{"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 Heizkraftwerks zur Optimierung der Betriebsmodi: Dampf und Mathematik","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Modellierung
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\nEs gibt ein gro\u00dfes Heizkraftwerk. Es funktioniert wie gewohnt: es verbrennt Gas, um W\u00e4rme f\u00fcr die Beheizung von H\u00e4usern zu erzeugen und Strom f\u00fcr das \u00f6ffentliche Netz zu produzieren. Die erste Aufgabe besteht in der Heizung. Die zweite besteht darin, den gesamten erzeugten Strom auf dem Gro\u00dfhandelsmarkt zu verkaufen. Manchmal f\u00e4llt bei klarem Himmel und Frost auch Schnee, aber das ist ein Nebenerscheinung des Betriebs der K\u00fchlt\u00fcrme.<\/p>\n

Ein durchschnittliches Kraftwerk besteht aus mehreren Dutzend Turbinen und Kesseln. Wenn die erforderlichen Mengen an Strom- und W\u00e4rmeproduktion 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 zu w\u00e4hlen, um den maximalen Wirkungsgrad der Anlagentechnik zu erreichen. Der Wirkungsgrad von Turbinen und Kesseln h\u00e4ngt stark von der Art der Ausr\u00fcstung, der Betriebszeit ohne Wartung, den Betriebsbedingungen und vielen weiteren Faktoren ab. Eine andere Herausforderung besteht darin, bei bekannten Strompreisen und W\u00e4rmevolumen zu entscheiden, wie viel Strom produziert und verkauft werden sollte, um den maximalen Gewinn auf dem Gro\u00dfhandelsmarkt zu erzielen. In diesem Fall haben der Optimierungsfaktor \u2014 der Gewinn und der Wirkungsgrad der Ausr\u00fcstung \u2014 deutlich weniger Gewicht. Das Ergebnis kann ein Betriebmodus sein, bei dem die Ausr\u00fcstung vollkommen ineffizient arbeitet, aber das gesamte produzierte Stromvolumen mit maximaler Marge verkauft werden kann. <\/p>\n

In der Theorie klingt das alles schon lange klar und sch\u00f6n. Das Problem liegt jedoch darin, wie man das in der Praxis umsetzt. Wir haben mit der Simulation des Betriebs jeder einzelnen Ausr\u00fcstung und des gesamten Werks begonnen. Wir sind zu dem Heizkraftwerk gegangen und haben die Parameter aller Komponenten erfasst, indem wir deren tats\u00e4chliche Leistungsmerkmale gemessen und die Leistung unter verschiedenen Bedingungen bewertet haben. Basierend auf diesen Daten haben wir pr\u00e4zise Modelle erstellt, um den Betrieb jeder einzelnen Ausr\u00fcstung zu simulieren und diese f\u00fcr Optimierungsberechnungen zu verwenden. Um es vorwegzunehmen, wir haben etwa 4 % reale Effizienzgewinne allein durch mathematische Optimierungen erzielt.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Es hat funktioniert. Bevor ich jedoch unsere L\u00f6sungen beschreibe, m\u00f6chte ich erl\u00e4utern, wie ein Heizkraftwerk aus Sicht der Entscheidungsfindung funktioniert. <\/p>\n

Grundlegende Dinge<\/h3>\n

\nDie Hauptbestandteile eines Kraftwerks sind Kessel und Turbinen. Turbinen werden durch hochdruckdampf aktiviert, der wiederum Generatoren antreibt, die elektrische Energie erzeugen. Die Restenergie des Dampfes wird f\u00fcr Heizung und Warmwasser verwendet. Kessel sind die Orte, an denen Dampf erzeugt wird. Das Aufheizen des Kessels und das Anfahren der Dampfturbine ben\u00f6tigt viel Zeit (Stunden), was direkt zu einem Verlust von Brennstoff f\u00fchrt. Gleiches gilt f\u00fcr das \u00c4ndern der Last. Solche Dinge m\u00fcssen im Voraus geplant werden. <\/p>\n

Die Anlagen eines Heizkraftwerks haben ein technisches Minimum, das einen stabilen Betriebsmodus umfasst, in dem ausreichend W\u00e4rme f\u00fcr Haushalte und industrielle Verbraucher bereitgestellt werden kann. Die ben\u00f6tigte W\u00e4rmemenge h\u00e4ngt normalerweise direkt von der Witterung (Lufttemperatur) ab. <\/p>\n

