10.03.2025 Энергетика и промышленность России
Цифровые двойники — уникальное явление: о них много говорится на разных площадках, но не все до конца понимают, что представляет собой эта технология и чем она может быть полезна энергетикам. Главный редактор «ЭПР» Валерий Пресняков задал эти и другие вопросы в рамках проекта «Открытое интервью» доценту Высшей школы атомной и тепловой энергетики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Ирине Аникиной.
Виртуальный помощник
— Что сегодня подразумевается под термином «цифровой двойник»?
— Согласно ГОСТу, цифровой двойник представляет собой систему, состоящую из цифровой модели и двусторонних информационных связей с объектом, который мы изучаем, исследуем, моделируем. Первый в мире ГОСТ Р 57700.37-2021 на цифровые двойники был разработан в России, одним из ключевых разработчиков данного ГОСТ является наш коллега Боровков Алексей Иванович.
Я занимаюсь созданием цифровых двойников ТЭЦ и буду говорить преимущественно об этом направлении. Приведу пример цифрового двойника для эксплуатирующейся ТЭЦ: на действующей станции установлена двусторонняя связь с цифровой моделью, т.е. приборы АСУ ТП могут передавать данные в режиме реального времени или с задержкой в цифровую модель, где они являются входными для расчетов, используются для оценки технического состояния оборудования, мониторинга и т.д., а дальше наша модель выдает какие-то рекомендации или управляющие воздействия на ТЭЦ. Если какие-то сигналы выходят за пределы уставных или контрольных значений, модель выдает рекомендации для решения проблемы, связанной, допустим, с пережогами. В теории возможно и управляющее воздействие на оборудование.
— Как происходит взаимодействие сотрудника станции с цифровым двойником?
— При помощи веб-технологий: оператор или диспетчер открывает браузер, заходит под своей учетной записью и видит картинку с упрощенной схемой, где показано сравнение расчетов нашего двойника с параметрами АСУ ТП, отражены ключевые технико-экономические показатели, режимы работы оборудования и рекомендации. При необходимости можно посмотреть в графическом или табличном виде, как менялся конкретный параметр, как объект работает в данный момент, как будет работать в каких-то сценарных условиях, как будут меняться характеристики оборудования.
— Какие задачи цифровой двойник может помочь решить ТЭЦ?
— Рациональный расход топлива и повышение энергоэффективности, безусловно, важны, но будем откровенны: зачастую на первый план выходит маржинальный доход, а получить его можно не только за счет экономии топлива. Так, в режимах технологического минимума, например, в ночной период, экономия топлива не принесет значимый денежный эффект. Если для компании этот аспект в приоритете, можно собирать данные по трейдингу: по различным секторам рынка, топливу, ценам и анализировать, как они будут влиять на маржинальный доход. Цифровой двойник можно также использовать для оптимизации графиков ремонта, и в этом случае ключевым критерием будет являться надежность.
Надо учитывать, что это рекомендательный механизм. Мы не можем проверить, какие решения принимает генерирующая компания на основании полученной информации. Нередко видим, что на станциях хорошо ведут режимы, а за счет чего — опыта оператора или действий, совершенных им после рекомендаций от нашей системы, мы не знаем.
Не каждый двойник является таковым
— Как широко сегодня используются цифровые двойники в России?
— В лучшем случае, на 10% генерирующих объектов. При этом практически каждая генерирующая компания заявляет об использовании цифрового двойника, но не уточняет, что он собой представляет, либо описывает какие-то математические параметры. Подчеркну: если цифровой двойник не соответствует ГОСТ и если цифровая модель не валидирована или под этим термином подразумеваются модели, которые состоят из каких-то оцифрованных нормативных характеристик, это не двойник, а некая математическая модель.
В цифровой двойник должно обязательно входить физическое моделирование (для крупных систем поэлементное моделирование). Например, мы изображаем турбину не одним элементом, а смотрим по ступеням, как происходит процесс расширения, каковы регулируемые и нерегулирумые отборы, другие параметры, учитываем деградацию в оборудовании.
Возможностей много
— В чем инновационность разработанного Политехом подхода для автоматического определения энергетических характеристик оборудования ТЭЦ?
— Совместно с ИТ-компанией НЕМО мы сделали цифровые двойники для десяти теплоэлектроцентралей ПАО «ТГК-1», которые отличаются состоянием и составом оборудования — там есть и ПГУ, и паротурбинные установки, схемы с поперечными связями и блочные станции.
Для ТГК-1 была важна функция по считыванию фактических энергохарактеристик в любой момент времени и возможность их динамического построения онлайн, т.е. мы от статических нормативов перешли к динамическому моделированию характеристик. Предложенная нами модель в автоматическом режиме изменяет свое состояние в соответствии с состоянием текущего оборудования. Мы называем это перепараметризацией. Сигналы АСУ ТП, поступающие онлайн, являются входными для модели, и она осуществляет мониторинг текущего состояния станции, отображает деградацию, происходящую в определенных узлах. Мы используем эту модель для построения фактических энергохарактеристик станций путем проведения многосерийных расчетов.
В результате энергетики могут сравнить нормативные характеристики станции с текущими, а они, как показывает наш опыт, всегда отличаются. ТГК-1 использует эти результаты, в том числе для подачи оптимальных заявок на оптовом рынке электроэнергии и мощности и для определения фактических показателей работы станции. Кроме того, производится достоверная оценка состояния оборудования, сравнение с нормативным состоянием. Заказчик видит, сколько денег теряет из-за пережогов топлива и т.д.
