Nová aplikace pro řízení teplárenských soustav - DYMOS nové generace

• Foto

Nové trendy v oblasti řízení teplárenských soustav

Mezi nejvýznamnější změny v oblasti provozu teplárenských soustav patří v současnosti stále se zvyšující požadavek na vzájemnou časovou synchronizaci výroby a spotřeby tepla. Provozovatelé teplárenských soustav jsou na jedné straně stále více konfrontováni s rozdílnou hodinovou cenou prodávané elektřiny nebo nakupovaného plynu a na druhé straně pak se stále více proměnnou spotřebou tepla. Spotřeba tepla je ovlivněna nejen vlastní proměnností počasí, ale i rozšiřujícími se instalacemi nejrůznějších obnovitelných zdrojů tepla využívajících energii slunce, popř. tepla z okolního prostředí. Právě tyto zdroje se vyznačují tím, že produkují energii ne podle toho, kdy je potřeba, ale v závislosti na přírodních podmínkách.

Optimalizace provozu teplárenských soustav není tak v současné době jen otázkou provozu s co nejlepšími účinnostmi, nejmenšími tepelnými ztrátami a nejmenší čerpací prací ale je čím dál více otázkou obchodní a otázkou tariface vstupů a výstupů teplárenského procesu a jejich časové synchronizace a schopnosti soustavy se s těmito změnami vyrovnat.

Systém DYMOS – SW nástroj optimalizace a řízení provozu teplárenských soustav

Za této situace přichází firma ORTEP s novou generací systému DYMOS. Jde o výsledek více jak 30 letého vývoje a nasazení nejrůznějších výpočtových a optimalizačních nástrojů v oblasti tepelně-hydraulických výpočtů tepelných sítí. V posledních letech probíhal vývoj tohoto SW i za podpory TAČR, díky čemuž bylo možno do tohoto systému začlenit modelovou podporu menších obnovitelných zdrojů tepla a tak tento SW produkt přiblížit k využití i ve středních, popř. menších teplárenských soustavách.

Primárně je systém určen pro zpracování denní přípravy provozu teplárenských soustav na jeden popř. více dní dopředu. Pod pojmem denní přípravy provozu rozumíme hodinový plán předpokládaného provozu zdrojů, dodávaných výkonů, výstupních teplot ze zdrojů a odpovídajících průtoků, provozu oběhových čerpadel a výpočet vývoje tlakových poměrů v síti.

Proces sestavení přípravy provozu v sobě zahrnuje zadání předpovědi počasí, výpočet spotřeby tepla, přerozdělení dodávaného výkonu mezi jednotlivé zdroje se zohledněním jejich výrobních možností a preferencí a přenosových schopností distribučních sítí.

Technologicky je systém DYMOS založen na jiném SW produktu firmy ORTEP - MOP určeném pro podrobné tepelně-hydraulické analýzy i těch nejsložitějších a nejrozsáhlejších tepelných sítí. Z tohoto produktu si systém DYMOS přináší obecně editovatelný model sítě, výpočtový model tlakových poměrů, zobrazení tlakových diagramů a pracovních oblastí oběhových čerpadel. Díky tomu systém nalézá své uplatnění nejen v denní přípravě provozu zdrojů a přerozdělení výkonu mezi nimi ale i v denní analýze předpokládaného vývoje tlakových poměrů v síti a optimalizaci provozu oběhových čerpadel.

Systém je důsledně dynamický v tom smyslu, že respektuje předchozí skutečné natopení sítě a díky sofistikovanému modelu šíření teplotních změn v síti je přímo předurčen pro řešení nejrůznějších akumulačních úloh spojených s řízeným natápěním popř. nedotápěním sítě.

Nejvýznamnější aplikace systému DYMOS

Systém DYMOS je v současné době využíván ve čtyřech velkých teplárenských soustavách a to v Praze, Brně, Opatovicích a Košicích. Kromě těchto velkých teplárenských soustav je v současné době pilotně ověřováno nasazení takového systému, tentokráte pod názvem REGIOS, i ve dvou menších teplárenských soustavách v Jindřichově Hradci a v brněnské čtvrti Nový Lískovec. Toto pilotní ověření probíhá v rámci již zmíněného projektu TAČR a je zaměřeno především na modelování a analýzu vlivu nasazení obnovitelných zdrojů.

