یک نیروگاه حرارتی بزرگ وجود دارد. طبق معمول کار می کند: گاز می سوزاند، گرما برای گرم کردن خانه ها و برق برای شبکه عمومی تولید می کند. اولین کار گرم کردن است. دوم فروش تمام برق تولید شده در بازار عمده فروشی. گاهی حتی در هوای سرد، برف در زیر آسمان صاف ظاهر می شود، اما این یکی از عوارض عملکرد برج های خنک کننده است.
متوسط نیروگاه حرارتی شامل چند توربین و دیگ بخار است. اگر حجم مورد نیاز تولید برق و گرما به طور دقیق مشخص باشد، کار به حداقل رساندن هزینه های سوخت می رسد. در این حالت، محاسبه به انتخاب ترکیب و درصد بارگذاری توربین‌ها و بویلرها برای دستیابی به بالاترین بازده ممکن از عملکرد تجهیزات ختم می‌شود. کارایی توربین ها و بویلرها به شدت به نوع تجهیزات، زمان کارکرد بدون تعمیر، حالت کارکرد و موارد دیگر بستگی دارد. مشکل دیگری وجود دارد که با توجه به قیمت های شناخته شده برق و حجم گرما، باید تصمیم بگیرید که چه مقدار برق تولید و بفروشید تا حداکثر سود را از کار در بازار عمده فروشی به دست آورید. سپس فاکتور بهینه سازی - سود و کارایی تجهیزات - اهمیت بسیار کمتری دارد. نتیجه ممکن است وضعیتی باشد که تجهیزات کاملاً ناکارآمد عمل کنند، اما کل حجم برق تولید شده را می توان با حداکثر سود به فروش رساند.
در تئوری، همه اینها مدتهاست که واضح است و زیبا به نظر می رسد. مشکل این است که چگونه این کار را در عمل انجام دهیم. ما مدل سازی شبیه سازی عملکرد هر قطعه از تجهیزات و کل ایستگاه را به عنوان یک کل شروع کردیم. ما به نیروگاه حرارتی آمدیم و شروع به جمع آوری پارامترهای همه اجزاء، اندازه گیری مشخصات واقعی آنها و ارزیابی عملکرد آنها در حالت های مختلف کردیم. بر اساس آنها، مدل های دقیقی برای شبیه سازی عملکرد هر قطعه از تجهیزات ایجاد کردیم و از آنها برای محاسبات بهینه سازی استفاده کردیم. با نگاهی به آینده، می گویم که ما حدود 4 درصد از بازده واقعی را صرفاً به دلیل ریاضیات به دست آوردیم.
اتفاق افتاد. اما قبل از تشریح تصمیماتمان، در مورد چگونگی عملکرد CHP از دیدگاه منطق تصمیم گیری صحبت خواهم کرد.
چیزهای اساسی
عناصر اصلی یک نیروگاه بویلرها و توربین ها هستند. توربین ها توسط بخار پرفشار هدایت می شوند که به نوبه خود ژنراتورهای الکتریکی را می چرخاند که برق تولید می کنند. انرژی بخار باقیمانده برای گرمایش و آب گرم مصرف می شود. بویلرها مکان هایی هستند که در آن بخار ایجاد می شود. گرم کردن دیگ بخار و سرعت بخشیدن به توربین بخار زمان زیادی (ساعت ها) زمان می برد و این باعث از دست دادن مستقیم سوخت می شود. همین امر در مورد تغییرات بار نیز صدق می کند. شما باید برای این موارد از قبل برنامه ریزی کنید.
تجهیزات CHP دارای حداقل فنی هستند که شامل یک حالت عملکرد حداقل اما پایدار است که در آن امکان تأمین گرمای کافی برای منازل و مصرف کنندگان صنعتی وجود دارد. به طور معمول، مقدار مورد نیاز گرما به طور مستقیم به آب و هوا (دمای هوا) بستگی دارد.
هر واحد دارای یک منحنی بازده و یک نقطه حداکثر بازده عملیاتی است: در فلان بار، فلان دیگ و فلان توربین ارزان ترین برق را فراهم می کنند. ارزان - به معنای حداقل مصرف سوخت خاص.
