סימולציה של פעולת תחנת כוח תרמית אמיתית למיטוב מצבים: קיטור ומתמטיקה

יש תחנת כוח תרמית גדולה. זה עובד כרגיל: הוא שורף גז, מייצר חום לחימום בתים וחשמל לרשת הכללית. המשימה הראשונה היא חימום. השנייה היא למכור את כל החשמל המופק בשוק הסיטונאי. לפעמים, גם במזג אוויר קר, מופיע שלג מתחת לשמים בהירים, אבל זו תופעת לוואי של פעולת מגדלי קירור.

תחנת הכוח התרמית הממוצעת מורכבת מכמה תריסר טורבינות ודוודים. אם הנפחים הנדרשים של ייצור חשמל וחום ידועים במדויק, המשימה מסתכמת במזעור עלויות הדלק. במקרה זה, החישוב מסתכם בבחירת הרכב ואחוז העמסת הטורבינות והדודים כדי להשיג את היעילות הגבוהה ביותר האפשרית של פעולת הציוד. יעילות הטורבינות והדודים תלויה מאוד בסוג הציוד, זמן ההפעלה ללא תיקונים, מצב ההפעלה ועוד ועוד. ישנה בעיה נוספת כאשר בהתחשב במחירים ידועים לחשמל וכמויות חום, צריך להחליט כמה חשמל לייצר ולמכור כדי לקבל את הרווח המקסימלי מהעבודה בשוק הסיטונאי. ואז גורם האופטימיזציה - רווח ויעילות הציוד - הרבה פחות חשוב. התוצאה עשויה להיות מצב בו הציוד פועל בצורה לא יעילה לחלוטין, אך ניתן למכור את כל נפח החשמל המופק במרווח מרבי.

בתיאוריה, כל זה כבר מזמן ברור ונשמע יפה. הבעיה היא איך עושים זאת בפועל. התחלנו במודל סימולציה של פעולת כל ציוד וכל התחנה כולה. הגענו לתחנת הכוח התרמית והתחלנו לאסוף את הפרמטרים של כל הרכיבים, למדוד את המאפיינים האמיתיים שלהם ולהעריך את פעולתם במצבים שונים. על בסיסם יצרנו מודלים מדויקים כדי לדמות את פעולת כל ציוד והשתמשנו בהם לחישובי אופטימיזציה. במבט קדימה, אני אגיד שהרווחנו בערך 4% מהיעילות האמיתית רק בזכות המתמטיקה.

קרה. אבל לפני שאתאר את ההחלטות שלנו, אדבר על איך ה-CHP עובד מנקודת מבט של היגיון של קבלת החלטות.

דברים בסיסיים

המרכיבים העיקריים של תחנת כוח הם דוודים וטורבינות. הטורבינות מונעות על ידי קיטור בלחץ גבוה, אשר בתורו מסובב גנרטורים חשמליים, המייצרים חשמל. אנרגיית הקיטור הנותרת משמשת לחימום ומים חמים. דוודים הם מקומות שבהם נוצר קיטור. לוקח הרבה זמן (שעות) לחמם את הדוד ולהאיץ את טורבינת הקיטור, וזהו אובדן ישיר של דלק. אותו דבר לגבי שינויי עומס. אתה צריך לתכנן את הדברים האלה מראש.

לציוד CHP יש מינימום טכני, הכולל מצב הפעלה מינימלי אך יציב, בו ניתן לספק חום מספיק לבתים ולצרכנים תעשייתיים. בדרך כלל, כמות החום הנדרשת תלויה ישירות במזג האוויר (טמפרטורת האוויר).

לכל יחידה יש ​​עקומת נצילות ונקודה של יעילות תפעולית מירבית: בעומס כזה וכזה דוד כזה וכזה וטורבינה כזו ואחרת מספקים את החשמל הזול ביותר. זול - במובן של צריכת דלק ספציפית מינימלית.

