نمذجة تشغيل محطة طاقة حرارية حقيقية لتحسين الأوضاع: البخار والرياضيات

هناك حزب الشعب الجمهوري كبير. إنه يعمل كالمعتاد: إنه يحرق الغاز وينتج حرارة لتدفئة المنازل والكهرباء لشبكة مشتركة. المهمة الأولى هي التدفئة. والثاني هو بيع جميع الكهرباء المولدة في سوق الجملة. في بعض الأحيان تظهر الثلوج حتى في الصقيع مع سماء صافية ، ولكن هذا هو أحد الآثار الجانبية لأبراج التبريد.

يتكون CHPP العادي من بضع عشرات من التوربينات والغلايات. إذا كانت الكميات اللازمة من توليد الكهرباء والحرارة معروفة تمامًا ، فإن المهمة هي تقليل تكاليف الوقود. في هذه الحالة ، يتم تقليل الحساب لاختيار تركيبة ونسبة تحميل التوربينات والغلايات لتحقيق أعلى كفاءة ممكنة من المعدات. تعتمد كفاءة التوربينات والغلايات اعتمادًا كبيرًا على نوع الجهاز ، والوقت دون إصلاح ، وطريقة التشغيل ، وأكثر من ذلك بكثير. هناك مشكلة أخرى ، عندما تحتاج إلى تحديد أسعار الكهرباء لتوليدها وبيعها للحصول على أقصى ربح من العمل في سوق الجملة ، في ظل الأسعار المعروفة للكهرباء وأحجام الحرارة. ثم عامل التحسين - الربح وفعالية المعدات - أقل أهمية بكثير. قد تكون النتيجة نظامًا يعمل فيه الجهاز بشكل غير فعال تمامًا ، ولكن يمكن بيع الكهرباء المولدة بالكامل بأقصى هامش.

من الناحية النظرية ، كل هذا منذ فترة طويلة مفهومة ويبدو جميلة. المشكلة هي كيفية القيام بذلك في الممارسة العملية. بدأنا محاكاة لتشغيل كل قطعة من المعدات والمصنع بأكمله ككل. لقد جئنا إلى CHPP وبدأنا في جمع معلمات جميع العقد ، وقياس خصائصها الحقيقية وتقييم العمل في أوضاع مختلفة. استنادًا إلى ذلك ، أنشأنا نماذج دقيقة لمحاكاة تشغيل كل قطعة من المعدات واستخدمناها في حسابات التحسين. بالنظر إلى المستقبل ، أقول إننا فزنا بحوالي 4 ٪ من الكفاءة الحقيقية ببساطة بسبب الرياضيات.

اتضح. ولكن قبل أن أصف قراراتنا ، سأتحدث عن كيفية عمل حزب الشعب الجمهوري من حيث منطق اتخاذ القرار.

الأشياء الأساسية

العناصر الرئيسية لمحطة توليد الكهرباء هي الغلايات والتوربينات. يتم تشغيل التوربينات إلى الدوران بواسطة البخار العالي الضغط ، بالتناوب ، بدوره ، المولدات الكهربائية ، التي تولد الكهرباء. الطاقة المتبقية من البخار يذهب إلى التدفئة والماء الساخن. الغلايات هي الأماكن التي يتم فيها إنشاء البخار. يستغرق تسخين الغلاية وتسريع التوربينات البخارية الكثير من الوقت (ساعات) ، وهذه خسارة مباشرة للوقود. الشيء نفسه ينطبق على التغييرات الحمل. تحتاج إلى خطة مثل هذه الأشياء مقدما.

يحتوي جهاز CHP على الحد الأدنى التقني ، والذي يتضمن الحد الأدنى ، ولكن في نفس الوقت ، وضع التشغيل المستقر ، حيث يمكن توفير كمية كافية من الحرارة للمنازل والمستهلكين الصناعيين. عادةً ما تعتمد كمية الحرارة المطلوبة مباشرة على الطقس (درجة حرارة الهواء).

كل وحدة لديها منحنى كفاءة ونقطة ذات قيمة قصوى لكفاءة العمل: مع مثل هذا الحمل ، ومثل هذا المرجل وكذا وكذا مثل التوربينات تعطي أرخص الكهرباء. رخيصة - بمعنى مع الحد الأدنى من استهلاك الوقود محددة.

