Εναλλακτικά σενάρια λειτουργίας Μονάδων Συνδυασµένου Κύκλου περισσοτέρων του ενός αεριοστροβίλων για αύξηση κέρδους και εξοικονόµηση καυσίµου

Εναλλακτικά σενάρια λειτουργίας Μονάδων Συνδυασµένου Κύκλου περισσοτέρων του ενός αεριοστροβίλων για αύξηση κέρδους και εξοικονόµηση καυσίµου Αν.Κ. Κυρσανίδη,. Παγουλάτος, Ι. Καλιακάτσος ΗΜΟΣΙΑ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ Α.Ε., ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ Λαύριο Αττικής, Τ.Κ. 19500 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Τ.Κ. 15780 Περίληψη Στην εργασία αυτή διερευνάται η βέλτιστη λειτουργία των µονάδων ηλεκτροπαραγωγής συνδυασµένου κύκλου µε περισσότερους του ενός αεριοστροβίλους και κοινό ατµοστρόβιλο. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν εναλλακτικά σενάρια λειτουργίας για τις περιπτώσεις που η ζήτηση φορτίου είναι µικρότερη της ικανότητας του συνδυασµένου κύκλου. Ο αλγόριθµος που αναπτύχθηκε λαµβάνει υπόψη τις ωριαίες φορτίσεις του κάθε αεριοστροβίλου, τις καµπύλες του κατασκευαστή βάση των οποίων καθορίζεται ο χρόνος και το είδος της εκάστοτε συντήρησης ανάλογα τον τρόπο λειτουργίας του αντίστοιχου αεριοστροβίλου, καθώς επίσης και το κόστος εκκίνησης του αεριοστροβίλου. Ο αλγόριθµος αναπτύχθηκε στηριζόµενος σε τρεις διαφορετικές φιλοσοφίες λειτουργίας. Εφαρµόστηκε σε πραγµατική φόρτιση της Μονάδας Συνδυασµένου κύκλου Νο IV του ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ για τα τελευταία τρία έτη και για διάφορα σενάρια λειτουργίας για κάθε µια από τις προαναφερθείσες φιλοσοφίες λειτουργίας. Από τα αποτελέσµατα προκύπτει ότι η λειτουργία της Μονάδας στο ίδιο ωριαίο φορτίο µε εναλλακτικά όµως σενάρια, θα µπορούσε να οδηγήσει σε σηµαντική µείωση κόστους παραγωγής και κατ επέκταση εξοικονόµηση καυσίµου. 1. Εισαγωγή Η βελτιστοποίηση των συστηµάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι ένα θέµα το οποίο έχει απασχολήσει πολύ και ποικιλοτρόπως τα τελευταία χρόνια τόσο την επιστηµονική κοινότητα όσο και τους µεγάλους παραγωγούς ενέργειας. Το ενδιαφέρον για σχεδιασµό µονάδων µε όσο το δυνατό αυξηµένη ικανότητα, µε µεγαλύτερο βαθµό απόδοσης αλλά και µεγαλύτερη διαθεσιµότητα και αξιοπιστία, έχει οδηγήσει εδώ και χρόνια στην ανάπτυξη των µονάδων συνδυασµένου κύκλου µε σηµαντικά βήµατα εξέλιξης στο σχεδιασµό του συµπιεστή και των πτερυγίων του στροβίλου, στην ανάπτυξη υλικών ικανών να αντέχουν σε υψηλότερες θερµοκρασίες, στη βελτίωση συστηµάτων στεγανοποίησης, εξέλιξη ηλεκτρονικών συστηµάτων αυτοµάτου ελέγχου κτλ. [1-4]. Ωστόσο, εκτός από τον βελτιωµένο σχεδιασµό των επιµέρους µονάδων, σε µια απελευθερωµένη αγορά ηλεκτρικής ενέργειας µεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει το πρόβληµα του βέλτιστου προγραµµατισµού των διαθέσιµων παραγωγικών µονάδων σε ένα δίκτυο. Στην κατεύθυνση αυτή έχουν αναπτυχθεί διάφορα µοντέλα σύµφωνα µε τα οποία είτε χρησιµοποιούνται συναρτήσεις µεταβλητού κόστους, η

ελαχιστοποίηση των οποίων οδηγεί στη βελτιστοποίηση του συστήµατος, είτε µε συνδυασµό σύγχρονων αριθµητικών µεθόδων, θερµοδυναµικά µοντέλα προσοµοίωσης, νευρωνικά δίκτυα κτλ. [5, 6]. Τέτοιες µελέτες συνήθως λαµβάνουν υπόψη τη διαφοροποίηση του βαθµού απόδοσης των µονάδων ανάλογα τη ζώνη φόρτισης και στην καλύτερη περίπτωση πληροφορίες για τους χρόνους εκκίνησης, ρυθµό αύξησης φορτίου και όρια φορτίων λειτουργίας. Έτσι, βραχυπρόθεσµα οδηγούν σε µια βελτιστοποίηση του συστήµατος καθώς ο προγραµµατισµός αφορά συνήθως 24ωρη λειτουργία. Μακροπρόθεσµα ωστόσο, τα