Există o centrală termică mare. Funcționează ca de obicei: arde gaz, generează căldură pentru încălzirea caselor și energie electrică pentru rețeaua generală. Prima sarcină este încălzirea. Al doilea este de a vinde toată energia electrică produsă pe piața angro. Uneori, chiar și pe vreme rece, zăpada apare sub un cer senin, dar acesta este un efect secundar al funcționării turnurilor de răcire.
Centrala termică medie este formată din câteva zeci de turbine și cazane. Dacă volumele necesare de energie electrică și energie termică sunt cunoscute cu precizie, atunci sarcina se rezumă la minimizarea costurilor cu combustibilul. În acest caz, calculul se reduce la alegerea compoziției și procentului de încărcare a turbinelor și cazanelor pentru a obține cea mai mare eficiență posibilă a funcționării echipamentelor. Eficiența turbinelor și cazanelor depinde în mare măsură de tipul echipamentului, timpul de funcționare fără reparații, modul de funcționare și multe altele. Există o altă problemă când, având în vedere prețurile cunoscute pentru energie electrică și volumele de căldură, trebuie să decideți câtă energie electrică să generați și să vindeți pentru a obține profitul maxim din munca pe piața angro. Atunci factorul de optimizare - profitul și eficiența echipamentelor - este mult mai puțin important. Rezultatul poate fi o situație în care echipamentul funcționează complet ineficient, dar întregul volum de energie electrică generată poate fi vândut cu marjă maximă.
În teorie, toate acestea au fost mult timp clare și sună frumos. Problema este cum să faci asta în practică. Am început modelarea prin simulare a funcționării fiecărei piese de echipament și a întregii stații în ansamblu. Am ajuns la centrala termică și am început să colectăm parametrii tuturor componentelor, să le măsurăm caracteristicile reale și să evaluăm funcționarea lor în diferite moduri. Pe baza acestora, am creat modele precise pentru a simula funcționarea fiecărei piese de echipament și le-am folosit pentru calcule de optimizare. Privind în viitor, voi spune că am câștigat aproximativ 4% din eficiența reală pur și simplu datorită matematicii.
S-a întâmplat. Dar înainte de a descrie deciziile noastre, voi vorbi despre modul în care funcționează CHP din punct de vedere al logicii decizionale.
Lucruri de bază
Elementele principale ale unei centrale electrice sunt cazanele și turbinele. Turbinele sunt antrenate de abur de înaltă presiune, care, la rândul său, rotește generatoarele electrice, care produc energie electrică. Energia aburului rămasă este folosită pentru încălzire și apă caldă. Cazanele sunt locuri unde se creează abur. Este nevoie de mult timp (ore) pentru a încălzi cazanul și a accelera turbina cu abur, iar aceasta este o pierdere directă de combustibil. Același lucru este valabil și pentru modificările de sarcină. Trebuie să planificați aceste lucruri în avans.
Echipamentele de cogenerare au un minim tehnic, care include un mod de funcționare minim, dar stabil, în care este posibilă furnizarea de căldură suficientă locuințelor și consumatorilor industriali. De obicei, cantitatea necesară de căldură depinde direct de vreme (temperatura aerului).
Fiecare unitate are o curbă de eficiență și un punct de eficiență maximă de funcționare: la o astfel de sarcină, un cazan și o turbină oferă cea mai ieftină energie electrică. Ieftin - în sensul consumului specific minim de combustibil.
Majoritatea centralelor noastre de energie termică și electrică combinată din Rusia au conexiuni paralele, când toate cazanele funcționează cu un singur colector de abur și toate turbinele sunt, de asemenea, alimentate de un singur colector. Acest lucru adaugă flexibilitate la încărcarea echipamentelor, dar complică foarte mult calculele. De asemenea, se întâmplă ca echipamentul stației să fie împărțit în părți care funcționează pe diferite colectoare cu diferite presiuni de abur. Și dacă adăugați costurile pentru nevoile interne - funcționarea pompelor, ventilatoarelor, turnurilor de răcire și, să fim sinceri, a saunelor chiar în afara gardului centralei termice - atunci picioarele diavolului se vor rupe.
Caracteristicile tuturor echipamentelor sunt neliniare. Fiecare unitate are o curbă cu zone în care eficiența este mai mare și mai mică. Depinde de sarcină: la 70% randamentul va fi unul, la 30% va fi diferit.
