Siellä on suuri lämpövoimalaitos. Se toimii normaalisti: polttaa kaasua, tuottaa lämpöä talojen lämmitykseen ja sähköä yleisverkkoon. Ensimmäinen tehtävä on lämmitys. Toinen on myydä kaikki tuotettu sähkö tukkumarkkinoilla. Joskus lunta tulee myös kylmällä säällä kirkkaalla taivaalla, mutta tämä on jäähdytystornien toiminnan sivuvaikutus.
Keskimääräinen lämpövoimalaitos koostuu paristakymmenestä turbiinista ja kattilasta. Jos tarvittavat sähkön ja lämmöntuotannon määrät tiedetään tarkasti, niin tehtävänä on polttoainekustannusten minimoiminen. Tässä tapauksessa laskenta perustuu turbiinien ja kattiloiden koostumuksen ja kuormitusprosentin valintaan, jotta saavutetaan laitteiden toiminnan suurin mahdollinen hyötysuhde. Turbiinien ja kattiloiden hyötysuhde riippuu voimakkaasti laitetyypistä, käyttöajasta ilman korjauksia, käyttötavasta ja paljon muuta. Toinen ongelma on, kun tunnetut sähkön hinnat ja lämmön määrät huomioon ottaen on päätettävä, kuinka paljon sähköä tuotetaan ja myydään, jotta tukkumarkkinoilla toimimisesta saadaan mahdollisimman suuri hyöty. Tällöin optimointitekijä - voitto ja laitteiden tehokkuus - on paljon vähemmän tärkeä. Seurauksena voi olla tilanne, jossa laitteet toimivat täysin tehottomasti, mutta koko tuotettu sähkömäärä voidaan myydä maksimimarginaalilla.
Teoriassa kaikki tämä on ollut selkeää jo pitkään ja kuulostaa kauniilta. Ongelmana on, miten tämä tehdään käytännössä. Aloitimme kunkin laitteiston ja koko aseman toiminnan simulointimallinnuksen. Tulimme lämpövoimalaitokselle ja aloimme keräämään kaikkien komponenttien parametreja, mittaamaan niiden todellisia ominaisuuksia ja arvioimaan niiden toimintaa eri tiloissa. Niiden perusteella loimme tarkkoja malleja kunkin laitteen toiminnan simuloimiseksi ja käytimme niitä optimointilaskelmissa. Tulevaisuudessa sanon, että saimme noin 4 % todellisesta tehokkuudesta yksinkertaisesti matematiikan ansiosta.
Tapahtui. Mutta ennen kuin kuvailemme päätöksiämme, puhun CHP:n toiminnasta päätöksentekologiikan näkökulmasta.
Perusasiat
Voimalaitoksen pääelementtejä ovat kattilat ja turbiinit. Turbiineja käytetään korkeapaineisella höyryllä, joka puolestaan pyörittää sähkögeneraattoreita, jotka tuottavat sähköä. Jäljelle jäävä höyryenergia käytetään lämmitykseen ja kuumaan veteen. Kattilat ovat paikkoja, joissa muodostuu höyryä. Kattilan lämmittämiseen ja höyryturbiinin kiihdyttämiseen kuluu paljon aikaa (tunteja), ja tämä on suora polttoaineen menetys. Sama koskee kuorman muutoksia. Sinun on suunniteltava nämä asiat etukäteen.
CHP-laitteilla on tekninen minimi, joka sisältää minimin, mutta vakaan käyttötavan, jossa on mahdollista tuottaa riittävästi lämpöä kotitalouksille ja teollisuuskuluttajille. Yleensä tarvittava lämpömäärä riippuu suoraan säästä (ilman lämpötilasta).
Jokaisella yksiköllä on hyötysuhdekäyrä ja maksimaalisen käyttöhyötysuhteen piste: sellaisella ja sellaisella kuormituksella halvinta sähköä tuottaa sellainen ja sellainen kattila ja sellainen turbiini. Halpa - minimaalisen ominaiskulutuksen mielessä.
