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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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:
- 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.
- 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.
- Jelentkezés a piacon egy nappal korábban: amikor ismert a berendezés összetétele és pontosabb ár-előrejelzés. Kiszámoljuk és benyújtjuk a pályázatot.
- 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.
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.
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