Energia XXXVIII / Ochrona Środowiska XX
Dodatek promocyjno-reklamowy do RZECZPOSPOLITEJ.
nr 64 (6747) 16 marca 2004 r.
Optymalizacja produkcji energii przez Elektrociepłownie Warszawskie
Elektrociepłownie Warszawskie S.A. są przedsiębiorstwem działającym w obszarze przetwarzania energii. Celem działania jest przetwarzanie energii chemicznej paliw w formy użyteczne dla odbiorców, tzn. w ciepło w wodzie gorącej, ciepło w parze wodnej przegrzanej oraz w energię elektryczną.
Głównym odbiorcą ciepła jest Stołeczne Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej S.A. zajmujące się dystrybucją ciepła do odbiorców końcowych zamieszkałych na terenie miasta Warszawy. Elektrociepłownie Warszawskie wytwarzają i dostarczają ciepło również mieszkańcom Pruszkowa i Piastowa. Funkcje te realizuje wchodząca w skład EWSA Elektrociepłownia Pruszków.
Jako odbiorcy energii elektrycznej wyprodukowanej przez EWSA funkcjonują na rynku zakłady energetyczne, których ilość jest zmienna w czasie i zależy od sytuacji rynkowej. Tradycyjnie oraz ze względu na fizyczne połączenie poprzez sieć EWSA jest związana z zakładem energetycznym STOEN oraz z Zakładem Energetycznym Warszawa-Teren.
Charakterystyka przedsiębiorstwa jako wytwórcy energii
1. EWSA
W skład spółki wchodzi pięć zakładów wytwórczych. Cztery z nich – Elektrociepłownia Siekierki, Elektrociepłownia Żerań, Elektrociepłownia Kawęczyn i Ciepłownia Wola – są zlokalizowane na terenie Warszawy, piąty – Elektrociepłownia Pruszków – na terenie Pruszkowa.
Zakłady zlokalizowane w Warszawie dostarczają ciepło do sieci Stołecznego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej (SPEC). W sieci ciepłowniczej jest realizowane przyporządkowanie określonych obszarów do poszczególnych źródeł ciepła. Przyporządkowanie to może być w określonych warunkach zmieniane przez działania eksploatatora (SPEC). I tak: w okresie zimowym praktycznie sieć jest rozdzielona na cztery obszary zasilane przez odrębne źródła ciepła – Zakłady EWSA. W okresie letnim podział ten jest zmieniany i zasilanie sieci odbywa się przez dwa zakłady: EC Siekierki i EC Żerań. Zmiana podziału sieci i związane z tym wyłączenie z pracy Ciepłowni Wola i Elektrociepłowni Kawęczyn odbywa się w zależności od warunków pogodowych w kwietniu i październiku.
2. EC Siekierki
Elektrociepłownia Siekierki została zbudowana w latach sześćdziesiątych. Początkowo była wyposażona w cztery kotły parowe opalane pyłem z węgla kamiennego o wydajności 230 t pary na godzinę każdy oraz w pięć turbin parowych upustowo-kondensacyjnych o mocy elektrycznej 30 MW każda i jedną turbinę kondensacyjną o mocy 50 MW. W miarę rozbudowy Warszawy i wzrostu zapotrzebowania na ciepło w południowej części miasta zakład był modernizowany i rozbudowywany. Zwiększono moc cieplną turbin upustowo-
-kondensacyjnych przez wykorzystanie ciepła pary wylotowej jako źródła ciepła do pierwszego stopnia podgrzania wody sieciowej, dobudowano wymienniki ciepłownicze do turbiny kondensacyjnej, a także rozbudowano zakład o trzy bloki energetyczne z turbinami o pogorszonej próżni o mocy cieplnej 190 MW i elektrycznej 105 MW każdy oraz blok o mocy cieplnej 175 MW i mocy elektrycznej 125 MW. Rozbudowano kotłownię dobudowując kotły ciepłownicze jako szczytowe źródło ciepła.
Obecnie moc cieplna EC Siekierki wynosi 2014 MW, a zainstalowana moc elektryczna 622 MW. Składa się na to 8 kotłów parowych, 9 turbozespołów i 6 kotłów wodnych.
