Системно-інформаційний підхід до створення цифрових двійників теплових електростанцій задля підвищення ефективності та надійності енергогенерування
Анотація
Наразі актуальною проблемою є підвищення ефективності функціонування сучасних енергетичних систем, що зумовлено необхідністю зниження споживання первинних енергоресурсів, підвищення надійності енергогенерування та мінімізації екологічного навантаження. Встановлено доцільність застосування системного підходу до модернізації теплових електростанцій на основі інтеграції технології цифрових двійників із процесами оновлення генеруючого обладнання та оптимізації режимів його експлуатації. З'ясовано особливості функціонування теплових електростанцій у конденсаційному та когенераційному режимах навантаження із використанням методів системного та порівняльного аналізу, а також цифрового моделювання енергетичних процесів. Охарактеризовано відмінності формування енергетичного та теплового балансів зазначених режимів генерування, що визначають ефективність використання паливно-енергетичних ресурсів. Встановлено, що конденсаційні електростанції орієнтовані на максимізацію виробництва електричної енергії шляхом підвищення ефективності турбоустановок й оптимізації теплового режиму конденсаційних систем, тоді як когенераційні станції забезпечують одночасне виробництво електричної та теплової енергії з урахуванням збалансованого використання різних видів палива. Оцінено вплив конструктивних й експлуатаційних параметрів конденсаторів на показники роботи енергоблоків, зокрема – встановлено залежність їх характеристик від температури охолоджувальної води на вході та кількості теплообмінних трубок. З'ясовано можливості підвищення енергоефективності енергогенеруючих комплексів шляхом інтеграції додаткових генеруючих потужностей, зокрема – газопоршневих і газотурбінних установок, а також малих модульних ядерних реакторів. Встановлено, що застосування газопоршневих установок дає змогу досягати економії первинної енергії до 30-40 %, тоді як використання газотурбінних установок забезпечує високі показники ефективності за роботи на повному навантаженні. Оцінено потенціал використання технології цифрових двійників для прогнозування режимів роботи енергетичного обладнання, оптимізації енергетичних потоків і підвищення надійності функціонування теплових електростанцій.
Завантаження
Посилання
Al-Mutaz, I., & Aldalbahi, M. S. (2024). Fuel allocation in water and power cogeneration desalination plant. In: Conference: WSTA 15th Gulf Water Conference, Water in the GCC, Doha, Qatar. https://doi.org/10.5004.dsal.2025.700028
Bhatia, N., Costa, R., Pamela, S. J. P., Davis, A., Gonzalez Beltran, A. N., Gopakumar, V., Zanisi, L., de Witt, S., & Akers, R. (2025). Visualizing Digital Twins of Fusion Power Plants Using Nvidia Omniverse. AIP Advances, 15(4), 54–71. https://doi.org/10.1063/5.0261883
Choi, W., Hudachek, K., Koskey, S., Perullo, C., & Noble, D. (2024). Digital Twin in the Power Generation Industry. JMST Advances, 6(4), 103–119. https://doi.org/10.1007/s42791-024-00065-1
Costea, M., & Feidt, M. (2022). A Review Regarding Combined Heat and Power Production and Extensions: Thermodynamic Modelling and Environmental Impact. Energies, 15(23), 124–142. https://doi.org/10.3390/en15238782
Emenike, O. E., Anyaoha, C., & Okoroigwe, E. C. (2025). Energy Analysis and Optimization of Open Cycle Gas Turbine Power Plant Through Exhaust Heat Recovery. NIPES Journal of Science and Technology Research, 7(3), 195–212. https://doi.org/10.37933/nipes/7.3.2025.1630