לרוב תחנות החום והכוח המשולבות שלנו ברוסיה יש חיבורים מקבילים, כאשר כל הדוודים פועלים על קולט קיטור אחד וכל הטורבינות מופעלות גם על ידי קולט אחד. זה מוסיף גמישות בעת טעינת ציוד, אבל מסבך מאוד את החישובים. קורה גם שציוד התחנה מחולק לחלקים הפועלים על קולטים שונים עם לחצי קיטור שונים. ואם תוסיפו את העלויות לצרכים פנימיים - הפעלת משאבות, מאווררים, מגדלי קירור, ובואו נהיה כנים, סאונות ממש מחוץ לגדר של תחנת הכוח התרמית - אז רגליו של השטן ישברו.

המאפיינים של כל הציוד אינם ליניאריים. לכל יחידה יש ​​עקומה עם אזורים שבהם היעילות גבוהה יותר ויותר. זה תלוי בעומס: ב-70% היעילות תהיה אחת, ב-30% זה יהיה שונה.

הציוד שונה במאפיינים. יש טורבינות ודודים חדשות וישנות, ויש יחידות בעיצובים שונים. על ידי בחירה נכונה של ציוד וטעינתו בצורה מיטבית בנקודות של יעילות מרבית, ניתן להפחית את צריכת הדלק, מה שמוביל לחיסכון בעלויות או למרווחים גדולים יותר.

איך מפעל CHP יודע כמה אנרגיה הוא צריך להפיק?

התכנון מתבצע שלושה ימים מראש: תוך שלושה ימים נודע הרכב הציוד המתוכנן. אלו הטורבינות והדודים שיופעלו. באופן יחסי, אנחנו יודעים שיפעלו היום חמישה דוודים ועשר טורבינות. אנחנו לא יכולים להפעיל ציוד אחר או לכבות את המתוכנן, אבל אנחנו יכולים לשנות את העומס של כל דוד ממינימום למקסימום, ולהגדיל ולהקטין את הספק לטורבינות. השלב ממקסימום למינימום הוא בין 15 ל-30 דקות, תלוי בציוד. המשימה כאן פשוטה: בחר את המצבים האופטימליים ותשמור עליהם, תוך התחשבות בהתאמות תפעוליות.

מאיפה הגיע הרכב הציוד הזה? הוא נקבע על סמך תוצאות המסחר בשוק הסיטונאי. יש שוק לחשמל. בשוק הקיבולת מגישים היצרנים בקשה: "יש ציוד כזה וכזה, אלו היכולות המינימליות והמקסימליות, תוך התחשבות בהפסקה המתוכננת לתיקונים. אנחנו יכולים לספק 150 MW במחיר הזה, 200 MW במחיר הזה, ו-300 MW במחיר הזה". אלו יישומים לטווח ארוך. מצד שני, גם צרכנים גדולים מגישים בקשות: "אנחנו צריכים כל כך הרבה אנרגיה". מחירים ספציפיים נקבעים בצומת של מה שיצרני אנרגיה יכולים לספק ומה הצרכנים מוכנים לקחת. יכולות אלו נקבעות לכל שעה ביום.

בדרך כלל, תחנת כוח תרמית נושאת בערך אותו עומס כל העונה: בחורף המוצר העיקרי הוא חום, ובקיץ זה חשמל. סטיות חזקות קשורות לרוב לתאונה כלשהי בתחנה עצמה או בתחנות כוח סמוכות באותו אזור מחירים של השוק הסיטונאי. אבל תמיד יש תנודות, והתנודות הללו משפיעות מאוד על היעילות הכלכלית של המפעל. את ההספק הנדרש יכולים לקחת שלושה דוודים בעומס של 50% או שניים בעומס של 75% ולראות מה יותר יעיל.

השוליות תלויה במחירי השוק ובעלות ייצור החשמל. בשוק אולי המחירים יהיו כאלה שמשתלם לשרוף דלק, אבל טוב למכור חשמל. או שיכול להיות שבשעה מסוימת אתה צריך ללכת למינימום הטכני ולצמצם הפסדים. אתה גם צריך לזכור את הרזרבות והעלות של הדלק: הגז הטבעי בדרך כלל מוגבל, והגז מעל הגבול יקר יותר באופן ניכר, שלא לדבר על מזוט. כל זה דורש מודלים מתמטיים מדויקים כדי להבין אילו בקשות להגיש וכיצד להגיב לנסיבות משתנות.