معظم محطات توليد الطاقة في روسيا لها اتصالات متوازية ، عندما تعمل جميع الغلايات على مجمّع بخار واحد ويتم تشغيل جميع التوربينات بواسطة جامع واحد. هذا يضيف مرونة عند تحميل المعدات ، لكنه يعقد العمليات الحسابية إلى حد كبير. يحدث أيضًا أن معدات المحطة تنقسم إلى أجزاء تعمل على مجمعات مختلفة ذات ضغوط بخار مختلفة. وإذا أضفت تكاليف الاحتياجات المحلية - تشغيل المضخات والمراوح وأبراج التبريد ، ولكي نكون صادقين ، توجد حمامات ساونا مباشرة خلف سياج محطة الطاقة الحرارية - عندئذ سوف يكسر الشيطان ساقه.

خصائص جميع المعدات غير خطية. كل وحدة لديها منحنى مع المناطق حيث الكفاءة أعلى وأقل. يعتمد ذلك على الحمل: عند 70٪ ، ستكون هناك كفاءة واحدة ، بنسبة 30٪ - أخرى.

المعدات تختلف في الخصائص. هناك توربينات وغلايات جديدة وقديمة ، وهناك وحدات من تصاميم مختلفة. عن طريق اختيار المعدات المناسبة وتحميلها على النحو الأمثل في أقصى نقاط الكفاءة ، يمكنك تقليل استهلاك الوقود ، مما يؤدي إلى توفير في التكاليف أو هوامش أكبر.

كيف تعرف محطة توليد الطاقة الحرارية مقدار الطاقة المطلوبة؟

يتم تنفيذ التخطيط لمدة ثلاثة أيام قادمة: في غضون ثلاثة أيام ، يصبح التكوين المخطط للمعدات معروفًا. هذه هي التوربينات والغلايات التي سيتم تضمينها. من الناحية النسبية ، نعلم أن خمسة غلايات وعشرة توربينات ستعمل اليوم. لا يمكننا تشغيل معدات أخرى أو إيقاف تشغيل المخطط له ، ولكن يمكننا تغيير الحمل لكل غلاية من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى ، وجمع وخفض الطاقة في التوربينات. تتراوح الخطوة من الحد الأقصى إلى الحد الأدنى من 15 إلى 30 دقيقة ، اعتمادًا على وحدة المعدات. المهمة هنا بسيطة: اختر الأنماط المثالية واحتفظ بها متماشية مع التعديلات التشغيلية.



من أين جاءت هذه المعدات؟ قرر نتائج التداول في سوق الجملة. هناك سوق للطاقة والكهرباء. في سوق السعة ، يقدم المصنعون طلبًا: "يوجد مثل هذه المعدات وهذه ، هي الحد الأدنى والأقصى للسعات ، مع مراعاة الإخراج المخطط للإصلاح. يمكننا إصدار 150 ميجاوات بهذا السعر و 200 ميجاوات بهذا السعر و 300 ميجاوات بهذا السعر. " هذه هي التطبيقات طويلة الأجل. من ناحية أخرى ، يقدم المستهلكون الكبار أيضًا طلبات: "نحن بحاجة إلى الكثير من الطاقة." يتم تحديد أسعار محددة عند تقاطع ما يمكن أن يقدمه منتجو الطاقة وما يريد المستهلكون تحمله. يتم تحديد هذه القدرات لكل ساعة من اليوم.



عادةً ما يتحمل CHPs نفس الحمل تقريبًا طوال الموسم: في فصل الشتاء ، يكون المنتج ذو الأولوية هو الحرارة ، وفي الصيف ، الكهرباء. غالبًا ما ترتبط الانحرافات القوية بنوع من الحوادث في المحطة نفسها أو في محطات الطاقة المجاورة في نفس منطقة سعر سوق الجملة. ولكن هناك دائما تقلبات ، وهذه التقلبات تؤثر بشكل كبير على الكفاءة الاقتصادية للمصنع. يمكن الحصول على الطاقة المطلوبة من خلال ثلاثة غلايات مع حمولة قدرها 50 ٪ أو اثنين مع حمولة 75 ٪ ومشاهدة ، وهو أكثر كفاءة.

