Є велика ТЕЦ. Працює як завжди: палить газ, виробляє тепло для опалення будинків та електрику для загальної мережі. Перше завдання – опалення. Друга — продати всю вироблену електрику на оптовому ринку. Іноді ще мороз при ясному небі з'являється сніг, але це побічний ефект роботи градирень.
Середня ТЕЦ складається з кількох десятків турбін і котлів. Якщо точно відомі необхідні обсяги виробітку електроенергії та тепла, то завдання зводиться до мінімізації витрат на паливо. У цьому випадку розрахунок зводиться до вибору складу та відсотка завантаження турбін та котлів для досягнення максимально високого ККД роботи обладнання. ККД турбін та котлів сильно залежить від типу обладнання, часу роботи без ремонту, режиму роботи та багато чого ще. Є й інше завдання, коли за відомих цін на електрику та обсяги тепла потрібно вирішити, скільки виробити та продати електроенергії для того, щоб отримати максимальний прибуток від роботи на оптовому ринку. Тоді фактор оптимізації — прибуток і ККД обладнання має набагато менше значення. Результатом може бути режим коли обладнання працює абсолютно неефективно, але весь вироблений обсяг електроенергії можна продати з максимальною маржою.
Теоретично все це давно зрозуміло і красиво звучить. Проблема – як це зробити на практиці. Ми розпочали імітаційне моделювання роботи кожної одиниці обладнання та всієї станції в цілому. Прийшли на ТЕЦ та почали збирати параметри всіх вузлів, заміряючи їх реальні характеристики та оцінюючи роботу у різних режимах. На їх основі ми створювали точні моделі для імітації роботи кожної одиниці обладнання та використовували їх для оптимізаційних розрахунків. Забігаючи наперед, скажу, що ми виграли близько 4% реальної ефективності просто за рахунок математики.
Вийшло. Але до опису наших рішень я розповім про те, як працює ТЕЦ з погляду логіки прийняття рішень.
Базові речі
Основні елементи електростанції - котли та турбіни. Турбіни наводяться в обертання парою високого тиску, обертаючи, у свою чергу, електрогенератори, які виробляють електроенергію. Залишки енергії пари йдуть на опалення та гарячу воду. Котли – це місця, де створюється пара. На розігрів котла та розгін парової турбіни йде дуже багато часу (годинник), і це прямі втрати палива. Те саме стосується зміни навантаження. Потрібно планувати такі речі наперед.
Обладнання ТЕЦ має технічний мінімум, який включає мінімальний, але при цьому стійкий режим роботи, при якому можна забезпечити достатню кількість тепла будинкам та промисловим споживачам. Зазвичай необхідна кількість тепла залежить від погоди (температури повітря).
У кожного агрегату є крива ККД і точка максимального значення ефективності роботи: при такому завантаженні такий котел і така турбіна дають найбільш дешеву електроенергію. Дешеву - у сенсі з мінімальною питомою витратою палива.
Більшість ТЕЦ у нас у Росії — із паралельними зв'язками, коли всі котли працюють на один колектор пари та всі турбіни також живляться від одного колектора. Це додає гнучкості при завантаженні обладнання, але ускладнює розрахунки. Ще буває, що обладнання станції ділять на частини, які працюють на різні колектори з різним тиском пари. А якщо додати витрати на внутрішні потреби - роботу насосів, вентиляторів, градирень і, чого гріха таїти, саун прямо за парканом ТЕЦ, - то вже чорт ногу зламає.
Характеристики всього обладнання нелінійні. Кожен агрегат має криву з зонами, де ККД вище і нижче. Це залежить від навантаження: при 70% ККД буде один, за 30% — інший.
Устаткування відрізняється за характеристиками. Є нові та старі турбіни та котли, є агрегати різних конструкцій. Правильно підбираючи обладнання та завантажуючи його оптимально в точках максимуму ККД, можна знижувати витрату палива, що веде до економії витрат або більшої маржинальності.
Звідки ТЕЦ знає, скільки потрібно здійснити енергії?
Планування ведеться на три дні вперед: за три доби стає відомим плановий склад обладнання. Це ті турбіни та котли, які будуть включені. Умовно кажучи, ми знаємо, що сьогодні працюватимуть п'ять котлів та десять турбін. Ми не можемо включати інше обладнання або вимикати заплановане, але можемо міняти для кожного котла навантаження від мінімуму до максимуму, а по турбінах набирати та знижувати потужність. Крок від максимуму до мінімуму – від 15 до 30 хвилин залежно від одиниці обладнання. Тут завдання просте: вибрати оптимальні режими та тримати їх з урахуванням оперативних коригувань.
Звідки взявся цей склад обладнання? Він визначився за результатами торгів на оптовому ринку. Є ринок потужності та електроенергії. На ринку потужності виробники подають заявку: «Є таке обладнання, ось такі мінімальна і максимальна потужності з урахуванням планового виведення в ремонт. Ми можемо видати 150 МВт за такою ціною, 200 МВт за такою ціною, а 300 МВт за такою ціною». Це довгострокові заявки. З іншого боку, великі споживачі теж подають заявки: «Нам потрібно стільки енергії». Конкретні ціни визначаються на момент перетину те, що виробники енергії можуть дати, і те, що споживачі хочуть взяти. Ці потужності визначаються щогодини доби.