3. EC Żerań
Elektrociepłownia Żerań swymi początkami sięga lat pięćdziesiątych. Wyposażona w osiem kotłów parowych opalanych pyłem z węgla kamiennego, o wydajności 230 t pary na godzinę każdy oraz w 8 turbin upustowo-kondensacyjnych o mocy 25 MW każda, jedną turbinę o pogorszonej próżni o mocy 28 MW oraz jedną turbinę przeciwprężną o mocy 30 MW. W miarę rozbudowy Warszawy zakład był modernizowany. Zmodernizowano turbiny kondensacyjno-upustowe na turbiny o pogorszonej próżni, co pozwoliło wykorzystać ciepło wylotowe do podgrzania wody sieciowej. Rozbudowano kotłownię dobudowując kotły wodne jako szczytowe źródło ciepła. W latach 1997-2001 zmodernizowano kotłownię zamieniając trzy kotły parowe OP230 dwoma kotłami OFz450 z paleniskami fluidalnymi, co pozwoliło ograniczyć emisję dwutlenku siarki i tlenków azotu do atmosfery.
Obecnie moc cieplna EC Żerań wynosi 1554 MW, a osiągalna moc elektryczna – 298 MW, zainstalowane w 7 kotłach parowych i 10 turbozespołach oraz w 4 kotłach wodnych.
4. EC Kawęczyn
Wybudowana w latach osiemdziesiątych. Budowa ograniczona została tylko do części wytwarzającej ciepło szczytowe. Wyposażona jest w trzy kotły wodne opalane pyłem z węgla kamiennego, o łącznej mocy cieplnej 605 MW.
5. Ciepłownia Wola
Wybudowana w latach siedemdziesiątych. Miała zapewnić dostawę ciepła do południowo-zachodniej części Warszawy. Wyposażona jest w cztery kotły wodne opalane olejem ciężkim tzw. mazutem, o łącznej mocy cieplnej 465 MW.
Optymalizacja w wytwarzaniu energii
Rynek energii, zachowania jego uczestników i pozycja EWSA
Mówiąc o rynku energii trzeba mieć na uwadze dwa jego sektory: rynek energii elektrycznej oraz rynek ciepła. Nie stanowią one dla siebie konkurencji ze względu na różniące się od siebie sposoby wykorzystania produktów. Rynek ciepła odczuwa natomiast działanie konkurencyjne ze strony sektora gazowego. Rynek ciepła jest ograniczony terytorialnie do zasięgu sieci cieplnych wodnych oraz parowych i jest w naturze ograniczonym monopolem dystrybutora ciepła i wytwórcy. Ograniczenia na tym rynku pochodzą ze strony regulatora, jakim jest Urząd Regulacji Energetyki zatwierdzający taryfy na ciepło zarówno dla wytwórców, jak i dla dystrybutorów.
Zachowanie EWSA w zakresie wytwarzania ciepła określa koncesja udzielona przez Urząd Regulacji Energetyki w 1998 roku i zobowiązująca generalnie wytwórcę do wytwarzania ciepła w ilościach wynikających z zawartych umów przy zachowaniu obowiązujących standardów jakościowych.
Rynek energii elektrycznej ma mniej ograniczeń naturalnych niż rynek ciepła. Ograniczeniem naturalnym jest fizyczne przyłączenie do sieci określonego zakładu energetycznego, z czego wynikają niektóre konsekwencje handlowe. Jednak odbiorcami energii mogą być podmioty nie związane terytorialnie z zakładami EWSA. Pewne ograniczenia na tym rynku wprowadza ustawa Prawo energetyczne, zobowiązująca dystrybutorów do zakupu określonej części energii elektrycznej w elektrociepłowniach. Innym ograniczeniem jest taryfikacja cen energii zatwierdzanych przez regulatora rynku (URE)
Również na tym rynku zachowanie EWSA określa koncesja udzielona przez Urząd Regulacji Energetyki w 1998 roku i zobowiązująca generalnie wytwórcę do wytwarzania energii elektrycznej w ilościach wynikających z zawartych umów przy zachowaniu obowiązujących standardów jakościowych.
