Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Виды МГЭС и задачи обоснования их эффективности 13
1.1. Опыт развития и использования межгосударственных электрических связей 13
1.2. МГЭС в регионе Северо-Восточной Азии 19
1.3. Состав задач по обоснованию эффективности МГЭС 23
1. 4. Общий подход к оценке энергоэкономической эффективности 31
Глава 2 Модельно-программное и информационное обеспечение исследований энергоэкономической эффективности МГЭС 34
2.1 Требования к математическим моделям 34
2.2. Математическое описание модели ОРИЭС 40
2.3. Подготовка информации для проведения исследований 48
Глава 3 Анализ энергетической эффективности МГЭС в МГЭО с разными сезонами максимумов нагрузки 54
3.1 Уменьшение совмещенного максимума нагрузки объединяемых ЭЭС 54
3.2. Пути реализации мощностного эффекта от объединения ЭЭС 57
3.3. Обобщение результатов анализа 64
Глава 4 Исследование энергоэкономической эффективности МГЭС «РДВ-КНДР-РК» 69
4.1. Исходные условия и анализ потенциальных эффектов 69
4.2. Оценки эффективности МГЭО двух стран 73
4.3. Оценки эффективности МГЭО трех стран 78
4.4. Основные результаты расчетов 86
Глава 5 Специальные вопросы 89
5.1. Использование ГЭС с крупными водохранилищами в МГЭО с разносезонными максимумами нагрузки 89
5.2. Исследование возможностей использования статической модели ОРИРЭС для решения динамической задачи развития МГЭО 97
Заключение 107
Литература ПО
Приложение 122
- МГЭС в регионе Северо-Восточной Азии
- Математическое описание модели ОРИЭС
- Пути реализации мощностного эффекта от объединения ЭЭС
- Оценки эффективности МГЭО двух стран
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Важной тенденцией развития мировой электроэнергетики является расширяющаяся интеграция национальных электроэнергетических систем (ЭЭС). Этот процесс возник в начале XX века на Северо-Американском и Европейском континентах и шел двумя путями. Одни межгосударственные электрические связи (МГЭС) сооружались преимущественно для целей экспорта-импорта электроэнергии (в частности, большинство электропередач из Канады в США), а другие МГЭС обеспечивали соединение национальных или локальных энергосистемы на параллельную работу. Процесс интеграции привел к формированию международных электроэнергетических объединений (МГЭО), к концу XX века он охватил почти все регионы и континенты [1-11]. Основными факторами их появления являлись: неравномерность в обеспеченности энергетическими ресурсами, повышение надежности энергоснабжения, реализация энергетических эффектов объединения ЭЭС и др. В девяностые годы прошлого столетия создались предпосылки для объединения ЭЭС стран Северо-Восточной Азии: России, Китая, Корейской Народно-Демократической Республики (КНДР), Республики Корея (РК), Монголии и Японии. Этому способствовали смягчение международных отношений в регионе, высокие темпы экономического роста и ограниченность энергоресурсов отдельных североазиатских стран, что создало их взаимную заинтересованность в сотрудничестве в области электроснабжения.
Проблема формирования межгосударственных электроэнергетических объединений в Северо-Восточной Азии в настоящее время активно обсуждается учеными и инженерами России, Китая, РК и других стран. В последние годы она рассматривалась на многочисленных международных конференциях и семинарах, проведенных в России (Иркутск, Хабаровск), Китае (Пекин, Шеныпень, Ксиань) и Республике Корея (Чеджу, Сеул) [12-21]. Выявлена, в частности, важная особенность региона - прохождение годового максимума нагрузки национальных ЭЭС в разные сезоны года. Вместе с тем, методическая, модельная и информационная база для обоснования эффективности формирования таких МГЭО, в целом, находится еще в стадии разработки. Это делает тему настоящей диссертации актуальной.
Потенциальные преимущества сооружения МГЭС со странами Северо-Восточной Азии (СВА) для России достаточно очевидны: географическая близость, наличие невостребованной выработки электроэнергии в восточных регионах России, возможность получения дополнительных эффектов от объединения ЭЭС разных стран, возможность увеличения экспортного потенциала за счет разработки и реализации специальных экспортных проектов. Сооружение МГЭС будет благоприятствовать сооружению новых и повышению эффективности использования действующих электростанций.
В то же время, формирование МГЭО в регионе СВА имеет ряд особенностей: большая протяженность и сложность трасс некоторых МГЭС (пересечение проливов и др.), работа энергосистем с различными частотами и напряжением переменного тока, слабые внутренние электрические связи, которые потребуют усиления. Это определяет высокую стоимость МГЭС. Поэтому, в отличии от других регионов, здесь требуется наиболее полный учет всех факторов, повышающих эффективность МГЭС.
