Предсказания на производстве: смотрим на пять минут вперед и экономим миллионы кубометров газа
Есть такой особенный газ — доменный. Чтобы распоряжаться побочным продуктом работы металлургических печей (доменным газом) с пользой и экономией, на НЛМК построена утилизационная теплоэлектроцентраль — УТЭЦ. Как раз на УТЭЦ мы сделали предиктивную систему — она умеет видеть будущее и это позволяет нам экономить более 2 млн кубовприродного газа в год. При чем тут природный газ, когда, вроде бы, начали говорить про доменный, дальше в посте.
Непредсказуемый газ
Итак, доменный газ — побочный продукт работы наших доменных печей (в них из сырья получается чугун) — наш собственный естественный и бесплатный энергоресурс — отличная идея использовать его в качестве топлива. Всё бы хорошо, но есть нюанс: давление и калорийность доменного газа нестабильны. И это мягко сказано. Давление и калорийность колеблются практические ежесекундно (они зависят от режима работы доменных печей). Чем это чревато? Поддерживать общее теплопотребление котла необходимо всегда на одном уровне, если бы оно вдруг резко упало из-за скачка параметров доменного газа, это был бы настоящий коллапс (полная остановка всего оборудования). Конечно этого мы допустить на можем, а значит колебания калорийности и давления доменного газа нужно компенсировать подачей природного газа, параметры которого легко прогнозировать.
Так выглядит один из участков газопровода доменного газа на входе в УТЭЦ. Это 3 газопровода на 3 котла.
Конечно потенциальная возможность такого коллапса всегда «давила на психику» операторов, которые ответственны за безостановочную работу агрегатов — как понять, снизится или поднимется калорийность в следующую минуту и как не допустить критичного снижения давления? На всякий случай для поддержания стабильной производительности колов и во избежание риска остановки, операторы перестраховывались —- увеличивали долю природного газа. Единственный, но весомый минус природного газа его приходится закупать на рынке.
Повторюсь, в отличие от природного газа, доменный газ — бесплатный энергоноситель, поэтому сжигание максимальной доли доменного газа и минимальное использование природного газа — важная задача, ведь так получаемая на выходе продукция УТЭЦ (электроэнергия, тепло в виде пара и горячей воды) имеет более низкую себестоимость. Эту задачу — всегда оптимальный микс доменного и природного газа — и решил наш предсказательный сервис.
Откуда берется доменный газ
УТЭЦ потребляет доменный газ из межцехового коллектора, в который он поступает после газоочисток доменных печей. Обычно основная часть доменного газа поступает с «Россиянки» (так зовут самую современную и производительную домну в стране), но иногда газ приходит из других печей, в том числе расположенных в более чем в 7 километрах от УТЭЦ. В энергетических паровых котлах высокого давления вода преобразуется в пар за счет тепла, получаемого от сжигания смеси доменного и природного газа. В дальнейшем этот пар поступает на турбины для выработки электроэнергии и тепла в виде пара и горячей воды для цехов комбината.
Опыт и «чуйка» vs мат модель
Цифровой сервис, который мы создали, «предсказывает» параметры доменного газа с горизонтом в пять минут и рекомендует операторам, как перенастроить котел и оптимизировать загрузку котельного оборудования топливом. Времени прогноза операторам вполне достаточно (и минуты бы хватило). Сервис рекомендует, сколько природного газа нужно точно дать в каждую минуту — операторы перестали давать больше дорогого покупного топлива, чем нужно, — отсюда экономия.
Общая мнемосхема сервиса с параметрами работы основного оборудования УТЭЦ для оперативного контроля за его работой.
Интерфейс цифрового сервиса по прогнозу давления и калорийности доменного газа.
Цифровой сервис состоит из трех компонентов:
Математическая модель для прогнозирования давления и калорийности доменного газа.
Математические модели для определения максимально возможного потребления доменного газа каждым из котлов при заданных условиях.
Оптимизатор для выдачи рекомендаций по загрузке топливом котельных агрегатов с учетом изменения давления и калорийности доменного газа.
График прогноза давления доменного газа. Выведен отдельно для читателей статьи, как главный инструмент в интерфейсе.
Как разрабатывали сервис
Всё началось с идеи владельца продукта, Константина Косарева. Мы часто проводим семинары в различных подразделениях. Из более чем 30 предложений, которые были озвучены на такой встрече для сотрудников энергетического производства, в работу были взяты всего три — и идея Кости была среди них. Как говорит автор идеи: «Раньше дар предвидения относился к разряду сверхспособностей. А сейчас нам дал их цифровой сервис».