Zachowania rynkowe odbiorców produktów (ciepła i energii elektrycznej) powodują powstanie tendencji do obniżania cen zakupu ciepła i energii elektrycznej u wytwórcy, co wymusza u niego konieczność obniżania kosztów wytwarzania każdego z tych produktów. Prawo energetyczne zabrania finansowania tzw. skrośnego, tzn. pokrywania strat na jednym z produktów zyskami z drugiego produktu.
Co to znaczy produkować optymalnie?
Wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej można prowadzić zasadniczo na dwa sposoby:
- w gospodarce rozdzielonej, tzn. w odrębnych urządzeniach ciepło i w odrębnych energię elektryczną, np. wymaganą ilość ciepła w kotłach wodnych, a energię elektryczną w turbozespołach parowych przy wykorzystaniu kondensacji pary wylotowej z turbin. Ten sposób wytwarzania energii elektrycznej cechuje się wysoką wartością straty wylotowej, tzn. straty ciepła oddanego do wody chłodzącej skraplacz, a niezbędnej do skroplenia pary opuszczającej turbinę. Strata ta osiąga 50%. Oznacza to, że połowa ciepła dostarczonego w paliwie podgrzewa bezużytecznie wodę chłodzącą – w naszym przypadku wodę w Wiśle,
- w gospodarce skojarzonej, tzn. w urządzeniach wytwarzających jednocześnie energię elektryczną i ciepło, np. wykorzystując opisaną wyżej stratę wylotową jako ciepło użyteczne do podgrzania wody sieciowej. Ten sposób wytwarzania energii pozwala zmniejszyć zużycie energii paliwa do wytworzenia energii elektrycznej i ciepła. W porównaniu z powyższym przykładem można uniknąć pracy kotła ciepłowniczego lub zmniejszyć jego moc.
Mając do dyspozycji bardzo różnorodny zestaw urządzeń wytwórczych pozwalających prowadzić proces produkcyjny przy zastosowaniu opisanych wyżej sposobów, możliwość dowolnego ich obciążania, różne sprawności przetwarzania energii itd. otrzymuje się trudną do wyobrażenia ilość układów pracy zespołów wytwórczych dających w wyniku jednakową moc cieplną i jednakową moc elektryczną, jednak przy różnym zużyciu energii w paliwie. Wielkość zużytej energii paliw przekłada się na ilość spalonego węgla czy oleju, czyli na koszt paliwa, wielkość kosztów transportu paliwa, wielkość kosztów emisji do atmosfery, kosztów zagospodarowania odpadów itd. Jednym słowem – przy stałych określonych przychodach ze sprzedaży energii elektrycznej i ciepła istnieje możliwość produkowania z różnymi kosztami wytwarzania, czyli można osiągać różną wartość zysku, lub nawet popaść w straty.
Kryteria optymalizacji w przeszłości i obecnie
Optymalizacja pracy elektrociepłowni nie jest zagadnieniem nowym. Jest związana historycznie z zaistnieniem możliwości skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Obejmuje swym zasięgiem nie tylko wybór optymalnej struktury układu cieplnego czy struktury obciążeń. Optymalizacji mogą podlegać inne dziedziny związane z przetwarzaniem energii, np. rodzaj paliwa, źródła dostaw paliwa itd. Generalnie w przedsiębiorstwie działającym na rynku kryterium optymalizacji jest maksymalizacja zysku.
W okresie gospodarki planowej, kiedy ceny w ogólności nie odzwierciedlały rzeczywistej wartości towarów, kryterium maksymalizacji zysku mogło prowadzić do błędnych wniosków. W takich wypadkach wystarczające było kryterium minimalnego zużycia paliwa.
Kwestia wyboru kryterium nie wpływa w swej istocie na proces optymalizacji, jednak wpływa na uzyskane wyniki.
Narzędzia wspomagania procesu optymalizacji
Program Energy Optima 2000
Przy rozległym rozmiarze zagadnienia optymalizacyjnego konieczne staje się wyposażenie w narzędzia przyspieszające ten proces i ułatwiające jego przeprowadzenie. Taką szansę daje technika cyfrowa. W EWSA podjęto próbę zastosowania narzędzia do wspomagania procesu optymalizacji. Jest nim program „Energy Optima 2000” opracowany przez szwedzką firmę Energy Opticon.