Suurin osa Venäjän sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksistamme on rinnakkaisliitännöissä, jolloin kaikki kattilat toimivat yhdellä höyrynkerääjällä ja kaikki turbiinit saavat myös virran yhdellä keräimellä. Tämä lisää joustavuutta laitteiden lastauksessa, mutta vaikeuttaa laskelmia huomattavasti. Asemalaitteisto on myös jaettu osiin, jotka toimivat eri keräilijöillä eri höyrynpaineilla. Ja jos siihen lisätään kustannukset sisäisiin tarpeisiin - pumppujen, puhaltimien, jäähdytystornien ja olkaamme rehellisesti sanottuna saunat aivan lämpövoimalaitoksen aidan ulkopuolella - niin paholaisen jalat katkeavat.
Kaikkien laitteiden ominaisuudet ovat epälineaarisia. Jokaisessa yksikössä on käyrä vyöhykkeillä, joilla tehokkuus on korkeampi ja pienempi. Se riippuu kuormituksesta: 70 prosentilla hyötysuhde on yksi, 30 prosentilla se on erilainen.
Laitteet eroavat ominaisuuksiltaan. Siellä on uusia ja vanhoja turbiineja ja kattiloita, ja on erikokoisia yksiköitä. Valitsemalla laitteet oikein ja lataamalla ne optimaalisesti maksimaalisen hyötysuhteen kohdissa, voit vähentää polttoaineen kulutusta, mikä johtaa kustannussäästöihin tai suurempiin katteisiin.
Mistä CHP-laitos tietää, kuinka paljon energiaa se tarvitsee tuottaa?
Suunnittelu toteutetaan kolme päivää etukäteen: kolmen päivän sisällä laitteiston suunniteltu koostumus selviää. Nämä ovat turbiinit ja kattilat, jotka käynnistetään. Suhteellisesti sanottuna tiedämme, että viisi kattilaa ja kymmenen turbiinia toimivat tänään. Emme voi kytkeä päälle muita laitteita tai sammuttaa suunniteltua, mutta voimme muuttaa kunkin kattilan kuormitusta minimistä maksimiin ja lisätä ja vähentää turbiinien tehoa. Vaihe maksimista minimiin on 15 - 30 minuuttia varusteesta riippuen. Tehtävä tässä on yksinkertainen: valitse optimaaliset tilat ja ylläpidä niitä ottaen huomioon toiminnalliset säädöt.
Mistä tämä laitekoostumus on peräisin? Se määritettiin tukkumarkkinoiden kaupankäynnin tulosten perusteella. Kapasiteetille ja sähkölle on markkinat. Kapasiteettimarkkinoilla valmistajat jättävät hakemuksen: ”Laitteita on sellaisia ja sellaisia, nämä ovat minimi- ja enimmäiskapasiteetit, kun otetaan huomioon suunniteltu korjausseisokki. Voimme toimittaa 150 MW tällä hinnalla, 200 MW tällä hinnalla ja 300 MW tällä hinnalla. Nämä ovat pitkäaikaisia sovelluksia. Toisaalta myös suuret kuluttajat esittävät pyyntöjä: "Tarvitsemme niin paljon energiaa." Tarkat hinnat määräytyvät sen risteyksessä, mitä energiantuottajat voivat tarjota ja mitä kuluttajat ovat valmiita ottamaan vastaan. Nämä kapasiteetit määritetään jokaiselle vuorokauden tunnille.
Lämpövoimalaitoksella on tyypillisesti suunnilleen sama kuorma koko kauden: talvella päätuotteena on lämpöä ja kesällä sähköä. Voimakkaat poikkeamat liittyvät useimmiten jonkinlaiseen onnettomuuteen itse asemalla tai viereisillä voimalaitoksilla samalla tukkumarkkinoiden hintavyöhykkeellä. Mutta vaihtelua on aina, ja nämä vaihtelut vaikuttavat suuresti laitoksen taloudelliseen tehokkuuteen. Tarvittavan tehon voi ottaa kolme kattilaa kuormalla 50% tai kaksi kattilaa kuormalla 75% ja katsoa kumpi on tehokkaampi.
