Tam je velika termoelektrarna. Deluje kot običajno: kuri plin, proizvaja toploto za ogrevanje hiš in električno energijo za splošno omrežje. Prva naloga je ogrevanje. Drugi je, da bi vso proizvedeno električno energijo prodali na veleprodajnem trgu. Včasih se tudi v mrzlem vremenu pojavi sneg pod vedrim nebom, vendar je to stranski učinek delovanja hladilnih stolpov.
Povprečna termoelektrarna je sestavljena iz nekaj deset turbin in kotlov. Če so potrebne količine električne in toplotne energije natančno znane, se naloga zmanjša na zmanjšanje stroškov goriva. V tem primeru se izračun zmanjša na izbiro sestave in odstotka obremenitve turbin in kotlov, da se doseže najvišja možna učinkovitost delovanja opreme. Učinkovitost turbin in kotlov je močno odvisna od vrste opreme, časa delovanja brez popravil, načina delovanja in še marsičesa. Obstaja še ena težava, ko se morate glede na znane cene električne energije in količine toplote odločiti, koliko električne energije boste proizvedli in prodali, da boste dobili največji dobiček od dela na veleprodajnem trgu. Potem je faktor optimizacije - dobiček in učinkovitost opreme - veliko manj pomemben. Posledica je lahko situacija, ko oprema deluje popolnoma neučinkovito, vendar je mogoče celotno količino proizvedene električne energije prodati z največjo maržo.
V teoriji je vse to že zdavnaj jasno in zveni lepo. Problem je, kako to izvesti v praksi. Začeli smo s simulacijskim modeliranjem delovanja posameznega dela opreme in celotne postaje kot celote. Prišli smo v termoelektrarno in začeli zbirati parametre vseh komponent, meriti njihove realne lastnosti in ocenjevati njihovo delovanje v različnih režimih. Na njihovi podlagi smo izdelali natančne modele za simulacijo delovanja posameznega kosa opreme in jih uporabili za optimizacijske izračune. Če pogledam naprej, bom rekel, da smo zgolj zaradi matematike pridobili približno 4 % realne učinkovitosti.
Zgodilo se je. Preden pa opišem naše odločitve, bom spregovoril o delovanju SPTE z vidika logike odločanja.
Osnovne stvari
Glavni elementi elektrarne so kotli in turbine. Turbine poganja visokotlačna para, ta pa vrti električne generatorje, ki proizvajajo elektriko. Preostala energija pare se porabi za ogrevanje in toplo vodo. Kotli so prostori, kjer nastaja para. Za segrevanje kotla in pospešek parne turbine je potrebno veliko časa (ur), kar je neposredna izguba goriva. Enako velja za spremembe obremenitve. Te stvari morate načrtovati vnaprej.
Oprema SPTE ima tehnični minimum, ki vključuje minimalen, vendar stabilen način delovanja, v katerem je mogoče zagotoviti zadostno količino toplote za stanovanja in industrijske porabnike. Običajno je potrebna količina toplote neposredno odvisna od vremena (temperature zraka).
Vsaka enota ima krivuljo učinkovitosti in točko največjega obratovalnega izkoristka: pri takšni in takšni obremenitvi tak in tak kotel ter takšna in takšna turbina dajeta najcenejšo elektriko. Poceni - v smislu minimalne specifične porabe goriva.
Večina naših termoelektrarn v Rusiji ima vzporedne povezave, ko vsi kotli delujejo na en zbiralnik pare in tudi vse turbine napaja en zbiralnik. To dodaja fleksibilnost pri nalaganju opreme, vendar močno oteži izračune. Prav tako se zgodi, da je oprema postaje razdeljena na dele, ki delujejo na različnih kolektorjih z različnimi tlaki pare. In če prištejete še stroške za interne potrebe - obratovanje črpalk, ventilatorjev, hladilnih stolpov in, bodimo iskreni, savn tik ob ograji termoelektrarne -, se bo hudič polomil.
Lastnosti vse opreme so nelinearne. Vsaka enota ima krivuljo z območji, kjer je učinkovitost višja in nižja. Odvisno je od obremenitve: pri 70% bo učinkovitost ena, pri 30% bo drugačna.
Oprema se razlikuje po lastnostih. Tu so nove in stare turbine in kotli ter agregati različnih izvedb. S pravilno izbiro opreme in optimalno obremenitvijo na točkah maksimalne učinkovitosti lahko zmanjšate porabo goriva, kar vodi do prihrankov stroškov ali večjih marž.
