(1) ProSim, Rue Ampère, Stratège, Bât A, BP2738, F Labège Cedex philippe.baudet@prosim.net ; France

Transcription

1 SIMO 2006 ytèm d'information, modéliation, optimiation t command n Géni d Procédé L virtul dan la réalité quotidinn octobr Toulou (Franc) UTILISER LA MODELISATION POUR REPONDRE AUX DEFIS DE LA GESTION DES CENTRALES DE PRODUCTION D ENERGIE P. BAUDET (1), L. UMBER (2), P. CASTELAIN (1) (1) ProSim, Ru Ampèr, Stratèg, Bât A, BP2738, F Labèg Cdx -mail : philipp.baudt@proim.nt ; Franc (2) Uin d Elctricité d Mtz, 2 plac du Pontiffroy, BP 20129, F-57014, METZ Cdx 01 -mail : l-umbr@um-mtz.fr ; Franc Abtract. Thr ar many indutrial ctor involvd in th cognration of hat and lctricity (utiliti, among othr) from foil ful. Among thm, ptrochmical (rfining) and chmical convrion plant but alo ditrict hating ntwork. Papr mill, ugar rfining and manufacturing plant alo count among th major tam conumr. In all ca, th problm rmain th am: organizing production in th bt poibl way, day-to-day but alo ovr tim, within an conomic contxt in full uphaval and ubjct to changing rgulation and in a vry contraind nvironmnt. I Th goal of thi prntation i to propo concrt and rachabl olution that nabl a rational and conomically bnficial managmnt of th nrgy production in larg plant. Th prntation u a ca of th Uin d Elctricité d Mtz (UEM) to illutrat th potntial of a modlling, imulation and optimization oftwar to anwr to uch iu. Th Arian oftwar wa actually ud for th following application: Tchnical and conomical modlling of th plant Onlin optimization (ral tim and at a crtain point of tim) Automatd, rptitiv, prdictiv or rtropctiv calculation, intgrating th notion of tim-horizon (hour pr hour, day aftr day, annual balanc dividd in wk tc..) Réumé. L domain indutril concrné par la production combiné d chalur t d élctricité (ntr autr utilité) à partir d énrgi foil ont nombrux, parmi lqul la pétrochimi (raffinag), l grand cntr d tranformation chimiqu, mai aui l réaux d chauffag urbain, ou l grand conommatur d vapur qu ont l paptri t l cntr d raffinag ucrir. Qul qu oit l typ d uin n qution, la problématiqu rt la mêm : organir au miux la production, au jour l jour, n fonction d ignaux tarifair du momnt t d la dmand mai aui établir un planning d production mnul ou annul, dan un contxt réglmntair t économiqu changant t dan un nvironnmnt trè contraint. L objctif d la préntation t d propor d olution concrèt t accibl qui prmttnt d rnforcr un gtion rationnll t économiqumnt bénéfiqu d la production d énrgi dan l uin d grand taill. La préntation appui ur un ca concrt, clui d L Uin d Elctricité d Mtz (UEM), pour illutrr l potntil d un logicil d modéliation, d imulation t d optimiation pour répondr à d tll problématiqu. L logicil Arian a été utilié pour l application uivant : Modéliation tchnico-économiqu d la cntral. Optimiation n lign («tmp rél», à un intant donné). Calcul répétitif automatié, prédictif ou rétropctif, intégrant la notion d horizon d tmp (hur par hur, jour aprè jour, bilan annul par découpag n main, tc). Mot Clé. énrgi, utilité, gtion, réduction d coût, optimiation, imulation

