Zastosowanie uzgadniania bilansów energii i substancji do racjonalizacji-KalinaSkorekOPE1, Sci ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Zastosowanie uzgadniania bilansów energii i substancji do racjonalizacji
gospodarki energetycznej w zakladzie przemyslowym
Janusz Skorek, Jacek Kalina
Zaklad Termodynamiki i Energetyki Gazowej, Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Slaska w Gliwicach
Józef Hasse
Zaklady Papiernicze w Krapkowicach S.A.
Streszczenie : Do prowadzenie racjonalnej gospodarki nosnikami energii i surowcami w
zakladzie przemyslowym konieczne jest posiadanie wiarygodnych danych dotyczacych
wielkosci ich produkcji i zuzycia przez poszczególnych odbiorców. Z powodu niedokladnosci
urzadzen pomiarowych bilanse energii i substancji czesto nie domykaja sie. W takim przypadku
konieczne jest wewnetrzne zbilansowanie podazy i zuzycia danego nosnika w celu zamkniecia
bilansu i ustalenia odpowiedniej struktury obciazenia kosztami. W pracy przedstawiono
mozliwosc zastosowania metody uzgadniania w oparciu o rachunek wyrównawczy do
okreslania najbardziej wiarygodnego zuzycia nosników energii w zakladzie przemyslowym.
Omówione zostaly podstawowe zalozenia algorytmu obliczeniowego. Przedstawiono efekty
wdrozenia opracowanej metodyki w Zakladach Papierniczych w Krapkowicach S.A.
1.
Wstep
Do prowadzenia racjonalnej gospodarki energetycznej w zakladzie przemyslowym
niezbedne sa w miare dokladne informacje o zuzyciu nosników energii (energia elektryczna,
para wodna, goraca woda, paliwa) i surowców. Informacje te sa konieczne do przepro-
wadzania oceny stanu gospodarki energetycznej w zakladzie oraz do podejmowania decyzji o
ewentualnych zabiegach modernizacyjnych i organizacyjnych majacych na celu poprawe
stanu gospodarki energetycznej, a co za tym idzie zmniejszenie kosztów wytwarzania.
Praktyka przemyslowa pokazuje, ze uzyskanie przez poszczególnych odbiorców
dokladnych danych o zuzyciu nosników energii moze byc trudne. Bardzo czesto na przyklad
suma zuzycia danego nosnika energii u wszystkich odbiorców koncowych rózni sie (nawet
znacznie) od zuzycia zmierzonego po stronie dostawcy (wewnetrznego lub zewnetrznego.
Konieczne w takim przypadku jest wewnetrzne zbilansowanie zuzycia danego nosnika (z
czym wiaze sie problem odpowiedniego rozlozenia kosztów za zuzyta energie), co wymaga
zastosowania odpowiedniej procedury korekcyjnej. Najczesciej dochodzi do kompromiso-
wych ustalen pomiedzy dostawca i odbiorcami opierajac sie przy tym na przeslankach które
niekoniecznie musza miec charakter obiektywny. W efekcie koncowym bilans rozliczen
wewnetrznych zostaje domkniety, ale poszczególne strony porozumienia wcale nie musza
pozostac przekonane o slusznosci koncowych ustalen. Przekonanie takie moze w efekcie
koncowym prowadzic do sytuacji, w której odbiorcy koncowi niezbyt chetnie podejmuja
dzialania prowadzace do zmniejszenia zuzycia energii (chociazby tylko poprzez zastosowanie
dokladniejszych urzadzen pomiarowych), wychodza z zalozenia ze ewentualne rzeczywiscie
uzyskane oszczednosci zostana rozmyte w procesie wewnetrznego bilansowania.
Racjonalizacja gospodarki energetycznej i zmniejszenie kosztów wytwarzania poprzez
dyscyplinowanie zuzycia energii jest w takiej sytuacji zazwyczaj mozliwa, ale wymaga to
posiadania przez wszystkich odbiorców i uzytkowników energii mozliwie dokladnych danych
o podazy i zuzyciu i to zarówno w danej chwili jak i w okreslonych przedzialach czasu
(zmiana, dzien, miesiac itd.). Dane te powinny opierac sie o przeslanki merytoryczne z
zastosowaniem metody akceptowanej przez wszystkie strony.
