Přesné vyhodnocení zvýšení účinnosti kotle

Transkript

1 Přesné vyhodnocení zvýšení účinnosti kotle Pokročilé nástroje a postupy práce nejen pro provozní ekonomy Poznat Řídit Zlepšit Ing. Jiří Pliska, Ing. Luděk Hanzal Anotace Provoz stávajícího, rekonstruovaného nebo nového kotle v sobě vždy skrývá možnosti zvýšení účinnosti. Důležitou otázkou je, jak toto případné zvýšení účinnosti přesně kvantifikovat. Účinnost totiž obecně nezávisí jen na stavu kotle a strategii jeho řízení, ale i na provozních podmínkách kotle a vlastnostech paliva, které se v čase mění. Příspěvek popisuje způsob vyhodnocení změny účinnosti kotle, který je založen na pokročilém zpracování naměřených dat a modelu, který je z těchto dat vytvořen. Pro přesnou kvantifikaci zvýšení účinnosti je tedy vytvořen model z dat před optimalizaci a model z dat po optimalizaci. Porovnáním těchto modelů se pak provede přesná kvantifikace změny/zvýšení účinnosti. Důležitou vlastností je, že tento způsob vyhodnocení je výrazně méně závislý na provozních podmínkách kotle a vlastnostech paliva, než jiné metody. Klíčová slova Účinnost kotle, vyrovnání dat, regrese, model účinnosti kotle Úvod Příspěvek popisuje přesné vyhodnocení změny/zvýšení účinnosti kotle. Ke změně (konkrétně ke zvýšení) účinnosti kotle došlo změnou strategie řízení/regulace kotle. Přesné vyhodnocení změny/zvýšení účinnosti kotle je založeno na zpracování naměřených dat vyrovnání dat a detekce hrubých chyb (Data Reconciliation & Gross Error Detection) a na modelech účinnosti, které jsou vytvořeny pro kotel před optimalizací a pro kotel po optimalizaci. Porovnáním modelů se pak vyhodnocuje změna/zvýšení účinnosti kotle, a to tak, že se porovnávají výstupy modelů pro stejné vstupy, viz kap. Stanovení změny účinnosti kotle. Příspěvek navazuje na příspěvek ing. Martina Udatného - Stabilizace a optimalizace spalování fluidního kotle se zvýšením účinnosti a snížením emisí NO X, viz [1], který popisuje úspěšnou stabilizaci a optimalizaci spalovacího procesu fluidního kotle pro spalování několika druhů uhlí a jejich směsí o výhřevnosti 9 až 19 GJ/t. Pro výpočet/kvantifikaci zvýšení účinnosti byla použita metoda dále popsaná v tomto příspěvku. 1/18

2 Spolehlivá a pravdivá informace Základním předpokladem pro sledování, hodnocení a řízení kotle jsou spolehlivá a pravdivá data/informace o stavu kotle a jeho jednotlivých částí a o kvalitě regulace kotle. Pro přesné vyhodnocení zvýšení účinnosti kotle byly použity tyto základní nástroje: Vyrovnání dat a detekce hrubých chyb Regresní analýza, regresní modely Vyrovnání dat a detekce hrubých chyb Vyrovnání dat a detekce hrubých chyb je metoda zvýšení správnosti naměřených dat a ochrana proti hrubým chybám měření. Ochranou proti hrubým chybám se rozumí kontrola správnosti dat před jejich dalším použitím. Hodnoty jednotlivých veličin jsou mezi sebou svázány. Popis vazeb mezi veličinami, tj. matematický model, je konkrétní aplikace zákonů zachování hmoty, energie a látkového množství. O hodnotě konkrétní veličiny tedy nevypovídá jen hodnota měření této veličiny, ale i hodnoty dalších veličin svázaných zákony zachování. Základní vysvětlení použití zákonů zachování hmoty, energie a látkového množství pro sledování a hodnocení výkonnosti kotle, viz Příloha č. 1 Aplikace zákonů zachování pro vyrovnání měření na kotli. Podstatným přínosem vyrovnání dat je rovněž dopočet hodnot neměřených veličin. Více informací o vyrovnání dat a detekci hrubých chyb lze např. najít v [3], [10], 11], 12]. Důležitá poznámka: Ochrana proti hrubým chybám měření bývá důležitější než vlastní zvýšení správnosti hodnoty dané veličiny. Regresní modely Regresní modely jsou modely, jejichž sestrojení je řízeno daty (Data Driven). Stručný postup tvorby regresního modelu: Fyzikální analýza reálného objektu, tedy jevů probíhajícím na reálném objektu Určení systému, tedy určení myšlené obálky, vstupů a výstupů systému Vlastní tvorba modelu využívající tzv. regresní triplet = Data + Model + Metoda Při tvorbě modelů jsou využívány vyrovnané a dopočtené hodnoty. Významnou výhodou použití vyrovnání je možnost využití hodnot veličin, které nejsou přímo měřeny, ale jsou dopočteny v rámci vyrovnání pomocí matematického (validačního) modelu. Důležitá poznámka: Pro vyhodnocení účinnosti se používají dva typy modelů: Validační model Regresní model Jedná se o různé modely. Validační model slouží pro přípravu dat, které jsou pak vstupem pro regresní analýzy = tvorbu regresního modelu. Další vysvětlení, viz kap. Postup vyhodnocení. 2/18

