Es gibt ein großes BHKW. Es funktioniert wie gewohnt: Es verbrennt Gas, erzeugt Wärme zum Heizen von Häusern und Strom für ein gemeinsames Netz. Die erste Aufgabe ist das Heizen. Die zweite besteht darin, den gesamten erzeugten Strom auf dem Großhandelsmarkt zu verkaufen. Manchmal tritt Schnee auch bei Frost und klarem Himmel auf, dies ist jedoch ein Nebeneffekt von Kühltürmen.
Das durchschnittliche BHKW besteht aus ein paar Dutzend Turbinen und Kesseln. Sind die notwendigen Mengen an Strom und Wärme genau bekannt, gilt es, die Brennstoffkosten zu minimieren. In diesem Fall reduziert sich die Berechnung auf die Auswahl der Zusammensetzung und des Prozentsatzes der Belastung von Turbinen und Kesseln, um den höchstmöglichen Wirkungsgrad der Ausrüstung zu erzielen. Der Wirkungsgrad von Turbinen und Kesseln hängt stark von der Art der Ausrüstung, der Zeit ohne Reparatur, der Arbeitsweise und vielem mehr ab. Es gibt ein weiteres Problem, wenn Sie bei bekannten Preisen für Strom- und Wärmemengen entscheiden müssen, wie viel Strom erzeugt und verkauft werden soll, um den maximalen Gewinn aus der Arbeit auf dem Großhandelsmarkt zu erzielen. Dann ist der Optimierungsfaktor - Gewinn und Anlageneffizienz - viel weniger wichtig. Das Ergebnis kann ein Regime sein, in dem die Geräte völlig ineffizient arbeiten, der gesamte erzeugte Strom jedoch mit maximaler Gewinnspanne verkauft werden kann.
Theoretisch ist das alles längst verstanden und hört sich schön an. Das Problem ist, wie dies in der Praxis gemacht wird. Wir haben eine Simulation des Betriebs jedes einzelnen Geräts und der gesamten Anlage gestartet. Wir kamen zum BHKW und begannen, die Parameter aller Knoten zu erfassen, ihre tatsächlichen Eigenschaften zu messen und die Arbeit in verschiedenen Modi zu bewerten. Darauf aufbauend haben wir genaue Modelle erstellt, um den Betrieb der einzelnen Geräte zu simulieren, und sie für Optimierungsberechnungen verwendet. Mit Blick auf die Zukunft werde ich sagen, dass wir allein aufgrund der Mathematik etwa 4% der tatsächlichen Effizienz gewonnen haben.
Es stellte sich heraus. Bevor ich jedoch unsere Entscheidungen beschreibe, möchte ich erläutern, wie das BHKW in Bezug auf die Entscheidungslogik funktioniert.
Grundlegende Dinge
Die Hauptelemente des Kraftwerks sind Kessel und Turbinen. Die Turbinen werden durch Hochdruckdampf in Rotation versetzt, wobei wiederum elektrische Generatoren rotieren, die Elektrizität erzeugen. Die restliche Energie des Dampfes fließt in Heizung und Warmwasser. Kessel sind Orte, an denen Dampf erzeugt wird. Das Aufheizen des Kessels und das Beschleunigen der Dampfturbine dauern viel Zeit (Stunden), und dies ist ein direkter Brennstoffverlust. Gleiches gilt für Laständerungen. Sie müssen solche Dinge im Voraus planen.
Das BHKW hat ein technisches Minimum, das einen minimalen, aber gleichzeitig stabilen Betriebsmodus beinhaltet, in dem es möglich ist, Haushalten und industriellen Verbrauchern eine ausreichende Wärmemenge bereitzustellen. In der Regel hängt die benötigte Wärmemenge direkt vom Wetter (Lufttemperatur) ab.
Jede Einheit hat eine Wirkungsgradkurve und einen Maximalwert für die Arbeitseffizienz: Bei einer solchen Last liefern ein und derselbe Kessel und eine und die selbe Turbine den billigsten Strom. Günstig - im Sinne eines minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauchs.
