Исследование и формирование критериев управления ЖЦ ТЭС с использованием технологий информационного моделирования
advertisement
МИКРОЭКОНОМИКА Исследование и формирование критериев управления жизненным циклом тепловых электростанций с использованием технологий информационного моделирования Т.И. Слепкова, канд. эконом. наук, доцент, кафедра ОСУН, Национальный исследовательский московский государственный строительный университет (e-mail: slepkovaprofi@gmail.com) Г.А. Николаев, студент, Национальный исследовательский московский государственный строительный университет (e-mail: eg-niko@yandex.ru) Р.Д. Верховский, студент, Национальный исследовательский московский государственный строительный университет (e-mail roman.verhovskii@mail.ru) С.А. Михеев, студент, Национальный исследовательский московский государственный строительный университет (e-mail: mikheevs.sea@gmail.com) Аннотация. В статье представлены основные критерии управления жизненным циклом тепловых электростанций на стадии проектирования, строительства и эксплуатации, с учетом использования технологий информационного моделирования. Результаты анализа могут быть использованы в процессах разработки типовых проектов тепловых электростанций на стадии проектирования и строительства с применением технологий информационного моделирования. Abstract. The article presents the main criteria for managing the life cycle of thermal power plants at the design, construction and operation stages, taking into account the use of information modeling technologies. The results of the analysis can be used in the development of standard projects of thermal power plants at the design and construction stage using information modeling technologies. Ключевые слова: Управление жизненным циклом, тепловые электростанции, типовые объекты капитального строительства, цифровой двойник, системы «умной эксплуатации». Keywords: Life cycle management, thermal power plants, typical capital construction projects, digital twin, smart operation systems. Целью энергетической политики России является максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций. В настоящее время потребление электроэнергии в Единой энергосистеме России по итогам 2022 года увеличилось на 1,5% по сравнению с показателем за 2021 год и составило 1,11×109 кВт∙ч, говорится в материалах "Системного оператора" Единой энергосистемы (СО ЕЭС) РФ. Выработка электроэнергии в прошлом году составила 1,22×109 кВт∙ч. Согласно материалам оператора, снижение потребления отмечалось в двух объединенных энергосистемах страны - Средней Волги и Северо-Запада, в остальных пяти был зафиксирован рост. При этом наиболее значимый был отмечен в ОЭС Востока - на 3,8%. Показатель энергопотребления, приведенный по температуре, возрос в годовом выражении на 1,8%. Указанные объемы энергопотребления могут быть получены при использовании различных источников. Однако, наибольший вклад в выработку электроэнергии в стране, согласно данным за 2022 год составили тепловые электростанции (ТЭС) (с учетом электростанций промышленных предприятий), выработка составила 692,7 млрд кВт·ч электроэнергии, что занимает 63,5 % всей выработки электроэнергии в стране. Поддержание работоспособности и строительства новых ТЭС в России, продолжает оставаться на повестке дня, но требует изменения подходов при управлении жизненным циклом тепловых электростанций. Внедрение цифровых технологий и платформенных решений –это один из способов создания условий для трансформации энергетического комплекса России. При рассмотрении процессов управлении жизненным циклом тепловых электростанций принято выделять три основных стадии: проектирование, строительство и эксплуатация. Для каждой из перечисленных стадий следует выделить основные критерии, которые имеют значимое влияние на создание условий для использования технологий информационного моделирования. Процесс проектирования тепловых электростанций подразумевает под собой преимущественно разработку типового проекта здания или сооружения, который будет многократно применяться при строительстве. Это позволяет значительно сократить время на проектирование объекта, при этом используются проверенные и оптимальные экономически эффективные реше- Journal of Economy and entrepreneurship, Vol. 17, Nom. 4 1158 Т.И. Слепкова, Г.А. Николаев, Р.Д. Верховский, С.