Kako SPTE naprava ve, koliko energije mora proizvesti?
Načrtovanje poteka tri dni vnaprej: v treh dneh postane znana načrtovana sestava opreme. To so turbine in kotli, ki se bodo vključili. Relativno gledano vemo, da bo danes obratovalo pet kotlov in deset turbin. Ne moremo vklopiti druge opreme ali izklopiti načrtovane, lahko pa spremenimo obremenitev posameznega kotla od minimalne do maksimalne ter povečamo in zmanjšamo moč turbin. Korak od maksimuma do minimuma je od 15 do 30 minut, odvisno od opreme. Naloga je preprosta: izberite optimalne načine in jih vzdržujte ob upoštevanju operativnih prilagoditev.
Od kod takšna sestava opreme? Določen je bil na podlagi rezultatov trgovanja na veleprodajnem trgu. Obstaja trg za moč in elektriko. Na trgu zmogljivosti proizvajalci oddajo vlogo: »Obstaja taka in taka oprema, to so minimalne in maksimalne zmogljivosti, upoštevajoč načrtovani izpad za popravilo. Po tej ceni lahko dobavimo 150 MW, po tej ceni 200 MW in po tej ceni 300 MW.« To so dolgoročne aplikacije. Po drugi strani pa tudi veliki odjemalci oddajo zahteve: "Potrebujemo toliko energije." Specifične cene so določene na presečišču tega, kar proizvajalci energije lahko zagotovijo, in tega, kar so potrošniki pripravljeni sprejeti. Te zmogljivosti so določene za vsako uro v dnevu.
Običajno ima termoelektrarna vso sezono približno enako obremenitev: pozimi je primarni proizvod toplota, poleti pa električna energija. Močna odstopanja so največkrat povezana s kakšno nesrečo na sami postaji ali sosednjih elektrarnah v istem cenovnem območju veleprodajnega trga. Toda vedno so nihanja in ta nihanja močno vplivajo na ekonomsko učinkovitost obrata. Zahtevano moč lahko prevzamejo trije kotli z obremenitvijo 50% ali dva z obremenitvijo 75% in poglejte, kateri je bolj učinkovit.
Marginalnost je odvisna od tržnih cen in stroškov proizvodnje električne energije. Na trgu so lahko cene takšne, da se splača kuriti, elektriko pa je dobro prodajati. Lahko pa se zgodi, da morate ob določeni uri doseči tehnični minimum in zmanjšati izgube. Ne pozabite tudi na rezerve in stroške goriva: zemeljski plin je običajno omejen, nadmejni plin pa je opazno dražji, da kurilnega olja niti ne omenjamo. Vse to zahteva natančne matematične modele, da bi razumeli, katere vloge oddati in kako se odzvati na spreminjajoče se okoliščine.
Kako je bilo, preden smo prišli
Skoraj na papirju, na podlagi ne preveč natančnih karakteristik opreme, ki se močno razlikujejo od dejanskih. Takoj po testiranju opreme bodo v najboljšem primeru plus ali minus 2% dejstva, po enem letu pa plus ali minus 7-8%. Testi se izvajajo vsakih pet let, pogosto manj pogosto.
Naslednja točka je, da se vsi izračuni izvajajo v referenčnem gorivu. V ZSSR je bila sprejeta shema, ko je bilo določeno konvencionalno gorivo obravnavano za primerjavo različnih postaj, ki uporabljajo kurilno olje, premog, plin, jedrsko proizvodnjo itd. Treba je bilo razumeti učinkovitost v papigah vsakega generatorja in običajno gorivo je prav ta papiga. Določena je s kalorično vrednostjo goriva: ena tona standardnega goriva je približno enaka eni toni premoga. Obstajajo pretvorbene tabele za različne vrste goriva. Na primer, pri rjavem premogu so kazalniki skoraj dvakrat slabši. Toda vsebnost kalorij ni povezana z rublji. To je kot bencin in dizelsko gorivo: ni dejstvo, da če dizelsko gorivo stane 35 rubljev, 92 pa 32 rubljev, potem bo dizel učinkovitejši glede vsebnosti kalorij.
