ProHoster > Blogs > Administrācija > Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Ir liela termoelektrostacija. Tas darbojas kā parasti: sadedzina gāzi, ražo siltumu māju apkurei un elektrÄ«bu vispārējam tÄ«klam. Pirmais uzdevums ir apkure. Otrais ir pārdot visu saražoto elektroenerÄ£iju vairumtirdzniecÄ«bas tirgÅ«. Reizēm pat aukstā laikā zem skaidrām debesÄ«m parādās sniegs, taču tā ir dzesÄ“Å”anas torņu darbÄ«bas blakusparādÄ«ba.

Vidējā termoelektrostacija sastāv no pāris desmitiem turbÄ«nu un katlu. Ja ir precÄ«zi zināmi nepiecieÅ”amie elektroenerÄ£ijas un siltuma ražoÅ”anas apjomi, tad uzdevums ir samazināt degvielas izmaksas. Å ajā gadÄ«jumā aprēķins ir atkarÄ«gs no turbÄ«nu un katlu sastāva un slodzes procentuālās daļas izvēles, lai sasniegtu augstāko iespējamo iekārtu darbÄ«bas efektivitāti. TurbÄ«nu un katlu efektivitāte ir ļoti atkarÄ«ga no aprÄ«kojuma veida, darbÄ«bas laika bez remonta, darba režīma un daudz ko citu. Ir vēl viena problēma, kad, ņemot vērā zināmās elektroenerÄ£ijas cenas un siltumenerÄ£ijas apjomus, ir jāizlemj, cik daudz elektroenerÄ£ijas saražot un pārdot, lai gÅ«tu maksimālu peļņu, strādājot vairumtirdzniecÄ«bas tirgÅ«. Tad optimizācijas faktors ā€“ peļņa un iekārtu efektivitāte ā€“ ir daudz mazāk svarÄ«gs. Rezultātā var rasties situācija, kad iekārtas darbojas pilnÄ«gi neefektÄ«vi, bet visu saražotās elektroenerÄ£ijas apjomu var pārdot ar maksimālo rezervi.

Teorētiski tas viss jau sen ir skaidrs un izklausās skaisti. Problēma ir, kā to izdarÄ«t praksē. Mēs sākām katras iekārtas un visas stacijas darbÄ«bas simulācijas modelÄ“Å”anu. Mēs nonācām termoelektrostacijā un sākām vākt visu komponentu parametrus, izmērÄ«t to reālos raksturlielumus un novērtēt darbÄ«bu dažādos režīmos. Pamatojoties uz tiem, mēs izveidojām precÄ«zus modeļus, lai simulētu katras iekārtas darbÄ«bu, un izmantojām tos optimizācijas aprēķinos. Raugoties uz priekÅ”u, teikÅ”u, ka tikai matemātikas dēļ ieguvām apmēram 4% no reālās efektivitātes.

Notika. Bet pirms aprakstÄ«Å”u mÅ«su lēmumus, es runāŔu par to, kā koÄ£enerācija darbojas no lēmumu pieņemÅ”anas loÄ£ikas viedokļa.

Pamatlietas

Elektrostacijas galvenie elementi ir katli un turbÄ«nas. TurbÄ«nas darbina augstspiediena tvaiks, kas savukārt rotē elektriskos Ä£eneratorus, kas ražo elektrÄ«bu. AtlikuÅ”o tvaika enerÄ£iju izmanto apkurei un karstajam Å«denim. Katli ir vietas, kur veidojas tvaiks. Katla uzsildÄ«Å”ana un tvaika turbÄ«nas paātrināŔana aizņem daudz laika (stundas), un tas ir tieÅ”s degvielas zudums. Tas pats attiecas uz slodzes izmaiņām. Å Ä«s lietas ir jāplāno iepriekÅ”.

