Самоорганизация IT-Систем для электростанций: интегральное исчисление перерасхода топлива (часть 1)

Интегральное исчисление даёт богатый математический аппарат для моделирования и исследования процессов, происходящих в электроэнергетике. Чем меньше интервал между расчётами, тем точнее интегральное исчисление показателей динамического производства. Для электростанций, по мнению экспертов, этот интервал должен составлять полчаса.

Перерасход топлива соответствует разности между фактическим и нормативным расходами топлива на отпускаемые электроэнергию и теплоэнергию.

dB=интеграл{B(t)-[Э(t)bэ(t)+Q(t)bт(t)]}

dB – перерасход топлива (тут),

B – фактический расход топлива (тут),

Э – фактическая отпущенная электроэнергия / 1000 (тыс.кВтч),

bэ – нормативный удельный расход топлива по электроэнергии (г/кВтч),

Q – фактическое отпущенное тепло / 1000 (Гкал),

bт – нормативный удельный расход топлива по теплу (кг/Гкал).

Расчёт перерасхода топлива на получасовом интервале значительно точнее, чем месячный расчёт. Вычисление удельных затрат топлива на производство электроэнергии и тепла в месячных расчётах сродни использованию средней температуры по больнице для установления диагноза больному.

Электростанция функционирует для получения прибыли. Поэтому, при выполнении плана по поставке электроэнергии и тепла, в отчётах должны предоставляться не «красивые» данные по топливоиспользованию, как в настоящее время происходит, а истинные. Это позволит увидеть и устранить проблемы на электростанции, а, следовательно, значительно увеличить прибыль.

Расчёт показателей по перерасходу топлива должен производиться только на каждом получасовом интервале. Все сменные, суточные, декадные, месячные, квартальные и годовые ТЭП (Технико-Экономические Показатели) должны получаться из получасовых значений методом накопления (суммированием, усреднением или взвешиванием), а не расчётом по формулам. Месячные расчёты не верны, т.к. для вычисления нормативных ТЭП используются нелинейные энергетические характеристики оборудования.

Рассмотрим два варианта расчёта фактических и нормативных ТЭП электростанций: 1-й вариант - расчёты ТЭП выполняются на всех периодах; 2-й вариант - расчёты ТЭП выполняются только на получасовых периодах, а на всех остальных (смена, сутки, месяц, квартал, год) ТЭП получаются накоплением.

Первый вариант, который в настоящее время существует на всех электростанциях, самый неточный. И, чем больший период (месяц, квартал, год), тем большая неточность расчёта ТЭП. Это связано ещё и с нелинейными характеристиками нормативных графиков.

Второй вариант соответствует самому точному расчёту, так как динамический процесс на электростанциях по потреблению топлива и по производству электроэнергии и тепла идёт непрерывно. И поэтому, в каждый отрезок времени расходуется определённое количество топлива на производство определённых количеств электроэнергии и тепла, как и существуют вполне определённые нормативы расхода топлива в соответствии с внешними условиями, которые постоянно меняются: день и ночь, зима и лето, температура воздуха и т.д.

Основным экономическим показателем на электростанциях является перерасход топлива, так как он определяет резерв увеличения экономичности. Но неточность определения этого показателя, который практически всегда подвергается подгонке с целью предоставления приемлемых отчётных данных для руководства Генерирующих компаний, фактически лишает их этого резерва, а, следовательно, и перспектив по увеличению прибыли.

Рассмотрим простенький пример расчёта среднеарифметического значения по обоим вариантам, используя следующий нелинейный график из последовательностей (x, y): (0, 0.4), (1, 0.5), (2, 1), (3, 2), (4, 4).

По первому варианту: Y = f((1+4)/2) = f(2.5) = 1.5 (неверный)

По второму варианту: Y = (f(1)+f(4))/2 = (0.5+4)/2 = 2.25 (верный)

Итого расхождение составляет: (2.25-1.5)/2.25*100 = 33%, это говорит об огромной ошибке расчёта перерасхода топлива по первому варианту, существующее в настоящее время на всех электростанциях.

А сейчас представьте, что в расчётах перерасхода топлива используются сотни нелинейных нормативных графиков. И мало того, на ряде электростанций не только для расчёта нормативных ТЭП используются нормативные графики, но и для расчёта фактических ТЭП они используются. Неверные расчёты ТЭП повсеместно существуют в то время, когда говорится о необходимости увеличения экономичности электростанций. А начинать надо, в первую очередь, с достоверных расчётов ТЭП. Но на электростанциях, вместо того, чтобы искать и устранять причины болезни, используют обезболивающее (подгонку результатов расчёта).

Нами доказан методом «от противного» постоянный большой перерасход топлива на всех электростанциях вопреки их удовлетворительным месячным отчётным данным.

