On suur soojuselektrijaam. Töötab nagu tavaliselt: põletab gaasi, toodab soojust kodude kütmiseks ja elektrit üldvõrku. Esimene ülesanne on kütmine. Teine — müüa kogu toodetud elekter hulgiturule. Mõnikord, kui on külm ja selge taevas, tekib lumi, kuid see on jahutus tornide töö kõrvalnähtus.
Keskmine soojus elektrijaam koosneb paari tosina turbina ja katlast. Kui on täpselt teada vajalikud elektri- ja soojustootmismahud, siis probleem kujuneb kütusekulude minimiseerimiseks. Sel juhul keskendub arvutus turbinate ja katlate koostise ning koormuse valikule, et saavutada seadmete kõrgeim võimalik efektiivsus. Turbinate ja katlate efektiivsus sõltub tugevalt seadmete tüübist, tööajast ilma remondita, töörežiimist ja paljuski muust. On ka teisi ülesandeid, kus tuntud elektrihinnade ja soojuse mahtude korral tuleb otsustada, kui palju elektrit toota ja müüa, et saavutada maksimaalne kasum hulgiturul. Siis muutub optimeerimise teguriks kasum ja seadmete efektiivsus – need on palju vähem tähtsad. Tulemuseks võib olla režiim, kus seadmed töötavad täiesti ebaefektiivselt, kuid kogu toodetud elektrihulk on võimalik müüa maksimaalse marginaaliga.
Teoorias on see juba ammu selge ja kõlab kenasti. Probleem on aga selles, kuidas seda praktikas teostada. Alustasime simuleeritud modelleerimist iga seadme ja kogu jaama töö kohta. Külastasime soojuselektrijaama ja hakkasime koguma kõikide elementide parameetreid, mõõtes nende tegelikke omadusi ja hinnates tööd erinevates režiimides. Nende põhjal lõime täpsed mudelid, et simuleerida iga seadme tööd ja kasutasime neid optimeerimisarvutustes. Edasi kiirustades võin öelda, et saavutasime umbes 4% reaalse efektiivsuse lihtsalt matemaatika abil.
See õnnestus. Kuid enne, kui kirjeldan meie lahendusi, räägin sellest, kuidas soojuselektrijaam töötab otsuste tegemise loogika seisukohalt.
Põhilised asjad
Jaama peamised elemendid on katlad ja turbiinid. Turbiinid käivitatakse kõrge rõhuga auru kaudu, mis omakorda pöörab elektrigeneraatori, mis toodab elektrienergiat. Auru jääkdosa kasutatakse küttes ja sooja vee saamiseks. Katlad on kohad, kus auru toodetakse. Katla kuumutamiseks ja turbiini käivitamiseks kulub palju aega (tunde), mis toob kaasa otsese kütuse kadu. Sama kehtib koormuse muutmise kohta. Sellised asjad tuleb eelnevalt planeerida.
Tööstusliku soevee tootmise seadmetel on tehniline miinimum, mis hõlmab minimaalset, kuid siiski stabiilset töörežiimi, millega on võimalik tagada piisav soojushulk kodudele ja tööstuslikest tarbijatele. Tavaliselt sõltub vajaliku soojuse hulk otseselt ilmast (õhutemperatuurist).
Igal seadmel on efektiivsuse kõver ja maksimaalse efektiivsuse punkt: teatud koormuse korral on teatud katel ja turbiin need, mis annavad kõige odavamat elektrienergiat. Odav — mõttes minimaalne kütuse spetsiifiline tarbimine.
Enamik meie Venemaa soojuselektrijaamadest on varustatud paralleelsete ühendustega, kus kõik katlad töötavad ühe aurukollektori peal ja kõik turbiinid saavad toitu samast kollektorist. See lisab paindlikkust seadmete koormuse jaotamisel, kuid keerustab arvutusi. Samuti on olemas, et jaama varustus jaguneb osadeks, mis töötavad erinevatele kollektoritele erineva auru rõhuga. Kui arvestada ka sisekulude, näiteks pumpade, ventilaatorite, jahutustornide ning, mis salata, saunade kulusid otse TЭЦ-aia taga, siis on asi tõesti keeruline.
Kõikide seadmete omadused on mittelineaarsed. Iga seadmel on kõver, kus on tsoonid, kus efektiivsus on kõrgem ja madalam. See sõltub koormusest: 70 % juures on efektiivsustase üks, 30 % juures aga teine.