Marginaalisuus riippuu markkinahinnoista ja sähkön tuotantokustannuksista. Markkinoilla hinnat voivat olla sellaisia, että polttoainetta kannattaa polttaa, mutta sähköä kannattaa myydä. Tai voi olla, että tietyllä hetkellä sinun on mentävä tekniseen minimiin ja leikattava tappioita. Myös polttoainevarastot ja hinta on muistettava: maakaasua on yleensä rajoitetusti, ja rajan yläpuolella oleva kaasu on huomattavasti kalliimpaa, polttoöljystä puhumattakaan. Kaikki tämä vaatii tarkkoja matemaattisia malleja, jotta ymmärretään, mitkä hakemukset tulee jättää ja miten vastata muuttuviin olosuhteisiin.
Kuinka se tehtiin ennen saapumistamme
Melkein paperilla, perustuen laitteiden ei kovin tarkkoihin ominaisuuksiin, jotka eroavat suuresti todellisista. Välittömästi laitteiden testauksen jälkeen ne ovat parhaimmillaan plus tai miinus 2% tosiasiasta ja vuoden kuluttua - plus tai miinus 7-8%. Testejä tehdään viiden vuoden välein, usein harvemmin.
Seuraava kohta on, että kaikki laskelmat suoritetaan vertailupolttoaineella. Neuvostoliitossa otettiin käyttöön järjestelmä, jossa tietyn tavanomaisen polttoaineen katsottiin vertailla eri asemia käyttämällä polttoöljyä, hiiltä, kaasua, ydinvoimaa ja niin edelleen. Oli tarpeen ymmärtää kunkin generaattorin papukaijojen tehokkuus, ja tavanomainen polttoaine on juuri se papukaija. Se määräytyy polttoaineen lämpöarvon mukaan: yksi tonni vakiopolttoainetta vastaa suunnilleen yhtä tonnia hiiltä. Eri polttoainetyypeille on muunnostaulukoita. Esimerkiksi ruskohiilen indikaattorit ovat lähes kaksi kertaa huonommat. Mutta kaloripitoisuus ei liity rupliin. Se on kuin bensiini ja diesel: ei ole tosiasia, että jos diesel maksaa 35 ruplaa ja 92 maksaa 32 ruplaa, niin diesel on kaloripitoisuuden suhteen tehokkaampaa.
Kolmas tekijä on laskelmien monimutkaisuus. Perinteisesti työntekijän kokemuksen perusteella lasketaan kaksi tai kolme vaihtoehtoa, ja useammin valitaan aikaisempien kausien historiasta paras tila samanlaisille kuormille ja sääolosuhteille. Luonnollisesti työntekijät uskovat valitsevansa optimaaliset tilat ja uskovat, että mikään matemaattinen malli ei koskaan ohita heitä.
Olemme tulossa. Ongelman ratkaisemiseksi valmistelemme digitaalista kaksosta - aseman simulaatiomallia. Tällöin simuloimme erityisillä lähestymistavoilla kaikkia teknisiä prosesseja jokaiselle laitteelle, yhdistämme höyry-vesi- ja energiataseet ja saamme tarkan mallin lämpövoimalaitoksen toiminnasta.
Käytämme mallin luomiseen:
- Laitteen suunnittelu ja tekniset tiedot.
- Ominaisuudet viimeisimpien laitetestien tulosten perusteella: viiden vuoden välein asema testaa ja jalostaa laitteiden ominaisuuksia.
- Automaattisten prosessinohjausjärjestelmien ja laskentajärjestelmien arkistossa olevat tiedot kaikista saatavilla olevista teknologisista indikaattoreista, kustannuksista sekä lämmön ja sähkön tuotannosta. Erityisesti tiedot lämmön- ja sähkönjakelun mittausjärjestelmistä sekä telemekaniikkajärjestelmistä.
- Tiedot paperikaistaleista ja ympyräkaavioista. Kyllä, tällaisia analogisia menetelmiä laitteiden toimintaparametrien tallentamiseen käytetään edelleen Venäjän voimalaitoksilla ja digitalisoimme niitä.
- Paperilokit asemilla, joissa tilojen pääparametrit tallennetaan jatkuvasti, mukaan lukien ne, joita automaattisen prosessinohjausjärjestelmän anturit eivät tallenna. Linjamies kävelee neljän tunnin välein, kirjoittaa lukemat uudelleen ja kirjoittaa kaiken lokiin.