Echipamentul diferă prin caracteristici. Există turbine și cazane noi și vechi și există unități de design diferite. Selectând corect echipamentul și încărcându-l optim în punctele de eficiență maximă, puteți reduce consumul de combustibil, ceea ce duce la economii de costuri sau la marje mai mari.
Cum știe centrala de cogenerare de câtă energie are nevoie pentru a produce?
Planificarea se realizează cu trei zile înainte: în trei zile devine cunoscută compoziția planificată a echipamentului. Acestea sunt turbinele și cazanele care vor fi pornite. Relativ vorbind, știm că astăzi vor funcționa cinci cazane și zece turbine. Nu putem porni alte echipamente sau opri pe cel planificat, dar putem modifica sarcina pentru fiecare cazan de la minim la maxim, și să creștem și să scădem puterea turbinelor. Pasul de la maxim la minim este de la 15 la 30 de minute, în funcție de echipament. Sarcina aici este simplă: selectați modurile optime și mențineți-le, ținând cont de ajustările operaționale.
De unde provine această compoziție a echipamentelor? Acesta a fost determinat pe baza rezultatelor tranzacționării pe piața angro. Există o piață pentru energie și electricitate. Pe piața de capacitate, producătorii depun o cerere: „Există astfel de echipamente, acestea sunt capacități minime și maxime, ținând cont de întreruperea planificată pentru reparații. Putem livra 150 MW la acest preț, 200 MW la acest preț și 300 MW la acest preț.” Acestea sunt aplicații pe termen lung. Pe de altă parte, marii consumatori depun și cereri: „Avem nevoie de atât de multă energie”. Prețurile specifice sunt determinate la intersecția dintre ceea ce producătorii de energie pot furniza și ceea ce consumatorii sunt dispuși să ia. Aceste capacitati sunt determinate pentru fiecare ora din zi.
De obicei, o centrală termică poartă aproximativ aceeași sarcină tot sezonul: iarna produsul primar este căldura, iar vara este electricitatea. Abaterile puternice sunt cel mai adesea asociate cu un fel de accident la stația în sine sau la centralele electrice adiacente din aceeași zonă de preț a pieței angro. Dar există întotdeauna fluctuații, iar aceste fluctuații afectează foarte mult eficiența economică a plantei. Puterea necesara poate fi preluata de trei cazane cu sarcina de 50% sau doua cu sarcina de 75% si vezi care este mai eficienta.
Marginalitatea depinde de prețurile pieței și de costul de producere a energiei electrice. Pe piață, prețurile pot fi de așa natură încât să fie profitabil să arzi combustibil, dar este bine să vinzi energie electrică. Sau s-ar putea ca la o anumită oră să trebuiască să treci la minimul tehnic și să reducă pierderile. De asemenea, trebuie să vă amintiți despre rezervele și costul combustibilului: gazele naturale sunt de obicei limitate, iar gazele peste limita sunt considerabil mai scumpe, ca să nu mai vorbim de păcură. Toate acestea necesită modele matematice precise pentru a înțelege ce aplicații să depună și cum să răspundă la circumstanțe în schimbare.
Cum s-a făcut înainte de a ajunge noi
Aproape pe hârtie, pe baza caracteristicilor nu foarte precise ale echipamentelor, care diferă mult de cele reale. Imediat după testarea echipamentului, în cel mai bun caz, acestea vor fi plus sau minus 2% din fapt, iar după un an - plus sau minus 7-8%. Testele sunt efectuate la fiecare cinci ani, adesea mai rar.
Următorul punct este că toate calculele sunt efectuate în combustibil de referință. În URSS, a fost adoptată o schemă atunci când a fost considerat un anumit combustibil convențional pentru a compara diferite stații folosind păcură, cărbune, gaz, generare nucleară și așa mai departe. A fost necesar să înțelegem eficiența în papagalii fiecărui generator, iar combustibilul convențional este chiar acel papagal. Este determinată de puterea calorică a combustibilului: o tonă de combustibil standard este aproximativ egală cu o tonă de cărbune. Există tabele de conversie pentru diferite tipuri de combustibil. De exemplu, pentru cărbunele brun indicatorii sunt aproape de două ori mai răi. Dar conținutul de calorii nu este legat de ruble. Este ca benzina și motorina: nu este un fapt că dacă motorina costă 35 de ruble și 92 costă 32 de ruble, motorina va fi mai eficientă din punct de vedere al conținutului de calorii.
