Có một nhà máy nhiệt điện lớn. Nó hoạt động như bình thường: đốt khí đốt, tạo ra nhiệt để sưởi ấm ngôi nhà và điện cho mạng lưới chung. Nhiệm vụ đầu tiên là sưởi ấm. Thứ hai là bán toàn bộ điện năng tạo ra trên thị trường bán buôn. Đôi khi, ngay cả khi thời tiết lạnh, tuyết vẫn xuất hiện dưới bầu trời trong xanh, nhưng đây là tác dụng phụ của quá trình vận hành tháp giải nhiệt.
Nhà máy nhiệt điện trung bình bao gồm vài chục tua-bin và nồi hơi. Nếu biết chính xác lượng điện và nhiệt sinh ra cần thiết thì nhiệm vụ sẽ là giảm thiểu chi phí nhiên liệu. Trong trường hợp này, việc tính toán bao gồm việc lựa chọn thành phần và tỷ lệ tải của tua bin và nồi hơi để đạt được hiệu quả vận hành thiết bị cao nhất có thể. Hiệu suất của tua-bin và nồi hơi phụ thuộc rất nhiều vào loại thiết bị, thời gian vận hành không cần sửa chữa, chế độ vận hành, v.v. Có một vấn đề khác khi với giá điện và lượng nhiệt đã biết, bạn cần quyết định lượng điện sẽ tạo ra và bán để thu được lợi nhuận tối đa khi hoạt động trên thị trường bán buôn. Khi đó yếu tố tối ưu hóa - lợi nhuận và hiệu suất thiết bị - ít quan trọng hơn nhiều. Kết quả có thể là thiết bị hoạt động hoàn toàn không hiệu quả nhưng toàn bộ lượng điện tạo ra có thể được bán với mức lãi tối đa.
Về lý thuyết, tất cả những điều này từ lâu đã rõ ràng và nghe có vẻ hay. Vấn đề là làm thế nào để thực hiện điều này trong thực tế. Chúng tôi bắt đầu lập mô hình mô phỏng hoạt động của từng thiết bị và toàn bộ nhà ga. Chúng tôi đến nhà máy nhiệt điện và bắt đầu thu thập thông số của tất cả các bộ phận, đo lường đặc tính thực tế của chúng và đánh giá hoạt động của chúng ở các chế độ khác nhau. Dựa trên chúng, chúng tôi đã tạo ra các mô hình chính xác để mô phỏng hoạt động của từng thiết bị và sử dụng chúng để tính toán tối ưu hóa. Nhìn về phía trước, tôi sẽ nói rằng chúng tôi đã đạt được khoảng 4% hiệu quả thực sự chỉ nhờ vào toán học.
Đã xảy ra. Nhưng trước khi mô tả các quyết định của chúng tôi, tôi sẽ nói về cách CHP hoạt động theo quan điểm logic ra quyết định.
Những điều cơ bản
Các bộ phận chính của nhà máy điện là nồi hơi và tua-bin. Các tuabin được điều khiển bằng hơi nước áp suất cao, từ đó làm quay các máy phát điện, tạo ra điện. Năng lượng hơi còn lại được sử dụng để sưởi ấm và nước nóng. Nồi hơi là nơi tạo ra hơi nước. Phải mất rất nhiều thời gian (giờ) để làm nóng lò hơi và tăng tốc tua bin hơi, đây là sự thất thoát nhiên liệu trực tiếp. Điều tương tự cũng xảy ra với những thay đổi về tải. Bạn cần lên kế hoạch trước cho những việc này.
Thiết bị CHP có mức tối thiểu về mặt kỹ thuật, bao gồm chế độ vận hành tối thiểu nhưng ổn định, trong đó có thể cung cấp đủ nhiệt cho các hộ gia đình và người tiêu dùng công nghiệp. Thông thường, lượng nhiệt cần thiết phụ thuộc trực tiếp vào thời tiết (nhiệt độ không khí).
Mỗi thiết bị có một đường cong hiệu suất và một điểm đạt hiệu suất vận hành tối đa: ở mức tải như vậy, nồi hơi như vậy và tuabin như vậy sẽ cung cấp điện rẻ nhất. Giá rẻ - theo nghĩa tiêu thụ nhiên liệu cụ thể tối thiểu.