3 Tímto způsobem lze získat model kotle. Volba vysvětlujících veličin (vstupy) a vysvětlované veličiny (výstup), závisí na účelu, pro který je model určen. Příklady použití regresních modelů využívající vyrovnaná data a dopočtené hodnoty neměřených veličin pro řešení různých inženýrských úloh lze např. nalézt v [3]. Účinnost kotle Účinnost v energetice je trvale významné téma, které zahrnuje stránku technickou a ekonomickou. Na účinnost rovněž můžeme pohlížet jako na globální symptom zdraví kotle a to nejen jeho strojní části (řízené soustavy), ale i řídicího systému (řídicí soustavy algoritmů řízení). Přesné stanovení účinnosti a zejména přesné stanovení změny účinnosti, vůči předchozímu resp. referenčnímu stavu, je důležitou činností, vyžadující provedení náročných analýz a měření. Stanovení účinnosti Obecně je možné účinnost vyjádřit jako podíl užitečného výstupu ke vstupům potřebným pro získání daného užitečného výstupu. Účinnost kotle = Užitečný výstup / Potřebných vstupů (1) Účinnost kotle je komplexní parametr. Jeho stanovením se zabývá řada tuzemských norem, viz např. [4], [5]. Příklady zahraničních norem, viz [6], [7], [8], [9]. Všechny postupy, ve výše uvedených normách, předpokládají vytvoření předem definovaných podmínek provozu kotle, jako jsou: Teplota napájecí vody Množství paliva Kvalita paliva a řada dalších V příspěvku popisovaný postup je na podmínkách provozu kotle, viz výše, do značné míry nezávislý. Srovnávací podmínky ( společný jmenovatel ) jsou zajištěny použitím rozsáhlých sad dat, které zahrnují v co největší možné míře rovnoměrně a stejně pokryté intervaly vstupů. Další výhodou je, de facto, smazání rozdílu mezi přímou a nepřímou metodou stanovení účinnosti kotle, a dále, že základ popisovaného postupu lze použít pro sledování a hodnocení účinnosti kotle v reálném čase 24 hodin 7 dnů v týdnu. Nezanedbatelnou skutečností je i to, že popisovaný postup není zatížen náklady na přípravu a realizaci předem určených provozních podmínek kotle, tedy experimentu na reálném zařízení. Stanovení účinnosti kotle Na účinnost kotle mají obecně vliv: Vnější činitele, jako jsou zatížení kotle, teplota napájecí vody, teplota nasávaného vzduchu Vlastnosti kotle jako kyberfyzikálního systému, jako je konstrukce, materiály, kvalita regulace, stupeň znečištění 3/18

