{"id":54492,"date":"2019-12-27T00:00:00","date_gmt":"2019-12-26T21:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/blog_prohoster\/modelirovanie-raboty-realnoj-tets-dlya-optimizatsii-rezhimov-par-i-matematika"},"modified":"2020-02-18T14:02:30","modified_gmt":"2020-02-18T11:02:30","slug":"modelirovanie-raboty-realnoj-tets-dlya-optimizatsii-rezhimov-par-i-matematika","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/pt\/blog\/administrirovanie\/modelirovanie-raboty-realnoj-tets-dlya-optimizatsii-rezhimov-par-i-matematika","title":{"rendered":"Modelagem da opera\u00e7\u00e3o de uma usina termel\u00e9trica real para otimiza\u00e7\u00e3o de modos: vapor e matem\u00e1tica","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Modelagem
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\nH\u00e1 uma grande usina termel\u00e9trica. Funciona normalmente: queima g\u00e1s, gera calor para aquecer as casas e eletricidade para a rede geral. A primeira tarefa \u00e9 o aquecimento. A segunda \u00e9 vender toda a eletricidade gerada no mercado atacadista. \u00c0s vezes, em dias frios e claros, aparece neve, mas isso \u00e9 um efeito colateral do funcionamento das torres de resfriamento.<\/p>\n

Uma usina termel\u00e9trica m\u00e9dia \u00e9 composta por algumas dezenas de turbinas e caldeiras. Se os volumes necess\u00e1rios de produ\u00e7\u00e3o de eletricidade e calor s\u00e3o conhecidos, a tarefa se resume \u00e0 minimiza\u00e7\u00e3o dos custos com combust\u00edvel. Nesse caso, o c\u00e1lculo se resume \u00e0 escolha da composi\u00e7\u00e3o e percentual de carga das turbinas e caldeiras para alcan\u00e7ar a m\u00e1xima efici\u00eancia do funcionamento do equipamento. A efici\u00eancia das turbinas e caldeiras depende fortemente do tipo de equipamento, do tempo de opera\u00e7\u00e3o sem manuten\u00e7\u00e3o, do modo de opera\u00e7\u00e3o e de muitos outros fatores. H\u00e1 tamb\u00e9m outra tarefa, quando, com pre\u00e7os conhecidos para eletricidade e volumes de calor, \u00e9 preciso decidir quanto produzir e vender de eletricidade para obter o m\u00e1ximo de lucro no mercado atacadista. Nesse caso, o fator de otimiza\u00e7\u00e3o \u2014 lucro e efici\u00eancia do equipamento \u2014 \u00e9 de muito menos relev\u00e2ncia. O resultado pode ser um modo em que o equipamento opera de maneira absolutamente ineficiente, mas todo o volume gerado de eletricidade pode ser vendido com a maior margem. <\/p>\n

Em teoria, tudo isso j\u00e1 \u00e9 bem compreendido e soa bonito. O problema \u00e9 como fazer isso na pr\u00e1tica. Come\u00e7amos a modelagem de simula\u00e7\u00e3o do funcionamento de cada unidade de equipamento e da esta\u00e7\u00e3o como um todo. Fomos \u00e0 usina termel\u00e9trica e come\u00e7amos a coletar par\u00e2metros de todos os n\u00f3s, medindo suas caracter\u00edsticas reais e avaliando o funcionamento em diferentes modos. Com base nisso, criamos modelos precisos para simular o funcionamento de cada unidade de equipamento e os utilizamos para c\u00e1lculos de otimiza\u00e7\u00e3o. Antecipando, direi que ganhamos cerca de 4% de efici\u00eancia real apenas com matem\u00e1tica.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Conseguimos. Mas antes de descrever nossas solu\u00e7\u00f5es, contarei como a usina termel\u00e9trica opera do ponto de vista da l\u00f3gica de tomada de decis\u00f5es. <\/p>\n

Coisas b\u00e1sicas<\/h3>\n

\nOs principais elementos de uma usina de energia s\u00e3o as caldeiras e as turbinas. As turbinas s\u00e3o acionadas por vapor de alta press\u00e3o, que, por sua vez, faz girar os geradores el\u00e9tricos, os quais produzem eletricidade. O restante da energia do vapor \u00e9 utilizado para aquecimento e \u00e1gua quente. As caldeiras s\u00e3o os locais onde o vapor \u00e9 gerado. O aquecimento da caldeira e a acelera\u00e7\u00e3o da turbina a vapor levam muito tempo (horas), resultando em perdas diretas de combust\u00edvel. O mesmo se aplica \u00e0 varia\u00e7\u00e3o de carga. Essas quest\u00f5es precisam ser planejadas com anteced\u00eancia. <\/p>\n

