Nachádza sa tu veľká tepelná elektráreň. Funguje ako obvykle: spaľuje plyn, vyrába teplo na vykurovanie domov a elektrinu pre všeobecnú sieť. Prvou úlohou je vykurovanie. Druhým je predaj všetkej vyrobenej elektriny na veľkoobchodnom trhu. Občas sa aj v chladnom počasí pod jasnou oblohou objaví sneh, ale to je vedľajší efekt prevádzky chladiacich veží.
Priemerná tepelná elektráreň pozostáva z niekoľkých desiatok turbín a kotlov. Ak sú presne známe požadované objemy výroby elektriny a tepla, úlohou je minimalizovať náklady na palivo. V tomto prípade je výpočet založený na voľbe zloženia a percenta zaťaženia turbín a kotlov pre dosiahnutie čo najvyššej účinnosti prevádzky zariadení. Účinnosť turbín a kotlov silne závisí od typu zariadenia, doby prevádzky bez opráv, prevádzkového režimu a oveľa viac. Ďalším problémom je, keď sa pri známych cenách elektriny a objemoch tepla musíte rozhodnúť, koľko elektriny vyrobiť a predať, aby ste z práce na veľkoobchodnom trhu získali maximálny zisk. Potom je optimalizačný faktor – zisk a efektivita zariadení – oveľa menej dôležitý. Výsledkom môže byť situácia, keď zariadenie funguje úplne neefektívne, ale celý objem vyrobenej elektriny je možné predať s maximálnou maržou.
Teoreticky je to všetko už dávno jasné a znie to krásne. Problém je, ako to urobiť v praxi. Začali sme simulačným modelovaním prevádzky každého zariadenia a celej stanice ako celku. Prišli sme do tepelnej elektrárne a začali zbierať parametre všetkých komponentov, merať ich skutočné vlastnosti a vyhodnocovať ich prevádzku v rôznych režimoch. Na ich základe sme vytvorili presné modely na simuláciu prevádzky jednotlivých zariadení a použili ich na optimalizačné výpočty. Pri pohľade do budúcnosti poviem, že sme získali asi 4 % reálnej efektívnosti jednoducho vďaka matematike.
Stalo. Ale predtým, ako popíšem naše rozhodnutia, porozprávam o tom, ako funguje KVET z pohľadu logiky rozhodovania.
Základné veci
Hlavnými prvkami elektrárne sú kotly a turbíny. Turbíny sú poháňané vysokotlakovou parou, ktorá zase otáča elektrické generátory, ktoré vyrábajú elektrickú energiu. Zvyšná energia pary sa využíva na vykurovanie a ohrev vody. Kotly sú miesta, kde vzniká para. Rozohriatie kotla a zrýchlenie parnej turbíny zaberie veľa času (hodiny) a to je priama strata paliva. To isté platí pre zmeny zaťaženia. Tieto veci si musíte vopred naplánovať.
Zariadenia KVET majú technické minimum, ktoré zahŕňa minimálny, ale stabilný prevádzkový režim, v ktorom je možné zabezpečiť dostatok tepla pre domácnosti a priemyselných spotrebiteľov. Požadované množstvo tepla zvyčajne priamo závisí od počasia (teplota vzduchu).
Každá jednotka má krivku účinnosti a bod maximálnej prevádzkovej účinnosti: pri takom a takom zaťažení poskytuje taký a taký kotol a taká a taká turbína najlacnejšiu elektrinu. Lacné – v zmysle minimálnej mernej spotreby paliva.
Väčšina našich kogeneračných jednotiek v Rusku má paralelné pripojenie, kedy všetky kotly pracujú na jednom parnom kolektore a všetky turbíny sú tiež poháňané jedným kolektorom. To pridáva flexibilitu pri nakladaní zariadení, ale značne komplikuje výpočty. Stáva sa tiež, že zariadenie stanice je rozdelené na časti, ktoré pracujú na rôznych kolektoroch s rôznym tlakom pary. A ak sa k tomu pripočítajú náklady na interné potreby – prevádzka čerpadiel, ventilátorov, chladiacich veží a povedzme si úprimne, sauny priamo za plotom tepelnej elektrárne – podlomia sa diablovi nohy.
Charakteristiky všetkých zariadení sú nelineárne. Každá jednotka má krivku so zónami, kde je účinnosť vyššia a nižšia. Závisí to od zaťaženia: pri 70 % bude účinnosť jedna, pri 30 % iná.