Зазвичай ТЕЦ несе приблизно однакове навантаження весь сезон: взимку першочерговий товар тепло, а влітку електроенергія. Сильні відхилення найчастіше пов'язані з якимись аваріями на самій станції або суміжних електростанціях в одній ціновій зоні оптового ринку. Але завжди є коливання і ці коливання сильно впливають на економічну ефективність роботи станції. Необхідну потужність можна взяти трьома котлами із завантаженням у 50 % або двома із завантаженням у 75 % та дивитися, що при цьому більш ефективно.
Маржинальність залежить від цін над ринком і собівартості вироблення електроенергії. На ринку ціни можуть скластися так, що вигідно перепалити паливо, але добре продати електроенергію. А може так, що в конкретну годину потрібно йти на технічний мінімум і скорочувати збитки. Також потрібно пам'ятати про запаси та вартість палива: той же природний газ зазвичай лімітований, а надлімітний газ помітно дорожчий, не кажучи вже про мазут. Все це вимагає точних математичних моделей, щоб розуміти, які заявки подавати і як реагувати на обставини, що змінюються.
Як це робилося до нашого приходу
Практично на папері за не дуже точними характеристиками обладнання, які мають великий розліт від фактичних. Відразу після випробувань обладнання у кращому випадку вони будуть плюс-мінус 2% від факту, а вже через рік плюс-мінус 7-8%. Випробування проводяться раз на п'ять років, найчастіше рідше.
Наступний момент у тому, що всі розрахунки проводяться в умовному паливі. У СРСР було прийнято схему, коли вважалося якесь умовне паливо порівняння різних станцій на мазуті, вугіллі, газі, атомної генерації тощо. Потрібно було зрозуміти ефективність у папуг кожного генератора, а умовне паливо і є той самий папуга. Визначається калорійністю палива: одна тонна умовного палива приблизно дорівнює одній тонні кам'яного вугілля. Є таблиці перерахунку різних видів палива. Наприклад, для бурого вугілля показники майже вдвічі гірші. Але калорійність не пов'язана із рублями. Це як бензин і дизель: не факт, що якщо дизель коштує 35 рублів, а 92-й коштує 32 рублі, то за калорійністю дизель буде ефективнішим.
Третій чинник – складність розрахунків. Умовно на підставі досвіду співробітника прораховуються два-три варіанти, а найчастіше вибирається найкращий режим з історії попередніх періодів для схожих навантажень та погодних умов. Звісно, співробітники вірять, що обирають найбільш оптимальні режими, і вважають, що жодна матмодель їх ніколи не перевершить.
Приходимо ми. Щоб вирішити задачу, ми готуємо цифровий двійник – імітаційну модель станції. Це коли ми за допомогою спеціальних підходів імітуємо усі технологічні процеси для кожної одиниці обладнання, зводимо пароводяні та енергетичні баланси та отримуємо точну модель роботи ТЕЦ.
Для створення моделі ми використовуємо:
- Конструкцію та паспортні характеристики обладнання.
- Характеристики за результатами останніх випробувань обладнання: кожні п'ять років на станції випробовують та уточнюють характеристики обладнання.
- Дані в архівах АСУ ТП та системах обліку за всіма доступними технологічними показниками, витратами та виробленням тепла та електроенергії. Зокрема, дані із систем обліку з відпустки тепла та електроенергії, а також із систем телемеханіки.
- Дані з стрічкових та кругових паперових діаграм. Так, такі аналогові способи запису параметрів роботи обладнання все ще застосовуються на російських електростанціях, і ми їх оцифровуємо.
- Паперові журнали на станціях, де постійно реєструються основні параметри режимів, у тому числі тих, що не фіксуються датчиками АСУ ТП. Ходить обхідник разів на чотири години, переписує показання та записує все до журналу.
Тобто у нас є відновлені набори даних щодо того, що в якому режимі працювало, скільки палива подавалося, які були температура та витрата пари, і скільки теплової та електричної енергії виходило на виході. З тисяч таких сетів треба було зібрати характеристики кожного вузла. На щастя, у цей Data Mining ми вміємо грати вже давно.
Описувати такі складні об'єкти за допомогою математичних моделей є надзвичайно складним. А ще складніше – довести головному інженеру, що наша модель правильно розраховує режими роботи станції. Тому ми пішли шляхом використання спеціалізованих інженерних комплексів, що дозволяють скомпонувати та налагодити модель ТЕЦ на основі конструктивних та технологічних характеристик обладнання. Обрали ПЗ Termoflow американської компанії TermoFlex. Зараз з'явилися російські аналоги, але на той момент саме цей пакет був найкращим у своєму класі.
Для кожного агрегату вибираються його конструктив та основні технологічні характеристики. Система дозволяє описати все дуже докладно як на логічному, так і фізичному рівні аж до вказівки ступеня відкладень у трубках теплообмінників.
