Dirbtinio intelekto sprendimai tvariam šilumos tiekimui – UAB „Lazdijų šiluma“ patirtis

Nauji vėjai centralizuotame šilumos tiekime – Lazdijų mieste

Pietvakarių Lietuvoje esančiame Lazdijų mieste gyvena beveik 4 tūkst. gyventojų. Miestiečiams šilumą tiekianti „Lazdijų šiluma“ energiją gamina naudodama biomasės katilus ir valdo tris katilines, esančias Lazdijuose, Veisiejuose ir Kailinių kaime. Pagrindinėje Lazdijų katilinėje įrengti du biokuro katilai, kiekvienas 3 MW galios. Visa įrengtoji galia yra 6 MW. Tinklo vamzdynų ilgis siekia apie 6 km. 2022 m. Lazdijų miesto katilinė pagamino 11,6 GWh šilumos.

Lazdijų miesto CŠT tinklas – mažiausias Lietuvoje. „Valdome mažą tinklą: vartojimas mažas, gamyba atitinkamai maža, todėl mums itin svarbi valdymo kokybė. Dėl tokios specifikos esame jautrūs bet kokiam valdymo pokyčiui, jo įtaka iškart atsispindi vartotojams. Būtent dėl šios priežasties ir atsisukome į dirbtinio intelekto (DI) sprendimus. Jie gali suteikti mums taip reikalingą tikslumą, valdyti tinklą laiku ir tinkamai“, – teigia „Lazdijų šiluma“ direktorius Remigijus Aleksandras Viniarskas.

Šiuolaikiniame kontekste, kai energetinis efektyvumas ir tvarumas yra tarptautiniai prioritetai, įmonės „Lazdijų šiluma“ sprendimas įgyvendinti inovacijas atspindi globalią tendenciją. Įdiegdama DI grįstą skaitmeninio dvynio technologiją, įmonė ne tik demonstruoja įsipareigojimą energiją miestiečiams tiekti efektyviai ir tvariai, bet ir tampa pavyzdžiu, rodančiu, kaip vietinės iniciatyvos gali efektyviai prisidėti prie globalių aplinkosaugos tikslų.

Kodėl Dirbtinis Intelektas?

„Lazdijų šiluma“, kaip ir kitos trečios kartos CŠT įmonės, susidūrė su įvairiais iššūkiais. Šilumos tiekimo tinklo veikla neišvengiamai priklauso nuo daugelio kintamųjų. Įprastai katilinių operatoriai, nustatydami ar keisdami valdymo parametrus (angl. Set Points), remiasi asmenine patirtimi ir (ar) režimo kortele. Toks valdymas nėra pakankamas siekiant stabilaus katilo ir tinklo darbo. Nepastovus vartotojų šilumos suvartojimas, biokuro kokybė – priežastys, dėl kurių keičiasi ir katilo darbo režimai. Dažnu atveju reikiamą galią pasiekti pavyksta esant per aukštai pakuros temperatūrai, tačiau katilas gali perkaisti, reikalingas laikas ataušti. Į tinklą tekančio termofikato temperatūra, kaip įprasta daugumoje CŠT įmonių, nustatoma pagal lauko oro temperatūrą, neįvertinant vartotojų elgsenos. Dėl išvardintų priežasčių kyla poreikis įdiegti išmaniąją sistemą, kuri gebėtų atsižvelgti į šias aplinkybes ir prognozuojamą šilumos poreikį.

„Kai UAB „Energy Advice“ direktorius dr. Vytautas Šiožinis pristatė savo idėjas, jautėmės labai įkvėpti, tos idėjos mums imponavo. Supratome, kad toks sprendimas galėtų nešti įvairiapusę naudą, – teigia „Lazdijų šiluma“ direktorius R. A. Viniarskas. – Mano manymu, visi esame priversti dirbti efektyviai. Reguliacine prasme esame įstatyti į rėmus, reglamentuoti. Todėl visi mūsų veiklos pakeitimai, kuriuos galime daryti, priklauso nuo sėkmingai sumažinto suvartojamo kuro kiekio. Tai, ką sutaupome, galime naudoti tolimesnėms investicijoms ir veiklos kokybei gerinti. Matydami, kad mūsų ir „Energy Advice“ vizija sutampa, inicijavome išsamaus EA-SAS skaitmeninio dvynio diegimą. Sukurti matematiniai modeliai detaliai aprašo katilinę ir šilumos tiekimo tinklą: vamzdynus, vartotojus.“

