22. Smart-MES как виртуальная Модель любой электростанции

«Фирма ИнформСистем» разработала инновационную Систему Smart-MES «MES-T2 2020» для реализации технологии экономии топлива и для увеличения энергоэффективности тепловых электростанций, и которая является виртуальной Моделью ТЭЦ, ГРЭС и АЭС.

Виртуальная Модель не ставит целью просто отобразить реальные ресурсы электростанции в программные объекты. Её цель шире: создать виртуальную среду типизированных объектов (котлоагрегаты, турбоагрегаты и другие), манипулируя которыми, можно сделать управление реальными объектами значительно более эффективным. Таким образом, привязка бизнес-процессов к виртуальным объектам дает гибкость в манипулировании ресурсами электростанции.

Следовательно, автоматизация на базе виртуальной Модели предполагает создание виртуального пространства, в котором представлены типовые объекты электростанции и типовые операции над ними. Схема автоматизации отражает типовую схему, наиболее полно отвечающую, специфике конкретной электростанции. Но она не зависит от конкретики объектов, задействованных в производстве электроэнергии и тепла.

В простейшем виде познакомиться с виртуальной Моделью можно с помощью Создателя Системы. Так на форме в отдельных строках по энергетическим и водогрейным котлам, и по турбоагрегатам указываются для каждой единицы оборудования его марка и станционный номер. После этого нажимается кнопка и через несколько секунд вы получаете полностью готовую Систему, адаптированную для конкретной электростанции. Данная Система позволяет производить минутные, получасовые, суточные и месячные расчёты фактических и нормативных ТЭП в реальном времени с автоматическим или с ручным вводом исходных данных.

Главными инновационными особенностями получаемой виртуальной Модели электростанции являются наилегчайшая адаптивность и наивысшая скорость выполнения расчётов. С огромной уверенностью можно сказать, что адаптивность легче, как и скорость расчётов быстрее реализовать просто не возможно. Здесь нами достигнут экстремум невероятных вершин, покорить которые удалось только нам. Все зарубежные разработки данного плана на порядок хуже по своей реализации.

Зачем же нужна сверх легчайшая адаптивность? Все технологические задачи оформляются на простом МЕТА языке в виде текстовых Проектов, которые с помощью встроенного инструментального средства «Конструктор Проектов» сам Технолог без программистов и без специальных знаний может легко корректировать или создавать новые без ограничений. Подготовленные Проекты, при нажатии на одну кнопку, компилируются. В результате, все изменения или новые задачи автоматически встраиваются в создаваемую или в существующую Систему, обеспечивая надёжное её функционирование.

Но если новые изменения в алгоритмы задач так легко и без ущерба надёжности реализуются, то это значит, что виртуальная Модель всегда будет строго соответствовать фактической технологии на электростанции, а, следовательно, и будет приносить наибольшую экономическую выгоду.

Зачем же нужна сверх высочайшая скорость? Общий расчёт всех фактических и нормативных ТЭП, включающий 20000 исходных и промежуточных показателей, выполняется менее одной секунды. Поэтому на данной Виртуальной Модели можно всего за одну минуту рассчитать до 100 различных технологических конфигураций и выбрать наиболее оптимальный вариант с позиции экономии топлива.

Ниже приведены основные положения и принципы виртуальной Модели Smart-MES.

Основные положения концепции Виртуальной Модели (ВМ).

1. ВМ – как технологическая схема. Виртуальная Модель электростанции – это система программных элементов (объектов), отражающая типовую технологию работ в рамках конкретной электростанции. ВМ, по сути, вводит новый уровень управления электростанцией, основанный на информационных технологиях управления.

2. ВМ – как инструмент автоматизации. ВМ создается бизнес-аналитиками, как инструмент оптимизации процесса автоматизации данной электростанции.

3. ВМ – как схема учета. Операции над виртуальными объектами позволяют представить весь жизненный цикл реальных объектов: планирование, создание, использование, реконструкцию, ремонт.

4. ВМ – как модель эффективного управления. ВМ в качестве Модели описывает все бизнес-процессы электростанции, с точки зрения автоматизации информационных потоков, которые являются основой управления этих бизнес-процессов.

