Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние в сфере теплоснабжения в Российской Федерации 12
1.1 Краткая характеристика теплоснабжения потребителей в новых экономических условиях 12
1.2 Анализ научно-методических работ в области решения вопросов функционирования и развития теплоснабжающих систем в условиях несовпадающих интересов 16
Глава 2 Основные положения по построению теплоснабжающих систем в условиях несовпадающих интересов 27
2.1 Основные особенности моделирования теплоснабжающих систем в задачах их развития 27
2.2 Приоритетные структурные преобразования теплоснабжающих систем на современном этапе их развития. 28
2.3 Единый закупщик в тепловых сетях 31
2.4 Единая теплоснабжающая организация 34
2.5 Формирование спроса потребителей на тепловую энергию 35
2.6 Выводы по главе 2 42
Глава 3 Оптимальное распределение тепловой нагрузки между теплоисточниками в условиях несовпадающих интересов 43
3.1 Исходные положения и содержательная постановка задачи 43
3.2 Задача оптимизации объемов производства тепловой энергии источниками тепла 47
3.3 Расчет объемов потребления тепловой энергии по категориям потребителей 52
3.4 Задача оптимизации затрат в тепловые сети 54
3.5 Математическая модель оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками в условиях несовпадающих интересов 56
3.6 Методика решения задачи оптимального распределения тепловой нагрузки между теплоисточниками в условиях несовпадающих интересов 61
3.7 Графическая интерпретация задачи поиска оптимального распределения тепловой нагрузки между теплоисточниками в условиях несовпадающих интересов 65
3.8 Разработка критериев для анализа эффективности распределения тепловой нагрузки между теплоисточниками в условиях несовпадающих интересов 67
3.9 Выводы по главе 3 72
Глава 4 Оптимальное распределение тепловой нагрузки между теплоисточниками в условиях «Единой теплоснабжающей организации» 74
4.1 Математическая модель либерализованной «Единой теплоснабжающей организации» 74
4.2 Методика поиска оптимального распределения тепловой нагрузки между теплоисточниками в условиях либерализованной модели «Единая теплоснабжающая организация» 78
4.3 Двухуровневая схема построения теплоснабжения потребителей 83
4.4 Математическое моделирование регулируемой «Единой теплоснабжающей организации» 84
4.5 Расчет оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками при минимальном тарифе на тепловую энергию для потребителей ЖКХ 87
4.6 Регулирование тарифа для потребителей ЖКХ 89
4.6.1 Математическая модель поиска оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками тепла, при фиксированном тарифе на тепловую энергию для потребителей ЖКХ на уровне средних суммарных затрат 90
4.6.2 Математическая модель поиска оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками, при фиксированном тарифе на тепловую энергию для потребителей ЖКХ на уровне предельных суммарных затрат 92
4.6.3 Математическая модель поиска оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками, при регулировании тарифа на тепловую энергию для потребителей ЖКХ методом «альтернативная котельная» 93
4.6.4 Комплексная методика поиска оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками в условиях регулируемой «Единой теплоснабжающей организации» 95
4.7 Выводы по главе 4 97
Глава 5 Расчет оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками тепла г. Ангарска 99
5.1 Формирование расчетной модели теплоснабжающей системы г. Ангарска 99
5.2 Оптимальное распределение тепловой нагрузки между источниками г. Ангарска, с помощью разработанных математических моделей . 104
5.3 Разработка рекомендаций и их анализ 121
5.4 Выводы по главе 5 129
Заключение . 132
Список сокращений 137
Список терминов 138
Список литературы 139
- Анализ научно-методических работ в области решения вопросов функционирования и развития теплоснабжающих систем в условиях несовпадающих интересов
- Формирование спроса потребителей на тепловую энергию
- Методика поиска оптимального распределения тепловой нагрузки между теплоисточниками в условиях либерализованной модели «Единая теплоснабжающая организация»
- Формирование расчетной модели теплоснабжающей системы г. Ангарска
Введение к работе
Актуальность работы. Централизованное теплоснабжение в России является основным видом обеспечения потребителей тепловой энергией (ТЭ). Появление множества собственников в этом секторе экономики, связанное с процессом либерализации энергетики, привело к формированию новых экономических отношений между производителями, поставщиками и потребителями ТЭ и созданию рынка тепла. Значительно возросли требования потребителей к качеству, надежности теплоснабжения, к предоставляемому уровню комфорта в помещениях и удовлетворению необходимых условий протекания производственных процессов. Процесс преобразования теплоснабжающих систем (ТСС), формирование новой модели теплового рынка, мотивация (заинтересованность) в техническом и технологическом совершенстве, целесообразность формирования эффективной инфраструктуры теплогенерирующих мощностей, тепловых сетей (ТС) приводят к тому, что вопросы перспективного развития ТСС приобретают все большую актуальность. В связи с этим, существенно возросла роль принимаемых решений по развитию ТСС и ответственность за них. Более сложными стали задачи по подготовке и принятию перспективных решений. Это обусловлено множеством факторов, среди них наиболее важными представляются такие, как наличие множества несовпадающих интересов субъектов отношений, колебание спроса на ТЭ в зависимости от складывающейся на тепловом рынке цены, переход на новые правила организации теплоснабжения потребителей и других факторов. В настоящее время многие вопросы, связанные с техническим преобразованием ТСС и разработкой необходимой методической базы для проектирования ТСС в изменившихся условиях, недостаточно проработаны для практического использования.
