NO770929L - Fremgangsm}te for optimalisering av driften av et kraftanlegg best}ende av flere enheter - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for optimalisering av driften av et kraftanlegg bestående av flere enheter.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for optimalisering av ydelsen av et multienhetskraftanlegg, spesielt den inte-grerte styring av anleggets kjele og systemet for dampdistribusjon (inklusive turbingenerator) i masse- og papirindustrien.

I masse- og papirindustrien, og forsåvidt i en hvilken som helst petrokjemisk industri, benyttes egne multienhetskraftanlegg både for å generere elektrisk energi og damp som benyttes i prosess-operasjonen; f.eks. i en papirfabrikk i papirindustrien. Dampenergien utgjør en betydelig fraksjon av den totale energi som produseres av kraftanlegget. Dertil benyttes denne dampenergi til formål som er uavhengig av produksjon av elektrisk kraft.

Dette står i kontrast til et typisk kraftanleggsystem hvor all damp fra turbingeneratoren returneres som kondensat til kjelen for oppvarming sammen med etterfyllingsvann. I papirindustrien blir f.eks. en betydelig del av dampen ekstrahert fra turbingeneratoren

2 2 2

ved trykk på eksempelvis 4 2 kp/cm , 11 kp/cm og 4,2 kp/cm og benyttes for å gi dampenergi til mange forskjellige typer produk-sjonsenheter, f.eks. papirmaskiner, tørker, fordampere, i masse- og papirfremstillingsprosessen.

Det er således klart at styringskriteriene for energioptimalisering i det typiske kraftanleggsystem er utilstrekkelig i papirindustrien. En ytterligere vanskelighet, spesielt i papirindustrien, er bruk

av treflis som et av brenslene for kjelen i tillegg til både kull og olje. På grunn av dens variasjon i fuktighetsinnhold og tre-slag, vil treflis gi varierende varmeverdi. Dertil kan denne varmeverdi reduseres på grunn av treflisens tendens til å danne sot i kjelen slik at virkningsgraden senkes. Dertil kan variasjoner i brenselegenskaper og deres resulterende innvirkning på virknings-

I graden ikke måles direkte og nøyaktig. Dette gjelder spesielt for dagens styresystemer for typiske kraftanlegg.

Det er flere ulemper ved dagens energihåndteringssystemer i masse-fabrikkene. F.eks. blir kraftkjeier som fyres med to brensler, f.eks. kull eller treflis som hovedbelastningsbrensel og olje som variasjonsbrensel, ikke justert med hensyn til hovedbelastningsbrensel ved endringer i funksjonsbetingelsene. Belastningen av individuelle kjeler er kun basert på dampproduk.sjonskravene og ikke på operasjonsvirkningsgrad. Virkningsgraden av de forskjellige dampturbiner tas ikke med i beregningen når belastning fordeles til dampmaskinen. Videre er dagens tilgjengelige systemer ikke i stand til å kompensere raskt for endringer i etterspørsel etter elektrisk kraft og damp. Resultatet er høyere priser fra den lokale dampforsyning på grunn av overskridelse av toppbelastningsnivået.

Det er derfor oppfinnelsens generelle formål å tilveiebringe en fremgangsmåte for optimalisering av ydelsen av et multienhetskraftanlegg og spesielt et kraftanlegg som har betydelig uavhengig produksjon av lavtrykks og middeltrykksdampforbruk i anleggets kjemiske prosessavdeling.

I henhold til dette formål er det tilveiebragt en fremgangsmåte for optimalisering av ydelsen av et multienhetskraftanlegg som produserer dampenergi fra et antall forskjellige brensler. Dampenergien, som benyttes til forskjellige formål, er en betydelig fraksjon av den totale energi som produseres av kraftanlegget. Inntaksforstyrrelser for systemet som affiserer dets ydelse, kan ikke måles direkte eller nøyaktig. Trinnvis reelltids virkningsgrad av enhetene i kraftanlegget bestemmes ved hjelp av sjokktester. Forandring i energi-ydelsen for enheten som resultat av endring i energitil-førselen måles. Ydelsesindeksen for enhetene bestemmes ved å benytte trinnvis virkningsgradsbestemmelser. Energiydelsen av enhetene blir omfordelt i henhold til ydelsesindeksen.

Oppfinnelsen skal beskrives i det følgende under henvisning til de vedlagte tegninger.

Fig. 1 og 2 er funksjonsdiagrammer som viser optimalisering av kjele og dampdistribusjonssystem;

', I

.fig. 3 er et blokkdiagram for et multienhetskraftanlegg som j

i benytter fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse;

fig. 4 er et generalisert styreskjerna for en typisk turbingenerator;

fig. 5 og 6 er flytdiagrammer som er nyttig for forståelse av et utførelseseksempel på oppfinnelsen;

fig. 7 er et flytdiagram nyttig for forståelse av et annet utførelses-eksempel på oppfinnelsen; og

£ig. 8 og 9 er dampflytdiagrammer som er egnet for forståelse av flytdiagrammene henholdsvis på fig. 5 og 7.

