Program na výpočet hydrauliky zložitých teplárenských sústav

Bratislavská teplárenská, a. s., (BAT) zabezpečuje komplexnú teplárenskú produkciu – od výroby tepla a elektrickej energie v teplárni cez transport tepla horúcovodmi a parovodmi, prevádzku odovzdávacích staníc tepla (OST) až po dodávku tepla v ústrednom kúrení a dodávku teplej vody do objektov koncových užívateľov.

BAT prevádzkuje dve oddelené sústavy centralizovaného zásobovania teplom (SCZT). Dodáva teplo do bytových domov, polyfunkčných aj administratívnych budov, školských zariadení, nemocníc, športovísk a priemyselných objektov v bratislavských mestských častiach Staré Mesto, Ružinov, Nové Mesto, Karlova Ves a Dúbravka.

SCZT BAT tvoria tri vlastné zdroje s inštalovaným tepelným výkonom 440 MW, tri cudzie zdroje s inštalovanými tepelnými výkonmi 58 MW, 50 MW, 8 MW, trasy horúcovodov s dĺžkou 124 km, trasy sekundárnych rozvodov s dĺžkou 78 km, 360 OST v majetku BAT a 300 cudzích OST.

Obr. 1 Zimná prevádzka

V roku 2016 dodala spoločnosť BAT odberateľom 988 928 MWh tepelnej energie a vyrobila 145 730 MWh elektrickej energie. Až 80 % tepla bolo vyrobených vysokoúčinnou kombinovanou výrobou elektriny a tepla. BAT pritom vyvíja aj aktivity na rozvoj teplárenstva, čoho dôkazom je pripájanie nových odberateľov. V roku 2016 pripojila spoločnosť 12 nových odberateľov s inštalovaným tepelným výkonom 14,22 MW.

Obr. 2 Prevádzka v prechodnom období

Pri prevádzkovaní SCZT využíva BAT moderné riadiace systémy (RS) a softvérové programy, ktoré zabezpečujú bezpečnú, spoľahlivú a ekonomickú prevádzku. Konkrétne sa na riadenie SCZT využíva pokročilý softvér TERMIS.

Z  dispečerského hľadiska predstavuje riadenie zdrojov tepla a zabezpečenie rovnováhy medzi odberom tepla v sústave a dodávkou tepla zo zdrojov zložitý proces. Odber tepla zo sústavy je funkciou klimatických podmienok (teplota vzduchu, slnečné žiarenie, vietor, vlhkosť vzduchu), dennej hodiny a typu dňa. Zložitosť dispečerského riadenia možno vidieť na obr. 1 až 3, ktoré zobrazujú výkon v SCZT Východ v zimnom, prechodnom a letnom období.

Obr. 3 Letná prevádzka – bez dodávky ÚK

Softvér TERMIS

TERMIS je softvérový matematický nástroj určený na statický a dynamický prepočet tepelno-hydraulických parametrov tepelných sietí. Na využitie programu treba vytvoriť matematický model, ktorý opisuje všetky zariadenia SCZT. Matematické jadro programu pracuje pokročilou iteračnou metódou a na princípe teórie grafov. Program tvoria viaceré moduly, aj samostatne funkčné.

Hlavnou funkciou programu je komplexná informácia o tepelných a hydraulických pomeroch, a to aj v najzložitejších teplárenských sústavách, s výstupmi na optimálne a ekonomické riadenie. Program vyvinula dánska spoločnosť 7T, ktorá je v súčasnosti divíziou koncernu Schneider Electric a v tvorbe programov na simulácie teplárenských sústav má 30-ročnú históriu.

Obr. 4 Hlavná obrazovka programu TERMIS

Programy TERMIS sa využívajú v mnohých krajinách Európy, ako sú Dánsko, Švédsko, Estónsko, Holandsko, Chorvátsko, Taliansko, Litva, Bulharsko, Maďarsko, Poľsko, Slovensko, Česká republika alebo Španielsko. Uplatnenie majú aj v Číne, Južnej Kórei, Severnej Amerike a v USA. Inštalácie programu sú v sústavách s výkonmi 75 – 5 000 MW.

Využitie programu TERMIS v BAT

BAT pracuje s programom TERMIS od roku 2007. V súčasnosti sa v spoločnosti využívajú tieto moduly:

• TERMIS OF LINE – statický model,
• TERMIS ON LINE – dynamický model,
• TERMIS – optimalizátor teploty,
• Harmonogram výroby.

Obr. 5 Simulácia pripojenia nového odberateľa – bytový dom na Ružinovskej ulici

Podmienkou práce programu TERMIS je vytvorenie matematického modelu sústavy SCZT, ktorý opisuje technické vlastnosti zariadení. Matematický model sa využíva pri module OF LINE, ON LINE aj pri module OPTIMALIZÁTOR TEPLOTY.

V BAT sa podstatná časť údajov prevzala z geografického informačného systému (GIS), prípadne z realizačnej dokumentácie, časť údajov sa doplnila meraním na zdrojoch a šachtách.

