RYNEK CIEPŁA REC 2013 OPTYMALIZACJA ROZDZIAŁU OBCIĄŻEŃ POMIĘDZY PRACUJĄCE RÓWNOLEGLE BLOKI CIEPŁOWNICZE

Transkrypt

1 RYEK CIEPŁA REC 2013 OPTYMALIZACJA ROZDZIAŁU OBCIĄŻEŃ POMIĘDZY PRACUJĄCE RÓWOLEGLE BLOKI CIEPŁOWICZE Prof. dr ha. inż. Henryk Rusinowski Dr ha. inż. Marcin Szega Prof. nzw. w Pol. Śl. Mgr inż. Marcin Plis ałęczów, października 2013

2 WSTĘP Optymalizacja rozdziału produkcji ciepła i energii elektrycznej wymagana jest w systemach elektroenergetycznych i ciepłowniczych, gdzie całkowite zapotrzeowanie na energię elektryczną i ciepło pokrywane jest produkcją loków kondensacyjnych i ciepłowniczych pracujących na wspólną sieć. W zagadnieniach optymalizacyjnych należy określić kryterium optymalizacji, ograniczenia wynikające z dopuszczalnego oszaru zmian zmiennych procesowych oraz model matematyczny wiążący argumenty kryterium optymalizacji i ograniczeń ze zmiennymi decyzyjnymi. W pracy przedstawiono metody i przykładowe wyniki oliczeń rozdziału ociążeń cieplnych i elektrycznych pomiędzy loki ciepłownicze z turiną upustowo kondensacyjną.

3 ALGORYTM OPTYMALIZACYJY Algorytm optymalizacyjny powinien zawierać zadanie optymalizacyjne i metodę jego rozwiązania. Zadanie optymalizacyjne oejmuje: wskaźnik jakości ędący zmienną podlegającą optymalizacji (koszt jednostkowy, jednostkowe zużycie energii chemicznej paliw, itp.); ograniczenia wynikające z dopuszczalnych parametrów pracy maszyn i urządzeń energetycznych, mocy produkcyjnych i warunków ezpieczeństwa; model matematyczny ędący zespołem zależności matematycznych wiążących zmienne procesowe, które są wykorzystywane w algorytmie optymalizacyjnym ze wskaźnikiem jakości i ograniczeniami.

4 OKREŚLEIE WSKAŹIKA JAKOŚCI Do oceny energetycznej eksploatacji i optymalizacji parametrów pracy loków ciepłowniczych i kondensacyjnych wykorzystuje się następujące wskaźniki: jednostkowego zużycia energii chemicznej paliw na wytworzenie ciepła: E Q chc g c E Q ch c g Wskaźnik jednostkowego zużycia energii chemicznej na wytwarzanie ciepła w metodzie fizycznej zależy od sprawności energetycznej kotła oraz sprawności rurociągów i jego wartość zmienia się w niewielkim stopniu. EK r

5 OKREŚLEIE WSKAŹIKA JAKOŚCI jednostkowego zużycia energii chemicznej paliw na wytworzenie energii elektrycznej: el E E chel el Wskaźnik jednostkowego zużycia energii chemicznej na wytwarzanie energii elektrycznej istotnie zależy od wskaźnika skojarzenia (stosunek mocy elektrycznej do mocy cieplnej) i parametrów pracy oiegu parowo wodnego loku ciepłowniczego. Jest on miernikiem energochłonności wytwarzania energii elektrycznej w układach skojarzonych i może yć wykorzystany jako kryterium do optymalnego rozdziału ociążeń. E ch el E ch E ch c

6 OKREŚLEIE WSKAŹIKA JAKOŚCI Dla zespołu loków pracujących w sposó równoległy wskaźnik jakości w procedurze optymalizacyjnej można przyjąć jako średnią ważoną wskaźników jednostkowego zużycia energii chemicznej paliw na wytworzenie energii elektrycznej: el i el i el el i min

7 ZMIEE DECYZYJE Zmiennymi decyzyjnymi w algorytmie optymalizacyjnym są: strumienie pary produkowanej w pracujących kotłach loków G p i ; moce wymienników ciepła pracujących loków Q. g i Takie przyjęcie zmiennych decyzyjnych wymaga opracowania modelu matematycznego ujmującego związki pomiędzy mocą elektryczną generatora oraz wskaźnikiem jednostkowego zużycia energii chemicznej na produkcję energii elektrycznej, a przyjętymi zmiennymi decyzyjnymi. Model taki można opracować jako tzw. model czarnej skrzynki wykorzystując na przykład modelowanie regresyjne. Tego typu model nie wymaga znajomości strumieni i parametrów termicznych czynników w oiegu parowo wodnym.

8 OGRAICZEIA W PROCEDURZE OPTYMALIZACYJEJ Przyjęcie ograniczeń w procedurze optymalizacyjnej związane jest z ograniczeniami przepustowości grup stopni turinowych, mocą elektryczną generatora oraz mocą wymiennika ciepłowniczego jak i wymaganą produkcją ciepła i energii elektrycznej. ajważniejszymi ograniczeniami jakie należy przyjąć w algorytmie optymalizacyjnym są: G minimalny i maksymalny strumień pary do turiny; Q p min minimalna i maksymalna moc elektryczna gen; el max minimalna i maksymalna moc wymiennika ciepła; g min zadana łączna moc elektryczna generatorów el zad i łączna moc cieplna wymienników pracujących loków Q G p max el min Q g max g zad

9 MODEL MATEMATYCZY Model matematyczny powinien zawierać związki pomiędzy mocą elektryczną generatorów i wskaźnikami jednostkowego zużycia eli energii chemicznej paliw, a zmiennymi decyzyjnymi: el i G strumieniem pary do turiny ; Q g i mocą wymiennika ciepłowniczego. p i Można je opracować metodami modelowania regresyjnego lu neuronowego z wykorzystaniem wyników pomiarów zarejestrowanych w systemie informatycznym. W przypadku modelowania regresyjnego zalecane jest przyjmowanie funkcji monotonicznej ez ekstremów lokalnych, dla których trudno o interpretację fizyczną np. wielomianu drugiego stopnia ez wyrazów mieszanych.