Степень разработанности темы
При работе над диссертацией были изучены работы отечественных и зарубежных авторов, которые в той или иной степени относятся к исследуемой теме [22-45 и др.]. Исследования энергоэкономической эффективности формирования электроэнергетических систем и их объединений проводятся с середины XX века. Большой вклад в эти исследования в нашей стране внесли такие ученые и проектировщики, как С.А.Кукель-Краевский, В.И.Вейц, Л.А. Мелентьев, Ю.Н.Руденко, Л.С.Беляев, И.М.Волькенау, В.В.Ершевич, А.Н.Зейлигер, А.С.Макарова, А.А. Макаров, С.С. Рокотян, В.В.Труфанов, Л.Д.Хабачев и др. [22, 24, 46-54 и др.]
В исследованиях возможных направлений и эффективности межгосударственных электрических связей России со странами Ближнего и Дальнего Зарубежья, в том числе Северо-Восточной Азии, серьезные результаты получены Л.С.Беляевым, Н.И.Воропаем, Н.Д.Гамолей, В.А.Джангировым, А.Ф. Дьяковым, Г.Ф. Ковалевым, Л.А.Кощеевым, Ю.Н.Кучеровым, А. Б. Огневым, С.В.Подковальниковым, В.А.Савельевым, Г.И.Самородовым, Е.И.Ушаковым, А.Д.Филатовой и др [7,13,16,26-30,32,34,39,40,42,43, 55-66] . Большой интерес к рассматриваемой проблеме проявляют и зарубежные ученые L.Kapolyi, L.Muller, D.W.Park, H.S.Kim, J.Y.Yoon, S.S. Lee, F.Arakawa и др. [15,20,27,38,44,67]. Автор диссертации принимала непосредственное участие во многих работах, выполненных по данной теме в ИСЭМ СО РАН [14, 55-63, 65, 69-79].
Несмотря на некоторую специфику, обусловленную необходимостью учета интересов разных стран и обеспечения их национальной энергетической безопасности, энергоэкономическая эффективность межгосударственных электрических связей определяется теми же эффектами, которые свойственны объединениям энергосистем на территории одной страны. В общем случае они состоят в:
- расширении возможностей концентрации производства и централизации распределения электроэнергии;
- снижении необходимой установленной мощности при объединении ЭЭС с разным временем наступления годовых максимумов нагрузки,
- уменьшении общего аварийного резерва,
- оказания взаимопомощи при прохождении глубоких ночных и воскресных провалов графиков нагрузки,
- улучшении использования свободной мощности и избыточной энергии ГЭС в многоводные годы и периоды,
- экономии топливных издержек за счет оптимизации режимов энерго объединения как единого целого.
Исследования, проведенные в последние годы [28, 58, 61-63, 71-78 и др.], выявили уже отмечавшуюся особенность МГЭО в регионе - годовые максимумы нагрузки потребителей наступают в разные сезоны года: зимой (в вечерние часы) в России, Северном Китае, Монголии и КНДР, летом (в дневное время) в Республике Корея и Японии. Эта особенность существенно повышает эффективность объединения ЭЭС в регионе, и ее нужно учитывать при оценке эффективности сооружения межгосударственных электрических связей. В частности, она позволяет уменьшить вводы новых электростанций за счет реверсивных перетоков по МГЭС в сезонном и суточном разрезах, создает совершенно новые условия для одновременного использования ГЭС в зимних и летних балансах мощности и энергии соседних стран.
Обоснование целесообразности сооружения межгосударственных электрических связей и, тем более формирования МГЭО в Северо-Восточной Азии представляет собой сложную проблему (комплекс задач), при решении которой необходимо учитывать множество энергетических, социально-экономических, экологических и других факторов. Используемые методики и модели должны отражать характерные условия и особенности развития электроэнергетики в рассматриваемом регионе. Обзор проведенных ранее исследований и работ показал недостаточную проработанность вопросов учета раз-носезонности прохождения годовых максимумов нагрузки, оказывающей значительное влияние на потенциальную эффективность обосновываемых МГЭС как в методическом, так и практическом отношениях. Потребовалась разработка дополнительных подходов и методов оценки эффективности сооружения МГЭС в регионе Северо-Восточной Азии [59, 79-81].
Ввиду обширности проблемы, задачи соискателя ограничивались исследованием только энергоэкономической эффективности сооружения отдельных МГЭС в СВА. Вопросы определения очередности строительства МГЭС при формировании МГЭО, оценки финансовой эффективности для инвесторов, учета условий перехода к рынку в электроэнергетике и др. выходят за рамки диссертационной работы.
Цели и задачи исследования
Основными целями диссертационной работы являются:
1. Анализ условий и особенностей сооружения МГЭС в регионе Северо-Восточной Азии в свете мировых тенденций формирования МГЭО.