Os equipamentos das usinas termel\u00e9tricas t\u00eam um m\u00ednimo t\u00e9cnico, que inclui um modo de opera\u00e7\u00e3o m\u00ednimo, por\u00e9m est\u00e1vel, capaz de fornecer uma quantidade suficiente de calor para resid\u00eancias e consumidores industriais. Geralmente, a quantidade necess\u00e1ria de calor depende diretamente das condi\u00e7\u00f5es clim\u00e1ticas (temperatura do ar). <\/p>\n

Cada unidade possui uma curva de efici\u00eancia e um ponto de m\u00e1xima efici\u00eancia de funcionamento: com uma determinada carga, uma caldeira espec\u00edfica e uma turbina correspondente geram eletricidade a um custo menor. Menor no sentido de consumo espec\u00edfico de combust\u00edvel. <\/p>\n

A maioria das usinas termel\u00e9tricas na R\u00fassia possui conex\u00f5es paralelas, onde todas as caldeiras operam em um \u00fanico coletor de vapor e todas as turbinas tamb\u00e9m s\u00e3o alimentadas por um \u00fanico coletor. Isso adiciona flexibilidade na carga dos equipamentos, mas complica bastante os c\u00e1lculos. \u00c0s vezes, o equipamento da esta\u00e7\u00e3o \u00e9 dividido em partes que operam em diferentes coletores com diferentes press\u00f5es de vapor. E se adicionarmos os custos com necessidades internas\u2014como o funcionamento de bombas, ventiladores, torres de resfriamento e, para n\u00e3o esconder, saunas logo atr\u00e1s do cercado da usina\u2014ent\u00e3o as contas ficam ainda mais complicadas.<\/p>\n

As caracter\u00edsticas de todo o equipamento s\u00e3o n\u00e3o lineares. Cada unidade possui uma curva com \u00e1reas onde a efici\u00eancia \u00e9 maior e menor. Isso depende da carga: com 70% a efici\u00eancia ser\u00e1 uma, e com 30% ser\u00e1 outra. <\/p>\n

Os equipamentos diferem em suas caracter\u00edsticas. Existem turbinas e caldeiras novas e antigas, bem como unidades de diferentes constru\u00e7\u00f5es. Selecionando o equipamento corretamente e carregando-o de forma otimizada nos pontos de m\u00e1xima efici\u00eancia, \u00e9 poss\u00edvel reduzir o consumo de combust\u00edvel, resultando em economia de custos ou maior margem de lucro. <\/p>\n

\"Modelagem
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De onde a usina termel\u00e9trica sabe quanto precisa produzir de energia?<\/h3>\n

\nO planejamento \u00e9 realizado com tr\u00eas dias de anteced\u00eancia: um planejamento do equipamento se torna conhecido tr\u00eas dias antes. Estas s\u00e3o as turbinas e caldeiras que ser\u00e3o acionadas. Em termos simples, sabemos que hoje estar\u00e3o em opera\u00e7\u00e3o cinco caldeiras e dez turbinas. N\u00e3o podemos ativar outro equipamento ou desligar o que est\u00e1 planejado, mas podemos ajustar a carga de cada caldeira do m\u00ednimo ao m\u00e1ximo, e nas turbinas, aumentar ou reduzir a pot\u00eancia. O intervalo de tempo do m\u00e1ximo ao m\u00ednimo \u00e9 de 15 a 30 minutos, dependendo da unidade de equipamento. Aqui a tarefa \u00e9 simples: escolher os modos \u00f3timos e mant\u00ea-los com ajustes operacionais em mente. <\/p>\n

\"Modelagem
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\nDe onde veio essa composi\u00e7\u00e3o de equipamentos?<\/b> Foi determinada com base nos resultados das negocia\u00e7\u00f5es no mercado de energia. Existe o mercado de capacidade e eletricidade. No mercado de capacidade, os produtores fazem uma oferta: \"Temos esse equipamento, com essas pot\u00eancias m\u00ednima e m\u00e1xima, levando em conta o planejamento para reparos. Podemos fornecer 150 MW a este pre\u00e7o, 200 MW a este pre\u00e7o, e 300 MW a este pre\u00e7o.\" Essas s\u00e3o ofertas de longo prazo. Por outro lado, grandes consumidores tamb\u00e9m fazem pedidos: \"Precisamos de tanta energia.\" Os pre\u00e7os concretos s\u00e3o definidos no momento em que a oferta dos produtores se encontra com a demanda dos consumidores. Essas capacidades s\u00e3o determinadas para cada hora do dia.<\/p>\n