Fig. 1 er et funksjonsdiagram som illustrerer optimalisering av kraftkjelesystemer. Som angitt, er innsignalene til systemet dampbehov som vil omfatte lavtrykks og middeltrykksdamp for prosess-delen av f.eks. massefabrikken, og også dampbehov for turbingeneratoren (se fig. 2) for produksjon av den nødvendige elektriske energi. Som beskrevet ovenfor, er hovedformålet for den elektriske energi å møte toppebelastninger og således minimalisere omkostningene for kraft levert utenifra. Andre innsignaler til blokken 10 kalt redistribusjonsalgoritme er brenselvirkningsgrad eller n, brensel-pris som, slik det vil fremgå av det følgende, gir ydelsesindeks,

og begrensninger på systemet kan omfatte antiforurensningsstyringer så som tidspunkt og varighet for brenning av treflis. Endelig gir fremmatning fra dampdistribusjonssystemet på fig. 2 jevnere opera-sjon. Så snart redistribusjonsalgoritmen er beregnet og fordelingen fastslått som angitt i boks 11 ved mottagelse av de virkelige dampstrømninger og annen funksjonsinformasjon så som brenseltil-førsel, bestemmes både dampmål og brenselmål for systemets kjeler kaldt PB1, PB2, PB3....

Dampfordelingssystemet på fig. 2 ligner i det redistribusjonsalgoritmen lokk 10' har innsignaler i form av dampbehov, elektrisk behov, krafttilførsel utenifra og begrensinger. En av begrensingene her er at elektriske toppbelastninger skal kunne møtes av systemet for å minimalisere omkostningene for elektrisk kraft utenifra. Fordelingen på de enkelte turbingeneratorer betegnet med TG1, TG2, TG3.... bestemmer både mål for elektrisk ydelse og mål for ekstrak-

i sjon som i virkeligheten er damp ved de forskjellige trykk. j

i

Fig. 3 illustrerer et typisk multienhetskraftanlegg for bruk i en papirfabrikk og omfatter forskjellige kjeler 12 benevnt PB1 - 7 som mater forskjellige dampsamlerledninger 13a - c. Disse har relativt høyt trykk, f.eks. 42 atmosfærer og 28 atmosfære, og forsyner hovedsakelig de første turbinene angitt med 14a - 14f med dampenergi. Videre foreligger det en høytrykksturbin 14g som mottar damp fra en 105 atmosfærers samlerledning. Damp med lavt og middelstrykk ekstraheres fra forskjellige turbingeneratorer til samleledningene for 10,5 atmosfærer og 4,2 atmosfærer. Typiske bruk av samlerledningene på 10,5 atmosfærer er å koble den direkte til en papirmaskin, som angitt med linje 16.

Et mer detaljert styrediagram for en enkel turbingenerator 14' er vist på fig. 4, hvor ekstraksjonsstrømmer på 42 atmosfærer, 11,3 atmosfærer, 4,2 atmosfærer og stort sett null atmosfærer er angitt. Videre foretar en datamskin typiske tilbakekoblingsstyring. Ifølge oppfinnelsen er imidlertid en turbingenerator- belastningsfordeler 11' (se fig. 2) vist som styres av systemoptimaliseringsmetoden ifølge foreliggende oppfinnelse.

Fig. 5 viser en trinnvis virkningsgrads-sjokktest for en enkelt kjele Kjelen er angitt med to brenseltilførseler; f.eks. olje og kull eller treflis. En tilførselsstrømningsventil regulerer brensel-strømmen f^ i kilo pr. time som målt av strømningsmåleren F, og en ydelsesstrømningsmåler F måler dampproduksjonen i kilo pr. time,

Som vist på fig. 5, er testtrinnene som følger. Sjokktesten begynnes ved at brensel 1 forstyrres medAf^. Nærmere bestemt kan .mengden av olje som føres inn i kjelen, bli endret med f.eks. 5%. Den resulterende endring i dampproduksjon S^måles, og marginalvirkningsgraden beregnes ved å ta forholdet mellom de to mengder. Dette bestemmer marginalvirkningsgraden for brennstoff nr. 1, og brennstoff 1 returneres deretter til sin opprinnelige innstilling. Så forstyrres brennstoff nr. 2, så som kull eller treflis. Måling av endring i tilført energi for endringen i energi ut gjøres for å få marginalvirkningsgraden for det andre brensel. ^^ti^tr^lTe^v-*-~feisemg-ang.små^tg:=n-&r*'l11, gg-øces~d:eTnre=^"^^^ £4g-. ctte-c hv-e-^-e^iJiii^g^r-^ampatrømni^tg-; Be-t-te—k-an—sicj-e-hver;

Etter beregning eller bestemmelse av marginalvirkningsgradene, benyttes disse når det er en endring i dampbehov for å beregne ydelsesindeksen. Noe forenklet kan det sies at dersom dampproduksjonen reduseres, vil dette gjøres med den minst effektive kjele,

og en økning i produksjonen gjøres med den mest effektive kjele.