Die meisten KWK-Anlagen in Russland sind parallel geschaltet, wenn alle Kessel an einem Dampfkollektor betrieben werden und alle Turbinen auch von einem Kollektor angetrieben werden. Dies erhöht die Flexibilität beim Laden von Geräten, erschwert jedoch die Berechnungen erheblich. Es kommt auch vor, dass die Ausrüstung der Station in Teile unterteilt ist, die mit unterschiedlichen Kollektoren mit unterschiedlichen Dampfdrücken arbeiten. Und wenn Sie die Kosten für den Hausgebrauch addieren - den Betrieb von Pumpen, Lüftern, Kühltürmen und, um ehrlich zu sein, Saunen direkt hinter dem Zaun des Wärmekraftwerks - dann wird das verdammte Bein brechen.
Die Eigenschaften aller Geräte sind nicht linear. Jede Einheit hat eine Kurve mit Zonen, in denen der Wirkungsgrad höher und niedriger ist. Es kommt auf die Belastung an: Bei 70% gibt es einen Wirkungsgrad, bei 30% einen anderen.
Ausstattung unterscheidet sich in den Eigenschaften. Es gibt neue und alte Turbinen und Kessel, es gibt Einheiten unterschiedlicher Bauart. Durch die Auswahl der richtigen Ausrüstung und deren optimale Beladung bei maximaler Effizienz können Sie den Kraftstoffverbrauch senken, was zu Kosteneinsparungen oder höheren Gewinnspannen führt.
Woher weiß ein Wärmekraftwerk, wie viel Energie benötigt wird?
Die Planung erfolgt für drei Tage im Voraus: In drei Tagen wird die geplante Zusammensetzung der Ausrüstung bekannt. Dies sind die Turbinen und Kessel, die enthalten sein werden. Relativ gesehen wissen wir, dass heute fünf Kessel und zehn Turbinen funktionieren werden. Wir können keine andere Ausrüstung einschalten oder die geplante ausschalten, aber wir können die Last für jeden Kessel von minimal auf maximal ändern und die Leistung in Turbinen sammeln und reduzieren. Der Schritt von Maximum zu Minimum beträgt je nach Ausrüstungseinheit 15 bis 30 Minuten. Hier ist die Aufgabe einfach: Wählen Sie die optimalen Modi und halten Sie sie mit den betrieblichen Anpassungen in Einklang.
Woher kommt diese Ausrüstung? Er entschied sich für die Ergebnisse des Handels auf dem Großhandelsmarkt. Es gibt einen Markt für Strom und Strom. Auf dem Kapazitätsmarkt reichen die Hersteller einen Antrag ein: „Es gibt solche und solche Geräte, dies sind die minimalen und maximalen Kapazitäten unter Berücksichtigung der geplanten Leistung für die Reparatur. Wir können 150 MW zu einem solchen Preis, 200 MW zu diesem Preis und 300 MW zu diesem Preis ausgeben. “ Dies sind Langzeitanwendungen. Andererseits stellen Großverbraucher auch Anträge: "Wir brauchen so viel Energie." Spezifische Preise werden an der Schnittstelle zwischen dem, was die Energieerzeuger geben können und dem, was die Verbraucher nehmen möchten, festgelegt. Diese Kapazitäten werden für jede Stunde des Tages ermittelt.
In der Regel werden KWK-Anlagen während der gesamten Saison ungefähr gleich belastet: Im Winter ist Wärme das vorrangige Produkt und im Sommer Strom. Starke Abweichungen sind meist mit Unfällen am Bahnhof selbst oder an benachbarten Kraftwerken in der gleichen Preiszone des Großhandelsmarktes verbunden. Es gibt aber immer Schwankungen, die die Wirtschaftlichkeit der Anlage stark beeinträchtigen. Die erforderliche Leistung können drei Kessel mit einer Auslastung von 50% oder zwei Kessel mit einer Auslastung von 75% und Watch aufnehmen, was effizienter ist.