αποτελέσµατα αυτά θα µπορούσαν να διαφοροποιηθούν εάν λαµβανόταν υπόψη η πιθανή διαφοροποίηση του προγράµµατος συντήρησης των µονάδων λόγω της διαφορετικής καταπόνησής τους από αυξηµένες συγκριτικά κρατήσεις/εκκινήσεις που θα επέβαλε µια πραγµατική βελτιστοποίηση του συστήµατος, κάτι το οποίο δεν λαµβάνεται υπόψη στα παραπάνω µοντέλα. Στην πραγµατικότητα, διαφοροποίηση σε αυτή την κατεύθυνση πιθανόν να προκαλούσαν µονάδες συνδυασµένου κύκλου, καθώς πρακτικά η κράτηση / επανεκκίνηση κλασικών ατµοηλεκτρικών µονάδων είναι σχετικά χρονοβόρα, οικονοµικά ασύµφορη και δεν συνιστάται για εγκαταστάσεις που έχουν σχεδιασθεί σαν "βάσης" ή είναι παλαιάς τεχνολογίας. Στόχος της παρούσας µελέτης είναι η διερεύνηση οικονοµικότερων τρόπων λειτουργίας µονάδων συνδυασµένων κύκλων µε περισσότερους του ενός αεριοστροβίλους, όπως είναι οι Μονάδες ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ ΙΙΙ & IV και η Μονάδα Κοµοτηνή Ι, µέσω εναλλακτικών σεναρίων φόρτισης, λαµβάνοντας υπόψη διαφοροποίηση στην ειδική κατανάλωση θερµότητας του συνόλου της Μονάδας λόγω του διαφορετικού τρόπου φόρτισης, τη διαφοροποίηση σε αριθµό εκκινήσεων και ωρών λειτουργίας κάθε αεριοστροβίλου αλλά και την πιθανή διαφοροποίηση του αριθµού ή του είδους των συντηρήσεων των αεριοστροβίλων. 2. Μεθοδολογία Οι µονάδες συνδυασµένου κύκλου έχουν αρκετά υψηλό βαθµό απόδοσης στο ονοµαστικό τους φορτίο αλλά παρουσιάζουν σηµαντική µείωση του βαθµού απόδοσης σε ενδιάµεσο και κυρίως σε ελάχιστο φορτίο λειτουργίας. Επιπλέον, στις περιπτώσεις όπου µια µονάδα συνδυασµένου κύκλου αποτελείται από περισσότερους από έναν αεριοστροβίλους και κοινό ατµοστρόβιλο, η µεταβολή του βαθµού απόδοσης είναι πιο σύνθετη καθώς επηρεάζεται και από το συνδυασµό των αεριοστροβίλων που βρίσκονται σε λειτουργία για την παραγωγή συγκεκριµένου συνολικά φορτίου, αφού αυτό µπορεί να επιτευχθεί µε διάφορους συνδυασµούς. Παράδειγµα τέτοιων µονάδων στην Ελλάδα αποτελούν: η Νο ΙΙΙ Μονάδα του ΑΗΣ Λαυρίου (175,5MW) µε διάταξη (2) αεριοστρόβιλοι, (2) λέβητες ανάκτησης θερµότητας και (1) ατµοστρόβιλος, η Νο ΙV Μονάδα του ΑΗΣ Λαυρίου (560MW) µε διάταξη (3) αεριοστρόβιλοι, (3) λέβητες ανάκτησης θερµότητας και (1) ατµοστρόβιλος και η Μονάδα της Κοµοτηνής (480MW) µε διάταξη 2 αεριοστρόβιλοι, 2 λέβητες ανάκτησης θερµότητας και ένας ατµοστρόβιλος. Στο σχήµα 1 παρουσιάζεται ενδεικτικά η µεταβολή του βαθµού απόδοσης ανάλογα µε το φορτίο και για διάφορους συνδυασµούς της Μονάδας IV του ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ. Η Μονάδα αυτή µπορεί να λειτουργήσει σε συνδυασµούς: οι τρεις αεριοστρόβιλοι και ο ατµοστρόβιλος (3GT+ST), οι δύο από τους τρεις αεριοστροβίλους µε τον ατµοστρόβιλο (2GT+ST) και ο ένας από τους αεριοστροβίλους µε τον ατµοστρόβιλο (1GT+ST). Παρατηρούµε από το σχήµα ότι υπάρχουν συγκεκριµένες περιοχές φόρτισης όπου το ίδιο φορτίο µπορεί να παραχθεί µε διαφορετικούς συνδυασµούς αεριοστροβίλων και ατµοστροβίλου, οδηγώντας όµως και σε διαφορετικό βαθµό