Hầu hết các nhà máy nhiệt điện kết hợp của chúng tôi ở Nga đều có kết nối song song, khi tất cả các nồi hơi hoạt động trên một bộ thu hơi nước và tất cả các tuabin cũng được cấp điện bởi một bộ thu. Điều này làm tăng tính linh hoạt khi tải thiết bị nhưng làm phức tạp đáng kể việc tính toán. Điều cũng xảy ra là thiết bị của trạm được chia thành các bộ phận hoạt động trên các bộ thu khác nhau với áp suất hơi khác nhau. Và nếu cộng thêm chi phí cho nhu cầu nội bộ - vận hành máy bơm, quạt, tháp giải nhiệt và thành thật mà nói, phòng tắm hơi ngay bên ngoài hàng rào của nhà máy nhiệt điện - thì đôi chân của quỷ dữ sẽ gãy.
Đặc tính của tất cả các thiết bị là phi tuyến tính. Mỗi đơn vị có một đường cong với các vùng có hiệu suất cao hơn và thấp hơn. Nó phụ thuộc vào tải: ở mức 70% hiệu suất sẽ là một, ở mức 30% thì hiệu suất sẽ khác.
Các thiết bị khác nhau về đặc điểm. Có tua-bin và nồi hơi mới và cũ, cũng như có các đơn vị có thiết kế khác nhau. Bằng cách lựa chọn chính xác thiết bị và tải thiết bị một cách tối ưu tại các điểm có hiệu suất tối đa, bạn có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, từ đó tiết kiệm chi phí hoặc mang lại lợi nhuận cao hơn.
Làm thế nào nhà máy CHP biết cần sản xuất bao nhiêu năng lượng?
Việc lập kế hoạch được thực hiện trước ba ngày: trong vòng ba ngày, thành phần dự kiến của thiết bị sẽ được biết đến. Đây là những tua-bin và nồi hơi sẽ được bật lên. Nói một cách tương đối, chúng ta biết rằng ngày nay năm nồi hơi và mười tua-bin sẽ hoạt động. Chúng ta không thể bật các thiết bị khác hoặc tắt thiết bị theo kế hoạch, nhưng chúng ta có thể thay đổi tải cho từng lò hơi từ mức tối thiểu đến tối đa, đồng thời tăng giảm công suất cho tua-bin. Bước từ tối đa đến tối thiểu là từ 15 đến 30 phút, tùy thuộc vào thiết bị. Nhiệm vụ ở đây rất đơn giản: chọn các chế độ tối ưu và duy trì chúng, có tính đến các điều chỉnh vận hành.
Thành phần thiết bị này đến từ đâu? Nó được xác định dựa trên kết quả giao dịch trên thị trường bán buôn. Có một thị trường về công suất và điện năng. Trên thị trường công suất, các nhà sản xuất nộp đơn đăng ký: “Có những thiết bị như vậy, đây là công suất tối thiểu và tối đa, có tính đến thời gian ngừng hoạt động theo kế hoạch để sửa chữa. Chúng tôi có thể cung cấp 150 MW ở mức giá này, 200 MW ở mức giá này và 300 MW ở mức giá này.” Đây là những ứng dụng lâu dài. Mặt khác, người tiêu dùng lớn cũng gửi yêu cầu: “Chúng tôi cần rất nhiều năng lượng”. Giá cụ thể được xác định ở điểm giao nhau giữa những gì nhà sản xuất năng lượng có thể cung cấp và những gì người tiêu dùng sẵn sàng chấp nhận. Những năng lực này được xác định cho từng giờ trong ngày.
Thông thường, một nhà máy nhiệt điện mang tải gần như nhau trong tất cả các mùa: vào mùa đông sản phẩm chính là nhiệt và vào mùa hè là điện. Những sai lệch mạnh thường liên quan đến một số loại tai nạn tại chính trạm hoặc tại các nhà máy điện lân cận trong cùng vùng giá của thị trường bán buôn. Nhưng luôn có những biến động và những biến động này ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả kinh tế của nhà máy. Công suất cần thiết có thể được cung cấp bởi ba nồi hơi với tải 50% hoặc hai nồi hơi với tải 75% và xem cái nào hiệu quả hơn.
Biên độ phụ thuộc vào giá thị trường và chi phí sản xuất điện. Trên thị trường, giá đốt xăng có thể có lãi nhưng bán điện thì có lãi. Hoặc có thể tại một thời điểm cụ thể, bạn cần phải đạt đến mức tối thiểu về mặt kỹ thuật và cắt lỗ. Bạn cũng cần nhớ về trữ lượng và chi phí nhiên liệu: khí đốt tự nhiên thường có hạn và khí đốt vượt quá giới hạn sẽ đắt hơn đáng kể, chưa kể đến dầu nhiên liệu. Tất cả điều này đòi hỏi các mô hình toán học chính xác để hiểu những đơn đăng ký nào cần gửi và cách ứng phó với những hoàn cảnh thay đổi.