2 UTILISER LA MODELISATION POUR REPONDRE AUX DEFIS DE LA GESTION DES CENTRALES DE PRODUCTION D ENERGIE L Uin d Elctricité d Mtz (UEM) L uin d élctricité d Mtz t un xmpl d réau d chauffag urbain. D façon trè chématiqu, c it produit dux utilité : l au chaud urchauffé pour alimntr l chauffag urbain d la vill t l élctricité. Pour c fair, la cntral conomm dux combutibl: l charbon t l gaz naturl. Un uin d incinération produit égalmnt d la vapur utilié par la cntral d production. Structur d l uin d production La cntral compo d : 3 réaux vapur (60 bar (HP), 12 bar (MP) t 2,5 bar (BP)) ; 4 chaudièr à charbon, dux générant d la vapur ur HP, dux générant d la vapur ur MP 1 dégazur fourniant l au alimntair aux chaudièr à charbon t aux chaudièr d récupération. 1 turbin à combutibl au gaz naturl («turbin à gaz») avc un cacad d échangur d récupération ur l fumé prmttant d récupérr d la vapur HP, d la vapur MP t prmttant au final un préchauffag du réau d au urchauffé (économiur). 2 turbin à condnation conncté au réau MP, produiant d l élctricité t rcyclant l condnat vr l dégazur. 1 turbin à contr-prion t à outirag conncté ntr l réaux HP, MP t BP. 1 turbin à contr-prion t à outirag fonctionnant ntr HP t MP (turbin à outirag), l échappmnt (prion d orti fixé à 1,5 bar) alimntant un réchauffur du réau d au urchauffé. Pluiur vann d déurchauff, diponibl ntr l réaux, n particulir l vann d contournmnt d turbin à outirag. Un réau d au urchauffé prmttant l réchauffag d la boucl d au. C réau t contitué équntillmnt d l économiur précédmmnt mntionné, du réchauffur utiliant la vapur d échappmnt d la turbin à outirag, d un cond réchauffur utiliant d la vapur BP t nfin d un préparatur d au prmttant d ajutr la tmpératur d orti d l au par injction d vapur MP (l trop plin du préparatur t rcyclé vr l dégazur). Par aillur, la cntral put importr d la vapur d un uin voiin. Ct apport xtériur t fatal (débit fixé), à un prix prédétrminé. La cntral alimnt l uin voiin n au dégazé (nécair à la production d vapur). Contraint d production La contraint d production majur conit à fournir la puianc thrmiqu d conign au réau d au urchauffé. En fonction du jour (dan l anné) t d la tmpératur ambiant, la conign t un puianc thrmiqu qui traduit ou la form d un débit t d un tmpératur, pour la production d au urchauffé. Concrètmnt, l débit d au du réau d au urchauffé vari ntr 150 t 1300 t/h. La contraint d production conit donc à réchauffr l débit d circulation d a tmpératur d rtour (ordr d grandur 80 C) à a tmpératur d conign, (dit «tmpératur d départ cntral», ntr 140 t 180 C, n fonction d la tmpératur xtériur). Parallèlmnt, la production élctriqu «co-généré», obtnu par la turbin à combutibl t l quatr turbin à vapur (2 turbin à outirag, 2 turbin à condnation), t rvndu. Difficulté d organiation d la production t objctif du projt d rationaliation La difficulté d organiation conit à décidr d l ngagmnt d différnt matéril, au rgard d la charg d production. En fonction d la conign ur l réau d chauffag urbain, d tarif d achat d matièr prmièr t du tarif d rvnt d l élctricité, qul doit êtr l ngagmnt d la turbin à gaz, d chaudièr t d différnt turbin?

3 L problèm réultant t donc tchnico-économiqu, l objctif étant d minimir l coût d production (ou maximir l gain d production) n rpctant l conign d puianc thrmiqu ur l réau d au urchauffé t n utiliant un modèl d rpréntation d l uin qui oit fiabl t réalit, du point d vu d contraint tchniqu d production, tout particulièrmnt. Modéliation L approch rtnu dan Arian t un approch modulair. Chaqu «équipmnt» (au n larg du trm, un chaudièr t un équipmnt, un réau aui) génèr on propr ytèm d équation t l modèl global t contruit à partir d la ommation d c contraint local, à laqull on ajout l contraint global (contraint d émiion polluant, contraint d approviionnmnt ). Il n t pa poibl ici d détaillr l intégralité d équation manipulé. Nou focalion la modéliation ur l ca d la chaudièr à charbon t d un turbin à vapur. Modèl d équipmnt : chaudièr à charbon D façon trè chématiqu, l combutibl t rprénté par un prix t un PCI (n fait, il put êtr décrit d façon baucoup plu détaillé, notammnt n trm d compoition pour la caractériation d émiion polluant ). La chaudièr utili la notion d rndmnt. L rndmnt t modélié comm un fonction quadratiqu d la charg nthalpiqu d la chaudièr : avc : η η = a.q 2 + b.q + c rndmnt d référnc, Q charg util d la chaudièr (variation d débit nthalpiqu ntr ntré t orti d la chaudièr), a, b, c paramètr d la courb d rndmnt rnigné par l'utiliatur. L rndmnt t défini pour d condition d référnc n trm d air ntrant (tmpératur, xcè). Il t corrigé automatiqumnt i l condition opératoir pour l air ntrant diffèrnt d l état d référnc, oit n tmpératur, oit n xcè. avc : Q comb débit d combutibl conommé, Q charg util d la chaudièr, η 1 Q Qcomb = η1. PCI rndmnt corrigé d la chaudièr, PCI pouvoir calorifiqu infériur du combutibl (= PCS / 1.1). Modèl d équipmnt : turbin Un turbin (ou un aociation d turbin pour l turbin à outirag t l turbin à condnation) t caractérié par la notion d rndmnt intropiqu. C rndmnt t modélié comm un fonction quadratiqu d la puianc réll produit : Equation d conrvation d l'ntropi : ( T,P ) S ( T, P ) S = Equation d calcul du travail maximum dan l condition intropiqu :

