Obstaja velika toplarna. Deluje kot običajno: kuri plin, proizvaja toploto za ogrevanje hiš in elektriko za skupno omrežje. Prva naloga je ogrevanje. Druga je prodati vse proizvedeno elektriko na veleprodnjem trgu. Včasih, ko je mraz in jasno nebo, pojavijo se snežne padavine, a to je stranski učinek delovanja hladilnikov.
Srednja toplarna sestavlja nekaj deset turbin in kotlov. Če so natančno znani potrebni obsegi proizvodnje električne energije in toplote, se naloga zmanjša na minimizacijo stroškov goriva. V tem primeru izračun vključuje izbiro sestave in odstotka obremenitve turbin in kotlov za dosego čim višje učinkovitosti delovanja opreme. Učinkovitost turbin in kotlov močno vpliva na vrsto opreme, čas delovanja brez vzdrževanja, način delovanja in še marsikaj drugega. Obstaja tudi druga naloga, kjer je treba ob znanih cenah električne energije in obsegih toplote ugotoviti, koliko električne energije je treba proizvesti in prodati, da bi dosegli maksimalen dobiček pri delu na veleprodnjem trgu. Takrat je dejavnik optimizacije - dobiček in učinkovitost opreme - veliko manj pomemben. Rezultat je lahko način, pri katerem oprema deluje popolnoma neučinkovito, a celoten proizveden volumen električne energije lahko prodamo z maksimalno maržo.
V teoriji je vse to že dolgo jasno in se lepo sliši. Problem je, kako to realizirati v praksi. Začeli smo s simulacijskim modeliranjem delovanja vsake enote opreme in celotne postaje. Prišli smo na toplarno in začeli zbirati parametre vseh enot, merili njihove resnične lastnosti in ocenili delovanje v različnih režimih. Na podlagi teh podatkov smo ustvarili natančne modele za simulacijo delovanja vsake enote opreme in jih uporabili za optimizacijske izračune. Da malo povem naprej, smo pridobili približno 4 % resnične učinkovitosti zgolj s pomočjo matematike.
Uspešno. Preden opišem naše rešitve, pa bom razložil, kako deluje toplarna z vidika logike odločanja.
Osnovne stvari
Osnovne komponente elektrarne so kotli in turbine. Turbine se vrtijo s paro visokega tlaka, ki vrti električne generatorje, ki proizvajajo električno energijo. Ostanki energije pare gredo za ogrevanje in toplo vodo. Kotli so mesta, kjer se proizvaja para. Ogrevanje kotla in pospeševanje parne turbine traja zelo dolgo (ure), kar pomeni neposredne izgube goriva. Isto velja za spremembo obremenitve. Takšne stvari je potrebno načrtovati vnaprej.
Oprema TČZ ima tehnični minimum, ki vključuje minimalno, a stabilno delovno stanje, pri katerem se zagotovi dovolj toplote za domove in industrijske porabnike. Običajno je potrebno količino toplote neposredno odvisno od vremenskih razmer (temperature zraka).
Vsak agregat ima krivuljo učinkovitosti in točko maksimalne učinkovitosti delovanja: pri določeni obremenitvi ta kotel in ta turbina zagotavljata najcenejšo električno energijo. Cenejšo — v smislu z minimalno specifično porabo goriva.
Večina TČZ v naši državi je s paralelnimi povezavami, ko vsi kotli delujejo na en kolektor pare in vse turbine so prav tako napajane iz enega kolektorja. To povečuje prilagodljivost pri obremenitvi opreme, a hkrati močno zaplete izračune. Včasih se zgodi, da opremo postaje delijo na dele, ki delujejo na različne kolektorje z različnimi tlaki pare. In če dodamo stroške za notranje potrebe — delo črpalk, ventilatorjev, hladilnikov in, da ne pozabimo, savn neposredno za ograjami TČZ — potem tu res lahko nastane veliko zmede.
Značilnosti vse opreme so nelinearne. Vsak agregat ima krivuljo z območji, kjer je učinkovitost višja in nižja. To je odvisno od obremenitve: pri 70 % bo učinkovitost ena, pri 30 % — druga.
Oprema se razlikuje po značilnostih. Obstajajo novi in stari turbine in kotli, obstajajo agregati različnih konstrukcij. Z pravilnim izbiranjem opreme in optimizacijo obremenitve v točkah največje učinkovitosti je mogoče znižati porabo goriva, kar vodi do prihranka stroškov ali večje marže.