Основными задачами здесь являются: разработка и реализация эффективных технических решений по развитию ТСС в условиях несовпадающих интересов между всеми субъектами ее отношений; объединение нескольких источников тепла (ИТ), принадлежащих различным собственникам, для работы на общие ТС; поиск оптимального распределения тепловой нагрузки между ИТ в условиях конкурентного и монопольного рынка тепловой энергии; оптимизация реконструкции ТС и определение мероприятий по их развитию для реализации оптимального потокораспределения в объединенной системе и др.
При этом возникает новый аспект научных исследований по созданию методической базы, позволяющей осуществлять постановку задач и реализацию решений, связанных с развитием ТСС и обеспечивающих их эффективное, конкурентоспособное функционирование и развитие.
Актуальность проблемы распределения тепловой нагрузки между ИТ в условиях несовпадающих интересов субъектов отношений с учетом ее передачи по тепловым сетям и отсутствие методов ее решения определили выбор темы, цели и задачи исследования.
Объект исследования. Теплоснабжающие системы в составе источников тепла, тепловых сетей и потребителей тепловой энергии.
Предмет исследования. Модели и методы управления реконструкцией и развитием теплоснабжающих систем в условиях несовпадающих интересов.
Цели работы состоят в разработке и развитии математических моделей и методов для решения задач преобразования ТСС в условиях различных интересов участников теплоснабжения. Для выполнения поставленных целей были решены следующие задачи:
-
Выполнен анализ технологических структур ТСС, форм организации их функционирования, моделей и методов для решения задач реконструкции и развития ТСС.
-
Определены требования к методическому и вычислительному инструментарию оптимизации ТСС в современных условиях с учетом иерархической структуры организации теплоснабжения.
-
Разработаны математическая модель и метод решения задач развития ТСС в рамках модели «Единый закупщик» в условиях несовпадающих интересов сторон, учитывающие физико-технические, технико-экономические свойства и ограничения по источникам, тепловым сетям и потребителям.
-
Разработаны математические модели, методы и алгоритмы решения задачи оптимального распределения нагрузки между ИТ в задачах развития ТСС, функционирующей в формате «Единая теплоснабжающая организация» при наличии и отсутствии регулирования ее деятельности.
-
Проведены прикладные исследования с помощью разработанных математических моделей для формирования рекомендаций по решению практических задач управления развитием реальных ТСС.
Методология исследований опирается на основные положения системных исследований в энергетике, на модели и методы теории гидравлических цепей, математическое моделирование, экономику энергетики, базовые принципы микроэкономики, теорию игр, методы равновесного программирования, теорию управления. Содержательные исследования базируются на вычислительном эксперименте и практических расчетах.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:
-
Предложена система моделей распределения тепловой нагрузки между источниками тепла при решении задач оптимального развития теплоснабжающих систем в условиях несовпадающих интересов участников теплоснабжения, учитывающая системные физико-технические и экономические свойства и ограничения ТСС.