Мы проверили несколько гипотез проведения расчетов, нашли рабочий вариант и начали обучать математическую модель. Для прогнозирования мы использовали исторические данные за последние 2 года. Оборудование УТЭЦ снабжено датчиками, которые ежесекундно фиксируют параметры поступающего доменного газа (давление, калорийность), параметры котельных агрегатов. Помимо этого, учитываются параметры доменных печей: подаваемое дутье, кислород и прочее. Накопленной статистики оказалось достаточно, чтобы математическая модель смогла сделать верные выводы и адекватно строить прогноз.
Датчик давления доменного газа — 6465 Па = 646,5 мм водного столба. Это много или мало? Почему паскали переводятся в другие единицы?
Модели строили в несколько этапов: первичный анализ данных, поиск аномалий (в случаях, например, некорректной работы датчиков), очистка данных, генерация признакового пространства с отбором полезных для прогнозирования признаков, обучение/валидация и тестирование моделей. Точность моделей получилась достаточно высокая, и мы сразу начали применять их в цехе.
Анализ данных, генерация признакового пространства, обучение/тестирование — стандартный пайплайн обучения моделей без особо интересных моментов.
Также отдельный и крайне важный модуль, который мы внедрили у себя на DSML платформе (Data Science And Machine Learning Platform), это мониторинг деградации моделей. Он даёт возможность анализировать точность прогнозирования во времени, отслеживать деградацию моделей, рассматривать отдельные случаи, когда модель не сумела заблаговременно предупредить о приближающемся изменении давления или калорийности доменного газа. Модуль для мониторинга сделали сами. Модель на данный момент переобучали один раз.
Далее, для того чтобы выдавать рекомендации по загрузке топливом котлов, нужно сначала построить модель каждого котельного агрегата. Такие модели позволят определять их максимально возможное потребление доменного газа при различных условиях (давлении, калорийности доменного газа, паропроизводительности котлов). Задача кажется простой, но, когда начинаешь ее решать, сталкиваешься с проблемой качества данных. Приходилось вместе с технологами, доверяя их экспертизе и опыту, оценивать достоверность данных, к примеру, величины ошибок показаний расходомеров природного газа при его низких расходах.
Верхнеуровневая архитектура цифрового сервиса
Наконец, когда появляются модели котельных агрегатов, становится возможным давать рекомендации по оптимизации потребления топлива. Другими словами, ответить на вопрос: «Какой расход доменного и природного газа нужен для выработки заданного количества пара в данный момент?». При этом максимизация потребления доменного газа при выполнении заданных технологических ограничений приводит к минимизации потребления природного газа. В нашем случае прогноз давления и калорийности доменного газа являлся одним из ограничивающих параметров оптимизационного алгоритма.
Таким образом, на выходе мы получили модели прогнозирования давления и калорийности доменного газа, модели котельных агрегатов и оптимизатор, который вычисляет и выдает рекомендации по изменению расходов топлив для выработки необходимого количества пара при наложенных ограничениях.
Справка от технолога
Ограничений максимального потребления доменного газа предостаточно (их тоже учитываем мат модель):
загрузка дымососов;
давление доменного газа в коллекторе;
стабильность калорийности и давления доменного газа в газопроводе.
Реализовать потенциал потребления доменного газа по загрузке дымососов можно, если загрузить дымосос до номинальной нагрузки. Потенциал по давлению машинист котлов может реализовать, полностью открыв регулирующие дроссели доменного газа по сторонам. Со стабильностью параметров дела обстоят сложнее.
Как изменилась работа оператора
Во-первых, раньше операторам приходилось отслеживать в реальном времени множество показателей. Теперь это делает цифровой сервис — на выходе операторы получают готовые расчеты и рекомендации к действию.
Так выглядит рабочее место начальника смены УТЭЦ. Правда на этих экранах могут быть выведены и другие системы, но прогноз по калорийности и давлению доменного газа тоже всегда доступен и полезен.
Кроме того, у операторов теперь появилось несколько дополнительных минут «на раздумье», потому что сервис не просто мониторит показатели, а прогнозирует их благодаря математической модели, разработанной на основе исторических данных.
Из этого следует логичный вывод: благодаря предсказательному сервису мы стали заметно экономнее использовать природный газ, действуя очень точно и потребляя только тот его необходимый минимум, который показывает цифровой сервис УТЭЦ.