Ferreira, N. L. D., Giovedi, C., Modro, M., & Petruzzi, A. (2025). Safety Analysis Reports of First-Of-A-Kind Nuclear Reactors in Brazil: Proposal of Content for Deterministic Safety Analysis. Brazilian Journal of Radiation Sciences, 12(4B (Suppl.)), 72–89. https://doi.org/10.15392/2319-0612.2024.2740
Frolov, O., Bulhakov, R., Kushnareva, G., & Rabochaya, T. (2024). Introduction of Innovative Technologies into Military Garrison Heating Systems to Enhance their Efficiency and Reliability. Social Development and Security, 14(2), 44–51. https://doi.org/10.33445/sds.2024.14.2.5
Gonçalves, V., Zabeu, C., Antolini, J., Salvador, R., Almeida, R., Valiati, A. S., & Krieger, G. (2024). Large-Bore HFO Engine Gas Conversion for Power Plants – Part A: Numerical Assessment. Conference: SAE Brasil 2024 Congress. https://doi.org/10.4271/2024-36-0160
Grigore, R., Hazi, A., Banu, I. V., Popa, S. E., & Vernica, S. G. (2024). Enhancing the Energy Performance of a Gas Turbine: Component of a High-Efficiency Cogeneration Plant. Energies, 17(19), 58–73. https://doi.org/10.3390/en17194860
Guan, S., Hu, W., & Zhou, H. (2024). Implementation of Online Digital Twin Framework for Thermal Power Plant. Proceedings of the 10th International Conference on Energy Engineering and Environmental Engineering, 187–198. https://doi.org/10.1007/978-3-031-48204-5_16
Jamasali, Y.-D., Turhan, Ş., Hançerlioğullari, A., & Kurnaz, A. (2024). Simulation of PM10 and NOx Pollutants at a Coal-Fıred Thermal Power Plant Site Using The Gaussıan Plume Model in Freemat. Journal of Polytechnic, 28(4), 1129–1147. https://doi.org/10.2339/politeknik.1430492
Kapustianskyi, A., Romanova, K., Galyanchuk, I., & Yurasova, O. (2026). Revealing the influence of age and fractional composition of woody biomass on the kinetic characteristics of thermal decomposition. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(8 (139), 67–78. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.352509
Khodakivskyi, V., Karpenko, D., Bilous, I., & Savickas, R. (2025). Ensuring Energy Security in Ukraine: The Role of Cogeneration and Sustainable Funding for District Heating Systems. Rocznik Ochrona Środowiska, 27, 196–210. https://doi.org/10.54740/ros.2025.016
Kravets, T., Galyanchuk, I., Yurasova, O., Kapustianskyi, A., & Romanova, K. (2025). Technological and Engineering Aspects of the Development of Biogas and Biomethane Plants in Ukraine: Prospects for Integration into the Countrys Energy System. Grassroots Journal of Natural Resources, 8(1), 801–827. https://doi.org/10.33002/nr2581.6853.080134
Kravets, T., Galyanchuk, I., Yurasova, O., Kapustianskyi, A., & Romanova, K. (2022). The heat-transfer system modelling of the convective heating surfaces of a TP-92 steam boiler. Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal, 25(3), 5–20. https://doi.org/10.33223/epj/152899
Li, L., Ma, H., Wei, M., Zhang, X., Chen, Q., & Xin, Y. (2022). Thermal Power Plant Turbine Rotor Digital Twin Automation Construction and Monitoring System. Mathematical Problems in Engineering, 2022(2), 194–220. https://doi.org/10.1155/2022/8527281
Linkevics, O., Grebesa, P., & Andersons, J. (2022). Decarbonisation Options of Existing Thermal Power Plant Burning Natural Gas. Baltic Carbon Forum 1. https://doi.org/10.21595/bcf.2022.22934
Milovanovic, Z. N., Brankovic, D., & Janičić Milovanović, V. (2023). Efficiency of Condensing Thermal Power Plant as a Complex System – An Algorithm for Assessing and Improving Energy Efficiency and Reliability during Operation and Maintenance. Reliability Modeling in Industry, 4.0, 233–326. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-99204-6.00005-4