-
Сформулирована постановка задачи оптимального распределения тепловой нагрузки между теплоисточниками в рамках организационной модели «Единый закупщик». Разработан метод, основанный на поиске равновесного решения по производству и потреблению тепловой энергии с помощью игровых подходов. По сравнению с традиционным решением задачи, относительно только источников тепловой энергии, он учитывает тепловые сети с их технико-экономическими свойствами и ограничениями.
3. Разработан методический подход для решения задачи поиска баланса
спроса и предложения на тепловую энергию с несколькими конкурирующими ис
точниками тепла, основанный на пошаговом итерационном процессе «Нащупы
вания по Курно». Показано, что достигаемое решение позволяет обеспечить, с од-
4
ной стороны, заданную потребность в тепловой энергии, с другой стороны, учитывать интересы источников тепла в их развитии.
-
Предложены постановки задачи оптимизации загрузки источников тепла в условиях нерегулируемой и регулируемой «Единой теплоснабжающей организации». Для каждой задачи разработан соответствующий алгоритм поиска оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками, которому соответствует балансовое равновесие спроса и предложения на тепловую энергию, а также оптимальные зоны их действия в рассматриваемой ТСС.
-
По результатам выполненных исследований реальных ТСС с помощью предложенного методического и вычислительного обеспечения. Получены практические рекомендации, которые могут представлять интерес для принятия решений по развитию теплоснабжающих систем.
Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что предлагаемые методические положения доведены до конкретных алгоритмов и рекомендаций по технологическому преобразованию ТСС. Они имеют универсальный характер и могут быть использованы теплоснабжающими организациями, органами государственной и муниципальной власти для принятия решений по управлению развитием теплоснабжения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
– заседаниях всероссийского научного семинара с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.; о. Байкал, 2008 г.; г. Ялта, 2010 г.; г. Белокуриха, 2014 г.; о. Байкал, 2016 г.);
– конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (г. Иркутск, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.);
– всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск, 2006, 2007, 2008, 2009, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017 гг.);
– всероссийской конференции «Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление» (г. Иркутск, 2015 г.);
– международной энергетической конференции «8-th International Conference on Applied Energy» (Китай, г. Пекин, 2016 г.);
– всероссийской конференции «VIII Мелентьевские чтения. Системные исследования в энергетике: методология и результаты» (г. Москва, 2017 г.).
Личный вклад автора. Результаты работы, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ, в том числе в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК – 5, в коллективных монографиях – 4, в изданиях, входящих в базу данных Scopus – 3.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 149 страниц. Работа содержит 38 рисунков, 9 таблиц и 5 глав.
Анализ научно-методических работ в области решения вопросов функционирования и развития теплоснабжающих систем в условиях несовпадающих интересов
В настоящее время не только в России, но и за рубежом большое внимание уделяется решению задач эффективного функционирования и развития ТСС, конечной целью которых является оптимизация схемы, параметров системы, выбор основных проектных решений (типоразмеров трубопроводов, насосных станций и т.д.), рациональных потоков в ТС, а также оптимальных сроков ввода объектов в эксплуатацию. В условиях либерализации энергетики проблема оптимизации ТСС существенно усложняется, и ее структуризация становится многовариантной в зависимости от особенностей организации отрасли.
Российский научно-практический опыт по вопросам организации и осуществления преобразований в теплоэнергетике в условиях рыночной экономики еще достаточно мал и недостаточно изучен и систематизирован, а зарубежный, как показывает практика, не может быть в полной мере адаптирован к отечественным условиям. Свою актуальность сохраняют такие слабо изученные вопросы, как:
– методы и критерии комплексной оценки эффективности систем теплоснабжения городов в условиях либерализованного рынка;
– выбор приоритетных направлений совершенствования организационно-экономических механизмов (ОЭМ) управления ТСС;
– совершенствование ценообразования и системы государственного регулирования тарифов на тепловую энергию в рыночных условиях;
– формирование конкурентной среды на рынках тепла;
– управление спросом на тепловую энергию, как новый вид деятельности теплоснабжающих организаций;
– информационные и математические модели оптимального развития рынков тепловой энергии.
Комплексное решение перечисленных вопросов, составляющих основу реформирования ОЭМ управления системами теплоснабжения городов в условиях рыночной экономики, только начинает быть предметом научного исследования.