Zagadnienie jak najbardziej wiarygodnego wyznaczania zuzycia nosników moze byc w
praktyce dosc skomplikowanym problemem. Wplywa na to kilka czynników z których
najwazniejsze to:
- system pomiarowy o róznym stopniu dokladnosci poszczególnych pomiarów,
- bledy wynikajace z transmisji i przetwarzania danych pomiarowych,
- wykorzystywanie wyników pomiarów zarówno bezposrednich jak i posrednich,
- rózna czestotliwosc dokonywania pomiarów.
Prowadzenie dokladnych rozliczen wymaga opomiarowania i monitorowania zuzycia energii.
Podstawowym problemem jest tu odpowiednia liczba zainstalowanych urzadzen
pomiarowych i ich dokladnosc. Dokladnosc pomiaru jest funkcja zlozonosci danego pomiaru,
zastosowanej techniki pomiarowej, klasy przyrzadów pomiarowych, jakosc systemów
transmisji danych i ich obróbki cyfrowej itp. Na dokladnosc pomiarów wplywaja równiez
chwilowe lub dlugotrwale zaklócenia w pracy przyrzadów pomiarowych.
W kazdym przypadku do wyznaczenia poszukiwanych wielkosci energetycznych
wykorzystuje sie prawie zawsze wielkosci niedokladne: wyniki pomiarów przeplywów
nosników i ich parametrów, wskazniki eksploatacyjne urzadzen itp. Wartosci te sa czasami
obarczone bardzo duzymi bledami wynikajacymi z klasy aparatury pomiarowej czy zmiany
charakterystyki pracy urzadzen w wyniku uplywu czasu. W wielu przypadkach jest mozliwe
zwiekszenie dokladnosci wyznaczenia poszukiwanych wielkosci o ile wykorzysta sie
wszystkie dostepne zródla informacji o procesie. Przy okreslaniu zuzycia nosników energii
tym dodatkowym (oprócz pomiarów) zródlem informacji sa zazwyczaj równania bilansu
energii i substancji. Mozna wtedy doprowadzic do sytuacji, gdy dysponuje sie nadmiarem
informacji o procesie, chociaz sa to w wiekszosci informacje niepewne – obarczone
wiekszymi lub mniejszymi bledami. Fakt wystepowania nadmiaru informacji pozwala jednak
na znalezienie bardziej wiarygodnych wartosci zarówno poszukiwanych wielkosci jak i tych
zmierzonych. Zagadnienie wyznaczania najbardziej wiarygodnych ocen poszukiwanych
wielkosci w sensie przyjetego z góry kryterium jakosci nosi nazwe
uzgadniania
[1], [4]. Do
najbardziej znanych i najbardziej efektywnych metod uzgadniania
nalezy rachunek
wyrównawczy
[1]. Uzgadnianie prowadzone za pomoca rachunku wyrównawczego moze sluzyc
do realizacji nastepujacych celów:
- wyznaczenie najbardziej prawdopodobnych wartosci wielkosci niewiadomych,
- poprawa dokladnosci wielkosci mierzonych,
- kontrola dotrzymania zalozonej dokladnosci pomiarów i zalozen modelu.
Opracowano algorytm matematyczny uzgadniania bilansów energii i substancji w zakladzie
przemyslowym w celu okreslenia najbardziej wiarygodnych wartosci produkcji (lub dostawy)
i zuzycia danych nosników energii. Na bazie algorytmu stworzono pakiet komputerowy,
który umozliwia prowadzenie obliczen uzgadniajacych i wyprowadzania odpowiednio
zredagowanych raportów z wynikami uzgadniania.
