Postoji velika termoelektrana. Radi kao i obično: sagorijeva plin, proizvodi toplinu za grijanje kuća i električnu energiju za opću mrežu. Prvi zadatak je grijanje. Drugi je da svu proizvedenu električnu energiju prodamo na veleprodajnom tržištu. Ponekad se i po hladnom vremenu pojavi snijeg pod vedrim nebom, no to je nuspojava rada rashladnih tornjeva.
Prosječna termoelektrana sastoji se od nekoliko desetaka turbina i kotlova. Ako su potrebne količine električne i toplinske energije točno poznate, tada se zadatak svodi na minimiziranje troškova goriva. U ovom slučaju, proračun se svodi na odabir sastava i postotka opterećenja turbina i kotlova kako bi se postigla najveća moguća učinkovitost rada opreme. Učinkovitost turbina i kotlova jako ovisi o vrsti opreme, vremenu rada bez popravaka, načinu rada i još mnogo toga. Postoji još jedan problem kada, s obzirom na poznate cijene električne energije i količine topline, morate odlučiti koliko električne energije proizvesti i prodati kako biste dobili maksimalnu dobit od rada na veleprodajnom tržištu. Tada je faktor optimizacije - profit i učinkovitost opreme - puno manje važan. Rezultat može biti situacija u kojoj oprema radi potpuno neučinkovito, ali se cjelokupna količina proizvedene električne energije može prodati uz maksimalnu maržu.
U teoriji je sve to odavno jasno i lijepo zvuči. Problem je kako to izvesti u praksi. Započeli smo simulacijsko modeliranje rada svakog dijela opreme i cijele stanice u cjelini. Došli smo u termoelektranu i počeli prikupljati parametre svih komponenti, mjeriti njihove stvarne karakteristike i ocjenjivati njihov rad u različitim režimima. Na temelju njih izradili smo precizne modele za simulaciju rada svakog dijela opreme i koristili ih za optimizacijske izračune. Gledajući unaprijed, reći ću da smo dobili oko 4% stvarne učinkovitosti jednostavno zahvaljujući matematici.
Dogodilo se. Ali prije nego što opišem naše odluke, govorit ću o tome kako CHP funkcionira sa stajališta logike odlučivanja.
Osnovne stvari
Glavni elementi elektrane su kotlovi i turbine. Turbine pokreće para pod visokim pritiskom, koja zauzvrat okreće električne generatore koji proizvode električnu energiju. Preostala energija pare koristi se za grijanje i toplu vodu. Kotlovi su mjesta gdje se stvara para. Za zagrijavanje kotla i ubrzanje parne turbine potrebno je dosta vremena (sati), a to je izravan gubitak goriva. Isto vrijedi i za promjene opterećenja. Ove stvari morate planirati unaprijed.
Kogeneracijska oprema ima tehnički minimum, koji uključuje minimalan, ali stabilan način rada, u kojem je moguće osigurati dovoljno topline za domove i industrijske potrošače. Tipično, potrebna količina topline izravno ovisi o vremenu (temperatura zraka).
Svaki agregat ima krivulju učinkovitosti i točku maksimalne radne učinkovitosti: pri takvom i takvom opterećenju takav i takav kotao i takva i takva turbina daju najjeftiniju električnu energiju. Jeftin - u smislu minimalne specifične potrošnje goriva.
Većina naših toplinskih i elektrana u Rusiji ima paralelne veze, kada svi kotlovi rade na jednom kolektoru pare i sve turbine također napaja jedan kolektor. To dodaje fleksibilnost pri utovaru opreme, ali uvelike komplicira izračune. Također se događa da je oprema stanice podijeljena na dijelove koji rade na različitim kolektorima s različitim tlakom pare. A ako se tome pridodaju i troškovi za unutarnje potrebe - rad pumpi, ventilatora, rashladnih tornjeva i, budimo iskreni, saune tik uz ogradu termoelektrane - onda će vragu noge polomiti.
Karakteristike sve opreme su nelinearne. Svaka jedinica ima krivulju sa zonama gdje je učinkovitost veća i manja. Ovisi o opterećenju: na 70% učinkovitost će biti jedna, na 30% će biti drugačija.
Oprema se razlikuje po karakteristikama. Postoje nove i stare turbine i kotlovi, a postoje i agregati različitih izvedbi. Ispravnim odabirom opreme i optimalnim opterećenjem u točkama maksimalne učinkovitosti, možete smanjiti potrošnju goriva, što dovodi do ušteda troškova ili većih marži.