απόδοσης. Έτσι για ενδιάµεσα φορτία, κάτω των 370MW, η λειτουργία µε (2GT+ST) είναι εµφανώς οικονοµικότερη από εκείνη των (3GT+ST). Το ίδιο ισχύει και για φορτία κάτω των 170MW ανάµεσα στους συνδυασµούς (2GT+ST) και (1GT+ST). Σύµφωνα µε την παραπάνω παρατήρηση είναι προφανές ότι σε έναν βραχυπρόθεσµο προγραµµατισµό θεωρητικά θα έπρεπε να τίθεται αεριοστρόβιλος εκτός, όταν η ζήτηση σε φορτία επρόκειτο να ήταν χαµηλή για χρονικό διάστηµα πέραν κάποιων ωρών, δεδοµένου ότι ο χρόνος επανεκκίνησης του αεριοστροβίλου µαζί µε το λέβητα δεν ξεπερνά την 1 ώρα. Ωστόσο για έναν πραγµατικά βελτιστοποιηµένο σχεδιασµό, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη και το κόστος εκκίνησης που θα ακολουθήσει την κράτηση του αεριοστροβίλου καθώς επίσης και την πιθανή διαφοροποίηση του κόστους συντήρησης λόγω του αυξηµένου αριθµού εκκινήσεων σε συνδυασµό µε τη διαφοροποίηση των ωρών λειτουργίας. Βαθµός απόδοσης (%) 3 GT + ST 2 GT + ST 1 GT + ST Φορτίο (Gross) MW Σχήµα 1: Μεταβολή Βαθµού Απόδοσης µε το φορτίο του Συνδ. Κύκλου Λαυρίου IV 2.1 Κόστος λειτουργίας Στον αλγόριθµο που αναπτύχθηκε στην παρούσα µελέτη, προτείνονται τρεις διαφορετικές φιλοσοφίες φόρτισης των µονάδων για την επιλογή του βέλτιστου τρόπου λειτουργίας. Οι φιλοσοφίες αυτές συνίστανται :1)σε κράτηση Αεριοστροβίλου κάθε Σαββατοκύριακο µε προϋποθέσεις, 2)κράτηση όταν οι νυχτερινές ώρες µερικού φορτίου είναι τουλάχιστον 6 και 3)κράτηση καθηµερινά τις νυχτερινές ώρες µε κριτήριο την πρόβλεψη του αριθµού συνεχόµενων ωρών σε µερικό φορτίο, που θα πρέπει να υπερβαίνει κάποιο ελάχιστο όριο. Με βάση τις φιλοσοφίες αυτές µπορούµε να µελετήσουµε διάφορα εναλλακτικά σενάρια φόρτισης τα οποία συγκρίνονται µε την πραγµατική ωριαία φόρτιση (από το ιστορικό αρχείο) κάθε αεριοστροβίλου για το χρονικό διάστηµα που επιθυµούµε. Σε κάθε περίπτωση υπολογίζεται η διαφορά του κόστους παραγωγής µεταξύ του πραγµατοποιηθέντος τρόπου λειτουργίας και εκείνου που προκύπτει για ίδια φόρτιση µε διαφορετικά σενάρια λειτουργίας. Επίσης, υπολογίζεται το επιπλέον κόστος

εκκίνησης που πιθανόν να προκύπτει από το διαφορετικό σενάριο λειτουργίας αλλά και η διαφοροποίηση του κόστους συντήρησης εφόσον αλλάζει το είδος ή ο αριθµός των συντηρήσεων. Ο αλγόριθµος που αναπτύχθηκε παρουσιάζεται στο διάγραµµα ροής του σχήµατος 2. ΑΡΧΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΧΡΟΝΙΚΟΥ ΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ / ΑΡΧΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ GT ΑΠΟ ΚΑΤΑΛΛΗΛΑ ΑΡΧΕΙΑ ΣΕΝΑΡΙΟ=3 ΣΕΝΑΡΙΟ ΕΞΟ ΟΥ GT ΤΟ ΣΑΒ/ΚΟ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΕΓΙΣΤΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ ΩΡΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΕ ΑΥΞΗΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΕΝΑΡΙΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟ=2 MIN ΑΡΙΘΜΟΣ ΩΡΩΝ ΣΕ ΜΕΙΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ = 6 ΣΕΝΑΡΙΟ=1 ΣΕΝΑΡΙΟ ΚΑΘΗΜ. ΕΞΟ ΟΥ GT ΕΠΙΛΟΓΗ ΕΛΑΧΙΣΤΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ ΩΡΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΕ ΜΕΙΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗΣ: ΕΙ ΙΚΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΕΚΚΙΝΗΣΕΩΝ ΑΝΑ GT ΑΡΙΘΜΟΥ ΩΡΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΑ GT ΑΝΑΛΟΓΑ ΤΗ ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ & ΤΙΣ ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΕΙΣ ΤΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΟΣΤΟΥΣ ΕΚΚΙΝΗΣΕΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΒΑΣΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΒΑΣΗ ΣΕΝΑΡΙΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗΣ ΚΟΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΞΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ / ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗΣ & ΣΕΝΑΡΙΟΥ ΤΕΛΟΣ Σχήµα 2: ιάγραµµα ροής αναπτυχθέντος αλγορίθµου

