Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Validace provozních dat a její přínosy v Teplárně Komořany

Článek informuje o použití systému validace provozních dat využívajícího metodu jejich vyrovnání v Teplárně Komořany. Systém zpřesňuje získávaná provozní data pro zvýšení přesnosti vyhodnocování ekonomie provozu a kvality řízení jednotlivých technologických zařízení teplárny. Pojednává o fázi realizace systému v teplárně a zmiňuje se o překážkách a problémech, které bylo třeba vyřešit. Dále stručně představuje samotný systém pro validaci provozních dat a způsob jeho činnosti. Závěrem jsou shrnuty přínosy systému potvrzené praxí a zkušenosti z jeho dosavadního používání a je naznačena perspektiva jeho dalšího rozvoje v Teplárně Komořany.
 

Význam validace provozních dat

 
Validace provozních dat je v současné době prostředek, bez kterého nelze efektivně optimalizovat provoz složitějšího technologického zařízení. Provozní data z jednotlivých snímačů jsou i po úpravě běžnými postupy i nadále zatížena chybami, které komplikují jejich použití k nastavení optimálních hodnot provozních ukazatelů celého technologického systému (účinnost, úroveň emisí, pohotovost atd.). Dosažení optimálních hodnot celkových provozních ukazatelů, především maximální účinnosti a minimálních emisí, je záležitostí celého systému, a tedy i kvality provozních dat na různých jeho místech. Proces validace dat má z tohoto hlediska tu přednost, že kontroluje a popř. i koriguje provozní data se zřetelem na vazby mezi nimi v různých částech technologického systému. Tyto vazby jsou dány fyzikálními zákony, kterými se technologický proces v systému řídí. Po validaci se tedy data stávají věrohodnějšími a reprezentativnějšími. Při použití takto validovaných dat jako vstupů do analýz provozních ekonomických výsledků má provozovatel větší jistotu v tom, že výsledky, které obdrží, jsou správné.
 

Realizace systému validace provozních dat

 
Letos v březnu společnost I&C Energo dokončila dodávku systému validace provozních dat pro Teplárnu Komořany. Tento systém je založen na využití metody vyrovnání dat, která na základě vytvořeného validačního modelu daného technologického zařízení vyrovná naměřené hodnoty provozních veličin tak, aby byly dodrženy zákony zachování hmoty a energie a aby souhlasila celková bilance vstupů a výstupů tohoto technologického zařízení [1]. Zároveň systém vyhodnocuje on-line vybrané provozní ukazatele. Na základě validovaných dat dodává přesné údaje např. o množství vyráběné páry, o množství páry použité na výrobu elektrické energie a dalších veličinách důležitých pro provoz teplárny a poskytuje podklady pro výpočet hodnot ekonomických ukazatelů, jako např. aktuální účinnosti jednotlivých turbín a kotlů, spotřeby uhlí v jednotlivých kotlích, množství tepla pro horkovod atd., z nichž se poté vychází při rozhodování o použití jednotlivých technologických zařízení.
 
Teplárnu Komořany provozuje společnost United Energy a. s. Jde o zdroj s kogenerační výrobou elektřiny a tepla s celkovým elektrickým výkonem 239 MW a tepelným výkonem 974 MW. Teplárna dodává teplo více než 35 tisícům obyvatel v městech Most a Litvínov.
 
Systém validace provozních dat je v Teplárně Komořany provozován na čtyřech turbínách (na dvou kondenzačních turbínách s regenerací, jedné protitlaké a jedné odběrové turbíně), na systému ohřevu topné vody pro horkovod Most–Litvínov a na šesti fluidních kotlích. Na základě podkladů dodaných teplárnou byly nejprve vytvořeny validační modely jednotlivých technologických zařízení, které jsou ovšem v mnoha případech vzájemně propojeny. Toto jednak zvětšuje složitost validačních modelů, ale naproti tomu také zvyšuje redundanci měřicích řetězců v celém systému, což znamená kvalitnější validaci provozních dat.
 
Vlastní realizace systému validace dat se ale neobešla zcela bez komplikací. První překážkou, kterou jeho realizátoři museli překonat, byl velký počet řídicích systémů, ze kterých se sbírají data pro následnou validaci. Průvodním jevem byla existence mnoha různých systémů značení jednotlivých měřených veličin a měřicích řetězců, které bylo nutné sjednotit. Další poměrně významnou komplikací bylo nedostatečné vybavení částí jednotlivých technologických zařízení snímači. Systému validace dat se takové části jeví jako nepozorovatelné, a tudíž jsou i nevalidovatelné. Na základě zjištěných skutečností byl validační model zčásti zjednodušen a zčásti bylo teplárně doporučeno potřebné měřicí řetězce doplnit.
 
Jedním ze základních rysů provozu teplárny je i velký počet provozních režimů, ve kterých může být teplárna provozována podle např. vlivů počasí nebo poptávky po teple a elektrické energii. Každá taková změna provozního režimu má za následek i změnu toku média, a tím i změnu validačních modelů. Pro signalizaci těchto změn byly do validačních modelů zapracovány i binární signály informující o stavech jednotlivých armatur a polohách jednotlivých ventilů určujících aktuální provozní režim teplárny. To mělo za následek nárůst počtu snímačů a současně i nárůst požadavků na kontrolu jejich činnosti a na pravidelnou údržbu.
 

