeln, indem wir ihre tats\u00e4chlichen Eigenschaften gemessen und die Arbeit in verschiedenen Betriebsmodi bewertet haben. Auf dieser Basis haben wir pr\u00e4zise Modelle zur Simulation des Betriebs jeder Ger\u00e4teeinheit erstellt und sie f\u00fcr Optimierungsberechnungen verwendet. Um es vorwegzunehmen, wir haben etwa 4 % der tats\u00e4chlichen Effizienz nur durch Mathematik gewonnen.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Es hat geklappt. Aber bevor ich unsere L\u00f6sungen beschreibe, werde ich erl\u00e4utern, wie das Kraftwerk aus der Sicht der Entscheidungsfindungslogik funktioniert. <\/p>\n

Grundlegende Dinge<\/h3>\n

\nDie Hauptbestandteile eines Kraftwerks sind Kessel und Turbinen. Die Turbinen werden durch Hochdruckdampf in Bewegung gesetzt, der wiederum die Generatoren antreibt, die elektrische Energie erzeugen. Die Restenergie des Dampfes wird f\u00fcr die Heizung und f\u00fcr warmes Wasser verwendet. Kessel sind die Orte, an denen Dampf erzeugt wird. Das Aufheizen des Kessels und das Anlaufen der Dampfturbine ben\u00f6tigen sehr viel Zeit (Stunden), was direkte Energieverluste bedeutet. Das Gleiche gilt f\u00fcr die \u00c4nderung der Last. Solche Dinge m\u00fcssen im Voraus geplant werden. <\/p>\n

Die Ausr\u00fcstung eines Heizkraftwerks hat ein technisches Minimum, das einen stabilen Betriebsmodus umfasst, in dem eine ausreichende W\u00e4rmemenge f\u00fcr Wohnh\u00e4user und industrielle Verbraucher bereitgestellt werden kann. In der Regel h\u00e4ngt die erforderliche W\u00e4rmemenge direkt von den Wetterbedingungen (Lufttemperatur) ab. <\/p>\n

Jeder Aggregat hat eine Effizienzkurve und einen Punkt, an dem die maximale Effizienz erreicht wird: Bei einer bestimmten Last erzeugen ein bestimmter Kessel und eine bestimmte Turbine die g\u00fcnstigste elektrische Energie. G\u00fcnstig bedeutet hier den minimalen spezifischen Brennstoffverbrauch. <\/p>\n

Die meisten Heizkraftwerke in Russland arbeiten mit parallelen Verbindungen, bei denen alle Kessel auf einen gemeinsamen Dampfkollektor arbeiten und alle Turbinen ebenfalls von einem einzigen Kollektor gespeist werden. Dies erh\u00f6ht die Flexibilit\u00e4t bei der Lastverteilung, erschwert jedoch die Berechnungen erheblich. Manchmal wird die Ausr\u00fcstung der Station auch in Teile unterteilt, die an verschiedene Kollektoren mit unterschiedlichem Dampfdruck angeschlossen sind. Wenn man dann noch die Kosten f\u00fcr den internen Bedarf ber\u00fccksichtigt \u2013 wie den Betrieb von Pumpen, Ventilatoren, K\u00fchlt\u00fcrmen und, um keinen Hehl daraus zu machen, Saunen direkt hinter dem Heizkraftwerk \u2013 wird es richtig kompliziert.<\/p>\n

Die Eigenschaften der gesamten Ausr\u00fcstung sind nicht linear. Jedes Aggregat hat eine Kurve mit Zonen, in denen die Effizienz h\u00f6her und niedriger ist. Dies h\u00e4ngt von der Last ab: Bei 70 % liegt die Effizienz auf einem Level, bei 30 % auf einem anderen. <\/p>\n

Die Ausr\u00fcstung variiert in ihren Eigenschaften. Es gibt neue und alte Turbinen und Kessel sowie Aggregate unterschiedlicher Bauart. Durch die richtige Auswahl der Ausr\u00fcstung und die optimale Beladung in den Punkten der maximalen Effizienz kann der Brennstoffverbrauch gesenkt werden, was zu Einsparungen bei den Kosten oder einer h\u00f6heren Marge f\u00fchrt. <\/p>\n

\"Modellierung
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Woher wei\u00df das Heizkraftwerk, wie viel Energie es produzieren muss?<\/h3>\n

\nDie Planung erfolgt drei Tage im Voraus: Nach drei Tagen wird der geplante Bestand an Anlagen bekannt. Das sind die Turbinen und Kessel, die in Betrieb genommen werden. Vereinfacht gesagt, wissen wir, dass heute f\u00fcnf Kessel und zehn Turbinen in Betrieb sind. Wir k\u00f6nnen keine andere Ausr\u00fcstung einschalten oder die geplante ausschalten, aber wir k\u00f6nnen die Last f\u00fcr jeden Kessel von Minimum bis Maximum variieren und die Leistung der Turbinen erh\u00f6hen oder verringern. Der \u00dcbergang vom Maximum zum Minimum dauert je nach Equipment zwischen 15 und 30 Minuten. Hier ist die Aufgabe einfach: die optimalen Betriebsmodi ausw\u00e4hlen und diese unter Ber\u00fccksichtigung der operativen Anpassungen aufrechterhalten. <\/p>\n