5. ВМ – как средство оптимизации. Манипулирование виртуальными объектами подразумевает, в конечном счете, управление реальными ресурсами электростанции, только опосредованно. Но именно эта дистанция и позволяет рассчитывать варианты жизненного цикла электростанции и сравнивать эти варианты между собой, в поисках оптимального варианта.

Основные принципы Виртуальной Модели.

1. Принцип информационной достаточности. При полном отсутствии информации о конкретной электростанции построение ее Модели невозможно. Существует некоторый критический уровень априорных сведений о расчётах фактических и нормативных ТЭП (уровень информационной достаточности), при достижении которого может быть построена ее адекватная Модель.

2. Принцип осуществимости. Виртуальная Модель обеспечивает достижение поставленной цели исследования с вероятностью, существенно отличающейся от нуля, и за конечное время.

3. Принцип множественности моделей. Данный принцип является ключевым. Речь идет о том, что Модель отражает в первую очередь те свойства реальной электростанции, которые влияют на выбранный показатель эффективности. Соответственно, при использовании любой конкретной Модели познаются лишь некоторые стороны реальности. Для более полного ее исследования необходим ряд Моделей, позволяющих с разных сторон и с разной степенью детальности отражать рассматриваемый процесс. Например: Расчёт фактических и нормативных ТЭП, Предупреждение аварийных ситуаций и т.д.

4. Принцип агрегирования. В большинстве случаев электростанцию можно представить состоящей из агрегатов, для адекватного математического описания которых оказываются пригодными некоторые стандартные математические схемы. Принцип агрегирования позволяет, кроме того, достаточно гибко перестраивать Модель в зависимости от задач исследования.

5. Принцип параметризации. В ряде случаев моделируемая электростанция имеет в своем составе некоторые относительно изолированные подсистемы, характеризующиеся определенным параметром, в том числе векторным. Такие подсистемы можно заменять в Модели соответствующими числовыми величинами, а не описывать процесс их функционирования. При необходимости зависимость значений этих величин от ситуации может задаваться в виде таблицы, графика или аналитического выражения (формулы). Принцип параметризации позволяет сократить объем и продолжительность моделирования.

Таким образом, Система Smart-MES как виртуальная Модель электростанции это новейшее слово в информационных технологиях, которое может вывести всю электроэнергетику России на передовые позиции и сделать её более привлекательной для инвесторов.

Инновационная Модель электростанций

Инновационная Модель функционирования тепловой электростанции упрощённо выглядит следующим образом:

Топливо Факт --> Пар --> Электроэнергия --> Топливо Норма

В данном случае, инновационность заключается в том, что в реальном времени с интервалом не более получаса рассчитывается нормативное топливо, которое сравнивается с фактическим. Этого никогда не было, и в настоящее время нет ни на одной тепловой электростанции в России. Фактический расход топлива на каждом временном интервале всегда больше или равен нормативному расходу. Задача функционирования этой Инновационной Модели заключается в том, чтобы на каждом временном интервале фактический расход топлива был близок к нормативному. В этом случае будет достигнут самый оптимальный вариант получения максимальной прибыли Генерирующими компаниями за счёт большой экономии топлива.

Здесь решение вопроса оптимизации загрузки оборудования только несколько расширяет возможности этой Модели, но никак её не подменяет. В настоящее время на тепловых электростанциях наблюдается устойчивая следующая ситуация. В дневные часы при максимальной загрузке оборудования фактический расход топлива близок к нормативному, а в ночные часы при пониженной загрузке фактический расход превышает нормативный более чем на 30%. Таким образом, в ночные часы энергетическая эффективность электростанций резко падает.

Нам говорят, что это происходит из-за 10 тонных котлов. Но есть же простое понятие – управление с опережением, т.е. учитывая большую инерционность энергетических котлов, необходимо снижать их загрузку несколько раньше, чем упадёт потребность в электроэнергии. Всё это можно легко сделать только с помощью Системы Smat-MES.

Математическая Модель электростанции представляет собой полные расчёты фактических и нормативных технико-экономических показателей (ТЭП), результатом которой являются оперативные получасовые расчёты нормативного расхода топлива. В этом случае процесс управления электростанцией выглядит следующим образом. В конце каждого получаса известен фактический расход топлива и нормативный. Дальнейшее управление при превышении фактического расхода над нормативным направлено на устранение этого расхождения при выполнении графика поставки электроэнергии и тепла. Но таким же образом этот анализ можно производить и с интервалом в одну минуту. Тогда задержка управляющего воздействия будет минимальной.