Kako TČZ ve, koliko energije mora proizvesti?
Načrtovanje poteka tri dni vnaprej: v treh dneh postane znana načrtovana sestava opreme. To so turbine in kotli, ki bodo vključeni. Pogojujemo, da vemo, da bodo danes delali pet kotlov in deset turbin. Ne moremo vključevati druge opreme ali izklapljati načrtovane, lahko pa za vsak kotel spreminjamo obremenitev od minimuma do maksimuma, pri turbinah pa pridobivamo in zmanjšujemo moč. Korak od maksimuma do minimuma traja od 15 do 30 minut, odvisno od enote opreme. Tukaj je naloga preprosta: izbrati optimalne režime in jih vzdrževati ob upoštevanju operativnih popravkov.
Od kod ta sestava opreme? Določila se je na podlagi rezultatov trgovanja na veletrgu. Obstaja trg moči in električne energije. Na trgu moči proizvajalci oddajo zahtevo: 'Imamo takšno opremo, tu so minimalne in maksimalne moči ob upoštevanju načrtovanega izklopa za vzdrževanje. Lahko ponudimo 150 MW po tej ceni, 200 MW — po tej ceni, in 300 MW — po tej ceni'. To so dolgoročne zahteve. Po drugi strani pa tudi veliki potrošniki oddajajo zahteve: 'Potrebujemo toliko energije'. Konkretne cene se določijo v trenutku, ko se srečata tisto, kar lahko proizvajalci energije dajo, in tisto, kar potrošniki želijo vzeti. Te moči se določajo za vsak dan.
Običajno toplarna nosi približno enako obremenitev celo sezono: pozimi je prednostni izdelek toplota, poleti pa električna energija. Močna odstopanja so pogosto povezana z nekaterimi okvarami na sami postaji ali na sosednjih elektrarnah v eni cenovni coni veletrga. Vendar so vedno prisotna nihanja, ta nihanja pa močno vplivajo na ekonomično učinkovitost delovanja postaje. Potrebno moč lahko dosežemo s tremi kotli z obremenitvijo 50 % ali dvema z obremenitvijo 75 % in pogledati, kateri je pri tem bolj učinkovit.
Maržinost je odvisna od cen na trgu in stroškov proizvodnje električne energije. Na trgu se lahko cene oblikujejo tako, da je donosno spali gorivo, a dobro prodati električno energijo. Lahko pa se zgodi, da je v določenem trenutku potrebno preiti na tehnični minimum in zmanjšati izgube. Prav tako je treba upoštevati zaloge in ceno goriva: naravni plin je običajno omejen, medtem ko je plin, ki presega omejitev, bistveno dražji, o dizelskem gorivu niti ne govorimo. Vse to zahteva natančne matematične modele, da bi razumeli, katere zahtevke oddati in kako reagirati na spreminjajoče se okoliščine.
Kako se je to delalo pred našim prihodom
Praktično na papirju po ne zelo natančnih značilnostih opreme, ki se lahko precej razlikujejo od dejanskih. Takoj po preizkusu opreme so ti podatki v najboljšem primeru plus-minus 2 % od dejanskega stanja, po enem letu pa že plus-minus 7-8 %. Testiranja se izvajajo vsake pet let, pogosto še redkeje.
Naslednja točka je, da se vsi izračuni izvajajo v pogojnem gorivu. V SZ se je sprejela shema, kjer so izračunavali točno pogojno gorivo za primerjavo različnih elektrarn na dizelsko gorivo, premog, plin, jedrsko energijo in tako naprej. Treba je bilo ugotoviti učinkovitost vsakega generatorja, pogojevno gorivo pa je tisti pravi pokazatelj. Ugotavlja se po kalorijski vrednosti goriva: ena tona pogojnega goriva je približno enaka eni toni kamnitega premoga. Obstajajo tabele za pretvorbo različnih vrst goriv. Na primer, za rjavi premog so kazalci skoraj dvakrat slabši. A kalorijska vrednost ni povezana z rublji. To je kot bencin in dizel: ni nujno, da je dizel, ki stane 35 rubljev, bolj učinkovit od 92-oktanskega bencina, ki stane 32 rubljev, glede na kalorije.