Η ανάγκη ανάπτυξης πλέον της µιας φιλοσοφιών λειτουργίας των µονάδων προέκυψε από το γεγονός ότι στόχος δεν είναι µόνο η ελαχιστοποίηση του λειτουργικού κόστους, αλλά και η δυνατότητα εναλλακτικών πρακτικών που ενδεχοµένως να έχουν χειρότερο οικονοµικό αποτέλεσµα αλλά αντανακλούν την επιθυµία του Ελληνικού δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας σε άµεση απόκριση στην περίπτωση απόκλισης από την προβλεπόµενη φόρτιση. Σύµφωνα µε την πρώτη φιλοσοφία, η οποία περιλαµβάνει σενάρια καθηµερινής κράτησης αεριοστροβίλου (GT), ο αλγόριθµος διαβάζει τον δοθέντα τρόπο λειτουργίας και διερευνά ωριαία, εάν υπάρχει συνολικό φορτίο της µονάδας το οποίο δύναται να επιτευχθεί µε οικονοµικότερο τρόπο. Στην περίπτωση αυτή και πριν αποφασίσει για την κράτηση αεριοστροβίλου, διερευνά εάν τέτοιου είδους φορτίο διαρκεί συγκεκριµένο αριθµό συνεχόµενων ωρών, οπότε και αποφασίζει να θέσει εκτός λειτουργίας αεριοστρόβιλο. Ο αριθµός των συνεχόµενων ωρών σε λειτουργία της µονάδας, µε φορτίο που µπορεί να επιτευχθεί µε οικονοµικότερο τρόπο, είναι στην κρίση του χρήστη του αλγορίθµου, π.χ. ανάλογα τους χρόνους κράτησης εκκίνησης των αεριοστροβίλων, το ρίσκο αποτυχηµένης εκκίνησης που προτίθεται να αναλάβει κτλ. Έτσι µπορεί να δηµιουργήσει διαφορετικά σενάρια λειτουργίας βασισµένα στην ίδια φιλοσοφία. Η απόφαση ποιος από όλους τους αεριοστροβίλους θα τεθεί εκτός λαµβάνεται αυτόµατα από τον αλγόριθµο µε κριτήριο εκείνον που έχει τις λιγότερες ώρες λειτουργίας. Επίσης κατά τη διάρκεια των υπολογισµών λαµβάνονται υπόψη οι αυξήσεις των εκκινήσεων του αεριοστροβίλου που είχε τεθεί εκτός εάν ξεκινήσει πάλι καθώς επίσης και η αντίστοιχη µείωση των ωρών λειτουργίας για το διάστηµα που τέθηκε εκτός λειτουργίας. Ορισµένοι κατασκευαστές χρησιµοποιούν το όρο "ισοδύναµες ώρες λειτουργίας (/ ή και εκκινήσεις)" για να συγχωνεύσουν πραγµατικές ώρες λειτουργίας υπό διαφορετικές συνθήκες ή/και κυκλική φόρτιση, προκειµένου να προσεγγίσουν λογιστικά την κόπωση των υλικών, κάτι που έχει ληφθεί υπόψη στους παραπάνω υπολογισµούς. Η δεύτερη φιλοσοφία, η οποία περιλαµβάνει σενάρια πιθανής κράτησης GT νύκτα, είναι ακριβώς όπως η πρώτη, µε τη διαφορά ότι η απόφαση εάν θα σταµατήσει αεριοστρόβιλος δεν εξαρτάται από το συνολικό χρόνο συνεχόµενων ωρών κατά τη διάρκεια των οποίων το φορτίο της µονάδας µπορεί να επιτευχθεί µε οικονοµικότερο τρόπο θέτοντας αεριοστρόβιλο εκτός, αλλά η απόφαση λαµβάνεται εφόσον το φορτίο αυτό υφίσταται για 6 ώρες κατά τη νυχτερινή ζώνη χαµηλής ζήτησης (από 22:00 έως 06:00). Σύµφωνα µε την τρίτη φιλοσοφία, πιθανή κράτηση Σαββατοκύριακο, ο αλγόριθµος διερευνά µόνο τα Σαββατοκύριακα και εφόσον κατά τη διάρκεια αυτών οι ώρες σε υψηλό φορτίο (όλοι οι αεριοστρόβιλοι ενεργοί ) είναι λιγότερες από κάποιο συγκεκριµένο αριθµό τότε θεωρείται ότι θα µπορούσε η ζήτηση να καλυφθεί από άλλες µονάδες του συστήµατος και τίθεται εκτός αεριοστρόβιλος για όλο το Σαββατοκύριακο. Ο µέγιστος αριθµός συνολικών ωρών λειτουργίας κατά τη διάρκεια του Σαββατοκύριακου σε φορτίο που δεν επιτρέπει την έξοδο αεριοστροβίλου, αποτελεί παράµετρο που εισάγεται στον αλγόριθµο από το χρήστη. Για την επιλογή των ωρών αυτών θα πρέπει να λαµβάνεται υπόψη εάν το φορτίο αυτό µπορεί να καλυφθεί µε άλλο τρόπο από το σύστηµα. Σε κάθε περίπτωση, το κόστος των επιπλέον εκκινήσεων που προκύπτουν ανάλογα το σενάριο που ακολουθείται, υπολογίζεται από τον αριθµό των απαιτουµένων επιπλέον εκκινήσεων και το µέσο κόστος µιας εκκίνησης θεωρώντας ότι όλες οι εκκινήσεις είναι οµαλές και όχι βεβιασµένες ( που ενεργούν προσθετικά στην κόπωση των υλικών ).

