|
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. 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.
|