Содержание к диссертации
Введение
1. Нормирование электропотребления и энергосбереже ние в условиях либерализации энергорынка 10
1.1. Определение параметров электропотребления и нормирование 10
1.2. Производственные технологические структуры и уровни электроснабжения 16
1.3. Менеджмент электропотреблением на промышленном предприятии... 21
1.4. Цели и задачи исследования 28
2. Системно-ценологическое описание электрического хозяйства и моделирование электропотребления 32
2.1. Анализ временных рядов параметров электропотребления 32
2.2. Особенности методов краткосрочного прогнозирования электропотребления промьппленных предприятий 37
2.3. Влияние технологических факторов на электропотребление многономенклатурного химического предприятия 42
2.4. Ценологические и дискретные модели на основе нейронных сетей 47
3. Иерархическая и временная дискретизация техноло гических процессов для прогнозирования электропо требления 54
3.1. Особенности электротехнической части химических предприятий и технологические режимы 54
3.2. Организация учёта расхода электроэнергии на промышленных предприятиях 66
3.3. Анализ суточных расходов электроэнергии по цехам и видам продукции 72
3.4. Регрессионный анализ объёмов гфодукции и электропотребления предприятия 78
4. Методика информационного обеспечения кратко срочного угоавления электропотреблением
4.1. Выявление характерных технологических состояний предприятия 86
4.2. Оперативное и плановое определение временных параметров электропотребления по предприятию в целом 94
4.3. Нормирование расхода электроэнергии по цехам и видам продукции 100
4.4. Комплекс алгоритмов и программ для информационного обеспечения управления электропотреблением 106
Результаты и выводы.. 114
Литература 116
- Производственные технологические структуры и уровни электроснабжения
- Особенности методов краткосрочного прогнозирования электропотребления промьппленных предприятий
- Организация учёта расхода электроэнергии на промышленных предприятиях
- Оперативное и плановое определение временных параметров электропотребления по предприятию в целом
Производственные технологические структуры и уровни электроснабжения
Под параметрами электропотребления понимается система показателей, которые характеризуют процесс потребления предприятием электрической энергии. В эксплуатационной и проектной практике под параметрами электропотребления имеются ввиду достаточно разные по смыслу понятия. Так при проектировании предприятия широко используются понятия максимум нагрузки (максимум, определяющий условия присоединения предприятия к энергосистеме, расчётный максимум, максимумы технологической брони, максимумы по каждой ПТП, максимум на отдельный трансформатор), годовое электропотребление, годовое число часов использования максимума нагрузки, коэффициент спроса, средняя потребляемая предприятием мощность, коэффициент использования активной мощности, электроемкость /76/. При эксплуатации предприятия и далее под параметрами электропотребления будем понимать электропотребление (суточное, квартальное, годовое) и получасовой максимум в часы максимума энергосистемы /25, 28, 68/. Получасовой максимум заявленный в договоре с энергосистемой называют заявленным, а разрешённый энергосистемой при ограничениях по мощности - разрешённым суточным максимумом.
Для проведения политики энергосбережения и прогнозирования параметров электропотребления, необходима система учёта, позволяющая адекватно описывать реальные процессы потребления электрической энергии /37, 49, 56/. Система учёта является необходимым источником информации о количественных и качественных показателях работы электрохозяйства предприятия и способствует повышению уровня полезного энергоиспользования и выявлению резервов экономии электроэнергии. Учёт может осуществляться при помощи измерительных приборов, расчётным путём и опытно-расчётным способом. чётный и опытно-расчётный способ являются вспомогательными и служат для определения расхода электроэнергии отдельными объектами, имеющими групповой приборный учёт. Эти способы учёта расхода электроэнергии являются приближёнными и не могут использоваться для оценки эффективности использования электрической энергии.
Учёт электрической энергии можно разделить на два тесно связанных между собой вида: коммерческий учёт электроэнергии и внутризаводской технический учёт. Коммерческий учёт регламентируется правилами учёта электрической энергии /84/, договорами с энергоснабжающей организацией и отражает потребление электроэнергии по предприятию в целом. Внутризаводской учёт отражает потребление электроэнергии энергоёмкими агрегатами, цехами, производствами и всем предприятием.
