Optimalizácia prietoku plynu pre UGS

Skúsenosti a prínosy metód optimalizácie toku plynu v NAFTA a.s.

Ladislav Barkoci NAFTA a.s., Tomáš Rajčan IPESOFT s.r.o.

 

Podzemné zásobníky plynu (UGS) predstavujú jedinečnú infraštruktúru kombinujúcu zásobník s plynovými povrchovými zariadeniami. Jeho flexibilné používanie podľa požiadaviek zákazníkov dodáva dodatočnú komplexnosť a tým zvyšuje dopyt po správnom riadení tokov plynu. Najdôležitejšou časťou variabilných nákladov každého skladovania je spotreba paliva na kompresné práce (plyn alebo elektrickú energiu) na vtláčanie plynu, ale aj na ťažbu v závislosti od skladovacích charakteristík. Zvýšenú efektivitu možno dosiahnuť inštaláciou účinnejších kompresorov, ktoré sú hlavnými spotrebiteľmi energie. Riadenie dispečingu skladovania tiež môže výrazne prispieť k efektívnejšej prevádzke. Na podporu dispečingu vo svojich rozhodovacích procesoch spoločnosť NAFTA spolu so softvérovou spoločnosťou IPESOFT zaviedla softvér na optimalizáciu tokov plynu.

 

1

UGS NAFTA a.s. svojou štruktúrou a charakterom patrí do kategórie "komplexných" skladov, kombinujúcich niekoľko zásobníkov s rôznymi charakteristikami prostredníctvom zjednotenej infraštruktúry do jedného virtuálneho úložiska.

Úložný komplex NAFTA využíva 8 vstupných/výstupných bodov, 11 odberných miest, 13 zásobníkov,14 kompresorov a početné uzly potrubí s rôznymi tlakovými úrovňami.

Okrem toho je zásobník prepojený s niekoľkými potrubnými sieťami. Ak vezmeme do úvahy množstvo plynu vtláčaného a ťaženého pri uskladňovaní, dokonca aj úspory vo výške niekoľkých percent spotreby paliva môžu viesť k výrazným ekonomickým výhodám v priebehu roka.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vo všeobecnosti existujú dve varianty optimalizácie, ktoré aplikujeme v našom úložisku:

 

  1. Dlhodobá optimalizácia a simulácia sa väčšinou používa na maximalizáciu rýchlostí vtláčania/ťažby a skladovacej kapacity systematickým monitorovaním a kontrolou procesu vtláčania/ťažby.
  2. Krátkodobá optimalizácia zameraná na zníženie spotreby paliva zahŕňa optimalizáciu tokov plynu, pracovné zaťaženie kompresora, zníženie poklesu tlaku a zníženie prevádzkových chemických látok. Hlavnou úlohou takejto optimalizácie je návrh toku plynu, aktíva na spracovanie tohto toku a jeho parametrov, čo vedie k minimalizácii KPI (hlavne palivového plynu)

 

 

Celkový proces denného riadenia a alokácia štandardných UGS podporovaných špecializovaným optimalizačným softvérom, je znázornený nižšie:

2

 

Hlavné funkcie optimalizačného softvéru, ktorý NAFTA vyvinula spolu s IPESOFT:

 

  1. Zhromažďovanie údajov o nomináciách zákazníkov, stav každého zásobníka a dostupnosť podpovrchových a povrchových zariadenií na spracovanie plynu, geologické priority, podmienky TSO, sieť DSO, najmä tlaky a kapacity vstupných/výstupných bodov.
  2. Výpočet a odporúčanie riešenia dispečerovi o optimálnom toku plynu v rámci skladovania. Realizované optimalizačné algoritmy zabezpečujú splnenie nominácií klientov s minimálnou spotrebou energie na kompresiu a spracovanie pri rešpektovaní všetkých vstupných obmedzení, dostupnosti a technických/bezpečnostných limitov.
  3. Podávanie správ o vybraných údajoch, o skutočnej efektívnosti a efektívnosti prevádzky a riadenia skladovania.