איך זה נעשה לפני שהגענו

כמעט על הנייר, בהתבסס על המאפיינים הלא מדויקים במיוחד של הציוד, אשר שונים מאוד מאלה בפועל. מיד לאחר בדיקת הציוד, במקרה הטוב, הם יהיו פלוס מינוס 2% מהעובדה, ולאחר שנה - פלוס מינוס 7-8%. בדיקות מבוצעות כל חמש שנים, לרוב בתדירות נמוכה יותר.

הנקודה הבאה היא שכל החישובים מתבצעים בדלק ייחוס. בברית המועצות, אומצה תוכנית כאשר דלק קונבנציונלי מסוים נחשב להשוואה בין תחנות שונות המשתמשות במזוט, פחם, גז, ייצור גרעיני וכן הלאה. היה צורך להבין את היעילות בתוכים של כל גנרטור, והדלק הקונבנציונלי הוא אותו תוכי. זה נקבע לפי הערך הקלורי של הדלק: טון אחד של דלק סטנדרטי שווה בערך לטון אחד של פחם. קיימות טבלאות המרה לסוגי דלק שונים. לדוגמה, עבור פחם חום האינדיקטורים גרועים כמעט פי שניים. אבל תכולת הקלוריות אינה קשורה לרובלים. זה כמו בנזין ודיזל: זו לא עובדה שאם דיזל עולה 35 רובל, ו-92 עולה 32 רובל, אז הסולר יהיה יעיל יותר מבחינת תכולת הקלוריות.

הגורם השלישי הוא מורכבות החישובים. באופן קונבנציונלי, בהתבסס על הניסיון של העובד, מחושבות שתיים או שלוש אפשרויות, ולעתים קרובות יותר המצב הטוב ביותר נבחר מההיסטוריה של תקופות קודמות עבור עומסים ותנאי מזג אוויר דומים. מטבע הדברים, העובדים מאמינים שהם בוחרים במצבים האופטימליים ביותר, ומאמינים ששום מודל מתמטי לא יתעלה עליהם לעולם.

אנחנו באים. כדי לפתור את הבעיה, אנו מכינים תאום דיגיטלי - מודל הדמיה של התחנה. זאת כאשר, באמצעות גישות מיוחדות, אנו מדמים את כל התהליכים הטכנולוגיים לכל ציוד, משלבים מאזני קיטור-מים ואנרגיה ומקבלים מודל מדויק של פעולת תחנת הכוח התרמית.

כדי ליצור את המודל בו אנו משתמשים:

• עיצוב ומפרטים של הציוד.
• מאפיינים המבוססים על תוצאות בדיקות הציוד העדכניות ביותר: כל חמש שנים התחנה בודקת ומשכללת את מאפייני הציוד.
• נתונים בארכיונים של מערכות אוטומטיות לבקרת תהליכים ומערכות הנהלת חשבונות לכל האינדיקטורים הטכנולוגיים הזמינים, עלויות וייצור חום וחשמל. בפרט, נתונים ממערכות מדידה לאספקת חום וחשמל וכן ממערכות טלמכניקה.
• נתונים מרצועות נייר ותרשימי עוגה. כן, שיטות אנלוגיות כאלה של פרמטרי תפעול של ציוד הקלטה משמשות עדיין בתחנות כוח רוסיות, ואנחנו עושים אותן דיגיטאליות.
• יומני נייר בתחנות שבהן הפרמטרים העיקריים של המצבים מתועדים כל הזמן, כולל אלה שאינם מתועדים על ידי החיישנים של מערכת בקרת התהליך האוטומטית. הקוון מסתובב כל ארבע שעות, משכתב את הקריאות ורושם הכל ביומן.

