Снижение топливных затрат: кейс цифрового двойника системы теплоснабжения от ЭТС-Цифра
В российской энергетике о цифровых двойниках говорят много — но часто представляют как некую красивую картинку, не понимая практической пользы. Мы хотим рассказать, как эта технология применима в теплоснабжении и позволяет решить множество вопросов, связанных с отсутствием координации между ведомствами.
В компании ЭТС-Цифра мы взялись за задачу создания цифрового двойника, который не просто отображает данные, а становится инструментом для комплексной оптимизации: совместной работы источников теплоснабжения и тепловых сетей с учетом реальных теплогидравлических процессов. В этом материале мы покажем, как геоинформационная система ITwin Teplo, объединившая в себе электронные модели тепловых сетей и генерации в единое целое, предложила решение технологической задачи и выявила потенциал снижения выбросов загрязняющих веществ до 2,5% и экономии топлива до 2%. Этот пример демонстрирует, что будущее цифровизации не в точечных решениях, а в комплексных платформах по типу «источник-сеть-потребитель».
От теоретической модели к практическому инструменту
Если отбросить маркетинговые определения, то в основе любого цифрового двойника (ЦД) лежит простая, но мощная идея: создание цифровой копии физического объекта или процесса, которая позволяет моделировать, прогнозировать и оптимизировать его работу.
Важно понимать какие бывают цифровые двойники. Существуют:
- Цифровой двойник изделия/компонента (например, виртуальная модель насоса или турбины с мультифизическим моделированием).
- Цифровой двойник системы/процесса — более сложный объект, интегрирующий множество компонентов и данных.
Дорожная карта развития «сквозной» цифровой технологии «Новые производственные технологии» (утверждена Министерством цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации) прямо определяет цифровой двойник как технологию-интегратор. Важным шагом стало принятие в 2021 году одного из первых в мире национальных стандартов в этой области — ГОСТ Р 57700.37-2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения». Этот документ закладывает терминологический фундамент и отделяет настоящие ЦД, как инструменты моделирования объектов с обновлением данных и расчетов, от статических цифровых моделей и визуализаций.
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:
- 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.
- 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.
- 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:
- 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:
- 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.
- 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:
- Реального состояния тепловых сетей и оборудования источников тепловой энергии и их возможностей;
- Фактических характеристик основного и вспомогательного оборудования;
- Экономических параметров (стоимости топлива, тарифных условий и т.д.)
Помимо количественных показателей, проект обеспечил важные качественные изменения:
- Повышение прозрачности управления системой теплоснабжения
- Сокращение времени принятия решений при изменении эксплуатационных режимов
- 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
