Modellazione del funzionamento di una vera centrale termoelettrica per ottimizzare i regimi: vapore e matematica

C'è una grande centrale termoelettrica. Funziona come al solito: brucia gas, produce calore per riscaldare le abitazioni ed elettricità per la rete generale. Il primo obiettivo è il riscaldamento. Il secondo è vendere tutta l'elettricità prodotta sul mercato all'ingrosso. A volte, però, quando fa freddo sotto un cielo sereno, compare anche la neve, ma questo è un effetto collaterale del funzionamento delle torri di raffreddamento.

Una centrale termoelettrica media è costituita da una coppia di decine di turbine e caldaie. Se si conoscono esattamente i volumi necessari di produzione di energia elettrica e calore, il compito si riduce alla minimizzazione dei costi di combustibile. In questo caso, il calcolo si concentra sulla scelta della composizione e della percentuale di carico delle turbine e delle caldaie per ottenere il massimo rendimento energetico. Il rendimento delle turbine e delle caldaie dipende fortemente dal tipo di attrezzatura, dal tempo di funzionamento senza riparazioni, dalle modalità operative e da molti altri fattori. C'è anche un'altra fase in cui, conoscendo i prezzi dell'elettricità e i volumi di calore, occorre decidere quanta energia elettrica produrre e vendere per massimizzare il profitto nel mercato all'ingrosso. In tal caso, il fattore di ottimizzazione — il profitto e l'efficienza dell'impianto — hanno un'importanza molto minore. Il risultato può essere un regime in cui l'impianto opera in modo assolutamente inefficiente, ma l'intero volume di energia elettrica prodotta può essere venduto con il massimo margine di profitto.

In teoria, tutto questo è già chiaro e suona bene. Il problema è come realizzarlo nella pratica. Abbiamo iniziato la simulazione del funzionamento di ogni singolo pezzo di attrezzatura e dell'intera stazione nel suo complesso. Siamo andati alla centrale elettrica e abbiamo iniziato a raccogliere i parametri di tutti i nodi, misurando le loro reali caratteristiche e valutando il funzionamento in diversi modi. Sulla base di questi abbiamo creato modelli accurati per simulare il funzionamento di ciascun pezzo di attrezzatura e li abbiamo utilizzati per calcoli di ottimizzazione. Anticipando, dirò che abbiamo guadagnato circa il 4% di efficienza reale semplicemente grazie alla matematica.

Ce l'abbiamo fatta. Ma prima di descrivere le nostre soluzioni, parlerò di come funziona una centrale termoelettrica dal punto di vista della logica decisionale.

Cose di base

Gli elementi principali di una centrale elettrica sono le caldaie e le turbine. Le turbine vengono azionate da vapore ad alta pressione, facendo girare a loro volta i generatori elettrici, i quali producono energia elettrica. I residui di energia del vapore vengono utilizzati per il riscaldamento e l'acqua calda. Le caldaie sono i luoghi in cui si produce vapore. Il riscaldamento della caldaia e l'accelerazione della turbina a vapore richiedono molto tempo (ore), comportando così perdite dirette di combustibile. Lo stesso vale per la variazione del carico. È necessario pianificare queste operazioni in anticipo.

Le apparecchiature di una centrale termoelettrica hanno un minimo tecnico, che include una modalità operativa minima, ma stabile, che consente di fornire una quantità sufficiente di calore alle abitazioni e agli utenti industriali. Di solito, la quantità necessaria di calore dipende direttamente dalle condizioni atmosferiche (temperature dell'aria).

Ogni unità ha una curva di rendimento e un punto di massima efficienza operativa: a un determinato carico, una certa caldaia e una certa turbina offrono energia elettrica al minor costo possibile. Economica — nel senso di avere il minor consumo specifico di combustibile.

La maggior parte delle centrali termiche in Russia funzionano con collegamenti paralleli, dove tutte le caldaie operano su un unico collettore di vapore e tutte le turbine sono alimentate dallo stesso collettore. Questo offre maggiore flessibilità nel caricamento dell'attrezzatura, ma complica molto i calcoli. A volte, l'attrezzatura della stazione è suddivisa in parti che operano su collettori diversi con pressioni di vapore differenti. E se aggiungiamo le spese per i consumi interni — come il funzionamento di pompe, ventilatori, torri di raffreddamento e, diciamolo, saune proprio oltre la recinzione della centrale — allora è davvero difficile fare i conti.

Le caratteristiche di tutte le attrezzature sono non lineari. Ogni unità ha una curva con zone in cui l'efficienza è più alta o più bassa. Questo dipende dal carico: al 70% l'efficienza sarà una, al 30% un'altra.