Seadmed erinevad omaduste poolest. On uusi ja vanu turbiine ja katlaid, samuti erineva konstruktsiooniga seadmeid. Õigesti valides seadmed ja optimaalselt koormates need efektiivsuse maksimaalse taseme punktides, on võimalik vähendada kütuse tarbimist, mis toob kaasa kulude kokkuhoiule või suuremale kasumlikkusele.
Kust TЭЦ teab, kui palju energiat on vaja toota?
Planeerimine toimub kolm päeva ette: kolme päeva jooksul selgub plaanitud seadmete koosseis. Need on turbined ja katlad, mis arvesse võetakse. Ehtsalt öeldes, me teame, et täna töötab viis katlat ja kümme turbina. Me ei saa lülitada sisse muud seadmed või välja lülitada plaanitavaid, kuid saame iga katla koormust muuta minimaalsest maksimaalsele, ning turbinate puhul võime võimsust suurendada ja vähendada. Ülemineku maksimaalsest miinimumini viib aega 15 kuni 30 minutit, olenevalt seadmetest. Ülesanne on lihtne: valida optimaalsed režiimid ja hoida need töös operatiivsete kohanduste arvesse võttes.
Kust see seadmete koosseis pärineb? Otsustati on, tuginedes hulgiturule. Olemas on võimsuse ja elektri turg. Võimsuse turul esitavad tootjad taotlusi: "Meil on selline seade, sellised minimaalne ja maksimaalne võimsus, arvestades ettenähtud hooldustöid. Saame pakkuda 150 MW sellise hinnaga, 200 MW — sellise hinnaga ja 300 MW — sellise hinnaga." Need on pikaajalised taotlused. Teiselt poolt esitavad suured tarbijad samuti taotlusi: "Meile on vaja nii palju energiat." Konkreetsed hinnad määratakse hetkel, kui ühiselt määratletakse, mida tootjad saavad pakkuda ja mida tarbijad soovivad saada. Need võimsused määratakse iga tunni kohta.
Tavaliselt kannab soojusjaam kogu hooaja jooksul enam-vähem ühtlast koormust: talvel on peamine toode soojus ja suvel elektrienergia. Suured kõrvalekalded on enamasti seotud mõne õnnetusega jaamas endas või naaberjaamades, mis kuuluvad samasse hulgihinna tsooni. Kuid alati on kõikuvusi, ja need kõikuvused mõjutavad jaama majanduslikku efektiivsust oluliselt. Vajalikku võimsust saab saavutada kolme kateliga 50% koormusel või kahega 75% koormusel, jälgides, mis on samal ajal efektiivsem.
Marginaalsus sõltub aga turuhindadest ja elektrienergia tootmise enda maksumusest. Turul võivad hinnad kujuneda nii, et on kasulik kütust põletada, kuid müüa elektrienergiat hästi. Võib juhtuda ka, et konkreetse tunni jooksul on vaja minna tehnilisele miinimale ning kärpida kahjusid. Samuti tuleks meeles pidada varusid ja kütuse hinda: sama maagaas on tavaliselt piiratud, samas kui ülemäärane gaas on märgatavalt kallim, rääkimata diiselkütusest. Kõik see nõuab täpsemat matemaatilist modelleerimist, et mõista, milliseid taotlusi esitada ja kuidas reageerida muutuvatele tingimustele.
Kuidas see enne meie tulekut käidi
Peamiselt paberil, ebatäpsete seadmete omaduste põhjal, mille tegelikud näitajad võivad oluliselt erineda. Seadmete katsetamise järel on parimal juhul tõenäoliselt tulemused pluss-minu 2% tegelikest numbritest ja aasta pärast juba pluss-minu 7-8%. Katsetusi tehakse iga viie aasta tagant, sageli harvem.
Järgmine punkt on see, et kõik arvutused tehakse tinglikus kütuses. Nõukogude Liidus kehtestati skeem, mille kohaselt arvati teatud tinglik kütus, et võrrelda erinevaid jaamasid, nagu diisel, kivisüsi, gaas, tuumageneratsioon jne. Oli vajalik mõista iga generaatori efektiivsust, mida väljendatakse popugainide arvus. Tinglik kütus on see sama popugain. See määratakse kütuse kalorite arvu järgi: üks tonn tinglikku kütust vastab umbes ühele tonnile kivisöest. Erinevat tüüpi kütuste konverteerimistabelid on olemas. Näiteks pruun süsi on peaaegu kaks korda halvemad. Kuid kalorite arv ei ole seotud rubla hinnaga. See on nagu bensiin ja diisel: ei ole kindel, et kui diisel maksab 35 rubla ja 92. bensiin 32 rubla, siis on diisel kalorite arvu järgi tõhusam.