2. Разработка и апробация методических подходов и моделей для исследований энергоэкономической эффективности сооружения МГЭС между странами с разными сезонами годовых максимумов нагрузки.
3. Теоретический анализ и количественная оценка энергоэкономической эффективности МГЭО и МГЭС «Российский Дальний Восток (РДВ)-КНДР-РК».
4. Исследование режимов использования ГЭС с крупными водохранилищами в МГЭО с разносезонными максимумами нагрузки.
Для достижения поставленных целей в диссертации решаются следующие задачи:
• Анализ особенностей и дополнительных требований к методике и инструментарию исследований эффективности МГЭС при объединении ЭЭС с разносезонными максимумами нагрузки.
• Разработка и освоение математической модели ОРИРЭС для исследований в этой области.
• Создание информационного обеспечения исследований по электроэнергетике стран СВА.
• Проведение исследований конкретных МГЭС в регионе СВА с использованием модели ОРИРЭС и дополнительных методик.
• Анализ влияния сооружения МГЭС на режимы работы ГЭС с водохранилищами годичного и многолетнего регулирования в таких объединениях.
• Рассмотрение специального вопроса, связанного с использованием статиче ской модели (ОРИРЭС) для исследования развития объединяемых ЭЭС и МГЭС по временным этапам вместо применения более сложной динамической модели.
Предмет и объект исследования
Предметом исследования являются теоретические, методические и практические вопросы оценки энергоэкономической эффективности сооружения МГЭС между странами с разными сезонами годовых максимумов нагрузки.
В качестве объекта исследования рассматриваются электроэнергетические системы стран Северо-Восточной Азии, где пока еще отсутствуют МГЭС. Конкретные количественные оценки даются применительно к МГЭС «РДВ-КНДР-РК»
Методология и методика исследования
Работа базируется на методологии системных исследований в энергетике, сценариином подходе, использовании математических моделей и методов системного анализа [23,49,50,52,82-89 и др.]
Непосредственно при проведении исследований применялись: находящаяся в разработке методика комплексного обоснования эффективности объединения ЭЭС с разносезонными годовыми максимумами нагрузки, разработанная автором совместно с Л.С. Беляевым методика исследования эффективности функционирования ГЭС с большими водохранилищами в таких МГЭО и методика по учету динамики развития ЭЭС при применении статических моделей [59,79-81].
Для количественных оценок энергоэкономической эффективности МГЭС использовалась модифицированная линейная математическая модель ОРИРЭС (Оптимизация Развития И Режимов Электроэнергетических Систем). Данная модель была разработана сотрудниками ИСЭМ СО РАН (при непосредственном участии диссертанта) специально для изучения целесообразности сооружения МГЭС в Северо-Восточной Азии и была доработана автором применительно к задачам решаемым в диссертации [55,62,69,79].
Информационная база
В работе использовались статистические данные по энергосистемам и странам СВА, монографии, материалы периодической печати. Значительная часть предоставлена проектными и научными организациями России и Республики Кореи при проведении совместных работ.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:
1. Показаны особенности задачи оценки энергоэкономической эффективности межгосударственных электрических связей между ЭЭС с разными сезонами годовых максимумов нагрузки и ее место в комплексе задач обоснования эффективности МГЭС.
2. Разработана и реализована математическая модель ОРИРЭС для оценки энергоэкономической эффективности МГЭС.
3. Предложена методика анализа мощностного эффекта при объединении ЭЭС с разносезонными максимумами нагрузки и возможных путей его реализации.
4. С применением предложенной методики и модели ОРИРЭС исследована энергоэкономическая эффективность МГЭС «Российский Дальний Восток -КНДР-Р.Корея».
5. Предложена методика и проведены расчеты по использованию ГЭС с крупными водохранилищами в МГЭО с разными сезонами максимума нагрузки потребителей.
Практическая ценность
Предложенные методические подходы и модель ОРИРЭС использовались при выполнении предпроектных работ по обоснованию эффективности ряда МГЭС в регионе СВА [71-78]. Диссертационная работа является итогом многолетних исследований этого направления.
Разработанные методики и модель могут применяться в дальнейших работах по оценке технико-экономической эффективности сооружения МГЭС в регионе СВА.
Апробация работы
Основные результаты докладывались и обсуждались на конференциях научной молодежи ИСЭМ (Иркутск, 1997 и 1998 гг.), международной конференции «Power System Technology» (Пекин, 1998 г.); международной конференции «Восточная энергетическая политика России и проблемы интеграции в энергетическое пространство Азиатско-Тихоокеанского региона» (Иркутск, 1998 г.), международной конференции «Физико-технические проблемы Севера» (Якутск, 2000 г.), всероссийской конференции «Энергетика России в 21 веке: проблемы и научные основы устойчивого и безопасного развития» (Иркутск, 2000 г.), второй и третьей международных конференциях «Энергетическая кооперация в Северо-Восточной Азии: предпосылки, условия, направления» (Иркутск, 2000 и 2002 гг.), международной конференции «First International Conference on Technical and Physical Problems in Power Engineering» (Баку, 2002 г.) [14, 55-60, 68-70].