А. Михеев Исследование и формирование критериев управления жизненным циклом тепловых электростанций с использованием технологий информационного моделирования ния. Также применение типовых проектов за счёт накопления опыта их реализации позволяет в определенной степени сократить время строительства, наиболее рационально распределять ресурсы при строительстве. На данный момент в нашей стране использование типовых проектов предусматривается и регулируется законодательством, в частности статьей 48.2 Градостроительного Кодекса РФ (ГрК РФ), а также другими нормативными актами. Согласно этим документам, проектная документация, получившая положительное заключение государственной экспертизы, может быть признана типовой проектной документацией, а отдельное решение из неё (например, конструктивное) может быть признано типовым проектным решением. Большинство признанных типовыми проектов на данный момент – это документация на жилые и общественные здания. Среди них нет объектов ТЭС, что связано с их сложностью и рядом особенностей. При рассмотрении типовых решений главного корпуса ТЭС – здания, где непосредственно производится выработка электроэнергии, в отличии от проектов гражданских зданий, где проект отталкивается в первую очередь от объемно-планировочного решения, следует отталкиваться – от технологического решения. При этом значительный объём и сложность технологических решений вместе с необходимостью увязать их с другими разделами делает проектирование главного корпуса ТЭС трудной задачей. Вместе с тем, особенности площадки строительства и часто различное оборудование делают возможность создания типовых проектов ТЭС затруднительным. Типовые решения главного корпуса ТЭС, так называемая его компоновка, прежде всего будет зависеть от используемого оборудования и технологической структуры (блочная или нет). Под энергоблоком понимается почти автономная часть станции, представляющая собой технологический комплекс для производства электроэнергии, включающий различное оборудование. Оборудование же зависит от нескольких основных факторов: мощность, тип станции, тип установки, используемое топливо и его подача. При этом по указанным выше характеристикам можно выделить наиболее встречающиеся из построенных за последние десятки лет станции, так как есть множество повторяющихся или близких значений мощности, одних и тех же типов установок. И именно отвечающие этим характеристикам станции можно проектировать как типовые. Стоит отметить, что в истории были типовые проекты ТЭС, они основывались на определенном оборудовании, заданной мощности, и станция проектировалась из определенного количества энергоблоков с этим оборудованием. Отметим критерии для проектирования типовых универсальных проектов ТЭЦ-ЗИТТ («заводское изготовление, твердое топливо») и ТЭЦ-ЗИГМ («заводское изготовление, газомазутная»). Классическая станция с ПТУ (паротурбинной установкой) состоит из трёх отделений: машинного с турбоагрегатом, деаэраторной этажерки и котельного. При назначении котла или турбины технологи выдают строителям размеры строительной ячейки под это оборудование. В вышеуказанных проектах из таких ячеек составлялись энергоблоки (секции). Секции энергоблоков были составлены под разные виды турбин. Затем из этих секций можно было «собирать» ТЭЦ необходимой мощности. Этот подход к типовому проектированию можно эффективно реализовать при цифровом проектировании. Использование при проектировании цифровых технологий подразумевает под собой в первую очередь использование ТИМ (технологии информационного моделирования). Эта технология уже имеет обязательное применение на объектах государственного заказа. Итак, принимая во внимания все возможности программного обеспечения и описанные выше подходы к типовым решениям ТЭС сформулируем основные критерии наиболее эффективного цифрового типового проектирования теплоэлектростанций. Первый критерий очевидный, но важный – необходимо использовать программное обеспечение, позволяющее в одной общей модели совмещать модели разных разделов и подробно моделировать не только строительную и технологическую часть. Второй критерий – осуществление подхода проектирования по секциям, описанного выше. То есть, у модели каждого основного оборудования должны отображаться размеры его строительной ячейки, назначаемой технологами, все элементы модели, принадлежащие этой ячейке, должны идентифицироваться по этому признаку и иметь возможность совместного перемещения в составе ячейки. Такие ячейки будут составлять секцию, которая должна иметь такие же, как ячейка возможности. То есть типовыми выступают модели ячеек и секций, а сама станция уже может, состоя из них, иметь различные параметры. Третий критерий – обозначать определенным образом элементы (например, фундаменты), которые могут меняться в зависимости от условий конкретной площадки строительства и отображать возможность выбора другого варианта. Четвёртый критерий – каждый элемент должен иметь набор параметров, которые могут использоваться для организации строительства и смет, то есть для достижения 4D и 5D ТИМмодели (принадлежность к этапу строительства, определенному виду работ, место элемента в последовательности возведения здания). Экономика и предпринимательство, № 4, 2023 г. 1159 МИКРОЭКОНОМИКА Пятый критерий – необходимо производить моделирование в программах, которые дадут возможность использовать модель в дальнейшем как «каркас» «цифрового двойника», то есть такой цифровой копии объекта, которая позволит с помощью математического моделирования отслеживать в реальном времени все процессы, происходящие в здании. При соблюдении вышеперечисленных критериев на стадии проекта конечным продуктом станет типовой проект в форме ТИМмодели, работа с которым будет максимально автоматизирована, который будет тщательно проработан и