Die Marge hängt von den Marktpreisen und den Kosten für die Stromerzeugung ab. Auf dem Markt können die Preise so hoch sein, dass es rentabel ist, Kraftstoff zu verbrennen, aber es ist gut, Strom zu verkaufen. Oder vielleicht, damit Sie zu einer bestimmten Stunde ein technisches Minimum erreichen und Verluste reduzieren müssen. Denken Sie auch an die Reserven und die Kosten für Kraftstoff: Dieselbes Erdgas ist in der Regel begrenzt, und Gasüberschreitungen sind spürbar teurer, ganz zu schweigen von Heizöl. All dies erfordert genaue mathematische Modelle, um zu verstehen, welche Anträge eingereicht werden müssen und wie auf sich ändernde Umstände zu reagieren ist.
Wie es vor unserer Ankunft gemacht wurde
Praktisch auf Papier, nach nicht sehr genauen Eigenschaften der Geräte, die eine große Streuung von den tatsächlichen haben. Unmittelbar nach dem Testen der Ausrüstung werden sie höchstens plus oder minus 2% der Tatsache betragen, und nach einem Jahr - plus oder minus 7-8%. Tests werden alle fünf Jahre durchgeführt, oft weniger häufig.
Der nächste Punkt ist, dass alle Berechnungen in Standardkraftstoff durchgeführt werden. In der UdSSR wurde ein Schema angenommen, als es als ein bestimmter bedingter Brennstoff für den Vergleich verschiedener Stationen in Bezug auf Heizöl, Kohle, Gas, Atomerzeugung usw. angesehen wurde. Es war notwendig, die Effizienz der Papageien jedes Generators zu verstehen, und der entsprechende Kraftstoff ist der gleiche Papagei. Sie wird durch den Brennwert des Brennstoffs bestimmt: Eine Tonne Standardbrennstoff entspricht ungefähr einer Tonne Kohle. Es gibt Umrechnungstabellen für verschiedene Kraftstoffarten. Beispielsweise sind die Indikatoren für Braunkohle fast doppelt so schlecht. Der Kaloriengehalt hängt jedoch nicht mit dem Rubel zusammen. Es ist wie bei Benzin und Diesel: Wenn ein Diesel 35 Rubel und der 92. 32 Rubel kostet, hat der Diesel einen effizienteren Brennwert.
Der dritte Faktor ist die Komplexität der Berechnungen. Abhängig von der Erfahrung des Mitarbeiters werden zwei oder drei Optionen berechnet. Häufig wird der beste Modus für ähnliche Belastungen und Wetterbedingungen aus der Vergangenheit ausgewählt. Natürlich glauben die Mitarbeiter, dass sie die optimalsten Modi auswählen und dass kein einziges Modell sie jemals übertreffen wird.
Wir kommen Um das Problem zu lösen, bereiten wir ein digitales Doppel vor - ein Imitationsmodell der Station. Hierbei simulieren wir mit speziellen Ansätzen alle technologischen Prozesse für jedes Gerät, reduzieren den Dampf- und Wasserhaushalt und erhalten ein genaues Modell des Betriebs eines Wärmekraftwerks.
Um das Modell zu erstellen, verwenden wir:
- Design und Ausweismerkmale der Ausrüstung.
- Merkmale basieren auf den Ergebnissen kürzlich durchgeführter Gerätetests: Alle fünf Jahre werden die Geräte an der Station getestet und spezifiziert.
- Daten in den Archiven von industriellen Steuerungssystemen und Abrechnungssystemen für alle verfügbaren technologischen Indikatoren, Kosten und Erzeugung von Wärme und Strom. Insbesondere Daten von Wärme- und Stromzählern sowie Telemechaniksystemen.
- Daten aus Klebeband- und Tortendiagrammen. Ja, solche analogen Methoden zur Erfassung der Gerätebetriebsparameter werden in russischen Kraftwerken immer noch verwendet, und wir digitalisieren sie.
- Papiermagazine an Stationen, an denen die Hauptparameter der Modi ständig aufgezeichnet werden, einschließlich derer, die nicht von ACS TP-Sensoren aufgezeichnet werden. Der Crawler läuft alle vier Stunden, schreibt das Zeugnis neu und schreibt alles in das Tagebuch.