2.2 Κόστος συντήρησης Για τη διερεύνηση πιθανής διαφοροποίησης στο κόστος συντήρησης κατά το επιλεχθέν χρονικό διάστηµα χρησιµοποιήθηκαν οι πραγµατικές καµπύλες βάση των οποίων υπολογίζονται από το τµήµα συντήρησης του ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ ο χρόνος και το είδος των συντηρήσεων που πρέπει να πραγµατοποιηθούν. Υπολογίζεται ο αριθµός των ισοδυνάµων ωρών λειτουργίας και ο αριθµός ισοδυνάµων εκκινήσεων ανάλογα µε τον τρόπο που έχει ή θεωρούµε ότι έχει λειτουργήσει η µονάδα έως το εξεταζόµενο χρονικό διάστηµα. Για τον υπολογισµό των ισοδυνάµων εκκινήσεων λαµβάνονται υπόψη ο αριθµός των πραγµατικών εκκινήσεων, των ακαριαίων κρατήσεων (trip) και των γρήγορων εκκινήσεων των GT, ενώ για τον υπολογισµό των ισοδυνάµων ωρών λειτουργίας λαµβάνονται υπόψη οι πραγµατικές ώρες λειτουργίας, οι ώρες λειτουργίας µε καύσιµο Diesel και οι ώρες λειτουργίας σε φορτίο αιχµής µέσω γραµµικού συνδυασµού µε κατάλληλους συντελεστές που περιγράφονται στην [7]. Όπως φαίνεται στο σχήµα 3, υπάρχουν τρία διαφορετικά είδη συντηρήσεων. Στην πρώτη συντήρηση γίνεται µόνο επιθεώρηση θαλάµων καύσης, στη δεύτερη επιθεώρηση θερµών µερών (στην οποία συµπεριλαµβάνονται οι επιθεωρήσεις/συντηρήσεις που γίνονται στην συντήρηση θαλάµων καύσης) και η τρίτη είναι Γενική συντήρηση στην οποία συµπεριλαµβάνονται και οι έλεγχοι των δύο προηγούµενων ειδών συντήρησης. ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ ΜΟΝΑ Α IV Καµπύλες Υπολογισµού Συντηρήσεων Αριθµός Ισοδυνάµων Εκκινήσεων Γενική Συντήρηση Κάτω Όριο Γενική Συντήρηση Άνω Όριο Συντήρηση Θερµών Μερών Κάτω Όριο Επιθεώρηση Θαλάµων καύσης Συντήρηση Θερµών Μερών Άνω Όριο Αριθµός Ισοδυνάµων Ωρών Λειτουργίας Σχήµα 3: Καµπύλες υπολογισµού προγράµµατος συντηρήσεων των αεριοστροβίλων Το σηµείο που προκύπτει µε βάση τις ισοδύναµες ώρες λειτουργίας και ισοδύναµες εκκινήσεις διερευνάται εάν βρίσκεται στην περιοχή κάποιας από τις παραπάνω καµπύλες που οριοθετεί ότι πρέπει να γίνει η αντίστοιχη συντήρηση. Για να µπορέσει ο κώδικας να αποφασίσει πότε και αν θα γίνει η επιθεώρηση θαλάµων καύσης, ελέγχει κατά πόσο το σηµείο λειτουργίας βρίσκεται εντός µιας περιοχής, µικρού εύρους, γύρω από την αντίστοιχη καµπύλη. Το όριο αυτό αποτελεί

επιλεγόµενη παράµετρο στην εισαγωγή δεδοµένων και στη συγκεκριµένη εφαρµογή επιλέχτηκε ±5%. Στην περίπτωση που τυχαίνουν κοντά, από άποψη χρόνου, δύο είδη συντήρησης επιλέγεται η συντήρηση εκείνη που εµπεριέχει την άλλη, σύµφωνα µε όσα περιγράφηκαν παραπάνω, και η άλλη θεωρείται ως γενόµενη. Το ελάχιστο χρονικό αυτό όριο, µέσα στο οποίο όταν, και εάν, συµπέσουν δύο συντηρήσεις για τον ίδιο αεριοστρόβιλο επιλέγεται η µεγαλύτερη, αποτελεί παράµετρο του κώδικα Στη συγκεκριµένη µελέτη το όριο που επιλέχτηκε ήταν 2 µήνες. 3. Αποτελέσµατα Ο παραπάνω αλγόριθµος εφαρµόστηκε στην Μονάδα IV του ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ, για το χρονικό διάστηµα από Ιανουάριο 2003 έως και εκέµβριο 2004. Σαν ζήτηση φορτίων χρησιµοποιήθηκαν τα πραγµατικά φορτία τα οποία παρήχθησαν από κάθε αεριοστρόβιλο το αντίστοιχο χρονικό διάστηµα. Το φορτίο του ατµοστροβίλου υπολογίζεται για κάθε ωριαία φόρτιση των αεριοστροβίλων µε κατάλληλες εξισώσεις που έχουν ενσωµατωθεί στον αλγόριθµο, ανάλογα µε τον αριθµό των αεριοστροβίλων σε λειτουργία. Για τον έλεγχο της αξιοπιστίας