вариативен. При рассмотрении процессов управлении жизненным циклом тепловых электростанций на стадии строительства, следует учитывать широкое использование новых технологий и материалов, которые позволяют достичь необходимого уровня качества и комфорта строящихся объектов, а также возможность повышения эффективности организации процесса строительства. Система организации считается эффективной, когда она способствует достижению заданных целей строительства объекта, в рамках установленных ограничений по времени, бюджету, качеству и с учетом неопределенности, используя доступные ресурсы, технологии, опыт и специализированные подходы и методы. Изучение работы субподрядных строительно-монтажных компаний отрасли позволило обнаружить распространенные недостатки в организации подготовки строительных проектов: - координация действий на разных административных уровнях в процессе подготовки строительства оставляет желать лучшего: организационно-техническая подготовка на верхних уровнях управления плохо согласована с организационно-технической подготовкой в строительных управлениях; - организационно-технические работы выполняются с задержками в выполнении и отклонениями от заявленного объема, при этом недостаточно высокое качество выполнения работ; - доставка проектной и сметной документации, разработка ППР с низким качеством, а также задержки в поставках материалов и конструкций для строительства происходят не вовремя; - отсутствие нормативно-технической базы по организационно-технической подготовке строительства, а также частое несоблюдение или недостаточное выполнение строительных нормативных актов, ведет к невыполнению комплекса организационно-технических работ; - отсутствие инструкций по управлению организационно-технической подготовкой (например, отсутствие рекомендаций по распределению подготовительных работ между подразделениями аппарата управления строительной организации), снижает эффективность ведения строительных работ. Однако, благодаря цифровой трансформации в строительной отрасли, возможно решить проблемы, связанные с недостаточной эффективностью. В соответствии с указом Президента РФ от 9 мая 2017 г. N 203 «О Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017 - 2030 годы», была принята государственная программа «Цифровая экономика Российской Федерации», которая направлена на использование цифровых технологий во всех сферах деятельности и решение проблем с помощью новейших разработок. В сфере строительства цифровизация представляет собой создание единой цифровой экосистемы, объединяющей все этапы жизненного цикла объектов капитального строительства. Целью такого подхода является снижение себестоимости готовой продукции и сокращение временных затрат, используя новейшие технологии и современные методы. Внедрение инновационных подходов позволит улучшить эффективность всех процессов, связанных со строительством, и обеспечит более качественный и быстрый результат. Внедрение цифровых технологий в производстве строительных работ происходит медленнее, чем в других отраслях, что может приводить к некоторым неудобствам. В некоторых случаях поставщики не предоставляют необходимые паспорта и сертификаты для грузов, принимаемых на строительной площадке. Работы, которые уже были выполнены, фиксируются в записных книжках, а задачи работникам выдаются по месту. Заполнение журналов работ и актов освидетельствования скрытых работ происходит вручную, что является трудоемким процессом. Исполнительная документация также создается вручную на разных этапах производства работ, что может привести к задержкам в передаче информации о проектных изменениях на бумажном носителе. Однако, цифровизация всех процессов на строительной площадке сможет решить данную проблему. Внедрение цифровых технологий в строительных процессах обладает огромным потенциалом в решении множества задач на стройке контроль за доставкой и хранением грузов, трекинг движения работников и техники, следящее наблюдение за сроками и качеством строительства, а также состояние диагностики машин и инженерного оборудования в данном случае на расстоянии. Результатом внедрения цифровых технологий может стать более эффективное и быстрое выполнение всех процессов на стройке, а также повышение качества работы и точности. Применение мобильных технологий позволяет эффективно решать ряд задач, объединяя заинтересованные стороны в работе над общими источниками информации. Независимо от местоположения, каждый может оставаться на связи и включенным в процесс, используя смартфоны и планшеты. Journal of Economy and entrepreneurship, Vol. 17, Nom. 4 1160 Т.И. Слепкова, Г.А. Николаев, Р.Д. Верховский, С.А. Михеев Исследование и формирование критериев управления жизненным циклом тепловых электростанций с использованием технологий информационного моделирования Важность использования современных цифровых технологий в организационнотехнологическом обеспечении строительства ТЭС подтверждается несколькими примерами: 1. Строительство немецкой ТЭС BergenEnkheim, которое было выполнено с применением цифровых технологий. Это позволило свести к минимуму число ошибок и ускорить весь процесс строительства на 10%. 