Pražská teplárenská soustava

V Pražské teplárenské soustavě je systém využíván pro stanovení předpokládané závazné dodávky tepla z hlavního zdroje v soustavě ze zdroje EMĚ, tzv. nominace. V rámci každodenně prováděné nominace dochází k upřesnění dodávky na 1 den, stanovení závazné dodávky na 2. den a k orientačnímu stanovení vývoje dodávky na celý týden dopředu.

Výsledkem je hodinová tabulka předpokládaného dodávaného tepelného výkonu z EMĚ, výstupní teploty, teplot vratu a průtoků oběhové vody a to vše na sedm dní dopředu. Při výpočtu je uplatňována kritérium maximalizace dodávky tepla z EMĚ, při respektování přenosových schopností sítě a předchozího natopení sítě. Zvláště respektování předchozího natopení sítě hraje u takto rozsáhlé soustavy významnou roli, neboť bez něj nelze dosáhnout použitelných predikovaných průběhů nominovaných tepelných výkonů.

Nedílnou součástí výpočtu je i předpokládaný průběh dodávky tepla z dalších 6 zdrojů včetně Spalovny komunálního odpadu (ZEVO), kompletní výpočet tlakových poměrů v síti včetně provozu 26 skupin oběhových čerpadel a zobrazení tlakového diagramu.

Brněnská teplárenská soustava

V Brně je systém DYMOS využíván jako prediktor spotřeby tepla a následný optimalizátor přerozdělení dodávky tepla v soustavě mezi provozovaných 5 zdrojů tepla. Optimalizace přerozdělení výkonu probíhá na základě priorit řazení mezi jednotlivými zdroji, jejich zařízení k dispozici a s omezením na přenosové schopnosti sítě.

Brněnská aplikace systému DYMOS rovněž zahrnuje výpočtové modely jednotlivých zdrojů tepla včetně výroby elektřiny v PPC ve zdroji PČM a v klasickém teplárenském zdroji PŠ s několika protitlakovými turbínami. Systém DYMOS tak slouží k plánování předpokládané hodinové spotřeby plynu a hodinové výroby elektřiny s dosahem na obchodování na krátkodobém trhu s elektřinou.

Opatovická a Košická teplárenská soustava

V obou soustavách slouží systém DYMOS k přípravě provozu tepelné sítě, tj. ke stanovení optimální výstupní teploty ze zdroje ve vazbě na požadavky zdroje. V prvním kroku jde o stanovení předpokládané „normální“ dodávky tepla ze zdroje v klasickém ekvitermním režimu a ve druhém kroku jde o ověření tepelné a hydraulické průchodnosti nejrůznějších teplotních změn z centrálního zdroje, v závislosti na výrobě elektřiny. Součástí výpočtu je i stanovení případných požadavků na provoz lokálních zdrojů, a v případě Košic i na provoz statického akumulátoru.

Pro účely ověření navrhovaného provozu je implementován kompletní tepelně-hydraulický model sítě včetně modelu přečerpávacích stanic a lokálních směšování a výpočtu tlakových poměrů a tlakového diagramu.

Využité technologie

Vzhledem k dlouhodobému vývoji a rozsáhlým zkušenostem z nasazení v různých lokalitách je v současné době v ORTEP k dispozici SW produkt světové úrovně minimálně srovnatelný s nejlepšími obdobnými konkurenčními produkty.

Systém využívá celou řadu originálních postupů a špičkových technologií. Mezi ty nejvýznamnější patří; neuronový predikční model spotřeby, výpočtový model pohybu teplotních změn v síti, systém souběžného zobrazení měřených a predikovaných hodnot a možnost individuálního rozšíření systému o další optimalizační algoritmy, které jsou schopny řešit individuální potřeby každého zákazníka.

Neuronový predikční model spotřeby

Součástí systému DYMOS je predikční model spotřeby tepla založený na technologii neuronových sítí. Jde o léty vypracovaný průtokový, teplotní a výkonový model spotřeby, tedy model závislostí potřebných pro věrohodný tepelně-hydraulické výpočet soustavy. Model zohledňuje nejen okamžitý průběh venkovní teploty, ale i akumulační efekt budov při přechodu z teplejšího na chladnější období. Dále model zohledňuje denní a týdenní diagram a velikost vychlazení v závislosti na teplotě přívodní větve.

