Właściwie zbudowane systemy bilansowania i kontroli eksploatacji muszą uwzględniać zmieniające się potrzeby służb elektrowni. Powinny też być dostosowane do istniejącego układu pomiarowego elektrowni.
W ostatnich latach zarówno układy pomiarowe, jak i systemy zbierania i udostępniania danych są w elektrowniach stale rozwijane. Większa ilość danych pomiarowych daje możliwość rozbudowy systemu i zwiększenia dokładności obliczeń. Przy rozbudowie systemu należy jednak pamiętać o zachowaniu jego niezawodności działania i dotrzymaniu prawidłowych wyników za dłuższe okresy statystyczne. Wiąże się to z koniecznością zabezpieczenia systemu przed możliwością pojawienia się nieprawidłowych danych oraz zapewnienia obsłudze możliwości identyfikacji tych nieprawidłowości.
Systemy bilansowania i nadzoru eksploatacji metodą TKE® Energopomiaru stanowią wsparcie służb elektrowni (elektrociepłowni) zarówno w ocenie eksploatacji i stanu technicznego poszczególnych urządzeń, jak i raportowania wskaźników oraz porządkowania ich w obrębie analizowanego podmiotu. Komputerowe systemy wykorzystujące metodykę Technicznej Kontroli Eksploatacji TKE®, pracują od wielu lat w polskich elektrowniach (każdy system jest „dedykowany” konkretnemu obiektowi), wciąż jednak trwają prace nad udoskonalaniem systemu i rozbudową o kolejne moduły.
Funkcjonalności systemu
Najważniejszymi funkcjami realizowanymi przez główne moduły systemu TKE® są:
- wyznaczanie wskaźników charakteryzujących pracę turbozespołu, kotła i całej elektrowni,
- wyznaczanie zużycia paliw przez poszczególne bloki i całą elektrownię,
- rozdział węgla zmierzonego dla całej elektrowni metodami bezpośrednimi na poszczególne bloki,
- podział zużycia paliw na zużycie paliwa na produkcję energii elektrycznej i zużycie paliw na produkcję ciepła,
- identyfikowanie czynników wpływających na pogorszenie się pracy bloku i przeliczenie tych czynników na wzrost kosztów wytwarzania energii elektrycznej i ciepła,
- indywidualna ocena pracy poszczególnych urządzeń oraz wpływu ich stanu technicznego na ekonomię pracy elektrowni.
Realizacja powyższych zadań w systemie TKE® pozwala służbom elektrowni na realizację celu nadrzędnego, jakim jest optymalizacja kosztów zmiennych wytwarzania energii elektrycznej i ciepła i zwiększenie efektywności ekonomicznej wytwarzania.
Funkcje modułów dodatkowych systemu TKE® to: wyznaczanie strat rozruchowych, wyznaczanie na bieżąco produkcji energii elektrycznej z OZE i kogeneracji oraz wyznaczenie oszczędności energii pierwotnej PES z kogeneracji, wyznaczanie niepewności pomiarowej, prognozowanie (symulowanie) wskaźników charakteryzujących pracę turbozespołu, kotła i całej elektrowni przy zakładanej zmianie stanu technicznego urządzeń i parametrów eksploatacyjnych za dowolny okres czasu.
W obecnie implementowanych systemach nadzoru eksploatacji metodą TKE® wykonywane są: „tradycyjne” obliczenia według metody TKE®, a także: obliczenia sprawności kotła według modelu matematycznego kotła i zgodnie z normą PN-EN 12952-15 Kotły wodnorurkowe i urządzenia pomocnicze, Część 15: Badania odbiorcze, obliczenia sprawności wewnętrznych turbiny i jej poszczególnych części, wielkości charakterystycznych skraplacza, podgrzewaczy regeneracyjnych, wymienników ciepła, takich jak przekazane ciepło, spiętrzenia temperatury, przechłodzenia skroplin, współczynniki przenikania ciepła, obliczenia zużycia węgla i wskaźników pracy bloku na podstawie zużycia pary wyznaczonego z pomiarów „zwężkowych” zgodnie z normami: PN-EN 12952-15 oraz PN-EN 60953-2 Wymagania dotyczące cieplnych badań odbiorczych turbin parowych. Metoda B, obliczenia wskaźników pracy bloków i całej elektrowni na podstawie metody bezpośredniej.