10 ROZWIĄZAIE ZADAIA OPTYMALIZACYJEGO Zadanie optymalizacyjne jest zadaniem nieliniowym, które można rozwiązać metodami z linearyzacją i ez linearyzacji. W przypadku linearyzacji powszechnie stosuje się metodę rozwiązania poprzez rozwinięcie w szereg Taylora z pominięciem wyrazów wyższych rzędów, a następnie poszukiwania ekstremum funkcji przy liniowych ograniczeniach metodą mnożników Lagrange a. W przypadku zastosowania metod ez linearyzacji można nieliniowe ograniczenia wprowadzić do funkcji celu jako tzw. funkcję kary i zastosować jedną z metod gradientowych. Można również dla rozwiązania ekstremum warunkowego wykorzystać algorytmy genetyczne. Idea tych algorytmów wywodzi się z genetyki i opiera na mechanizmach dooru naturalnego i dziedziczności.

11 OPTYMALIZACJA ROZDZIAŁU OBCIĄŻEŃ POMIĘDZY DWA BLOKI CIEPŁOWICZE Przedmiotem optymalizacji jest rozdział ociążeń pomiędzy dwa loki z turiną upustowo kondensacyjną:

12 Zadanie optymalizacyjne. OPTYMALIZACJA ROZDZIAŁU OBCIĄŻEŃ POMIĘDZY DWA BLOKI CIEPŁOWICZE Zadanie optymalizacyjne oejmujące kryterium optymalizacji i ograniczenia w zapisie matematycznym ma postać: el G el1 el el1 G el 2 el el 2 G p min p i p max el min g min Q el1 g 1 el i g i el 2 g 2 el max g max el zad g zad min

13 Model matematyczny. OPTYMALIZACJA ROZDZIAŁU OBCIĄŻEŃ POMIĘDZY DWA BLOKI CIEPŁOWICZE W algorytmie optymalizacyjnym należy określić zależność wskaźnika jednostkowego zużycia energii chemicznej paliw na produkcję energii elektrycznej oraz mocy elektrycznej generatora dla analizowanych loków od przyjętych zmiennych decyzyjnych. Zależności te aproksymowano wielomianami drugiego stopnia: el i el i a a G i 1i p i 2 i p i 3i g i 4 i g i G Estymacji współczynników dokonano metodą analizy regresji. a G G a a i 1i p i 2 i p i 3i g i 4 i g i

14 OPTYMALIZACJA ROZDZIAŁU OBCIĄŻEŃ POMIĘDZY DWA BLOKI CIEPŁOWICZE Optymalny rozdział ociążeń elektrycznych i cieplnych dla sumarycznego zapotrzeowania na moc elektryczną 110 MW. Zadana moc elektryczna i cieplna loków, MW Moc elektryczna loku, MW Moc cieplna loku, MW Wskaźnik jednostkowego zużycia energii chemicznej kj/kwh el zad Q g zad el i Q g i lok 1 lok 2 lok 1 lok , , , , , , , , , el

15 OPTYMALIZACJA ROZDZIAŁU OBCIĄŻEŃ POMIĘDZY DWA BLOKI CIEPŁOWICZE Przy łącznej mocy elektrycznej 110 MWe początkowo powinien yć ociążany wymiennik loku 1 przy wyłączonym wymienniku loku 2. Po przekroczeniu zapotrzeowania na ciepło wynoszące 50 MWt należy uruchomić oa wymienniki przy czym ardziej powinien yć ociążony wymiennik loku 1. Przy dużych ociążeniach należy ardziej ociążać lok 2. Wynika to z przeiegu charakterystyk energetycznych jednostkowego zużycia energii na wytworzenie energii elektrycznej. Przy ociążeniu loków niższym od około 100 MWt mniejszym wskaźnikiem jednostkowego zużycia energii chemicznej paliw charakteryzuje się lok nr 1, natomiast po przekroczeniu 100 MWt lepsze charakterystyki energetyczne posiada lok 2. Zadana moc cieplna loków, MW Q g zad Moc cieplna loku, MW Q g i lok 1 lok

16 WIOSKI W pracy przedstawiono metodę i przykładowe wyniki oliczeń rozdziału ociążeń cieplnych i elektrycznych pomiędzy pracujące loki ciepłownicze z turiną upustowo-kondensacyjną. Jako kryterium optymalizacji rozdziału ociążeń przyjęto minimalizację wskaźnika jednostkowego zużycia energii chemicznej paliw na produkcję energii elektrycznej. Uwzględniono ograniczenia dla strumieni pary zasilającej turozespoły, mocy elektrycznej generatorów oraz mocy wymienników ciepłowniczych. Otrzymane wyniki posłużyły do opracowania taeli nastaw.

17 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