\"Modelagem
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\nNormalmente, a central t\u00e9rmica opera com uma carga bastante uniforme durante toda a temporada: no inverno, o principal produto \u00e9 o calor, enquanto no ver\u00e3o \u00e9 a eletricidade. Desvios significativos geralmente est\u00e3o associados a algum tipo de acidente na pr\u00f3pria esta\u00e7\u00e3o ou em usinas vizinhas na mesma zona de pre\u00e7o do mercado de energia. Mas sempre existem flutua\u00e7\u00f5es, e essas flutua\u00e7\u00f5es impactam fortemente a efic\u00e1cia econ\u00f4mica da opera\u00e7\u00e3o da esta\u00e7\u00e3o. A pot\u00eancia necess\u00e1ria pode ser obtida com tr\u00eas caldeiras operando a 50% de carga, ou duas caldeiras a 75% de carga, e observar qual \u00e9 a op\u00e7\u00e3o mais eficiente. <\/p>\n

A margem de lucro depende dos pre\u00e7os do mercado e do custo de produ\u00e7\u00e3o de energia el\u00e9trica. No mercado, os pre\u00e7os podem se ajustar de forma que seja vantajoso queimar combust\u00edvel, mas vender a eletricidade de forma lucrativa. Em outros momentos, pode ser necess\u00e1rio operar no m\u00ednimo t\u00e9cnico para mitigar perdas. Tamb\u00e9m \u00e9 importante considerar os estoques e custos do combust\u00edvel: o g\u00e1s natural, por exemplo, geralmente \u00e9 limitado, enquanto o g\u00e1s al\u00e9m do limite \u00e9 significativamente mais caro, sem mencionar o \u00f3leo combust\u00edvel. Tudo isso requer modelos matem\u00e1ticos precisos para entender quais pedidos enviar e como reagir a circunst\u00e2ncias em mudan\u00e7a. <\/p>\n

Como isso era feito antes de nossa chegada<\/h3>\n

\nPraticamente no papel, com caracter\u00edsticas do equipamento que n\u00e3o s\u00e3o muito precisas e que t\u00eam uma grande discrep\u00e2ncia em rela\u00e7\u00e3o ao fato. Logo ap\u00f3s os testes, no melhor dos casos, a precis\u00e3o ficar\u00e1 em torno de 2% do real, e ap\u00f3s um ano pode chegar a 7-8%. Os testes, por sua vez, s\u00e3o realizados a cada cinco anos, muitas vezes com menos frequ\u00eancia.<\/p>\n

Outro ponto \u00e9 que todos os c\u00e1lculos s\u00e3o feitos com combust\u00edvel convencional. Na URSS, foi adotada uma abordagem em que se considerava um tipo de combust\u00edvel hipot\u00e9tico para comparar diferentes usinas que utilizam \u00f3leo, carv\u00e3o, g\u00e1s, gera\u00e7\u00e3o nuclear e assim por diante. Era necess\u00e1rio entender a efici\u00eancia em 'pombos' de cada gerador, e o combust\u00edvel condicional \u00e9 essa unidade de medida. \u00c9 determinado pela caloria do combust\u00edvel: uma tonelada de combust\u00edvel convencional \u00e9 aproximadamente igual a uma tonelada de carv\u00e3o mineral. Existem tabelas de convers\u00e3o para diferentes tipos de combust\u00edvel. Por exemplo, para a linhita, os indicadores s\u00e3o quase duas vezes piores. No entanto, a caloria n\u00e3o est\u00e1 relacionada ao rublo. \u00c9 como gasolina e diesel: n\u00e3o \u00e9 garantido que se o diesel custar 35 rublos e a gasolina 92 custar 32 rublos, o diesel ser\u00e1 mais eficiente em termos cal\u00f3ricos. <\/p>\n

O terceiro fator \u00e9 a complexidade dos c\u00e1lculos. Condicionalmente, com base na experi\u00eancia do funcion\u00e1rio, s\u00e3o calculadas duas ou tr\u00eas op\u00e7\u00f5es, e frequentemente \u00e9 escolhido o melhor modo da hist\u00f3ria de per\u00edodos anteriores para cargas e condi\u00e7\u00f5es clim\u00e1ticas semelhantes. Naturalmente, os funcion\u00e1rios acreditam que escolhem os modos mais otimizados e acham que nenhum modelo matem\u00e1tico pode super\u00e1-los. <\/p>\n

Chegamos. Para resolver a tarefa, preparamos um g\u00eameo digital \u2014 um modelo de simula\u00e7\u00e3o da esta\u00e7\u00e3o. \u00c9 quando, por meio de abordagens especiais, simulamos todos os processos tecnol\u00f3gicos para cada unidade de equipamento, equilibramos balan\u00e7os de vapor e energia e obtemos um modelo preciso de opera\u00e7\u00e3o da usina termel\u00e9trica. <\/p>\n

Para criar o modelo, utilizamos: <\/p>\n