Program składa się z zasadniczych trzech modułów: pomiarowego, prognozowania i optymalizacji.
Moduł pomiarowy ma zadanie przyjmować bieżące dane pomiarowe z systemu nadzoru eksploatacji oraz wizualizować je na ekranie.
Moduł prognozowania służy do obliczania prognozowanego obciążenia cieplnego.
Moduł optymalizacji służy do wyboru optymalnego wariantu pracy urządzeń przy założeniu obciążeń cieplnych zgodnych z prognozowanymi.
Działanie programu polega na opracowaniu prognozy obciążenia cieplnego, a następnie wybranie optymalnego obciążenia elektrycznego. Uzyskanie poprawnych wyników wymaga dobrego zapoznania się użytkownika ze szczegółami funkcjonowania programu i postępowania z programem w określonej kolejności.
Model matematyczny obiektu wytwórczego
Proces optymalizacji jest zagadnieniem matematycznym poszukiwania ekstremum pewnej funkcji. Funkcja ta w przypadku EWSA przedstawia nadwyżkę przychodów ze sprzedaży energii elektrycznej i ciepła nad kosztami zmiennymi wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Przychody ze sprzedaży ciepła są we wszystkich wariantach optymalizacji takie same. Funkcja ta przybiera skomplikowaną postać i w ogólnym przypadku nie jest możliwe uzyskanie rozwiązania w formie analitycznej. Optymalizację przeprowadza się zatem poprzez stworzenie ilości wariantów obciążeń obejmujących całe spektrum możliwości technicznych, obliczenia wartości wielkości kryterialnej i wybranie wariantu spełniającego kryterium optymalizacji.
Dla umożliwienia takiego toku obliczeń konieczne jest stworzenie modelu matematycznego obiektu, który będzie opisywał zjawiska fizyczne zachodzące w urządzeniach oraz związane z nimi procesy ekonomiczne. Model ten powinien dostatecznie dobrze odzwierciedlać zachowanie się urządzeń, ale jednocześnie mieć nieskomplikowany matematycznie opis, co jest istotne dla czasu przeprowadzanych obliczeń. Model matematyczny obiektu zastosowany w Elektrociepłowniach Warszawskich składa się z czterech zasadniczych obiektów. Są to równania opisujące bilanse energetyczne poszczególnych urządzeń wytwórczych: kotłów i turbozespołów w czterech zakładach: EC Siekierki, EC Żerań, EC Kawęczyn i C Wola. Dla przedstawienia stopnia złożoności problemu trzeba podać, że liczba urządzeń wymagających zamodelowania to 32 kotły i 19 turbin. Do modelu należą również równania opisujące sprawność urządzeń, przepływy energii między urządzeniami oraz równania specjalne ujmujące specjalne cechy obiektów.
Parametry techniczne i ekonomiczne modelu
Do pełnego opisu należą również koszty związane z pracą urządzeń, z rozruchem, wyłączeniami, remontami itp. Niezbędne są rzetelne wielkości kosztów przypisane poszczególnym urządzeniom. Powstaje tu trudność w uzyskaniu wiarygodnych danych, ponieważ nie istnieją zaewidencjonowane w wymaganym stopniu szczegółowości dane księgowe; plany księgowo-finansowe nie przewidują tak szczegółowego podziału kosztów. Konieczne są zatem duże nakłady pracy w celu wyznaczenia tych kosztów przed uruchomieniem programu oraz corocznie w celu ich aktualizacji. Wiarygodność danych ekonomicznych ma pierwszorzędne znaczenie dla wyników uzyskiwanych w toku działania programu.