του αλγορίθµου πραγµατοποιήθηκε αρχικά σύγκριση του προγράµµατος συντηρήσεων που προκύπτει από την επίλυση του αλγορίθµου µε το πραγµατικό πρόγραµµα που ακολουθήθηκε από τον σταθµό για τα έτη 2001 2003. Η ωριαία φόρτιση και ο τρόπος λειτουργίας των αεριοστροβίλων που χρησιµοποιήθηκαν προέκυψαν από πραγµατικά δεδοµένα, σύµφωνα µε στοιχεία από τα αρχεία του σταθµού. Τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στον πίνακα Ι, καθώς και στο σχήµα 4, όπου γίνεται σύγκριση µεταξύ πραγµατοποιηθέντων και υπολογιζόµενων συντηρήσεων για κάθε αεριοστρόβιλο. Πίνακας Ι: Σύγκριση πραγµατοποιηθέντων και υπολογιζόµενων συντηρήσεων. Πραγµατικές Συντηρήσεις Υπολογιζόµενες από Αλγόριθµο GT41 2/2002 CI 12/2001 CI 1/2003 HGPI 12/2002 HGPI GT42 3/2001 HGPI 1/2001 HGPI 4/2002 CI 1/2002 CI 4/2003 HGPI 12/2002 HGPI GT43 9/2001 CI 12/2001 CI 9/2002 HGPI 1/2003 HGPI CI: Επιθεώρηση Θαλάµων Καύσης HGPI: Επιθεώρηση Θερµών Μερών

ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ ΜΟΝΑ Α IV Καµπύλες Υπολογισµού Συντηρήσεων Αριθµός Ισοδυνάµων Εκκινήσεων Γενική Συντήρηση Κάτω Όριο Γενική Συντήρηση Άνω Όριο Επιθεώρηση θαλάµων καύσης Επιθεώρηση θερµών µερών/κάτω όριο Επιθεώρηση θερµών µερών/άνω όριο Γενική Συντήρηση/κάτω όριο Γενική Συντήρηση/άνω όριο GT41 Πραγµατικές Συντηρήσεις GT41 Αλγόριθµος GT42 Πραγµατικές Συντηρήσεις GT42 Αλγόριθµος GT43 Πραγµατικές Συντηρήσεις GT43 Αλγόριθµος Συντήρηση Θερµών Μερών Κάτω Όριο Επιθεώρηση Θαλάµων καύσης Συντήρηση Θερµών Μερών Άνω Όριο Αριθµός Ισοδυνάµων Ωρών Λειτουργίας Σχήµα 4: Σύγκριση πραγµατοποιηθέντων συντηρήσεων και υπολογιζόµενων µέσω του αλγορίθµου Γενικά παρατηρούµε καλή σύγκλιση. Σε κάθε περίπτωση υπολογίζεται ακριβώς η αλληλουχία των συντηρήσεων ενώ µικρές αποκλίσεις στο χρόνο διεκπεραίωσής τους, οφείλονται στο γεγονός ότι στην πραγµατικότητα η απόφαση για να πραγµατοποιηθεί µια συντήρηση δεν γίνεται µε αυστηρά υπολογιστικά κριτήρια αλλά επηρεάζεται από συγκυρίες και ανάγκες του δικτύου, τον προγραµµατισµό άλλων µονάδων του συστήµατος, πιθανή πρόωρη συντήρηση λόγω άλλων εκτάκτων βλαβών κτλ, λαµβάνοντας βέβαια υπόψη ότι δεν πρέπει να υπερβούµε τα ανώτατα όρια για την ασφάλεια της εγκατάστασης. Στη συνέχεια ο αλγόριθµος χρησιµοποιήθηκε για την διερεύνηση διαφόρων εναλλακτικών σεναρίων φόρτισης σε σχέση µε το πραγµατοποιηθέν για τα έτη 2001 2003. Σύµφωνα µε την πρώτη φιλοσοφία φόρτισης, εάν το φορτίο πρόκειται να βρίσκεται για πάνω από συγκεκριµένο αριθµό συνεχόµενων ωρών λειτουργίας σε τιµή τέτοια που θα µπορούσε να επιτευχθεί µε χαµηλότερη ειδική κατανάλωση θερµότητας µέσω κράτησης αεριοστροβίλου, τότε αποφασίζεται κράτηση αεριοστροβίλου. Ο ελάχιστος αυτός αριθµός συνεχόµενων ωρών θα πρέπει να γίνει µε κριτήριο ώστε να λαµβάνονται υπόψη περιπτώσεις ανάγκης για άµεση αντίδραση σε ζήτηση του δικτύου αλλά και ασφάλειας για περίπτωση πιθανών αργοποριών λόγω βλαβών κατά την επανεκκίνηση. Στο σχήµα 5 παρουσιάζονται αποτελέσµατα για µια περιοχή ελαχίστου αριθµού συνεχόµενων ωρών από 3 σε 15 ώρες. Το οικονοµικό όφελος που προκύπτει παρουσιάζεται σαν ποσοστό (%) επί του συνολικού κόστους λειτουργίας και συντήρησης που προκύπτει σύµφωνα µε το πραγµατικό τρόπο λειτουργίας. Για την περιοχή αυτή προκύπτει όφελος από 1,84% σε 0,39% για την 3ετία 2001 2003 ή ενδεικτικά από 7.200.000,00-1.500.000,00.