Применение методов динамического моделирования характеристик энергооборудования с использованием цифровых двойников ТЭЦ является новым в современной энергетике и позволяет уйти от ошибок использования статичной нормативно-технической документации.Актуальные характеристики, построенные с использованием цифровых двойников, учитывают динамику изменения и фактическое состояние характеристик оборудования ТЭЦ.
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого и ООО «НЕМО» в своих информационных системах реализовали алгоритмы динамической актуализации энергетических характеристик.
Можно анализировать в целом, что происходит с оборудованием: когда его нужно выводить в ремонт, когда чистить, например, подогреватели. К слову, задача с оптимизацией графиков ремонтов интересная и перспективная. Пока эта задача решена частично. Планируем заняться ей в этом году. Наша цель — сделать так, чтобы система давала гибкие рекомендации по выводу в ремонт с учетом простоя оборудования, стоимости ремонта, работы других генерирующих компаний на ОРЭМ и т.д.
Алгоритм динамического цифрового моделирования энергетических характеристик: Nmin и Nmax — технологический минимум и максимум ПТУ соответственно, Qmin и Qmax — минимальный и максимальный теплоотпуск соответственный.
Рисунок из статьи «От статических нормативов к динамическому цифровому моделированию характеристик» И.Д. Аникиной, к.т.н., доцента ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», и А.А. Гурьянова, главного теплотехника ООО «НЕМО».
— Позволят ли цифровые двойники перейти к ремонту оборудования по состоянию?
— Конечно. Это актуальнейшая задача, но важно, чтобы она поддерживалась на уровне Минэнерго. То есть чтобы компании понимали, что могут использовать цифровые двойники для определения фактических характеристик оборудования и на основании них определять необходимость плановых мероприятий. Вопрос в том, какая генерирующая компания реализует эту идею первой? И будут ли принимать эти характеристики на уровне Минэнерго? Сейчас станции вынуждены делать поверку нормативов раз в пять лет и отчитываться по ним, использование цифровых двойников способно привести к динамическому определению фактических характеристик. Использование же нормативов вместо фактических характеристик приводит к множеству ошибок, связанных с изменением состояния оборудования (статичность характеристик), некачественным проведением испытаний, невозможностью расчета некоторых режимов с изменением тепловых схем, некорректным определением граничных условий работы (технологический минимум) в различных режимах.
Прогноз оптимистичный
— Готовы ли сотрудники энергопредприятий использовать цифровые модели?
— Недавно я посещала разные ТЭЦ, в основном, производственно-технические отделы, и увидела, что молодежь понимает преимущества цифровых сервисов, моделирования и доверяет этим механизмам, а для людей постарше любое дополнительное нажатие кнопки – стресс. Поэтому важно сделать систему максимально удобной для персонала, и, по возможности, чтобы она работала без его участия. Например, чтобы полностью могла определять фактическое состояние на основе автоматической загрузки данных АСУ ТП с определенной периодичностью, выдавать рекомендации, и тогда сотрудникам останется придерживаться простейшей инструкции.
Концепция Индустрии 4.0. заключается в минимизации человеческого участия и максимизации управляющего воздействия от компьютеров. Пока на российских ТЭЦ ничего подобного нет, да и в мире, насколько мне известно, тоже.
— Какие еще причины мешают масштабному внедрению цифровых двойников?
— Первоочередная проблема — малое покрытие сигналами АСУ ТП и их недостоверность. На старых станциях сигнал АСУ ТП не выходит за пределы демилитаризованной зоны (DMZ). Данные можно загружать вручную, но это трудозатратно. Речь должна идти о некой системной эволюции. В идеале при проработке проекта внедрения цифрового двойника давать станции рекомендации до оснастки, предположим, приборами АСУ ТП или замены каких-то штатных приборов.
Внедрение метода динамического цифрового моделирования позволило повысить точность расчета прогнозируемых величин технологических минимумов и максимумов ТЭЦ на оптовом рынке электроэнергии и мощности (ОРЭМ), производить оптимизацию режимов работы станций.
Расчет показал высокую точность использования актуальных характеристик для определения величины технологического минимума: расхождение с фактическим значением составило 0,7%, при этом отклонение фактического значения от нормативного составило 17,4%.
Поставить полноценный цифровой двойник можно далеко не везде в силу технических причин. Там, где это возможно, требуется волевое решение руководства. К тому же пока не все доверяют этой технологии. Людям нужно наглядно продемонстрировать, как она работает.
— Как, на ваш взгляд, будет развиваться ситуация с использованием цифровых двойников в России и мире в горизонте 5-10 лет?
— В 2017 году эксперты предполагали, что к 2021-му 50% промышленных предприятий будут использовать цифровые двойники. Внешние факторы — пандемия коронавируса и осложнение геополитической ситуации внесли свои коррективы. Тем не менее в ближайшие годы ожидается экспоненциальный рост внедрения двойников.
Основная задача многих предприятий заключается в том, чтобы выжить в текущих условиях, когда речь идет об импортонезависимости. Вместе с тем, они нацелены на надежность и безопасность. Цифровой двойник может стать связующим звеном, который повысит надежность, безопасность, поможет в оптимизации ремонта, позволит достоверно оценить фактическое состояние оборудования. Уверена, что через 10 лет в России будет активнее использоваться цифровое моделирование и все больше предприятий смогут внедрять технологии цифровых двойников.