Al treilea factor este complexitatea calculelor. În mod convențional, pe baza experienței angajatului, sunt calculate două sau trei opțiuni și, mai des, cel mai bun mod este selectat din istoricul perioadelor anterioare pentru încărcături și condiții meteorologice similare. Desigur, angajații cred că aleg cele mai optime moduri și cred că niciun model matematic nu le va depăși vreodată.
Venim. Pentru a rezolva problema, pregătim un geamăn digital - un model de simulare al stației. Acesta este momentul în care, folosind abordări speciale, simulăm toate procesele tehnologice pentru fiecare echipament, combinăm bilanțele abur-apă și energie și obținem un model precis al funcționării centralei termice.
Pentru a crea modelul folosim:
- Proiectarea si specificatiile echipamentului.
- Caracteristici bazate pe rezultatele ultimelor teste ale echipamentelor: la fiecare cinci ani stația testează și rafinează caracteristicile echipamentului.
- Date în arhivele sistemelor automate de control al proceselor și sistemelor de contabilitate pentru toți indicatorii tehnologici disponibili, costuri și producție de căldură și electricitate. În special, date de la sistemele de contorizare pentru alimentarea cu energie termică și electrică, precum și din sistemele de telemecanică.
- Date din benzi de hârtie și diagrame circulare. Da, astfel de metode analogice de înregistrare a parametrilor de funcționare a echipamentului de înregistrare sunt încă folosite la centralele rusești și le digitalizăm.
- Jurnalele de hârtie la stațiile în care parametrii principali ai modurilor sunt înregistrați în mod constant, inclusiv cei care nu sunt înregistrate de senzorii sistemului automat de control al procesului. Arbitrul se plimbă la fiecare patru ore, rescrie citirile și notează totul într-un jurnal.
Adică, am reconstruit seturi de date despre ce a funcționat în ce mod, cât de mult combustibil a fost furnizat, care a fost temperatura și consumul de abur și câtă energie termică și electrică a fost obținută la ieșire. Din mii de astfel de seturi, a fost necesar să se colecteze caracteristicile fiecărui nod. Din fericire, am reușit să jucăm acest joc Data Mining de mult timp.
Descrierea unor astfel de obiecte complexe folosind modele matematice este extrem de dificilă. Și este și mai dificil să-i demonstrezi inginerului șef că modelul nostru calculează corect modurile de funcționare ale stației. Prin urmare, am luat calea utilizării sistemelor de inginerie specializate care ne permit să asamblam și să depanăm un model de centrală termică bazat pe designul și caracteristicile tehnologice ale echipamentului. Am ales software-ul Termoflow de la compania americană TermoFlex. Acum au apărut analogi ruși, dar la acel moment acest pachet special era cel mai bun din clasa sa.
Pentru fiecare unitate sunt selectate designul și principalele caracteristici tehnologice ale acesteia. Sistemul vă permite să descrieți totul în detaliu atât la nivel logic, cât și la nivel fizic, până la indicarea gradului de depuneri în tuburile schimbătorului de căldură.
Ca urmare, modelul circuitului termic al stației este descris vizual în termeni de tehnologi energetici. Tehnologii nu înțeleg programarea, matematica și modelarea, dar pot selecta proiectarea unei unități, intrările și ieșirile unităților și pot specifica parametrii pentru acestea. Apoi sistemul însuși selectează parametrii cei mai potriviți, iar tehnologul îi rafinează astfel încât să obțină acuratețe maximă pentru întreaga gamă de moduri de funcționare. Ne-am stabilit un obiectiv - să asigurăm o acuratețe a modelului de 2% pentru principalii parametri tehnologici și am realizat acest lucru.
Acest lucru s-a dovedit a nu fi atât de ușor de făcut: datele inițiale nu erau foarte precise, așa că în primele două luni ne-am plimbat prin centrala termică și am citit manual indicatorii actuali de pe manometre și am reglat modelul la conditii reale. Mai întâi am realizat modele de turbine și cazane. Fiecare turbină și cazan a fost verificată. Pentru testarea modelului, a fost creat un grup de lucru în care au fost incluși reprezentanți ai centralei termice.
Apoi am asamblat toate echipamentele într-o schemă generală și am reglat modelul CHP în ansamblu. A trebuit să lucrez pentru că în arhive erau multe date contradictorii. De exemplu, am găsit moduri cu o eficiență generală de 105%.