Predikční model spotřeby tepla obsahuje systém dlouhodobé a krátkodobé adaptace.

Systém dlouhodobé adaptace spočívá v jednorázovém přeučení neuronového modelu na základě historických měřených dat, který je prováděn zpravidla jedenkrát za rok. Systém krátkodobé adaptace pracuje na principu interpolace a zohlednění odchylky modelu z minulých tří dnů i v následující predikci.

Originální výpočtový model pohybu teplotních změn v síti

Od svých prvních verzí systém DYMOS disponuje originálním výpočtovým modelem pohybu teplotních front sítí, založeném na modelování fyzického posunu teplotních front v potrubí. Na rozdíl od konkurenčních výpočtových modelů založených na numerickém řešení soustavy diferenciálních rovnic tento systém nedeformuje teplotní signál v potrubí a vyznačuje se vynikající výpočtovou rychlostí. Mimo jiné i díky tomuto originálnímu řešení je možno pomocí systému DYMOS počítat dynamiku rozsáhlých tepelných sítí na několik dní dopředu na běžných kancelářských počítačích.

Systém souběžného zobrazení měřených a predikovaných hodnot

Systém DYMOS je vybaven tzv. souběžným zobrazením predikovaných a měřených hodnot. Díky této vlastnosti může uživatel graficky sledovat postupné nasouvání skutečných měřených hodnot do grafu s predikovaným průběhem. Již za několik hodin je jasné nakolik se predikovaná budoucnost liší od reality a lze podniknout případnou nápravu nebo aktualizaci predikce.

Možnost individuálního rozšíření systému o další optimalizační algoritmy, které jsou schopny řešit individuální potřeby každého zákazníka

Jak vyplývá z popisu několika stávajících aplikací systému DYMOS, v každé lokalitě je třeba řešit jinou optimalizační úlohu. Pro řešení těchto individuálních optimalizačních algoritmů je využíván, který umožňuje zpracování individuálních částí algoritmu při současném udržování jednoho obecného kódu systému DYMOS.

Typickým příkladem jsou individuální algoritmy řízení hydraulických poměrů v modelovaných soustavách. V případě pražské teplárenské soustavy je tak implementován nadřazený algoritmus, který navrhuje provoz jednotlivých 26 skupin oběhových čerpadel při dodržení minimálních tlakových diferencí v síti, tlakových omezení a při dodržení pohybu pracovních bodů čerpadel uvnitř příslušných charakteristik.

Podobně jsou rovněž řešeny algoritmy přerozdělení výkonu mezi jednotlivými zdroji na základě zadaného pořadí nasazení a omezení přenosových schopností v určitých místech soustavy.

Další nové vlastnosti systému DYMOS

Nezanedbatelnou další předností systému DYMOS nové generace je i to, že jde o zcela nový SW, zpracovaný v nejnovějších vývojových nástrojích a díky tomu zaručující jeho udržovatelnost i v dalších letech.

Samozřejmostí je vysoká míra uživatelské konfigurovatelnosti systému. Výpočtový model sítě je kompatibilní s jiným inženýrským nástrojem MOP a lze si ho průběžně aktualizovat. Možnost uživatelské aktualizace modelu sítě je možná všude vyjma částí, na které jsou vázány pro danou lokalitu vytvořené individuální optimalizační algoritmy. Systém umožňuje vytváření vlastních proměnných, pro ně lze definovat jednoduché výpočtové vztahy a tak si vytvářet vlastní jednoduché optimalizační algoritmy nezávisle na dodavateli systému.

Ing. Jan Havelka, CSc. je absolventem Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT, oboru Teorie a technika jaderných reaktorů. Hned od ukončení studií v roku 1986 po dnes se věnuje vývoji SW v oblasti tepelně-hydraulických výpočtů a optimalizace tepelných sítí. Zpočátku jako zaměstnanec Výzkumného ústavu energetického (EGÚ Praha) a následně od roku 1993 jako vedoucí vývoje SW a technický ředitel ve firmě ORTEP, s.r.o, ve které působí dodnes.

Autoři

• Ing. Havelka Jan CSc.
• Ing. Polach Roman
• Ing. Švec Jan