\"Modellierung
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\nWoher stammt dieser Bestand an Anlagen?<\/b> Er wurde basierend auf den Ergebnissen der Ausschreibungen auf dem Gro\u00dfhandelsmarkt ermittelt. Es gibt einen Markt f\u00fcr Leistung und Elektrizit\u00e4t. Auf dem Markt f\u00fcr Leistung beantragen Produzenten: \u201eEs gibt folgende Anlagen, hier sind die minimale und maximale Leistung unter Ber\u00fccksichtigung der geplanten Instandhaltungsarbeiten. Wir k\u00f6nnen 150 MW zu diesem Preis bereitstellen, 200 MW zu diesem Preis und 300 MW zu diesem Preis.\u201c Dies sind langfristige Antr\u00e4ge. Auf der anderen Seite beantragen auch gro\u00dfe Verbraucher: \u201eWir ben\u00f6tigen so viel Energie.\u201c Die konkreten Preise werden zum Zeitpunkt des Zusammentreffens dessen, was die Energieerzeuger liefern k\u00f6nnen, und dessen, was die Verbraucher abnehmen wollen, festgelegt. Diese Leistungen werden f\u00fcr jede Stunde des Tages definiert.<\/p>\n

\"Modellierung
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\nNormalerweise tr\u00e4gt ein Heizkraftwerk die gesamte Saison \u00fcber eine relativ konstante Last: Im Winter ist das Priorit\u00e4tsgut W\u00e4rme, im Sommer Elektrizit\u00e4t. Starke Abweichungen sind h\u00e4ufig auf Notf\u00e4lle an der Station selbst oder an benachbarten Kraftwerken in derselben Preiszone des Gro\u00dfhandelsmarktes zur\u00fcckzuf\u00fchren. Aber es gibt immer Schwankungen, und diese Schwankungen beeinflussen die wirtschaftliche Effizienz des Betriebs der Station erheblich. Die ben\u00f6tigte Leistung kann durch drei Kessel mit einer Auslastung von 50 % oder zwei Kessel mit einer Auslastung von 75 % bereitgestellt werden, und man muss schauen, was dabei effizienter ist. <\/p>\n

Die Marge h\u00e4ngt von den Marktpreisen und den Produktionskosten von Elektrizit\u00e4t ab. Auf dem Markt k\u00f6nnen die Preise so gestaltet sein, dass es rentabel ist, Brennstoff zu verbrennen, w\u00e4hrend Elektrizit\u00e4t gut verkauft wird. Es kann aber auch sein, dass man zu einem bestimmten Zeitpunkt auf das technische Minimum herunterfahren und Verluste reduzieren muss. Man muss auch an die Lagerbest\u00e4nde und die Kosten f\u00fcr Brennstoffe denken: Das gleiche Erdgas ist normalerweise limitiert, und \u00fcbersch\u00fcssiges Gas ist deutlich teurer, ganz zu schweigen von Heiz\u00f6l. All dies erfordert pr\u00e4zise mathematische Modelle, um zu verstehen, welche Anfragen gestellt werden sollten und wie man auf sich \u00e4ndernde Umst\u00e4nde reagiert. <\/p>\n

Wie es vor unserem Eintreffen gemacht wurde<\/h3>\n

\nPraktisch auf Papier basierend auf nicht sehr genauen Spezifikationen der Ausr\u00fcstung, die stark von den tats\u00e4chlichen Werten abweichen. Direkt nach den Tests der Ausr\u00fcstung liegen sie bestenfalls im Bereich von plus\/minus 2 % von den tats\u00e4chlichen Werten, und nach einem Jahr sind es bereits plus\/minus 7-8 %. Die Tests werden alle f\u00fcnf Jahre durchgef\u00fchrt, oft auch seltener.<\/p>\n

Ein weiterer Punkt ist, dass alle Berechnungen in konditionellem Brennstoff vorgenommen werden. In der UdSSR wurde ein System angenommen, in dem ein gewisser konditioneller Brennstoff zur Vergleichung verschiedener Kraftwerke, die mit Heiz\u00f6l, Kohle, Gas, Atomkraft usw. betrieben werden, berechnet wurde. Es galt zu verstehen, welche Effizienz jeder Generator in einer bestimmten Einheit hat, und dieser konditionelle Brennstoff ist genau diese Einheit. Er wird durch den Heizwert des Brennstoffs definiert: Eine Tonne konditionellen Brennstoffs entspricht etwa einer Tonne Steinkohle. Es gibt Umrechnungstabellen f\u00fcr verschiedene Brennstoffarten. Zum Beispiel sind die Werte f\u00fcr Braunkohle fast doppelt so schlecht. Aber der Heizwert ist nicht mit Rubeln verbunden. Es ist wie bei Benzin und Diesel: Es ist kein Fakt, dass, wenn Diesel 35 Rubel kostet und 92er Benzin 32 Rubel, Diesel hinsichtlich des Heizwertes effizienter sein wird. <\/p>\n

Ein dritter Faktor ist die Komplexit\u00e4t der Berechnungen. Bedingt werden auf der Grundlage der Erfahrung des Mitarbeiters zwei oder drei Optionen berechnet, und h\u00e4ufiger wird der beste Modus aus der Geschichte vorheriger Perioden f\u00fcr \u00e4hnliche Lasten und Wetterbedingungen ausgew\u00e4hlt. Nat\u00fcrlich glauben die Mitarbeiter, dass sie die optimalsten Modi ausw\u00e4hlen, und sind \u00fcberzeugt, dass kein mathematisches Modell sie jemals \u00fcbertreffen wird. <\/p>\n

Wir kommen. Um das Problem zu l\u00f6sen, bereiten wir einen digitalen Zwilling vor \u2013 ein Simulationsmodell des Kraftwerks. Das bedeutet, dass wir mit speziellen Methoden alle technologischen Prozesse f\u00fcr jede einzelne Maschinenkomponente simulieren, die Dampf- und Energiesalden bilanzen und ein genaues Modell des Betriebs des Heizkraftwerks erhalten. <\/p>\n

F\u00fcr die Erstellung des Modells verwenden wir: <\/p>\n