Le attrezzature variano nelle loro caratteristiche. Ci sono turbine e caldaie nuove e vecchie, e unità di diverse costruzioni. Scegliendo correttamente l'attrezzatura e caricandola in modo ottimale nei punti di massimo rendimento, si può ridurre il consumo di combustibile, il che porta a risparmi sui costi o a una maggiore marginalità.

Come fa la centrale a sapere quanta energia deve produrre?

La pianificazione avviene con tre giorni di anticipo: il piano per l'attrezzatura prevista è noto tre giorni prima. Queste sono le turbine e le caldaie che saranno in funzione. In linea di massima, sappiamo che oggi saranno operativi cinque caldaie e dieci turbine. Non possiamo attivare altre attrezzature o disattivare quelle programmate, ma possiamo modificare il carico di ciascuna caldaia da un minimo a un massimo, mentre per le turbine possiamo aumentare e diminuire la potenza. Il passaggio dal massimo al minimo richiede da 15 a 30 minuti a seconda dell'unità di attrezzatura. Qui il compito è semplice: scegliere le modalità ottimali e mantenerle considerando le correzioni operative.

Da dove proviene questa configurazione dell'attrezzatura? Si è determinato in base ai risultati delle contrattazioni sul mercato all'ingrosso. Esistono il mercato della capacità e quello dell'energia elettrica. Nel mercato della capacità, i produttori presentano una richiesta: "Abbiamo questo tipo di attrezzatura, ecco le capacità minima e massima tenendo conto della manutenzione programmata. Possiamo fornire 150 MW a questo prezzo, 200 MW a quest'altro prezzo, e 300 MW a un prezzo diverso". Si tratta di richieste a lungo termine. Dall'altra parte, anche i grandi consumatori presentano richieste: "Abbiamo bisogno di tale quantità di energia". I prezzi specifici vengono determinati nel momento in cui si incontra ciò che i produttori di energia possono offrire e ciò che i consumatori vogliono ricevere. Queste capacità sono fissate per ogni ora della giornata.

In genere, le centrale termiche operano con un carico abbastanza costante durante tutta la stagione: in inverno il prodotto principale è il calore, mentre in estate è l'elettricità. Forti fluttuazioni sono spesso causate da incidenti nella centrale stessa o in impianti elettrici adiacenti nella stessa zona dei prezzi del mercato all'ingrosso. Tuttavia, ci sono sempre delle oscillazioni e queste influenzano notevolmente l'efficienza economica dell'operazione della centrale. La potenza necessaria può essere raggiunta con tre caldaie caricate al 50% o due caricate al 75%, e bisogna osservare quale di queste opzioni sia più efficace.

La marginalità dipende dai prezzi di mercato e dai costi di produzione dell'elettricità. Sul mercato, i prezzi possono collocarsi in un modo tale che sia vantaggioso consumare il combustibile, ma vendere l'elettricità può risultare altrettanto lucroso. In certi momenti, invece, si potrebbe dover ridurre al minimo tecnico per limitare le perdite. È anche importante tenere in considerazione le scorte e il costo dei combustibili: il gas naturale, ad esempio, è spesso limitato, mentre il gas oltre il limite è significativamente più costoso, senza contare il prezzo del petrolio. Tutto ciò richiede modelli matematici precisi per comprendere quali richieste inviare e come reagire alle circostanze in evoluzione.

Come si faceva prima del nostro arrivo

Praticamente su carta con caratteristiche dell'attrezzatura non molto precise, che possono discostarsi notevolmente dalla realtà. Subito dopo i test dell'attrezzatura, nel migliore dei casi, ci sarà una variazione del più o meno 2% rispetto ai dati reali e già dopo un anno questa può arrivare fino al più o meno 7-8%. I test, in realtà, vengono eseguiti ogni cinque anni, spesso meno.

Il punto successivo è che tutti i calcoli vengono effettuati in combustibile convenzionale. In URSS è stata adottata una scheda in cui si considerava un certo combustibile convenzionale per confrontare diverse stazioni che utilizzano mazuto, carbone, gas, generazione atomica e così via. Era necessario capire l'efficienza in 'unità' di ogni generatore, e il combustibile convenzionale rappresenta quella 'unità'. Viene stabilita attraverso il potere calorifico del combustibile: una tonnellata di combustibile convenzionale corrisponde a circa una tonnellata di carbone. Esistono tabelle di conversione per diversi tipi di combustibili. Ad esempio, per il carbone lignitico i valori sono quasi due volte peggiori. Ma il potere calorifico non è legato ai rubli. È come benzina e diesel: non è detto che se il diesel costa 35 rubli e la benzina 92 costa 32 rubli, allora per potere calorifico il diesel sarà più efficiente.