Всё это быстро реализует легко адаптивная и высокоскоростная Smart-MES, которая содержит большой набор аналитических, оптимизационных и интеллектуальных удобных инструментов.

Нас часто спрашивают, что, мол, какая Модель у вас реализована? Но само понятие «Модель» – очень широкое, т.е. от физического конструирования до математического формулирования. Поэтому данный вопрос просто безграмотен и попахивает напыщенным академизмом, в основе которого – пустота. В данном случае наш ответ прост – у нас вообще нет никакой Модели. Но на другом конце провода сразу же ощущается недоумение с помешательством. Как же можно автоматизировать расчёты ТЭП электростанции, не имея Модели? И все наши дальнейшие рассуждения по поводу Самоорганизующейся Системы вообще тонут в пучине дремучего непонимания элементарных посылов в отношении текстового описания Проектов технологических задач.

Многие, естественно, сурово и с огромным негодованием возмущаются, что, мол, зачем изобретать велосипед, когда на всех электростанциях давно есть АРМ ПТО, который великолепно рассчитывает ТЭП. И, в данном случае, совсем неважно, что эти месячные расчёты нормативных ТЭП в корне методологически не верны. И не верны они по причине криволинейности множества нормативных графиков. И совсем неважно, что эти месячные расчёты ТЭП легко и повсеместно подгоняются, чтобы нормативный расход топлива был равен фактическому расходу. И совсем неважно, что этот АРМ ПТО не приносит совсем никакой прибыли Генерирующим компаниям, а только вводит в заблуждение тем, что предоставляет искаженную картину о мнимом благополучии электростанции.

Но ведь всегда лучше горькая, но правда! И разве плохо, если эксплуатационный персонал в реальном времени будет иметь сравнительную текущую информацию о фактическом и нормативном расходе топлива, чтобы с открытыми глазами не транжирить его бесхозяйственно?

В современных же рыночных условиях для Генерирующих компаний данная Инновационная Модель функционирования электростанций является лучшим выходом, чтобы быстро поправить своё финансовое состояние без каких-либо капитальных затрат.

Моделирование процесса перерасхода топлива

Тепловая электростанция вырабатывает электроэнергию и теплоэнергию в соответствии с графиком их поставки. Этим процессом управляет эксплуатационный персонал. Таким образом, вырабатываемая электроэнергия (Э) и тепло (Q) являются функциями от времени.

Э = э(t); Q = q(t); где t – интервал времени (минута, получас)

Фактический (Bфакт) и нормативный (Bнорм) расходы топлива зависят от необходимой выработки электроэнергии и тепла. Причём, фактический расход топлива дополнительно включает в себя и человеческий фактор H = h(t), который также является функцией от времени.

Bфакт = Fф[Э, Q, H] = Fф[э(t), q(t), h(t)]

Bнорм = Fн[Э, Q] = Fн[э(t), q(t)]

Перерасход топлива – это разность между фактическим и нормативным расходами топлива.

Bпер = Bфакт – Bнорм = Fф[э(t), q(t), h(t)] – Fн[э(t), q(t)]

Суммарный перерасход топлива на месячном интервале определяется интегральным исчислением.

Bпер\м = ИНТЕГРАЛ{Fф[э(t), q(t), h(t)] – Fн[э(t), q(t)]}dt или

Bпер\м = ИНТЕГРАЛ{Fф[э(t), q(t), h(t)]}dt – ИНТЕГРАЛ{Fн[э(t), q(t)]}dt

Теперь рассмотрим два крайних варианта фактического расхода топлива при максимальной и минимальной нагрузке электростанции. При максимальной нагрузке электростанции фактический расход топлива соответствует нормативному, т.к. в этом случае существует строго регламентированный режим максимальной загрузки котлов и турбин с известным расходом топлива. При минимальной нагрузке электростанции значительно расширяется диапазон возможных вариантов расхода топлива, который полностью зависит от человеческого фактора, управляемого загрузкой оборудования.

Если при максимальной загрузке оборудования фактический расход топлива равен нормативному, то, следовательно, перерасход топлива равен нулю при полном отсутствии влияния человеческого фактора.