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ [14, 55-63, 65, 68-70, 79].
Структура и объем работы
Сформулированный перечень задач определяет структуру и порядок изложения материала.
Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения.
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определена ее научная новизна и практическая ценность.
В первой главе - «Виды МГЭС и задачи обоснования их эффективности»
- анализируется состояние и перспективы развития МГЭС, предлагается классификация МГЭС по виду использования, показаны особенности сооружения МГЭС в регионе Северо-Восточной Азии, дается состав задач по комплексной оценке эффективности, изложены основы методического подхода, выделяется задача, рассматриваемая в диссертации.
Во второй главе - «Модельно-программное и информационное обеспечение исследований энергоэкономической эффективности МГЭС» - дается обзор существующих моделей, обосновывается необходимость создания новой модели, ориентируемой на специфику проводимых исследований, показаны требования к модели, приводится математическое описание модели ОРИРЭС, анализируется информационное обеспечение исследований.
В третьей главе - «Анализ энергетической эффективности МГЭС в МГЭО с разными сезонами максимумов нагрузки» - выполнен теоретический (качественный) анализ эффекта объединения ЭЭС с разными сезонами годовых максимумов нагрузки и путей его реализации.
В четвертой главе - «Исследование энергоэкономической эффективности МГЭС «РДВ - КНДР - РК» - с использованием предложенного методического подхода и модели ОРИРЭС производится количественная оценка энергоэкономической эффективности конкретной МГЭС «РДВ-КНДР-РК». На данном примере проиллюстрированы возможности реализации мощностного эффекта объединения ЭЭС с разносезонными максимумами нагрузки. Показана экономическая эффективность электропередачи, проанализировано влияние пропускной способности МГЭС на энергоэкономические параметры МГЭО. Даны рекомендации по выбору рациональной пропускной способности МГЭС.
В пятой главе - «Специальные вопросы» - исследовано участие ГЭС в МГЭО с разными сезонами максимума нагрузки. Рассмотрены особенности функционирования ГЭС с водохранилищами годового и многолетнего регулирования в таких объединениях, предложена методика исследований. На примере ГЭС РДВ показаны возможности получения дополнительного эффекта от сезонного перераспределения стока. Исследован способ учета динамики развития при использовании статических моделей.
В заключении -содержатся результаты работы и основные выводы.
В приложении - приводятся формы задания исходной информации для модели ОРИРЭС
Работа содержит 121 страницу основного текста, включая 20 таблиц, 14 рисунков и список литературы из 111 наименований, и приложение на 4 страницах.
Автор выражает свою благодарность научному руководителю профессору д.т.н. Л.С. Беляеву и с.н.с. В.А. Савельеву за критический анализ, ценные советы и помощь в написании диссертации. Автор выражает также искреннюю признательность к.т.н. СВ. Подковальникову, к.т.н. А.В. Лебедеву и к.ф.-м.н. О.В. Хамисову, результаты совместных исследований с которыми в той или иной степени использованы в настоящей работе. Автор благодарен также профессору д.т.н. И.И. Голуб, профессору д.т.н. Б.Г. Санееву и к.т.н. Д.Н. Ефимову давшим ценные рекомендации при рецензировании.
МГЭС в регионе Северо-Восточной Азии
Регион Северо-Восточной Азии (СВА), включающий Восточную Сибирь и Дальний Восток России, Северные районы Китая, Монголию, Корейскую народно-демократическую республику (КНДР), Республику Корея и Японию, занимает особое место среди регионов мира. Отличительной особенностью стран этого региона является существенное различие в обеспеченности энергоресурсами, природно-климатических условиях, экономическом и политическом развитии, структуре электропотребления.
Предпосылки для развития межгосударственных электрических связей в данном регионе создались недавно. В настоящее время МГЭС в регионе практически отсутствуют, за исключением нескольких электропередач 110-220 кВ, имеющих приграничный характер. Определенное значение имели большие длины и трудные трассы (проливы, горные участки) некоторых МГЭС, различие в частоте электрического тока (50 и 60 Гц) и некоторые другие обстоятельства.
Во многом отсутствие МГЭС в регионе объяснялось существенными отличиями в политическом устройстве, проводимой внешней политике. Многочисленные противоречия долгое время препятствовали развитию любых межгосударственных отношений. Только в девяностые годы XX века в результате экономических реформ в России и Китае политическая обстановка в этом регионе мира несколько улучшилась, и возникли условия для сот \ рудничества рассматриваемых стран в разных областях, включая энергетику.