Kolmas tegur on arvutuste keerukus. Tinglikult arvestatakse töötaja kogemuste põhjal kahte-kolme varianti, kuid tihti valitakse eelnevate perioodide sarnaste koormuste ja ilmastikutingimuste põhjal parim režiim. Loomulikult usuvad töötajad, et nad valivad kõige optimaalsemad režiimid ja arvavad, et ükski matemaatiline mudel ei suuda neid kunagi ületada.
Külastame teid. Probleemi lahendamiseks valmistame digitaalse kaksiku — ja simuleeritud mudeli jaama. See tähendab, et me spetsiaalsete lähenemiste abil simuleerime kõiki tehnoloogilisi protsesse iga seadme kohta, tasakaalustame aurude ja energia bilanse ning saame TÄH mudeli täpselt töötamise kohta.
Mudeli loomiseks kasutame:
- Seadmete konstruktsiooni ja passihandmeid.
- Seadmete viimaste katsete tulemusi: iga viie aasta tagant testitakse ja täpsustatakse seadmete omadusi.
- Andmed ASU TP arhiivides ja kõigis kergesti kätte saadavates süsteemides tehniliste parameetrite, kulutuste ning soojuse ja elektri tootmise kohta. Eriti andmed soojuse ja elektri tarbimise süsteemidest ning telemehaanika süsteemidest.
- Andmed lint- ja ringpaberdiagrammidelt. Jah, sellised analoogsed seadmed seadmete tööparameetrite registreerimiseks on endiselt kasutusel Venemaa elektrijaamades, ja me digiteerime need.
- Paberipäevikud jaamades, kus pidevalt registreeritakse põhiparameetreid, sealhulgas neid, mida ASU TP andurid ei registreeri. Jalutaja käib iga nelja tunni tagant, kirjutab näidud üles ja märgib kõik päevikusse.
See tähendab, et meil on taastatud andmekogumid selle kohta, kuidas töötati, kui palju kütust kasutati, milline oli temperatuur ja auru tarbimine ning kui palju soojus- ja elektrienergiat saadi väljundis. Tuhandetest sellistest seadmetest tuleb koguda iga komponendi omadused. Õnneks oskame me selles andmete kaevandamises juba ammu mängida.
Selliste keeruliste objektide kirjeldamine matemaatiliste mudelite abil on äärmiselt keeruline. Veelgi keerulisem on tõestada peainsenerile, et meie mudel arvutab jaama töörežiimid õigesti. Seetõttu valisime spetsialiseeritud insenerikomplekside kasutamise, mis võimaldavad koostada ja häälestada TPP mudelit seadmete konstruktiivsete ja tehnoloogiliste omaduste põhjal. Valisime Termoflow tarkvara Ameerika ettevõttelt TermoFlex. Praegu on ilmunud Venemaa analoogid, kuid sel hetkel oli just see paket oma klassi parim.
Iga seadme jaoks valitakse selle konstruktsioon ja põhitehnoloogilised omadused. Süsteem võimaldab kirjeldada kõike väga üksikasjalikult nii loogilisel kui füüsilisel tasandil, sealhulgas näidata soojusvahetite torude seinte määrdumise astet.
Seega iseloomustatakse jaama sooja skeemi mudelit visuaalselt energiatehnoloogide terminiilides. Tehnoloogid ei süvenenud programmeerimisse, matemaatikasse ja modelleerimisse, kuid nad võivad valida elementide konstruktsiooni, seadmete sisendid ja väljundid ning määrata nende parameetreid. Seejärel valib süsteem ise sobivad parameetrid ja tehnoloog täpsustab neid, et saavutada maksimaalne täpsus kogu töörežiimide ulatuses. Meie eesmärk on tagada 2% täpsus mudelis peamiste tehnoloogiliste parameetrite jaoks, ja oleme selle saavutanud.
Seda osutus mitte nii lihtne teha: algandmed ei olnud väga täpsed, seetõttu veetsime esimesed paar kuud külastades soe jaamade ning käsitsi registreerides manomeetritelt hetke näitajaid ning kohandades mudelit tegelike režiimide järgi. Esiteks valmisid turbiinide ja katelde mudelid. Iga turbiini ja katla täpsustati. Mudeli kontrollimiseks moodustasime töörühma, kuhu kaasasime TÕE esindajad.
Seead kõik seadmed üldisse skeemi ja häälestati TÄTs mudelit tervikuna. Tuli tööd teha, kuna arhiivides leidus palju vastuolulisi andmeid. Näiteks leidsime režiime, mille üldine efektiivsustegur oli 105%.