4 Účinnost kotle určují ztráty (= nemožnost využít veškerou energie dodávanou do kotle pro užitečný/požadovaný výstup), které lze obecně rozdělit na: Ztráty ve formě tepla spojené s tokem hmoty, např. komínová ztráta, ztráta fyzickým teplem ložového popele Ztráty ve formě tepla NEspojené s tokem hmoty, např. ztráta sáláním a vedením Ztráty z nespáleného paliva Pomocí vyrovnání dat je možné určit parametry všech proudů, tedy všech Vstupů a všech Výstupů. Protože díky vyrovnání dat jsou všechny veličiny v rovnováze, tj. vyhovují zákonům zachování hmoty, energie a množství látky, můžeme pro výpočet účinnosti zvolit metodu nepřímou i metodu přímou. Obě metody výpočtu účinnosti z vyrovnaných dat, díky souladu veličin, z podstaty věci vedou ke shodnému výsledku. Stanovení změny účinnosti kotle Stanovení změny účinnosti je založeno na nalezení modelu = kvantitativním popisu závislosti účinnosti na: Vlastnostech paliva Provozních podmínkách kotle Kvalitě regulace kotle Stavu kotle jako znečištění spalinových výměníků, aj. Dále se předpokládá, že bude vytvořen model před optimalizací řízení kotle a model po provedení optimalizace řízení kotle. Porovnáním těchto modelů bude vyhodnoceno, jaký vliv měla optimalizace řízení kotle na zvýšení účinnosti kotle. Základní otázka S jakou účinností vyrobíme XX MW užitečného tepla (výkon kotle) palivem TĚCHTO vlastností při TĚCHTO provozních podmínkám. Vizualizace otázky, viz níže Obr. 1 Model účinnosti kotle. Vlastnostmi paliva se rozumí: Složení paliva; množství hořlaviny, popeloviny, vody a prvkové složení hořlaviny Energetický obsah paliva; vyjádřené např. spalných teplem hořlaviny Provozními podmínkami se rozumí: Užitečné teplo (výkon kotle) Teplota napájecí vody Teplota a tlak nasávaného vzduchu Elektrické příkony elektromotorů ventilátorů Tepelný příkon parních ohříváků vzduchu 4/18

5 Náhodné vlivy provozu, ruční zásahy do řízení Vlastnosti paliva Provozní podmínky Kvalita regulace Kotel Účinnost Stav kotle Obr. 1 Model účinnosti kotle Postup vyhodnocení Vyhodnocení změny účinnosti kotle se sestává z kroků: 1. Výběr surových dat 2. Validace dat 3. Výpočet účinnosti pro dané/aktuální provozní podmínky 4. Předčištění dat pro tvorbu regresních modelů 5. Vytvoření regresních modelů účinnosti v závislosti na provozních podmínkách 6. Porovnání regresních modelů účinnosti a vyhodnocení změny/zvýšení účinnosti Kroky 1 až 5 se provádí pro kotel s původním řízením/regulací a pro kotel s novou strategií řízení/regulací. Výběr surových dat Pro výběr surových dat je důležitá představa, na čem závisí účinnost kotle. Přestože zvolený postup je relativně na těchto silách nezávislý, je vhodné, je-li to možné, vybrat taková období provozu: PŘED provedením optimalizací řízení/regulace PO provedení optimalizace řízení/regulace která co do provozních podmínek kotle jsou co nejvíce srovnatelná, tzn. vybrat taková období provozu kotle, kdy je: Obdobný výkon kotle (užitečné teplo) Obdobné palivo (vlastnosti paliva) Obdobné roční období (teplota a vlhkost nasávaného vzduchu) a další podmínky provozu Pro porovnání byla vybrána následující období: 2. až 30. června května až 12. června 2015 Data, naměřená řídicím systémem, byla pro uvedená období předzpracována vypočteny 15-ti minutové aritmetické průměry. Tyto hodnoty pak byly použity pro další zpracování. 5/18

6 Validace dat Pro další zpracování byly 15-ti minutové aritmetické průměry validovány, tj. zkontrolovány na nepřítomnost hrubé chyby měření, naměřené hodnoty vyrovnány a dále byly dopočteny hodnoty neměřených veličin a parametrů. Pro validaci dat byl použit validační model. Vizualizace validačního modelu, sestávající z uzlů a proudů, viz Příloha č. 3 Validační model kotle. Výběr dat kotel PŘED optimalizací řízení Výběr dat kotel PO optimalizací řízení Validace Validace Vyrovnání dat validační model Vyrovnání dat dat validační model Výpočet účinnosti pro kotel PŘED optimalizací řízení Výpočet účinnosti pro kotel PO optimalizací řízení Předčištění dat Předčištění dat Regresní model účinnosti kotle PŘED optimalizací řízení Regresní model účinnosti kotle PO optimalizací řízení Porovnání modelů Obr. 2 Postup vyhodnocení 6/18