Toisin sanoen olemme rekonstruoineet tietojoukkoja siitä, mikä toimi missä tilassa, kuinka paljon polttoainetta syötettiin, mikä oli lämpötila ja höyrynkulutus sekä kuinka paljon lämpö- ja sähköenergiaa saatiin lähdöstä. Tuhansista tällaisista sarjoista oli tarpeen kerätä kunkin solmun ominaisuudet. Onneksi olemme voineet pelata tätä Data Mining -peliä pitkään.
Tällaisten monimutkaisten objektien kuvaaminen matemaattisten mallien avulla on erittäin vaikeaa. Ja vielä vaikeampaa on todistaa pääinsinöörille, että mallimme laskee oikein aseman toimintatilat. Siksi valitsimme tien käyttää erikoistuneita suunnittelujärjestelmiä, joiden avulla voimme koota ja korjata lämpövoimalaitoksen mallin laitteiden suunnittelun ja teknisten ominaisuuksien perusteella. Valitsimme Termoflow-ohjelmiston amerikkalaiselta TermoFlexiltä. Nyt on ilmestynyt venäläisiä analogeja, mutta tuolloin tämä paketti oli luokkansa paras.
Jokaiselle yksikölle valitaan sen suunnittelu ja tärkeimmät tekniset ominaisuudet. Järjestelmän avulla voit kuvata kaiken erittäin yksityiskohtaisesti sekä loogisella että fyysisellä tasolla aina lämmönvaihdinputkien kerrostuman osoittamiseen asti.
Seurauksena on, että aseman lämpöpiirin malli kuvataan visuaalisesti energiateknikon näkökulmasta. Teknologit eivät ymmärrä ohjelmointia, matematiikkaa ja mallintamista, mutta he voivat valita yksikön suunnittelun, yksiköiden tulot ja lähdöt sekä määrittää niille parametrit. Sitten järjestelmä itse valitsee sopivimmat parametrit, ja tekniikan asiantuntija tarkentaa ne maksimaalisen tarkkuuden saavuttamiseksi koko toimintatilojen alueella. Asetimme itsellemme tavoitteen - varmistaa 2%:n mallin tarkkuus tärkeimmille teknisille parametreille ja saavutimme tämän.
Tämä ei osoittautunutkaan niin helpoksi: alkutiedot eivät olleet kovin tarkkoja, joten pari ensimmäistä kuukautta kiertelimme lämpövoimalaitoksella ja luimme manuaalisesti painemittareista virtaosoittimet ja viritimme mallia todelliset olosuhteet. Ensin teimme malleja turbiineista ja kattiloista. Jokainen turbiini ja kattila tarkastettiin. Mallin testaamiseksi perustettiin työryhmä, johon otettiin mukaan lämpövoimalaitoksen edustajat.
Sitten kokosimme kaikki laitteet yleiseen kaavioon ja viritsimme CHP-mallin kokonaisuutena. Jouduin tekemään töitä, koska arkistoissa oli paljon ristiriitaista tietoa. Löysimme esimerkiksi tiloja, joiden kokonaishyötysuhde on 105 %.
Kun kokoat koko piirin, järjestelmä ottaa aina huomioon tasapainotetun tilan: materiaali-, sähkö- ja lämpötaseet kootaan. Seuraavaksi arvioimme, kuinka kaikki koottu vastaa tilan todellisia parametreja instrumenttien indikaattoreiden mukaan.
Mitä tapahtui
Tuloksena saimme tarkan mallin lämpövoimalaitoksen teknisistä prosesseista, joka perustuu laitteiden todellisiin ominaisuuksiin ja historiallisiin tietoihin. Tämä mahdollisti ennusteiden olevan tarkempia kuin pelkkien testiominaisuuksien perusteella. Tuloksena on todellisten laitosprosessien simulaattori, lämpövoimalaitoksen digitaalinen kaksoiskappale.
Tämä simulaattori mahdollisti "mitä jos..." -skenaarioiden analysoinnin annettujen indikaattoreiden perusteella. Tätä mallia käytettiin myös oikean aseman toiminnan optimointiongelman ratkaisemiseen.