В настоящее время на крупных промышленных предприятиях учёт расхода электроэнергии и максимальной мощности всего предприятия, электропотребления энергоёмких агрегатов, цехов, производств и других административно-хозяйственных единиц осуществляется информационно-измерительными системами электропотребления. Данные технические средства состоят из устройств сбора и передачи данных (УСПД) и центральных вычислительных устройств (ЦВУ). УСПД выполняются на базе микропроцессорных технологий и предназначены для сбора, накопления, обработки и передачи данных (параметров электропотребления) по каналам связи в центральное вычислительное устройство. ЦВУ состоит из ПЭВМ ЮМ PC стандартной конфигурации, дополненной интерфейсными модулями связи с УСПД, и предназначено для сбора, обработки, хранения, отображения данных о расходе (потреблении) электрической энергии и мощности. Для использования информационно-измерительными системами электропотребления для коммерческого учёта УСПД должны быть метрологически аттестованы и внесены в Государственный реестр средств, допущенных для коммерческого учёта.
Одним из важнейших инструментов снижения энергоёмкости и себестоимости гфодукции, повышения её конкурентоспособности является энерго 12 сбережение. Наиболее эффективно энергосбережение на промышленных предприятиях /9, 63/, так как они потребляют около 60% электроэнергии. Для проведения целенаправленной энергосберегающей политики, Россия располагает большим потенциалом организационного и технологического энергосбережения. Примерно 20% потенциала энергосбережения или 70-85 млн. т у.т. в год можно реализовать при затратах до 15 долл. за т у.т., то есть уже при действующих в стране ценах котельно-печного топлива. Наиболее дорогие мероприятия (свыше 60 долл. за т у.т.) составляют около 15% потенциала энергосбережения. Реализация мероприятий стоимостью от 15 до 60 долл. за т у.т., обеспечивающих оставшиеся две трети потенциала энергосбережения (220-280 млн. т у.т. в год), которые сопоставимы с расчётным объёмом структурной экономии энергоресурсов, потребует значительных целевых инвестиций, лишь на 10-30 % уступающих капиталовложениям на соответствующие объёмы развития производственной базы ТЭК.
Потенциал энергосбережения в России по разным оценкам составляет 30-35% современного энергопотребления (350-400 млн.т.у.т.). Его реализация в значительной мере зависит от технической обоснованности норм /6, 90/. Использование этого потенциала в 5-Ю раз дешевле по сравнению с затратами, необходимыми для производства электрической энергии.
На заводах существует система нормирования удельных расходов электроэнергии, которая отражается в заводской отчётности. Нормированию подлежит весь расход электрической энергии по предприятию, на основные и вспомогательные производственно-эксплуатационные нужды (отопление, вентиляцию, освещение, водоснабжение и др.), включая потери во внутризаводских сетях и преобразователях. Нормы расхода электроэнергии должны отражать оптимальные технологические режимы загрузки оборудования и разрабатываться на всех уровнях планирования по номенклатуре продукции и видам работ на единой методической основе. Только в этом случае они позволят определить экономичность производственных процессов. Поэтому при нормировании расходов электроэнергии должны учитываться как производительность оборудования, его технологические параметры, характеристика исходного сырья и конечной продукции, так и зависящие от режима работы расходы электроэнергии, то есть зависимость между электрическими и технологическими параметрами /16, 79/. Конечной целью нормирования расходов является достижению высоких экономических показателей производства из-за увеличения производительности оборудования и экономии электроэнергии путём совершенствования технологических процессов и максимальной мобилизации внутренних резервов экономии электрической энергии.
Особенности методов краткосрочного прогнозирования электропотребления промьппленных предприятий
Электроэнергия - один из основных видов энергии, необходимый для производства продукции на современных промышленных предприятиях. В ос 22 нове энергетического менеджмента лежит признание энергии как одного из важных видов ресурса, являющегося значительным источником затрат для предприятия и заслуживающего серьёзного внимания. Основная функция энергетического менеджмента - управление электропотреблением с целью улучшения энергетической эффективности и обеспечение информацией для принятия решений. Энергоэффективность - это один из способов повышения конкурентоспособности продукции и величины прибыли предприятия.
В функции энергетического менеджмента /83/ на промышленном предприятии входят следующие задачи: формулировка основных положений и выполнение официальной энергетической политики; создание на предприятии и эксплуатация информационно-измерительных систем электропотребления /34, 80/; регулярное доведение информации до сотрудников, ответственных за выполнение норм расхода электроэнергии; анализ энергетической эффективности приобретаемых технологий и оборудования; информирование руководства о проблемах энергетики на предприятии; выявление возможностей повышения энергоэффективности на предприятии /87/; планирование и проведение административно-хозяйственных мероприятий по энергосбережению, разработка процедур оценки их экономической эффективности. использование систем учёта электропотребления для определения объёмов энергосбережения; 8) пропаганда результатов эффективной энергетической политики. На первом этапе необходимо осуществление проектов требующих минимальных инвестиций (нормирование расходов электроэнергии /35/, уменьшение величины заявленного максимума /75/, регулирование графиков нагрузки /38/). Высокая экономическая эффективность в сочетании с минимальными капиталовложениями проводимых мероприятий способствуют их быстрой окупаемости. После того, как устранены очевидные потери электроэнергии, можно переходить к мероприятиям, требующих значительных инвестиций и имеющие длительный срок окупаемости (компенсация реактивной мощности, применение наиболее экономичных технологий).