7 Poznámka: Nad každým uzlem je vytvořena soustava rovnic založená na zákonech zachování hmoty (včetně jednotlivých složek) a energie. Nad žlutě vybarvenými uzly jsou dále vytvořeny rovnice reakcí na základě zákona zachování množství látky. Výpočet účinnosti pro dané/aktuální provozní podmínky Pro výpočet účinnosti kotle byla, z důvodů zajištění stejných předpokladů pro vytvoření modelů účinnosti před a po optimalizaci řízení, přijata omezení: Nebyl uvažován tepelný tok do parních ohříváků vzduchu a elektrický příkon ventilátorů Nebyl uvažován vápenec; v roce 2015 signál chyběl Podíl úletového popílku a ložového popele je 60 / 40 Prvkové složení hořlaviny je fixní Ztráta fyzickým teplem vody je dána rozdílem entalpií o teplotách: teplota vody opouštějící kotel (buben), teplota napájecí vody Ztráta fyzickým teplem spalin a tuhých zbytků je dána rozdílem entalpií o teplotách: teplota tuhých zbytků, resp. spalin opouštějící kotel a teplotou okolního venkovního vzduchu. Předčištění dat Cílem předčištění dat je vyloučit z dalšího zpracování ta data, kdy nebyly splněny podmínky pro: Ustálený stav procesu (nebyly velké výkonové změny) Výši užitečného tepla (výkonu kotle); výkon kotle > 95 MW (jmenovitý výkon kotle MW) Neprobíhá čištění spalinových výměníků ofukovaní parou Vytvoření regresních modelů Předčištěná data jsou použita pro tvorbu regresních modelů účinnosti kotle. Obecně je regresní model matematický výraz, kdy na levé straně je účinnost a na pravé straně se vyskytují proměnné reprezentující vlastnosti paliva a provozní podmínky. Je použitá forma regresního modelu regresní model lineární v koeficientech. Vizualizace regresního modelu, viz Obr. 3 Struktura regresního modelu. Množství vody Množství popelovin Spalné teplo Výkon kotle Teplota napájecí vody Vysvětlující proměnné (regresory) Regresní model účinnosti kotle Účinnost Teplota vzduchu Obr. 3 Struktura regresního modelu 7/18

8 Učinnost [%] Rozdíl [%] Porovnání regresních modelů Získané regresní modely popisují chování kotle, jako kyberfyzikálního systému, tedy včetně vlastností řídicího algoritmu a vlastností měřících řetězců). Umožňují porovnat chování/výkonnost kotle před optimalizací a po optimalizaci řídicího algoritmu. Porovnání se provede tak, že do obou regresních modelů (matematického výrazu) dosadí shodné vstupy reprezentující stejné: Stejné palivo Stejné provozní podmínky a porovnají se výstupy účinnosti kotle. Poznámka: Hodnoty regresních koeficientů v sobě ukrývají vlastnosti řídicích algoritmů. Výsledky Níže je zobrazen graf porovnání účinnosti pro kotel PŘED optimalizací a kotle PO optimalizaci řídícího algoritmu. Účinnosti Účinnost PŘED optimalizací Účinnost PO optimalizaci Rozdíl ( ) Výkon kotle[mw] Obr. 4 Graf porovnání modelů Pro grafické zobrazení porovnání modelů byly zvoleny následující vstupy: Obsah vody v palivu: 22 % Obsah popelovin v palivu 33 % Spalné teplo hořlaviny: 29,5 MJ/kg Teplota napájecí vody: 200 C Teplota nasávaného vzduchu: 20 C 8/18