TEC iekārtām ir tehniskais minimums, kas ietver minimālu, bet stabilu darba režīmu, kurā iespējams nodroÅ”ināt pietiekamu siltumu mājām un rÅ«pnieciskajiem patērētājiem. Parasti nepiecieÅ”amais siltuma daudzums ir tieÅ”i atkarÄ«gs no laika apstākļiem (gaisa temperatÅ«ras).

Katram blokam ir lietderÄ«bas lÄ«kne un maksimālās darbÄ«bas efektivitātes punkts: pie tādas un tādas slodzes lētāko elektroenerÄ£iju nodroÅ”ina tāds un tāds katls un tāda turbÄ«na. Lēti ā€“ minimāla Ä«patnējā degvielas patēriņa izpratnē.

Lielākajai daļai mÅ«su koÄ£enerācijas staciju Krievijā ir paralēli pieslēgumi, kad visi katli darbojas uz viena tvaika kolektora un visas turbÄ«nas arÄ« darbina no viena kolektora. Tas palielina elastÄ«bu, iekraujot aprÄ«kojumu, bet ievērojami sarežģī aprēķinus. Gadās arÄ«, ka stacijas aprÄ«kojums ir sadalÄ«ts daļās, kas darbojas dažādos kolektoros ar dažādu tvaika spiedienu. Un, ja pieskaita izmaksas iekŔējām vajadzÄ«bām - sÅ«kņu, ventilatoru, dzesÄ“Å”anas torņu un, bÅ«sim godÄ«gi, pirts darbÄ«ba tieÅ”i aiz termoelektrostacijas žoga -, tad velnam kājas lÅ«zÄ«s.

Visu iekārtu raksturlielumi ir nelineāri. Katrai vienībai ir līkne ar zonām, kur efektivitāte ir augstāka un zemāka. Tas ir atkarīgs no slodzes: pie 70% efektivitāte būs viena, pie 30% tā būs atŔķirīga.

Iekārtas atŔķiras pēc Ä«paŔībām. Ir jaunas un vecas turbÄ«nas un katli, un ir dažāda dizaina agregāti. Pareizi izvēloties aprÄ«kojumu un optimāli iekraujot to maksimālās efektivitātes punktos, jÅ«s varat samazināt degvielas patēriņu, kas rada izmaksu ietaupÄ«jumu vai lielāku peļņu.

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Kā koģenerācijas stacija zina, cik daudz enerģijas tai nepiecieŔams saražot?

PlānoÅ”ana tiek veikta trÄ«s dienas iepriekÅ”: trÄ«s dienu laikā kļūst zināms plānotais iekārtu sastāvs. Tās ir turbÄ«nas un katli, kas tiks ieslēgti. RelatÄ«vi runājot, mēs zinām, ka Å”odien darbosies pieci katli un desmit turbÄ«nas. Mēs nevaram ieslēgt citas iekārtas vai atslēgt plānoto, bet mēs varam mainÄ«t katra katla slodzi no minimālās uz maksimālo un palielināt un samazināt jaudu turbÄ«nām. Solis no maksimālā lÄ«dz minimumam ir no 15 lÄ«dz 30 minÅ«tēm atkarÄ«bā no aprÄ«kojuma. Uzdevums Å”eit ir vienkārÅ”s: izvēlieties optimālos režīmus un uzturiet tos, ņemot vērā darbÄ«bas pielāgojumus.

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

No kurienes radās Ŕāds aprÄ«kojuma sastāvs? Tas noteikts, pamatojoties uz tirdzniecÄ«bas rezultātiem vairumtirdzniecÄ«bas tirgÅ«. Ir jaudas un elektroenerÄ£ijas tirgus. Jaudas tirgÅ« ražotāji iesniedz pieteikumu: ā€œIr tādas un tādas iekārtas, tās ir minimālās un maksimālās jaudas, ņemot vērā plānoto atslēgumu remontam. Mēs varam piegādāt 150 MW par Å”o cenu, 200 MW par Å”o cenu un 300 MW par Å”o cenu. Tie ir ilgtermiņa lietojumi. No otras puses, arÄ« lielie patērētāji iesniedz pieprasÄ«jumus: "Mums vajag tik daudz enerÄ£ijas." Konkrētas cenas tiek noteiktas krustpunktā, ko enerÄ£ijas ražotāji var nodroÅ”ināt un ko patērētāji ir gatavi ņemt. Å Ä«s jaudas tiek noteiktas katrai diennakts stundai.

