Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Van egy nagy hőerőmű. A szokásos módon működik: gázt éget, hőt termel a házak fűtéséhez és áramot az általános hálózathoz. Az első feladat a fűtés. A második az összes megtermelt villamos energia értékesítése a nagykereskedelmi piacon. Néha hideg időben, derült égbolt mellett is megjelenik a hó, de ez a hűtőtornyok működésének mellékhatása.

Az átlagos hőerőmű pár tucat turbinából és kazánból áll. Ha pontosan ismerjük a szükséges villamosenergia- és hőtermelési mennyiségeket, akkor a feladat az üzemanyagköltségek minimalizálása. Ebben az esetben a számítás a turbinák és kazánok összetételének és terhelési százalékának megválasztására irányul, hogy a berendezések működésének lehető legmagasabb hatékonyságát érjék el. A turbinák és kazánok hatásfoka erősen függ a berendezés típusától, a javítás nélküli üzemidőtől, az üzemmódtól és még sok mindentől. Van egy másik probléma, amikor az ismert villamosenergia-árak és hőmennyiségek ismeretében el kell döntenie, hogy mennyi villamos energiát termeljen és adjon el annak érdekében, hogy a nagykereskedelmi piacon való munkavégzésből a lehető legnagyobb haszonra tegyen szert. Ekkor az optimalizálási tényező - a profit és a berendezés hatékonysága - sokkal kevésbé fontos. Az eredmény egy olyan helyzet lehet, amikor a berendezés teljesen hatástalanul működik, de a megtermelt villamos energia teljes mennyisége maximális árréssel értékesíthető.

Elméletileg mindez már régóta világos és gyönyörűen hangzik. A probléma az, hogyan kell ezt a gyakorlatban megtenni. Elkezdtük az egyes berendezések és a teljes állomás működésének szimulációs modellezését. Megérkeztünk a hőerőműhöz, és elkezdtük összeszedni az összes alkatrész paramétereit, megmérni valós jellemzőit és kiértékelni a működésüket különböző üzemmódokban. Ezek alapján pontos modelleket készítettünk az egyes berendezések működésének szimulálására, és ezeket felhasználtuk optimalizálási számításokhoz. A jövőre nézve azt mondom, hogy a valós hatékonyság körülbelül 4%-át értük el egyszerűen a matematikának köszönhetően.

Megtörtént. Mielőtt azonban ismertetném döntéseinket, szólok a CHP működéséről a döntési logika szempontjából.

Alapvető dolgok

Az erőmű fő elemei a kazánok és a turbinák. A turbinákat nagynyomású gőz hajtja, ami viszont elektromos generátorokat forgat, amelyek elektromosságot termelnek. A maradék gőzenergiát fűtésre és melegvíz előállítására használják fel. A kazánok olyan helyek, ahol gőz keletkezik. A kazán felfűtése és a gőzturbina felgyorsítása sok időt (órákat) vesz igénybe, ez pedig közvetlen tüzelőanyag-veszteség. Ugyanez vonatkozik a terhelés változtatására is. Ezeket a dolgokat előre meg kell tervezni.

A CHP berendezéseknek van egy műszaki minimuma, amely magában foglal egy minimális, de stabil működési módot, amelyben lehetséges a lakások és az ipari fogyasztók megfelelő hőellátása. Jellemzően a szükséges hőmennyiség közvetlenül függ az időjárástól (a levegő hőmérsékletétől).

Minden blokknak van egy hatásfok görbéje és egy maximális üzemi hatásfok pontja: ilyen-olyan terhelés mellett ilyen-olyan kazán és ilyen és ilyen turbina adja a legolcsóbb áramot. Olcsó - a minimális fajlagos üzemanyag-fogyasztás értelmében.