Il terzo fattore è la complessità dei calcoli. In linea di massima, sulla base dell'esperienza del personale, vengono calcolate due o tre opzioni, ma più spesso viene scelto il miglior regime dalla storia dei periodi precedenti per carichi simili e condizioni meteorologiche. Naturalmente, i dipendenti credono di scegliere i regimi più ottimali e pensano che nessun modello matematico possa mai superarli.

Arriviamo noi. Per risolvere il problema, prepariamo un gemello digitale — un modello di simulazione della centrale. Questo significa che, attraverso approcci specializzati, imitiamo tutti i processi tecnologici per ciascun pezzo di attrezzatura, calcoliamo i bilanci di vapore e energia e otteniamo un modello preciso di funzionamento della centrale elettrica.

Per creare il modello utilizziamo:

• La costruzione e le specifiche tecniche dell'attrezzatura.
• Le caratteristiche basate sui risultati delle ultime prove dell'attrezzatura: ogni cinque anni la centrale sottopone a test e aggiorna le caratteristiche dell'attrezzatura.
• I dati negli archivi dei sistemi di automazione e controllo tecnico, coprono tutti i parametri tecnologici disponibili, i costi e la produzione di calore ed energia elettrica. In particolare, i dati provengono dai sistemi di misurazione della fornitura di calore ed energia elettrica, così come dai sistemi di telemeccanica.
• Dati da diagrammi cartacei a nastro e circolari. Sì, tali metodi analogici di registrazione dei parametri operativi degli impianti sono ancora utilizzati nelle centrali elettriche russe, e noi li stiamo digitalizzando.
• Diari cartacei nelle centrali, dove vengono registrati continuamente i principali parametri operativi, inclusi quelli non rilevati dai sensori del sistema di automazione e controllo tecnico. Un addetto effettua un giro ogni quattro ore, annotando le letture e registrando tutto nel diario.

Quindi abbiamo set di dati ripristinati riguardo a come ha funzionato ogni unità, quanto combustibile è stato fornito, quali erano la temperatura e il consumo di vapore, e quanta energia termica ed elettrica è stata prodotta all'uscita. Da migliaia di questi set, è stato necessario raccogliere le caratteristiche di ciascuna unità. Fortunatamente, sappiamo già come giocare a questo Data Mining da tempo.

Descrivere oggetti così complessi con modelli matematici è estremamente difficile. E ancor più difficile è dimostrare al capo ingegnere che il nostro modello calcola correttamente le modalità operative della centrale. Per questo motivo, abbiamo scelto di utilizzare complessi ingegneristici specializzati che consentono di assemblare e ottimizzare il modello della centrale termica sulla base delle caratteristiche costruttive e tecnologiche delle attrezzature. Abbiamo scelto il software Termoflow della compagnia americana TermoFlex. All'epoca, questo pacchetto era il migliore nella sua categoria, anche se ora sono disponibili equivalenti russi.

Per ogni unità vengono selezionate le sue caratteristiche costruttive e tecnologiche principali. Il sistema consente di descrivere tutto in modo molto dettagliato, sia a livello logico che fisico, fino a specificare il grado di deposito nei tubi degli scambiatore di calore.

Alla fine, il modello del diagramma termico della stazione è descritto visivamente in termini di tecnici energetici. I tecnici non sono esperti di programmazione, matematica e modellazione, ma possono scegliere la configurazione del nodo, gli ingressi e le uscite degli aggregati e specificare i parametri ad essi. Successivamente, il sistema seleziona automaticamente i parametri più appropriati, mentre il tecnico li affina per massimizzare la precisione su tutto il range di modalità operative. Ci siamo posti l'obiettivo di garantire una precisione del modello del 2% per i principali parametri tecnologici e ci siamo riusciti.

Realizzare ciò si è rivelato più complicato del previsto: i dati di partenza non erano molto precisi, quindi nei primi mesi abbiamo visitato le centrali termoelettriche e manualmente annotato le letture attuali dai manometri, ottimizzando il modello per le modalità effettive. Inizialmente abbiamo creato i modelli delle turbine e delle caldaie. Ogni turbina e caldaia è stata calibrata. Per verificare il modello, abbiamo costituito un gruppo di lavoro includendo rappresentanti delle centrali termoelettriche.

Successivamente abbiamo assemblato tutta l'attrezzatura in uno schema complessivo e abbiamo ottimizzato il modello della centrale termica nel suo insieme. È stato necessario lavorare, poiché c'erano molte informazioni contraddittorie negli archivi. Ad esempio, abbiamo trovato modalità con un'efficienza complessiva del 105%.