الهامش يعتمد على أسعار السوق وتكلفة توليد الكهرباء. في السوق ، قد تكون الأسعار كبيرة بحيث يكون من المفيد حرق الوقود ، لكن من الجيد بيع الكهرباء. أو ربما تحتاج في ساعة معينة إلى الوصول إلى الحد الأدنى التقني وتقليل الخسائر. يجب أيضًا أن تتذكر الاحتياطيات وتكلفة الوقود: عادة ما يكون الغاز الطبيعي نفسه محدودًا ، كما أن الغاز الزائد عن الحد أعلى تكلفة بشكل ملحوظ ، ناهيك عن زيت الوقود. كل هذا يتطلب نماذج رياضية دقيقة لفهم التطبيقات التي يجب تقديمها وكيفية الاستجابة للظروف المتغيرة.

كيف تم ذلك قبل وصولنا

عمليا على الورق ، وفقا لخصائص غير دقيقة للغاية من المعدات ، والتي لديها مبعثر كبير من تلك الفعلية. مباشرة بعد اختبار المعدات في أحسن الأحوال ، ستكون زائد أو ناقص 2 ٪ من الحقيقة ، وبعد سنة - زائد أو ناقص 7-8 ٪. يتم إجراء الاختبارات كل خمس سنوات ، وغالبًا ما تكون أقل.

النقطة التالية هي أن جميع العمليات الحسابية تتم بالوقود القياسي. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم اعتماد مخطط عندما تم اعتباره وقودًا مشروطًا معينًا لمقارنة المحطات المختلفة في زيت الوقود والفحم والغاز والتوليد الذري وما إلى ذلك. كان من الضروري فهم الكفاءة في الببغاوات لكل مولد ، والوقود المكافئ له هو نفس الببغاء. يتم تحديده حسب القيمة الحرارية للوقود: طن واحد من الوقود القياسي يساوي تقريبًا طن واحد من الفحم. هناك جداول تحويل لأنواع مختلفة من الوقود. على سبيل المثال ، بالنسبة للفحم البني ، فإن المؤشرات أسوأ مرتين تقريبًا. لكن محتوى السعرات الحرارية لا يرتبط بالروبل. إنه يشبه البنزين والديزل: ليس من الواقع أنه إذا كلف الديزل 35 روبل ، وتكلف الـ 92 روبل ، فسيكون الديزل أكثر كفاءة من حيث السعرات الحرارية.

العامل الثالث هو تعقيد العمليات الحسابية. بشرط ، بناءً على تجربة الموظف ، يتم حساب خيارين أو ثلاثة ، ويتم تحديد أفضل وضع في كثير من الأحيان من تاريخ الفترات السابقة للأحمال والأحوال الجوية المشابهة. بطبيعة الحال ، يعتقد الموظفون أنهم يختارون أفضل الأوضاع ، ويعتقدون أنه لن يتفوق عليهم أي نموذج.

لقد جئنا. لحل المشكلة ، نحن نستعد الرقمية المزدوجة - نموذج تقليد للمحطة. هذا عندما نستخدم المحاكاة الخاصة جميع العمليات التكنولوجية لكل قطعة من المعدات ، ونخفض من رصيد البخار والمياه ونحصل على نموذج دقيق لتشغيل محطة الطاقة الحرارية.

لإنشاء النموذج الذي نستخدمه:

• خصائص تصميم وجواز السفر للمعدات.
• الخصائص المستندة إلى نتائج الاختبارات الأخيرة للمعدات: كل خمس سنوات ، يتم اختبار المعدات وتحديدها في المحطة.
• البيانات في محفوظات أنظمة التحكم الصناعية وأنظمة المحاسبة لجميع المؤشرات التكنولوجية المتاحة ، وتكاليف توليد الحرارة والكهرباء. على وجه الخصوص ، بيانات من أنظمة قياس الحرارة والكهرباء ، وكذلك أنظمة القياس عن بعد.
• بيانات من المخططات الشريطية والورقية. نعم ، لا تزال هذه الطرق التماثلية لتسجيل معلمات تشغيل المعدات تستخدم في محطات الطاقة الروسية ، ونحن نقوم برقمنتها.
• المجلات الورقية في المحطات التي يتم فيها تسجيل المعلمات الرئيسية للأوضاع باستمرار ، بما في ذلك تلك التي لم يتم تسجيلها بواسطة مستشعرات ACS TP. يمشي الزاحف مرة كل أربع ساعات ، ويعيد كتابة الشهادة ويكتب كل شيء في المجلة.