Zariadenie sa líši vo vlastnostiach. Existujú nové a staré turbíny a kotly a existujú jednotky rôznych konštrukcií. Správnym výberom vybavenia a jeho optimálnym zaťažením v bodoch maximálnej účinnosti môžete znížiť spotrebu paliva, čo vedie k úspore nákladov alebo väčším maržiam.
Ako kogeneračná jednotka vie, koľko energie potrebuje na výrobu?
Plánovanie sa vykonáva tri dni vopred: do troch dní bude známe plánované zloženie zariadenia. Toto sú turbíny a kotly, ktoré budú zapnuté. Relatívne vieme, že dnes bude fungovať päť kotlov a desať turbín. Nemôžeme zapnúť iné zariadenie alebo vypnúť plánované, ale môžeme zmeniť zaťaženie každého kotla z minimálneho na maximálne a zvýšiť a znížiť výkon pre turbíny. Krok z maxima na minimum je od 15 do 30 minút v závislosti od zariadenia. Úloha je jednoduchá: vyberte optimálne režimy a udržujte ich, berúc do úvahy prevádzkové úpravy.
Odkiaľ pochádza toto zloženie vybavenia? Bola stanovená na základe výsledkov obchodovania na veľkoobchodnom trhu. Existuje trh s kapacitou a elektrickou energiou. Na kapacitnom trhu výrobcovia podávajú žiadosť: „Existuje také a také zariadenie, sú to minimálne a maximálne kapacity s prihliadnutím na plánovanú odstávku na opravy. Môžeme dodať 150 MW za túto cenu, 200 MW za túto cenu a 300 MW za túto cenu.“ Ide o dlhodobé aplikácie. Na druhej strane aj veľkí spotrebitelia predkladajú požiadavky: „Potrebujeme toľko energie.“ Konkrétne ceny sa určujú na priesečníku toho, čo môžu výrobcovia energie poskytnúť a čo sú ochotní odobrať spotrebitelia. Tieto kapacity sú určené pre každú hodinu dňa.
Tepelná elektráreň zvyčajne nesie približne rovnaké zaťaženie počas celej sezóny: v zime je primárnym produktom teplo a v lete elektrina. Silné odchýlky sú najčastejšie spojené s nejakou haváriou na samotnej stanici alebo v priľahlých elektrárňach v rovnakej cenovej zóne veľkoobchodného trhu. Vždy však existujú výkyvy a tieto výkyvy výrazne ovplyvňujú ekonomickú efektívnosť závodu. Potrebný výkon môžu odoberať tri kotly so záťažou 50% alebo dva so záťažou 75% a uvidíte, ktorý je účinnejší.
Marginalita závisí od trhových cien a nákladov na výrobu elektriny. Na trhu môžu byť ceny také, že je výhodné spaľovať palivo, ale elektrinu je dobré predávať. Alebo sa môže stať, že v konkrétnu hodinu treba ísť na technické minimum a znížiť straty. Musíte tiež pamätať na rezervy a náklady na palivo: zemný plyn je zvyčajne obmedzený a nadlimitný plyn je výrazne drahší, nehovoriac o vykurovacom oleji. To všetko si vyžaduje presné matematické modely, aby sme pochopili, ktoré aplikácie podať a ako reagovať na meniace sa okolnosti.
Ako to bolo urobené predtým, ako sme prišli
Takmer na papieri na základe nie veľmi presných charakteristík zariadení, ktoré sa od skutočných značne líšia. Ihneď po otestovaní zariadenia budú v najlepšom prípade plus-mínus 2% skutočnosti a po roku - plus-mínus 7-8%. Testy sa vykonávajú každých päť rokov, často menej často.
Ďalším bodom je, že všetky výpočty sa vykonávajú v referenčnom palive. V ZSSR bola prijatá schéma, keď sa uvažovalo o určitom konvenčnom palive na porovnanie rôznych staníc využívajúcich vykurovací olej, uhlie, plyn, jadrovú výrobu atď. Bolo potrebné pochopiť účinnosť papagájov každého generátora a konvenčné palivo je práve papagáj. Určuje sa podľa výhrevnosti paliva: jedna tona štandardného paliva sa približne rovná jednej tone uhlia. Existujú prevodné tabuľky pre rôzne druhy paliva. Napríklad v prípade hnedého uhlia sú ukazovatele takmer dvakrát horšie. Ale obsah kalórií nesúvisí s rubľmi. Je to ako benzín a nafta: nie je pravda, že ak nafta stojí 35 rubľov a 92 stojí 32 rubľov, nafta bude z hľadiska obsahu kalórií efektívnejšia.