Вместе с тем, указанные различия, особенно в обеспеченности энергетическими ресурсами, экономическом развитии и климате, делают желательным взаимное дополнение (сотрудничество) определенных стран региона СВА ( в развитии их энергетики, включая электроэнергетику. Тенденция формирова ния МГЭО относится, несомненно, и к этому региону. В 90-е годы прошедше го столетия в России, Японии, Республике Корея и Китае начались исследования по оценке эффективности ряда МГЭС в СВА [15, 20, 30-36, 62 и др.], которые показали высокую потенциальную эффективность некоторых МГЭС.
ОЭС Востока с Республикой Корея и Японией, а также ЭЭС Северо Восточного Китая и КНДР с Республикой Корея. Основным фактором явилось различие в сезонах годового максимуму нагрузки электроэнергетических сие тем: в России, Северных районах Китая и КНДР годовой максимум ЭЭС про-ходит зимой (в вечерние часы), а в Японии и Республике Корея - летом (в дневные часы). Объясняется это различием климатических и экономических условий этих стран (применением кондиционеров в развитых странах с жарким климатом). Благодаря различию сезонов, совмещенный максимум нагрузки МГЭО оказывается значительно меньше суммы максимумов национальных ЭЭС при их раздельной работе. Этот эффект от уменьшения совмещенного максимума может быть реализован при строительстве МГЭС, если в объединяемых энергосистемах ожидаются приросты нагрузки потребителей. Эти приросты в одной стране могут покрываться за счет перетоков по МГЭС от деист 22 вующих электростанций другой страны, вследствие чего будет достигаться экономия на вводах новых электростанций.
Если приросты нагрузки прогнозируются в обеих объединяемых странах с разными сезонами годового максимума, то по МГЭС могут быть организованы реверсивные сезонные перетоки в сторону той ЭЭС, где в этом сезоне проходит максимум нагрузки. Такая реверсивная МГЭС может экономить до 2 кВт генерирующих мощностей на 1 кВт своей пропускной способности (по 1 кВт в каждой стране).
Регион СВА является уникальным в этом отношении: - страны, расположенные относительно недалеко друг от друга, имеют разные сезоны (и часы) годового максимума ЭЭС; - в регионе отсутствуют МГЭС и целесообразность их строительства еще предстоит обосновать; - МГЭС в регионе достаточно дорогие (по сравнению, например, с Западной Европой) и при их обосновании данный эффект должен быть учтен, иначе они могут "незаслуженно" оказаться неэффективными.
Указанный эффект и пути его реализации будут подробно рассмотрены в главе 3 применительно к МГЭС «РДВ-КНДР-РК». Эта МГЭС более эффективна, чем связи ОЭС Востока с Японией, так как она имеет относительно небольшую длину и проходит полностью по суше. При обсуждениях на международных семинарах и совещаниях эта МГЭС признана приоритетной и в последние годы активно исследуется российскими и южнокорейскими учеными и специалистами. В частности, в Республике Корея с декабря 2002 г. разрабатывается проект NEAREST (Связи электроэнергетических систем в регионе Северо-Восточной Азии). Проект рассчитан на 3 года и финансируется Правительством Республики Корея. Сотрудники ИСЭМ, включая диссертанта, принимают активное участие в проекте. В мае 2004 г. в г. Сеуле состоялся Международный симпозиум по проекту NEAREST [21].
Математическое описание модели ОРИЭС
Данная модель разработана совместно д.т.н. Беляевым и с.н.с. B.C. Савельевым при непосредственном участии автора, программная реализация выполнена в нескольких модификациях к.т.н. В.Н. Тыртышным, к.ф.-м.н. О.В. Хамисовым и к.т.н. А.В. Лебедевым [55, 62, 69]. Модификации модели связаны, в том числе, с дополнениями, вносимыми автором. В частности, автором были предложены: переход от позонного представления нагрузки потребителей к часовым графикам нагрузки, дополнение ограничения по выработке ГЭС для года в целом и др. В диссертации приводится последняя версия модели, используемая в настоящее время при всех исследованиях.
При статической постановке задачи требуется определить оптимальные установленные мощности электростанций Х для всех типов станций і=1,...1 в каждом из узлов j (у=1,...,У), а также оптимальные значения пропускных способностей электрических связей Xjj, (МГЭС) между узлами j и j в последнем году расчетного периода. Для этого в модели рассматриваются суточные графики нагрузки (рабочего и выходного дня) каждого узла j (каждой ЭЭС) для четырех сезонов года у = 1,...4 (зима, весна, лето, осень). В каждом из узлов j (j=l,...,J) имеется / эквивалентных электростанций (общий номер і) разных типов. Электростанции группируются по типу используемого топлива и близким технико экономическим параметрам: гидравлические - ГЭС (индекс / равен 1), гидроак-кумулирующие - ГАЭС (индекс - 2), конденсационные - КЭС на разных видах топлива (газ, нефть, уголь), теплофикационные - ТЭЦ, атомные - АЭС и др. Каждая эквивалентная электростанция характеризуется начальной установленной мощностью N -, равной суммарной мощности электростанций соответствующего типа в первом году с учетом предопределенных для расчетного периода демонтажа, модернизации и вводов агрегатов, а также предельно возможной к концу рассматриваемого года установленной мощностью эквивалентных электростанций - N .., включающей действующие и новые электростанции. При этом действующими станциями считаются существующие на начало периода и сохранившиеся в эксплуатации до конца периода. Вводы новых электростанций и связей рассматриваются за весь период, например 2000-2010. Величина {Xjt - Noji) равна вводу новых мощностей типа /.