A legtöbb oroszországi kapcsolt hő- és erőművünk párhuzamos csatlakozással rendelkezik, amikor minden kazán egy gőzgyűjtőn működik, és minden turbinát is egy kollektor lát el. Ez növeli a rugalmasságot a berendezések betöltésekor, de nagyban megnehezíti a számításokat. Az is előfordul, hogy az állomás berendezéseit részekre osztják, amelyek különböző gőznyomású kollektorokon működnek. És ha hozzávesszük a belső szükségletek költségeit - a szivattyúk, ventilátorok, hűtőtornyok üzemeltetése, és legyünk őszinték, a szaunák közvetlenül a hőerőmű kerítésén kívül -, akkor megtörik az ördög lába.

Az összes berendezés jellemzői nemlineárisak. Minden egységnek van egy görbéje olyan zónákkal, ahol a hatékonyság magasabb és alacsonyabb. Ez a terheléstől függ: 70%-nál egy lesz a hatásfok, 30%-nál más.

A berendezés jellemzőiben különbözik. Vannak új és régi turbinák és kazánok, és vannak különböző kivitelű egységek. A berendezések helyes kiválasztásával és optimális, maximális hatékonyságú terhelésével csökkentheti az üzemanyag-fogyasztást, ami költségmegtakarításhoz vagy nagyobb haszonkulcshoz vezet.

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Honnan tudja a CHP erőmű, hogy mennyi energiát kell termelnie?

A tervezés három nappal előre történik: három napon belül ismertté válik a berendezés tervezett összetétele. Ezeket a turbinákat és kazánokat fogják bekapcsolni. Viszonylagosan úgy tudjuk, hogy ma öt kazán és tíz turbina fog üzemelni. Más berendezést nem tudunk bekapcsolni, illetve a tervezettet kikapcsolni, de az egyes kazánok terhelését minimálisról maximumra változtathatjuk, turbinák teljesítményét növelhetjük és csökkenthetjük. A maximumtól a minimumig terjedő lépés a berendezéstől függően 15-30 perc. A feladat itt egyszerű: válassza ki az optimális üzemmódokat és tartsa karban azokat, figyelembe véve a működési beállításokat.

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Honnan származik ez a berendezés-összetétel? A nagykereskedelmi piacon folytatott kereskedés eredményei alapján határozták meg. Van piac a kapacitásnak és a villamos energiának. A kapacitáspiacon a gyártók adnak be kérelmet: „Van ilyen és olyan berendezés, ezek a minimális és maximális kapacitások, figyelembe véve a javításra tervezett leállást. Ezen az áron 150 MW-ot, ezen az áron 200 MW-ot, ezen az áron 300 MW-ot tudunk szállítani.” Ezek hosszú távú alkalmazások. Másrészt a nagyfogyasztók is kérelmet nyújtanak be: „Annyi energiára van szükségünk.” A konkrét árakat annak metszéspontjában határozzák meg, hogy az energiatermelők mit tudnak biztosítani, és mit hajlandók felvenni a fogyasztók. Ezeket a kapacitásokat a nap minden órájában határozzák meg.

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

A hőerőmű jellemzően az egész szezonban megközelítőleg azonos terhelést hordoz: télen a hő, nyáron pedig a villamos energia az elsődleges termék. Az erős eltérések leggyakrabban magán az állomáson vagy a szomszédos erőműveken, a nagykereskedelmi piac azonos árzónájában bekövetkezett balesetekkel járnak. De mindig vannak ingadozások, és ezek az ingadozások nagyban befolyásolják az üzem gazdasági hatékonyságát. A szükséges teljesítményt három 50%-os terhelésű kazán vagy kettő 75%-os terheléssel tudja felvenni, és nézze meg, melyik a hatékonyabb.

A marginalitás a piaci áraktól és a villamosenergia-termelés költségétől függ. A piacon az árak olyanok lehetnek, hogy kifizetődő tüzelőanyagot égetni, de jó áramot eladni. Vagy előfordulhat, hogy egy adott órában a technikai minimumra kell mennie, és csökkentenie kell a veszteségeket. Emlékeztetni kell az üzemanyag készletére és költségére is: a földgáz általában korlátozott, a határérték feletti gáz pedig érezhetően drágább, a fűtőolajról nem is beszélve. Mindehhez pontos matematikai modellekre van szükség ahhoz, hogy megértsük, mely pályázatokat kell benyújtani, és hogyan reagáljunk a változó körülményekre.