Opracowana metodyke wdrozono do praktyki w Zakladach Papierniczych w
Krapkowicach S.A. co pozwolilo w krótkim okresie czasu uzyskac pozytywne efekty w
postaci zmniejszenia jednostkowego zuzycia energii i jednostkowych kosztów wytwarzania.
2.
Zalozenia algorytmu obliczeniowego
Uzgadnianie prowadzone za pomoca rachunku wyrównawczego dotyczy dwóch rodzajów
wielkosci: niewiadomych (nie podlegajacych pomiarom) oraz mierzonych. Wielkosci te sa ze
soba powiazane ównaniami modelu matematycznego tzw. równaniami warunków. W
rozpatrywanym przypadku równania warunków dotycza równan bilansów energii oraz
substancji sporzadzonych dla róznych elementów analizowanego ukladu. Elementami tymi
moga byc miedzy innymi:
- urzadzenia energetyczne i technologiczne (np. kociol, stacja redukcyjno-schladzajaca, silnik
elektryczny, turbina, pompa, maszyna papiernicza itp.),
- wezly energetyczne i technologiczne (np. kolektory parowe, punkty rozgalezienia sieci
elektrycznej, parowej lub wodnej),
- obiekty przemyslowe (np. kotlownia, wydzial technologiczny, caly zaklad).
Dla odcinka czasu ? ? równanie bilansu energii lub substancji ma nastepujaca ogólna postac:
?
I
?
J
?
K
Z
?
Z
?
?
Z
(1)
d
,
i
w
,
j
u
k
i
?
1
?
1
k
?
1
? oznacza ilosc zakumulowana w
ukladzie. Jezeli przyjac, ze w rozpatrywanym odcinku czasu parametry bilansowanego ukladu
nie zmieniaja sie (lub zmieniaja sie niewiele) to mozna pominac akumulacje w ukladzie.
Bilansowanymi wielkosciami moga byc np. strumienie pary, wody, strumienie entalpii
czynników, produkowana lub zuzywana energia elektryczna, straty ciepla, lub czynników itd.
Jak juz wspomniano wielkosci
Z
d,i
oraz
Z
w,j
moga byc wyznaczane z pomiarów
(wielkosci mierzone) lub byc wielkosciami poszukiwanymi (wielkosci niewiadome). W
zwiazku z tym równania bilansowe zawieraja wielkosci które sa poszukiwane (wielkosci
niewiadome), wielkosci znane z pomiarów (wielkosci mierzone) oraz stale parametry i inne
W zwiazku z tym kazde równanie bilansowe mozna zapisac w nastepujacej ogólnej postaci:
Z
u
,
k
f
k
(
1
,
x
2
.....
x
,
1
,
y
2
.....
y
n
,
c
)
?
0
;
k
?
1
,.
...
(2)
Równanie (2) zawiera
s
wielkosci mierzonych
x
i
,
n
wielkosci niewiadomych
(poszukiwanych)
y
j
a takze stale wspólczynniki
c
k
. Dokladne wartosci zarówno wielkosci
niewiadomych, jak i wielkosci mierzonych sa nieznane. Znane sa natomiast wyniki pomiarów
x
i
0
obarczone bledami
V
x
oraz przyblizone wartosci niewiadomych
y
j
0
(wyznaczone np. w oparciu o
dowolnie wybrane równania ukladu (2)). Mozna tez w sposób przyblizony oszacowac bledy
niewiadomych
V
y
(w najgorszym przypadku przyjmujac bardzo duze wartosci). Do celów
obliczeniowych równanie (2) nalezy przeksztalcic do postaci liniowej. Ostatecznie otrzymuje sie
uklad równan liniowych o nastepujacej postaci macierzowej:
A
x
+
B
y
+
c
=
0
(3)
Jesli do równania (3) podstawi sie wyniki pomiarów
x
0
oraz oszacowane wielkosci
niewiadome
y
0
to zazwyczaj równanie to nie jest spelnione:
,
j
gdzie
Z
d,i
,
Z
w,i
oznacza ilosc energii lub substancji doprowadzona do ukladu (lub wyprodu-
kowana w ukladzie) i wyprowadzona z ukladu, a
r
x
y
xA
0
yB+
0
w=c+
(4)
gdzie
w
jest niezgodnoscia równania bilansowego.
