Симулација рада праве термоелектране за оптимизацију режима: парни и математички

Постоји велика термоелектрана. Ради као и обично: сагорева гас, производи топлоту за грејање кућа и струју за општу мрежу. Први задатак је загревање. Други је да сву произведену електричну енергију продамо на велетржишту. Понекад, чак и по хладном времену, снег се појављује под ведрим небом, али то је нуспојава рада расхладних торњева.

Просечна термоелектрана се састоји од неколико десетина турбина и котлова. Ако су потребне количине производње електричне и топлотне енергије тачно познате, онда се задатак своди на минимизирање трошкова горива. У овом случају прорачун се своди на избор састава и процента оптерећења турбина и котлова за постизање највеће могуће ефикасности рада опреме. Ефикасност турбина и котлова у великој мери зависи од врсте опреме, времена рада без поправки, режима рада и још много тога. Постоји још један проблем када, с обзиром на познате цене електричне енергије и количине топлотне енергије, треба да одлучите колико електричне енергије ћете произвести и продати да бисте остварили максималан профит од рада на велетржишту. Тада је фактор оптимизације - профит и ефикасност опреме - много мање важан. Резултат може бити ситуација у којој опрема ради потпуно неефикасно, али се целокупна количина произведене електричне енергије може продати са максималном маржом.

У теорији, све је ово одавно јасно и звучи лепо. Проблем је како то урадити у пракси. Започели смо симулационо моделовање рада сваког дела опреме и целе станице у целини. Дошли смо у термоелектрану и почели да прикупљамо параметре свих компоненти, меримо њихове стварне карактеристике и процењујемо њихов рад у различитим режимима. На основу њих креирали смо прецизне моделе за симулацију рада сваког комада опреме и користили их за оптимизацијске прорачуне. Гледајући унапред, рећи ћу да смо само захваљујући математици добили око 4% стварне ефикасности.

Десило. Али пре него што опишем наше одлуке, говорићу о томе како ЦХП функционише са становишта логике одлучивања.

Основне ствари

Главни елементи електране су котлови и турбине. Турбине покреће пара високог притиска, која заузврат ротира електричне генераторе који производе електричну енергију. Преостала енергија паре се користи за грејање и топлу воду. Котлови су места где се ствара пара. За загревање котла и убрзање парне турбине потребно је доста времена (сати) и то је директан губитак горива. Исто важи и за промене оптерећења. Ове ствари морате планирати унапред.

ЦХП опрема има технички минимум, који укључује минималан, али стабилан режим рада, у којем је могуће обезбедити довољно топлоте за домове и индустријске потрошаче. Типично, потребна количина топлоте директно зависи од времена (температуре ваздуха).

Сваки агрегат има криву ефикасности и тачку максималне радне ефикасности: при том и таквом оптерећењу, тај и такав котао и таква и таква турбина дају најјефтинију струју. Јефтино - у смислу минималне специфичне потрошње горива.

Већина наших термоелектрана у Русији има паралелне прикључке, када сви котлови раде на једном парном колектору и све турбине такође напаја један колектор. Ово додаје флексибилност приликом утовара опреме, али у великој мери компликује прорачуне. Такође се дешава да је опрема станице подељена на делове који раде на различитим колекторима са различитим притисцима паре. А ако се томе додају трошкови за унутрашње потребе – рад пумпи, вентилатора, расхладних торњева и, да будемо искрени, сауна одмах испред ограде термоелектране – онда ће се ђаволу ноге сломити.

Карактеристике све опреме су нелинеарне. Свака јединица има криву са зонама где је ефикасност већа и нижа. Зависи од оптерећења: на 70% ефикасност ће бити једна, на 30% ће бити другачија.

Опрема се разликује по карактеристикама. Постоје нове и старе турбине и котлови, а постоје и агрегати различитих дизајна. Правилним одабиром опреме и оптималним пуњењем на тачкама максималне ефикасности можете смањити потрошњу горива, што доводи до уштеде трошкова или веће марже.

Како ЦХП постројење зна колико енергије треба да произведе?

Планирање се врши три дана унапред: у року од три дана постаје познат планирани састав опреме. То су турбине и котлови који ће бити укључени. Релативно говорећи, знамо да ће данас радити пет котлова и десет турбина. Не можемо укључити другу опрему нити искључити планирану, али можемо променити оптерећење за сваки котао са минималног на максимално, и повећати и смањити снагу за турбине. Корак од максимума до минимума је од 15 до 30 минута, у зависности од комада опреме. Овде је задатак једноставан: изаберите оптималне режиме и одржавајте их, узимајући у обзир оперативна подешавања.

Одакле овакав састав опреме? Утврђен је на основу резултата трговања на велетржишту. Постоји тржиште за струју и струју. На тржишту капацитета произвођачи подносе пријаву: „Има те и такве опреме, то су минимални и максимални капацитети, узимајући у обзир планирани испад ради ремонта. Можемо да испоручимо 150 МВ по овој цени, 200 МВ по овој цени и 300 МВ по овој цени. Ово су дугорочне апликације. С друге стране, захтеви подносе и велики потрошачи: „Треба нам толико енергије. Специфичне цене се одређују на пресеку онога што произвођачи енергије могу да обезбеде и шта су потрошачи спремни да преузму. Ови капацитети се одређују за сваки сат у дану.