(%) Όφελος επί του συνολικού κόστους Λειτουργίας & Συντήρησης 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Σενάρια πιθανής καθηµερινής κράτησης GT 0 5 10 15 20 Ελάχιστος Αριθµός Συνεχόµενων Ωρών Σχήµα 5: Σενάρια καθηµερινής κράτησης GT ανάλογα τον ελάχιστο αριθµό συνεχόµενων ωρών σε λειτουργία µε µερικό φορτίο που µπορεί να παραχθεί και µετά την κράτηση GT Για λιγότερες από 4 ώρες η κράτηση αεριοστροβίλου παρά το γεγονός ότι δίνει σηµαντικό όφελος, εγκυµονεί κίνδυνο µη άµεσης απόκρισης στις ανάγκες του δικτύου αφού ο χρόνος κράτησης και επανεκκίνησης εως µέγιστο φορτίο, µαζί µε τον λέβητα, είναι περίπου µία ώρα. Το ρίσκο σε µια τέτοια περίπτωση εξαρτάται από την πολιτική που ακολουθείται και την πιθανότητα λάθους πρόβλεψης της πραγµατικής ζήτησης σε ενέργεια του δικτύου. Ένας ρεαλιστικός και ταυτόχρονα συντηρητικός ελάχιστος αριθµός συνεχόµενων ωρών σε λειτουργία συνόλου µονάδας µε φορτίο το οποίο θα µπορούσε να παραχθεί οικονοµικότερα, είναι 7 9 ώρες. Στην περίπτωση αυτή τα περιθώρια ασφάλειας είναι σηµαντικά αλλά και το όφελος είναι της τάξης του 1,2% ή 4,8Μ στην τριετία. Η µεταβολή των ισοδυνάµων ωρών λειτουργίας και εκκινήσεων αντίστοιχα λόγω εφαρµογής του παραπάνω σεναρίου για τουλάχιστον 8 συνεχόµενες ώρες παρουσιάζεται στο σχήµα 6. Παρατηρούµε ότι ενώ η κλίση της αντίστοιχης καµπύλης διαφοροποιείται σηµαντικά στην περίπτωση του εναλλακτικού τρόπου φόρτισης, στην ουσία τόσο ο χρόνος όσο και το είδος των συντηρήσεων παραµένει ακριβώς το ίδιο και κατά συνέπεια και το συνολικό κόστος συντήρησης. Έτσι το όφελος που έχουµε λόγω του οικονοµικότερου τρόπου λειτουργίας από πλευράς ειδικής κατανάλωσης παραµένει κυρίαρχο.

ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ ΜΟΝΑ Α IV Καµπύλες Υπολογισµού Συντηρήσεων Αριθµός Ισοδυνάµων Εκκινήσεων Συντήρηση Θερµών Μερών Κάτω Όριο Επιθεώρηση Θαλάµων καύσης Συντήρηση Θερµών Μερών Άνω Όριο Γενική Συντήρηση Κάτω Όριο Επιθεώρηση θαλάµων καύσης Επιθεώρηση θερµών µερών/κάτω όριο Επιθεώρηση θερµών µερών/άνω όριο Γενική Συντήρηση/κάτω όριο Γενική Συντήρηση/άνω όριο GT41 Πραµατικές Συντηρήσεις GT41 Συντηρήσεις βάση Σεναρίου Πραγµατική λειτουργία GT41 Γενική Συντήρηση Άνω Όριο Αριθµός Ισοδυνάµων Ωρών Λειτουργίας Σχήµα 6: Πραγµατική λειτουργία και σενάριο εξόδου αεριοστροβίλου για πάνω από 8 ώρες συνεχόµενης λειτουργίας σε φορτίο που µπορεί να παραχθεί και χωρίς τον GT.. Ανάλογα αποτελέσµατα προκύπτουν και για τους άλλους αεριοστροβίλους καθώς και για τα υπόλοιπα σενάρια φόρτισης. Πιο συντηρητικά σενάρια φόρτισης είναι αυτά της κράτησης αεριοστροβίλου µόνο βράδυ ή Σαββατοκύριακο. Στην περίπτωση του σεναρίου όπου γίνεται κράτηση αεριοστροβίλου βράδυ, το κριτήριο για την έξοδο είναι εάν η µονάδα πρόκειται να λειτουργήσει σε φορτίο που µπορεί να παραχθεί και χωρίς τον αεριοστρόβιλο αυτό τουλάχιστον για 6 ώρες κατά τη νυχτερινή ζώνη (10:00 06:00). Εάν το σενάριο αυτό είχε εφαρµοστεί την 3ετία 2001-2003 το όφελος που θα είχαµε θα ήταν της τάξης του 0,35% του συνολικού κόστους λειτουργίας και συντήρησης το αντίστοιχο διάστηµα, ενδεικτικά 1,35Μ. Συντηρητικό σενάριο επίσης είναι αυτό της κράτησης αεριοστροβίλου το Σαββατοκύριακο, όπου συνήθως η ζήτηση σε φορτία είναι περιορισµένη. Σύµφωνα µε το σενάριο αυτό, επιλέγουµε τον µέγιστο αριθµό των συνολικών ωρών (όχι απαραίτητα συνεχόµενων) κατά τις οποίες η µονάδα λειτούργησε ή επρόκειτο να λειτουργήσει σε φορτίο για την παραγωγή του οποίου όλοι οι ενεργοί αεριοστρόβιλοι ήταν απαραίτητοι αλλά θεωρούµε ότι κατά τις ώρες αυτές εάν ετίθετο εκτός αεριοστρόβιλος το επιπλέον φορτίο θα καλυπτόταν από άλλες µονάδες του συστήµατος. Έτσι θεωρούµε ότι µπορεί να τεθεί εκτός λειτουργίας αεριοστρόβιλος για αυτές τις ώρες και κατά συνέπεια για όλο το Σαββατοκύριακο. Όσο λιγότερες είναι αυτές οι ώρες τόσο ενισχύεται η άποψη ότι θα µπορούσε να γίνει κράτηση αεριοστροβίλου και τα φορτία να καλυφθούν µε άλλο τρόπο. Στο σχήµα 7, παρουσιάζονται αποτελέσµατα του παραπάνω σεναρίου για µια περιοχή Μεγίστου αριθµού ωρών λειτουργίας σε φορτίο που δεν επιτρέπει κράτηση