Hogyan csinálták, mielőtt megérkeztünk

Szinte papíron, a berendezések nem túl pontos jellemzői alapján, amelyek jelentősen eltérnek a ténylegestől. Közvetlenül a berendezés tesztelése után a legjobb esetben a tény plusz-mínusz 2% -a, egy év múlva pedig plusz-mínusz 7-8%. A vizsgálatokat ötévente végzik el, gyakran ritkábban.

A következő pont az, hogy minden számítást referencia-tüzelőanyaggal kell elvégezni. A Szovjetunióban egy sémát fogadtak el, amikor egy bizonyos hagyományos tüzelőanyagot úgy tekintettek, hogy összehasonlítsák a különböző fűtőolajat, szenet, gázt, nukleáris termelést stb. használó állomásokat. Meg kellett érteni az egyes generátorok papagájainak hatékonyságát, és a hagyományos üzemanyag az a papagáj. A tüzelőanyag fűtőértéke határozza meg: egy tonna normál üzemanyag megközelítőleg egy tonna szénnel egyenlő. Vannak átváltási táblázatok a különböző típusú üzemanyagokhoz. Például a barnaszén esetében a mutatók majdnem kétszer olyan rosszak. De a kalóriatartalom nem kapcsolódik a rubelhez. Ez olyan, mint a benzin és a gázolaj: nem tény, hogy ha a gázolaj 35 rubel, a 92 pedig 32 rubel, akkor a gázolaj kalóriatartalmát tekintve hatékonyabb lesz.

A harmadik tényező a számítások összetettsége. Hagyományosan a munkavállaló tapasztalata alapján két vagy három lehetőséget számolnak ki, és gyakrabban választják ki a legjobb módot az előző időszakok történetéből hasonló terhelésekhez és időjárási viszonyokhoz. Az alkalmazottak természetesen azt hiszik, hogy a legoptimálisabb módokat választják, és azt hiszik, hogy egyetlen matematikai modell sem fogja felülmúlni őket.

Jövünk. A probléma megoldására egy digitális ikertestet készítünk - az állomás szimulációs modelljét. Ekkor speciális megközelítésekkel minden egyes berendezésnél szimulálunk minden technológiai folyamatot, kombináljuk a gőz-víz és az energia mérleget, és pontos modellt kapunk a hőerőmű működéséről.

Az általunk használt modell elkészítéséhez:

  • A berendezés kialakítása és specifikációi.
  • Jellemzők a legújabb berendezéstesztek eredményei alapján: az állomás ötévente teszteli, finomítja a berendezések jellemzőit.
  • Adatok az automatizált folyamatirányító rendszerek és számviteli rendszerek archívumában az összes elérhető technológiai mutatóra, költségre, valamint hő- és villamosenergia-termelésre vonatkozóan. Különösen a hő- és villamosenergia-ellátás mérőrendszereiből, valamint a telemechanikai rendszerekből származó adatok.
  • Adatok papírcsíkból és kördiagramokból. Igen, az orosz erőművekben továbbra is alkalmaznak ilyen analóg módszereket a berendezések működési paramétereinek rögzítésére, és ezeket digitalizáljuk.
  • Papírnaplók azokon az állomásokon, ahol folyamatosan rögzítik az üzemmódok fő paramétereit, beleértve azokat is, amelyeket az automatizált folyamatirányító rendszer érzékelői nem rögzítenek. A vonalvezető négyóránként körbejár, átírja a leolvasott adatokat, és mindent naplóba ír.