Prognozowanie obciążenia
Program z założenia spełnia funkcję doradczą w procesie planowania obciążeń. W związku z tym, że jego działanie odnosi się do przyszłości, konieczne jest prognozowanie zdarzeń, które będą miały wpływ na procesy produkcyjne. Najbardziej istotnym czynnikiem wpływającym na proces przetwarzania energii jest pogoda, a w szczególności temperatura zewnętrzna, prędkość wiatru, zachmurzenie. Te wielkości muszą zostać dostarczone jako dane wejściowe do programu. EWSA otrzymuje je od biura meteorologicznego jako prognozę na najbliższe 120 godzin. Na podstawie wprowadzonej prognozy pogody program EO2000 wykonuje prognozę obciążenia cieplnego dla EWSA. Podział zaprognozowanej mocy cieplnej na poszczególne zakłady odbywa się przez wprowadzenie współczynników podziału mocy wyznaczone na podstawie aktualnych mocy cieplnych. Prognozowanie obciążeń cieplnych uwzględnia zachowanie się sieci ciepłowniczej na połączeniach z zakładami wytwórczymi w poszczególnych porach doby – w każdym 15-minutowym odcinku czasowym. Uwzględnia odrębność profilów obciążenia dobowego w dni robocze, soboty i niedziele, obciążenie w okresie zimowym oraz w okresie letnim itd. Jakość prognozy obciążenia jest silnie uzależniona od jakości prognozy pogody.
Poza prognozą obciążenia ciepłem do ogrzewania, program prognozuje obciążenie mocą cieplną dla celów technologicznych (dla odbiorców przemysłowych). Podstawą tego prognozowania są przebiegi obciążeń tą mocą z poprzednich kilku lat.
Jakość prognoz obciążenia cieplnego jest zadowalająca i prognozy są używane przez służbę dyspozytorską do planowania obciążenia.
Optymalizacja
Wspomniana wyżej wartość nadwyżki przychodów ze sprzedaży energii elektrycznej nad kosztami zmiennymi wytwarzania ciepła i energii elektrycznej jest funkcją celu, czyli funkcją, której wartość podlega procesowi optymalizacji. Jako kryterium optymalności jest wybrane maksimum tej nadwyżki. Jest ono zgodne z celem funkcjonowania przedsiębiorstwa jako spółki prawa handlowego działającego na rynku – maksymalizacją zysku.
W wyniku przeprowadzonej optymalizacji program wskazuje zestaw urządzeń wytwórczych oraz ich obciążenia cieplne i elektryczne w kolejnych odcinkach czasowych w okresie objętym optymalizacją.
Dla celów planowania obciążeń przez służby dyspozytorskie EWSA program wykonuje automatycznie trzy rodzaje optymalizacji:
- optymalizację obejmującą najbliższe 7 dni kalendarzowych z 1-dobowym krokiem obliczeniowym, tzn. uzyskuje się jeden zestaw urządzeń na każdą dobę kalendarzową,
- optymalizację obejmującą najbliższe 3 doby z 1-godzinnym krokiem obliczeniowym. Optymalizacja ta jest przydatna do planowania mocy elektrycznej na dzień n+1 oraz n+2,
- optymalizacja na najbliższe 24 godziny z 1-godzinnym krokiem obliczeniowym, pozwalająca na bieżącą kontrolę lub korektę pracy urządzeń.
Inne optymalizacje zaprogramowane przez użytkownika są możliwe do przeprowadzenia, jednak czas ich przeprowadzenia jest stosunkowo długi i z reguły optymalizacja z 24 krokami obliczeniowymi nie może zakończyć się w 30-minutowym limicie czasu.
Program umożliwia przeprowadzenie optymalizacji pracy Elektrociepłowni Warszawskich jako jednego źródła, to znaczy umożliwia wybranie optymalnych obciążeń cieplnych i elektrycznych poszczególnych zakładów przy założeniu braku ograniczeń ze strony sieci ciepłowniczej. Może to być pomocą w uzgodnieniu z dystrybutorem ciepła optymalnego podziału sieci między poszczególne źródła.
Poza obliczeniami prowadzonymi z zastosowaniem aktualnych danych, w tzw. żywej bazie danych, istnieje możliwość przeprowadzania obliczeń optymalizacyjnych w symulacyjnej bazie danych, w której można symulować różne warianty pracy przy założonych parametrach technicznych i ekonomicznych. Zmiany w bazie symulacyjnej nie wpływają na stan bazy „żywej”.