Kako CHP postrojenje zna koliko energije treba proizvesti?
Planiranje se provodi tri dana unaprijed: unutar tri dana postaje poznat planirani sastav opreme. To su turbine i kotlovi koji će se uključiti. Relativno govoreći, znamo da će danas raditi pet kotlova i deset turbina. Ne možemo uključiti drugu opremu niti isključiti planiranu, ali možemo promijeniti opterećenje za svaki kotao od minimalnog do maksimalnog, te povećati i smanjiti snagu za turbine. Korak od maksimuma do minimuma je od 15 do 30 minuta, ovisno o dijelu opreme. Zadatak je ovdje jednostavan: odaberite optimalne načine rada i održavajte ih, uzimajući u obzir operativne prilagodbe.
Odakle ovakav sastav opreme? Utvrđeno je to na temelju rezultata trgovanja na veletržnici. Postoji tržište struje i električne energije. Na tržištu kapaciteta proizvođači podnose zahtjev: “Postoji takva i takva oprema, to su minimalni i maksimalni kapaciteti, uzimajući u obzir planirano isključenje radi popravaka. Možemo isporučiti 150 MW po ovoj cijeni, 200 MW po ovoj cijeni i 300 MW po ovoj cijeni.” Ovo su dugotrajne primjene. S druge strane, veliki potrošači također šalju zahtjeve: “Trebamo toliko energije.” Konkretne cijene se određuju na raskrižju onoga što proizvođači energije mogu pružiti i onoga što su potrošači spremni uzeti. Ti se kapaciteti određuju za svaki sat u danu.
Tipično, termoelektrana nosi približno isto opterećenje tijekom cijele sezone: zimi je primarni proizvod toplinska energija, a ljeti električna energija. Jaka odstupanja najčešće su povezana s nekom vrstom havarije na samoj postaji ili susjednim elektranama u istoj cjenovnoj zoni veletržnice. Ali uvijek postoje fluktuacije, a te fluktuacije uvelike utječu na ekonomsku učinkovitost postrojenja. Potrebnu snagu mogu uzeti tri kotla s opterećenjem od 50% ili dva s opterećenjem od 75% i vidite koji je učinkovitiji.
Marginalnost ovisi o tržišnim cijenama i troškovima proizvodnje električne energije. Na tržištu su cijene možda takve da je isplativo sagorijevati gorivo, ali je dobro prodavati struju. Ili se može dogoditi da u određenom satu morate ići na tehnički minimum i smanjiti gubitke. Također morate imati na umu rezerve i cijenu goriva: prirodni plin je obično ograničen, a plin iznad granice je osjetno skuplji, da ne spominjemo loživo ulje. Sve to zahtijeva precizne matematičke modele da bi se razumjelo koje prijave podnijeti i kako odgovoriti na promjenjive okolnosti.
Kako se to radilo prije nego što smo mi stigli
Gotovo na papiru, na temelju ne baš preciznih karakteristika opreme, koje se uvelike razlikuju od stvarnih. Odmah nakon testiranja opreme, u najboljem slučaju, oni će biti plus ili minus 2% činjenice, a nakon godinu dana - plus ili minus 7-8%. Ispitivanja se provode svakih pet godina, često rjeđe.
Sljedeća točka je da se svi proračuni provode u referentnom gorivu. U SSSR-u je usvojena shema kada se razmatralo određeno konvencionalno gorivo za usporedbu različitih stanica koje koriste loživo ulje, ugljen, plin, nuklearnu proizvodnju i tako dalje. Bilo je potrebno razumjeti učinkovitost u papigama svakog generatora, a konvencionalno gorivo je upravo to papiga. Određuje se kaloričnom vrijednošću goriva: jedna tona standardnog goriva približno je jednaka jednoj toni ugljena. Postoje tablice pretvorbe za različite vrste goriva. Na primjer, za smeđi ugljen pokazatelji su gotovo dvostruko lošiji. Ali sadržaj kalorija nije vezan za rublje. To je poput benzina i dizela: nije činjenica da ako dizel košta 35 rubalja, a 92 košta 32 rublje, tada će dizel biti učinkovitiji u smislu sadržaja kalorija.
