KONICA MINOLTA

Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Diagnostika a optimalizace tepelného cyklu parní turbíny

Technologické procesy a zařízení v elektrárnách nebo teplárnách lze mít nepřetržitě pod kontrolou, a zajistit tak jejich provozování blízko optima při současném plnění bezpeč­nostních a environmentálních požadavků. Dosáhnout tohoto nanejvýš žádoucího stavu lze vhodnou realizací úloh diagnostiky a optimalizace založených na využití propraco­vaných a praxí prověřených funkcí vyrovnání dat a simulace procesu.
 
Elektrárna nebo teplárna představují kom­plexní technický systém, ve kterém probíhá mnoho vzájemně provázaných technologic­kých procesů. Snahou jejich provozovate­lů je dosahovat ekonomických přínosů, a to při splnění bezpečnostních a environmentál­ních požadavků a dalších omezení. Jednou z hlavních podmínek, které je třeba při tom­to snažení při daných materiálových vstupech a okolním prostředí splnit, je dosahovat vždy maximálního výstupního výkonu anebo ma­ximální účinnosti transformace vstupní ener­gie na energii výstupní, aniž by přitom byly překročeny přípustné emise. Jinými slovy to znamená provozovat elektrárnu nebo teplárnu za daných omezení v blízkosti jejího optima.
 

Hodnocení, diagnostika, optimalizace

 
Žádoucího optimálního chodu technolo­gických procesů v elektrárně anebo teplár­ně je možné dosáhnout promyšleným zave­dením a používáním úloh diagnostiky a op­timalizace.
 
K omezením, která je třeba respektovat, patří zejména:
  • materiálové, popř. energetické vstupy,
  • vlivy okolí (např. teplota okolního vzdu­chu),
  • technické a legislativní požadavky.
Optimum je obvykle mnoharozměrné a zahrnuje:
  • výkon a účinnost,
  • náklady na provoz a údržbu,
  • spolehlivost (bezporuchovost, životnost, udržovatelnost a opravitelnost, pohoto­vost).
Jako objektivní a univerzální kritérium optimality se nejčastěji používají celkové náklady, popř. náklady vztažené na jednot­ku výroby.
 
Diagnostikou (diagnózou) se rozumí ur­čení technického stavu diagnostikovaného zařízení a procesu v elektrárně anebo teplár­ně, a to z pohledu dosahovaných hodnot pa­rametrů charakterizujících výkonnost (např. celkový koeficient prostupu tepla u výmění­ků, tepelná účinnost cyklu apod.).
 
Optimalizací se rozumí uvedení do soula­du aktuálního způsobu provozování elektrár­ny anebo teplárny se skutečně dosažitelnými možnostmi zařízení.
 
Klíčovou roli při zavádění úloh diagnosti­ky a optimalizace mají funkce vyrovnání dat simulace procesu.
 

Vyrovnání dat

 
Vyrovnání dat je první klíčovou funkcí. Jde o pokročilou techniku zpracování namě­řených, popř. předzpracovaných údajů. Cílem je získat přesnější pohled „dovnitř“ procesu – poznat jeho reálný stav.
 
Vyrovnání dat umožňuje:
  • detekovat, identifikovat a eliminovat hru­bé chyby měření,
  • zvýšit přesnost měření,
  • detekovat postupnou degradaci snímače (čidla),
  • dopočítat hodnoty veličin, které se přímo neměří,
  • získat konzistentní (z pohledu fyzikálních zákonů a dalších omezení) soubor dat pro další zpracování.
Vyrovnání dat představuje celostní pří­stup zpracování dat využívající informaci ze všech měření vykonávaných na technologic­kém zařízení.
 

Simulace procesu

 
Simulace procesu je druhou klíčovou, z hlediska uskutečnění v praxi obtížnější funkcí umožňujících realizovat úlohy dia­gnostiky a optimalizace.
 
Simulací se rozumí studium určitých vlastností a chování systému prostřednic­tvím jeho modelu. Cílem simulace procesu je co nejvěrněji reprodukovat chování reálného procesu. Prostřednictvím věrné reprodukce chování reálného procesu za zadaných pod­mínek lze hlouběji porozumět danému pro­cesu a chování zařízení.
 
Simulační model se skládá z jednotlivých vzájemně propojených komponent. Kompo­nenta představuje matematický model určitého zařízení nebo jeho části (část parní turbíny, výměník tepla apod.). Tvorba modelu celého tepelného cyklu parní turbíny spočívá v po­stupné tvorbě modelů jeho jednotlivých kom­ponent v řadě iteračních cyklů.
 