Energy Opticon jako partner
Dostosowanie modelu do obiektu
Jak wspomniano wyżej, model jest bardzo skomplikowany ze względu na dużą liczbę urządzeń. W początkowej fazie wdrażania programu model funkcjonował w postaci uproszczonej. Uproszczenia polegały na ujednoliceniu danych technicznych i ekonomicznych dla urządzeń jednego typu. Przy takich danych czas wykonania obliczeń optymalizacyjnych nie przekraczał 3-4 minut, co w dostatecznym stopniu zadowalało użytkownika. Uproszczenia te jednak dawały obraz odbiegający od stanu faktycznego. Z biegiem czasu wprowadzono indywidualne dane techniczne i ekonomiczne dla poszczególnych urządzeń.
Wdrożenie programu
Prace wdrożeniowe trwały od momentu podpisania kontraktu w roku 2000. Powołany został zespół wdrażający złożony z przedstawicieli dostawcy oraz przyszłego użytkownika. Zadaniem zespołu użytkownika było opracowanie danych do stworzenia modelu matematycznego urządzeń, zebrania danych technicznych, danych ekonomicznych, zestawienia danych pomiarowych używanych przez program, dokonać ocen przeprowadzonych testów kontrolnych. Zespół dostawcy miał dostosować własne opracowania programowe do warunków użytkownika, opracować model matematyczny zakładów, zainstalować program na komputerach użytkownika, przeprowadzić dostrojenie parametrów programu, przeprowadzić testy. Kontrakt został zrealizowany w maju 2001 roku i zakończył się odbiorem. Zespół użytkownika prowadził dalej prace testowe. W ich wyniku postanowiono poprawić jakość uzyskiwanych wyników przez wprowadzenie indywidualnych danych technicznych dla poszczególnych urządzeń. Dążenie do działania programu w sposób jak najlepiej odzwierciedlający rzeczywistość prowadziło do indywidualizowania danych technicznych i ekonomicznych, co dawało w efekcie lepsze jakościowo wyniki, lecz znacznie wydłużało czas przeprowadzania obliczeń. Czas przeprowadzenia optymalizacji przekraczał nawet 40 minut i istniało zagrożenie, że nie będzie możliwe przeprowadzenie co godzinę optymalizacji dobowych. Autor programu wprowadził ograniczenie czasu trwania obliczeń, co dało taki efekt, że wiele obliczeń optymalizacyjnych pozostawało niedokończonych.
Program jest aktywnie używany przez dyżurnych inżynierów dyspozytorni.
Obsługa eksploatacyjna
Na podstawie kontraktu jest prowadzona przez dostawcę obsługa serwisowa programu. Odbywa się ona poprzez sieć internetową. Dostawca ma dostęp do serwera, w którym rezyduje oprogramowanie i czynności obsługowe realizuje po uzyskaniu połączenia z serwerem. W przypadkach wątpliwych lub po stwierdzeniu niepoprawnego działania programu dostawca usuwa usterki po zgłoszeniu telefonicznym lub e-mailowym.
Wnioski
Program Energy Optima 2000 może spełniać funkcję doradczą. Wysoki stopień skomplikowania układu technologicznego powoduje wydłużenie czasu trwania obliczeń do tego stopnia, że obliczenia nie mieszczą się w limicie czasowym półgodzinnym. Dla zwiększenia prędkości obliczeń konieczne jest uproszczenie modelu matematycznego, co powoduje, że wyniki gorzej odzwierciedlają stan rzeczywisty.
Ze względu na częste zmiany zasad obowiązujących na rynku energii elektrycznej, program nie ma modułu handlu tą energią, nie uwzględnia praw rynku bilansującego i obowiązku zakupu energii ze skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, uwzględnia jedynie ustalone ceny taryfowe.
Trwają prace nad usprawnieniem (przyśpieszeniem) obliczeń optymalizacyjnych i uaktualnieniem dokumentacji. Pierwsze wyniki tych działań pozwalają mieć nadzieję na dalsze usprawnienie działania tego programu.
Mirosław Główka
Henryk Kleczkowski
Elektrociepłownie Warszawskie SA
03-216 Warszawa, ul. Modlińska 15
tel. (022) 811-30-11, fax (022) 614-42-08
e-mail: [email protected]
www.ew.pl
- Informacje o Elektrociepłowniach Warszawskich SA