Bпер = Bфакт – Bнорм = Fф[э(t), q(t), 0] – Fн[э(t), q(t)] = 0

Тогда при этих условиях смело можно записать:

Fф[э(t), q(t), 0] = Fн[э(t), q(t)]

Но человеческий фактор отражает только субъективность выбора технологического управления и не влияет на сам алгоритм расчёта ТЭП. Таким образом, следует:

Fф[э(t), q(t), 0] = Fн[э(t), q(t)] = F[э(t), q(t)]

А перерасход топлива выглядит так:

Bпер = Bфакт – Bнорм = F[э(t), q(t), h(t)] – F[э(t), q(t)]

А сейчас зададимся вопросом: возможен ли в принципе отрицательный перерасход топлива или иными словами – экономия топлива?

F[э(t), q(t), h(t)] < F[э(t), q(t)] ???

Любой здравомыслящий безусловно скажет согласно зависимости, что этого не может быть, т.к. человеческий фактор отрицательным быть не может, а все остальные составляющие функций одинаковые.

Таким образом:

F[э(t), q(t), h(t)] > F[э(t), q(t)]

Следовательно, при нагрузке электростанции меньше максимальной всегда присутствует перерасход топлива.

Bпер = Bфакт – Bнорм = Fф[э(t), q(t), h(t)] – Fн[э(t), q(t)] > 0

Напрашивается естественный вывод: чтобы минимизировать перерасход топлива, следует минимизировать влияние человеческого фактора, т.е. максимально сузить диапазон принимаемых им решений по расходу топлива. В настоящее время в предполагаемом диапазоне человек для выбора пользуется естественным нормальным вероятностным законом распределения. Если приближенно сказать, то человек интуитивно выбирает середину диапазона, размер которого никому не известен.

Из этого следует, что ночью при меньшей нагрузке электростанции в каждые полчаса всегда происходит больший перерасход топлива, чем днём за эти же полчаса, когда нагрузка возрастает. И в этом случае совсем не играет роли квалификации эксплуатационного персонала, т.к. он в части текущего перерасхода топлива управляет электростанцией просто вслепую.

Скажем, вы идёте в магазин и всегда платите за товар столько, сколько он стоит. А теперь представьте, что в магазин идёт слепой и он не видит, сколько денег он даёт продавцу. Если вы даёте меньшую сумму, чем цена товара, то продавец, естественно, скажет вам, что этого мало. Если же вы даёте большую сумму, то жуликоватый продавец об этом не скажет, а просто отдаст вам товар, а разницу положит себе в карман.

Тепловая же электростанция в настоящее время выглядит в части расхода топлива просто заклятым жуликом со странным принципом – ни себе и ни людям. Мало того, что она беззастенчиво и бесполезно забирает разницу излишнего топлива, но и цена в виде нормативного расхода топлива заранее не известна. А эту разницу топлива она не кладёт себе в карман, а просто выбрасывает в атмосферу, её загрязняя. Ну, а генерирующая компания между тем лишается половины прибыли.

Почему же с этим положением вещей до сих пор приходится мериться умнейшему менеджменту генерирующих компаний? Да потому что невозможно объять необъятное. Да потому что он воспитан в постоянной лжи об отсутствии на тепловых электростанциях огромного перерасхода топлива. И в этом полностью лежит вина и на МИНЭНЕРГО РФ и на отраслевой науке, которые и сейчас глухи и слепы.

Распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2010 г. №2446-р утверждена Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», ответственным исполнителем которой является Министерство энергетики Российской Федерации. Но в подпрограмме «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в электроэнергетике» нет даже намёка о необходимости оперативного учёта перерасхода топлива.

А ведь предлагаемая нами Технология увеличения энергоэффективности электростанций позволяет практически беззатратно и быстро снизить расход топлива на всех тепловых электростанциях на 10% и, следовательно, на столько же сократить вредные выбросы в атмосферу.

Письмо №13 от 22.01.2011 по этому вопросу нами направлено Министру энергетики РФ Шматко С.И. Результат, естественно, будет нулевым. Вот такая в нашей стране модернизация... Нам уж умные люди советуют: ищите инвесторов за рубежом. Но нам инвестиции то не нужны. Современнейшая Технология нами уже разработана, инновационная Smart-MES для любой электростанции ОГК и ТГК нами уже разработана. Мы готовы к быстрой практической реализации!