Vstupy do následujících simulačních vý­počtů s použitím vytvořeného modelu jsou:
  • interakce systému s okolím typu vstup,
  • hodnoty regulovaných veličin,
  • konkrétní konfigurace tepelného cyklu par­ní turbíny.
Výstupem simulačního výpočtu jsou:
  • interakce systému s okolím typu výstup,
  • hodnoty stavových proměnných (veličin v určených bodech tepelného cyklu).
Simulační model se využívá k určení (resp. odhadu) očekávaného, popř. dosaži­telného stavu reálného systému (procesu), a to za daných okrajových podmínek, kterými jsou např. množství přiváděného tepla, množ­ství a teplota chladicí vody apod.
Základní koncept použití funkcí vyrovnání dat (model I) a simulace procesu (model II) pro úlohy diagnostiky a optimalizace je zná­zorněn na obr. 1.
 

Úloha diagnostiky

 
Principem úlohy diagnostiky je porovnat aktuální stav reálného systému zjištěný s po­užitím funkce vyrovnání dat a očekávaným, popř. dosažitelným stavem určeným prostřed­nictvím simulace chování systému (procesu). Porovnávají se:
  • hodnoty stavových veličin v klíčových mís­tech tepelného cyklu,
  • hodnoty parametrů výkonnosti celého cyk­lu a jednotlivých zařízení.
Z porovnání lze zjistit a identifikovat zá­vady těchto dvou typů:
  • z časového hlediska postupné (degradač­ní) a z hlediska rozsahu částečné,
  • z časového hlediska náhlé a z hlediska roz­sahu částečné (sem např. patří nesprávná konfigurace tepelného cyklu – propojení zařízení, a to z hlediska žádoucího pro­vozního režimu).
Zásadním požadavkem je zde přesnost po­rovnání. Ta je určena správností a přesností měření (se zahrnutím pokročilého zpracování naměřených údajů, tj. vyrovnání dat) a kvali­tou simulačního modelu.
 
Na přesnost vyrovnání dat mají rozho­dující vliv:
  • správnost, přesnost, počet a umístění jed­notlivých snímačů,
  • přesnost, resp. míra podrobnosti matema­tického modelu (uvážené zahrnutí těch pa­rametrů systému, u nichž lze předpokládat závislost na čase, např. působením procesů degradace).
Při realizaci úloh diagnostiky a optimali­zace je proto důležitou etapou kontrola sta­vu snímačů a odstranění případných závad. V některých případech je žádoucí nebo nut­ná výměna snímačů (čidel snímačů) a popř. jejich doplnění.
 
Na kvalitu simulace procesu mají rozho­dující vliv:
  • přesnost, resp. míra podrobnosti struktury simulačního modelu, tj. která zařízení jsou modelována a která jsou zanedbána,
  • vhodný výběr matematických modelů jed­notlivých komponent,
  • správnost nastavení hodnot parametrů mo­delů komponent.
Rozhodující vliv poslední z položek – správnost nastavení modelů komponent. Hod­noty parametrů komponent se obvykle pře­bírají z projektových podkladů a z podkladů výrobce zařízení nebo se určují měřením. Po­žadavek na správnost a přesnost měření vede opět k výše uvedeným požadavkům na funk­ci vyrovnání dat.
 
Při výběru matematického modelu kom­ponenty je k popisu složitějších jevů vhodné nebo nutné použít kombinace analytického a empirického postupu (např. pro poslední stupeň parní turbíny).
 
Z uvedeného sdělení je zřejmé, že na přes­nost diagnostiky má vliv správnost a přesnost, tj. nejistota snímačů. Ta se podle typu a vý­robce snímače pohybuje od desetin do jedno­tek procent. Je-li cílem úlohy diagnostiky de­tekce a identifikace závad zařízení nebo zá­vad procesu o velikosti řádu desetin procenta pro sledovanou veličinu nebo parametr, vzni­ká zde zjevný rozpor.
 
V praxi bylo ověřeno, že tomuto problému lze „čelit“ nikoliv zjišťováním rozdílu mezi hodnotou sledované veličiny určenou vyrov­náním dat a její hodnotou určenou simulací procesu, ale sledováním změny tohoto rozdílu v čase. S výhodou se využívá skutečnost, že provozní veličiny nemusí být měřeny správ­ně, a bývají měřeny přesně. Význam a vzá­jemnou souvislost pojmů správnost přes­nost objasňuje obr. 2. Již uvedeným postupem lze zvýšit přesnost detekce a identifikace zá­vady až o jeden řád.
 