اکثر نیروگاه های ترکیبی حرارت و برق ما در روسیه دارای اتصالات موازی هستند، زمانی که همه دیگ ها بر روی یک کلکتور بخار کار می کنند و همه توربین ها نیز توسط یک کلکتور تغذیه می شوند. این انعطاف پذیری را هنگام بارگیری تجهیزات افزایش می دهد، اما محاسبات را بسیار پیچیده می کند. همچنین اتفاق می افتد که تجهیزات ایستگاه به قطعاتی تقسیم می شوند که بر روی کلکتورهای مختلف با فشار بخار متفاوت کار می کنند. و اگر هزینه های نیازهای داخلی را اضافه کنید - کارکرد پمپ ها، فن ها، برج های خنک کننده و، صادقانه بگوییم، سوناها درست در خارج از حصار نیروگاه حرارتی - آنگاه پاهای شیطان می شکند.
مشخصات همه تجهیزات غیر خطی است. هر واحد دارای یک منحنی با مناطقی است که بازده بالاتر و کمتر است. این به بار بستگی دارد: در 70٪ راندمان یک خواهد بود، در 30٪ متفاوت خواهد بود.
تجهیزات در مشخصات متفاوت است. توربین ها و دیگ های جدید و قدیمی و واحدهایی با طرح های مختلف وجود دارد. با انتخاب صحیح تجهیزات و بارگیری بهینه آن در نقاطی با حداکثر کارایی، می توانید مصرف سوخت را کاهش دهید که منجر به صرفه جویی در هزینه یا حاشیه بیشتر می شود.
نیروگاه CHP از کجا می داند که برای تولید چه مقدار انرژی نیاز دارد؟
برنامه ریزی سه روز قبل انجام می شود: ظرف سه روز ترکیب برنامه ریزی شده تجهیزات مشخص می شود. اینها توربین ها و بویلرهایی هستند که روشن می شوند. به طور نسبی، می دانیم که پنج دیگ بخار و ده توربین امروز کار می کنند. ما نمی توانیم تجهیزات دیگر را روشن کنیم یا تجهیزات برنامه ریزی شده را خاموش کنیم، اما می توانیم بار هر دیگ را از حداقل به حداکثر تغییر دهیم و توان توربین ها را کم و زیاد کنیم. گام از حداکثر به حداقل از 15 تا 30 دقیقه بسته به قطعه تجهیزات است. کار در اینجا ساده است: حالت های بهینه را انتخاب کنید و آنها را با در نظر گرفتن تنظیمات عملیاتی حفظ کنید.
این ترکیب تجهیزات از کجا آمده است؟ بر اساس نتایج معاملات در بازار عمده فروشی تعیین شد. بازار برق و برق وجود دارد. در بازار ظرفیت، تولیدکنندگان درخواست ارسال می کنند: "تجهیزات فلان و فلان وجود دارد، اینها حداقل و حداکثر ظرفیت ها با در نظر گرفتن قطعی برنامه ریزی شده برای تعمیرات هستند. ما می توانیم 150 مگاوات با این قیمت، 200 مگاوات با این قیمت و 300 مگاوات با این قیمت تحویل دهیم. اینها برنامه های طولانی مدت هستند. از سوی دیگر، مصرف کنندگان بزرگ نیز درخواست هایی را ارسال می کنند: "ما به انرژی زیادی نیاز داریم." قیمت‌های خاص در تقاطع آنچه تولیدکنندگان انرژی می‌توانند ارائه کنند و مصرف‌کنندگان مایل به دریافت آن هستند، تعیین می‌شود. این ظرفیت ها برای هر ساعت از روز تعیین می شود.
به طور معمول، یک نیروگاه حرارتی تقریباً بار یکسانی را در تمام فصل حمل می کند: در زمستان محصول اولیه گرما و در تابستان برق است. انحرافات شدید اغلب با نوعی حادثه در خود ایستگاه یا نیروگاه های مجاور در همان منطقه قیمتی بازار عمده فروشی همراه است. اما همیشه نوساناتی وجود دارد و این نوسانات به شدت بر بازده اقتصادی کارخانه تاثیر می گذارد. توان مورد نیاز را می توان توسط سه دیگ با بار 50 درصد یا دو دیگ با بار 75 درصد گرفته و ببینید کدام کارایی بیشتری دارد.
حاشیه به قیمت بازار و هزینه تولید برق بستگی دارد. در بازار ممکن است قیمت ها به گونه ای باشد که سوخت سوزی سود داشته باشد، اما فروش برق خوب است. یا ممکن است در یک ساعت خاص باید به حداقل فنی بروید و ضرر را کاهش دهید. همچنین باید در مورد ذخایر و هزینه سوخت به خاطر داشته باشید: گاز طبیعی معمولاً محدود است و گاز بالاتر از حد مجاز به طور قابل توجهی گران تر است، نه به نفت کوره. همه اینها مستلزم مدل‌های دقیق ریاضی است تا بفهمیم کدام برنامه‌ها باید ارائه شوند و چگونه به شرایط متغیر پاسخ دهند.