Oli mahdollista toteuttaa neljä optimointilaskelmaa:
- Aseman vuoropäällikkö tietää lämmönjakeluaikataulun, verkonhaltijan käskyt ovat tiedossa ja sähkönsyöttöaikataulu tiedetään: mitkä laitteet ottavat mitäkin kuormia saadakseen maksimimarginaalit.
- Laitteiston koostumuksen valinta markkinahintaennusteen perusteella: tietylle päivälle, kuormitusaikataulun ja ulkoilman lämpötilaennusteen perusteella, määritämme laitteiston optimaalisen koostumuksen.
- Hakemusten jättäminen markkinoille päivää etukäteen: kun laitteiston koostumus on tiedossa ja tarkempi hintaennuste. Laskemme ja lähetämme hakemuksen.
- Tasemarkkinat ovat jo kuluvan päivän sisällä, jolloin sähkö- ja lämpöaikataulut ovat kiinteät, mutta useita kertoja päivässä, neljän tunnin välein käynnistetään kaupankäynti tasausmarkkinoilla ja voit jättää hakemuksen: ”Pyydän sinua lisäämään 5 MW kuormaani." Meidän on löydettävä lisälastaus- tai purkuosuudet, kun tämä antaa suurimman marginaalin.
testi
Oikeaa testausta varten meidän täytyi verrata asemalaitteiden vakiokuormitustiloja laskettuihin suosituksiimme samoissa olosuhteissa: laitekoostumus, kuormitusaikataulut ja sää. Valitsimme parin kuukauden aikana neljän-kuuden tunnin välit vuorokaudesta vakaalla aikataululla. He tulivat asemalle (usein yöllä), odottivat aseman saavuttavan toimintatilan ja vasta sitten laskivat sen simulaatiomallissa. Jos aseman vuoropäällikkö oli tyytyväinen kaikkeen, lähetettiin käyttöhenkilöstö kääntämään venttiileitä ja vaihtamaan laitetiloja.
Ennen ja jälkeen -indikaattoreita verrattiin jälkikäteen. Ruuhka-aikoina, päivällä ja yöllä, viikonloppuisin ja arkisin. Jokaisessa tilassa saavutimme säästöjä polttoaineessa (tässä tehtävässä marginaali riippuu polttoaineen kulutuksesta). Sitten siirryimme kokonaan uusiin järjestelmiin. On sanottava, että asema uskoi nopeasti suosituksemme tehokkuuteen ja testien loppua kohden huomasimme yhä useammin, että laitteet toimivat aiemmin laskemissamme toimintatiloissa.
Hankkeen tulos
Toimisto: CHP ristikytkennöillä, 600 MW sähkötehoa, 2 Gcal lämpötehoa.
Tiimi: CROC - seitsemän henkilöä (teknologian asiantuntijat, analyytikot, insinöörit), CHPP - viisi henkilöä (liiketoiminnan asiantuntijat, avainkäyttäjät, asiantuntijat).
Toteutusaika: 16 kuukautta.
tulokset:
- Automatisoimme järjestelmien ylläpidon ja tukkumarkkinoilla työskentelyn liiketoimintaprosessit.
- Tehtiin täysimittaisia testejä, jotka vahvistivat taloudellisen vaikutuksen.
- Säästämme 1,2 % polttoainetta johtuen kuormien uudelleenjaosta käytön aikana.
- Polttoainesäästö 1 % lyhytaikaisen laitesuunnittelun ansiosta.
- Optimoimme DAM:n sovellusten vaiheiden laskennan rajavoiton maksimointikriteerin mukaan.
Lopullinen vaikutus on noin 4 %.
Hankkeen arvioitu takaisinmaksuaika (ROI) on 1–1,5 vuotta.
Tämän kaiken toteuttamiseksi ja testaamiseksi meidän piti tietysti muuttaa monia prosesseja ja tehdä tiivistä yhteistyötä sekä lämpövoimalaitoksen johdon että koko tuotantoyhtiön kanssa. Mutta tulos oli ehdottomasti sen arvoinen. Asemasta oli mahdollista luoda digitaalinen kaksoiskappale, kehittää optimoinnin suunnittelumenettelyjä ja saada todellinen taloudellinen vaikutus.
Lähde: will.com