Postawione zadanie polega na wyznaczeniu za pomoca rachunku wyrównawczego najbardziej
wiarygodnych wielkosci mierzonych
~
i niewiadomych
~
:
=
~
x
x
0
?
?
~
(5)
=
~
y
y
0
?
?
~
?
oznaczaja poprawki wyników pomiarów i oszacowanych wstepnie wielkosci
niewiadomych. Po wyznaczeniu poprawki musza spelniac równania bilansowe (3), tzn.:
A
x
0
+
?
x
)
?
B
(
y
0
?
?
y
)
=c+
A
~
?
B
~
0=c+
(6)
Do wyznaczenia optymalnych poprawek wielkosci mierzonych d
x
i wielkosci niewiadomych d
y
zastosowano rozszerzona wersje algorytmu uzgadniania [2], [5]. Mozna bowiem [2], ze algorytm
rozszerzony daje bardziej dokladne wyniki anizeli wersja klasyczna algorytmu chociaz wymaga
pewnej ostroznosci w szacowaniu bledów wielkosci niewiadomych
V
y
( w metodzie klasycznej
przyjmuje sie, ze bledy wielkosci niewiadomych przed uzgadnianiem sa nieskonczenie wielkie).
Przy zastosowaniu rozszerzonej wersji rachunku wyrównawczego optymalne poprawki
wyników pomiarów
x
?
oraz wielkosci niewiadomych
y
?
musza oprócz równania
(6)
spelniac
nastepujacy warunek [2], [4]:
?
x
T
V
?
x
+
?
y
T
V
?
y
?
min
(7)
x
y
gdzie
V
x
oznacza blad wyniku pomiaru a
V
y
to oszacowane wstepnie bledy wielkosci
niewiadomych. Nalezy przy tym zaznaczyc, ze w przypadku uogólnionej metody rachunku
wyrównawczego warunkiem wystarczajacym dla przeprowadzenia uzgadniania (tzn.
warunkiem wystapienia nadmiary informacji) jest to, aby laczna liczba wielkosci
uzgadnianych byla wieksza od liczby równan bilansowych:
n
?
s
?
r
(8)
W wyniku rozwiazania problemu optymalizacyjnego (6) i
(7)
otrzymuje sie odpowiednie
zaleznosci okreslajace uzgodnione wartosci wyników pomiarów
~
oraz wielkosci
niewiadomych
~
[2], [4]. Istotna praktyczna zaleta algorytmu uzgadniania za pomoca rachunku
wyrównawczego jest to, ze wyznaczane sa takze bledy wyznaczonych wielkosci po uzgodnieniu.
Dzieki temu znana jest miara niepewnosci rezultatów uzgadniania.
3.
Program komputerowy do uzgadniania bilansów energii i substancji
Przedstawiony algorytm wykorzystano do opracowania pakietu komputerowego. Zasadniczym
celem dzialania programu jest uzgadnianie bilansów podstawowych nosników energetycznych w
zakladzie przemyslowym, tzn. energii elektrycznej, pary wytwarzanej w kotlach oraz wody wraz
ze sciekami. Zasadnicza czesc obliczeniowa programu ma charakter jak najbardziej ogólny:
formulowanie równan bilansowych, uzgadnianie, wyprowadzanie wyników. Pozostala czesc
programu, tzn. rodzaj i postac wprowadzanych danych oraz postac wyprowadzania wyników jest
x
y
gdzie
x
?
oraz
y
(
x
y
dopasowywana do konkretnych potrzeb uzytkownika i do istniejacego w danym zakladzie
systemu zbierania, przetwarzania i przechowywania informacji pomiarowych.