Când asamblați un circuit complet, sistemul ia în considerare întotdeauna modul echilibrat: bilanțele materiale, electrice și termice sunt compilate. În continuare, evaluăm modul în care totul asamblat corespunde parametrilor actuali ai modului în funcție de indicatorii de la instrumente.
Ce s-a întâmplat
Drept urmare, am primit un model precis al proceselor tehnice ale centralei termice, bazat pe caracteristicile reale ale echipamentelor și datele istorice. Acest lucru a permis ca predicțiile să fie mai precise decât bazate doar pe caracteristicile testului. Rezultatul este un simulator de procese reale din uzină, un geamăn digital al unei centrale termice.
Acest simulator a făcut posibilă analiza scenariilor „ce ar fi dacă...” pe baza unor indicatori dați. Acest model a fost folosit și pentru a rezolva problema optimizării funcționării unei stații reale.
A fost posibil să se implementeze patru calcule de optimizare:
- Managerul de tură al stației cunoaște programul de alimentare cu energie termică, se cunosc comenzile operatorului de sistem și se cunoaște programul de alimentare cu energie electrică: ce echipament va prelua ce sarcini pentru a obține marje maxime.
- Selectarea compoziției echipamentelor pe baza prognozei prețului pieței: pentru o dată dată, ținând cont de programul de încărcare și prognoza temperaturii aerului exterior, determinăm compoziția optimă a echipamentului.
- Depunerea cererilor pe piață cu o zi înainte: când se cunoaște compoziția echipamentului și există o prognoză de preț mai exactă. Calculăm și depunem o cerere.
- Piața de echilibrare este deja în cursul zilei curente, când orarele electrice și termice sunt fixate, dar de mai multe ori pe zi, la fiecare patru ore, se lansează tranzacționarea pe piața de echilibrare și puteți depune o cerere: „Vă rog să adăugați 5 MW la sarcina mea.” Trebuie să găsim cotele de încărcare sau descărcare suplimentară atunci când aceasta oferă marja maximă.
test
Pentru testarea corectă, trebuia să comparăm modurile standard de încărcare ale echipamentului stației cu recomandările noastre calculate în aceleași condiții: compoziția echipamentului, programul de încărcare și vremea. Pe parcursul a câteva luni, am ales intervale de patru până la șase ore din zi cu un program stabil. Au venit la stație (deseori noaptea), au așteptat ca stația să ajungă în modul de funcționare și abia apoi l-au calculat în modelul de simulare. Dacă șeful de tură a stației a fost mulțumit de toate, atunci personalul de operare a fost trimis să rotească supapele și să schimbe modurile echipamentului.
Indicatorii înainte și după au fost comparați după fapt. În orele de vârf, zi și noapte, în weekend și în zilele lucrătoare. În fiecare mod, am realizat economii de combustibil (în această sarcină, marja depinde de consumul de combustibil). Apoi am trecut complet la regimuri noi. Trebuie spus că stația a crezut rapid în eficacitatea recomandărilor noastre, iar spre finalul testelor am observat din ce în ce mai mult că echipamentul funcționează în modurile pe care le calculasem anterior.
Rezultatul proiectului
Instalație: CET cu conexiuni transversale, 600 MW putere electrică, 2 Gcal putere termică.
Echipa: CROC - șapte persoane (experți în tehnologie, analiști, ingineri), CHPP - cinci persoane (experți în afaceri, utilizatori cheie, specialiști).
Perioada de implementare: 16 luni.
Rezultate:
- Am automatizat procesele de afaceri de menținere a regimurilor și de lucru pe piața angro.
- Au efectuat teste la scară completă care confirmă efectul economic.
- Am economisit 1,2% din combustibil datorită redistribuirii sarcinilor în timpul funcționării.
- Economisirea de 1% din combustibil datorită planificării echipamentelor pe termen scurt.
- Am optimizat calculul etapelor aplicațiilor pe PZU după criteriul maximizării profitului marginal.
Efectul final este de aproximativ 4%.
Perioada de amortizare estimată a proiectului (ROI) este de 1–1,5 ani.
Desigur, pentru a implementa și testa toate acestea, a trebuit să schimbăm multe procese și să lucrăm îndeaproape atât cu conducerea centralei termice, cât și cu compania generatoare în ansamblu. Dar rezultatul a meritat cu siguranță. A fost posibil să se creeze un geamăn digital al stației, să se dezvolte proceduri de planificare a optimizării și să se obțină un efect economic real.
Sursa: www.habr.com