Кроме того, для всех электростанций задаются коэффициенты: ат.. - коэффициент минимально допустимой мощности ( действующих и новых) электростанций типа і в узле і в сезоне у ; ajiy - коэффициент готовности (для ГЭС гарантированной отдачи) электростанций типа / в узле j в сезоне у (одинаковый для действующих и новых электростанций). Эти коэффициенты варьируются по сезонам года с учетом простоя агрегатов в плановых ремонтах и сезонных ограничений на мощность электростанций (например, по тепловой нагрузке ТЭЦ, минимально необходимым попускам в нижний бьеф ГЭС и т.д.).
Для тепловых электростанций задаются удельные переменные (топливные) издержки (Cjj), а для новых и расширяемых станций кроме того - удельные капиталовложения (ку) и коэффициенты условно постоянных издержек (bjj).
В целевой функции (2.1) отсутствуют постоянные издержки действующих электростанций, так как они не зависят от режимов работы электростанций и не влияют на результаты оптимизации. Для новых электростанций постоянные издержки (by) учитываются во второй составляющей (с двумя суммами), а топливные издержки - в первой составляющей функции (2.1).
Для оптимизации режимов и оборудования ТЭЦ используется упрощенный способ. Установленная мощность ТЭЦ задается в соответствием с планами развития систем теплоснабжения (в модели не оптимизируется). Производство электроэнергии с одновременной выработкой тепловой энергии отражается в коэффициенте минимально допустимой мощности ТЭЦ. При этом оптимизируется участие в часовых балансах только их свободной конденсационной мощности. Одновременно, топливные издержки ТЭЦ Су уменьшаются на величину издержек, относимых на выработку тепла.
Пути реализации мощностного эффекта от объединения ЭЭС
Рассмотрим теперь, как можно реализовать анализируемый эффект при сооружении МГЭС, какие способы использования МГЭС можно применить и как эти способы повлияют на структуру генерирующих мощностей объединяемых ЭЭС и эффективность самой МГЭС.
Теоретический анализ, проведенный авторам совместно с научным руководителем Л.С. Беляевым, выявил, что рассмотренный эффект от объединения ЭЭС может быть реализован лишь в том случае, если системы развиваются, если в них происходит рост электропотребления и требуются вводы новых мощностей. Тогда строительство МГЭС может уменьшить необходимые вводы. Если же представить, что установленные мощности электростанций в каждой ЭЭС выбраны исходя из условий их изолированной работы (полностью покрывают собственную нагрузку) и приростов нагрузки не ожидается, то сооружение МГЭС не приведет к снижению установленных мощностей в объединяемых ЭЭС и не позволит реализовать эффект уменьшения совмещенного максимума нагрузки. При строительстве МГЭС в таком случае произойдет изменение режимов использования электростанций в объединенных ЭЭС, что может дать экономию топливных издержек, но это будет уже другого типа эффект - режимный или топливный.
При отсутствии приростов нагрузки эффект от уменьшения совмещенного максимума нагрузки при объединении ЭЭС может оказаться постепенно реализованным при выводе из эксплуатации устаревшего оборудования. В этом случае строительство МГЭС позволит не замещать останавливаемые электростанции новыми (в пределах величины ДР пю)- Однако такой мало характерный случай мы рассматривать не будем. Если в объединяемых ЭЭС ожидается прирост нагрузки, то для реализации рассмотренного эффекта объединения теоретически можно выделить два характерных (крайних) случая:
1. Приросты нагрузки прогнозируются в обеих ЭЭС, имеющих разные сезоны годового максимума нагрузки. В этом случае Л/ мгэо может быть поделен поровну между двумя ЭЭС, т.е. в каждой ЭЭС нагрузка может быть уменьшена (по сравнению с изолированной их работой) на 0,5АР гоо Режим использования МГЭС будет при этом реверсивным - в разные сезоны года переток по МГЭС будет направлен в сторону ЭЭС, в которой в данном сезоне проходит максимум нагрузки. Суммарный эффект объединения АР гзо будет реализован с минимальной пропускной способностью МГЭС мгэс=0,5Д/ о
2. Прирост нагрузки ожидается только в одной ЭЭС. Реализация эффекта объединения в этом случае возможна за счет догрузки действующих электростанций во второй ЭЭС в период сезонного спада ее нагрузки. Перетоки по МГЭС будут направлены при этом в одну сторону и ее можно отнести к экспортным МГЭС. Как показано ниже, эффективность такой экспортной МГЭС будет значительно меньше, чем реверсивной (в первом случае).