Tretji dejavnik je kompleksnost izračunov. Običajno se na podlagi izkušenj zaposlenega izračunata dve ali tri možnosti, pogosteje pa se najboljši način izbere iz zgodovine prejšnjih obdobij za podobne obremenitve in vremenske razmere. Zaposleni seveda verjamejo, da izbirajo najbolj optimalne načine, in menijo, da jih noben matematični model ne bo nikoli presegel.
Prihajamo. Za rešitev problema pripravljamo digitalnega dvojčka – simulacijski model postaje. Takrat s posebnimi pristopi simuliramo vse tehnološke procese za posamezen kos opreme, združimo parno-vodne in energetske bilance ter dobimo natančen model delovanja termoelektrarne.
Za izdelavo modela uporabljamo:
- Zasnova in specifikacije opreme.
- Značilnosti na podlagi rezultatov najnovejših testov opreme: vsakih pet let postaja testira in izpopolnjuje lastnosti opreme.
- Podatki v arhivih avtomatiziranih sistemov vodenja procesov in računovodskih sistemov za vse razpoložljive tehnološke kazalnike, stroške ter proizvodnjo toplote in električne energije. Predvsem podatke iz merilnih sistemov za oskrbo s toploto in električno energijo ter iz sistemov telemehanike.
- Podatki iz papirnatih trakov in tortnih grafikonov. Da, takšne analogne metode snemanja parametrov delovanja opreme še vedno uporabljajo v ruskih elektrarnah in jih digitaliziramo.
- Papirni dnevniki na postajah, kjer se stalno beležijo glavni parametri načinov, vključno s tistimi, ki jih ne beležijo senzorji avtomatiziranega sistema za nadzor procesov. Strokovnjak hodi naokoli vsake štiri ure, prepisuje odčitke in vse zapisuje v dnevnik.
To pomeni, da smo rekonstruirali nize podatkov o tem, kaj je delovalo v kakšnem načinu, koliko goriva je bilo dobavljenega, kakšna je bila temperatura in poraba pare ter koliko toplotne in električne energije je bilo pridobljene na izhodu. Iz tisočih takih nizov je bilo treba zbrati značilnosti vsakega vozlišča. Na srečo lahko že dolgo igramo to igro Data Mining.
Opisovanje tako kompleksnih objektov z matematičnimi modeli je izjemno težko. In še težje je dokazati glavnemu inženirju, da naš model pravilno izračuna načine delovanja postaje. Zato smo ubrali pot uporabe specializiranih inženirskih sistemov, ki nam omogočajo sestavljanje in razhroščevanje modela termoelektrarne na podlagi konstrukcijskih in tehnoloških značilnosti opreme. Izbrali smo programsko opremo Termoflow ameriškega podjetja TermoFlex. Zdaj so se pojavili ruski analogi, vendar je bil takrat ta paket najboljši v svojem razredu.
Za vsako enoto so izbrane njene konstrukcijske in glavne tehnološke značilnosti. Sistem vam omogoča, da vse zelo podrobno opišete tako na logični kot fizični ravni, vse do navedbe stopnje usedlin v ceveh izmenjevalnika toplote.
Posledično je model toplotnega kroga postaje vizualno opisan v smislu energetskih tehnologov. Tehnologi se ne razumejo na programiranje, matematiko in modeliranje, lahko pa izberejo zasnovo enote, vhode in izhode enot ter jim določijo parametre. Nato sistem sam izbere najprimernejše parametre, tehnolog pa jih izpopolni tako, da dobi največjo natančnost za celoten razpon načinov delovanja. Zadali smo si cilj - zagotoviti 2% točnost modela za glavne tehnološke parametre in to tudi dosegli.
Izkazalo se je, da to ni tako enostavno narediti: začetni podatki niso bili zelo natančni, zato smo prvih nekaj mesecev hodili po termoelektrarni in ročno odčitavali trenutne kazalnike z manometrov ter prilagajali model na dejanske razmere. Najprej smo izdelali modele turbin in kotlov. Vsaka turbina in kotel je bila preverjena. Za testiranje modela je bila ustanovljena delovna skupina, v katero so bili vključeni tudi predstavniki termoelektrarne.
Nato smo vso opremo sestavili v splošno shemo in uglasili model SPTE kot celoto. Moral sem nekaj delati, saj je bilo v arhivih veliko nasprotujočih si podatkov. Na primer, našli smo načine s skupno učinkovitostjo 105 %.