Azaz adatsorokat rekonstruáltunk arról, hogy mi milyen üzemmódban működött, mennyi üzemanyagot adtak be, mennyi volt a hőmérséklet és a gőzfogyasztás, valamint mennyi hő- és elektromos energia nyert a kimeneten. Több ezer ilyen halmazból kellett összegyűjteni az egyes csomópontok jellemzőit. Szerencsére már régóta játszhatunk ezzel az adatbányászati ​​játékkal.

Az ilyen összetett objektumok matematikai modellekkel történő leírása rendkívül nehéz. És még nehezebb bebizonyítani a főmérnöknek, hogy modellünk helyesen számítja ki az állomás működési módjait. Ezért olyan speciális mérnöki rendszerek használatának útját választottuk, amelyek lehetővé teszik a hőerőmű modelljének összeállítását és hibakeresését a berendezés tervezési és technológiai jellemzői alapján. Az amerikai TermoFlex cég Termoflow szoftverét választottuk. Most megjelentek az orosz analógok, de akkoriban ez a csomag volt a legjobb az osztályában.

Minden egységhez kiválasztják annak kialakítását és fő technológiai jellemzőit. A rendszer lehetővé teszi, hogy mindent nagyon részletesen leírjon mind logikai, mind fizikai szinten, egészen a hőcserélő csövek lerakódási fokának jelzéséig.

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Ennek eredményeként az állomás termikus áramkörének modelljét az energiatechnológusok vizuálisan írják le. A technológusok nem értenek a programozáshoz, a matematikához és a modellezéshez, de meg tudják választani az egységek tervezését, az egységek be- és kimeneteit, paramétereket adhatnak meg. Ezután a rendszer maga választja ki a legmegfelelőbb paramétereket, és a technológus finomítja azokat, hogy az üzemmódok teljes tartományában maximális pontosságot érjen el. Célul tűztük ki magunknak, hogy a fő technológiai paramétereknél 2%-os modellpontosságot biztosítsunk és ezt elértük.

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Kiderült, hogy ezt nem volt olyan egyszerű megtenni: a kezdeti adatok nem voltak túl pontosak, így az első pár hónapban körbejártuk a hőerőművet, és manuálisan leolvastuk a nyomásmérők aktuális mutatóit, és a modellt a tényleges körülmények. Először turbinák és kazánok modelljeit készítettük el. Minden turbinát és kazánt ellenőriztek. A modell tesztelésére munkacsoportot hoztak létre, amelybe bevonták a hőerőmű képviselőit.

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Ezután az összes berendezést egy általános sémába állítottuk össze, és a CHP modell egészét hangoltuk. Dolgoznom kellett, mert sok egymásnak ellentmondó adat volt a levéltárban. Például olyan módokat találtunk, amelyek összhatékonysága 105%.

Egy komplett áramkör összeállításakor a rendszer mindig a kiegyensúlyozott üzemmódot veszi figyelembe: anyag-, elektromos és hőmérlegeket állítanak össze. Ezután értékeljük, hogy az összeszerelt összesség hogyan felel meg az üzemmód tényleges paramétereinek a műszerek mutatói alapján.

Mi történt

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Ennek eredményeként pontos modellt kaptunk a hőerőmű műszaki folyamatairól, a berendezések aktuális jellemzői és történeti adatok alapján. Ez lehetővé tette, hogy az előrejelzések pontosabbak legyenek, mint a teszt jellemzői alapján. Az eredmény egy valódi üzemi folyamatok szimulátora, egy hőerőmű digitális ikertestvére.

Ez a szimulátor lehetővé tette a „mi lenne, ha...” forgatókönyvek elemzését adott indikátorok alapján. Ezt a modellt használták egy valós állomás működésének optimalizálásának problémájának megoldására is.