Типично, термоелектрана носи приближно исто оптерећење током целе сезоне: зими је примарни производ топлота, а лети струја. Јака одступања су најчешће повезана са неком врстом хаварије на самој станици или на суседним електранама у истој ценовној зони велетржнице. Али увек постоје флуктуације, а ове флуктуације у великој мери утичу на економску ефикасност постројења. Потребну снагу могу узети три котла са оптерећењем од 50% или два са оптерећењем од 75% па погледајте који је ефикаснији.

Маргиналност зависи од тржишних цена и трошкова производње електричне енергије. На тржишту су цене можда такве да је исплативо сагоревати гориво, али је добро продавати струју. Или може бити да у одређеном сату морате ићи на технички минимум и смањити губитке. Такође морате запамтити о резервама и трошковима горива: природни гас је обично ограничен, а гас изнад границе је приметно скупљи, да не помињемо мазут. Све ово захтева прецизне математичке моделе да би се разумело које апликације треба поднети и како реаговати на променљиве околности.

Како је то урађено пре нашег доласка

Готово на папиру, на основу не баш тачних карактеристика опреме, које се у великој мери разликују од стварних. Одмах након тестирања опреме, у најбољем случају, они ће бити плус или минус 2% чињенице, а након годину дана - плус или минус 7-8%. Тестови се спроводе сваких пет година, често ређе.

Следећа ствар је да се сви прорачуни врше у референтном гориву. У СССР-у је усвојена шема када је одређено конвенционално гориво сматрано за упоређивање различитих станица које користе мазут, угаљ, гас, нуклеарну производњу итд. Требало је разумети ефикасност у папагајима сваког генератора, а конвенционално гориво је управо тај папагај. Одређује се калоричном вредношћу горива: једна тона стандардног горива је приближно једнака једној тони угља. Постоје табеле конверзије за различите врсте горива. На пример, за мрки угаљ показатељи су скоро дупло лошији. Али садржај калорија није везан за рубље. То је као бензин и дизел: није чињеница да ако дизел кошта 35 рубаља, а 92 кошта 32 рубља, онда ће дизел бити ефикаснији у погледу садржаја калорија.

Трећи фактор је сложеност прорачуна. Конвенционално, на основу искуства запосленог, израчунавају се две или три опције, а чешће се бира најбољи режим из историје претходних периода за слична оптерећења и временске услове. Наравно, запослени верују да бирају најоптималније начине рада и верују да их ниједан математички модел никада неће надмашити.

Долазимо. Да бисмо решили проблем, припремамо дигитални близанац - симулациони модел станице. Тада, уз посебне приступе, симулирамо све технолошке процесе за сваки комад опреме, комбинујемо паро-водни и енергетски биланс и добијемо тачан модел рада термоелектране.

За креирање модела користимо:

• Дизајн и спецификације опреме.
• Карактеристике на основу резултата најновијих испитивања опреме: сваких пет година станица тестира и усавршава карактеристике опреме.
• Подаци у архиви аутоматизованих система управљања процесима и рачуноводствених система за све расположиве технолошке показатеље, трошкове и производњу топлотне и електричне енергије. Конкретно, подаци из мерних система за снабдевање топлотом и електричном енергијом, као и из телемеханичких система.
• Подаци са папирних тракастих и тортних графикона. Да, такве аналогне методе снимања радних параметара опреме се и даље користе у руским електранама, а ми их дигитализујемо.
• Папирни дневници на станицама где се стално бележе главни параметри режима, укључујући и оне које не бележе сензори аутоматизованог система управљања процесом. Линијар обилази свака четири сата, преписује очитавања и све записује у дневник.

Односно, реконструисали смо скупове података о томе шта је у ком режиму радило, колико горива је испоручено, колика је била температура и потрошња паре и колико је топлотне и електричне енергије добијено на излазу. Од хиљада таквих скупова било је потребно прикупити карактеристике сваког чвора. Срећом, већ дуже време можемо да играмо ову игру Дата Мининг.

Описивање овако сложених објеката помоћу математичких модела је изузетно тешко. А још је теже доказати главном инжењеру да наш модел исправно израчунава режиме рада станице. Стога смо кренули путем коришћења специјализованих инжењерских система који нам омогућавају да саставимо и дебагујемо модел термоелектране на основу дизајна и технолошких карактеристика опреме. Изабрали смо софтвер Термофлов америчке компаније ТермоФлек. Сада су се појавили руски аналози, али у то време овај пакет је био најбољи у својој класи.

За сваку јединицу се бира њен дизајн и главне технолошке карактеристике. Систем вам омогућава да све опишете до детаља како на логичком тако и на физичком нивоу, све до индикације степена наслага у цевима измењивача топлоте.