Algorytmy obliczeniowe
Idea algorytmu obliczeniowego metody TKE® polega w uproszczeniu na:
- Zdefiniowaniu warunków podstawowych (referencyjnych) rozumianych jako stan pracy urządzeń, przyjmowany jako optymalny w danych warunkach eksploatacyjnych.
- Wyznaczeniu wielkości charakteryzujących pracę urządzenia w warunkach podstawowych (często na podstawie pomiarów przeprowadzanych przez specjalistyczną firmę i modelu matematycznego pracy urządzeń).
- Wyznaczeniu odchyleń wartości wskaźników, na podstawie których oceniamy pracę urządzeń ze względu na odchylenia warunków pracy urządzeń i ich stanu technicznego od warunków podstawowych.
- Zsumowaniu wskaźników w warunkach podstawowych i odchyleń tych wskaźników ze względu na pracę urządzeń w warunkach innych niż warunki podstawowe – wyznaczenie wskaźników pracy urządzeń w warunkach rzeczywistych.
- Przeliczeniu odchylenia wskaźnika na zmianę zużycie paliwa i efekty ekonomicznie lub ekologiczne.
Tak zdefiniowany algorytm, stosunkowo prosty i przejrzysty, może być zastosowany do oceny pracy dowolnego urządzenia. W aktualnej wersji systemu TKE ilość danych pomiarowych i ich gromadzenie oraz udostępnianie dla algorytmów zewnętrznych uległy istotnemu polepszeniu. W związku z tym również sposób realizacji algorytmu uległ modyfikacji.
Dzięki modyfikacji algorytmu zrealizowano trzy główne cele. Po pierwsze uwzględniono w jak najlepszy sposób wzajemnej zależności poszczególnych odchyleń – np. charakterystyka odchylenia na temperaturę spalin zależna jest między innymi od zawartości tlenu w spalinach. Po drugie, zwiększono dokładność obliczeń odchyleń poprzez wykorzystanie w obliczeniach modelu matematycznego pracy bloku i jego poszczególnych urządzeń zweryfikowanego w oparciu o pomiary (częściowo wiązało się to z ograniczeniem stosowania krzywych korekcyjnych do wyznaczania charakterystyk odchyleń). Po trzecie, ulepszono możliwości oceny poszczególnych urządzeń przez służby elektrowni dzięki zdefiniowaniu i obliczeniu warunków podstawowych pracy poszczególnych urządzeń – nawet, gdy warunki te nie są znane w sposób jawny, np. temperatury wody ochłodzonej za chłodnią, spiętrzenia temperatury w skraplaczu, straty wylotowej z kotła itd. (wykorzystano modele matematyczne pracy poszczególnych urządzeń).
Zapisywanie charakterystyk odchyleń i warunków podstawowych za pomocą funkcji wielu zmiennych upraszcza sam algorytm, gdyż część obliczeń i zależności jest wykonywana na etapie tworzenia algorytmu, a nie samych obliczeń online. Fakt ten znacząco upraszcza testowanie algorytmu i zmniejsza możliwość pojawienia się problemów ze względu na błąd w algorytmie lub podania do obliczeń danej obarczonej zbyt dużym błędem. Wszystkie charakterystyki są dostarczane zleceniodawcy w formie jawnej (wykresów), a moduł walidacji danych uniemożliwia podstawienie do algorytmu danych poza przyjętym zakresem stosowania charakterystyk, pokrywającym się z realnym zakresem pracy urządzeń.
Nową funkcjonalnością systemu TKE jest możliwość wykonania prognozy (symulacji) pracy bloku dla innych parametrów eksploatacyjnych i/lub stanu technicznego urządzeń.