Struktura a činnost systému validace provozních dat

 
Systém validace provozních dat vyvinutý ve společnosti I&C Energo je navržen jako modulární. Protože jednotlivé moduly lze libovolně skládat, jde o téměř univerzální systém použitelný s jakoukoliv technickou soustavou. Systém pro validaci provozních dat v Teplárně Komořany je složen z pěti modulů, jak ukazuje obr. 1 (šipky naznačují směr toku dat).
 
Data jsou nejprve modulem pro čtení dat načtena z datového úložiště teplárny, kterým je archivační nástroj PHD (Process History Database) od firmy Honeywell. V tomto modulu se volí množina čtených dat, jejich perioda a také typ dat – aktuální hodnoty, průměry či jinak zpracovaná data. V daném případě každých patnáct minut načítají charakteristické hodnoty asi 500 proměnných. Jde o patnáctiminutové průměry hodnot jednotlivých proměnných, které jsou z technických důvodů vždy o patnáct minut zpožděné oproti aktuálnímu času, ke kterému se provádí validace dat.
 
Načtená data se ukládají do společné vyrovnávací paměti, na niž navazuje modul pro předzpracování dat. V něm se jednak kontroluje překročení mezí a kvalita všech načtených dat. Při překročení mezí nebo nevyhovující kvalitě dat se na místo načtené hodnoty vloží náhradní hodnota podle vnitřních pravidel nastavených v systému. V modulu pro předzpracování dat lze data libovolně matematicky zpracovávat (sčítat, odečítat, průměrovat atd.) a také se zde vyhodnocují podmíněné příkazy a logické podmínky (zejména u binárních signálů a při změnách provozních režimů teplárny).
 
Předzpracovaná data se přes společnou vyrovnávací paměť předají do modulu pro validaci provozních dat. V něm se data podle vytvořených validačních modelů a doplňujících matematických rovnic validují s využitím metody vyrovnání dat (data reconciliation). Validovaná data spolu se vstupními naměřenými daty a také s dopočítanými hodnotami neměřených údajů se předají opět přes vyrovnávací paměť do modulu pro následné zpracování dat. Zde jsou zpracovávána podobně jako v modulu předzpracování dat a jsou jim přiřazena symbolická výstupní označení (tag), pod kterými budou uložena v datovém úložišti teplárny. Jde asi o dva tisíce označení. Samotný zápis do archivu PHD pak dělá modul pro zápis dat.
 
Celý proces validace dat od jejich načtení po jejich zapsání zpátky do úložiště dat trvá asi 30 s. Původní naměřená data a nová validovaná data i další vypočítané údaje jsou následně zobrazovány uživatelům informačního systému na monitorech jejich počítačů. Uživatelé tak dostávají aktuální a věrohodné informace o stavu jednotlivých zařízení spolu s hodnotami důležitých ekonomických i provozních ukazatelů vypočítaných z validovaných dat.
 

Přínosy systému validace provozních dat

 
Systém validace provozních dat je nyní v plném provozu přibližně pět měsíců a i přes omezený letní provoz teplárně již poskytl velmi cenné a důležité informace. Poskytuje aktuální a věrohodné údaje o stavu jednotlivých zařízení i ekonomii jejich provozu včetně informací o vývoji klíčových ukazatelů, jako jsou např. aktuální hodnoty účinnosti jednotlivých turbín a kotlů (obr. 2), měrná spotřeba páry apod. Systém také umožňuje zjistit spotřebu uhlí jednotlivých kotlů (obr. 3), která se před zavedením systému validace provozních dat určovala pouze zpětně z měsíčního objemu celkového dodaného uhlí, jehož rozpočet na jednotlivé kotle se dělal spíše jen intuitivně. Systém validace dat poskytuje také informace o poruchách jednotlivých snímačů i celých technologických celků s možností sledovat vývoj degradace jednotlivých komponent (obr. 4).
 
Současně systém validace provozních dat poskytuje také podklady pro manažerské rozhodování o použití jednotlivých technologických zařízení na základě výpočtu a sledování jejich dílčích ekonomických ukazatelů a také jejich reakce na nestandardní provozní stavy. Informace dodané systémem validace provozních dat mohou být využívány také k vyhodnocování efektivnosti jednotlivých řídicích zásahů i k vyhodnocování činnosti jednotlivých pracovních směn (pohledem na dosahovanou účinnost jednotlivých kotlů a turbín a minimalizaci emisí, a to zejména NOx).
 
V současné době se připravují jednání o rozšíření systému validace provozních dat na zbývající turbíny a fluidní kotle včetně parních sběren, napájecích nádrží a podpůrných provozů Teplárny Komořany.
 
Literatura:
[1] RUBEK, J. – LEPOLD, M. – PLISKA, J.: Zvýšení přesnosti měření a její využití pro optimalizaci provozu. Automa, 2007, roč. 13, č. 7, s. 36, ISSN 1210-9592.
 
Článek je editovanou verzí příspěvku autorů s názvem Validace provozních dat a její přínosy na Teplárně Komořany publikovaného ve sborníku z konference Automatizace, regulace a procesy – ARaP 2009, Praha, listopad 2009, ISBN 978-80-903844-3-9.
 
Ing. Martin Lepold,
Ing. Jaroslav Rubek, CSc.,
Ing. Ladislav Havlát,
 
Obr. 1. Struktura systému validace provozních dat v Teplárně Komořany
Obr. 2. Počítaná aktuální účinnost kotlů a turbíny
Obr. 3. Zjištěná spotřeba uhlí kotlů A a B
Obr. 4. Rozdíl mezi měřenou a přesnější validovanou hodnotou průtoku admisní páry do turbogenerátoru