Dalším závažným problémem je vliv pře­chodových stavů. Eliminovat tento vliv lze zejména:
  • volbou vhodné míry podrobnosti mate­matických modelů, např. zahrnutí dalších okrajových podmínek (vstupů pro model),
  • zahrnutím jevu akumulace hmoty a ener­gie v modelovaném zařízení v průběhu pře­chodového procesu,
  • vyloučením ze sledování těch časových úseků, kde předchozí opatření nedostaču­jí (např. při nahodilých chybách snímačů či manipulacích na reálném zařízení, kte­ré nejsou modelovány).
 

Úloha optimalizace

 
Optimalizace je proces hledání takových hodnot pa­rametrů zařízení nebo hod­not provozních veličin, při nichž optimalizační kritéri­um dosahuje maxima nebo minima.
 
Základním nástrojem pro úlohu optimalizace je simu­lační model jako prostředek k pochopení podstaty chová­ní reálného procesu či ales­poň k nahlédnutí do ní. Při optimalizaci s použitím simu­lačního modelu obvykle není k dispozici exaktně daná cílo­vá funkce (optimalizační kri­térium). Proto je třeba postu­povat následujícím způsobem.
 
Optimalizace se realizu­je postupnou změnou hod­not vybraných parametrů simulačního modelu a následným simulačním experimentem (vý­počtem simulačního modelu). Optimalizace se pak uskuteční na základě mnoha simulač­ních experimentů a následného výběru těch hodnot parametrů, při kterých optimalizační kritérium dosáhlo extrému.
 
Jestliže v reálném procesu existuje určitá volnost ve volbě jeho organizace a struktury, může se vhodnou změnou daných parametrů pro určené optimalizační kritérium najít op­timální chování procesu. V takovém případě jde o vzájemné porovnání několika alternativ na základě stanoveného kritéria optimálnosti.
 
Účelnou podporu zde poskytuje vhodná vizualizace výsledků.
 

PowerOPTI – realizace úloh diagnostiky a optimalizace

 
Na základě již uvedených principů je vy­tvořen softwarový produkt PowerOPTI, ur­čený k realizaci úloh typu hodnocení výkon­nosti, diagnostika a optimalizaci elektráren a tepláren.
 
K významným vlastnostem produktu Pow­erOPTI patří:
  • tvorba přípravy technologického schéma­tu pro definování modelů I a II při použití grafického editoru (znázornění struktury systému blokovým schématem) a knihov­ny předem definovaných komponent,
  • definování algoritmů předzpracování a ná­sledného (post-) zpracování při použití technologického jazyka vhodného k pou­žití odborníky – technology,
  • režimy práce zahrnující přípravu, ladění a identifikaci modelů, jejich výpočet a pře­počet on-line,
  • snadná integrace do současné struktury in­formačního systému provozovatele elekt­rárny nebo teplárny a provoz v režimu blíz­kém režimu reálného času,
  • podpora provádění kontrol zařízení podle specifických požadavků zákazníka (tech­nická podpora, podpora činnosti směnové­ho personálu).
 

Závěr

 
Hlavní přínos úloh diagnostiky a optima­lizace pro provozovatele elektráren nebo tep­láren spočívá v tom, že mají technologický proces a zařízení nepřetržitě pod kontrolou, a mohou tak zajistit jeho provozování blízko optima za současného plnění bezpečnostních a environmentálních požadavků.
 
Další významné přínosy jsou:
  • odborní pracovníci provozovatele postupně získávají hlubších znalosti o technologic­kém procesu a funkci zařízení; zkušenosti z praxe ukazují, že odborní pracovníci na­lézají takové závady, které byly po dlouhou dobu „skryty“,
  • možnost porovnávat činnost jednotlivých směn provozního personálu.
Další související informace lze nalézt v článku Softwarová základna pro hodno­cení výkonnosti, diagnostiku a optimalizaci v tomto časopise na str. 22.
 
Ing. Jiří Pliska,
RNDr. Zdeněk Machát,
Ing. Petr Šurý,
Divize Optimalizace energetických výroben,
 
Obr. 1. Základní koncept použití funkcí vyrovnání dat (model I) a simulace procesu (model II) v úlohách diagnostiky výroben energie a optima­lizace jejich provozu (vrstva III, vrstva IV: viz obr. 1 v článku na str. 22)
Obr. 2. Význam pojmů správnost a přesnost a jejich vzájemná souvislost