Jede Einheit hat eine Effizienzkurve und einen Punkt maximaler Effizienz: Bei einer bestimmten Last liefert ein bestimmter Kessel und eine bestimmte Turbine die kosteng\u00fcnstigste elektrische Energie. Kosteng\u00fcnstig bedeutet hier, dass der spezifische Brennstoffverbrauch minimal ist. <\/p>\n

Die meisten Kraftwerke hier in Russland arbeiten mit parallelen Verbindungen, bei denen alle Kessel an einen gemeinsamen Dampfsammelkollektor angeschlossen sind und alle Turbinen ebenfalls aus demselben Sammelkollektor versorgt werden. Dies bietet Flexibilit\u00e4t bei der Auslastung des Equipments, macht die Berechnungen jedoch erheblich komplizierter. Manchmal wird die Ausr\u00fcstung der Station auch in Segmente unterteilt, die an verschiedene Sammelkollektoren mit unterschiedlichem Dampfdruck angeschlossen sind. Wenn man zudem die Kosten f\u00fcr den internen Bedarf \u2013 den Betrieb von Pumpen, Ventilatoren, K\u00fchlt\u00fcrmen und, um ehrlich zu sein, von Saunen direkt hinter dem Kraftwerkszaun \u2013 ber\u00fccksichtigt, wird es wirklich komplex.<\/p>\n

Die Eigenschaften aller Ger\u00e4te sind nicht linear. Jedes Aggregat hat eine Kennlinie mit Bereichen, in denen der Wirkungsgrad h\u00f6her oder niedriger ist. Das h\u00e4ngt von der Last ab: bei 70 % liegt der Wirkungsgrad anders als bei 30 %. <\/p>\n

Die Ausr\u00fcstung unterscheidet sich in ihren Eigenschaften. Es gibt sowohl neue als auch alte Turbinen und Kessel, und es existieren Aggregate unterschiedlicher Bauarten. Durch die richtige Auswahl der Ausr\u00fcstung und deren optimale Auslastung an den Punkten des maximalen Wirkungsgrads k\u00f6nnen die Brennstoffkosten gesenkt werden, was zu Kosteneinsparungen oder einer h\u00f6heren Marge f\u00fchrt. <\/p>\n

\"Modellierung
\n<\/p>\n

Wie wei\u00df das Kraftwerk, wie viel Energie es produzieren muss?<\/h3>\n

\nDie Planung erfolgt drei Tage im Voraus: Bereits nach drei Tagen steht der geplante Ger\u00e4tesatz fest. Das sind die Turbinen und Kessel, die zum Einsatz kommen werden. Vereinfacht gesagt, wissen wir, dass heute f\u00fcnf Kessel und zehn Turbinen in Betrieb sein werden. Wir k\u00f6nnen keine anderen Ger\u00e4te ein- oder ausschalten, die geplant sind, aber wir k\u00f6nnen die Last f\u00fcr jeden Kessel zwischen dem Minimum und Maximum anpassen und bei den Turbinen die Leistung erh\u00f6hen oder senken. Der Wechsel von Maximum auf Minimum dauert je nach Ger\u00e4teeinheit zwischen 15 und 30 Minuten. Hier liegt die Aufgabe darin, die optimalen Betriebsmodi auszuw\u00e4hlen und sie unter Ber\u00fccksichtigung operativer Anpassungen aufrechtzuerhalten. <\/p>\n

\"Modellierung
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\nWoher stammt dieser Ger\u00e4tesatz?<\/b> Er hat sich basierend auf den Ergebnissen des Gro\u00dfhandelsmarktes entschieden. Es gibt einen Leistung- und Elektrizit\u00e4tsmarkt. Auf dem Leistungsmarkt reichen die Hersteller Antr\u00e4ge ein: \"Wir haben diese und jene Ausr\u00fcstung, die folgenden minimalen und maximalen Leistungen unter Ber\u00fccksichtigung geplanter Wartungsarbeiten. Wir k\u00f6nnen 150 MW zu diesem Preis bereitstellen, 200 MW zu diesem Preis und 300 MW zu diesem Preis.\" Dies sind langfristige Antr\u00e4ge. Auf der anderen Seite reichen auch gro\u00dfe Verbraucher Antr\u00e4ge ein: \"Wir ben\u00f6tigen so und so viel Energie.\" Die genauen Preise werden zu dem Zeitpunkt festgelegt, an dem sich das Angebot der Energieerzeuger und die Nachfrage der Verbraucher kreuzen. Diese Leistungen werden f\u00fcr jede Stunde des Tages festgelegt.<\/p>\n