چگونه قبل از رسیدن ما انجام شد
تقریباً بر روی کاغذ، بر اساس ویژگی های نه چندان دقیق تجهیزات، که تفاوت زیادی با موارد واقعی دارد. بلافاصله پس از آزمایش تجهیزات، در بهترین حالت، آنها به علاوه یا منفی 2٪ از واقعیت، و پس از یک سال - مثبت یا منفی 7-8٪ خواهند بود. آزمایش‌ها هر پنج سال یکبار انجام می‌شوند، اغلب کمتر.
نکته بعدی این است که تمام محاسبات در سوخت مرجع انجام می شود. در اتحاد جماهیر شوروی، زمانی که یک سوخت معمولی خاص برای مقایسه ایستگاه های مختلف با استفاده از نفت کوره، زغال سنگ، گاز، تولید هسته ای و غیره در نظر گرفته شد، طرحی به تصویب رسید. درک کارایی طوطی های هر ژنراتور ضروری بود و سوخت معمولی همان طوطی است. با ارزش حرارتی سوخت تعیین می شود: یک تن سوخت استاندارد تقریباً برابر با یک تن زغال سنگ است. جداول تبدیل برای انواع مختلف سوخت وجود دارد. به عنوان مثال، برای زغال سنگ قهوه ای شاخص ها تقریبا دو برابر بدتر هستند. اما محتوای کالری مربوط به روبل نیست. این مانند بنزین و گازوئیل است: این یک واقعیت نیست که اگر دیزل 35 روبل و 92 قیمت آن 32 روبل باشد، دیزل از نظر محتوای کالری کارآمدتر خواهد بود.
عامل سوم پیچیدگی محاسبات است. به طور متعارف، بر اساس تجربه کارمند، دو یا سه گزینه محاسبه می شود و اغلب بهترین حالت از تاریخ دوره های قبلی برای بارهای مشابه و شرایط آب و هوایی انتخاب می شود. طبیعتاً کارکنان معتقدند که بهینه ترین حالت ها را انتخاب می کنند و معتقدند که هیچ مدل ریاضی هرگز از آنها پیشی نخواهد گرفت.
ما داریم می آییم. برای حل مشکل، ما در حال آماده سازی یک دوقلو دیجیتال - یک مدل شبیه سازی ایستگاه هستیم. این زمانی است که با استفاده از رویکردهای خاص، تمام فرآیندهای تکنولوژیکی را برای هر قطعه از تجهیزات شبیه‌سازی می‌کنیم، تعادل بخار آب و انرژی را ترکیب می‌کنیم و مدل دقیقی از عملکرد نیروگاه حرارتی به دست می‌آوریم.
برای ایجاد مدل از:
- طراحی و مشخصات تجهیزات.
- ویژگی های بر اساس نتایج آخرین آزمایش های تجهیزات: ایستگاه هر پنج سال یک بار ویژگی های تجهیزات را آزمایش و اصلاح می کند.
- داده‌های موجود در آرشیو سیستم‌های کنترل فرآیند خودکار و سیستم‌های حسابداری برای همه شاخص‌های تکنولوژیکی موجود، هزینه‌ها و تولید گرما و برق. به طور خاص، داده های سیستم های اندازه گیری برای تامین گرما و برق، و همچنین از سیستم های مکانیک از راه دور.
- داده ها از نمودارهای نوار کاغذی و دایره ای. بله، چنین روش های آنالوگ برای ضبط پارامترهای عملیاتی تجهیزات هنوز در نیروگاه های روسیه استفاده می شود و ما آنها را دیجیتالی می کنیم.
- سیاهههای کاغذ در ایستگاههایی که پارامترهای اصلی حالتها به طور مداوم ثبت می شوند، از جمله مواردی که توسط سنسورهای سیستم کنترل فرآیند خودکار ثبت نمی شوند. مسئول خط هر چهار ساعت یکبار راه می‌رود، قرائت‌ها را بازنویسی می‌کند و همه چیز را در یک گزارش می‌نویسد.