Tretji dejavnik je zapletenost izračunov. Na podlagi izkušenj zaposlenega se izračunata dva ali tri scenariji, pogosteje pa se izbere najboljši način iz zgodovine prejšnjih obdobij za podobne obremenitve in vremenske razmere. Naravno, da zaposleni verjamejo, da izbirajo najbolj optimalne načine in menijo, da noben matematični model nikoli ne more preseči njihovih izbir.
Pridemo mi. Da bismo rešili problem, pripremamo digitalni dvojnik – imitačnu model stanice. To je kada pomoću specijalnih pristupa imitiramo sve tehnološke procese za svaku jedinicu opreme, obezbeđujemo toplotne i energetske bilanse i dobijamo tačan model rada TEP.
Za kreiranje modela koristimo:
- Strukturu i pasoške karakteristike opreme.
- Karakteristike na osnovu rezultata poslednjih ispitivanja opreme: svake pete godine na stanici se testiraju i preciziraju karakteristike opreme.
- Podatke iz arhiva ASU TP i sistema evidencije za sve dostupne tehnološke pokazatelje, potrošnje i proizvodnje toplote i električne energije. Uključujući podatke iz sistema evidencije o isporuci toplote i električne energije, kao i iz sistema telemehanike.
- Podatke sa trakastih i kružnih papirnih dijagrama. Da, takve analogne metode beleženja parametara rada opreme još uvek se koriste u ruskim elektranama, i mi ih digitalizujemo.
- Papirne svitke na stanicama, gde se stalno beleže osnovni parametri režima, uključujući one koji se ne beleže senzorima ASU TP. Obilazič dolazi svakih četiri sata, prepisuje pokazatelje i sve beleži u svitak.
Dakle, imamo obnovljene skupove podataka o tome kako je koja oprema radila, koliko goriva je dopremano, kakve su temperature i potrošnja pare, i koliko toplotne i električne energije je dobijeno na izlazu. Od hiljada takvih setova trebalo je skupiti karakteristike svake komponente. Srećom, u ovu analizu podataka već dugo znamo da igramo.
Opisivanje takvih složenih objekata putem matematičkih modela je izuzetno teško. A još teže je dokazati glavnom inženjeru da naš model tačno izračunava režime rada stanice. Zbog toga smo pristupili korišćenju specijalizovanih inženjerskih kompleksa, koji omogućavaju da se konstruira i isproba model TEP na osnovu konstruktivnih i tehnoloških karakteristika opreme. Izabrali smo softver Termoflow američke kompanije TermoFlex. Sada postoje ruski analozi, ali u to vreme ovaj paket je bio najbolji u svojoj klasi.
Za vsak agregat so izbrani njegova konstrukcija in osnovne tehnološke značilnosti. Sistem omogoča zelo podrobno opisovanje tako na logični kot fizični ravni, vse do navedbe stopnje oblog v ceveh toplotnih izmenjevalnikov.
Na koncu se model toplotne sheme postaje vizualno opisuje v izrazih tehnólogos-energetikov. Tehnologi se ne spoznajo na programiranje, matematiko in modeliranje, vendar lahko izberejo konstrukcijo enote, vhode in izhode agregatov ter navedo parametre zanje. Nato sistem sam izbere najbolj primerne parametre, tehnik pa jih natančno prilagodi, tako da doseže največjo natančnost za celoten spekter delovnih režimov. Naš cilj je bil zagotoviti natančnost modela 2 % za glavne tehnološke parametre, kar smo dosegli.
Uresničiti to se je izkazalo za precej zapleteno: izvorni podatki niso bili posebej natančni, zato smo prvih nekaj mesecev hodili po TČ in ročno zapisovali trenutne podatke iz manometrov ter nastavljali model na dejanske režime. Najprej smo izdelali modele turbin in kotlov. Vsako turbin in kotel smo natančno preverili. Za preverjanje modela smo oblikovali delovno skupino, ki je vključila predstavnike TČ.
Nato smo zbrali vso opremo v skupno shemo in nastavljali model TČ kot celote. Potrebno je bilo delo, saj so se v arhivih pojavili številni nasprotujoči si podatki. Na primer, našli smo režime s skupno izkoristkom 105 %.
Ko se sestavi celotna shema, sistem vedno izračuna uravnotežen režim: sestavljajo se materialni, električni in toplotni bilanci. Nato ocenjujemo, kako vse skupaj ustreza dejanskim parametrom režima glede na podatke iz instrumentov.
