Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Moderní trendy v optimalizaci provozu elektráren a tepláren

Moderní trendy v optimalizaci provozu elektráren a tepláren

Jaroslav Rubek, Jiří Pliska

Článek se zabývá moderními trendy v optimalizaci provozu elektráren a tepláren založenými na použití pokročilých metod zpracování naměřených údajů a matematických simulačních modelů pro funkce diagnostiky a optimalizace a jejich integrací do informačních a řídicích systémů. Pozornost je věnována zpracování a validaci naměřených údajů a matematickým simulačním modelům energetického zařízení. Článek je úvodem série volně navazujících článků, které budou podrobněji popisovat jednotlivé metody diagnostiky strojního energetického zařízení a optimalizace jeho provozu, včetně matematických modelů, které jsou ve spolupráci s dalšími technologickými a inženýrskými firmami a vysokoškolskými pracovišti vyvíjeny na pracovištích společnosti I&C Energo a. s. Na závěr série budou uvedeny příklady využití pokročilých metod zpracování naměřených údajů a využití matematických simulačních modelů pro funkce diagnostiky a optimalizace provozu energetického zařízení v praxi a bude popsáno jejich použití v konvenční a jaderné elektrárně, včetně dosažených výsledků.

1. Požadavky na optimalizaci provozu

Ekonomie provozu je důležitým indikátorem kvality provozu a stavu vlastního výrobního energetického zařízení a prostředkem pro odhalování závad a rezerv v jeho provozování.

V devadesátých letech minulého století, v porovnání se stavem v letech osmdesátých a předchozích, se v České republice podstatně změnily požadavky na provoz energetických zařízení. Zesílil tlak na jejich lepší ekonomické využití.

V případě klasických elektráren a tepláren na fosilní paliva byly vydány nové legislativní dokumenty, které zásadně zpřísnily požadavky na emisní limity pro emise do atmosféry.

Podle dostupných statistických údajů je v Evropě více než polovina všech elektráren na fosilní paliva starších dvaceti let. Tyto elektrárny byly vybudovány podle tehdejších požadavků na limity emisí i na ekonomii provozu. Převážně jsou tvořeny bloky o výkonu mezi 100 až 300 MW.

Požadavky na změnu provozu uvedených elektráren a tepláren, vyvolané tlakem konkurenčního prostředí a legislativou, směřují k modifikacím strojního zařízení. Ty jsou však často spojeny s velkými investicemi a ztrátami souvisejícími s prostoji při vlastních úpravách zařízení.

Provozovatelé energetických celků proto hledají i jiná řešení než ta, která jsou spojena s modifikacemi strojního zařízení, a která by pokud možno s malými investičními náklady umožnila provoz zařízení vyhovující novým legislativním požadavkům a současně zajistila jeho požadovanou ekonomii.

V rámci nutných změn byl v několika minulých letech uskutečněn přechod elektráren a tepláren k palivům s větší výhřevností a současně bylo zavedeno několik primárních opatření k omezení emisí požadovanému novou legislativou. Bylo třeba řešit problematiku optimálního provozu tak, aby změny v kvalitě paliv a způsobu provozu zařízení skutečně vedly k nárůstu výkonnostních parametrů energetického zařízení, aniž by se zvětšila poruchovost a zvýšila se četnost odstávek.

Přechod na kvalitnější paliva a potřeba plnit nové provozní limity vedly z hlediska řízení energetického zařízení k nutnosti řešit takové problémy jako nehomogenní spalování paliva ve spalovací komoře, řízení teploty plamene a rozložení proudů vzduchu přiváděného do spalovací komory kotle, a dále ke zvýšení výkonnosti turbogenerátorů a kondenzačních systémů parních turbín.

Soutěž na trhu výroby elektrické energie rovněž nutí provozovatele jaderných elektráren, obdobně jako elektráren klasických, aby se – při dodržení všech požadavků a omezení kladených z hlediska jaderné bezpečnosti – chovali co možná nejekonomičtěji.

2. Cíle optimalizace

Cíle optimalizace provozu klasických elektráren a z nich vyplývající dílčí výzkumně-vývojové práce jsou soustředěny na:

  • dosažení maximální účinnosti provozu,

  • udržení emisí CO a NOx v rovnováze s přípustnými limity a cenami za emise do okolní atmosféry,

  • snížení emisí CO2 zvýšením tepelné účinnosti zařízení,

  • maximalizaci doby provozu mezi nezbytnými odstávkami,

  • minimalizaci vlivu způsobu provozu energetického zařízení na životnost jeho jednotlivých komponent,

  • využití možností různého nastavení provozní konfigurace propojených bloků kotel-turbína, jestliže pracují s nestejnými účinnostmi nebo v různém provozním režimu (výroba elektrické energie, výroba tepla).

Řešit tuto problematiku lze v podstatné míře díky použití moderních informačních a řídicích systémů (IŘS), které byly do energetických podniků zavedeny během devadesátých let minulého století. Moderní IŘS zvýšily úroveň sběru a zpracování dat a zvětšily rozsah funkčních schopností algoritmů systému řízení.

