Снижение топливных затрат: кейс цифрового двойника системы теплоснабжения от ЭТС-Цифра

Когда мы только начинали разработку продукта, цифровые двойники в энергетике чаще были темой для конференций, чем реальными инструментами. Нам же нужно было создать систему, которая бы могла отвечать на практические вопросы: что будет, если отключить котел на ремонт? Как новая жилая застройка повлияет на эффективность загрузки теплоисточника? Где найти оптимальный баланс между экономикой и экологией?

Мы отказались от подхода «сделать еще одну систему мониторинга» и пошли по пути создания гибридной платформы ITwin Teplo. Ее ключевое отличие — объединение двух разнесенных моделей: гидравлической схемы тепловых сетей и расчетной модели источников генерации.

Вызовы теплоснабжения в крупных городских районах

В системе теплоснабжения крупных российских городов сотни источников тепла, от крупных ТЭЦ до квартальных котельных с разными владельцами. Каждый владелец десятилетиями работает автономно, оптимизируя только свои показатели и свои предприятия. Результат? В общей картине города системные потери, пережоги топлива и выбросы на грани нормативов ПДВ. Проблема изолированных массивов данных здесь видна в полной мере: разрозненные АСУ ТП, Excel-отчеты и бумажные схемы не дают корректной полной картины.

ЭТС-Цифра" разработала в своей системе электронную модель участка теплосетевого энергоузла одного из районов крупного мегаполиса с двумя котельными. Главный вызов здесь — та самая разобщенность интересов двух теплоснабжающих объектов, когда решения по нагрузке объектов принимаются индивидуально, что приводит к работе системы в неоптимальном режиме.

Эта разобщенность порождает для заказчиков три ключевых вопроса:

1. Как отключение одного из котлов на станции для планового ремонта повлияет на работу и экономические показатели предприятия?

Проблема: нескоординированная работа источников приводит к перерасходу топлива. Когда два близлежащих источника работаюттолько на физически подключенных потребителей, один может быть недогружен, а другой — работать на полную мощность. Суммарный расход топлива в таком случае всегда выше оптимального. Ежегодные потери исчисляются тысячами тонн условного топлива (т.у.т.), что в конечном итоге конвертируется в десятки и сотни миллионов рублей упущенной выгоды и повышенной нагрузки на тарифную составляющую.

1. Как запуск новой очереди жилой застройки скажется на выбросах конкретной котельной?

Проблема: в городе из нашего кейса на 2022 год фиксировались значительные объемы выбросов: оксидов азота (NOₓ) — порядка 37 000 тонн в год, оксида углерода (CO) — около 5 500 тонн в год. Запуск новых жилых комплексов увеличивает нагрузку на теплосеть и, соответственно, приводит к увеличению выбросов.

1. Какой режим работы предприятия будет наиболее эффективным, как в экономическом, так и в экологическом плане?

Проблема: сейчас принятие решений на основании неполной картины часто обосновывается соображениями «надежности». Диспетчер не может оценить, как включение или выключение одного источника скажется на режимах работы соседних объектов и на состоянии сети в целом. Нет инструмента для того, чтобы проанализировать различные сценарии и выбрать наилучший. В итоге работа происходит вслепую, когда управление происходит реактивно, по факту возникновения проблем, а не проактивно — на основе прогноза и оптимизации.

Таким образом, задача стоит не в том, чтобы просто оцифровать существующие процессы, а создать комплексную систему оптимизации данных, реализацией которой и является ITwin Teplo.

Решение и реализация

Представьте: диспетчер видит не просто цифры телеметрии, а целостную картину. Система показывает, как изменение нагрузки на одном конце района скажется на режиме работы оборудования на другом конце. Например, при плановом отключении котла система сразу рассчитывает варианты перераспределения нагрузки с учетом текущего состояния сетей и оборудования.

В ITwin Teplo это стало возможным благодаря тщательной работе с данными. Нам пришлось провести настоящую детективную работу: сводить в единую систему данные из разных форматов, очищать их от аномалий, калибровать модель по фактическим показаниям. Особенно сложной оказалась валидация гидравлической модели — пришлось подбирать коэффициенты по кругу, пока расхождения с реальными данными не сократились до 2-3%.