Tretím faktorom je zložitosť výpočtov. Zvyčajne sa na základe skúseností zamestnanca vypočítajú dve alebo tri možnosti a častejšie sa vyberie najlepší režim z histórie predchádzajúcich období pre podobné zaťaženie a poveternostné podmienky. Prirodzene, zamestnanci veria, že si vyberajú tie najoptimálnejšie režimy, a veria, že žiadny matematický model ich nikdy neprekoná.
Prichádzame. Na vyriešenie problému pripravujeme digitálne dvojča – simulačný model stanice. Vtedy špeciálnymi prístupmi nasimulujeme všetky technologické procesy pre každé zariadenie, skombinujeme paro-vodnú a energetickú bilanciu a získame presný model prevádzky tepelnej elektrárne.
Na vytvorenie modelu používame:
- Dizajn a špecifikácie zariadenia.
- Charakteristiky založené na výsledkoch najnovších testov zariadení: každých päť rokov stanica testuje a zdokonaľuje vlastnosti zariadenia.
- Údaje v archívoch automatizovaných systémov riadenia procesov a účtovných systémov pre všetky dostupné technologické ukazovatele, náklady a výrobu tepla a elektriny. Ide najmä o údaje z meracích systémov dodávky tepla a elektriny, ako aj z telemechanických systémov.
- Údaje z papierových pásikov a koláčových grafov. Áno, takéto analógové metódy zaznamenávania prevádzkových parametrov zariadení sa stále používajú v ruských elektrárňach a digitalizujeme ich.
- Papierové denníky na staniciach, kde sa neustále zaznamenávajú hlavné parametre režimov, vrátane tých, ktoré nezaznamenávajú senzory automatizovaného systému riadenia procesov. Čára každé štyri hodiny chodí okolo, prepisuje namerané hodnoty a všetko zapisuje do denníka.
To znamená, že sme zrekonštruovali súbory údajov o tom, čo v akom režime fungovalo, koľko paliva sa dodalo, aká bola teplota a spotreba pary a koľko tepelnej a elektrickej energie sa získalo na výstupe. Z tisícok takýchto súborov bolo potrebné zozbierať charakteristiky každého uzla. Našťastie sme túto hru Data Mining mohli hrať už dlho.
Popis takýchto zložitých objektov pomocou matematických modelov je mimoriadne náročný. A ešte ťažšie je dokázať hlavnému inžinierovi, že náš model správne vypočítava prevádzkové režimy stanice. Preto sme sa vydali cestou využitia špecializovaných inžinierskych systémov, ktoré nám umožňujú zostaviť a odladiť model tepelnej elektrárne na základe konštrukčných a technologických charakteristík zariadenia. Vybrali sme si softvér Termoflow od americkej spoločnosti TermoFlex. Teraz sa objavili ruské analógy, ale v tom čase bol tento konkrétny balík najlepší vo svojej triede.
Pre každú jednotku sa vyberie jej dizajn a hlavné technologické charakteristiky. Systém vám umožňuje veľmi podrobne popísať všetko na logickej aj fyzickej úrovni, až po označenie stupňa usadenín v rúrkach výmenníka tepla.
Výsledkom je, že model tepelného okruhu stanice je popísaný vizuálne z hľadiska energetických technológov. Technológovia nerozumejú programovaniu, matematike a modelovaniu, ale vedia vybrať dizajn jednotky, vstupy a výstupy jednotiek a špecifikovať im parametre. Potom systém sám vyberie najvhodnejšie parametre a technológ ich doladí tak, aby získal maximálnu presnosť pre celý rozsah prevádzkových režimov. Stanovili sme si cieľ - zabezpečiť presnosť modelu 2% pre hlavné technologické parametre a dosiahli sme to.
Ukázalo sa, že to nie je také ľahké: počiatočné údaje neboli príliš presné, takže prvých pár mesiacov sme chodili po tepelnej elektrárni a ručne odčítavali aktuálne ukazovatele z tlakomerov a ladili model na skutočných podmienok. Najprv sme vyrobili modely turbín a kotlov. Každá turbína a kotol boli overené. Na testovanie modelu bola vytvorená pracovná skupina, do ktorej boli zaradení zástupcovia tepelnej elektrárne.
Potom sme všetky zariadenia zostavili do všeobecnej schémy a vyladili model CHP ako celok. Musel som urobiť nejakú prácu, pretože v archívoch bolo veľa protichodných údajov. Našli sme napríklad režimy s celkovou účinnosťou 105 %.
Keď zostavujete kompletný obvod, systém vždy berie do úvahy vyvážený režim: zostavuje sa materiálová, elektrická a tepelná bilancia. Ďalej vyhodnotíme, ako všetko zmontované zodpovedá skutočným parametrom režimu podľa indikátorov z prístrojov.
