Ученые Южно-Уральского государственного университета работают совместно с сотрудниками Магнитогорского металлургического комбината над повышением энергоэффективности электростанций ММК путем внедрения умных систем управления энергетической эффективностью. Эти системы работают при помощи технологии интернета вещей: информация с сотен умных датчиков поступает в систему и обрабатывается онлайн, что позволит предотвратить перерасход энергии и поломку оборудования. Проект реализуется в рамках работы Уральского межрегионального научно-образовательного центра «Передовые производственные технологии и материалы».
Умные датчики повысят энергоэффективность
Группа ученых Южно-Уральского государственного университета под руководством доктора технических наук, профессора кафедры «Автоматика и управление» и научного руководителя группы математического моделирования и продвинутой аналитики ПАО «ММК» Дмитрия Шнайдера работает над проектом «Автоматизированная система цифровых двойников энергоагрегатов». Партнерами проекта являются ООО «Ресерч энд Девелопмент МГТУ», ООО «Объединенная сервисная компания», Центр энергосберегающих технологий ПАО «ММК».
Ученые создали оптимизационную технико-экономическую модель станции, позволяющую осуществлять в автоматизированном режиме «советчика» комплексный расчет оптимального распределения нагрузки между энергоагрегатами и оптимальной нагрузки станции в целом. Эта модель учитывает текущие технологические ограничения, техническое состояние оборудования, стоимость потребляемых энергоресурсов и вырабатываемой энергетической продукции.
Чтобы решить эту сложную оптимизационную задачу, используются энергетические характеристики энергогенератов. Они могут изменяться с течением времени вследствие теплоэнергетических процессов, естественного старения оборудования и действия внешних факторов.
Для определения энергетических характеристик турбоагрегатов одним из основных параметров является расход пара в теплофикационный отбор. Однако техническая возможность установки приборов измерения указанного параметра отсутствует. Для решения этой проблемы учеными был создан и успешно реализован алгоритм оценки этого значения на основе динамической балансовой модели.
Данный алгоритм учитывает параметры расхода и температуры пара, конденсата и питательной воды оборудования турбин, а также давления пара на турбину. Организация проводной передачи данных в реальных условиях технически сложно реализуема, а в некоторых случаях невозможна. Поэтому в своей разработке ученые применили новую технологию промышленного интернета вещей (IIoT) c использованием беспроводных датчиков температуры и давления.
Автоматизированная система цифровых двойников для ММК
Ученые пришли к выводу, что технический уровень электростанций ПАО «ММК» пока не позволяет внедрять и полноценно использовать системы динамического управления параметрами работы турбоагрегатов и осуществлять оценку технического состояния оборудования.
Для решения этой проблемы возникла необходимость создания автоматизированной системы цифровых двойников турбоагрегатов на основе современных решений промышленного интернета вещей (IIoT) и методов моделирования физических процессов. Система цифровых двойников нужна для улучшения технико-экономической эффективности управления загрузкой энергоагрегатов электростанций, повышения КПД, а также для повышения надежности работы оборудования и снижения незапланированных простоев.
«Разрабатываемая система состоит из следующих подсистем: подсистема сбора технологических параметров; подсистема онлайн мониторинга энергетических характеристик и состояния энергоагрегата; подсистема непрерывного отслеживания вибрационного состояния; подсистема интеграции данных во внешние автоматизированные системы управления предприятием. Функционирование создаваемой автоматизированной системы предусмотрено в режиме реального времени на основе данных технологических и диагностических параметров, считываемых с беспроводной сети датчиков давления и температур, со стационарной системы вибродиагностики, а также с существующих автоматизированных информационно-управляющих систем. Для одного энергоагрегата предусмотрено считывание от 25 до 100 параметров в зависимости от его типа», – поясняет руководитель проекта Дмитрий Шнайдер.
Цифровые технологии и их преимущества
Автоматизированная система цифровых двойников сможет определить текущие значения основных энергетических показателей. Это поможет выявить места возникновения дополнительных затрат энергетических ресурсов для последующего анализа причин их возникновения и уточнить энергетические характеристики энергоагрегатов по фактическим данным эксплуатации с учетом их состояния, условий и режимов работы. Можно будет определять текущую оценку расхода тепла на теплофикацию индивидуально для каждого турбогенератора на основе динамической балансовой модели либо оценивать фактический КПД парового котла в режиме реального времени. У инженеров появится возможность осуществлять оперативный контроль и диагностику вибрационного и механического состояния оборудования, определять основные дефекты с целью прогнозирования отказа.
Экономический эффект от внедрения результатов проекта ожидается за счет повышения КПД энергоагрегатов и снижения рисков незапланированных ремонтов и простоев оборудования электростанций. Ожидаемый срок окупаемости проекта составляет около двух лет.
Южно-Уральский государственный университет выполняет функции регионального проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы» (УМНОЦ). Это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегией научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. В Год науки и технологий ЮУрГУ примет участие в конкурсе по программе «Приоритет–2030».