כלומר, שחזרנו מערכי נתונים על מה עבד באיזה מצב, כמה דלק סופק, מה היו הטמפרטורה וצריכת הקיטור וכמה אנרגיה תרמית וחשמלית התקבלה במוצא. מאלפי סטים כאלה, היה צורך לאסוף את המאפיינים של כל צומת. למרבה המזל, הצלחנו לשחק במשחק Data Mining זה במשך זמן רב.

תיאור אובייקטים מורכבים כאלה באמצעות מודלים מתמטיים הוא קשה ביותר. וקשה עוד יותר להוכיח למהנדס הראשי שהמודל שלנו מחשב נכון את מצבי הפעולה של התחנה. לכן, נקטנו בדרך של שימוש במערכות הנדסיות מיוחדות המאפשרות לנו להרכיב וניפוי באגים בדגם של תחנת כוח תרמית על סמך התכנון והמאפיינים הטכנולוגיים של הציוד. בחרנו בתוכנת Termoflow של חברת TermoFlex האמריקאית. כעת הופיעו אנלוגים רוסיים, אך באותה תקופה החבילה הספציפית הזו הייתה הטובה ביותר בכיתה שלה.

עבור כל יחידה נבחרים העיצוב והמאפיינים הטכנולוגיים העיקריים שלה. המערכת מאפשרת לך לתאר הכל בפירוט רב הן ברמה הלוגית והן ברמה הפיזית, עד לציון מידת ההפקדות בצינורות מחליף החום.

כתוצאה מכך, המודל של המעגל התרמי של התחנה מתואר חזותית במונחים של טכנולוגיות אנרגיה. טכנולוגים אינם מבינים בתכנות, מתמטיקה ומידול, אך הם יכולים לבחור את העיצוב של יחידה, את התשומות והפלטים של היחידות ולציין עבורם פרמטרים. לאחר מכן המערכת בוחרת בעצמה את הפרמטרים המתאימים ביותר, והטכנולוג משכלל אותם כדי להשיג דיוק מרבי עבור כל מגוון מצבי הפעולה. שמנו לעצמנו יעד - להבטיח דיוק מודל של 2% לפרמטרים הטכנולוגיים העיקריים והשגנו זאת.

התברר שזה לא כל כך קל לביצוע: הנתונים הראשוניים לא היו מדויקים במיוחד, אז במשך החודשיים הראשונים הסתובבנו בתחנת הכוח התרמית וקראנו ידנית את מחווני הזרם ממדדי הלחץ וכיוונו את הדגם ל- תנאים בפועל. ראשית הכנו דגמים של טורבינות ודוודים. כל טורבינה ודוד אומתו. לבדיקת המודל הוקמה קבוצת עבודה ונכללו בה נציגי תחנת הכוח התרמית.

לאחר מכן הרכבנו את כל הציוד לתכנית כללית וכיוונו את דגם ה-CHP בכללותו. הייתי צריך לעשות קצת עבודה כי היו הרבה נתונים סותרים בארכיון. לדוגמה, מצאנו מצבים עם יעילות כוללת של 105%.

כאשר אתה מרכיב מעגל שלם, המערכת תמיד לוקחת בחשבון את המצב המאוזן: איזונים חומרים, חשמליים ותרמיים מורכבים. לאחר מכן, אנו מעריכים כיצד כל מה שהורכב מתאים לפרמטרים בפועל של המצב על פי אינדיקטורים מהמכשירים.

מה קרה

כתוצאה מכך, קיבלנו מודל מדויק של התהליכים הטכניים של תחנת הכוח התרמית, בהתבסס על המאפיינים האמיתיים של הציוד והנתונים ההיסטוריים. זה אפשר לחיזויים להיות מדויקים יותר מאשר על סמך מאפייני הבדיקה בלבד. התוצאה היא סימולטור של תהליכי מפעל אמיתיים, תאום דיגיטלי של תחנת כוח תרמית.

סימולטור זה איפשר לנתח תרחישי "מה אם..." על סמך אינדיקטורים נתונים. מודל זה שימש גם לפתרון בעיית ייעול הפעולה של תחנה אמיתית.