Рассмотрим два этих способа реализации эффекта объединения на примере той же МГЭС «РДВ-КНДР-РК» с совместным представлением ЭЭС РДВ и КНДР. Некоторые другие способы использования МГЭС будут прокомментированы позднее.
При дальнейшем анализе для большей наглядности не будут учитываться потери мощности в МГЭС, требующиеся резервы генерирующих мощностей и снижение располагаемой мощности электростанций по сравнению с их установленной мощностью. Будет предполагаться, что необходимые вводы электростанций в точности определяются приростами нагрузки потребителей.
Следовательно, и в ЭЭС РК с летним максимумом нагрузки, и в ЭЭС РДВ и КНДР с зимним максимумом будет сэкономлено по 3,75 ГВт вводов новых электростанций. Тем самым реверсивная МГЭС дает двойной эффект - на 1 ГВт ее пропускной способности экономится 2 ГВт вводов новых электростанций. Это обусловливает очень высокую эффективность реверсивных МГЭС, соединяющих ЭЭС с разными сезонами максимумов нагрузки, в которых ожидается рост электропотребления. Как правило, удельные капиталовложения в электростанции больше, чем в линии электропередачи, а здесь экономия капиталовложений в электростанции еще и удваиваются. Естественно, для обеспечения реверсивных перетоков мощности необходимы гарантии участвующих стран о взаимных поставках мощности, о которых говорилось в главе 1.
Трансформация графиков нагрузки (перетоки по МГЭС) в весенний и осенний сезоны может быть не такой «жесткой», как зимой и летом. Важно чтобы весной и осенью нагрузка каждой ЭЭС не превышала максимальную (летнюю или зимнюю). На рис. 3.2 нагрузка ЭЭС РДВ и КНДР условно показана постоянной (14,45 ГВт) в течение всего года, хотя весной и осенью она может быть снижена (из-за значительного снижения нагрузки в эти сезоны в ЭЭС РК). Расстояния между трансформированными графиками нагрузки ЭЭС на рис. 3.2 и линиями 2000 г. будут характеризовать необходимые в каждой ЭЭС вводы электростанций после сооружения реверсивной МГЭС с Л мгэс=3,75 ГВт.
В принципе может оказаться целесообразным дальнейшее увеличение пропускной способности МГЭС, если новые электростанции (их электроэнергия) в одной из стран дешевле, чем в другой. При этом суммарная мощность электростанций всех стран уже не будет изменяться (если не учитывать потери в МГЭС и другие факторы, отмеченные ранее.) Увеличение пропускной способности МГЭС (сверх 3,75 ГВт) на 1 ГВт приведет к вытеснению 1 ГВт генерирующих мощностей в стране с более дорогой электроэнергией, но потребует дополнительного ввода 1 ГВт электростанций в другой стране. Это может быть эффективным, если разница в стоимости 1 ГВт электростанций в этих странах превышает стоимость 1 ГВт МГЭС между ними. МГЭС начнет выполнять при этом и функции экспорта электроэнергии.
Следовательно, дальнейшее увеличение пропускной способности реверсивной МГЭС будет уже гораздо менее эффективным. Если в пределах 0,5 ДРмгэо ее эффективность оценивалась двойной стоимостью вытесняемых электростанций, то дополнительная пропускная ее способность будет оцениваться лишь разницей в стоимости электростанций, вытесняемых в одной стране и дополнительно вводимых во второй.
Оценки эффективности МГЭО двух стран
В табл. 4.5 представлены результаты серии расчетов на модели ОРИРЭС для МГЭО двух стран для уровня 2010 г. (за период 2000-2010 гг.). Для варианта изолированной работы (отсутствия МГЭС) показаны вводы ГЭС, ГАЭС, конденсационных электростанций (КЭС) на угле, мазуте и газе и АЭС, установленные мощности которых оптимизируются в модели, а также полные значения капиталовложений в электростанции и МГЭС и приведенных затрат. Последние представляют собой значения целевой функции модели и включают годовые топливные издержки, годовые постоянные издержки новых электростанций и МГЭС, а также капиталовложения в МГЭС и электростанции за период 2000-2010 гг., умноженные на коэффициент их эффективности (годовой процент на капитал), величина которого принята равной 0,08. Для вариантов МГЭО с разными пропускными способностями МГЭС показаны отклонения соответствующих показателей от варианта изолированной работы. Из табл. 4.1 и 4.4 видно, что потенциальный эффект объединения ЭЭС РК и КНДР в 2010 г. ДР =3,46 ГВт. Поэтому при Nur3C=l,S ГВт « 0,5ЬР и ниже происходит одинаковое уменьшение вводов в ЭЭС РК и КНДР. Это уменьшение несколько меньше, чем пропускная способность МГЭС, из-за потерь мощности в электропередаче. Оптимальным оказался вариант с NMr3C = 2 ГВт, при котором достигается максимальное снижение приведенных затрат (на 0,902 млрд. дол./год).