Négy optimalizálási számítást lehetett végrehajtani:

  1. Az állomási műszakvezető ismeri a hőellátási ütemtervet, ismertek a rendszerirányítói parancsok, és ismert a villamosenergia-ellátás ütemezése: melyik berendezés milyen terhelést vesz fel, hogy maximális tartalékot kapjon.
  2. A berendezések összetételének kiválasztása a piaci ár előrejelzés alapján: adott időpontra a terhelési ütemterv és a külső levegő hőmérséklet előrejelzés figyelembevételével meghatározzuk a berendezés optimális összetételét.
  3. Jelentkezés a piacon egy nappal korábban: amikor ismert a berendezés összetétele és pontosabb ár-előrejelzés. Kiszámoljuk és benyújtjuk a pályázatot.
  4. A kiegyenlítő piac már az aktuális napon belül van, amikor az elektromos és termikus menetrendek rögzítve vannak, de naponta többször, négyóránként indul kereskedés a kiegyenlítő piacon, és lehet kérelmet benyújtani: „Kérlek, hogy egészítsd ki 5 MW a terhelésemre.” Meg kell találnunk a pótlólagos be- vagy kirakodás arányait, amikor ez adja a maximális árrést.

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

teszt

A helyes tesztelés érdekében össze kellett hasonlítanunk az állomás berendezéseinek szabványos terhelési módjait a kiszámított ajánlásainkkal azonos feltételek mellett: berendezésösszetétel, terhelési ütemezés és időjárás. Pár hónap leforgása alatt a nap négy-hat órás intervallumait választottuk, stabil időbeosztással. Kijöttek az állomásra (gyakran éjszaka), megvárták, hogy az állomás üzemi módba kerüljön, és csak ezután számolták ki a szimulációs modellben. Ha az állomás műszakvezetője mindennel elégedett volt, akkor a kezelőszemélyzetet kiküldték a szelepek forgatására és a berendezés üzemmódok megváltoztatására.

Valódi hőerőmű működésének szimulációja az üzemmódok optimalizálására: gőz és matematika

Az előtte és utána mutatókat utólag összehasonlították. Csúcsidőben, nappal és éjszaka, hétvégén és hétköznap. Mindegyik üzemmódban üzemanyag-megtakarítást értünk el (ebben a feladatban az árrés az üzemanyag-fogyasztástól függ). Aztán teljesen új rezsimre váltottunk. El kell mondanunk, hogy az állomás hamar hitt ajánlásaink hatékonyságában, és a tesztek vége felé egyre inkább azt vettük észre, hogy a berendezés az általunk korábban kalkulált üzemmódokban működik.

Projekt eredménye

Létesítmény: CHP keresztkötésekkel, 600 MW elektromos teljesítmény, 2 Gcal hőteljesítmény.

Csapat: CROC - hét fő (technológiai szakértők, elemzők, mérnökök), CHPP - öt fő (üzleti szakértők, kulcsfelhasználók, szakemberek).
Megvalósítási időszak: 16 hónap.

Eredmények:

  • Automatizáltuk a rezsimek fenntartásának és a nagykereskedelmi piacon való munkavégzés üzleti folyamatait.
  • Teljes körű vizsgálatokat végeztek a gazdasági hatás megerősítésére.
  • Az üzem közbeni terhelések újraelosztása miatt 1,2%-ot takarítottunk meg az üzemanyagon.
  • A rövid távú berendezéstervezésnek köszönhetően 1% üzemanyagot takarított meg.
  • A DAM-on történő alkalmazások szakaszainak számítását a határnyereség maximalizálásának kritériuma szerint optimalizáltuk.

A végső hatás körülbelül 4%.

A projekt becsült megtérülési ideje (ROI) 1-1,5 év.

Természetesen mindezek megvalósításához és teszteléséhez számos folyamaton kellett változtatni, és szorosan együtt kellett működnünk mind a hőerőmű vezetésével, mind a termelő cég egészével. De az eredmény határozottan megérte. Lehetőség volt az állomás digitális ikertestvérének létrehozására, optimalizálási tervezési eljárások kidolgozására és valódi gazdasági hatás elérésére.

Forrás: will.com

Hozzászólás