9 Diskuse získaných výsledků Analýza naměřených dat Z analýzy naměřených dat pro kotel PŘED optimalizací a pro kotel PO optimalizaci pro veličiny: Kyslík za EKO Teplota spalin na výstupu z kotle viz Příloha č. 5 Přebytek kyslíku a teplota spalin na výstupu, lze konstatovat, že změnou strategie řízení došlo ke zvýšení účinnosti kotle. Analýza porovnání modelů účinnosti Z analýzy porovnání modelu účinnosti kotle PŘED optimalizací a modelu účinnosti kotle PO optimalizací lze konstatovat, že pro rozsah výkonů kotle od 95 do 180 MW došlo ke zvýšení účinnosti kotle o cca 1 %. Změna strategie řízení tedy vedla k výraznému zvýšení výkonnosti kotle. Možnosti aplikace metod vyrovnání dat a regresních modelů pro jiné úlohy Kromě modelu účinnosti kotle byla uvedená metoda použita pro model výkonu kotle (model užitečného tepla kotle), viz Obr. 5 Model výkonu kotle. Náhodné vlivy provozu, ruční zásahy do řízení Množství paliva Vlastnosti paliva Kotel Výkon kotle Provozní podmínky Obr. 5 Model výkonu kotle Model výkonu kotle lze použít pro: Predikci výkonu kotle v závislosti na vstupech On-line diagnostiku zdraví kotle 9/18

10 Závěr Příspěvek popisuje metodu vyhodnocení změny (v daném případě zvýšení) účinnosti kotle. Metoda je založená na použití dvou moderních nástrojů: Vyrovnání dat a detekce hrubých chyb Regresní analýza, regresní modely Předností metody jsou: Využití provozních dat Robustnost proti chybám měření Není třeba organizovat speciální testy Relativní nezávislost na vlastnostech paliva Relativní nezávislost na provozních podmínkách kotle Další využití potenciálu metody Sledování a hodnocení účinnosti v reálném čase a současně její porovnávání s hodnotou získanou pomocí metody popisované v tomto příspěvku umožňuje identifikovat/vyhodnotit její změnu vlivem: Určitého zásahu, např. novou strategií řízení Zhoršením stavu kotle Pravdivá a včasná informace umožňuje realizovat operativní nápravná opatření a předejít tak zbytečným ztrátám. 10/18

11 Literatura [1] M. Udatný, Stabilizace a optimalizace spalování fluidního kotle se zvýšením účinnosti a snížení NO X, Konference Kotle 2016 [2] J. Pliska, Z. Kubín, L. Hanzal, Pokročilý postup určení množství elektřiny z kombinované výroby elektřiny a tepla, Konference Kotle 2014 [3] J. Pliska, L. Hanzal, J. Kenis, P. Petrlík,. Nové přístupy ke zvýšení výkonnosti teplárny, Konference Kotle 2015 [4] ČSN , Hodnocení kotlových ztrát [5] ČSN EN , Vodotrubné kotle a pomocná zařízení - Část 15_Přejímací zkoušky [6] DIN 1942, Acceptance testing of steam generators [7] BS 845, Thermal performance of boilers for steam, hot water and high temperature heat transfer fluids [8] ASME PTC-4-1, Measuring Boiler Efficiency [9] ASME PTC , Fired Steam Generators - Performance Test Codes [10] VDI 2048, Uncertainties of measurement during acceptance tests on energy-conversion and power plants. 2000, Part I Fundamentals [11] VDI 2048, Uncertainties of measurement during acceptance tests on energy-conversion and power plants. 2003, Part II Examples, especially retrofit measures [12] VDI 2048, Uncertainties of measurement during acceptance tests on energy-conversion and power plants. 2008, Part III Examples, especially preparation of acceptance of a gas and steam power plant Epilog v heslech Přemýšlení o systémech + Domýšlení všech souvislostí + Boj proti prakticismu a zjednodušenému vysvětlování Kontaktní údaje: Jméno: Ing. Jiří Pliska, ředitel technického rozvoje Firma: OT Energy Services a.s., Třebíč Mobil: jpliska@otenergy.eu Jméno: Ing. Luděk Hanzal, technolog analytik Firma: OT Energy Services a.s., Třebíč Mobil: lhanzal@otenergy.eu 11/18