Sado, K., Hainey, R., Peralta, J., Downey, A. R. J., & Booth, K. (2023). Digital Twin Model for Predicting the Thermal Profile of Power Cables for Naval Shipboard Power Systems. Conference: 2023 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 54–71. https://doi.org/10.1109/ESTS56571.2023.10220549
Semeraro, C., Aljaghoub, H., Mdallal, A. H. I., Abdelkareem, M. A., & Olabi, A. G. (2025). Efficiency and Enhanced Performance: Exploring Digital Twin Implementation in Power Plants. Renewable and Sustainable Energy Technology, 1(1), 5. https://doi.org/10.53941/rset.2025.100005
Shah, B. S. M. I., Ishak, A. J., Hassan, M. K., & Norsahperi, N. M. H. (2024). Energy 4.0: Challenges and Enablers of Digital Twin Application in Power Plant. Elektrika – Journal of Electrical Engineering, 23(1), 103–124. https://doi.org/10.11113/elektrika.v23n1.487
Shrirao, N. M., Sahu, T. T., & Telrandhe, S. (2022). Review on Conservation of Energy in Thermal Power Plant by Using Variable Frequency Drive. AIP Conference Proceedings, 2494(1), 239–257. https://doi.org/10.1063/5.0106481
Škobalj, P., Turanjanin, V., Vučićević, B., Mrđa, D., & Mladenović, M. (2024). Sustainability Assessment of the Energy System Options of A Power Plant through Multi-Criteria Analysis. STED 2024: XIII International Conference on Social and Technological Development, pp. 405–412. URL: https://vinar.vin.bg.ac.rs/handle/123456789/13957
Sui, Q., He, H., Liang, J., Li, Z., & Su, C. (2025). Short-Term Scheduling of Integrated Electric-HydrogenThermal Systems Considering Hydroelectric Power Plant Peaking for Hydrogen Vessel Navigation. IEEE Transactions on Sustainable Energy, pp. 1–13. https://doi.org/10.1109/TSTE.2025.3578889
Sun, Y., & Kurosaki, K. (2025). Technical Overview of Recent Developments in Small Modular Reactors in the United States. https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.02599
Suyunova, M. B. Q., & Isakhodjayev, K. S. (2025). Cogeneration Power Plants: Working Principle and Efficiency Optimization. American Journal Of Applied Science And Technology, 5(6), 120–123. https://doi.org/10.37547/ajast/Volume05Issue06-26
Thakur, R. (2025). Revamping the Manufacturing Bill of Materials with the Power of Digital Twins. International Journal of Innovative Research in Engineering & Multidisciplinary Physical Sciences, 13(3), 320–343. https://doi.org/10.37082/IJIRMPS.v13.i3.232443
Varlamov, G. B., Romanova, K. A., Nazarova, I., Daschenko, O., & Kapustiansky, A. (2017). Improvement of energy efficiency and environmental safety of thermal energy through the implementation of contact energy exchange processes. Archives of Thermodynamics, no. 4, 127–137. https://doi.org/10.1515/aoter-2017-0028
Xie, J., Fu, Y., Zhang, X., Zhang, H., Hou, J., He, X., Yu, F., & Lin, R. (2022). Application of Industrial Digital Twins in Nuclear Power Plant. Conference: 2022 29th International Conference on Nuclear Engineering. https://doi.org/10.1115/ICONE29-92912
Yu, J., Petersen, N., Liu, P., Li, Z., & Wirsum, M. (2022). Hybrid Modelling and Simulation of Thermal Systems of In-Service Power Plants for Digital Twin Development. Energy, 260(22), 1–16. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125088
Zhang, Z., Dong, Y., Li, F., Huang, X., Zheng, Y., Dong, Z., Zhang, H., Chen, Z., & Li, X. (2024). Loss-of-Cooling Tests to Verify Inherent Safety Feature in the Worlds First HTR-PM Nuclear Power Plant. Joule, 8(7), 2146–2159. https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.06.014
Zhu, W., & Lu, X. (2024). 3D Digital Modeling Technology for Thermal Power Plant Boilers Based on Digital Twins. Journal of Circuits, Systems and Computers, 34(2), 37–44. https://doi.org/10.1142/S0218126625500586