Skaitmeninis dvynys – katilinei ir tinklui

Skaitmeninis dvynys – proceso matematinė skaitmeninė kopija, naudojanti realaus laiko matavimų duomenis. Pirmiausia, įgyvendinant skaitmeninio dvynio projektą, atliekama inventorizacija: duomenų apie esamą sistemą surinkimas ir skaitmeninimas. Kuriant CŠT tinklo dvynį, tokia informacija apima reikšmingus katilinės ir tinklo elementų parametrus: katilų, siurblinių, ekonomaizerių, šilumos punktų, vamzdynų specifikacijas, vartotojų šilumos suvartojimo istorinius duomenis. Visa tai įtraukiama kuriant skaitmeninį dvynį, kuris nuolat renka procesų realaus laiko matavimų duomenis ir atlieka skaičiavimus debesyje. Tokiu būdu sukuriama tiksli viso šilumos tinklo matematinė kopija, o procesai optimizuojami per išmanųjį valdymą. Skaitmeninio dvynio gebėjimas analizuoti didelius duomenų kiekius realiu laiku ir tampa reikšmingu pranašumu. Žmogus geba vienu metu analizuoti tik iki trijų parametrų, o štai skaitmeninis dvynys ir DI modeliai apdoroja didelių duomenų (angl. big data) rinkinius. EA-SAS Heating realiu laiku nuolat atlieka šilumos tinklo masės ir energijos balanso skaičiavimus, o EA-SAS Boiler – biokuro katilinės.

Biokuro katilo EA-SAS Boiler skaitmeniniu dvyniu apskaičiuojami esminiai biokuro kokybės rodikliai: šilumingumas ir drėgmės kiekis kure, įvertinamas biokuro dozavimo procesas, ekonomaizerio efektyvumas (kai yra įrengta), šilumos nuostoliai su įeinančiu oru ir išmetamais dūmais ir atitinkamai realiu laiku nuolat optimizuojamas sistemos darbas. Papildomai skaitmeninis dvynys teikia ir ilgalaikes DI pagrįstas įžvalgas apie katilo efektyvumą, dūmų recirkuliaciją, ardyno darbą, dūmų rasos tašką, šilumos perdavimo koeficientą, korozijos ir erozijos parametrus bei kitus rodiklius, pritaikomus pagal konkrečius poreikius. Tai leidžia planuoti priežiūros darbus ir investicijas.

Šilumos tinklo skaitmeninis dvynys surenka realaus laiko šilumos punktų ir vartotojų išmaniųjų skaitiklių rodmenis, atlieka realaus laiko šilumos ir masės balanso skaičiavimus, įvertina šilumos nuostolius, pagal meteorologinę prognozę ir vartotojų suvartojimo profilius prognozuoja šilumos poreikį šildymui ir karšto vandens tiekimui ir pagal tai nustato optimalią į tinklą patiekiamo termofikato temperatūrą kiekvienai valandai. EA-SAS Heating be valdymo gali generuoti ir daug papildomų naudų: atvaizduoti tinklo parametrus GIS vaizde (temperatūrą, slėgį bet kurioje tinklo vietoje), įvertinti mechaninius įtempius vamzdyne, planuoti šilumos tiekimą pagal šilumos gamybos savikainą ir elektros kainą, ieškant optimalaus balanso tarp termofikato srauto ir temperatūros.

Pakeltas automatizacijos lygis

„Lazdijų šiluma“ automatizacijos lygis dabar yra gerokai didesnis. Automatiškai be žmogaus įsikišimo valdomi parametrai pateikti 1 lentelėje. Visi išvardyti parametrai EA-SAS realiu laiku skaičiuojami atsižvelgiant į apskaičiuotą deginamo kuro šilumingumą bei prognozuojamą reikiamos šiluminės galios poreikį. DI apskaičiuotos valdymo komandos siunčiamos tiesiai į valdymo sistemą.

Be abejonės, visi parametrai yra glaudžiai susiję, o sudarytas katilinės ir šilumos tinklo modelis – kompleksiškas, išsamus. Jis įvertina skirtingų komponentų įtaką bendram katilinės darbui.