Као резултат тога, модел термичког кола станице је визуелно описан у смислу енергетских технолога. Технолози не разумеју програмирање, математику и моделирање, али могу да изаберу дизајн јединице, улазе и излазе јединица и да за њих одреде параметре. Затим систем сам бира најпогодније параметре, а технолог их дорађује тако да добије максималну тачност за читав низ режима рада. Поставили смо себи циљ - да обезбедимо тачност модела од 2% за главне технолошке параметре и то смо постигли.

Испоставило се да то није тако лако: почетни подаци нису били баш тачни, па смо првих неколико месеци шетали око термоелектране и ручно очитавали тренутне индикаторе са манометара и подешавали модел на стварни услови. Прво смо направили моделе турбина и котлова. Верификована је свака турбина и котао. За тестирање модела створена је радна група и у њу су укључени представници термоелектране.

Затим смо саставили сву опрему у општу шему и подесили ЦХП модел као целину. Морао сам да обавим неке послове јер је у архиви било доста контрадикторних података. На пример, пронашли смо режиме са укупном ефикасношћу од 105%.

Када саставите комплетно коло, систем увек узима у обзир балансирани режим: састављају се материјална, електрична и топлотна равнотежа. Затим процењујемо како све састављено одговара стварним параметрима режима према индикаторима из инструмената.

Шта се десило

Као резултат тога, добили смо тачан модел техничких процеса термоелектране, заснован на стварним карактеристикама опреме и историјским подацима. Ово је омогућило да предвиђања буду тачнија него само на основу карактеристика теста. Резултат је симулатор стварних процеса постројења, дигитални близанац термоелектране.

Овај симулатор је омогућио анализу сценарија „шта ако...“ на основу датих индикатора. Овај модел је коришћен и за решавање проблема оптимизације рада реалне станице.

Било је могуће имплементирати четири оптимизацијска прорачуна:

1. Руководилац смене у станици зна распоред снабдевања топлотом, познате су команде оператера система, а познат је и распоред снабдевања електричном енергијом: која опрема ће подузети која оптерећења да би се добила максимална маржа.
2. Одабир састава опреме на основу прогнозе тржишне цене: за дати датум, узимајући у обзир распоред оптерећења и прогнозу спољне температуре ваздуха, одређујемо оптималан састав опреме.
3. Подношење пријава на тржиште дан унапред: када се зна састав опреме и постоји тачнија прогноза цене. Израчунавамо и подносимо пријаву.
4. Балансно тржиште је већ у оквиру текућег дана, када су фиксирани електро и термални распореди, али неколико пута дневно, свака четири сата, покреће се трговање на балансном тржишту и можете поднијети пријаву: „Молим вас да додате 5 МВ за моје оптерећење.” Морамо да пронађемо удео додатног утовара или истовара када ово даје максималну маржу.

Тестирање

За исправно тестирање, морали смо да упоредимо стандардне режиме оптерећења опреме станице са нашим израчунатим препорукама под истим условима: састав опреме, распоред оптерећења и временске прилике. Током неколико месеци, бирали смо интервале од четири до шест сати у току дана са стабилним распоредом. Долазили су на станицу (често ноћу), чекали да станица дође у радни режим и тек онда то израчунавали у симулационом моделу. Ако је надзорник смене станице био задовољан свиме, онда је оперативно особље послато да окрене вентиле и промени режиме опреме.

Индикатори пре и после упоређивани су након чињенице. У вршним временима, дању и ноћу, викендом и радним данима. У сваком режиму смо постигли уштеду горива (у овом задатку маржа зависи од потрошње горива). Онда смо потпуно прешли на нове режиме. Мора се рећи да је станица брзо поверовала у делотворност наших препорука, а пред крај тестова све више смо приметили да опрема ради у режимима које смо претходно израчунали.

Исход пројекта

Објекат: ЦХП са унакрсним прикључцима, 600 МВ електричне снаге, 2 Гцал топлотне снаге.

Тим: ЦРОЦ - седам људи (технолошки стручњаци, аналитичари, инжењери), ЦХПП - пет људи (пословни стручњаци, кључни корисници, специјалисти).
Период имплементације: 16 месеци.

Резултати:

• Аутоматизовали смо пословне процесе одржавања режима и рада на велетржишту.
• Спроведена пуна испитивања која потврђују економски ефекат.
• Уштедели смо 1,2% горива због прерасподеле оптерећења током рада.
• Уштеђен 1% горива захваљујући краткорочном планирању опреме.
• Оптимизирали смо обрачун фаза апликација на ДАМ-у према критеријуму максимизације маргиналног профита.

Коначни ефекат је око 4%.

Процењени период отплате пројекта (РОИ) је 1–1,5 година.

Наравно, да бисмо све ово спровели и тестирали, морали смо да променимо многе процесе и блиско сарађујемо како са менаџментом термоелектране, тако и са производном компанијом у целини. Али резултат је дефинитивно вредео. Било је могуће направити дигитални близанац станице, развити процедуре планирања оптимизације и добити прави економски ефекат.

Извор: ввв.хабр.цом