Можно выделить несколько основных направлений энергосбережения в промышленности/21, 26, 51/: 1) упорядочение и совершенствование технологических процессов производства (нормирование расходов энергии и регулирование совместно с технологами графиков нагрузки); 2) улучшение эксплуатации электротехнического оборудования и снижение потерь в электросетях (ввод источников реактивной мощности приводит к снижению потерь в максимуме нагрузки приблизительно на 0.1 кВт на каждый 1 квар вводимой реактивной мощности, повышение степени компенсации до 0.4 - 0.5 квар/кВт позволит значительно сократить потери электроэнергии); 3) улучшение эксплуатации и применение наиболее экономичных технологических установок, электропечей, сварочного оборудования, вентиляторов и источников света; 4) совершенствование режима работы насосных и компрессорных установок, упорядочения расходования воды и сжатого воздуха (применение приборов учета и регулирования расхода позволяет резко снизить затраты и потери электроэнергии).
Надо отметить, что в настоящее время реализация энергосберегающих технологий для промышленных предприятий - неподъемная задача, требующая значительных долговременных инвестиций. С другой стороны, эффект от замены малозагруженного оборудования на оборудование меньшей мощности, выражающийся в уменьшении мощности и электропотребления за счет снижения потерь - мизерный. При двухставочном тарифе /74, 97/ с основной ставкой за мощность потребителей, участвующих в максимуме энергосистемы, следует снижать мощность, участвующую в максимуме энергосистемы, так как для предприятия это снижает его плату за электроэнергию. Для энергосистемы, уменьшение максимума и смещение потребления в другую часть графика выравнивает график, и, следовательно, снижает стоимость вырабатываемой электроэнергии.
Необходимость регулирования режима /29, 31, 93/ потребления электроэнергии на промышленных предприятиях может возникнуть также из-за ограничений, вводимых энергетическими системами при недостатках в системе мощности или энергии и ограничений по пропускной способности, возникающих в схемах электроснабжения самих промышленных предприятий. Регулирование осуществляется: за счёт полного или частичного отключения энергоёмких агрегатов и связанного с ним технологического оборудования, работающего некруглосуточно; невключения в эти часы испытательных, зарядных и холодильных установок. Одной из важнейших задач энергетического менеджмента является выявление объектов регулирования, свойственных данному предприятию.
Независимо от причин, вызывающих эти ограничения, следует стремиться к оптимальному управлению электропотреблением при создавшихся условиях /42, 78, 101/. Ограничения потребления мощности или энергии приводят к отклонению режима работы технологических установок предприятия от номинального и возникновению у предприятия ущерба. Данный ущерб проявляется в увеличении удельных расходов и общей потребности предприятия в электроэнергии. Поэтому оптимизационной задачей в данном случае будет распределение ограниченной мощности между технологическими установками предприятия, обеспечивающее минимальный ущерб.
Организация учёта расхода электроэнергии на промышленных предприятиях
Система существующего учёта основана на организации коммерческого и технического учёта /84/. Коммерческий учёт электроэнергии в Новомосковской акционерной компании «АЗОТ» производится Энергосбытом. Учёт электроэнергии осуществляется по открытым подстанциям (ГОЛ) «Аммиачная», «Кислородная», «Хлорная», «Ацетиленовая», «Метаноловая», «Азотная», «Органическая», «Карбамидная», которые питаются с подстанции «Северная», «Химическая», ГРЭС. На данных подстанциях и ГРЭС установлены расчётные электросчётчики энергоснабжающей организации, которая осуществляет за ними полный контроль. Запись показаний электросчётчиков осуществляется дежурным персоналом на подстанциях и передаётся техучётчику энергоресурсов. Ежесуточно производится запись показаний электросчётчиков активной энергии во время прохождения максимума нагрузки энергосистемы: утром с 8 до 11 часов, вечером с 17 до 20 часов. Данные по максимуму нагрузки и суточному расходу электроэнергии передаются в отдел главного энергетика и в Энергосбыт.