Optimalizace provozu jaderných elektráren je naproti tomu zaměřena na problematiku:

  • zvýšení kvality regulace využitím moderních IŘS (odstranění driftů, zmenšení překmitů regulovaných veličin atd.),

  • zmenšení rezerv při provozování zařízení vzhledem k hodnotám, při jejichž dosažení je zařízení uváděno do klidového stavu nebo nastavováno na nižší úroveň výkonu, jehož opětné zvýšení je časově náročný proces; zmenšení rezerv je podmíněno posílením diagnostických funkcí systému řízení, které moderní informační systémy umožňují.

V části sekundárního a popř. terciárního okruhu jaderných elektráren jsou výzkumné a vývojové práce orientovány na zvýšení výkonnosti dílčích celků, a to:

  • turbogenerátoru s regenerací,
  • kondenzátoru a chladicího okruhu kondenzátoru.

Cílem je určit očekávané, popř. dosažitelné hodnoty klíčových ukazatelů výkonnosti při aktuálních podmínkách a způsobu provozu sekundárního, popř. terciárního okruhu. Výstup se využije jako podklad pro doporučení vydávaná s cílem dosáhnout potřebných hodnot.

Rovněž optimalizace provozu českých jaderných elektráren vedla k úpravám v systému řízení umožňujícím jejich provoz v režimech primární a sekundární regulace frekvence. Původní projekt elektráren neumožňoval tyto služby poskytovat.

3. Metoda pro optimalizaci provozu energetických zařízení

3.1 Charakteristika metody
Pro úlohy optimalizace provozu energetických zařízení je ve společnosti I&C Energo vyvíjena speciální metoda a s ní související nástroje, postupy pro zajištění služeb a pro realizaci příslušných řešení. Tato metoda je v pokročilém stavu vývoje a má již pilotní příklady použití v klasické i jaderné energetice.

Uvedená metoda umožňující optimalizovat provoz energetických zařízení má tři základní stavební části:

  • analytickou,
  • syntetickou,
  • implementační.

Analytická část je určena k identifikaci stavu energetického strojního zařízení elektrárny, popř. teplárny. Je tvořena souborem softwarových modulů umožňujících operativně analyzovat provoz energetického strojního zařízení ze záznamů jeho provozních údajů.

Prováděné analýzy jsou určeny k získání informací potřebných k nastavení matematických modelů, jejichž pomocí bude prováděna syntéza a budou hledány cesty k optimalizaci rovozu.

Syntetická část využívá znalosti nashromážděné ve společnosti I&C Energo a je potřebná k navrhování optimalizačních opatření zaměřených na zlepšení ukazatelů výkonnosti energetického strojního zařízení.

Implementační část je založena na programových nástrojích určených k zavádění optimalizačních opatření zlepšujících hodnoty ukazatelů výkonnosti energetického strojního zařízení a popř. také k jejich integraci do IŘS provozovatele zařízení.

3.2 Matematické modely
Matematické modely energetického strojního zařízení a systému řízení jsou základní nástroje, které optimalizační metoda používá. Modely jsou založeny na deterministickém popisu technologických procesů probíhajících ve výrobním zařízení, tj. na zákonech zachování hmoty, energie a hybnosti a dalších fyzikálních zákonech, na experimentálně zjištěných závislostech mezi zvolenými fyzikálními veličinami a na modelech založených na použití neuronových sítí.

K dispozici jsou modely těchto zařízení:

  • kotle jako celku se vstupy (množství uhlí, proudy vzduchu a jejich teploty, parametry napájecí vody) a výstupy (kyslík, emise CO, NOx, CO2 , teploty spalin, parametry páry, výkon, účinnost, jednotlivé ztráty),

  • dílčích částí kotle (mlýn, spalovací komora, komora ohřevů napájecí vody a vzduchu, odpařovací plochy, přehřívákové a dohřívací plochy),

  • turbíny s regenerací a kondenzací páry jako celku se vstupy (množství páry a teplárenských odběrů, nastavení regeneračních ohříváků, parametry chladicí vody) a výstupy (výkon, účinnost),

  • dílčí části turbíny s regenerací a kondenzací; turbína s regenerací, kondenzátor, chladicí věže.

3.3 Validace naměřených údajů
Funkce optimalizace provozu energetických strojních zařízení musí být založena na použití spolehlivých a přesných údajů očištěných od možných hrubých chyb měření. Proto jsou součástí popisované optimalizační metody podpůrné nástroje v podobě souboru softwarových modulů umožňujících identifikovat a detekovat hrubé chyby v naměřených údajích a zmenšit nejistotu měření.

Měřené údaje jsou validovány metodou vyrovnání dat (Data Reconciliation Method), která využívá bilanční vztahy vyjadřující zachování hmoty, energie a hybnosti v jednotlivých prvcích (uzlech) energetického strojního zařízení.