Fig. 6 illustrerer optimaliseringsprosessen etter at brenselvirknings-graden er beregnet. Idet det spesielt vises til flytdiagrammet på fig. 6, spørres spørsmålet: er der en endring i dampbehov, og et ja-svar starter prosessen. Dersom det foreligger en minskning i dampbehov, vil høyre del av flytdiagrammet benyttes.. Når dampbehovet minskes, beregnes ydelsesindeks for hver kjele, og AWg dampproduksjon i kg pr. time beregnes for høyeste ydelsesindeks. Dersom AWg for den beste kjelen er tilstrekkelig til å møte reduk-sjonen, endres målet, og utgang foretas. Hvis ikke, beregnes AWg for nest beste ydelsesindeks inntil behovet er møtt.

Idet det henvises til ja-utgangen for dampbehovøkningsblokken, beregnes igjen AlP for hvert brensel og hver kjele, og AW sberegnes for beste ydelsesindeks for økning av dampbehov. Her gjentas de samme trinn på lignende måte som for dampreduksjon, for å møte det nye behov.

Som vist på fig. 8, er det på grunn av den relativt lange tid og regulariteten av dampstrømningen god tid for sjokktester, og dette tillater således styrealgoritmene å beregne på forhånd brensel-endringer når et nytt dampproduksjonsnivå fordres. Slik det er vist på fig. 9 med angivelsen metode nr. 2, imidlertid, kan sjokk-testene ikke gjøres på samme måte dersom dampbehovet forandrer seg ofte. Således benyttes flytdiagrammet på fig. 7 når likevekts-operasjon er av ekstremt kort varighet. Det som hovedsakelig gjøres er at forandringer i dampbehov i virkeligheten dekkes ved hjelp av variasjonsbrenselet (så som olje) til kjelene, og deretter endres hovedbrenselstrømmen for måling av dets marginalvirknings-grad mens variasjonsbrenselet reduseres for å opprettholde sam-dampproduksjon. Som det fremgår i detalj av^fig. 7, begynnes virkningsgradsberegningen ved å bestemme hvor vidt en endring i dampproduksjon er nødvendig. Hvis ja, endres variasjonsbrensel i for tilpassning til den nye dampproduksjon, og en marginal-virkningsgrad betegnet ni beregnes. Deretter endres hovedbe-lastningsbrenselet for kjelen, men siden dampen som angitt holdes konstant, måles marginalvirkningsgraden ved å benytte produktet av A variasjonbrensel og dets virkningsgrad som en indikasjon på den simulerte endring i dampstrømning på grunn av endring i hoved-brenselet.

Den sanoiie fremgangsmåte utføres for hver kjele i systemet. Deretter kan brenselstrømninger basert på disse virkningsgrader beregnes på samme måte som for metode nr. 1 i forbindelse med flytdiagrammet på fig. 6. Imidlertid vil dette naturligvis ikke skje som resultat av dampbehov, men gjøres uavhengig som indikert ved metode nr.2.

Selv om metodene nr. 1 og 2 på fig. 5 og 7 er benyttet for et dampdistribusjonssystem, kan de også benyttes for en turbingenerator. For et slikt system er virkningsgraden et forhold mellom A megawatt ydelse og A innløpsstrømning. Med andre ord, en endring i mengden av damp ekstrahert fra et enkelt trinn av en turbin vil endre damp-energitilførselen til generatoren. Endringer i elektrisk behov eller ekstraksjonsstrømning kan således mest effektivt møtes ved å velge de optimale reelltids-omkostningsendringer i strømningene til turbinen. Her er igjen en marginal reeltids-virkningsgradsbe-regning ønskelig fordi umålbare forstyrrelser i turbingenerator-systemet, f.eks. så som varme og friksjon, vil forårsake endringer i virkningsgradene fra tid til annen. Dertil må marginalvirkningsgraden for en turbingenerator også beregnes når kondensatet varieres.

Følgende eksempel vil angi fremgangsmåtene ifølge foreliggende oppfinnelse. Tilfellet omfatter to kjeler, PBl og PB2, hvor kjele 1 har olje som brensel, f-^, og kjele 2 også har olje som brensel angitt med f2«Videre la

For dette system er formålet å tilfredsstille dampbehovet ved minst mulig brenselomkostninger.