Опубликованные по проблемам рыночной организации теплоэнергетики и ЖКХ многочисленные работы большей частью касаются решения отдельных задач: организационных, технических, эксплуатационных, методологических. Наиболее изученными вопросами в области расчета и оптимизации ТСС являются следующие задачи и методы:
– методы расчета и оптимизации ТСС;
– разработка и формирование технических направлений развития систем, обоснование их рациональных масштабов и структуры, реконструкции и инновационного преобразования;
– выбор количества и мест расположения источников теплоты и схемы тепловой сети;
– определение параметров тепловой сети (диаметров трубопроводов, мест расположения и параметров насосных и дроссельных станций и т.д.);
– определение расчетных гидравлических режимов системы в целом.
Постановка и методы решения этих задач имеют большую историю, как в нашей стране, так и за рубежом [18, 22, 32, 42, 64, 83, 92, 93, 95, 98, 104].
Среди работ по оптимизации параметров тепловых сетей следует выделить работы Б.Л. Шифринсона [90], А.М. Занфирова [21], В.Я. Хасилева [40, 83, 84], Е.П. Шубина [92], Е.Я. Соколова [66], Н.М. Зингера [22, 23], Н.К. Громова [17, 18], Л.С. Хрилева [87]. Полученные в этих работах укрупненные технико-экономические показатели для расчета тепловых сетей до настоящего времени используются в практике проектирования теплоснабжающих систем.
Наиболее эффективным методом для решения задачи выбора оптимальных параметров оказался метод динамического программирования, который впервые предложил и реализовал чл.-корр. РАН А.П. Меренков для теплоснабжающих систем [34]. Метод динамического программирования позволяет находить глобальный минимум и учитывать различные физические и технические ограничения, дискретность параметров оборудования и другие особенности рассматриваемых систем. Этот метод получил дальнейшее развитие в работах ИСЭМ СО РАН [14, 25, 32, 35, 36, 110].
Для оптимизации многоконтурных систем в ИСЭМ был предложен метод многоконтурной оптимизации, основанный на последовательном улучшении решений. Он представляет собой сочетание методов расчета потокораспределения и динамического программирования. Его математическое описание и вычислительные возможности описаны в работах [35, 80].
Комплексное направление, охватывающее большой спектр вопросов математического моделирования, расчета и оптимизации трубопроводных систем различного назначения, получило обобщение в рамках Теории гидравлических цепей (ТГЦ), которая была сформулирована В.Я. Хасилевым [86], получила продолжение в работах А.П. Меренкова [35] и успешно развивается в ИСЭМ СО РАН [32, 36, 44, 64, 65]. ТГЦ включает в себя математическое описание гидравлических цепей (ГЦ), методы гидравлического расчета, задачи и методы оптимизации структуры и параметров ГЦ.
Существенный вклад в развитие методов расчета и оптимизации крупных централизованных систем теплоснабжения внесли работы сотрудников ИСЭМ СО РАН Б.М. Кагановича [25, 26], Е.В. Сенновой [14, 32, 64, 65], В.А. Стенникова [67, 110], Н.Н. Новицкого [14, 44] и др.
Довольно большое внимание в отечественной литературе посвящено вопросам эффективной эксплуатации теплоснабжающих систем. Этому направлению посвящены исследования по оптимизации режимов работы нескольких источников теплоты, работающих на единые тепловые сети [56, 77, 89], а также работы, связанные с определением оптимального радиуса теплоснабжения [16, 48].
Задачи развития и реконструкции теплоснабжающих систем представлены в разделе задач управления развитием трубопроводных систем, развиваемых в рамках ТГЦ. Они возникают в процессе роста тепловых нагрузок, изменения других условий функционирования системы и состоят в определении рациональных направлений изменения принципов построения системы, выявлении узких мест и их устранении путем замены или усиления перегруженных существующих элементов (источников тепла, участков тепловой сети, насосных станций), выборе конкретных структур и параметров системы. Для решения этих задач в ИСЭМ СО РАН разработан соответствующий методический аппарат и вычислительный инструментарий.
В сложившихся новых экономических условиях организационная «целостность» структуры ТСС была нарушена в связи с разделением по собственности ее отдельных элементов. Это способствовало формированию несогласованных действий между производителями тепловой энергии, теплосбытовыми организациями и потребителями. Каждый из этих участников теплоснабжения имеет свои интересы, которые не совпадают с интересами других участников теплоснабжения. Так, например, владельцы источников тепла заинтересованы получать максимальную прибыль от производства тепловой энергии, а потребители – в обеспечении комфортных условий при минимальных тарифах.