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Parasti termoelektrostacija visu sezonu nes aptuveni vienādu slodzi: ziemā primārais produkts ir siltums, bet vasarā tas ir elektrÄ«ba. SpēcÄ«gas novirzes visbiežāk ir saistÄ«tas ar kāda veida avāriju paŔā stacijā vai blakus esoÅ”ajās elektrostacijās tajā paŔā vairumtirgus cenu zonā. Bet vienmēr ir svārstÄ«bas, un Ŕīs svārstÄ«bas ļoti ietekmē rÅ«pnÄ«cas ekonomisko efektivitāti. NepiecieÅ”amo jaudu var uzņemt trÄ«s katli ar slodzi 50% vai divi ar slodzi 75% un redzēt, kurÅ” ir efektÄ«vāks.

Marginalitāte ir atkarÄ«ga no tirgus cenām un elektroenerÄ£ijas ražoÅ”anas izmaksām. TirgÅ« cenas var bÅ«t tādas, ka degvielu ir izdevÄ«gi dedzināt, bet elektrÄ«bu pārdot ir labi. Vai arÄ« var gadÄ«ties, ka konkrētā stundā jāiet lÄ«dz tehniskajam minimumam un jāsamazina zaudējumi. Jāatceras arÄ« par degvielas rezervēm un izmaksām: dabasgāze parasti ir ierobežota, un gāze, kas pārsniedz limitu, ir ievērojami dārgāka, nemaz nerunājot par mazutu. Tas viss prasa precÄ«zus matemātiskus modeļus, lai saprastu, kurus pieteikumus iesniegt un kā reaģēt uz mainÄ«giem apstākļiem.

Kā tas tika darīts pirms mūsu ieraŔanās

GandrÄ«z uz papÄ«ra, balstoties uz ne pārāk precÄ«zajiem iekārtu raksturlielumiem, kas stipri atŔķiras no faktiskajiem. TÅ«lÄ«t pēc aprÄ«kojuma testÄ“Å”anas labākajā gadÄ«jumā tie bÅ«s plus mÄ«nus 2% no fakta, bet pēc gada - plus mÄ«nus 7-8%. Pārbaudes tiek veiktas ik pēc pieciem gadiem, bieži retāk.

Nākamais punkts ir tāds, ka visi aprēķini tiek veikti ar standartdegvielu. PSRS tika pieņemta shēma, kad tika uzskatÄ«ts par noteiktu parasto degvielu, lai salÄ«dzinātu dažādas stacijas, kurās izmanto mazutu, ogles, gāzi, kodolenerÄ£iju utt. Bija nepiecieÅ”ams saprast katra Ä£eneratora papagaiļu efektivitāti, un parastā degviela ir tieÅ”i tāda. To nosaka degvielas siltumspēja: viena tonna standarta degvielas ir aptuveni vienāda ar vienu tonnu ogļu. Ir pārrēķinu tabulas dažādiem degvielas veidiem. Piemēram, brÅ«noglēm rādÄ«tāji ir gandrÄ«z divreiz sliktāki. Bet kaloriju saturs nav saistÄ«ts ar rubļiem. Tas ir kā benzÄ«ns un dÄ«zeļdegviela: nav fakts, ka, ja dÄ«zeļdegviela maksā 35 rubļus un 92 maksā 32 rubļus, tad dÄ«zeļdegviela bÅ«s efektÄ«vāka kaloriju satura ziņā.