به این معنا که ما مجموعه‌های داده‌ای را بازسازی کرده‌ایم که چه چیزی در چه حالتی کار می‌کرد، چه مقدار سوخت عرضه شد، چه دما و بخار مصرف شد و چه مقدار انرژی حرارتی و الکتریکی در خروجی به دست آمد. از هزاران چنین مجموعه ای، لازم بود ویژگی های هر گره جمع آوری شود. خوشبختانه ما مدت هاست که می توانیم این بازی داده کاوی را انجام دهیم.
توصیف چنین اشیاء پیچیده ای با استفاده از مدل های ریاضی بسیار دشوار است. و حتی دشوارتر است که به مهندس ارشد ثابت کنیم که مدل ما حالت های عملکرد ایستگاه را به درستی محاسبه می کند. بنابراین ما مسیر استفاده از سیستم های مهندسی تخصصی را در پیش گرفتیم که به ما امکان می دهد مدلی از یک نیروگاه حرارتی را بر اساس طراحی و ویژگی های فنی تجهیزات مونتاژ و رفع اشکال کنیم. ما نرم افزار Termoflow را از شرکت آمریکایی TermoFlex انتخاب کردیم. اکنون آنالوگ های روسی ظاهر شده اند ، اما در آن زمان این بسته خاص بهترین در کلاس خود بود.
برای هر واحد، طراحی و مشخصات فنی اصلی آن انتخاب می شود. این سیستم به شما این امکان را می دهد که همه چیز را با جزئیات کامل در سطوح منطقی و فیزیکی توصیف کنید، دقیقاً تا میزان رسوبات در لوله های مبدل حرارتی را نشان دهید.
در نتیجه، مدل مدار حرارتی ایستگاه به صورت بصری از نظر فن‌آوران انرژی توصیف می‌شود. فن‌آوران برنامه‌نویسی، ریاضیات و مدل‌سازی را نمی‌فهمند، اما می‌توانند طرح یک واحد، ورودی‌ها و خروجی‌های واحدها را انتخاب کرده و پارامترهایی را برای آنها مشخص کنند. سپس خود سیستم مناسب ترین پارامترها را انتخاب می کند و تکنسین آنها را به گونه ای اصلاح می کند که حداکثر دقت را برای کل محدوده حالت های عملیاتی به دست آورد. ما هدفی را برای خود تعیین کردیم - اطمینان از دقت مدل 2٪ برای پارامترهای اصلی تکنولوژیکی و به این نتیجه رسیدیم.
معلوم شد که انجام این کار چندان آسان نیست: داده های اولیه خیلی دقیق نبودند، بنابراین برای چند ماه اول در اطراف نیروگاه حرارتی قدم زدیم و به صورت دستی نشانگرهای فعلی را از فشارسنج ها خواندیم و مدل را روی دستگاه تنظیم کردیم. شرایط واقعی ابتدا مدل های توربین و دیگ را ساختیم. هر توربین و دیگ بررسی شد. برای آزمایش مدل، یک کارگروه ایجاد شد و نمایندگان نیروگاه حرارتی در آن گنجانده شدند.
سپس تمام تجهیزات را در یک طرح کلی جمع آوری کردیم و مدل CHP را به طور کلی تنظیم کردیم. من مجبور شدم کارهایی انجام دهم زیرا داده های متناقض زیادی در آرشیو وجود داشت. به عنوان مثال، ما حالت هایی با بازده کلی 105٪ پیدا کردیم.
هنگامی که یک مدار کامل را جمع آوری می کنید، سیستم همیشه حالت متعادل را در نظر می گیرد: تعادل مواد، الکتریکی و حرارتی جمع آوری می شود. بعد، ما ارزیابی می کنیم که چگونه همه چیز مونتاژ شده با پارامترهای واقعی حالت مطابق با شاخص های ابزار مطابقت دارد.
چی شد
در نتیجه، مدل دقیقی از فرآیندهای فنی نیروگاه حرارتی بر اساس مشخصات واقعی تجهیزات و داده های تاریخی دریافت کردیم. این باعث شد پیش‌بینی‌ها دقیق‌تر از ویژگی‌های آزمایشی به تنهایی باشند. نتیجه شبیه‌ساز فرآیندهای واقعی نیروگاه، دوقلو دیجیتالی یک نیروگاه حرارتی بود.
این شبیه ساز امکان تجزیه و تحلیل سناریوهای "چه می شود اگر ..." را بر اساس شاخص های داده شده امکان پذیر می کند. از این مدل برای حل مشکل بهینه سازی عملکرد یک ایستگاه واقعی نیز استفاده شد.