Метод «от противного» заключается в следующем. Рассматривается полный список всевозможных ситуаций с последовательным доказательством их несостоятельности. Тот вариант, для которого этого доказательства не существует, и является истинным.

Приводим следующие возможные ситуации перерасхода топлива на протяжении всего месяца с получасовыми расчётами показателей, а этих расчётов в течение месяца около полутора тысяч.

Все величины (их 1440) по перерасходу топлива имеют значения:

1) все близкие к нулю;

2) все положительные;

3) все отрицательные;

4) часть положительные и часть отрицательные. Отрицательные - означают экономию топлива.

Технологическая ситуация на электростанции постоянно меняется: день и ночь, температура воздуха и т.д., а перерасход топлива рассчитывается, а следовательно, зависит от сотни показателей. Месячный перерасход топлива в действительности складывается из получасовых перерасходов. Нулевое значение перерасхода топлива означает, что фактический его расход соответствует нормативному.

Электростанции всегда в месячных отчётах по топливоиспользованию показывают небольшое значение экономии или перерасхода топлива. Для подгонки этого результата существует определённое число люфтовых параметров, с помощью которых легко можно предоставить любые конечные цифры.

Раз мы имеем месячные значения около нуля, тогда в первую очередь следует рассмотреть варианты 1 и 4. Вариант 1 вообще невероятен, потому что вслепую невозможно отслеживать и устанавливать в течение месяца сотни параметров, равных нормативным значениям. Вариант 4 примерно того же порядка - невозможно абсолютно чётко компенсировать все перерасходы размерами экономии в суммарных равных их значениях.

Вариант 3 это вообще фантастика, когда в пору говорить о качестве нормативов вообще. Остается вариант 2. Таким образом, перерасход топлива за месяц получается суммированием перерасходов за каждый получас, а это очень большой резерв энергоэффективности, который электростанции невольно скрывают.

Для увеличения экономичности электростанции невозможно работать без получасовых достоверных расчётов перерасхода топлива и без оперативного поиска наилучших технологических решений.

Со стороны Генерирующих компаний следует активное возражение: у нас, мол, перерасхода топлива нет и быть не может, а напротив, на всех электростанциях постоянно присутствует его экономия. На ГРЭС и ТЭЦ за этим строго следят.

Но давайте не будем спешить и спокойно во всём разберёмся. Как говорят в зале суда: будем оперировать только фактами.

Факт 1. Перерасход топлива рассчитывается как разность между фактическим расходом топлива и нормативным (расчётным) расходом: dB = Bфакт - Bнорм. Нормативные ТЭП, включая и нормативный расход топлива, на всех электростанциях рассчитываются только в конце месяца по накопленным суточным показателям. Эти нормативные показатели традиционно нужны для заполнения месячного макета 15506-1. Следовательно: перерасход топлива за каждый день, не говоря уже о получасовом перерасходе, просто не известен.

Факт 2. Нормативные месячные ТЭП рассчитываются по накопленным суточным показателям. Нормативный расход топлива определяется как сумма расходов топлива на выработку электроэнергии и тепла:

Bнорм = (Э*bэ + Q*bq)/1000, где:

Э, Q - фактическая выработка (отпуск) электроэнергии и тепла,

bэ, bq - удельные расходы топлива на выработку (отпуск) электроэнергии и тепла. Для расчёта удельных расходов топлива используются сотни криволинейных нормативных графиков.

Исходя из аксиомы для криволинейного графика:

F(сумма(Xi)/n)<>сумма(F(Xi))/n

можно сделать вывод, что процедура (накопление, а затем расчёт) не равна процедуре (расчёты, а затем накопление).

Естественно, правильным будет вычисление, когда осуществляются расчёты показателей на небольших отрезках времени, а затем их накопление. Таким образом, то вычисление, которое существует в настоящее время: посуточное накопление и месячный расчёт - в корне не верен. Следовательно: абсолютно правильным будет получение нормативных ТЭП на суточном (месячном) периоде методом интегрирования (накопления) из получасовых (минутных) расчётов.

Факт 3. Из теории интегрального исчисления известно, что чем меньше временные интервалы, тем точнее результат динамического процесса. Это означает, что расчёты данных за сутки и их накопление за месяц не дадут правильного результата. Следовательно: расчёты ТЭП и перерасхода топлива должны производиться только на получасовых (минутных) интервалах.

Факт 4. Нормативные графики, используемые в месячных расчётах ТЭП, традиционно получались методом полиномизации из натурных замеров. Но полиномы вносят искажение реального технологического процесса. Отсюда возможно и присутствует мнимая экономия топлива. Следовательно: получасовые расчёты ТЭП должны использовать натурные нормативные графики без полиномов.

Факт 5. Оперативный персонал, выполняя план поставки электроэнергии и тепла, может знать текущий расход топлива. А вот текущая величина перерасхода топлива ему не известна. Таким образом, в части перерасхода топлива он управляет электростанцией вслепую, т.е. заведомо неэффективно. Следовательно: на БЩУ электростанции должен быть мониторинг текущего перерасхода топлива.