TreÅ”ais faktors ir aprēķinu sarežģītÄ«ba. Parasti, pamatojoties uz darbinieka pieredzi, tiek aprēķinātas divas vai trÄ«s iespējas, un biežāk tiek izvēlēts labākais režīms no iepriekŔējo periodu vēstures lÄ«dzÄ«gām slodzēm un laikapstākļiem. Protams, darbinieki uzskata, ka izvēlas optimālākos režīmus, un uzskata, ka neviens matemātiskais modelis viņus nepārspēs.

Mēs nākam. Problēmas risināŔanai gatavojam digitālo dvÄ«ni ā€“ stacijas simulācijas modeli. Tas ir tad, kad, izmantojot Ä«paÅ”as pieejas, mēs simulējam visus tehnoloÄ£iskos procesus katrai iekārtai, apvienojam tvaika-Å«dens un enerÄ£ijas bilanci un iegÅ«stam precÄ«zu termoelektrostacijas darbÄ«bas modeli.

Lai izveidotu modeli, ko mēs izmantojam:

  • Iekārtas dizains un specifikācijas.
  • Raksturlielumi, kas balstÄ«ti uz jaunāko iekārtu pārbaužu rezultātiem: reizi piecos gados stacija pārbauda un uzlabo iekārtu raksturlielumus.
  • Dati automatizēto procesu vadÄ«bas sistēmu un uzskaites sistēmu arhÄ«vos par visiem pieejamajiem tehnoloÄ£iskajiem rādÄ«tājiem, izmaksām un siltumenerÄ£ijas un elektroenerÄ£ijas ražoÅ”anu. Jo Ä«paÅ”i dati no siltuma un elektroenerÄ£ijas piegādes mērÄ«Å”anas sistēmām, kā arÄ« no telemehānikas sistēmām.
  • Dati no papÄ«ra lentes un sektoru diagrammām. Jā, Ŕādas analogās metodes iekārtu darbÄ«bas parametru reÄ£istrÄ“Å”anai joprojām tiek izmantotas Krievijas elektrostacijās, un mēs tās digitalizējam.
  • PapÄ«ra žurnāli stacijās, kurās pastāvÄ«gi tiek fiksēti galveno režīmu parametri, arÄ« tie, kurus nefiksē automatizētās procesu vadÄ«bas sistēmas sensori. LÄ«nijnieks ik pēc četrām stundām staigā apkārt, pārraksta rādÄ«jumus un visu pieraksta žurnālā.

Tas ir, mēs esam rekonstruējuÅ”i datu kopas par to, kas strādāja kādā režīmā, cik daudz degvielas tika piegādāts, kāds bija temperatÅ«ras un tvaika patēriņŔ un cik daudz siltuma un elektroenerÄ£ijas tika iegÅ«ts izejā. No tÅ«kstoÅ”iem Ŕādu komplektu bija nepiecieÅ”ams apkopot katra mezgla raksturlielumus. Par laimi, mēs esam varējuÅ”i spēlēt Å”o datu ieguves spēli jau ilgu laiku.

Šādu sarežģītu objektu aprakstÄ«Å”ana, izmantojot matemātiskos modeļus, ir ārkārtÄ«gi sarežģīta. Un vēl grÅ«tāk ir pierādÄ«t galvenajam inženierim, ka mÅ«su modelis pareizi aprēķina stacijas darbÄ«bas režīmus. Tāpēc mēs izvēlējāmies specializētu inženiertehnisko sistēmu izmantoÅ”anu, kas ļauj salikt un atkļūdot termoelektrostacijas modeli, pamatojoties uz iekārtu konstrukciju un tehnoloÄ£iskajām Ä«paŔībām. Mēs izvēlējāmies Termoflow programmatÅ«ru no amerikāņu uzņēmuma TermoFlex. Tagad ir parādÄ«juÅ”ies krievu analogi, taču tajā laikā Ŕī pakete bija labākā savā klasē.

Katrai iekārtai tiek izvēlēts tās dizains un galvenie tehnoloÄ£iskie raksturlielumi. Sistēma ļauj ļoti detalizēti aprakstÄ«t visu gan loÄ£iskā, gan fiziskajā lÄ«menÄ«, lÄ«dz pat nogulŔņu pakāpes norādÄ«Å”anai siltummaiņa caurulēs.