Ko sestavite celotno vezje, sistem vedno upošteva uravnotežen način: sestavijo se materialna, električna in toplotna bilanca. Nato ocenimo, kako vse sestavljeno ustreza dejanskim parametrom načina glede na indikatorje iz instrumentov.
Kaj se je zgodilo
Kot rezultat smo dobili natančen model tehničnih procesov termoelektrarne, ki temelji na dejanskih karakteristikah opreme in zgodovinskih podatkih. To je omogočilo, da so bile napovedi natančnejše kot na podlagi samih značilnosti testa. Rezultat je simulator realnih procesov v obratu, digitalni dvojček termoelektrarne.
Ta simulator je omogočil analizo scenarijev »kaj če ...« na podlagi danih indikatorjev. Ta model je bil uporabljen tudi za reševanje problema optimizacije delovanja realne postaje.
Izvesti je bilo mogoče štiri optimizacijske izračune:
- Vodja izmene postaje pozna urnik dobave toplote, poznajo se ukazi sistemskega operaterja in pozna se urnik dobave električne energije: katera oprema bo prevzela katere obremenitve, da bo dosegla maksimalne marže.
- Izbira sestave opreme glede na napoved tržne cene: za določen datum, ob upoštevanju razporeda obremenitev in napovedi zunanje temperature zraka, določimo optimalno sestavo opreme.
- Oddaja prijav na trg dan vnaprej: ko je znana sestava opreme in natančnejša napoved cene. Izračunamo in oddamo vlogo.
- Izravnalni trg je sicer že v okviru tekočega dneva, ko so električni in toplotni urniki določeni, vendar se večkrat na dan, vsake štiri ure, na izravnalnem trgu sproži trgovanje, pri čemer lahko oddate vlogo: »Prosim za dodajanje 5 MW na mojo obremenitev.« Najti moramo deleže dodatnega nakladanja ali razkladanja, ko to daje največjo maržo.
Testiranje
Za pravilno testiranje smo morali primerjati standardne načine obremenitve opreme postaje z našimi izračunanimi priporočili pod enakimi pogoji: sestava opreme, urniki obremenitve in vreme. V nekaj mesecih smo izbrali štiri- do šesturne intervale dneva s stalnim urnikom. Na postajo so prišli (pogosto ponoči), počakali, da je postaja prešla v obratovalni režim, in šele nato to izračunali v simulacijskem modelu. Če je bil nadzornik izmene postaje zadovoljen z vsem, je bilo operativno osebje poslano, da zavrti ventile in spremeni načine opreme.
Kazalnike prej in potem smo primerjali naknadno. V času konic, podnevi in ponoči, ob vikendih in delavnikih. Pri vsakem načinu smo dosegli prihranke pri gorivu (pri tej nalogi je marža odvisna od porabe goriva). Nato smo popolnoma prešli na nove režime. Povedati je treba, da je postaja hitro verjela v učinkovitost naših priporočil in proti koncu testov smo vedno bolj opazili, da oprema deluje v načinih, ki smo jih predhodno izračunali.
Rezultat projekta
Objekt: SPTE s prečnimi povezavami, 600 MW električne moči, 2 Gcal toplotne moči.
Ekipa: CROC - sedem ljudi (tehnološki strokovnjaki, analitiki, inženirji), SPTE - pet ljudi (poslovni strokovnjaki, ključni uporabniki, specialisti).
Obdobje izvajanja: 16 mesecev.
Rezultati:
- Avtomatizirali smo poslovne procese vzdrževanja režimov in dela na veleprodajnem trgu.
- Izvedeni obsežni testi, ki potrjujejo ekonomski učinek.
- Zaradi prerazporeditve obremenitev med obratovanjem smo prihranili 1,2 % goriva.
- Prihranek 1 % goriva zahvaljujoč kratkoročnemu načrtovanju opreme.
- Optimizirali smo izračun stopenj aplikacij na DAM po kriteriju maksimiranja mejnega dobička.
Končni učinek je približno 4%.
Predvidena vračilna doba projekta (ROI) je 1–1,5 leta.
Seveda smo morali za izvedbo in testiranje vsega tega spremeniti številne procese in tesno sodelovati tako z vodstvom termoelektrarne kot celotne proizvodne družbe. Toda rezultat je bil vsekakor vreden. Ustvariti je bilo mogoče digitalni dvojček postaje, razviti postopke načrtovanja optimizacije in doseči pravi ekonomski učinek.
Vir: www.habr.com