En enkel modell for den totale dampproduksjon for dette system er

hvor Ws= total dampprodusert (kg/t)

f^L = brenselolje til PB1 (kg/t)

f2= brenselolje til PB2 (kg/t)

Ydelsesindeksen for dette system må sette driftsomkostningene i forholdet til produktets verdi. Således,

hvor CQ = pris på brenselolje (#/kg)

Cg = pris på damp kjøpt utenifra (#/kg)

IP = ydelsesindeks (#/t)

Ligning 3 beskriver systemets evne til å produsere damp. For en endring i f1eller f2eller begge, vil modellen beregne tilsvarende endring i dampproduksjonen. Når en kjele endrer funksjonspunkt, vil også dens virkningsgradsparameter n endres. Således må ni og r|2 kontinuerlig ajourføres for at ligning 3 skal være meningsfylt.

Ligning (4) gir informasjon om driftsomkostningene. Det første

■ledd er naturligvis brenselprisen. Det andre ledd tvinger opti-maliseringen til å sikre at kjelene produserer den mengde damp som kreves av prosessen.

For å sette dette system ut i praksis, er det hensiktsmessig å benytte den marginale form av ligningene (3) og (4):

Ligning (5) beregner den marginale endring i dampproduksjon for en marginalendring i brensel. Ligning (6) beregner tilsvarende endring i driftsomkostninger.

Gitt ligningene (5) og (6), for hvilken kjele bør brensel økes eller minskes for en nødvendig endring i dampbehov?

Anta foreløpig at det er bestemt at alle belastningssvingninger, skal opptas av PB1. Derfor, siden PB2 opereres som en hoved-

I

belastet enhet, ^ 2 = ® \ til enhver tid. Ligningene (5) og (6) reduseres til

Ligning (5a) kan omskrives til Ved substitusjon av ligning (5b) i ligning (6a) gir

Ligning (7a) beregner endringen i driftsomkostninger som en funksjon av endringen i dampbehov dersom PB1 benyttes til å ta svingningene.

Gjør så samme analyse med PB2 som den eneste kjele som tillates å endre operasjonspunkt, og PBl drevet som hovedbelastet enhet.

For denne endring reduseres ligningene (5) og (6) til

Som tidligere kan ligning (5c) omskrives til

Ved substitusjon av ligning (5d) i ligning (6b) fås

Ligning (7b) beregner endring i driftsomkostninger som en funksjon av endring i dampbehov dersom PB2 benyttes som den eneste varia-sjonskjele.

Ta nå det tilfelle hvor virkningsgraden av PBl er større enn virkningsgraden av PB2, dvs. at

For denne situasjon er

Dvs., ydelsesindeksen for PBl har lavere verdi enn ydelsesindeksen for PB2. Sagt på en enklere måte: Ligning (7a) gir et tall som er mindre enn ligning (7b) gir. Således vil den marginale endring

i driftsomkostningene for systemet bli mindre dersom PBl er varia-sjonskjelen.

For en økning i dampbehov vil således PBl ta variasjonen (Af2=0) fordi marginalomkostningen ved øket dampproduksjon er billigst. For en minskning i dampbehov ville PB2 ta variasjonen (Af1=0) fordi marginalbesparelsen ved minsket dampproduksjon er størst.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en forbedret fremgangsmåte for integrert styring av kjelene og dampdistribusjonen

i masse- og papirindustrien.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for optimalisering av ydelsen av et multienhetskraftanlegg hvor hver av nevnte enheter har en tilført energi og en levert energi, karakterisert ved at den omfatter følgende trekk: endring av mengden av tilført energi for hver enhet; registrering av endringen i mengden av levert energi som resultat av nevnte endring i tilført energi for hver enhet; bestemmelse av en marginalomkostning for hver enhet ved å dividere omkostningen av endringen av tilført energi med endringen i levert energi; og velging av enheten med størst marginalomkostning som følge av en endring i behovet for levert energi med tilsvarende i endring av denne enhets tilførte energi.

2. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1^ for optimalisering av ydelsen av et multienhetskraftanlegg hvor hver av nevnte enheter har en tilført energi og en levert energi, karakterisert ved at det omfatter midler for endring av mengden av tilført energi for hver enhet; midler for registrering av endringen av mengden av levert energi som resultat av nevnte endring i tilført energi for hver enhet; midler for bestemmelse av en marginalomkostning for hver enhet; og midler for velging av den enhet som har størst marginalomkostning tilskynnet av en endring i behovet for levert energi med tilsvarende endring av denne enhets tilførte energi.