У результаті модель теплової схеми станції описується візуально у термінах технологів-енергетиків. Технологи не знаються на програмуванні, математиці та моделюванні, але вони можуть вибрати конструктив вузла, входи-виходи агрегатів і вказати параметри на них. Далі система сама підбирає найбільш підходящі параметри, а технолог уточнює їх так, щоб отримати максимальну точність всього діапазону режимів роботи. Ми поставили собі за мету забезпечити точність моделі 2% для основних технологічних параметрів і досягли цього.
Зробити це виявилося не так просто: вихідні дані були не дуже точними, тому першу пару місяців ми ходили ТЕЦ і вручну списували з манометрів поточні показники і тюнінгували модель під фактичні режими. Спочатку зробили моделі турбін та котлів. Кожну турбіну та котел вивірили. Для перевірки моделі створили робочу групу та включили до неї представників ТЕЦ.
Потім зібрали все обладнання у загальну схему та тюнінгували вже модель ТЕЦ загалом. Довелося попрацювати, оскільки у архівах виявилося багато суперечливих даних. Наприклад, знайшли режими із загальним ККД 105 %.
Коли збираєш повну схему, система завжди вважає збалансований режим: складаються матеріальні, електричні та теплові баланси. Далі ми оцінюємо, як усе у зборі відповідає фактичним параметрам режиму за показниками приладів.
Що вийшло
У результаті ми отримали точну модель техпроцесів ТЕЦ, що базується на фактичних характеристиках обладнання та історичних даних. Це дозволило прогнозувати точніше, ніж основі лише характеристик випробувань. Вийшов симулятор реальних процесів станції, цифровий двійник ТЕЦ.
У цьому симуляторі уможливили проведення аналізу за сценаріями «що, якщо…» за заданими показниками. Також ця модель використовувалася на вирішення завдання оптимізації роботи реальної станції.
Вийшло реалізувати чотири оптимізаційні розрахунки:
- Начальник зміни станції знає графік відпустки тепла, відомі команди системного оператора, відомий графік відпустки електрики: яким обладнанням які взяти навантаження, щоб отримати максимум маржинальності.
- Вибір складу устаткування за прогнозом ціни ринку: на задану дату з урахуванням графіка навантаження і прогнозу температури зовнішнього повітря визначаємо оптимальний склад устаткування.
- Подання заявок на ринку на добу вперед: коли є склад обладнання та є точніший прогноз цін. Розраховуємо та подаємо заявку.
- Балансуючий ринок — уже всередині поточної доби, коли зафіксовано електричні та теплові графіки, але кілька разів на добу кожні чотири години запускаються торги на ринку, що балансує, і можна подати заявку: «Я прошу довантажити мене на 5 МВт». Потрібно знайти частки дозавантаження або розвантаження, коли це дає максимальну маржу.
випробування
Для коректних випробувань нам потрібно було порівняти стандартні режими завантаження обладнання станції з нашими розрахунковими рекомендаціями за однакових умов: складу обладнання, графіків навантаження та погоди. Протягом кількох місяців ми вибирали інтервали доби о четвертій-шостій годині зі стабільним графіком. Приходили на станцію (найчастіше вночі), чекали, коли станція вийде на режим, і лише потім вважали його в імітаційній моделі. Якщо начальника зміни станції все влаштовувало, то відправляли оперативний персонал крутити засувки та змінювати режими обладнання.
Порівнювали показники до та після за фактом. У пік, вдень та вночі, у вихідні та робочі дні. У кожному режимі отримали економію на паливі (у цій задачі маржа залежить від витрат палива). Потім повністю перейшли на нові режими. Треба сказати, що на станції досить швидко повірили в ефективність наших рекомендацій, і ближче до кінця випробувань ми все частіше помічали, що обладнання працює в режимах, що ми прорахували раніше.
Підсумок проекту
Об'єкт: ТЕЦ з поперечними зв'язками, 600 МВт електричної потужності, 2 Гкал - тепловий.
Команда: КРОК – сім осіб (експерти-технологи, аналітики, інженери), ТЕЦ – п'ять осіб (бізнес-експерти, ключові користувачі, фахівці).
Термін реалізації: 16 місяців.
Результати:
- Автоматизували бізнес-процеси ведення режимів та роботи на оптовому ринку.
- Провели натурні випробування, що підтверджують економічний ефект.
- Заощадили 1,2% палива рахунок перерозподілу навантажень під час ведення режиму.
- Зберегли 1% палива завдяки короткостроковому плануванню складу обладнання.
- Оптимізували розрахунок ступенів заявок на РСВ за критерієм максимізації маржинального прибутку.
Підсумковий ефект - близько 4%.
Оціночний термін окупності проекту (ROI) – 1–1,5 року.
Зрозуміло, щоб все це впровадити і випробувати, довелося змінювати багато процесів і працювати в тісному зв'язку як з керівництвом ТЕЦ, так і з компанією, що генерує в цілому. Але результат, безперечно, того коштував. Вдалося створити цифрового двійника станції, розробити процедури оптимізаційного планування та отримати реальний економічний ефект.
Джерело: habr.com