Medzi údaje, ktoré bolo potrebné vložiť do matematického modelu, patria:
zdroje – minimálny a maximálny výkon, prietok, diferenčný tlak, výstupná/vratná teplota v horúcovode, obmedzenia pri vzájomnej kombinácii uvedených parametrov;
primárne rozvody – opis tepelných sietí – dĺžky, dimenzie, ohyby, redukcie, odpory, izolácie, umiestnenie a opis sekčných a šachtových armatúr, výškový profil potrubia, vyhotovenie trasy (kanál, nadzemné, bezkanálové);
OST – odber OST pri rôznych klimatických podmienkach, denný priebeh odberu.

TERMIS OF LINE – statický model

Program je určený na statické výpočty SCZT, to znamená, že prepočíta hydraulické a tepelné pomery v sústave v rámci jednej konkrétnej statickej situácie. Výsledkami výpočtu sú rozdelenie výkonu medzi prevádzkované zdroje, tlakové a teplotné pomery vo všetkých bodoch siete, určenie miest s najnižším diferenčným tlakom a najnižšou teplotou, tepelné straty v jednotlivých úsekoch siete, rýchlostné profily v sieti, transportné časy medzi zdrojom a jednotlivými odberateľmi.

Funkcie a využitie programu:

• posúdenie pripojenia nových odberateľov,
• optimalizácia pri rozvoji a zmenách v tepelných sieťach; návrhy pri nových prepojeniach v sústave, zmeny dimenzií rozvodov,
• modelové výpočty pri rôznych variantoch prevádzkovania; možnosť meniť varianty radenia zdrojov, prevádzkových parametrov, konfiguráciu – rozkruhovanie sústavy,
• výpočet havarijných situácií v sústave; odstavenie poruchového horúcovodu a vplyv na dodávku v sústave; prevádzka s obmedzeným výkonom zdrojov a vplyv na odberateľov.

Všetky uvedené funkcie sú pre prevádzkovateľa SCZT dôležité a poskytujú mu informácie na zvýšenie spoľahlivosti dodávky tepla, minimalizovanie obmedzení pri poruchách zariadení a na zlepšenie ekonomiky prevádzky.

Ako využívať BAT program TERMIS OF LINE
Posúdenie pripojenia nových odberateľov
Na pripojenie nového odberateľa treba posúdiť parametre sústavy v mieste pripojenia a vplyv nového odberu na prevádzku sústavy. V prípade pripájania na napájač v blízkosti zdroja je situácia jednoznačná a postačuje prepočítať dimenziu prípojky.

Ale sú aj zložitejšie príklady, ak sa pripája odberateľ s väčším výkonom v mieste, kde nie sú ideálne hydraulické parametre. V takomto prípade je prínos programu TERMIS ON LINE neoceniteľný. Program prepočíta vplyv pripojenia nového odberateľa na hydrauliku a tepelné pomery v celej sústave. Možno pritom variantne riešiť miesto pripojenia, prípadne potrebu zmeny dimenzie existujúcich rozvodov.

Optimalizácia pri rozvoji a zmenách v tepelných sieťach. Návrhy pri nových prepojeniach v sústave, zmeny dimenzií rozvodov.
Ako príklad možno uviesť obr. 6, ktorý dokumentuje využitie programu TERMIS na určenie optimálneho variantu na zabezpečenie možnosti rozvoja a zvyšovania odberu v lokalite Bratislava-Staré Mesto. Na zlepšenie hydraulických parametrov sa zvažovali dva varianty. Prepojenie koncových rozvodov napájača Mlynské nivy s napájačom Sever alebo prepojenie s napájačom Južná vetva II.

Obr. 6 Optimalizácia nového prepojenia na zvýšenie dodávaného výkonu v lokalite Staré Mesto

Výpočtom v programe TERMIS sa určil variant č. 1 – prepojenie napájača Mlynské nivy s napájačom Sever. Tento variant zabezpečí výrazne lepšie hydraulické parametre v lokalite – zvýšenie diferenčného tlaku o 100 kPa bez zmeny tlakovej diferencie na zdrojoch.

TERMIS ON LINE – dynamický model

Modul TERMIS ON LINE možno hodnotiť ako nadstavbu modelu OF LINE. Vykonáva hydraulický a tepelný prepočet v reálnom čase, interval výpočtu je 5 minút. Model ON LINE využíva na výpočet reálne prevádzkové údaje.

Výsledkami výpočtu sú rozdelenie výkonu medzi prevádzkované zdroje, tlakové a teplotné pomery vo všetkých bodoch siete, určenie miest s najnižším diferenčným tlakom a najnižšou teplotou, tepelné straty v jednotlivých úsekoch siete, rýchlostné profily v sieti a transportné časy medzi zdrojom a jednotlivými odberateľmi. Program je detailne prepracovaný s možnosťou voľby zobrazení a výstupov podľa požiadaviek užívateľa.