Математическая Модель электростанции

Мы сделали неожиданное заключение, что разработанная нами Система Smart-MES является универсальной математической Моделью любой Электростанции. И данная математическая Модель использует принципы «чёрного ящика» и декартовой системы координат.

Сама электростанция, с точки зрения математической Модели, представляет собой «чёрный ящик» со входами: топливо, вода, и с выходами: электроэнергия, тепло. Электростанция включает котлы и турбины, которые также представляют собой «чёрные ящики» со своими входами и выходами. Таким образом, Математическая Модель Электростанции состоит из совокупности взаимоувязанных «чёрных ящиков». По принципу «чёрного ящика» нас не интересуют сложные динамические процессы, происходящие внутри него, а интересуют только входы, выходы и зависимости между ними.

Математическая Модель Электростанции Smart-MES увязывает «чёрные ящики» однотипного оборудования в группы в декартовой системе координат, где по оси абсцисс располагаются эти «чёрные ящики» или объекты, а по оси ординат входные и выходные технологические показатели. Это даёт возможность в МЕТА описании зависимостей между показателями их однократное использование для всех объектов, что резко упрощает настройку математической Модели для конкретной Электростанции. Обозначение показателя состоит из координат Y и X. Это позволяет легко оперировать расчётами в декартовой системе координат.

Хранение всех технологических показателей осуществляется в единой информационной базе данных за разные временные интервалы: минута, получас, сутки, месяц. Стыковка различных групповых «чёрных ящиков» осуществляется через эту же информационную базу данных.

Математическая Модель Электростанции состоит из двух частей: статической и динамической. Статическая часть - это среда, в которой формируется и функционирует математическая Модель. Динамическая часть - это текстовое МЕТА описание зависимостей показателей, которое даёт начало жизни математической Модели посредством компиляции.

Математическая Модель Электростанции Smart-MES с лёгкостью допускает свою модификацию и неограниченное развитие без внесения изменений в статическую часть. Достаточно скорректировать текстовое описание и выполнить компиляцию. Вся математическая Модель в этом случае будет модифицирована без потери технологической информации.

Математическая Модель Электростанции Smart-MES позволяет оперативно вести расчёты ТЭП с целью увеличения энергоэффективности с использованием оптимизации ресурсов, сопровождать испытания оборудования и выполнять задачи по предупреждению аварийных ситуаций. Данная математическая Модель также с успехом может быть использована на уровне ТГК и ОГК.

Динамическая Модель электростанции

Модель электростанции это набор математических формул, отражающий технологический процесс от входа (топливо) до выхода (тепловая и электрическая энергия). Чем точнее Модель, т.е. чем больше технологических факторов (потери, расходы на собственные нужды) она учитывает, тем лучше она отражает реальное производство.

Динамическая Модель должна оперативно учитывать все технологические изменения.

Теперь представьте, что эти изменения реализуются автоматически самой Системой. Тогда можно говорить о самоорганизации и о самообучаемости.

Безусловно, это фантастика! Но эту фантастику при желании ОГК и ТГК на Системе Smart-MES легко можно реализовать.

Утверждать это можно с большой уверенностью, исходя из конструктивных особенностей Smart-MES, которая включает два элемента: статическая часть - пустой исполнительный модуль (программа «Конструктор АРМов») и динамическая часть - текстовое описание задач в виде Проектов. Вся Система автоматически настраивается с этих текстовых Проектов.

Теперь, посредством обратной связи автоматически внеся изменение в текст Проекта и выполнив автоматическую настройку, это изменение будет внесено в DLL-программы расчёта. Вот вам и самообучаемая Модель.

Чем динамичнее Модель электростанции, тем она точнее отражает технологические, а значит и экономические составляющие.

Оперативное прогнозирование и планирование с помощью динамической Модели на Системе Smart-MES обеспечит электростанциям наилучшие экономические показатели по сравнению с другими статическими системами.

Вот лишь некоторые НОУ-ХАУ Инновационной Системы Smart-MES:

1) Описание АРМа (набор технологических задач) на простом человеческом МЕТА языке 4-го поколения в виде текстового Проекта;

2) Автоматическая настройка всей Системы расчётов с текстового Проекта;

3) Автоматическое создание расчётных DLL-программ;

4) Автоматическая настройка работы Приложения Клиент/Сервер по 3-х звенной структуре с любым SQL-Сервером.