Das heißt, wir haben Datensätze wiederhergestellt, die Auskunft darüber geben, in welchem Modus gearbeitet wurde, wie viel Kraftstoff zugeführt wurde, wie hoch die Temperatur und die Durchflussmenge des Dampfes waren und wie viel Wärme und Strom herauskamen. Aus Tausenden solcher Mengen mussten die Merkmale jedes Knotens gesammelt werden. Zum Glück können wir dieses Data Mining schon lange spielen.
Solche komplexen Objekte mit mathematischen Modellen zu beschreiben, ist äußerst schwierig. Noch schwieriger ist es, dem Chefingenieur zu beweisen, dass unser Modell die Betriebsarten der Station korrekt berechnet. Aus diesem Grund haben wir spezielle technische Systeme verwendet, mit denen wir ein Modell von Wärmekraftwerken basierend auf dem Design und den technologischen Eigenschaften der Geräte erstellen und testen können. Wir haben uns für Termoflow-Software der amerikanischen Firma TermoFlex entschieden. Jetzt gibt es russische Kollegen, aber zu dieser Zeit war dieses Paket das beste seiner Klasse.
Für jede Einheit werden das Design und die grundlegenden technologischen Eigenschaften ausgewählt. Mit dem System können Sie alles sowohl auf logischer als auch auf physikalischer Ebene bis hin zum Ablagerungsgrad in den Rohren der Wärmetauscher detailliert beschreiben.
Infolgedessen wird das Modell des Wärmekreises der Station in Bezug auf Energietechnologen visuell beschrieben. Technologen kennen sich nicht mit Programmierung, Mathematik und Modellierung aus, können jedoch das Einheitenkonstrukt und die Ein- und Ausgänge der Einheiten auswählen und die Parameter für diese festlegen. Darüber hinaus wählt das System selbst die am besten geeigneten Parameter aus und der Techniker verfeinert sie, um eine maximale Genauigkeit für den gesamten Bereich der Betriebsmodi zu erzielen. Wir haben uns zum Ziel gesetzt, die Genauigkeit des Modells um 2% für die wichtigsten technologischen Parameter zu gewährleisten und dies zu erreichen.
Es stellte sich als nicht so einfach heraus: Die anfänglichen Daten waren nicht sehr genau. In den ersten Monaten gingen wir zum Wärmekraftwerk und schrieben die Stromindikatoren von den Manometern manuell ab und stimmten das Modell auf die tatsächlichen Modi ab. Erste Modelle von Turbinen und Kesseln. Jede Turbine und jeder Kessel wurden kalibriert. Um das Modell zu testen, wurde eine Arbeitsgruppe eingerichtet, in die Vertreter des TPP einbezogen wurden.
Dann bauten sie alle Geräte zu einem allgemeinen Stromkreis zusammen und optimierten das Modell des gesamten Wärmekraftwerks. Ich musste arbeiten, da es viele widersprüchliche Daten in den Archiven gab. Wir haben zum Beispiel Modi mit einem Gesamtwirkungsgrad von 105% gefunden.
Wenn Sie eine komplette Schaltung zusammenbauen, berücksichtigt das System immer einen ausgeglichenen Modus: Material-, elektrische und Wärmebilanzen werden zusammengestellt. Als nächstes bewerten wir, wie alles in der Baugruppe den tatsächlichen Parametern des Modus gemäß den Indikatoren von den Instrumenten entspricht.
Was ist passiert?
Als Ergebnis erhielten wir ein genaues Modell der technologischen Prozesse der KWK-Anlage, basierend auf den tatsächlichen Merkmalen der Ausrüstung und historischen Daten. Dies ermöglichte uns eine genauere Vorhersage als nur auf der Grundlage von Testmerkmalen. Das Ergebnis war ein Simulator der realen Prozesse der Station, ein digitales Doppel des TPP.
Dieser Simulator ermöglichte die Analyse nach den "Was wäre wenn ..." - Szenarien anhand spezifizierter Indikatoren. Dieses Modell wurde auch verwendet, um das Problem der Optimierung des Betriebs einer realen Station zu lösen.