Ako využíva BAT program TERMIS ON LINE
TERMIS ON LINE v BAT využíva na výpočet 400 prevádzkových údajov zo zdrojov, primárnych rozvodov a OST. Dáta sa čítajú z databáz riadiacich systémov WIN CC – zdroje a PROCOP – OST a šachty. Na výpočet sú dôležité prevádzkové údaje, ako sú tlaky, teploty, prietoky, výkony. Výhodou je, že BAT má zabezpečený kompletný prenos dát zo zdrojov, OST a hlavných šácht na rozvodoch.

Pri OST v správe cudzích organizácií sa do RS pre OST prenášajú kompletné údaje z meračov tepla. Vhodne vybrané prevádzkové údaje, ktoré sú využité pri práci programu TERMIS ON LINE, zvyšujú presnosť a využitie vypočítaných výsledkov.

Obr. 7 TERMIS ON LINE – prepočet všetkých parametrov celej sústavy v reálnom čase

Výsledky programu TERMIS ON LINE:

• kompletná informácia o hydraulických a tepelných parametroch v sústave v reálnom čase,
• možnosť signalizácie nedostatočných tepelných a hydraulických parametrov zistených výpočtom programu – alarmové hlásenia,
• reagovanie programu v reálnom čase na výkonové zmeny zdrojov a zmeny konfigurácie siete – je zabezpečený prenos údajov zo zdrojov a prenos údajov o polohe sekčných armatúr v šachtách; výkonové zmeny zdroja, prípadne manipulácie v sieti (zatvorenie sekčnej armatúry, odstavenie úseku horúcovodu) program zohľadní v následnom výpočte a počíta reálny stav v sústave,
• možnosti zobrazovania parametrov sústavy – tzv. Motívy (Motív = prehľadné mapové zobrazenie dôležitých parametrov sústavy).

Obr. 8 Motív – diferenčný tlak, rýchlosť prúdenia v prívodnom potrubí

Optimalizátor teploty

Modul TERMIS – optimalizátor teploty predikuje na základe predpovede počasia optimálnu teplotu na výstupe zo zdrojov, výkony a prietoky zo zdrojov. Zjednodušene možno funkciu optimalizátora definovať vetou „do horúcovodu dodávaj najnižšiu teplotu, s ktorou možno zabezpečiť potrebný výkon v sústave“.

Optimalizátor teploty má jednoznačne kladný vplyv na znižovanie tepelných strát v sústave a je najdôležitejším modulom priameho dispečerského riadenia. V podmienkach BAT je optimalizátor teploty nastavený na 18-hodinovú predikciu, ktorá predikuje všetky výstupné parametre zdrojov. Obnova predikcie prebieha v hodinovom intervale.

Obr. 9 Optimalizátor teploty – 18-hodinová predikcia prevádzky zdrojov

Harmonogram výroby

Modul Harmonogram výroby zabezpečuje predikciu odberu OST a predikciu výkonov zdrojov na základe predpovede počasia a zadaných vstupných podmienok. V podmienkach BAT je nastavený na 7-dňovú (168 hodín) predikciu, ktorá sa spresňuje 3x denne. Výsledky modulu sú dôležité na plánovanie výroby – technické a ekonomické posúdenie uvedenia do prevádzky (odstavenie) energetických zariadení (vysokotlakových kotlov a turbín).

Obr. 10 Optimalizátor teploty – 18-hodinová predikcia prevádzky zdrojov

V súvislosti s modulmi Optimalizátor teploty a Harmonogram výroby treba spomenúť aj program AIOLOS Forecast studio, ktorý poskytuje dôležité vstupné údaje programu TERMIS ON LINE. Tento program predpovedá zaťaženie v teplárenských sústavách na základe predpovede počasia. Zohľadňuje vplyv klimatických podmienok, dennej hodiny a typu dňa.

Presná predikcia zaťaženia sústavy je získaná odborným štatistickým spracovaním historických údajov o spotrebe, ktoré eviduje BAT. Predikcia sa spresňuje na základe údajov spotreby hodnotených v reálnom čase.

Hodnotenie skúseností s využívaním programu TERMIS a rozvojové aktivity

Program TERMIS – statický model sa využíva v spoločnosti 10 rokov a poskytuje dôležité výsledky pri posudzovaní pripojenia nových odberateľov a pri koncepčných rozhodnutiach v súvislosti s prevádzkou a rozvojom sústav.

Obr. 11 AIOLOS Forecast studio – 2-dňová predpoveď klimatických podmienok pre Bratislavu: teplota, vietor, slnečné žiarenie

Programy TERMIS – dynamický model, TERMIS – optimalizátor teploty a modul Harmonogram výroby sú v BAT uvedené do prevádzky od decembra 2016. Moduly TERMIS predstavujú najvyspelejšie programy na riadenie prevádzky teplárenských sústav s cieľom technickej a ekonomickej optimalizácie výroby tepla a elektrickej energie. Bratislavská teplárenská, a. s., plánuje použiť v ďalšej etape program TERMIS – dynamický model na priame – plnoautomatické riadenie zdrojov.

Článok vznikol v spolupráci so spoločnosťou Bratislavská teplárenská, a. s.
Obrázky: BAT