Основной вызов заключается в банальном обеспечении производительности. Гидравлический расчет даже для отдельно взятого района — очень затратная задача. Мы реализовали гибридный подход: для оперативной работы используем упрощенные методы, а для глубокого анализа и планирования — запускаем точные расчеты по заранее заданному графику.

В итоге получилось обеспечить постоянный обмен данными между гидравлической моделью теплосети и расчетами источников теплоснабжения, позволяя, анализировать последствия любых изменений для всей системы:

— Если в сети растет нагрузка, cистема покажет, какие именно источники необходимо загрузить, чтобы покрыть ее с наименьшим расходом топлива.

— При планировании ремонта система рассчитает, как перераспределить нагрузку на другие источники тепла, чтобы обеспечить поддержание необходимого температурного и гидравлического режима у конечного потребителя.

— При изменении тарифов или экологических нормативов можно рассчитать новые оптимальные режимы работы для заданных теплоисточников.

Цифры из реального кейса

Ценность технологии проявляется в конкретных расчетах. Применение ITwin Teplo дало нам цифры, которые показывают возможный эффект от оптимизации.

Ключевые достижения проекта:

Экономическая эффективность:

1. По результатам моделирования была выявлена экономия топлива в 3600 тонн условного топлива (т у.т.) в год, что сопоставимо с 25 млн. рублей. Цифра была получена за счет оптимального перераспределения нагрузок между котельными и внутри котельных между оборудованием

Экологические показатели:

1. Снижение выбросов загрязняющих веществ до 2,5% от общего количества (на практике может достигать до 7 тонн в год, включая оксиды азота (NOₓ) и оксид углерода (CO)), что существенно улучшает экологическую ситуацию в городе.
2. Сокращение выбросов парниковых газов до 6 тыс. тонн CO₂-эквивалента в результате уменьшения объемов сжигаемого топлива и оптимизации режимов работы оборудования.

Наш цифровой двойник включает переход от эмпирического управления к точной оптимизации на основе фактических и прогнозных данных с использованием фактических характеристик:

До внедрения: Распределение нагрузок основывалось на приблизительных расчетах и исторических данных без учета актуального состояния системы.

После внедрения: Система ITwin Teplo обеспечивает расчет оптимальных режимов работы с учетом:

1. Реального состояния тепловых сетей и оборудования источников тепловой энергии и их возможностей;
2. Фактических характеристик основного и вспомогательного оборудования;
3. Экономических параметров (стоимости топлива, тарифных условий и т.д.)

Анализ работы системы после оптимизации наглядно демонстрирует достигнутые улучшения:

Помимо количественных показателей, проект обеспечил важные качественные изменения:

1. Повышение прозрачности управления системой теплоснабжения
2. Сокращение времени принятия решений при изменении эксплуатационных режимов
3. Возможность моделирования последствий планируемых изменений в системе

Полученные результаты подтверждают, что цифровой двойник системы теплоснабжения представляет собой не теоретическую разработку, а практический инструмент, который уже сегодня вносит измеримый вклад в экономическую эффективность и экологическую устойчивость городской инфраструктуры.

Почему это только начало

Описанный пример и реализованные в нем подходы мы рассматриваем не как конечную точку ЭТС-Цифра, а как удачную реализацию в сложной и многоуровневой задаче в едином энергоузле. Он показал, что комплексный подход работает.

Главное, что изменилось для диспетчеров и инженеров — появилась возможность смотреть вперед. Раньше решения принимались по факту: давление упало — нужно включать дополнительный насос; температура на улице понизилась — пора растапливать еще один котел. Теперь же работа строится на основе прогноза — система ITwin Teplo рассчитывает наиболее оптимальные режимы, максимально приближенные к реальной ситуации энергетического узла.

Сейчас мы работаем над развитием системы. В перспективе — интеграция с другими системами городского хозяйства, в том числе и по электроснабжению. Это откроет возможности для синергии и поиска общегородского оптимума. Ну а настоящая ценность цифровых двойников раскроется в полной мере, когда они станут не единичными проектами, а стандартным инструментом управления энергетической инфраструктурой.

Авторы: эксперты ЭТС-Цифра