أي أننا استعدنا مجموعات البيانات حول الوضع الذي تم تشغيله ، وكمية الوقود التي تم توفيرها ، وما هي درجة حرارة ومعدل تدفق البخار ، وكم خرج الحرارة والكهرباء. من بين آلاف هذه المجموعات ، كان من الضروري جمع خصائص كل عقدة. لحسن الحظ ، تمكنا من لعب هذا التعدين البيانات لفترة طويلة.

من الصعب للغاية وصف مثل هذه الأشياء المعقدة باستخدام النماذج الرياضية. والأكثر صعوبة هو أن يثبت لكبير المهندسين أن نموذجنا يحسب بشكل صحيح أوضاع تشغيل المحطة. لذلك ، سلكنا طريق استخدام أنظمة هندسية متخصصة تسمح لنا بتكوين وتصحيح نموذج لمحطات الطاقة الحرارية بناءً على التصميم والخصائص التكنولوجية للمعدات. اخترنا برنامج Termoflow للشركة الأمريكية TermoFlex. يوجد الآن نظراء روس ، لكن في ذلك الوقت كانت هذه الحزمة هي الأفضل في فئتها.

لكل وحدة ، يتم اختيار تصميمها والخصائص التكنولوجية الأساسية. يتيح لك النظام وصف كل شيء بتفصيل كبير على المستويين المنطقي والمادي ، حتى الإشارة إلى درجة الترسبات في أنابيب المبادلات الحرارية.



نتيجة لذلك ، يتم وصف نموذج الدائرة الحرارية للمحطة بصريا من حيث تقنيي الطاقة. ليس الفنيون على دراية بالبرمجة والرياضيات والنمذجة ، لكن يمكنهم اختيار بناء الوحدة والمدخلات والمخرجات الخاصة بالوحدات وتحديد المعلمات عليها. علاوة على ذلك ، يقوم النظام نفسه باختيار المعلمات الأكثر ملاءمة ، ويقوم المتخصص الفني بصقلها للحصول على أقصى درجات الدقة لمجموعة كاملة من أوضاع التشغيل. وضعنا هدفًا لأنفسنا - لضمان دقة النموذج 2٪ للمعايير التكنولوجية الرئيسية وتحقيق ذلك.





اتضح أنها ليست بهذه البساطة: البيانات الأولية لم تكن دقيقة للغاية ، لذلك في الشهرين الأولين ذهبنا إلى CHPP وقمنا يدويًا بشطب المؤشرات الحالية من أجهزة قياس الضغط وضبط النموذج إلى الأوضاع الفعلية. أول نماذج من التوربينات والغلايات. تم معايرة كل التوربينات والغلايات. لاختبار النموذج ، تم إنشاء مجموعة عمل وتم تضمين ممثلين عن TPP فيه.



ثم قاموا بتجميع جميع المعدات في دائرة عامة وضبطوا نموذج محطة الطاقة الحرارية ككل. كان علي العمل ، حيث كان هناك الكثير من البيانات المتضاربة في الأرشيف. على سبيل المثال ، وجدنا وسائط بكفاءة إجمالية قدرها 105 ٪.

عندما تقوم بتجميع دائرة كاملة ، ينظر النظام دائمًا في وضع متوازن: يتم تجميع الأرصدة المادية والكهربائية والحرارية. بعد ذلك ، نقوم بتقييم كيف يتوافق كل شيء في التجميع مع المعلمات الفعلية للوضع وفقًا لمؤشرات الأدوات.

ماذا حدث

نتيجة لذلك ، حصلنا على نموذج دقيق للعمليات التكنولوجية لمصنع CHP ، بناءً على الخصائص الفعلية للمعدات والبيانات التاريخية. هذا سمح لنا بالتنبؤ بشكل أكثر دقة من على أساس خصائص الاختبار فقط. وكانت النتيجة محاكاة للعمليات الحقيقية للمحطة ، وهو ضعف رقمي ل TPP.

مكّنت هذه المحاكاة من إجراء التحليل وفقًا لسيناريوهات "ماذا لو ..." وفقًا للمؤشرات المحددة. أيضا ، تم استخدام هذا النموذج لحل مشكلة تحسين تشغيل محطة حقيقية.