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Rezultātā stacijas termiskās ķēdes modelis ir aprakstÄ«ts vizuāli no energotehnologu viedokļa. Tehnologi nesaprot programmÄ“Å”anu, matemātiku un modelÄ“Å”anu, taču viņi var izvēlēties vienÄ«bas dizainu, vienÄ«bu ievades un izejas un norādÄ«t tiem parametrus. Pēc tam sistēma pati izvēlas piemērotākos parametrus, un tehnologs tos precizē, lai iegÅ«tu maksimālu precizitāti visā darbÄ«bas režīmu diapazonā. Mēs izvirzÄ«jām sev mērÄ·i - nodroÅ”ināt modeļa precizitāti 2% apmērā galvenajiem tehnoloÄ£iskajiem parametriem un to panācām.

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Tas izrādÄ«jās ne tik vienkārÅ”i izdarāms: sākotnējie dati nebija Ä«paÅ”i precÄ«zi, tāpēc pirmos pāris mēneÅ”us staigājām pa termoelektrostaciju un manuāli nolasÄ«jām no manometriem paÅ”reizējos rādÄ«tājus un noskaņojām modeli uz faktiskajiem apstākļiem. Vispirms izgatavojām turbÄ«nu un katlu modeļus. Katra turbÄ«na un katls tika pārbaudÄ«ti. Modeļa testÄ“Å”anai tika izveidota darba grupa un tajā iekļauti termoelektrostacijas pārstāvji.

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Tad mēs salikām visas iekārtas vispārējā shēmā un noregulējām koģenerācijas modeli kopumā. Bija jāpastrādā, jo arhīvos bija daudz pretrunīgu datu. Piemēram, mēs atradām režīmus ar kopējo efektivitāti 105%.

Saliekot pilnu ķēdi, sistēma vienmēr ņem vērā līdzsvaroto režīmu: tiek apkopoti materiālu, elektriskie un termiskie bilances. Tālāk mēs izvērtējam, kā viss saliktais atbilst reālajiem režīma parametriem pēc instrumentu indikatoriem.

Kas notika

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Rezultātā saņēmām precīzu termoelektrostacijas tehnisko procesu modeli, kas balstīts uz iekārtu faktiskajiem raksturlielumiem un vēsturiskajiem datiem. Tas ļāva prognozēm būt precīzākām, nekā pamatojoties tikai uz testa raksturlielumiem. Rezultāts ir reālu iekārtu procesu simulators, termoelektrostacijas digitālais dvīnis.

Å is simulators ļāva analizēt ā€œkas bÅ«tu, ja...ā€ scenārijus, pamatojoties uz dotajiem rādÄ«tājiem. Å is modelis tika izmantots arÄ«, lai atrisinātu reālas stacijas darbÄ«bas optimizācijas problēmu.

Bija iespējams realizēt četrus optimizācijas aprēķinus:

  1. Stacijas maiņas vadītājs zina siltumapgādes grafiku, ir zināmas sistēmas operatora komandas, ir zināms arī elektroenerģijas padeves grafiks: kura iekārta un kuras kravas uzņems, lai iegūtu maksimālo rezervi.
  2. Iekārtu sastāva izvēle, pamatojoties uz tirgus cenas prognozi: konkrētam datumam, ņemot vērā slodzes grafiku un ārējā gaisa temperatūras prognozi, nosakām optimālo iekārtu sastāvu.
  3. Pieteikumu iesniegÅ”ana tirgÅ« dienu iepriekÅ”: kad ir zināms iekārtu sastāvs un ir precÄ«zāka cenas prognoze. Mēs aprēķinām un iesniedzam pieteikumu.
  4. BalansÄ“Å”anas tirgus ir jau kārtējās dienas ietvaros, kad tiek fiksēti elektrÄ«bas un siltuma grafiki, bet vairākas reizes dienā, ik pēc četrām stundām, tiek uzsākta tirdzniecÄ«ba balansÄ“Å”anas tirgÅ«, kurā var iesniegt pieteikumu: ā€œAicinu papildināt 5 MW manai slodzei. Mums ir jāatrod papildu iekrauÅ”anas vai izkrauÅ”anas daļas, kad tas nodroÅ”ina maksimālo rezervi.