Технический учёт электроэнергии производится информационно-измерительной системой электропотребления /37, 80/, которая состоит из 8 пе 67 риферийных устойств сбора и передачи данных (УСПД), установленных на ГПП. Сбор информации о расходе электроэнергии в УСПД осуществляется путём обработки числоимпульсных сигналов от датчиков импульсов, встроенных в индукционные электросчётчики при частоте следования импульсов до 10 Гц. Центральное вычислительное устройство (ЦВУ) размещается в отделе расчёт-но-статистической обработки (ОРСОУ). УСПД передают в ЦВУ по телефонному коммутируемому каналу в диапазоне частот от 0,3 до 3,4 кГц со скоростью 1200 бод с циклом в 30 минут усреднённые на 30-минутных интервалах значения мощностей от 484 индукционных электросчётчиков. Данные обрабатываются в ОРСОУ с помощью программных средств обмена информацией ЦВУ с периферийными УСПД, функционирующих в среде операционной системы Windows NT на ПЭВМ типа ШМ PC, и ежесуточно определяются параметры-электропотребления предприятия и электропотребление каждого цеха с учётом коэффициента потерь по кабелю (например, для цеха разделения и осушки воздуха к=0,9766; цеха компрессии - к=0.9220). Программные средства УСПД имеют возможность изменения состава, алгоритма расчёта и количества вычисляемых параметров электропотребеления, а также программно защищены от несанкционированного доступа. Отдел главного энергетика, производственный отдел, энергоёмкие цеха имеют доступ к информационной сети ОРСОУ (рис.3.7) для получения информации об электропотреблении цехов, производств и всего предприятия в целом.
Суточное электропотребление каждого цеха предприятия аддитивно и определяется как сумма показаний счётчиков, установленных на фидерах питающих его. Характеристика цехов по количеству питающих линий представлена на рис.3.8. 39% цехов питаются более чем по четырём линиям (от 5 до 52). Электропотребление каждого производства определяется как сумма электропотреблений цехов, входящих в его состав. На предприятиях ежесуточно составляется ведомость расхода электрической энергии по цехам и производствам и передаётся в отдел главного энергетика. В ведомости расхода указывается также электропотребление наиболее энергоёмких агрегатов (насосов, компрессо нач. см. КЦ Азот, подст РВ ПБА
Структура информационной сети ОРСОУ ров, технологических циклов). Электропотребление предприятия в целом определяется как сумма показаний счётчиков, установленных на вводах РУ ПИТ. Максимальная электрическая мощность предприятия в часы максимума энергосистемы (на 10.10.98 с 8:00 до 11:00 и с 17:00 до 20:00) определяется как усреднённое на 30-минутном интервале часовое электропотребление (рис.3.5).
По известным суточным значениям электропотребления энергоёмких агрегатов, цехов, производств и предприятия в целом определяется месячное (как сумма суточных значений), квартальное (как сумма электропотреблении за месяца, входящие в квартал) и годовое (как сумма квартальных) электропотребления. Фактическое годовое и квартальное электропотребления используются при долгосрочном текущем прогнозе годового лимита электропотребления предприятия с разбивкой по кварталам для указания в договоре с энергоснабжаю-щей организацией на следующий год. Суточное, месячное и годовое электропотребление по наиболее энергоёмким цехам (на их долю приходится около половины электропотребления всего предприятия) используется для планирования и контроля выполнения суточных (табл.3.5) и годовых (табл.3.1) удельных норм расхода и лимитов электропотребления для отдельных цехов.
Оперативное и плановое определение временных параметров электропотребления по предприятию в целом
На промышленных предприятиях необходимо прогнозирование максимальной мощности в часы максимума энергосистемы в течение суток с тремя интервалами. Прогнозирование максимальной мощности с интервалом 45 суток необходимо для определения заявленной мощности; с интервалом трое суток -для определения, необходима ли корректировка заявленной в договоре мощности; с интервалом одни сутки - необходимо ли регулирование максимальной мощности в часы максимума энергосистемы.
С уменьшением интервала прогнозирования увеличивается объём необходимой информации. За 45 суток известны планируемые перечни работающих и остановленных цехов. За трое суток - планируемые объёмы выпуска продукции. За одни сутки - можно использовать методы краткосрочного прогнозирования на основе анализа временных рядов и тем самым учесть краткосрочные тенденции в динамике временного ряда.