Treći faktor je složenost izračuna. Uobičajeno, na temelju iskustva zaposlenika, izračunavaju se dvije ili tri opcije, a češće se odabire najbolji način iz povijesti prethodnih razdoblja za slična opterećenja i vremenske uvjete. Naravno, zaposlenici vjeruju da biraju najoptimalnije modove i vjeruju da ih nijedan matematički model nikada neće nadmašiti.
Dolazimo. Kako bismo riješili problem, pripremamo digitalnog blizanca - simulacijski model postaje. To je kada posebnim pristupima simuliramo sve tehnološke procese za svaki dio opreme, objedinjujemo paro-vodnu i energetsku bilancu i dobivamo točan model rada termoelektrane.
Za izradu modela koristimo:
- Dizajn i specifikacije opreme.
- Karakteristike temeljene na rezultatima najnovijih testova opreme: svakih pet godina stanica testira i usavršava karakteristike opreme.
- Podaci u arhivi automatiziranih sustava upravljanja procesima i obračunskih sustava za sve raspoložive tehnološke pokazatelje, troškove i proizvodnju toplinske i električne energije. Konkretno, podaci iz mjernih sustava za opskrbu toplinskom i električnom energijom, kao i iz telemehaničkih sustava.
- Podaci s papirnatih traka i kružnih grafikona. Da, takve analogne metode snimanja parametara rada opreme još uvijek se koriste u ruskim elektranama, a mi ih digitaliziramo.
- Papirnati dnevnici na stanicama gdje se stalno bilježe glavni parametri načina rada, uključujući i one koje ne bilježe senzori automatiziranog sustava upravljanja procesom. Redar obilazi svaka četiri sata, prepisuje očitanja i sve zapisuje u dnevnik.
Odnosno, rekonstruirali smo skupove podataka o tome što je u kojem režimu radilo, koliko je goriva dovedeno, kolika je bila temperatura i potrošnja pare te koliko je toplinske i električne energije dobiveno na izlazu. Iz tisuća takvih skupova bilo je potrebno prikupiti karakteristike svakog čvora. Srećom, već dugo možemo igrati ovu igru Data Mining.
Opisivanje tako složenih objekata pomoću matematičkih modela iznimno je teško. A još je teže dokazati glavnom inženjeru da naš model ispravno izračunava načine rada stanice. Stoga smo krenuli putem korištenja specijaliziranih inženjerskih sustava koji nam omogućuju sastavljanje i uklanjanje pogrešaka modela termoelektrane na temelju dizajna i tehnoloških karakteristika opreme. Odabrali smo Termoflow softver američke tvrtke TermoFlex. Sada su se pojavili ruski analozi, ali u to je vrijeme ovaj paket bio najbolji u svojoj klasi.
Za svaku jedinicu odabire se njezin dizajn i glavne tehnološke karakteristike. Sustav vam omogućuje da sve opišete vrlo detaljno i na logičkoj i na fizičkoj razini, sve do indikacije stupnja naslaga u cijevima izmjenjivača topline.
Kao rezultat toga, model toplinskog kruga stanice je vizualno opisan u smislu energetskih tehnologa. Tehnolozi se ne razumiju u programiranje, matematiku i modeliranje, ali mogu odabrati dizajn jedinice, ulaze i izlaze jedinica i odrediti parametre za njih. Zatim sustav sam odabire najprikladnije parametre, a tehnolog ih dorađuje kako bi se postigla maksimalna točnost za cijeli raspon načina rada. Postavili smo si cilj - osigurati točnost modela od 2% za glavne tehnološke parametre i to postigli.
Pokazalo se da to nije tako lako izvesti: početni podaci nisu bili baš točni, pa smo prvih nekoliko mjeseci hodali po termoelektrani i ručno očitavali trenutne pokazatelje s tlakomjera i podešavali model na stvarnim uvjetima. Prvo smo izradili modele turbina i kotlova. Svaka turbina i kotao su verificirani. Za testiranje modela formirana je radna skupina u koju su uključeni i predstavnici termoelektrane.
Zatim smo sastavili svu opremu u opću shemu i ugodili CHP model u cjelini. Morao sam malo poraditi jer je u arhivama bilo dosta kontradiktornih podataka. Na primjer, pronašli smo načine rada s ukupnom učinkovitošću od 105%.