 

V reálnom živote je situácia zvyčajne oveľa náročnejšia. Vyvinuli sme špeciálny prístup, ktorý je založený na myšlienke iteračnej procedúry, ktorá nájde optimálne riešenie po niekoľkých iteráciách. Každá z nasledujúcich opakovaní zvyšuje presnosť výpočtu, a ak je to možné, znižuje aj počet uzlov a potrubí. Algoritmus zahŕňa tieto kroky:

 

  1. Vstupné údaje a príprava - načítanie, vyhodnotenie a spracovanie údajov z rôznych zdrojov cez integračnú platformu.
  2. Prvý optimalizačný beh- navrhnutie počiatočnej cesty toku plynu vzhľadom na minimálne prevádzkové limity kompresorov bez akejkoľvek optimalizácie.
  3. Druhý optimalizačný beh - zvýšenie presnosťi  prietoku plynu, pri ktorom sa zohľadňuje tlak použitého potrubia a technologické limity kompresorov.
  4. Úplné optimalizačné cykly - beh niekoľkých iteračných cyklov s optimalizáciou spotreby s využitím detailného stavu zásobníkov a stavu  infraštruktúry. Navyše potrubia, ktoré sa používajú okrajovo, sú vylúčené z nasledujúcich cyklov ("vyrezávanie") a charakteristiky použitých potrubí sa vypočítavajú s vyššou presnosťou až do nájdenia optimálneho riešenia. Celý výpočtovy algoritmus je založený na matematickom modely s použitím Simplexovej metódy a metódy Branch & Bound.

               

    Matematický model

  • Lineárne podmienky: 13000 (riadky matice)
  • Premenné: 4500 (maticové stĺpce)
  • reálne premenné: 3100
  • binárne premenné: 1400
  • nenulové premenné: 32 000
  • Čas výpočtu: 10 sekúnd do minúty
  • Výpočet je prerušený časovým limitom

 

    Kritériá optimalizácie

  • Maximalizovať nomináciu klienta (cieľom je splniť nomináciu na 100%)
  • Minimalizovať počet potrubí
  • Rešpektovať geologické priority (priority zásobníkov)
  • Minimalizovať škrtenie na potrubiach
  • Minimalizovať straty na potrubiach
  • Minimalizovať spotrebu paliva v kompresoroch

 

   Výstupy optimalizácie

  • Celková redistribúcia tokov plynu
  • Použíté toky plynu  a ich tlakové úrovne (s vizualizáciou)
  • Výber najvhodnejších zásobníkov
  • Výber najvhodnejších kompresorov
  • Výber najvhodnejších meracích trás

 

Optimalizačný softvér bol uvedený do štandardnej prevádzky v NAFTA v roku 2017 po viac ako 2 rokoch vývoja a testovania. Jeho rozhranie je znázornené na obrázku nižšie.

3

Na účely hodnotenia sme sa rozhodli použiť porovnanie výsledkov navrhnutých softvérom a dispečerskou manuálnou kontrolou vtláčania v roku 2017. Celkovo bolo vyhodnotených viac ako 100 dní (scenárov). Existujú dve kategórie denných nominácií:

 

  1. Štandardné scenáre - voľný prietok pri ktorom je potrebných menej ako 4 kompresory
  2. Komplexné scenáre - vyžaduje viac ako 4 kompresory

 

Na základe týchto údajov môžeme odhadnúť, že celkové úspory dosiahnuté použitím

Optimalizačného softvéru, sú viac ako 4%.

Z týchto komplexných scenárov bolo doručených viac ako 3%.

4

 

Výsledky tiež ukazujú, že v takmer v 20% scenárov bola úspora paliva 10%
alebo viac, čo je pomerne významný úsporný potenciál.

5

 

 

Skutočné výsledky ukazujú, že implementácia prináša finančné aj nefinančné výhody. Najdôležitejšie výhody sú:

 

  • Znížená spotreba paliva - celkové úspora je viac ako 4%,
  • Predvídateľné variabilné náklady na skladovanie,
  • Sústredenie nákladov na údržbu na najdôležitejšie aktíva,
  • Optimalizácia návrhu siete a infraštruktúry,
  • Zvýšenie prevádzkovej bezpečnosti,
  • Formalizácia procesov plánovania,
  • Štandardizácia podporných služieb medzi obchodným a technickým dispečingom,
  • Rastúci počet obchodných partnerov,
  • Flexibilné komerčné produkty,
  • Vyhodnotenie efektívnosti prevádzky skladovania,
  • História dohodnutých plánov, parametrov a bilancií.
  • Podpora neustáleho zlepšovania celkovej efektívnosti.

 

 

Topics: Napísali sme, Priemysel

Za IPESOFT pre Vás napísal

Tomáš Rajčan

Tomáš Rajčan

Head of Energy utilities and Manufacturing

e-mail: rajcan.tomas@ipesoft.sk