12 CO C Příloha č. 1 Aplikace zákonů zachování pro vyrovnání měření na kotli Hmota páry Zachování hmoty Hmota reagentů Hmota paliva Hmota vzduchu Kotel Hmota spalin Hmota popílku Hmota popele Hmota napájecí vody Hmota odluhu Nevyužité palivo Zachování energie Entalpie, fyzické teplo, citelné teplo jsou synonyma, která označují stejnou fyzikální vlastnost Chemická energie Chemická energie Příkon ventilátorů Fyz. teplo reag. Fyz.teplo paliva Fyz.teplo vzduchu Cizí pára Radiace, konvekce, kondukce Cizí energie Entalpie páry Kotel Chemická energie Změny fáze Entalpie napájecí vody Entalpie odluhu Citelné teplo spalin (včetně CO) Fyzické teplo popílku (včetně C) Fyzické teplo popele (včetně C) C Zachování množství látky ( Prvků ) Prvky jsou prvky periodické tabulky prvků, nebo jakékoliv jiné entity, pro které se má zato, že se chemickou reakcí v kotli nemění CaCO 3 C H N O S H 2 O Ash N 2 O 2 H 2 O Ar Prvky reagentů Prvky paliva Prvky vzduchu Kotel Chemické reakce Zachování Prvků Prvky spalin Prvky popílku Prvky popele N 2 O 2 CO 2 CO SO 2 H 2 O... CaSO 4 CaO Ash 12/18

13 Příloha č. 2 Schéma kotle Energetický tok Vápenec Voda Vlhký vzduch Měření průtoku Měření teploty Popel/popílek Uhlí/Kaly Vodní pára Spaliny Měření tlaku X Měření veličiny X Ostrá pára L Povrch bubnu (1-4) Cyklon 1 Cyklon 2 V PP3 POPV E Cizí pára EOP PP1 Odluh LUWO Primární EKO Levá PP2 POSV Sekundární Vápenec G E Pravá Vápenec Vápenec Uhlí Kaly G O 2 Stav okolní atmosféry Úletový popílek E Kouřový NO X Linka 1 SO X Uhlí/Kaly H CO 2 CO O 2 Linka 2 Redler (1,2) Primární Sekundární Popílek mezitah Ložový popel Recirkulační E G RV Napájecí voda 13/18

14 Příloha č. 3 Validační model kotle Energetický tok Struska/popílek Vlhký vzduch Spaliny Vápenec Uhlí Voda Vodní pára Měření průtoku Měření tlaku Měření teploty CaCO 3 Uhlí NV z VTO Měření kyslíku Recirkulace spalin Ztráty Rozdělovací uzel Spalovací komora Spaliny Popílek Přisávaný vzduch EKO Chlazení strusky Mechanický nedopal PP3 Výparník/Buben Chlazení odluhů V V Přisávaný vzduch V LUWO Struska PP1 PP1 Odluh/Odkal Přisávaný vzduch V OFUK LUWO EKO Přisávaný vzduch V V Vstřik1 Parní ohřívák vzduchu Parní ohřívák vzduchu Vnitřní netěsnost Vnitřní netěsnost LUWO Přisávaný vzduch PP2 Vstřik2 Sekundární ventilátor Primární ventilátor Rozdělovací uzel Přisávaný vzduch PP3 Chlazení popílku Mechanický nedopal Popílek Sekundární vzduch Primární vzduch Kouřový ventilátor Reci ventilátor Chlazení spalin Chemický nedopal Spaliny Ostrá pára 14/18

15 Příloha č. 4 Princip stanovení účinnosti kotle Bilanční obálka H - Řízený vzduch H - Neřízený vzduch H - Palivo H - Reagenty H - Směsi H - Spaliny H - Popel H - Popílek H Pára Q Chem.nedopal Q Mech.nedopal Q Ved./Sálání Spalovací komora Spalinovody Q do H 2 O Okruh Voda/Pára H Odluh Q Teoretické teplo v palivu Q - Parní ohříváky vzduchu Q - Ventilátory H Napájecí voda 15/18

16 Příloha č. 5 Přebytek kyslíku a teplota spalin na výstupu PŘED optimalizací Kyslík [%] Teplota [ C] PO optimalizaci Kyslík [%] Teplota [ C] 16/18

17 Účinnost [%] Voda, Popelovina [%] Příloha č. 6 Posouzení kvality (vypovídací schopnosti) regresních modelů 93 Účinnost PŘED optimalizací Účinnost vypočítaná z měření Účinnost predikovaná modelem Voda Popelovina Čas [jednotka času = 15 min] 17/18

18 Účinnost [%] Voda, Popelovina [%] 93 Účinnost PO optimalizaci Účinnost vypočítaná z měření Účinnost predikovaná modelem Voda Popelovina Čas [jednotka času = 15 min] 18/18