اتضح لتنفيذ أربعة حسابات التحسين:

1. يعرف مشرف التحول جدول الإطلاق الحراري ، وأوامر مشغل النظام معروفة ، والجدول الزمني لإمدادات الكهرباء معروف: ما هي المعدات التي يجب أن تأخذ الحمل للحصول على أقصى هامش.
2. عند اختيار تركيبة المعدات وفقًا لتوقعات أسعار السوق: بالنسبة إلى تاريخ معين ، مع الأخذ في الاعتبار جدول الحمل وتوقعات درجة الحرارة الخارجية ، فإننا نحدد التركيب الأمثل للمعدات.
3. تقديم الطلبات في السوق ليوم واحد قادم: عندما يكون هناك تركيبة من المعدات وهناك توقعات أكثر دقة للسعر. نحن نعول ونقدم الطلب.
4. سوق الموازنة موجود بالفعل خلال اليوم الحالي ، عندما تكون الجداول الكهربائية والحرارية ثابتة ، ولكن عدة مرات في اليوم كل أربع ساعات يبدأ التداول في سوق الموازنة ، ويمكنك تقديم طلب: "أطلب منك تحميل ما يصل إلى 5 ميجاوات". من الضروري العثور على حصة التحميل أو التفريغ الإضافية ، عندما يمنح ذلك أقصى هامش.

اختبار

لإجراء الاختبارات الصحيحة ، احتجنا إلى مقارنة أوضاع التحميل القياسية لمعدات المصنع بتوصيات التصميم الخاصة بنا في ظل نفس الظروف: تكوين المعدات ، وجداول الحمل والطقس. على مدار شهرين ، اخترنا فواصل زمنية مدتها أربع ساعات كل يوم مع جدول زمني مستقر. وصلنا إلى المحطة (غالبًا في الليل) ، وانتظرنا دخول المحطة إلى الوضع ، وفقط نظرنا إليها في نموذج المحاكاة. إذا كان مشرف التحول سعيدًا بكل شيء ، فسيتم إرسال طاقم التشغيل إلى لف الصمامات وتغيير أوضاع المعدات.



مقارنة المؤشرات قبل وبعد في الواقع. في الذروة ، ليلا ونهارا ، في عطلات نهاية الأسبوع وأيام الأسبوع. في كل وضع ، حصلنا على توفير الوقود (في هذه المهمة ، يعتمد الهامش على استهلاك الوقود). ثم تحولوا تماما إلى أوضاع جديدة. يجب أن أقول أنه في المحطة كانوا يؤمنون بسرعة بفعالية توصياتنا ، وبنهاية الاختبارات ، لاحظنا بشكل متزايد أن الجهاز كان يعمل في الأوضاع المحسوبة مسبقًا.

ملخص المشروع

الكائن: CHP مع وصلات متقاطعة ، 600 ميجاوات من الطاقة الكهربائية ، 2400 سعر حراري - حراري.

الفريق: CROC - سبعة أشخاص (خبراء تقنيون ، محللون ، مهندسون) ، CHP - خمسة أشخاص (خبراء أعمال ، مستخدمون رئيسيون ، متخصصون).
مدة التنفيذ: 16 شهر.

النتائج:

• العمليات التجارية الآلية لإدارة الأنظمة والعمل في سوق الجملة.
• إجراء اختبارات ميدانية تؤكد الأثر الاقتصادي.
• توفير 1.2٪ من الوقود بسبب إعادة توزيع الأحمال أثناء الصيانة.
• حفظ 1 ٪ من الوقود بسبب تخطيط تكوين المعدات على المدى القصير.
• قمنا بتحسين حساب خطوات تطبيقات RSV من خلال معيار زيادة الربح الهامشي.

التأثير النهائي هو حوالي 4 ٪.

مدة الاسترداد المقدرة للمشروع (ROI) هي 1 - 1.5 سنة.

بالطبع ، من أجل تنفيذ واختبار كل هذا ، كان علي تغيير العديد من العمليات والعمل بشكل وثيق مع كل من إدارة CHP والشركة المولدة ككل. ولكن النتيجة كانت بالتأكيد يستحق كل هذا العناء. كان من الممكن إنشاء ازدواج رقمي للمحطة ، وتطوير إجراءات التخطيط الأمثل والحصول على تأثير اقتصادي حقيقي.