2. Использование системы управления проектами и электронной документации при строительстве Камчатской ТЭС-2. Система позволила заказчику и исполнителю быстро и эффективно обмениваться информацией и снизить вероятность ошибок. 3. Внедрение систем контроля качества строительных работ при строительстве крупных ТЭС в Китае (например, китайской ТЭС LujiazuiPudong). Это позволило значительно увеличить надежность эксплуатируемого оборудования и снизить расходы на ремонтные работы. Таким образом, примеры эффективного использования цифровых технологий при строительстве ТЭС показывают их большую важность в организационно-технологическом обеспечении данного процесса. При рассмотрении процессов управлении жизненным циклом тепловых электростанций на стадии эксплуатации, следует обратить особенное внимание, что ТЭС – это комплекс технологических систем, которые имеют различные особенности и принципы управления. Котельное, турбинное, электротехническое и другое оборудование входят в состав этих систем. Важно отметить, что они взаимосвязаны друг с другом и их воздействия оказывают влияние на работу всей ТЭС. Для обеспечения надежности в доставке тепла и электричества потребителям и минимизации возможности аварий старое оборудование должно быть заменено на более эффективное. Внедрение «умных» автоматических систем управления, которые могут собирать и хранить большое количество данных (bigdata), имеет большое значение. Эти системы предоставляют актуальную или архивную информацию о текущем состоянии производственного объекта, что позволяет быстро реагировать на любые изменения, которые могут нарушить работу производственной линии. Опыт зарубежных компаний, использующих «умную электростанцию», включающую технологии цифровизации, полной автоматизации, мониторинга и оптимизации, показывает, что такие станции могут успешно решать сложные задачи и достигать значительных экономических и технических результатов, включая продление срока эффективного использования ТЭС. Интернет вещей (IoT) — это сеть объектов, которые могут обмениваться данными между собой без необходимости в человеческом вмешательстве. То есть, это сеть устройств, ко- торые могут взаимодействовать и передавать информацию друг другу, используя сеть Интернет. Промышленный интернет вещей (IIoT) включает в себя устройства, способные собирать данные соответствующего производственного оборудования, анализировать их и давать рекомендации по оптимизации работы. Для реализации этих технологий необходимы ключевые элементы: - Цифровой двойник — это виртуальная модель или копия реального объекта, системы или процесса, созданная с использованием данных сенсоров, Интернета вещей, искусственного интеллекта и других инструментов цифровой технологии. - Беспилотные авиационные системы, такие как дроны и беспилотные летательные аппараты (БПЛА), используют компьютерное зрение и искусственный интеллект для работы. - Робототехника применяется в различных сферах, включая производство, эксплуатацию и диагностику оборудования. К примеру, для проверки трубопроводных систем применяются роботы, которые перемещаются по газовой системе и с помощью датчиков измеряют толщину стенок и давление. Это позволяет снизить объем земляных работ, необходимых для проведения проверки. Цифровой двойник (ЦД) базируется на математических моделях физических процессов, которые используются для обработки данных от систем автоматизации и верифицированы. ЦД способен непрерывно собирать информацию о состоянии объекта, что ранее требовало обширного технического анализа. Однако, помимо оценки текущего состояния оборудования, ЦД способен прогнозировать изменения во времени и оценивать их влияние на эффективность работы станции. Цифровой двойник функционирует следующим образом: физические датчики, установленные на оборудовании, передают свои данные через штатную систему автоматизации в цифровой двойник, который может быть создан в виде промышленного контроллера или сервера. Математическая модель цифрового двойника вычисляет недостающие значения физических параметров процесса на основе полученных данных с помощью онлайн-расчета. Оператор может использовать эти данные для вычисления технико-экономических показателей, диагностики дефектов и прогнозирования динамики, представленной в виде виртуальных датчиков, на основе математической модели процесса. Для поддержания актуальности, математическая модель периодически подвергается калибровке, которая гарантирует точность данных оборудования и используется в качестве эталона для обнаружения отклонений на ранних стадиях. Прогноз строится на основе выявленных диагностических критериев, анализирующих рост отклонений. Экономика и предпринимательство, № 4, 2023 г. 1161 МИКРОЭКОНОМИКА Энергетический блок работает в сложной системе, для моделирования которой используются CAE-модели, преобразуемые в ROMмодели и интегрируемые в единую системную модель. Цифровой двойник основан на платформе IIoT, которая обеспечивает создание пользовательских