Корреляционный анализ /12, 18/ зависимости максимальной мощности в часы максимума энергосистемы от суточного электропотребления показал на 95 личие значимой корреляционной связи и возможность построения линейной зависимости максимальной мощности от суточного электропотребления предприятия в целом. Следовательно, для определения параметров электропотребления предприятия достаточно спрогнозировать только суточное электропотребление. Данный прогноз должен быть основан на выделении характерных для предприятия технологических состояний. Это позволит учесть технологические факторы и уменьшить зависимость точности прогноза электропотребления от точности прогноза объёмов продукции. При прогнозировании с интервалом в 45 суток по планируемому перечню остановленных и работающих цехов определяются примерные объёмы выпуска по 24 видам гфодукции, которые корреляционно значимо связаны с суточным электропотреблением. При этом объём выпуска по остановленным цехам планируется равными нулю, по работающим - среднему суточному выпуску за предысторию. При прогнозировании с интервалом в 3 суток в качестве прогнозных значений выпуска продукции используются планируемые производственным отделом объёмы производства.
Для прогнозирования суточных параметров электропотребления на период с 1.10.97 по 31.12.97 использовалась предыстория с 14.01.97 по 30.09.97 (приложение 4). По предыстории для каждого технологического состояния определялось математическое ожидание суточного электропотребления, которое в дальнейшем использовалось в качестве прогнозного значения электропотребления в данном дискретном состоянии. Проверка остатков при прогнозировании электропотребления с интервалом в трое суток по критерию Фостера-Стюарта (2.16) показала отсутствие тренда в математическом ожидании временного ряда остатков (N=91, tpd=0,35, 1 =1,99). Анализ автокорреляционной функции остатков при прогнозировании электропотребления с интервалом в трое суток (рис. 4.3) показал, что при прогнозировании электропотребления с интервалом в одни сутки необходимо использовать модель авторегрессии (2.20) первого порядка для учёта динамики временного ряда: где - константа модели (свободный член); ф і - параметр авторегрессии. Так как значения коэффициентов изменяются с течением времени, то они уточнялись ежесуточно регрессионными методами. Фактическое и прогнозное значения суточного электропотребления предприятия при трёх интервалах прогнозирования представлены на рис.4.4, ошибки прогноза в табл.ГО. 1. где Wnp - прогноз суточно электропотребления на основе выделения технологических состояний, МВтч; Тм - суточное число часов использования максимума (определялось регрессионными методами /44, 91/ и для рассматриваемого предприятия на 1997 год Тм=22,4), ч.
Фактическое и прогнозное значения максимальной мощности предприятия в часы максимума энергосистемы при трёх интервалах прогнозирования представлены на рис.4.5, ошибки прогноза в табл.П5.2. Автокорреляционная функция остатков при прогнозировании электропотребления с интервалом в трое суток.
С уменьшением интервала прогнозирования точность прогнозирования возрастает, так как увеличивается количество информации о технологических 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 01
При определении лимитов электропотребления энергоёмких цехов химического предприятия невозможно использовать модель линейной зависимости электропотребления от выпуска продукции (2.38), так как коэффициенты данной модели, определяемые регрессионными методами, значительно изменяются с течением времени. Удельные нормы технологического расхода электроэнергии /14/ зависят от степени загрузки и режима работы энергоёмкого оборудования цеха, поэтому необходимо выделить характерные для цеха технологические состояния и определить для каждого технологическую норму электропотребления.
Рассмотрим методику определения суточных лимитов электропотребления для энергоёмких цехов на примере цеха аммиак-2 производства сложных удобрений на больших агрегатах Новомосковской АК «АЗОТ». Для выделения технологических состояний цеха использовалась статистика по суточному электропотреблению (приложение 2) и суточным объёмам выпуска аммиака (приложение 3). Для учёта режима работы энергоёмкого оборудования при выделении характерных технологических состояний необходимо учитывать как параметры электропотребления (суточное потребление электрической энергии цехом), так и технологические параметры (выпуск аммиака для цеха аммиак-2).
При выделении характерных технологических состояний цеха с помощью конкурентной нейронной сети (рис.2.1) предполагалось наличие ценологиче-ских свойств в распределении суток предыстории по состояниям /65, 68/. Для обучения нейронной сети использовалась нормализованные значения суточного электропотребления и объёмы выпуска с 1.09.97 по 31.12.97, всего за 122 суток. Процесс обучения заканчивался при выделении от 15 до 20 характерных состояний, которые можно описать Н-распределением с минимальной среднеквадратичной ошибкой (рис. 4.6). Обучение продолжалось 1975 эпох и все сутки предыстории были распределены по 15 состояниям. Матрицы весов и смещений обученной нейронной сети представлены в табл.4.5.
Похожие диссертации на Методика обеспечения краткосрочного управления электропотреблением при дискретизации технологии рынком : На примере химической промышленности