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

TestēŔana

Lai veiktu pareizu pārbaudi, mums bija jāsalÄ«dzina stacijas aprÄ«kojuma standarta iekrauÅ”anas režīmi ar mÅ«su aprēķinātajiem ieteikumiem tādos paÅ”os apstākļos: aprÄ«kojuma sastāvs, slodzes grafiki un laikapstākļi. Pāris mēneÅ”u laikā mēs izvēlējāmies četru lÄ«dz seÅ”u stundu intervālus dienā ar stabilu grafiku. Viņi ieradās stacijā (bieži vien naktÄ«), gaidÄ«ja, kad stacija sasniegs darba režīmu, un tikai tad aprēķināja to simulācijas modelÄ«. Ja stacijas maiņas uzraugu viss apmierināja, tad tika nosÅ«tÄ«ts operatÄ«vais personāls, kas grieza vārstus un mainÄ«ja iekārtu režīmus.

Reālas termoelektrostacijas darbības simulācija, lai optimizētu režīmus: tvaiku un matemātiku

Pirms un pēc rādÄ«tāji tika salÄ«dzināti pēc fakta. Sastrēgumu laikā, dienā un naktÄ«, brÄ«vdienās un darba dienās. Katrā režīmā panācām degvielas ietaupÄ«jumu (Å”ajā uzdevumā rezerve ir atkarÄ«ga no degvielas patēriņa). Tad mēs pilnÄ«bā pārgājām uz jauniem režīmiem. Jāteic, ka stacija ātri noticēja mÅ«su ieteikumu efektivitātei, un, tuvojoties testu beigām, arvien biežāk novērojām, ka tehnika darbojas mÅ«su iepriekÅ” aprēķinātajos režīmos.

Projekta rezultāts

Objekts: TEC ar Ŕķērssavienojumiem, 600 MW elektriskā jauda, ā€‹ā€‹2 Gcal siltuma jauda.

Komanda: CROC - septiņi cilvēki (tehnoloģiju eksperti, analītiķi, inženieri), CHPP - pieci cilvēki (biznesa eksperti, galvenie lietotāji, speciālisti).
ÄŖstenoÅ”anas laiks: 16 mēneÅ”i.

Rezultāti:

  • Mēs automatizējām režīmu uzturÄ“Å”anas un darba vairumtirdzniecÄ«bas tirgÅ« biznesa procesus.
  • Veikti pilna mēroga testi, kas apstiprina ekonomisko efektu.
  • IetaupÄ«jām 1,2% degvielas, pateicoties kravu pārdalÄ«Å”anai ekspluatācijas laikā.
  • IetaupÄ«ja 1% degvielas, pateicoties Ä«stermiņa aprÄ«kojuma plānoÅ”anai.
  • Mēs optimizējām DAM pieteikumu posmu aprēķinus atbilstoÅ”i robežpeļņas maksimizācijas kritērijam.

Galīgais efekts ir aptuveni 4%.

Paredzamais projekta atmaksāŔanās laiks (ROI) ir 1ā€“1,5 gadi.

Protams, lai to visu ieviestu un pārbaudÄ«tu, bija jāmaina daudzi procesi un cieÅ”i jāsadarbojas gan ar termoelektrostacijas vadÄ«bu, gan ar Ä£enerējoÅ”o uzņēmumu kopumā. Bet rezultāts noteikti bija tā vērts. Bija iespējams izveidot stacijas digitālo dvīņu, izstrādāt optimizācijas plānoÅ”anas procedÅ«ras un iegÅ«t reālu ekonomisko efektu.

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru