Зачем энергетике цифровые двойники?
Цифровизация не обошла стороной объекты энергетики: в контексте четвертой промышленной революции и интернета вещей у тепловых сетей и ТЭЦ повсеместно появляются цифровые двойники. Это виртуальные прототипы реальных энергосистем, созданные на основе взаимосвязанных компьютерных моделей. Они отображают бизнес-процессы оригинала и помогают в режиме реального времени отслеживать параметры работы оборудования и эффективно управлять ими. Как работают умные помощники в сфере энергетики и какие перспективы их использования в России — читайте в материале «Моей энергии».
Сегодня цифровой двойник энергетической системы — главный инструмент интеллектуального управления объектами энергетической инфраструктуры в условиях, когда люди физически не успевают оперативно и безошибочно обрабатывать огромные массивы данных, выявлять зависимости между технологическими процессами и находить оптимальное решение.
Главные цели цифровых двойников — уменьшение аварийности, повышение эффективности бизнес-процессов, предотвращение технологических рисков. По мнению экспертов и участников рынка, следствием масштабного внедрения искусственного интеллекта в энергетике в перспективе может стать снижение конечных цен на отопление и горячую воду для потребителя и сокращение операционных расходов для энергокомпаний.
Как это работает на энергоисточниках
Цифровой двойник связывает все элементы энергообъекта воедино и дает представление о его полном жизненном цикле. Он обучаем: умеет находить, анализировать, прогнозировать и даже предотвращать нежелательные ситуации во время эксплуатации объекта. Рабочие будни такого двойника выглядит так: сначала «умная» система сверяет компьютерное представление оригинала с данными из реального мира, учитывая, например, температуру наружного воздуха, влажность и другие параметры. Далее система оповещает персонал и учится на основе принятых решений, после чего прогнозирует изменения тех или иных процессов реального прототипа с течением времени.
Так, на источниках генерации цифровое «зеркало» занимается мониторингом и оптимизацией режимов работы оборудования. Интеллектуальные «дублеры» помогают выбрать наиболее эффективный режим работы ТЭЦ благодаря оптимизации расхода топлива, с учетом задачи по повышению маржинальной прибыли. С помощью цифрового двойника энергетики узнают в режиме онлайн, сколько тепловой энергии требуется тому или иному потребителю, и могут регулировать температурный режим, устанавливая комфортную температуру, без так называемых «недотопов» и «перетопов». Наконец, цифровой двойник на электростанции позволяет грамотно планировать ремонт оборудования и управлять им.
Экономический эффект от внедрения умных помощников оправдывает ожидания. Так, за год работы системы на современной автоматизированной ТЭЦ «Академическая» в Екатеринбурге повреждаемость теплосетей снизилась на 10%, на 1,5% сократились тепловые потери, а необходимость отключения горячей воды в домах на время летних гидравлических испытаний просто-напросто отпала.
Еще один очевидный плюс работы виртуальных двойников — безопасность. Цифровая модель помогает менять параметры работы оборудования гораздо быстрее и безопаснее, чем во время экспериментов на оригинальных объектах. Например, на одном из европейских объектах система предиктивной (предсказательной) аналитики Schneider Electric спрогнозировала выход их строя компрессора почти за три недели до того, как это произошло. Предотвратив столь масштабный технологический сбой, компания смогла сэкономить 3,2 млн долларов.
Как это работает на тепловых сетях
Система виртуальных двойников постепенно опутывает и тепловые сети. От мониторинга состояния трубопроводов напрямую зависит надежность теплоснабжения жилых домов и социальных учреждений. Инновационная диагностика, позволяющая вовремя находить дефекты на сетях на ранней стадии, существенно облегчает решение этой задачи.
Системы различаются по способу сбора данных и, как следствие, навыкам. Так, Санкт-Петербургским политехническим университетом им. Петра Великого по заданию Минобрнауки был разработан проект цифрового аналога трубопроводных систем теплосети для коммунальных служб Санкт-Петербурга. Технология заключается в беспроводной передаче данных от датчиков, подключенных к теплосетям, при помощи модема с LoRaWAN-модулем (Long Range wide-area networks — дальний радиус действия). Устройства считывают параметры температуры, влажности, расхода воды и давления воды в трубе, передают информацию по радиоканалу через модем на базовую станцию, а от нее через интернет или сотовую связь в диспетчерскую. В ходе тестирования система доказала работоспособность и надежность. Результатом испытаний стало обнаружение повреждений на тепловых сетях, причем датчики указали местонахождение дефекта с высокой точностью.
Более того, новые технологии научились «предсказывать» дефекты на трубопроводах. Система акустических датчиков, установленных на теплосетях или сетях водоснабжения, на основе измерения уровня шума в теле трубы сравнивает данные с базовым сигналом и в случае отклонения от него с высокой точностью определяет место и время возникновения возможного дефекта. Специалисты получают тревожный сигнал в специальной программе.
Таким образом, теплоэнергетики заранее узнают о потенциальных слабых участках и проводят превентивный ремонт, тем самым предотвращая возникновение технологических нарушений на теплосетях с вытеканием теплоносителя и минимизируя риск причинения ущерба третьим лицам.
Учитывая, что система указывает точный адрес нарушения, специалистам не требуется проводить масштабные земляные работы, чтобы найти дефект. Как следствие — система помогает оптимизировать финансовые и временные затраты на ведение ремонтных работ.
В рамках концепции Smart City все большую популярность набирают технологии, которые следят за безопасностью объектов энергетической инфраструктуры. В сфере теплоснабжения к таковым можно отнести датчики, которые сообщают об открытых люках в тепловых камерах. При отклонении крышки от фиксированного положения больше, чем на 3 градуса, ответственным сотрудникам приходит соответствующее сообщение. На место срабатывания сигнала для проверки и устранения нарушений оперативно приезжает бригада. Таким образом, благодаря дистанционному мониторингу люков у энергетиков есть возможность не допускать инцидентов и пресекать кражи оборудования. Принцип работы датчиков основан на сети NB-IoT — специальной сети промышленного интернета, способной передавать сигнал даже из самых труднодоступных мест и работать до 10 лет без подзарядки или замены аккумулятора. Помимо повышения безопасности жителей, новые технологии оптимизируют трудовые ресурсы, в частности, труд обходчиков, и повышают эффективность операционной деятельности.
Масштабному внедрению цифровых двойников препятствуют время и большие объемы инвестиций. Чем глубже должна быть проработана цифровая копия объекта, тем больше времени потребуется на проект. Даже если у предприятия уже собран достаточный массив данных о работе объекта, то на создание цифрового двойника, по оценке экспертов, может уйти от трех месяцев до полутора лет.
Тем не менее, важность BIM-моделирования в энергетике — технологии, которая создает цифровую модель, — подчеркивают и в Минэнерго. «Мы возлагаем большие надежды на драйверов основного рынка, которые пройдя этот путь, может быть, набьют где-то шишки, но покажут применимость этих инструментов, и мы с удовольствием будем их использовать», — сообщил заместитель Министра энергетики Павел Сниккарс.