Validované údaje jsou využívány k identifikaci stavu energetického strojního zařízení a jako vstupy do vlastního procesu optimalizace, tj. určování příčin případného zhoršení ukazatelů výkonnosti a návrhu způsobu jejich odstranění.

3.4 Implementace řešení
K vlastní optimalizaci provozu elektráren a tepláren jsou zapotřebí nástroje určené k naladění a ověření optimalizačních opatření. Jde o softwarové moduly pro:

  • validaci naměřených údajů (včetně provozních údajů za předchozí časové období),

  • predikci změny stavu energetického strojního zařízení změnou provozního režimu, nastavení regulačních a řídicích prvků energetického zařízeni z výchozího stavu nebo změnou parametrů zařízení apod. (jde o moduly reprezentující matematické simulační modely),

  • podporu operátora a manažerské řízení provozních režimů, když systém pracuje s reálnými měřenými nebo validovanými údaji.

Obr. 1.

Obr. 1. Obecná implementace optimalizačního řešení podle popisované metody

Parametry řešení jsou nastaveny podle výstupů analytických a podpůrných nástrojů. Jejich úlohou je doporučovat řídicí zásahy a další opatření v krátkodobé a střednědobé dynamice provozu tam, kde automatické řízení tuto funkci nezajišťuje.

Implementace celého řešení podle popisované metody je v obecné rovině znázorněna na obr. 1.

4. Realizace optimalizačních opatření

Soubor služeb a dodávka optimalizačního řešení se obvykle skládá z:

  • předběžného vyhodnocení stavu provozu na základě projektové dokumentace a měřených údajů a návrhu na optimalizaci,
  • dodávky řešení a jeho integrace do informační infrastruktury (IT) provozovatele energetického zařízení,
  • školení,
  • finálního naladění.

Konkrétní realizace optimalizačních opatření, resp. řešení, závisí na stavu energetického strojního zařízení a způsobu jeho provozování. Podle dohody se zákazníkem jsou možné tyto varianty:

  • implementace podpůrného systému pro operátora a provozní management a jeho naladění,

  • vypracování návrhů úprav v seřízení jednotlivých regulačních obvodů, vyzkoušení jejich funkce na matematickém simulačním modelu energetického zařízení ve spojení s reálnými regulátory a jejich následná realizace,

  • vypracování návrhů úprav celého regulačního systému energetického zařízení a vyzkoušení jejich funkce na matematickém simulačním modelu energetického zařízení s následnou realizací.

5. Závěr

Realizovaná optimalizační opatření vytvářejí předpoklady pro zlepšení provozu a údržby energetického zařízení, a tím i nárůst zisku jeho provozovatele. Tohoto zlepšení lze dosáhnout bez velkých investičních nákladů využitím potenciálu zlepšení funkce zařízení tvořícího systém kontroly a řízení (SKŘ) při použití validace naměřených údajů a následně jejich pokročilým zpracováním založeným na matematickém modelování chodu energetických zařízení.

Podle dosavadních zkušeností lze i na dobře udržovaném technologickém zařízení dosáhnout zvýšení tepelné účinnosti až o několik procent při současném udržení emisí CO a NOx v rámci požadovaných limitů. Přibližně ve stejném rozsahu lze dosáhnout snížení emisí CO2. Optimálním nastavením provozovaného zařízení je možné v rozsahu několika procent zmenšit také vlastní spotřebu. Širší možnosti pro optimalizaci provozu poskytují energetická zařízení s propojeným provozem kotlů a turbín.

Mezi realizovaná řešení založená na uvedených principech patří programový systém Decision Suite, vyvinutý společností I&C Energo ve spolupráci se společností ZAT Příbram, a. s., v rámci projektu Programový systém Decision Suite pro optimalizaci provozu technologických zařízení – moduly pro konvenční energetické bloky (program Progres), podporovaného Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR. Systém je určen k použití zejména na energetických zařízeních s relativně nízkým stupněm automatizace.

Dalším příkladem řešení je Systém pro monitorování a vyhodnocování tepelné výkonnosti bloku jaderné elektrárny NC3. Na jeho vývoji se podílely společnosti Chemplant Technology s. r. o. a Euromatic s. r. o. V současné době je zaveden na dvou blocích v Jaderné elektrárně Dukovany. Jeho další rozvoj je podporován Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR v rámci projektu Vytvoření pokročilých metod a nástrojů ke zvýšení tepelné účinnosti elektráren a tepláren (program Impuls).

Uvedená řešení budou podrobněji popsána v samostatných článcích věnovaných problematice optimalizace provozu elektráren a tepláren.

Ing. Jaroslav Rubek, CSc., Ing. Jiří Pliska,
I&C Energo a. s.
(jpliska@ic-energo.cz)

Článek vznikl na základě příspěvku autorů Pliska, J. – Papuga, J. – Madron, F.: Technologické informační systémy a vyhodnocování tepelné výkonnosti jaderné elektrárny, připraveného na konferenci Infromation System and Technologies for Industry – ISTI Forum 2007, Nymburk, únor–březen 2007.