приложений и человеко-машинных интерфейсов, а также интегрирует датчики, контроллеры, АСУ ТП, ПЛК и другие системы. Система поддержки персонала (СПП), основанная на дополненной реальности, помогает оперативному и сервисному персоналу, предоставляя интерактивные инструкции для эталонных ремонтных операций. При необходимости удаленный ассистент может быть подключен через систему. С помощью цифровых двойников энергетического сектора можно решить не только технические проблемы, связанные с оптимизацией распределения нагрузки, но и экономические проблемы. Например, можно определить оптимальные режимы функционирования ТЭС с учетом маржинальной прибыли, проводить оптимизацию расхода топлива, а также оценивать инвестиционные затраты на техническое обновление и ремонт оборудования. Это решение позволяет найти оптимальные режимы работы ТЭС, которые удовлетворят заданные условия и технологические ограничения, и обеспечат максимальную маржинальную прибыль. Представители компании "Siemens Gas Turbine Technologies" сообщили, что благодаря внедрению подобных методик, срок эксплуатации электростанций увеличился на 30%, а затраты на обслуживание снизились на 13%. Аварийные ситуации сократились на 80%, а вмешательство оператора в работу системы уменьшилось примерно на 80%. Цифровизация позволяет генерирующим компаниям управлять жизненным циклом активов дистанционно и в режиме реального времени, что увеличивает их продолжительность и производительность. Перечисленные критерии создают условия для перехода на новый уровень управления жизненным циклом тепловых электростанций на стадии проектирования, строительства и эксплуатации – уровень «умной электростанции» – необходимо не только создание и внедрение информационных систем в технологических процессах ТЭС и других энергетических предприятий, но и соответствующее нормативно правовое обеспечение. Должна быть проведена разработка и актуализация необходимых положений энергетической политики в генерирующем секторе энергетики в увязки со строительным сектором и нормативно-технических и других регламентирующих документов и актов, включая экологические, надежностные и др. требования. Библиографический список: 1. "Градостроительный кодекс Российской Федерации" от 29.12.2004 N 190-ФЗ (ред. от 29.12.2022) ГрК РФ Статья 48.2. Типовая проектная документация. — [Электронный ресурс] // КонсультантПлюс : URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_ LAW_51040/abe37516694863321cbacbb22c2a5aba5400 6a4e/ (дата обращения: 25.02.2023). 2. Казанцева В. М., Спивак Е. Г. Оперативное планирование и управление объектами электроэнергетики при цифровизации отрасли [Текст]// Электротехнические и энергосберегающие системы. – 2020. – № 5. – С. 36-44. 3. Кравченко В. Н., Терехин М. Н., Зиневич Л. Н. Цифровые технологии в строительстве ТЭС и проблемы их внедрения [Текст] // Надежность и безопасность: бизнес, образование, государство. – 2021. – Т. 9. – № 2. – С. 112-121. 4. Купцов И.П., Иоффе Ю.Р..Проектирование и строительство тепловых электростанций. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — С. 42. — 408 с. 5. «О Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы». Указ Президента РФ № 203. Собрание законодательства Российской Федерации, № 20. 2017. 2901 с. 6. О цифровой трансформации энергетической отрасли. [Электронный ресурс] // Cyberleninka: URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-tsifrovoytransformatsii-energeticheskoy-otrasli/viewer (дата обращения: 27.03.2023). 7. Оптимизация режимов работы ТЭС, ТЭЦ, ПГУ, ГТУ - создание цифровых двойников. — [Электронный ресурс] // НБИ : — URL: https://nbiservice.ru/energy/sozdanie-cifrovihdvoinikov/?ysclid=led9cy09tp27609887 (дата обращения: 27.03.2023). 8. Отчет о функционировании ЕЭС России в 2021 году. — [Электронный ресурс] // Системный оператор единой энергетической системы : URL: https://www.soups.ru/fileadmin/files/company/reports/disclosure/2022/ups _rep2021.pdf (дата обращения: 25.02.2023). 9. Савченко В. А. Применение цифровых технологий в строительстве ТЭС: задачи и перспективы [Текст] // Инновационные технологии в промышленности. – 2020. – Т. 8. – № 1. – С. 20-25. 10. Строительство тепловых электростанций. Том 1. Проектные решения тепловых электростанций [Текст]: Учебник для вузов /Под ред. проф. В.И. Теличенко. – М.: Изд-во АСВ, 2010. – 376 стр. 11. «Умные электростанции» – цифровое будущее энергетики.// Энергетическая политика [Электронный ресурс] URL: https://energypolicy.ru/umnyeelektrostanczii%E2%80%AF-czifrovoe-budushheeenergetiki/energoperehod/2021/17/13/ (дата обращения: 27.03.2023). 12. Шеломенцев В. И. Развитие строительства ТЭС в условиях цифровой трансформации энергетической отрасли [Текст] // Промышленная экология и безопасность. – 2019. – № 6. – С. 26-31. 13. Цифровизация: от концепции – к практическим решениям. [Электронный ресурс] // Энергетика и промышленность России: URL: https://www.eprussia.ru/epr/341/6092313.htm?ysclid=ledbt hce981804546 (дата обращения: 27.03.2023). Journal of Economy and entrepreneurship, Vol. 17, Nom. 4 1162