Täieliku skeemi koostamisel arvutab süsteem alati tasakaalustatud režiimi: koostatakse materiaalsed, elektrilised ja soojustehnilised bilansid. Edasi hindame, kuidas kõik koos vastab tegelikele režiimi parameetritele instrumentide näitajate järgi.
Mis välja tuli
Lõpuks saime täpse TÄT-protsesside mudeli, mis põhines seadmete tegelikel omadustel ja ajaloolistel andmetel. See võimaldas prognoosida täpsemalt kui ainult katsetuste omaduste põhjal. Tuli välja jaama reaalsete protsesside simulaator, digitaalne kaksik TÄTest.
Selles simulaatoris tehti võimalikuks analüüs läbi stsenaariumide «mida, kui…» antud näitajate põhjal. Samuti kasutati seda mudelit reaalse jaama töö optimeerimise ülesande lahendamiseks.
Oli võimalik teostada nelja optimeerimisarvestust:
- Jaama vahetusjuht tunneb soojuste taastamise ajakava, süsteemi operaatori meeskonna nimed on teada, tuntud on elektripuhkuse ajakava: millise varustuse puhul, millised koormused võtta, et saavutada maksimaalne kasumlikkus.
- Varustuse valik turuhindade prognoosi alusel: määrame optimaalse varustuse koosseisu määratud kuupäevaks, arvesse võttes koormuse ajakava ja välisõhu temperatuuriprognosi.
- Taotluste esitamine turul järgnevaks päevaks: kui varustuse koosseis on olemas ja prognoositud hinnad on täpsemad. Arvutame ja esitame taotluse.
- Tasakaalupüügiturul — juba jooksva päeva jooksul, kui elektri- ja soojusteenuste graafikud on fikseeritud, kuid mitu korda päevas, iga nelja tunni järel, käivitatakse tasakaalupüügiturul oksjonid, kus saab esitada taotluse: "Palun laadige mind 5 MW võrra." Tuleb leida täiendavate koormuste või tühjenemise osakaalom, kui see toob maksimaalse kasumi.
Katsetamine
Korrektsete testide jaoks pidime võrdlema jaama seadmete standardsete koormerežiimide ning meie arvutatud soovituste vahel samades tingimustes: seadmete koosseis, koormusgraafikud ja ilm. Kaks kuud valisime päevaste intervallide vahel neli–kuus tundi stabiilse graafikuga. Käisime jaamas (tihti öösel), ootasime, kuni jaam jõuab režiimi, ja siis lugesime selle simuleeritud mudelis. Kui jaama vahetuseülem oli rahul, saatsime operatiivpersonalil ventiilid keerama ja seadmete režiime muutma.
Võrdlesime näitajaid enne ja pärast. Tipp, päeval ja öösel, nädalavahetustel ja tööpäevadel. Igas režiimis saavutati kütuse kokkuhoid (selles ülesandes sõltub marginaal kütuse tarbimisest). Siis läksime täielikult uutele režiimidele. Tuleb öelda, et jaamas usuti üsna kiiresti meie soovituste tõhususse, ja prooviperioodi lõpus täheldasime üha sagedamini, et seadmed töötavad meie varem arvutatud režiimides.
Projekti tulemus
Objekt: Ajakohane jaam, 600 MW elektritootmisvõimsust, 2400 Gkal — soojus.
Meeskond: KROK — seitse liiget (tehnilised eksperdid, analüütikud, insenerid), TÄHIS — viis liiget (äri eksperdid, võtmekasutajad, spetsialistid).
Teostamise kestus: 16 kuud.
Tulemused:
- Automatiseerisime äri protsessid režiimide haldamiseks ja tööks hulgiturul.
- Viidi läbi looduslikud katsed, mis kinnitavad majanduslikku efekti.
- Säästetud 1,2% kütusest koormuste ümberjaotamise tõttu režiimide haldamisel.
- Hoidisime 1% kütust tänu lühiajalisele seadmete koostisosade planeerimisele.
- Optimeerisime RSVi taotluste etappide arvutamise, maksimeerides marginaalset kasumit.
Kokkuvõtte tulemus — umbes 4%.
Hinnanguline projekti tasuvusaeg (ROI) — 1–1,5 aastat.
Loomulikult, et kõik see rakendada ja katsetada, tuli muuta palju protsesse ja töötada tihedas koostöös nii TÄHIS juhtkonnaga kui ka energiatootmise ettevõttega tervikuna. Kuid tulemus oli kindlasti seda väärt. Õnnestus luua jaama digitaalne kaksik, välja töötada optimeerimise planeerimise protseduurid ja saavutada reaalne majanduslik efekt.
Allikas: habr.com