امکان اجرای چهار محاسبه بهینه سازی وجود داشت:
- مدیر شیفت ایستگاه برنامه تامین گرما را می‌داند، دستورات اپراتور سیستم مشخص است، و برنامه تامین برق مشخص است: کدام تجهیزات چه بارهایی را می‌پذیرد تا حداکثر حاشیه را به دست آورد.
- انتخاب ترکیب تجهیزات بر اساس پیش‌بینی قیمت بازار: برای یک تاریخ معین، با در نظر گرفتن برنامه بارگذاری و پیش‌بینی دمای هوای بیرون، ترکیب بهینه تجهیزات را تعیین می‌کنیم.
- ارسال درخواست در بازار از یک روز قبل: زمانی که ترکیب تجهیزات مشخص باشد و قیمت دقیق تری پیش بینی شود. ما محاسبه می کنیم و درخواست ارسال می کنیم.
- بازار تعادل در حال حاضر در روز جاری است، زمانی که برنامه های برق و حرارت ثابت است، اما چندین بار در روز، هر چهار ساعت، معاملات در بازار تعادل راه اندازی می شود و شما می توانید درخواست ارسال کنید: «از شما می خواهم اضافه کنید. 5 مگاوات به بار من.» ما باید سهم بارگیری یا تخلیه اضافی را زمانی که این حداکثر حاشیه را می دهد، پیدا کنیم.
تست
برای آزمایش صحیح، ما نیاز به مقایسه حالت‌های بارگذاری استاندارد تجهیزات ایستگاه با توصیه‌های محاسبه‌شده خود در شرایط یکسان داشتیم: ترکیب تجهیزات، برنامه‌های بارگذاری و آب و هوا. در طی چند ماه، فواصل چهار تا شش ساعته در روز را با یک برنامه ثابت انتخاب کردیم. آنها به ایستگاه آمدند (اغلب در شب)، منتظر ماندند تا ایستگاه به حالت عملیاتی برسد و تنها پس از آن آن را در مدل شبیه سازی محاسبه کردند. اگر ناظر شیفت ایستگاه از همه چیز راضی بود، پرسنل عملیاتی برای چرخاندن شیرها و تغییر حالت تجهیزات اعزام شدند.
شاخص های قبل و بعد بعد از واقعیت مقایسه شد. در زمان اوج مصرف، روز و شب، تعطیلات آخر هفته و روزهای هفته. در هر حالت، به صرفه جویی در مصرف سوخت رسیدیم (در این کار، حاشیه به مصرف سوخت بستگی دارد). سپس ما به طور کامل به رژیم های جدید روی آوردیم. باید گفت که ایستگاه به سرعت به اثربخشی توصیه های ما ایمان آورد و در پایان آزمایش ها به طور فزاینده ای متوجه شدیم که تجهیزات در حالت هایی که قبلاً محاسبه کرده بودیم کار می کنند.
نتیجه پروژه
تاسیسات: CHP با اتصالات متقاطع، 600 مگاوات برق، 2 Gcal توان حرارتی.
تیم: CROC - هفت نفر (کارشناسان فناوری، تحلیلگران، مهندسان)، CHPP - پنج نفر (کارشناسان تجاری، کاربران کلیدی، متخصصان).
مدت اجرا: 16 ماه.
نتایج:
- ما فرآیندهای تجاری حفظ رژیم ها و کار در بازار عمده فروشی را خودکار کردیم.
- آزمایش‌هایی در مقیاس کامل انجام شد که تأثیر اقتصادی را تأیید می‌کرد.
- به دلیل توزیع مجدد بارها در حین کار، 1,2٪ در سوخت صرفه جویی کردیم.
- به لطف برنامه ریزی کوتاه مدت تجهیزات، 1 درصد سوخت صرفه جویی کرد.
- ما محاسبه مراحل کاربرد در DAM را با توجه به معیار حداکثر کردن سود نهایی بهینه کردیم.
اثر نهایی حدود 4 درصد است.
دوره بازپرداخت تخمینی پروژه (ROI) 1-1,5 سال است.
البته برای اجرا و آزمایش همه اینها، مجبور شدیم بسیاری از فرآیندها را تغییر دهیم و هم با مدیریت نیروگاه حرارتی و هم با کل شرکت تولیدکننده همکاری نزدیک داشته باشیم. اما نتیجه قطعا ارزشش را داشت. امکان ایجاد یک دوقلوی دیجیتالی ایستگاه، توسعه روش های برنامه ریزی بهینه سازی و به دست آوردن یک اثر اقتصادی واقعی وجود داشت.
منبع: www.habr.com