ניתן היה ליישם ארבעה חישובי אופטימיזציה:

1. מנהל משמרת התחנה יודע את לוח הזמנים של אספקת החום, הפקודות של מפעיל המערכת ידועות, ולוח הזמנים של אספקת החשמל ידוע: איזה ציוד ייקח אילו עומסים כדי לקבל מרווחים מקסימליים.
2. בחירת הרכב הציוד על סמך תחזית מחיר השוק: לתאריך נתון, תוך התחשבות בלוח העומס ובתחזית של טמפרטורת האוויר בחוץ, אנו קובעים את ההרכב האופטימלי של הציוד.
3. הגשת בקשות לשוק יום מראש: כאשר הרכב הציוד ידוע ויש תחזית מחיר מדויקת יותר. אנו מחשבים ומגישים בקשה.
4. שוק האיזון כבר בתוך היום הנוכחי, כאשר לוחות הזמנים החשמליים והתרמיים קבועים, אך מספר פעמים ביום, כל ארבע שעות, יוצא לדרך מסחר בשוק האיזון וניתן להגיש בקשה: "אני מבקש להוסיף 5 מגה וואט לעומס שלי." אנחנו צריכים למצוא את הנתחים של טעינה או פריקה נוספת כאשר זה נותן את המרווח המקסימלי.

בדיקות

לצורך בדיקה נכונה, היינו צריכים להשוות את מצבי הטעינה הסטנדרטיים של ציוד התחנה עם ההמלצות המחושבות שלנו באותם תנאים: הרכב הציוד, לוחות הזמנים של העומס ומזג האוויר. במהלך חודשיים, בחרנו ארבע עד שש שעות של היום עם לוח זמנים יציב. הם הגיעו לתחנה (לעיתים קרובות בלילה), חיכו שהתחנה תגיע למצב הפעלה ורק אז חישבו זאת במודל הסימולציה. אם מפקח משמרת התחנה היה מרוצה מהכל, אז אנשי ההפעלה נשלחו לסובב את השסתומים ולשנות את מצבי הציוד.

האינדיקטורים של לפני ואחרי הושוו לאחר מעשה. בשעות שיא, יום ולילה, סופי שבוע וימי חול. בכל מצב השגנו חיסכון בדלק (במשימה זו, המרווח תלוי בצריכת הדלק). אחר כך עברנו לגמרי למשטרים חדשים. יש לומר שהתחנה האמינה במהירות ביעילות ההמלצות שלנו, ולקראת סוף הבדיקות שמנו לב יותר ויותר שהציוד פועל במצבים שחישבנו קודם לכן.

תוצאת הפרויקט

מתקן: CHP עם חיבורים צולבים, 600 MW של הספק חשמלי, 2 Gcal של הספק תרמי.

צוות: CROC - שבעה אנשים (מומחים טכנולוגיים, אנליסטים, מהנדסים), CHPP - חמישה אנשים (מומחים עסקיים, משתמשי מפתח, מומחים).
תקופת יישום: 16 חודשים.

תוצאות:

• אוטמנו את התהליכים העסקיים של שמירה על משטרים ועבודה בשוק הסיטונאי.
• ערכו בדיקות בקנה מידה מלא המאשרות את ההשפעה הכלכלית.
• חסכנו 1,2% מהדלק עקב חלוקה מחדש של העומסים במהלך הפעולה.
• חסך 1% בדלק הודות לתכנון ציוד לטווח קצר.
• ביצענו אופטימיזציה של חישוב שלבי האפליקציות ב-DAM לפי הקריטריון של מקסום רווח שולי.

ההשפעה הסופית היא כ-4%.

תקופת ההחזר המשוערת של הפרויקט (ROI) היא 1-1,5 שנים.

כמובן שכדי ליישם ולבדוק את כל זה, היינו צריכים לשנות תהליכים רבים ולעבוד בצמוד הן להנהלת תחנת הכוח התרמית והן לחברת הייצור כולה. אבל התוצאה בהחלט הייתה שווה את זה. ניתן היה ליצור תאום דיגיטלי של התחנה, לפתח הליכי תכנון אופטימיזציה ולקבל אפקט כלכלי אמיתי.

מקור: www.habr.com