4 avc : W max = H ( T,P ) H ( T, P ) S, S ntropi d'ntré t d orti d la vapur, H, nthalpi d'ntré t d orti d la vapur, H W max T P P T travail maximum fourni par la turbin (ou form d'élctricité), tmpératur flux ntrant, prion flux ntrant, prion flux ortant, tmpératur du flux ortant dan d condition intropiqu. Equation d rndmnt intropiqu : avc : η W rél η = W W rél max H = H rndmnt intropiqu d la turbin, travail rél fourni par la machin. Exprion du rndmnt ou form quadratiqu : 2 ( T, P ) H ( T, P ) ( T, P ) H ( T, P ) η = a Wrél + b Wrél + c où a, b, c ont d cofficint défini par l'utiliatur pour caractérir la turbin. C cofficint intègrnt implicitmnt l rndmnt énrgétiqu d la chaîn mécaniqu t du turbo. A partir d là, la réolution prmt d'accédr au travail rél fourni par la turbin (élctricité généré ur l it). Il t à notr qu l travail 'xprim n kw dan l'xprion précédnt du rndmnt. Globalmnt, chaqu équipmnt t rprénté par un ytèm d équation qui diffèr lon l choix d l utiliatur. Au final, compt tnu d option d modéliation rtnu, l ytèm à réoudr t non linéair (au moin pour l modèl d rpréntation d réaux qui formulnt ou la form d un mélangur idéal, générant un équation d bilan énrgétiqu bi-linéair N ( i = F i. H i = Fml. H 1 ml )). Il t réolu n imulation par un méthod d Nwton multi-variabl t n optimiation par un méthod d programmation quadratiqu ucciv (SQP), intégré au in du calculatur. L intérêt évidnt d la méthod t la génération automatiqu du problèm mathématiqu, à partir d donné rnigné par l utiliatur au nivau d l intrfac graphiqu (paramètr d la courb d rndmnt, condition opératoir, contraint tchniqu, mod d fonctionnmnt ). L modèl put donc êtr modifié trè aiémnt (ajout d un équipmnt t d contraint aocié ou modification d paramètr d courb d rndmnt par xmpl, modification d conign d production, d tarif ). L logicil dipo égalmnt d un méthod d initialiation fficac, pour l calcul d optimiation. Concordanc modèl / mur Compt tnu d donné diponibl ur it, l modèl d rpréntation d équipmnt put êtr influncé. Par xmpl, pour l chaudièr, l débit d combutibl ntrant n t pa muré, contrairmnt au débit vapur généré. Pour l chaudièr, l mod d rpréntation rtnu pour la imulation t donc un mod «à débit d vapur fourni». Dan l mêm prit, l turbin n ont pa parfaitmnt équipé n intrumnt d mur d débit. En rvanch, l puianc élctriqu ont accibl. Il a donc été rtnu d modèl «à puianc fourni» pour l turbin à vapur.