αεριοστροβίλου από 1 σε 6 ώρες. Για την περιοχή αυτή προκύπτει όφελος από 0,03% σε 0,11% του συνολικού κόστους λειτουργίας και συντήρησης ή από 136.000,00 σε 430.000,00. 0,12 Σενάρια πιθανής κράτηση GT το Σαβ/κο (%) Όφελος επί του συνολικού κόστους Λειτουργίας & Συντήρησης 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0 2 4 6 8 Μέγιστος Αριθµός Ωρών λειτουργίας µε υψηλό φορτίο Σχήµα 7: Σενάρια κράτησης GT µόνο Σαβ/κο ανάλογα τον µέγιστο αριθµό ωρών σε λειτουργία µε φορτίο που δεν επιτρέπει κράτηση GT Σε όλα τα παραπάνω σενάρια πιθανόν το όφελος να ήταν ακόµα µεγαλύτερο εάν λαµβάνονταν υπόψη και άλλες µονάδες του συστήµατος και οικονοµικές παράµετροι, περιορισµοί κτλ. Για παράδειγµα υπάρχουν νύκτες ή Σαβ/κα όπου η Μονάδα IV είναι σε αυξηµένο φορτίο για αρκετές ώρες και κατά συνέπεια µε τα παραπάνω σενάρια δεν προβλέπεται κράτηση αεριοστροβίλου. Ωστόσο τις ώρες αυτές οι διάφορες µονάδες βάσης οι οποίες δεν είναι δυνατό να σταµατούν νύκτα, λειτουργούν µε ελάχιστο φορτίο. Το πιθανό όφελος από την ενσωµάτωση και µονάδων βάσης στα εναλλακτικά σενάρια ωστόσο, δεν αποτελεί αντικείµενο της παρούσας εργασίας,. 4. Συµπεράσµατα Στην µελέτη αυτή αναπτύχθηκε κώδικας για την διερεύνηση της βέλτιστης λειτουργίας των µονάδων ηλεκτροπαραγωγής συνδυασµένου κύκλου µε περισσότερους του ενός αεριοστροβίλους και κοινό ατµοστρόβιλο. Ο κώδικας εφαρµόστηκε για τη διερεύνηση εναλλακτικών σεναρίων φόρτισης απολογιστικά, σε παρελθόντα έτη για τη Μονάδα συνδυασµένου κύκλου Νο IV του ΑΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ της ΕΗ. Σύµφωνα µε τον αναπτυχθέντα αλγόριθµο λαµβάνονται υπόψη τόσο οι διαφορές στην ειδική κατανάλωση θερµότητας του συνόλου της Μονάδας από τον διαφορετικό τρόπο φόρτισης, όσο και η διαφοροποίηση σε αριθµό εκκινήσεων και ωρών λειτουργίας κάθε αεριοστροβίλου αλλά και η πιθανή διαφοροποίηση του αριθµού ή του είδους των συντηρήσεων των αεριοστροβίλων λόγω του διαφορετικού τρόπου λειτουργίας. Σε κάθε περίπτωση τα εναλλακτικά σενάρια εµφανίζουν όφελος, το οποίο µπορεί να είναι είτε µικρό, είτε µεγάλο, αλλά ίσως να µην αξίζει να ακολουθηθεί συγκρινόµενο µε το ρίσκο που ενδεχοµένως εµπεριέχει. Ωστόσο

υπάρχει µια σειρά ρεαλιστικών σεναρίων σύµφωνα µε τα οποία προκύπτει σηµαντικό όφελος. Η απόφαση ποιο σενάριο δύναται να ακολουθηθεί, εξαρτάται από τη δυνατότητα έγκυρης και έγκαιρης πρόβλεψης της ζήτησης φορτίου. Όσο µικρότερο είναι το σφάλµα πρόβλεψης, τόσο µεγαλύτερο ρίσκο µπορούµε να πάρουµε ως προς τα εναλλακτικά σενάρια φόρτισης των µονάδων µε αποτέλεσµα το µεγαλύτερο κέρδος. Η επέκταση δε του κώδικα ώστε να συµπεριλάβει και συµβατικές µονάδες µε τα δικά τους χαρακτηριστικά λειτουργίας και συντήρησης, µπορεί να οδηγήσει στην οικονοµικότερη ακόµα λειτουργία µεµονωµένα του συνδυασµένου κύκλου και κατ επέκταση του ενεργειακού συστήµατος. Βιβλιογραφία [1] J.R. Johnston, Performance and Reliability Improvements for Heavy-Duty Gas Turbines, GER-3571H, GE Power Systems, Schenectady, NY. [2] Gennifer E. Gill, Uprate Options for the MS900A Heavy-Duty Gas Turbine, GER-3928A, GE Power Systems, Schenectady, NY. [3] D.E. Brandt, R.R. Wesorick, GE Gas Turbine Design Philosophy, GER-3434D, GE Industrial & Power Systems, Schenectady, NY. [4] E.T. Bonataki, L.S. Georgoulis, K.C. Giannakoglou, Optimal Design of Combined Cycle Power Plants based on Gas Turbine Performance Data, ERCOFTAC Design Optimization: Methods & Applications, Athens, Greece, March 31- April 2, 2004. [5] Αν.Γ. Μπακιρτζής, Οικονοµική Λειτουργία Συστηµάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Εκδ. Ζήτη, Θεσσαλονίκη. [6] Wenz, A., Hein, D., (2000), Coputer-Aided Application Planning and Optimization for Power Plant Parks, EMAC2000, Engineering Mathematics and Applications Conference, 10-13. September 2000, Melbourne, Australia. [7] STANDARD TECHNICAL SPECIFICATION, MAINTENANCE, ST016A, European Gas Turbines