Nó đã được thực hiện như thế nào trước khi chúng tôi đến
Hầu như trên giấy tờ, dựa trên những đặc tính không chính xác lắm của thiết bị, khác biệt rất nhiều so với thực tế. Ngay sau khi thử nghiệm thiết bị, tốt nhất là họ sẽ cộng hoặc trừ 2% thực tế và sau một năm - cộng hoặc trừ 7-8%. Các cuộc kiểm tra được thực hiện XNUMX năm một lần, thường ít thường xuyên hơn.
Điểm tiếp theo là tất cả các tính toán đều được thực hiện trong nhiên liệu tham chiếu. Ở Liên Xô, một kế hoạch đã được áp dụng khi một loại nhiên liệu thông thường nhất định được xem xét để so sánh các trạm khác nhau sử dụng dầu nhiên liệu, than, khí đốt, sản xuất hạt nhân, v.v. Cần phải hiểu hiệu quả của các con vẹt của mỗi máy phát điện, và nhiên liệu thông thường chính là con vẹt đó. Nó được xác định bởi nhiệt trị của nhiên liệu: một tấn nhiên liệu tiêu chuẩn xấp xỉ bằng một tấn than. Có bảng chuyển đổi cho các loại nhiên liệu khác nhau. Ví dụ, đối với than nâu, các chỉ số kém gần gấp đôi. Nhưng hàm lượng calo không liên quan đến đồng rúp. Nó giống như xăng và dầu diesel: thực tế không phải là nếu dầu diesel có giá 35 rúp và 92 có giá 32 rúp, thì dầu diesel sẽ hiệu quả hơn về hàm lượng calo.
Yếu tố thứ ba là độ phức tạp của việc tính toán. Thông thường, dựa trên kinh nghiệm của nhân viên, hai hoặc ba tùy chọn được tính toán và thường thì chế độ tốt nhất được chọn từ lịch sử của các giai đoạn trước cho các tải trọng và điều kiện thời tiết tương tự. Đương nhiên, nhân viên tin rằng họ đang chọn những chế độ tối ưu nhất và tin rằng sẽ không có mô hình toán học nào vượt qua được chúng.
Chúng tôi đang đến. Để giải quyết vấn đề, chúng tôi đang chuẩn bị một bản song sinh kỹ thuật số - một mô hình mô phỏng của nhà ga. Đây là khi sử dụng các phương pháp đặc biệt, chúng tôi mô phỏng tất cả các quy trình công nghệ cho từng bộ phận thiết bị, kết hợp cân bằng hơi nước và năng lượng và thu được mô hình chính xác về hoạt động của nhà máy nhiệt điện.
Để tạo mô hình, chúng tôi sử dụng:
- Thiết kế và thông số kỹ thuật của thiết bị.
- Các đặc tính dựa trên kết quả của các cuộc thử nghiệm thiết bị mới nhất: cứ XNUMX năm một lần trạm sẽ kiểm tra và cải tiến các đặc tính của thiết bị.
- Dữ liệu trong kho lưu trữ của hệ thống kiểm soát quy trình tự động và hệ thống kế toán cho tất cả các chỉ số công nghệ, chi phí và sản xuất nhiệt và điện hiện có. Đặc biệt, dữ liệu từ hệ thống đo lường cung cấp nhiệt và điện, cũng như từ hệ thống cơ điện tử.
- Dữ liệu từ dải giấy và biểu đồ hình tròn. Đúng vậy, các phương pháp tương tự để ghi lại thông số vận hành thiết bị vẫn được sử dụng tại các nhà máy điện ở Nga và chúng tôi đang số hóa chúng.
- Nhật ký giấy tại các trạm nơi liên tục ghi lại các thông số chính của các chế độ, kể cả những thông số không được cảm biến của hệ thống điều khiển quá trình tự động ghi lại. Người thợ dây cứ bốn giờ lại đi lại, viết lại các kết quả đọc và ghi lại mọi thứ vào nhật ký.