Это объясняется уменьшением капиталовложений в электростанции по МГЭО в целом по сравнению с вариантом NMr3c = 1,8 ГВт. Однако при этом вводы в ЭЭС КНДР начинают увеличиваться, т.е. снижение вводов по ЭЭС становится неравномерным. Это свидетельствует о том, что электростанции в КНДР (вернее, их электроэнергия) дешевле, чем в Республике Корея. При дальнейшем уве личении пропускной способности МГЭС происходит еще большее «перемещение» вводов из РК в КНДР, что сопровождается небольшим снижением суммарных капиталовложений в электростанции, но уже не дает снижения приведенных затрат из-за роста капиталовложений в МГЭС и топливных издержек. Общая экономия вводов электростанций при этом уменьшается вследствие роста потерь мощности в МГЭС.
Следует заметить, что в вариантах с Л . = 1,8 ГВт и NMr3C - 2,0 ГВт общее уменьшение вводов (3,51 и 3,52 ГВт) несколько превышает АР 0=3,46 ГВт. Это объясняется отмечавшейся в предыдущем разделе разницей установленных и располагаемых мощностей электростанций, которая учитывается в модели ОРИРЭС.
При сооружении МГЭС в ЭЭС РК уменьшаются вводы АЭС и ГАЭС, а в ЭЭС КНДР - КЭС на угле и АЭС. В расчетах предусматривалась возможность строительства в КНДР АЭС Шиньпо, ввод которой в варианте изолированной работы ЭЭС требовался в размере 0,34 ГВт. В вариантах объединения ЭЭС ввод этой АЭС становится неэффективным. В Республике Корея вводы АЭС также непрерывно сокращаются с увеличением пропускной способности МГЭС.
В целом из этой серии расчетов можно констатировать, что для МГЭО двух стран рациональная пропускная способность МГЭС «РК - КНДР» в 2010 г. равна примерно 2 ГВт. Результаты серии расчетов МГЭО двух стран для 2020 г. приведены в табл. 4.6. В 2020 г. мощностной эффект объединения ЭЭС РК и КНДР Д/ пю = 3 78 ГВт (табл. 4.2 и 4.4). Он реализуется (с некоторым избытком) при NMr3C = 2,0 ГВт с одинаковым снижением вводов в ЭЭС РК и КНДР (по 1,95 ГВт). При дальнейшем увеличении пропускной способности МГЭС (до 3 ГВт) вводы электростанций изменяются незначительно. Приведенные затраты несколько снижаются благодаря уменьшению суммарных капиталовложений в электростанции и топлив ных издержек. Однако снижение приведенных затрат составляет лишь 2 %, т.е. практически весь эффект объединения ЭЭС РК и КНДР, как и в 2010 г., реализуется при ЛГМГЭС = 2,0 ГВт 0,5ДР о.
Вместе с тем, состав электростанций, вытесняемых из балансов мощности при сооружении МГЭС, оказался иным, чем в 2010 г. Объясняется это главным образом прогнозируемым ростом цен на органическое топливо, который учитывался при расчетах на модели ОРИРЭС, что повысило эффективность АЭС.
При пропускной способности МГЭС 2,0 ГВт и выше электростанции вводятся в Республике Корея даже в больших размерах, чем в варианте с отсутствием МГЭС. При этом они замещают вводы ГАЭС, КЭС на мазуте и даже КЭС на угле в КНДР. Вводы последних не возрастают с увеличением NMr3C свеРх 2 ГВт, как это было в 2010 г. Интенсивность внутрисуточных перетоков по МГЭС возрастает: ГЭС КНДР покрывают пики нагрузки в ЭЭС РК (вместо ГАЭС), а АЭС РК передают энергию в КНДР в периоды спада нагрузки в РК. При этом за год в целом КНДР становится нетто-импортером.
В целом, расчеты эффективности МГЭО двух стран, имеющих разные сезоны годового максимума нагрузки, достаточно наглядно проиллюстрировали реализацию мощностного эффекта от объединения ЭЭС. На рис. 4.2 показаны обмены мощностью по МГЭС в часы максимумов нагрузки при NMr3C = 2,0 ГВт. Можно видеть, что перетоки меняют направление, а приемная система получает мощность, уменьшенную на величину потерь в МГЭС.