\"Modellierung
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\nIn der Regel tr\u00e4gt ein Blockheizkraftwerk w\u00e4hrend der gesamten Saison eine gleichm\u00e4\u00dfige Last: Im Winter ist W\u00e4rme das Hauptprodukt, w\u00e4hrend im Sommer Elektrizit\u00e4t gefragt ist. Starke Abweichungen treten h\u00e4ufig aufgrund von St\u00f6rungen im Kraftwerk selbst oder in benachbarten Kraftwerken in derselben Preiszone des Gro\u00dfhandelsmarktes auf. Allerdings gibt es immer Schwankungen, und diese Schwankungen haben erhebliche Auswirkungen auf die wirtschaftliche Effizienz des Betriebs. Die ben\u00f6tigte Leistung kann durch drei Kessel mit einer Auslastung von 50 % oder durch zwei Kessel mit einer Auslastung von 75 % bereitgestellt werden, und man muss analysieren, was dabei effizienter ist. <\/p>\n

Die Rentabilit\u00e4t h\u00e4ngt von den Marktpreisen und den Kosten der Stromerzeugung ab. Die Preise auf dem Markt k\u00f6nnen so gestaltet sein, dass es vorteilhaft ist, Brennstoff zu verbrennen, w\u00e4hrend der Verkauf von Elektrizit\u00e4t profitabel bleibt. Es kann aber auch vorkommen, dass man zu bestimmten Zeiten auf das technische Minimum gehen und Verluste begrenzen muss. Zudem sollte man die Vorr\u00e4te und die Kosten des Brennstoffs im Blick behalten: Erdgas ist in der Regel limitiert, und \u00dcbermengen sind 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 ver\u00e4ndernde Umst\u00e4nde reagiert. <\/p>\n

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

\nFast ausschlie\u00dflich auf Papier mit nicht allzu genauen technischen Spezifikationen, die erheblich von den tats\u00e4chlichen abweichen. Nach den Tests der Ger\u00e4te sind im besten Fall die Werte plus-minus 2 % von den tats\u00e4chlichen, und bereits nach einem Jahr liegt die Abweichung bei plus-minus 7-8 %. Diese Tests werden nur alle f\u00fcnf Jahre durchgef\u00fchrt, oft sogar seltener.<\/p>\n

Ein weiterer Punkt ist, dass alle Berechnungen in hypothetischen Treibstoffen erfolgen. In der UdSSR gab es ein Schema, bei dem ein gewisser hypothetischer Treibstoff zur Vergleichung verschiedener Stationen verwendet wurde, egal ob sie mit Heiz\u00f6l, Kohle, Gas, Atomkraft usw. arbeiten. Es musste die Effizienz jedes Generators in sogenannten 'Treibstoff-Einheiten' festgestellt werden, und dieser hypothetische Treibstoff ist genau diese Einheit. Er wird durch die Brennwert des Treibstoffs bestimmt: Eine Tonne hypothetischen Treibstoffs entspricht ungef\u00e4hr einer Tonne Steinkohle. Es gibt Umrechnungstabellen f\u00fcr verschiedene Treibstoffarten. Zum Beispiel sind die Werte f\u00fcr Braunkohle fast doppelt so schlecht. Aber der Brennwert hat nichts mit Rubel zu tun. Das ist wie Benzin und Diesel: Es ist nicht sicher, dass Diesel, der 35 Rubel kostet, und 92-er Benzin, das 32 Rubel kostet, beim Brennwert effizienter ist. <\/p>\n

Ein dritter Faktor ist die Komplexit\u00e4t der Berechnungen. Basierend auf den Erfahrungen der Mitarbeiter werden in der Regel zwei bis drei Varianten erarbeitet, wobei h\u00e4ufig das beste Betriebsregime aus der Geschichte vorheriger Perioden f\u00fcr \u00e4hnliche Lasten und Wetterbedingungen ausgew\u00e4hlt wird. Nat\u00fcrlich sind die Mitarbeiter der \u00dcberzeugung, dass sie die optimalsten Regime ausw\u00e4hlen, und glauben, dass kein mathematisches Modell sie jemals \u00fcbertreffen kann. <\/p>\n

Wir kommen ins Spiel. Um die Aufgabe zu l\u00f6sen, erstellen wir einen digitalen Zwilling \u2013 ein Simulationsmodell des Kraftwerks. Dabei simulieren wir mithilfe spezieller Ans\u00e4tze alle technologischen Prozesse f\u00fcr jede Einheit der Ausr\u00fcstung, f\u00fchren Dampfwasser- und Energiabilanzen zusammen und erhalten somit ein genaues Modell des Betriebs der Fernw\u00e4rmeversorgung. <\/p>\n

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