Kada sastavite kompletan strujni krug, sustav uvijek uzima u obzir uravnoteženi način: sastavljaju se materijalna, električna i toplinska bilanca. Zatim procjenjujemo koliko sve sastavljeno odgovara stvarnim parametrima načina rada prema pokazateljima s instrumenata.
Što se dogodilo
Kao rezultat, dobili smo točan model tehničkih procesa termoelektrane, temeljen na stvarnim karakteristikama opreme i povijesnim podacima. To je omogućilo da predviđanja budu točnija nego temeljena samo na karakteristikama testa. Rezultat je simulator stvarnih procesa postrojenja, digitalni blizanac termoelektrane.
Ovaj simulator omogućio je analizu scenarija “što ako...” na temelju zadanih pokazatelja. Ovaj model je korišten i za rješavanje problema optimizacije rada stvarne stanice.
Bilo je moguće implementirati četiri optimizacijska izračuna:
- Voditelj smjene postaje zna raspored opskrbe toplinom, poznate su naredbe operatera sustava i poznat je raspored opskrbe električnom energijom: koja će oprema preuzeti koja opterećenja kako bi se postigle maksimalne marže.
- Odabir sastava opreme na temelju prognoze tržišne cijene: za određeni datum, uzimajući u obzir raspored opterećenja i prognozu vanjske temperature zraka, određujemo optimalan sastav opreme.
- Podnošenje prijava na tržište dan unaprijed: kada se zna sastav opreme i postoji točnija prognoza cijena. Izračunavamo i predajemo zahtjev.
- Tržište uravnoteženja je već unutar tekućeg dana, kada su električni i toplinski rasporedi fiksni, ali nekoliko puta dnevno, svaka četiri sata, pokreće se trgovanje na tržištu uravnoteženja, a možete podnijeti zahtjev: „Molim Vas da dodate 5 MW na moje opterećenje.” Moramo pronaći udjele dodatnog utovara ili istovara kada to daje maksimalnu maržu.
test
Za ispravno testiranje morali smo usporediti standardne načine opterećenja opreme stanice s našim izračunatim preporukama pod istim uvjetima: sastav opreme, raspored opterećenja i vrijeme. Tijekom nekoliko mjeseci birali smo intervale od četiri do šest sati u danu sa stabilnim rasporedom. Dolazili su na stanicu (često noću), čekali da stanica dođe u pogonski mod i tek onda to izračunavali u simulacijskom modelu. Ako je nadzornik smjene stanice bio zadovoljan sa svime, tada je operativno osoblje poslano da okrene ventile i promijeni načine rada opreme.
Pokazatelji prije i poslije uspoređeni su naknadno. Tijekom vršnih sati, danju i noću, vikendom i radnim danom. U svakom smo modu ostvarili uštedu goriva (u ovom zadatku marža ovisi o potrošnji goriva). Tada smo potpuno prešli na nove režime. Mora se reći da je postaja brzo povjerovala u učinkovitost naših preporuka, a prema kraju testova sve smo više primjećivali da oprema radi u načinima koje smo prethodno izračunali.
Ishod projekta
Objekt: kogeneracija s križnim vezama, 600 MW električne snage, 2 Gcal toplinske snage.
Tim: CROC - sedam osoba (tehnološki stručnjaci, analitičari, inženjeri), CHPP - pet osoba (poslovni stručnjaci, ključni korisnici, stručnjaci).
Razdoblje provedbe: 16 mjeseci.
Rezultati:
- Automatizirali smo poslovne procese održavanja režima i rada na veletržnici.
- Provedena potpuna ispitivanja koja potvrđuju ekonomski učinak.
- Zbog preraspodjele opterećenja tijekom rada uštedjeli smo 1,2% goriva.
- Ušteđeno 1% goriva zahvaljujući kratkoročnom planiranju opreme.
- Optimizirali smo izračun faza aplikacija na DAM-u prema kriteriju maksimiziranja granične dobiti.
Konačni učinak je oko 4%.
Procijenjeno razdoblje povrata projekta (ROI) je 1–1,5 godina.
Naravno, da bismo sve to implementirali i testirali, morali smo promijeniti mnoge procese i usko surađivati kako s upravom termoelektrane tako i s proizvodnom tvrtkom u cjelini. Ali rezultat je definitivno bio vrijedan toga. Bilo je moguće stvoriti digitalnog blizanca postaje, razviti postupke planiranja optimizacije i postići pravi ekonomski učinak.
Izvor: www.habr.com