Dzialanie programu opiera sie o wskazania systemu pomiarowego. W obliczeniach
wykorzystywane sa biezace odczyty przeplywów energii elektrycznej, pary, wody oraz
temperatur i cisnien. Struktura programu narzucona jest w pewnej mierze przez budowe
ukladu pomiarowego, liczbe punktów pomiarowych i format istniejacych baz danych
przechowujacych odczyty z pomiarów. Program moze byc z latwoscia dostosowywany do
zmian w istniejacym systemie pomiarowym (np. dodawanie i odejmowanie punktów
pomiarowych. Obliczenia bazuja na wartosciach pomiarów wprowadzanych do baz danych
dBbase w zadanych odstepach czasu
Obliczenia bilansowe prowadzone sa w oparciu o trzy glówne moduly:
- preprocesor: pobranie i wstepna obróbka informacji z baz danych dBase,
- procesor: glówny modul obliczeniowy. Stanowi podstawowy czlon programu
zarzadzajacy jego dzialaniem i prowadzacy obliczenia bilansowe.
- postprocesor: modul do obróbki wyników generowania raportów. Raporty tworzone sa w
postaci plików tekstowych oraz w postaci plików arkusza kalkulacyjnego Excel.
Po dokonaniu wyboru uzgadnianej wielkosci najwazniejszym etapem jest zdefiniowanie
modelu bilansowego Zakladu. Polega to na okresleniu ukladu równan bilansowych dla
poszczególnych obiektów energetycznych i ich elementów dzialajacych w Zakladzie.
Zdefiniowany tutaj uklad równan w kolejnych etapach dzialania programu jest rozwiazywany
i uzgadniany w efekcie czego otrzymujemy zarówno uzgodnione wartosci wielkosci
niewiadomych jak i uzgodnione wartosci wielkosci mierzonych. Raz zdefiniowany model
matematyczny wraz ze wszystkimi równaniami bilansowymi pozostaje w postaci
niezmienionej przy kazdorazowym uruchomieniu programu. Definiowanie modelu odbywa
sie w kilku etapach:
a) okreslenie wielkosci mierzonych - punktów pomiarowych
b) okreslenie wielkosci niewiadomych
c) okreslenie bledów wielkosci mierzonych i niewiadomych
d) ulozenie ukladu równan bilansowych
Bledy pomiaru wielkosci mierzonych oraz szacowane bledy wielkosci poszukiwanych sa
bardzo waznym elementem w procesie uzgadniania bilansów substancji i energii. Stanowia
one swoistego rodzaju wagi wedlug których okresla sie wiarygodnosc wielkosci mierzonych.
W procesie uzgadniania pomiary o mniejszej wartosci bledu poddawane sa mniejszym
korektom. Analogicznie pomiary obarczone duzym bledem traktowane sa jako bardziej
niepewne i przez to moga podlegac wiekszym korektom w procesie uzgadniania. Wynikiem
procesu uzgadniania bilansu energii jest zestaw najbardziej wiarygodnych wartosci wielkosci
mierzonych i poszukiwanych w danym cyklu pomiarowym. Miara niepewnosci
(wiarygodnosci) uzgodnionych ocen sa obliczone wartosci bledów tych ocen.
Bilanse tworzone sa w programie obliczeniowym dla skonczonych odcinków czasu.
Maksymalny okres czasu ograniczony jest liczba rekordów w bazie danych. W analizowanym
przypadku wynosi on jeden rok. W przypadku wykrycia bledów w obliczeniach (np. w czasie
analizy raportu) program wstrzymuje dzialanie, co pozwala na poprawienie danych
wejsciowych i skorygowanie bilansu.
W wyniku dzialania tej czesci programu uzyskuje sie uzgodnione wartosci pomiarów i
wielkosci szukanych wraz z uzgodnionymi bledami pomiaru. Przed uruchomieniem obliczen
uzytkownik ma jednak mozliwosc skontrolowania wczytanych danych.
Program zawiera takze narzedzia do tworzenia raportów z obliczen w postaci plików
tekstowych oraz raportów w formacie skoroszytów arkusza kalkulacyjnego EXCEL.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]