Es stellte sich heraus, dass vier Optimierungsberechnungen implementiert wurden:
- Der Schichtleiter kennt den Zeitplan für die Wärmeabgabe, die Befehle des Systembetreibers sind bekannt, der Zeitplan für die Stromversorgung ist bekannt: Welche Ausrüstung sollte die Last aufnehmen, um die maximale Marge zu erzielen.
- Auswahl der Gerätezusammensetzung anhand von Marktpreisprognosen: Unter Berücksichtigung des Lastplans und der Außentemperaturprognose ermitteln wir für ein bestimmtes Datum die optimale Gerätezusammensetzung.
- Einreichung von Anmeldungen auf dem Markt für einen Tag im Voraus: Wenn eine Zusammenstellung der Geräte vorliegt und eine genauere Preisprognose vorliegt. Wir zählen und reichen eine Bewerbung ein.
- Der Ausgleichsmarkt befindet sich bereits innerhalb des aktuellen Tages, an dem die elektrischen und thermischen Zeitpläne festgelegt sind, aber mehrmals täglich alle vier Stunden beginnt der Handel auf dem Ausgleichsmarkt, und Sie können einen Antrag einreichen: „Ich bitte Sie, mich bis zu 5 MW zu laden.“ Es ist notwendig, den Anteil des zusätzlichen Be- oder Entladens zu ermitteln, wenn dies die maximale Marge ergibt.
Test
Für die korrekten Tests mussten wir die Standardbelastungsmodi der Anlagenausrüstung mit unseren Auslegungsempfehlungen unter den gleichen Bedingungen vergleichen: Zusammensetzung der Ausrüstung, Belastungspläne und Wetter. Innerhalb weniger Monate haben wir vier- bis sechsstündige Intervalle mit einem stabilen Zeitplan ausgewählt. Wir kamen an der Station an (oft nachts), warteten darauf, dass die Station in den Modus wechselt, und berücksichtigten ihn erst dann im Simulationsmodell. Wenn der Schichtleiter mit allem zufrieden war, wurde das Betriebspersonal geschickt, um die Ventile zu drehen und die Gerätemodi zu ändern.
Vergleichsindikatoren vorher und nachher in der Tat. In der Hauptsaison, Tag und Nacht, an Wochenenden und Wochentagen. In jedem Modus haben wir Kraftstoff gespart (bei dieser Aufgabe hängt die Marge vom Kraftstoffverbrauch ab). Dann sind sie komplett auf neue Modi umgestiegen. Ich muss sagen, dass sie an der Station schnell an die Wirksamkeit unserer Empfehlungen geglaubt haben, und gegen Ende der Tests bemerkten wir zunehmend, dass die Ausrüstung in den zuvor berechneten Modi arbeitete.
Projektzusammenfassung
Objekt: KWK mit Vernetzung, 600 MW elektrischer Leistung, 2.400 Gcal - thermisch.
Team: CROC - sieben Personen (Expertentechnologen, Analysten, Ingenieure), CHP - fünf Personen (Business-Experten, Key-User, Spezialisten).
Durchführungsdauer: 16 Monate.
Ergebnisse:
- Automatisierte Geschäftsprozesse für die Führung von Regimen und die Arbeit auf dem Großhandelsmarkt.
- Durchführung von Feldtests zur Bestätigung der wirtschaftlichen Wirkung.
- Einsparung von 1,2% Kraftstoff durch Lastumverteilung während der Wartung.
- Einsparung von 1% Kraftstoff durch kurzfristige Planung der Gerätezusammensetzung.
- Wir haben die Berechnung der Antragsschritte für RSV durch das Kriterium der Gewinnmaximierung optimiert.
Der Endeffekt beträgt ca. 4%.
Die geschätzte Amortisationszeit des Projekts (ROI) beträgt 1–1,5 Jahre.
Um dies umzusetzen und zu testen, musste ich natürlich viele Prozesse ändern und sowohl mit der Geschäftsführung des BHKW als auch mit dem gesamten Erzeugerunternehmen eng zusammenarbeiten. Aber das Ergebnis hat sich definitiv gelohnt. Es konnte ein digitales Doppel der Station erstellt, Optimierungsplanungsverfahren entwickelt und ein realer wirtschaftlicher Effekt erzielt werden.