Kaip pastebėjo R. A. Viniarskas, šilumos tinklus valdančios įmonės siekia efektyvumo, nori įvertinti savo veiklos kokybę. Siekiant įvertinti pasiektus sutaupymus, pirmiausia reikėtų apžvelgti tendencijas. Bendrai pastebima, kad miesto šilumos poreikis mažėja dėl šylančio klimato ir pastatų modernizavimo. Dienolaipsniais eliminavus lauko temperatūros įtaką, 2022 m., palyginti su 2021 m., šilumos suvartojimas sumažėjo 8 proc. Tai taip pat signalizavo apie išmaniojo valdymo įdiegimo aktualumą. Pradėjus skaitmeniniu dvyniu išmaniai valdyti tinklą, 2023 m. sausio–spalio mėnesiais į šilumos tinklą tiekiamo termofikato vidutinė temperatūra siekė 60 °C. Dinamiškas temperatūros reguliavimas užtikrino atitiktį technologiniams reikalavimams ir vartotojų poreikiams, patiriant mažesnių nuostolių tinklo vamzdynuose.

Lyginant kelių skirtingų metų rodiklius, neužtenka apžvelgti sunaudoto kuro ir pagamintos šilumos kiekių. Reikia įvertinti, kad nagrinėjamais periodais skiriasi šilumos poreikis, aplinkos oro temperatūra. Taip pat, pažeminus tiekiamo termofikato temperatūrą, pasikeičia ir tinklo darbo režimas: tam pačiam šilumos kiekiui perduoti reikalingas didesnis srautas. Keičiantis srautui, keičiasi ir šilumos nuostolių dėsnis. Žinant, kad tinklo izoliacinės savybės nagrinėjamais laikotarpiais iš esmės nekito, santykiniu rodikliu eliminavus skirtumus, įvertinama išmaniojo valdymo įtaka. Apibendrinti rezultatai pateikti 2 lentelėje.

Atlikti skaičiavimai parodė, kad jeigu būtų naudotas skaitmeninis dvynys, šiluminės energijos gamyba dėl sumažintų trasų nuostolių būtų mažesnė: 2020 m. – 20,2 proc. (380,54 MWh/ metus), 2021 m. – 24,5 proc. (511,18 MWh), 2022 m. – 22,6 proc. (432,1 MWh).

Šilumos nuostolių sumažėjimo tinkle efektą iliustruoti padeda ir rodiklis kW/K, įvertinantis pagamintos arba suvartotos šilumos kiekį bei lauko temperatūrą. Nagrinėjant rodiklius matyti (žr. 3 pav.), kad istorinis šilumos tiekimas nepastovus ir varijuoja esant skirtingam šilumos poreikiui. Pritaikius EA-SAS valdymą, rodiklis stabilizavosi.

Norint įvertinti katilinės darbą, dažnai žvelgiama į iš katilo tiekiamo vandens temperatūrą. Tai yra vienas pagrindinių parametrų, kuriuos šilumos tinkluose siekiama stabilizuoti. EA-SAS skaitmeninis dvynys atlieka nuotolinį automatinį PID reguliatorių nustatymų keitimą. Proaktyviai koreguojant operatyvinio valdymo parametrus, užtikrinamas preciziškas temperatūros reguliavimas. Efektas aiškiai matyti pateikiamame iš katilo paduodamo vandens temperatūros matavimo duomenų grafike (žr. 4 pav.): įjungus nuotolinį valdymą, temperatūra daug stabilesnė, negu valdant operatoriui, o tai reiškia mažesnius šilumos nuostolius.

Nauda akivaizdi

UAB „Energy Advice“ direktorius dr. V. Šiožinys teigia: „Galime pasakyti, kad šiuo metu, kiek leidžia techninės galimybės, tinklas valdomas automatiškai, be žmogaus įsikišimo. DI užtikrina, kad tinklas nuolat valdomas pagal tuo momentu tinkamiausius parametrus. Dėl „Lazdijų šiluma“ direktoriaus pavaduotojo Ričardo Muraškos ir Lazdijų katilinės vadovo Mindaugo Skripkausko aktyvaus įsitraukimo į skaitmeninio dvynio vystymą sukurtas matematinis modelis yra itin tikslus, o perėjimas prie automatizuoto valdymo įmonėje vyko sklandžiai ir leido daug sutaupyti.“

„Būtent DI technologijų suteikiamas detalumas ir tikslumas leidžia efektyviai optimizuoti mūsų šilumos tinklo darbą. Atsekamumas, mano manymu, bet kokioje srityje yra pagrindas. Kai sėkmingai pritaikome tokius sprendimus, gauta nauda atsiliepia ir vartotojams. Kitoms CŠT įmonėms siūlyčiau nebijoti naujovių, DI grįstų inovacijų. Tokioms idėjoms vis plačiau populiarėjant, mes jau galime drąsiai teigti, kad šie sprendimai gerina mūsų darbo kokybę, kurdami naudą ir miestiečiams“, – apibendrino „Lazdijų šiluma“ direktorius R. A. Viniarskas.