Čo sa stalo
V dôsledku toho sme dostali presný model technických procesov tepelnej elektrárne na základe skutočných charakteristík zariadenia a historických údajov. To umožnilo, aby boli predpovede presnejšie ako na základe samotných testovacích charakteristík. Výsledkom je simulátor reálnych procesov závodu, digitálne dvojča tepelnej elektrárne.
Tento simulátor umožnil analyzovať scenáre „čo ak...“ na základe daných ukazovateľov. Tento model bol použitý aj pri riešení problému optimalizácie prevádzky reálnej stanice.
Bolo možné implementovať štyri optimalizačné výpočty:
- Vedúci zmeny stanice pozná harmonogram dodávky tepla, sú známe príkazy prevádzkovateľa systému a je známy harmonogram dodávky elektriny: ktoré zariadenie odoberie aké zaťaženia, aby sa dosiahli maximálne marže.
- Výber zloženia zariadenia na základe prognózy trhovej ceny: na daný termín, s prihliadnutím na harmonogram zaťaženia a predpoveď vonkajšej teploty vzduchu, určíme optimálne zloženie zariadenia.
- Podávanie žiadostí na trh deň vopred: keď je známe zloženie zariadenia a existuje presnejšia cenová predpoveď. Vypočítame a odošleme žiadosť.
- Bilančný trh je už v rámci aktuálneho dňa, kedy sú pevné elektrické a tepelné harmonogramy, ale niekoľkokrát denne, každé štyri hodiny, sa na bilančnom trhu spúšťa obchodovanie a môžete podať žiadosť: „Poprosím o doplnenie 5 MW na moju záťaž.“ Musíme nájsť podiely dodatočného nakladania alebo vykladania, keď to dáva maximálnu rezervu.
test
Pre správne testovanie sme potrebovali porovnať štandardné režimy zaťaženia zariadenia stanice s našimi vypočítanými odporúčaniami za rovnakých podmienok: zloženie zariadenia, harmonogramy zaťaženia a počasie. V priebehu niekoľkých mesiacov sme zvolili štvor- až šesťhodinové intervaly dňa so stabilným harmonogramom. Prišli na stanicu (často v noci), počkali, kým stanica dosiahne prevádzkový režim a až potom to vypočítali v simulačnom modeli. Ak bol dozorca zmeny stanice so všetkým spokojný, potom bol vyslaný obsluhujúci personál, aby otočil ventily a zmenil režimy zariadenia.
Ukazovatele pred a po sa porovnávali dodatočne. Počas špičiek, cez deň aj v noci, cez víkendy a v pracovné dni. V každom režime sme dosiahli úsporu paliva (pri tejto úlohe závisí marža od spotreby paliva). Potom sme prešli úplne na nové režimy. Treba povedať, že stanica rýchlo uverila účinnosti našich odporúčaní a ku koncu testov sme si čoraz viac všímali, že zariadenie pracuje v režimoch, ktoré sme predtým vypočítali.
Výsledok projektu
Zariadenie: CHP s priečnymi prepojeniami, elektrický výkon 600 MW, tepelný výkon 2 400 Gcal.
Tím: CROC - sedem ľudí (technologickí experti, analytici, inžinieri), CHPP - päť ľudí (obchodní experti, kľúčoví používatelia, špecialisti).
Doba realizácie: 16 mesiacov.
výsledky:
- Zautomatizovali sme obchodné procesy udržiavania režimov a práce na veľkoobchodnom trhu.
- Vykonali sa testy v plnom rozsahu potvrdzujúce ekonomický efekt.
- Vďaka prerozdeleniu záťaže počas prevádzky sme ušetrili 1,2 % paliva.
- Úspora 1 % paliva vďaka krátkodobému plánovaniu vybavenia.
- Optimalizovali sme výpočet fáz aplikácií na DAM podľa kritéria maximalizácie hraničného zisku.
Konečný efekt je asi 4%.
Odhadovaná doba návratnosti projektu (ROI) je 1–1,5 roka.
Samozrejme, aby sme to všetko zaviedli a otestovali, museli sme zmeniť mnohé procesy a úzko spolupracovať tak s vedením tepelnej elektrárne, ako aj s výrobnou spoločnosťou ako celkom. Výsledok však rozhodne stál za to. Podarilo sa vytvoriť digitálne dvojča stanice, vyvinúť optimalizačné plánovacie postupy a dosiahnuť skutočný ekonomický efekt.
Zdroj: hab.com