Šta je postignuto
Na koncu smo dobili natančen model tehnoloških procesov TČ, ki temelji na dejanskih značilnostih opreme in zgodovinskih podatkih. To je omogočilo natančnejše napovedovanje kot le na podlagi značilnosti testiranj. Ustvaril se je simulator realnih procesov postaje, digitalni dvojnik TČ.
V tem simulatorju smo omogočili analize po scenarijih 'kaj, če...' na podlagi določenih parametrov. Ta model je bil prav tako uporabljen za reševanje naloge optimizacije delovanja dejanske postaje.
Uspešno smo izvedli štiri optimizacijske izračune:
- Vodja smene na postaji pozna urnik ogrevanja, znane so ekipe sistemskega operaterja, znan je tudi urnik oskrbe z elektriko: katere obremenitve je potrebno vzeti z opremo, da dosežemo maksimalno maržo.
- Izbira sestave opreme glede na napovedi cen na trgu: na določen datum, ob upoštevanju urnika obremenitve in napovedi zunanje temperature, določamo optimalno sestavo opreme.
- Oddaja zahtevkov na trgu z enodnevno napovedjo: ko imamo sestavo opreme in natančnejšo napoved cen. Izračunamo in oddamo zahtevek.
- Uravnoteževalni trg — znotraj trenutnega dne, ko so zabeleženi električni in toplotni urniki, pa se večkrat dnevno, vsakih štiri ure, zaženejo dražbe na uravnoteževalnem trgu in lahko oddamo zahtevek: 'Prosim za dodatnih 5 MW.' Treba je najti deleže doziranja ali razkladanja, ko to prinaša maksimalno maržo.
Preizkušanja
Za točne testne rezultate smo morali primerjati standardne režime obremenitve opreme postaje z našimi izračunanimi priporočili pri enakih pogojih: sestava opreme, urniki obremenitve in vreme. V dveh mesecih smo izbirali obdobja dneva od štiri do šest ur s stabilnim urnikom. Prišli smo na postajo (pogosto ponoči), čakali, da postaja doseže režim, šele nato pa smo ga izračunali v simulacijskem modelu. Če je bil vodja smene na postaji zadovoljen, smo poslali operativno osebje, da nastavi ventile in spremeni režime opreme.
Primerjali smo kazalnike pred in po dejanskem zagonu. V vrhuncu, podnevi in ponoči, ob koncu tedna in med delovnimi dnevi. V vsakem režimu smo dosegli prihranke pri gorivu (v tej nalogi je marža odvisna od porabe goriva). Nato smo se povsem preusmerili na nove režime. Treba je reči, da so postaji dokaj hitro verjeli v učinkovitost naših priporočil in proti koncu testiranja smo vse pogosteje opažali, da oprema deluje v prej izračunanih režimih.
Izid projekta
Objekt: TPC s prečnimi povezavami, 600 MW električne moči, 2400 Gcal — toplotne.
Ekipa: KROK — sedem oseb (tehnološki strokovnjaki, analitiki, inženirji), TPC — pet oseb (poslovni strokovnjaki, ključni uporabniki, specializirani).
Čas izvajanja: 16 mesecev.
Rezultati:
- Automatizirali smo poslovne procese upravljanja režimima i rada na veleprodajnom tržištu.
- Izvršena su ispitivanja koja potvrđuju ekonomski učinak.
- Uštedjeli smo 1,2 % goriva redistribucijom opterećenja tokom upravljanja režimom.
- Sačuvali smo 1 % goriva zahvaljujući kratkoročnom planiranju opreme.
- Optimizirali smo izračun koraka za prijave na RCV prema kriteriju maksimizacije maržine profita.
Konačni učinak je otprilike 4 %.
Procijenjeno vrijeme povrata investicije (ROI) je 1–1,5 godina.
Naravno, da bismo sve to implementirali i testirali, morali smo promijeniti mnoge procese i raditi u bliskoj suradnji kako s menadžmentom TEP-a, tako i s kompanijom za proizvodnju u cjelini. No, rezultat je definitivno bio vredan truda. Uspjeli smo stvoriti digitalnog dvojnika stanice, razviti procedure optimizacijskog planiranja i postići stvarni ekonomski učinak.
Izvor: habr.com