Wiarygodność wyników
System nadzoru eksploatacji powinien zapewniać wiarygodne wyniki za dłuższe okresy statystyczne, a nie tylko w okresach podstawowych. W tym kontekście ważne jest stworzenie takiej walidacji danych, która zapewni względną poprawność wyników – nawet obarczonych chwilowo podwyższoną niepewnością pomiarową – przy dowolnym błędzie w danych wejściowych. Z drugiej strony służby elektrowni powinny mieć narzędzie identyfikacji błędnych pomiarów, jeżeli nie są one tylko chwilowym zakłóceniem pomiaru lub przesyłu danej.
W systemie TKE® walidacja danych przebiega dwuetapowo. W pierwszym kroku sprawdza się, czy wszystkie dane znajdują się w dopuszczalnych zakresach. Zakresy te są zadawane jako wartości stałe lub funkcje innych wielkości pomiarowych lub obliczeniowych. Już ten pierwszy krok zapewnia uzyskanie wiarygodnych wyników systemu w dowolnych okresach czasowych. Drugim etapem walidacji danych jest sprawdzenie pewnych zależności pomiędzy zmiennymi w systemie. Na tym etapie sprawdza się linie rozprężania pary w turbinie, przepustowości grup stopni turbiny, bilanse poszczególnych urządzeń w przypadku istnienia nadmiaru danych pomiarowych. Wynikiem tego etapu walidacji danych jest korekta pewnych danych pomiarowych, aby uzyskać jak najbardziej wiarygodne wyniki.
Warto wspomnieć, że w systemie TKE® wprowadzona została zmienna, którą nazwano „wiarygodnością”. Wstępnie wartość wiarygodności danej jest nadawana na podstawie informacji z systemów zbierania danych na elektrowni o chwilowych zakłóceniach danych pomiarowych. W przypadku korekty danej na etapie walidacji jej wiarygodność jest obniżana. Zestawiając wartość „wiarygodności danych” za dłuższe okresy statystyczne, obsługa może łatwo zlokalizować błędne pomiary wczytywane do systemu TKE®.
Prezentacja wyników
Systemy TKE® implementowane przez Energopomiar mają rozbudowane możliwości prezentacji wyników obliczeń. Użytkownik może zestawić wyniki za pomocą różnego typu raportów, wykresów, map synoptycznych oraz tabel.
Rys. Przykład prezentacji wyników w systemie TKE® w postaci map synoptycznych
Reasumując
System bilansowania i nadzoru eksploatacji metodą TKE® stanowi funkcjonalne narzędzie dla służb elektrowni i elektrociepłowni. Pozwala on między innymi na ocenę eksploatacji i stanu technicznego poszczególnych urządzeń oraz zestawienie i porównanie zużycia paliw i wskaźników pracy bloku / elektrowni obliczonych na podstawie metody TKE® oraz metody bezpośredniego pomiaru zużycia paliw i metody bilansowej opartej na zużyciu pary wyznaczonym za pomocą pomiarów zwężkowych. Wnioski wyciągane na podstawie wyników obliczeń systemu są podstawą do optymalizacji kosztów zmiennych wytwarzania energii elektrycznej i ciepła oraz zwiększenia efektywności ekonomicznej wytwarzania. Ponadto moduły dodatkowe systemu TKE® pozwalają na ocenę kosztów rozruchów oraz szacowanie efektów planowanych prac modernizacyjnych i zmian eksploatacji urządzeń na podstawie obliczeń modułu prognozowania.
Obecnie w obliczeniach systemu TKE® uwzględnia się w coraz większym stopniu wzajemny wpływ poszczególnych odchyleń poprzez stosowanie modelu matematycznego pracy urządzeń przy obliczaniu odchyleń. Ważnym elementem systemu jest walidacja danych i narzędzia umożliwiające służbom elektrowni identyfikację problemów z danymi pomiarowymi. Zaimplementowany algorytm walidacji danych zapewnia otrzymywanie prawidłowych wyników obliczeń przy każdej możliwej do wystąpienia w praktyce kombinacji błędów danych pomiarowych, przy tylko niewielkim zwiększeniu niepewności pomiarowej obliczeń. W systemie TKE® zaimplementowano również narzędzia umożliwiające śledzenie wyników procesu walidacji danych w dłuższych okresach statystycznych, co umożliwia służbom elektrowni lokalizację uszkodzonych pomiarów.