Nghĩa là, chúng tôi đã xây dựng lại các bộ dữ liệu về những gì hoạt động ở chế độ nào, lượng nhiên liệu được cung cấp, nhiệt độ và mức tiêu thụ hơi nước là bao nhiêu cũng như lượng nhiệt và năng lượng điện thu được ở đầu ra. Từ hàng nghìn bộ như vậy, cần phải thu thập các đặc điểm của từng nút. May mắn thay, chúng ta đã có thể chơi trò chơi Khai thác dữ liệu này từ lâu.
Việc mô tả các đối tượng phức tạp như vậy bằng các mô hình toán học là vô cùng khó khăn. Và việc chứng minh với kỹ sư trưởng rằng mô hình của chúng tôi tính toán chính xác các chế độ vận hành của trạm còn khó hơn nữa. Vì vậy, chúng tôi đã đi theo con đường sử dụng các hệ thống kỹ thuật chuyên dụng cho phép chúng tôi lắp ráp và gỡ lỗi mô hình nhà máy nhiệt điện dựa trên thiết kế và đặc tính công nghệ của thiết bị. Chúng tôi đã chọn phần mềm Termoflow của công ty TermoFlex của Mỹ. Giờ đây, các sản phẩm tương tự của Nga đã xuất hiện, nhưng vào thời điểm đó, gói đặc biệt này là gói tốt nhất trong phân khúc.
Đối với mỗi đơn vị, thiết kế và đặc tính công nghệ chính của nó được chọn. Hệ thống cho phép bạn mô tả mọi thứ một cách chi tiết cả ở cấp độ logic và vật lý, cho đến chỉ ra mức độ cặn trong các ống trao đổi nhiệt.
Nhờ đó, mô hình mạch nhiệt của trạm được mô tả trực quan dưới góc độ kỹ thuật viên năng lượng. Các nhà công nghệ không hiểu về lập trình, toán học và mô hình hóa, nhưng họ có thể chọn thiết kế của một đơn vị, đầu vào và đầu ra của các đơn vị và xác định các tham số cho chúng. Sau đó, hệ thống tự chọn các thông số phù hợp nhất và kỹ thuật viên sẽ tinh chỉnh chúng để đạt được độ chính xác tối đa cho toàn bộ phạm vi chế độ vận hành. Chúng tôi đặt mục tiêu cho mình - đảm bảo độ chính xác của mô hình là 2% cho các thông số công nghệ chính và đã đạt được điều này.
Điều này hóa ra không dễ thực hiện: dữ liệu ban đầu không chính xác lắm, vì vậy trong vài tháng đầu tiên, chúng tôi đi vòng quanh nhà máy nhiệt điện và đọc thủ công các chỉ số dòng điện từ đồng hồ đo áp suất và điều chỉnh mô hình cho phù hợp. điều kiện thực tế. Đầu tiên chúng tôi làm mô hình tua-bin và nồi hơi. Mỗi tuabin và nồi hơi đã được xác minh. Để thử nghiệm mô hình, một nhóm công tác đã được thành lập và có sự tham gia của đại diện nhà máy nhiệt điện.
Sau đó, chúng tôi lắp ráp tất cả các thiết bị thành một sơ đồ chung và điều chỉnh toàn bộ mô hình CHP. Tôi phải làm một số việc vì có rất nhiều dữ liệu trái ngược nhau trong kho lưu trữ. Ví dụ: chúng tôi đã tìm thấy các chế độ có hiệu suất tổng thể là 105%.
Khi bạn lắp ráp một mạch hoàn chỉnh, hệ thống luôn xem xét chế độ cân bằng: cân bằng vật liệu, điện và nhiệt được tổng hợp. Tiếp theo, chúng tôi đánh giá xem mọi thứ được lắp ráp như thế nào với các thông số thực tế của chế độ theo các chỉ số từ các thiết bị.
Chuyện gì đã xảy ra thế
Kết quả là chúng tôi đã nhận được mô hình chính xác về quy trình kỹ thuật của nhà máy nhiệt điện, dựa trên đặc tính thực tế của thiết bị và dữ liệu lịch sử. Điều này cho phép dự đoán chính xác hơn là chỉ dựa vào đặc điểm thử nghiệm. Kết quả là một mô phỏng các quy trình thực của nhà máy, một bản song sinh kỹ thuật số của nhà máy nhiệt điện.
Trình mô phỏng này giúp phân tích các kịch bản “điều gì sẽ xảy ra nếu…” dựa trên các chỉ số nhất định. Mô hình này còn được sử dụng để giải quyết bài toán tối ưu hóa hoạt động của trạm thực.