5 La contruction du modèl global obéit donc à un crtain nombr d règl, t dépnd notammnt d la diponibilité d mur pour caractérir l ca d march d la cntral. Modèl d la cntral avc Arian L modèl d cntral d l UEM obtnu avc l logicil ARIANE, t prénté ur la figur ci-aprè. Calcul avc l modèl dévloppé dan ARIANE Avc l modèl diponibl, l potntil d calcul t important t offr d poibilité divr : Simulation : à partir d donné, la imulation prmt d caractérir un ca d march, c t à dir d chiffrr l coût d production (coût d xploitation incluant évntullmnt la maintnanc t l invtimnt). Si l donné ntré ont l mur du momnt, ur it, la imulation chiffr xactmnt l coût d production intantané. C coût d xploitation t égalmnt formulé ou la form d coût moyn d production pour tou l fluid d la cntral t pour l élctricité produit dan tou l équipmnt. En rlâchant crtain contraint choii, l problèm tranform n problèm d optimiation. L optimiur va minimir l coût d xploitation t fournir l ca d march optimal (ngagmnt d chaqu matéril d façon à optimir la production, d un point d vu économiqu), tout n rpctant l contraint tchniqu défini. A partir d un ca courant, l calcul d coût marginaux t égalmnt poibl, pour chaqu utilité produit. Calcul ytématiqu Structuration d donné - Lin au ytèm d contrôl - Optimiation n lign L donné t réultat du modèl d la cntral ont été architcturé ou la form d un arborcnc xml (tranfrt automatiqu d un modèl Arian au format xml). Ctt arborcnc prmt un manipulation plu intniv d donné, t autori l importation maiv d donné, notammnt n provnanc du ytèm d contrôl du it. La connxion au ytèm d contrôl étant ffctué, il t alor poibl d lancr d calcul n injctant n bloc dan l logicil tout l mur tmp rél du it.

6 En un ul action, l outil prmt aini d récupérr l donné tmp rél, d lancr l calcul (imulation t/ou optimiation) t d archivr l réultat : l outil mi n œuvr t un calculatur n lign. Add-In L arborcnc xml procur déjà un facilité d utiliation du modèl, n trm d ntré d donné t d xportation d réultat. L ncapulation d ctt architctur ou la form d un objt COM/DCOM prmt d allr ncor plu loin dan l procu, n offrant la poibilité d pilotr l calculatur dpui n import qull application upportant ctt tchnologi. L Add-In d Arian aini conçu put donc utilir dpui Excl pour réalir l équnc uivant : Récupérr l donné d intérêt Tranformr l donné lorqu nécair (ébauch d réconciliation) Lancr tout typ d calcul Récupérr l réultat dirctmnt dan l application Excl L avantag principal d ctt Add-In t la poibilité d réalir d boucl d calcul, pour rpréntr d équnc d production, d périod ucciv (multi-périod) ou pluiur it (multi-it). La réaliation d bilan put par xmpl fair trè implmnt n réaliant un boucl ur tou l ca d march archivé d la périod vié par l bilan. Utiliation d l outil t prpctiv d évolution La mi n lign ur l it d l UEM étant, à c jour, ncor récnt, il t prématuré d tirr d concluion ur l gain financir généré uit à c projt d mi n œuvr d l outil ur it. C qui t crtain, c t qu la mi à dipoition d un modèl d rpréntation fiabl du it d production contitu déjà un étap fondamntal dan un procu d rationaliation d la production. L évolutivité du modèl (poibilité d ajout d contraint upplémntair, ajout d nouvaux équipmnt, modification aié d paramètr d modéliation d équipmnt ) garantit un utiliation continu ur l long trm, l modèl évoluant implmnt n mêm tmp qu la réalité du it d production. L utiliation ytématiqu d l outil, c t à dir l rcour au modèl pour gérr la production n tmp rél prént un potntil d gain non négligabl, à la foi n trm d tmp (la olution d production t fourni quai-intantanémnt) mai égalmnt n trm financir (garantir un politiqu d production économiqumnt optimal t tchniqumnt réalit, à chaqu intant). Par aillur, l utiliation d l Add-In offr la poibilité d réalir d bilan xtrêmmnt préci. A titr d xmpl, l bilan annul d émiion polluant (CO 2, SO 2 ) put êtr réalié par un impl compilation automatiqu d tou l ca d march archivé d l anné. C t ici ncor un gain n tmp t n préciion. Enfin, la préparation d budgt (préviion d achat d matièr prmièr ur l anné) put aui êtr réalié d façon trè fin. Un drnièr étap put ncor êtr franchi, pour gérr complètmnt l contraint à horizon d tmp, n l intégrant au in du ytèm à optimir. L travaux ont n cour ur c ujt t conduiront au final à un véritabl outil d planification d la production (optimiation multipériod «vrai»), capabl par xmpl d optimir la production dan l cadr d un contrat d cogénération d élctricité ur périod hivrnal. Si N ca d march rpréntnt un périod, l Add-in prmt pour l intant d réalir N optimiation ucciv (t indépndant) t d calculr l réultat ur tout la périod (totaliation d N réultat). La planification prmttra d impor un production ou un contraint ur la périod t d ajutr l production d N ca d march d façon à obtnir un optimum global ur tout la périod.