Факт 6. Перерасход топлива допущенный за полчаса будет в дальнейшем только накапливаться. Никакая мнимая экономия (по мнению экспертов) этот перерасход в дальнейшем не компенсирует. Следовательно: если присутствует в расчётах (без подгонки) экономия топлива, то это означает, что присутствуют огрехи в алгоритмах расчёта ТЭП, включая и полиномы нормативных графиков.

Факт 7. Оперативный персонал, управляя вслепую электростанцией, не может обеспечить нулевой перерасход топлива. Например, вот перед нами суточный график перерасхода топлива. Если днём получасовые перерасходы близки к нулю, то в ночные часы они зашкаливают за 30%. Следовательно: в большом перерасходе топлива на электростанции виноват только человеческий фактор.

Факт 8. Для определения размера перерасхода топлива также воспользуемся суточными данными с получасовыми расчётами. Так, например, перерасход топлива за сутки равен 200 т.у.т. при фактическом расходе топлива 2474 т.у.т. Следовательно: перерасход топлива соответствует 8%. Если же для расчёта использовать натурные нормативные графики, то этот перерасход будет ещё больше. А это составляет резерв повышения энергоэффективности электростанции.

Факт 9. Решение вопроса оптимизации ресурсов без реализации выше перечисленных моментов является просто мифом. Все методы оптимизации, включая и ХОП-оптимизацию, основаны на нормативных графиках. Но их правильность, как указывалось выше, под вопросом. Простые прикидочные исследования использования оптимизации дали экономию топлива всего 2-3%. Следовательно: только совместное использование текущего контроля за перерасходом топлива в реальном времени с оптимизацией ресурсов дадут действительно выигрышный эффект.

Вывод: В современных расчётах ТЭП на всех электростанциях собраны самые негативные стороны выше перечисленных фактов. При этих условиях, говорить о повышении энергоэффективности тепловых электростанций вообще проблематично. Выход заключается только во внедрении беззатратной технологии экономии топлива на системе Smart-MES.

Известен факт увольнения целой смены из-за допущенного большого перерасхода топлива на тепловой электростанции. Это равносильно, когда оштрафовали слепого из-за перехода им дороги в неположенном месте. Так снабдите же зрением оперативный персонал на БЩУ, тогда не придётся по месячному факту перерасхода топлива делать плачевные выводы. Гораздо проще и дешевле, управляя электростанцией ежеминутно и каждые полчаса, контролировать текущий его перерасход.

В конце месяца на каждой электростанции заполняют макет 15506-1 из 121 показателя и направляют его в руководство Генерирующей компании. Но зачем в Генерирующей компании знать КПД каждого котла и другие сотни показателей в разрезе котлов и турбин. А вот действительно важного показателя: перерасход основного топлива - в макете 15506-1 нет. Так ошибка это или умысел из-за незнания, как его точно считать? Действительно, когда составлялась методика по макету 15506-1, системы Smart-MES не было. Но сейчас-то есть!

А на всех электростанциях продолжают, как и 10 лет назад, не управлять, а слепо фиксировать неконтролируемый перерасход топлива.

Уникальная особенность тепловых электростанций заключается в том, что, вырабатывая электроэнергию и теплоэнергию, они не имеют никакой возможности их накапливать. Таким образом, электроэнергия и тепло должны тут же использоваться для коммерческих целей, т.е. за них на рынке электроэнергии и тепла Генерирующая компания должна получить деньги. Другими словами, объём выработки электроэнергии и тепла полностью определяется их спросом на рынке.

Ещё раз повторю, что электроэнергии и тепла необходимо вырабатывать ровно столько, за сколько будут уплачены деньги, а иначе это просто потери напрасно израсходованного топлива. Таким образом, определённое количество электроэнергии и тепла строго регламентируется определённым количеством топлива в соответствии с конкретной технологией самой этой электростанции.

Но парадокс всех современных тепловых электростанций заключается как раз в том, что этого то строжайшего регламента на них и не существует. Эксплуатационный персонал, управляя электростанцией для выполнения графика поставки электроэнергии и тепла, абсолютно не знает в реальном времени, сколько необходимо израсходовать топлива в каждый конкретный временной отрезок (минута, получас). Он работает вслепую, руководствуясь только своим умением и опытом.

Трагически было бы полагаться на машиниста, который управляет экспрессом без контролирующих приборов, полагаясь только на рельсы. Это все прекрасно понимают, и это даже не вызывает вопросов и сомнений.

Но почему же не понимают Генерирующие компании, что управлять сложным динамическим производством, каким является тепловая электростанция, без оперативного контроля за перерасходом топлива – это также трагически опасно как в финансовом смысле, так и в экологическом.