Có thể thực hiện bốn phép tính tối ưu hóa:
- Người quản lý ca trạm biết rõ lịch trình cung cấp nhiệt, biết các lệnh của người vận hành hệ thống và biết lịch trình cung cấp điện: thiết bị nào sẽ nhận tải nào để đạt được lợi nhuận tối đa.
- Lựa chọn thành phần thiết bị dựa trên dự báo giá thị trường: trong một ngày nhất định, có tính đến lịch tải và dự báo nhiệt độ không khí bên ngoài, chúng tôi xác định thành phần tối ưu của thiết bị.
- Gửi đơn đăng ký ra thị trường trước một ngày: khi đã biết thành phần của thiết bị và có dự báo giá chính xác hơn. Chúng tôi tính toán và nộp đơn.
- Thị trường cân bằng đã diễn ra trong thời điểm hiện tại, khi lịch trình điện và nhiệt được cố định, nhưng vài lần một ngày, cứ sau bốn giờ, giao dịch sẽ được triển khai trên thị trường cân bằng và bạn có thể gửi đơn đăng ký: “Tôi yêu cầu bạn thêm 5 MW cho tải của tôi.” Chúng ta cần tìm phần tải hoặc dỡ tải bổ sung khi điều này mang lại lợi nhuận tối đa.
Xét nghiệm
Để thử nghiệm chính xác, chúng tôi cần so sánh các chế độ tải tiêu chuẩn của thiết bị trạm với các đề xuất được tính toán của chúng tôi trong cùng điều kiện: thành phần thiết bị, lịch trình tải và thời tiết. Trong vài tháng, chúng tôi chọn khoảng thời gian từ XNUMX đến XNUMX giờ mỗi ngày với lịch trình ổn định. Họ đến trạm (thường vào ban đêm), đợi trạm về chế độ vận hành rồi mới tính toán trên mô hình mô phỏng. Nếu người giám sát ca trạm hài lòng với mọi thứ thì nhân viên vận hành sẽ được cử đến để vặn van và thay đổi chế độ thiết bị.
Các chỉ số trước và sau được so sánh sau thực tế. Vào thời gian cao điểm, ngày và đêm, cuối tuần và các ngày trong tuần. Ở mỗi chế độ, chúng tôi đã đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu (trong nhiệm vụ này, mức lợi nhuận phụ thuộc vào mức tiêu thụ nhiên liệu). Sau đó chúng tôi chuyển hoàn toàn sang chế độ mới. Phải nói rằng trạm đã nhanh chóng tin tưởng vào tính hiệu quả của các khuyến nghị của chúng tôi và về cuối các cuộc thử nghiệm, chúng tôi ngày càng nhận thấy rằng thiết bị đang hoạt động ở các chế độ mà chúng tôi đã tính toán trước đó.
Kết quả dự án
Cơ sở vật chất: CHP có kết nối chéo, công suất điện 600 MW, nhiệt điện 2 Gcal.
Nhóm: CROC - bảy người (chuyên gia công nghệ, nhà phân tích, kỹ sư), CHPP - năm người (chuyên gia kinh doanh, người dùng chính, chuyên gia).
Thời gian thực hiện: 16 tháng.
Kết quả:
- Chúng tôi đã tự động hóa các quy trình kinh doanh để duy trì chế độ và làm việc trong thị trường bán buôn.
- Tiến hành các thử nghiệm toàn diện xác nhận hiệu quả kinh tế.
- Chúng tôi đã tiết kiệm được 1,2% nhiên liệu do phân bổ lại tải trọng trong quá trình vận hành.
- Tiết kiệm 1% nhiên liệu nhờ lập kế hoạch thiết bị ngắn hạn.
- Chúng tôi đã tối ưu hóa việc tính toán các giai đoạn ứng dụng trên DAM theo tiêu chí tối đa hóa lợi nhuận cận biên.
Hiệu quả cuối cùng là khoảng 4%.
Thời gian hoàn vốn ước tính của dự án (ROI) là 1–1,5 năm.
Tất nhiên, để thực hiện và thử nghiệm tất cả những điều này, chúng tôi đã phải thay đổi nhiều quy trình và hợp tác chặt chẽ với cả ban quản lý nhà máy nhiệt điện và toàn bộ công ty phát điện. Nhưng kết quả chắc chắn là xứng đáng. Có thể tạo ra một bản song sinh kỹ thuật số của trạm, phát triển các quy trình lập kế hoạch tối ưu hóa và đạt được hiệu quả kinh tế thực sự.
Nguồn: www.habr.com