Quando si compone un schema completo, il sistema calcola sempre la modalità bilanciata: si redigono i bilanci materiali, elettrici e termici. Successivamente, valutiamo come tutto assemblato corrisponda ai parametri reali della modalità in base ai dati degli strumenti.

Cosa abbiamo ottenuto

Di conseguenza abbiamo ottenuto un modello preciso dei processi tecnici della centrale termica, basato sulle caratteristiche reali delle attrezzature e sui dati storici. Ciò ha permesso di fare previsioni più accurate rispetto a quelle basate solo sulle caratteristiche dei test. È stato creato un simulatore dei processi reali della centrale, un gemello digitale della centrale termica.

In questo simulatore abbiamo implementato la possibilità di effettuare analisi su scenari 'cosa succede se...' in base ai parametri specificati. Inoltre, questo modello è stato utilizzato per risolvere il problema dell'ottimizzazione dell'operatività della centrale reale.

Siamo riusciti a realizzare quattro calcoli di ottimizzazione:

1. Il responsabile del turno della stazione conosce il programma di disponibilità del calore, sono noti i team dell'operatore di sistema, è conosciuto il programma di disponibilità dell'elettricità: quali carichi portare con quale attrezzatura per ottenere la massima marginalità.
2. Selezione dell'attrezzatura in base alla previsione dei prezzi di mercato: per una data specificata, tenendo conto del programma di carico e della previsione della temperatura esterna, definiamo la composizione ottimale dell'attrezzatura.
3. Invio di offerte sul mercato un giorno prima: quando è disponibile la composizione dell'attrezzatura e c'è una previsione dei prezzi più accurata. Calcoliamo e inviamo l'offerta.
4. Il mercato bilanciante — all'interno degli attuali 24 ore, quando sono fissati i programmi elettrici e termici, ma più volte al giorno, ogni quattro ore, le aste del mercato bilanciante vengono avviate, e si può inviare un'offerta: «Chiedo di aumentare di 5 MW». È necessario trovare le frazioni di carico o scarico quando ciò offre il massimo margine.

Sperimentazioni

Per condurre test accurati, era necessario confrontare i regimi di carico standard dell'attrezzatura della stazione con le nostre raccomandazioni di calcolo in condizioni uniformi: tipologia di attrezzatura, schemi di carico e meteo. Per alcuni mesi abbiamo scelto intervalli di quattro–sei ore durante il giorno con un programma stabile. Siamo andati alla stazione (spesso di notte), abbiamo aspettato che la stazione raggiungesse il regime, e solo allora lo abbiamo calcolato nel modello di simulazione. Se al responsabile del turno della stazione andava bene, inviavamo il personale operativo a manovrare le valvole e cambiare i regimi dell'attrezzatura.

Abbiamo confrontato i parametri prima e dopo in base ai dati reali. Durante i picchi, giorno e notte, nei fine settimana e nei giorni lavorativi. In ogni regime abbiamo ottenuto risparmi sul carburante (in questo compito, il margine dipende dal consumo di carburante). Poi siamo passati completamente ai nuovi regimi. Va detto che alla stazione hanno rapidamente creduto nell'efficacia delle nostre raccomandazioni, e verso la fine dei test iniziavamo sempre più a notare che l'attrezzatura funzionava secondo i regimi che avevamo precedentemente calcolato.

Risultato del progetto

Oggetto: Centrale termoelettrica con collegamenti trasversali, 600 MW di potenza elettrica, 2400 Gcal — termico.

Team: KROK — sette persone (esperti tecnologici, analisti, ingegneri), TEP — cinque persone (esperti aziendali, utenti chiave, specialisti).
Tempo di realizzazione: 16 mesi.

Risultati:

• Abbiamo automatizzato i processi aziendali per la gestione dei regimi e delle operazioni nel mercato all'ingrosso.
• Abbiamo condotto prove sul campo che confermano l'effetto economico.
• Abbiamo risparmiato l'1,2% di carburante grazie alla redistribuzione dei carichi durante la gestione del regime.
• Abbiamo mantenuto l'1% di carburante grazie alla pianificazione a breve termine della composizione delle attrezzature.
• Abbiamo ottimizzato il calcolo dei livelli delle richieste sul RSV secondo il criterio di massimizzazione del profitto marginale.

L'effetto finale è stato di circa il 4%.

Il periodo di recupero del progetto (ROI) stimato è di 1-1,5 anni.

Naturalmente, per implementare e testare tutto ciò, è stato necessario modificare molti processi e lavorare a stretto contatto sia con la direzione della TEP che con l'azienda produttrice nel suo complesso. Ma il risultato è stato certamente ben valso. Siamo riusciti a creare un gemello digitale della stazione, sviluppare procedure di pianificazione ottimizzata e ottenere un reale effetto economico.

Fonte: habr.com