Для решения задач оптимального функционирования, развития и реконструкции системы теплоснабжения в изменившихся условиях наряду с существующими методами оптимизации появляется необходимость в использовании новых подходов, ориентированных на решение задач в некоторых специфических неопределенных ситуациях, характеризуемых противоречивыми интересами сторон, и нередко определяемыми как конфликтные. В складывающейся ситуации необходимо найти такие оптимальные условия, при которых каждый из участников был бы заинтересован в развитии ТСС в целом.
Ряд возникающих в теплоснабжении задач находятся в области исследования операций и математической экономики и связан с нахождением компромиссного или равновесного решения. К таким задачам относятся задачи нахождения равновесия по Нэшу, Курно, Штаккельбергу и др., а также задачи иерархического управления (например, двухуровневого) [20, 38, 39].
Формирование спроса потребителей на тепловую энергию
Рынки тепловой энергии в России представлены различными типами потребителей (бюджетные, коммунальные, промышленные и др.). Несмотря на значительное разнообразие тепловых нагрузок, их можно разделить на две группы по характеру теплопотребления во времени: 1) сезонные; 2) круглогодичные.
Сезонная нагрузка, как правило, определяется климатическими условиями (температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, влажность воздуха и т.п.). Основную роль играет температура наружного воздуха. На рис. 2.5 представлены сезонные графики потребности в тепловой энергии по месяцам в течение года для некоторых городов России при одинаковой заданной расчетной тепловой нагрузке.
Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки. К основным сезонным нагрузкам относят отопление, вентиляцию и кондиционирование.
Круглогодичные нагрузки включают в себя технологические нагрузки и нагрузки горячего водоснабжения. Эти нагрузки имеют, как правило, переменный суточный график. Годовые графики этих нагрузок в определенной мере зависят от времени года.
Традиционно спрос на тепловую энергию представляется в виде кривой продолжительности суммарной тепловой нагрузки, которая отражает число часов в году, в течение которого суммарная нагрузка равна рассматриваемой величине [59, 66]. Общий вид графика по продолжительности тепловой нагрузки представлен на рис. 2.6.
Конфигурация этого графика достаточно хорошо описывается уравнением Россандера [59, 106], согласно которому тепловая нагрузка в каждый момент времени определяется в соответствии со следующим выражением: где Qот – расчетная тепловая нагрузка на отопление; Qгвс – расчетная тепловая нагрузка горячего водоснабжения; r , g – коэффициенты неравномерности графика тепловой нагрузки; от – продолжительность отопительного периода.
Годовой объем потребления тепловой энергии потребителями равен площади под кривой изменения тепловой нагрузки в течение года (рис. 2.6) и определяется путем интегрирования выражения (2.1.) по времени :
Развитие рыночных условий в ТСС приводит к появлению еще одной переменной величины – цены на тепловую энергию. С точки зрения экономической теории, потребность на какой-либо товар представляют в виде кривой спроса, которая отражает его зависимость от цены.
В настоящее время на большинстве рынков тепловой энергии спрос является неэластичным. Это связанно с тем, что он в течение отопительного периода на рынках тепла является фиксированной величиной и поэтому жестко привязан к конкретной системе. При этом цены на тепловую энергию не корректируются в режиме реального времени в зависимости от загрузки ИТ, а планируются и утверждаются на среднесрочную или долгосрочную перспективу. Вместе с тем в настоящее время в теплоснабжении сформировался рынок современного и эффективного оборудования малой и средней мощности. С его расширением нередко становится экономически целесообразным сооружение собственных ИТ небольшой мощности с приемлемыми единовременными затратами и минимальными сроками окупаемости. В результате этого спрос на тепловую энергию может приобретать эластичный характер, но при этом его следует рассматривать как долгосрочный.
В большинстве своем долгосрочный спрос характерен для промышленных потребителей с технологическими нагрузками, хотя в последнее десятилетие он начал проявляться и в жилищно-коммунальном секторе, прежде всего на территориях с индивидуальными застройками.
Формирование долгосрочного спроса на локальных рынках тепловой энергии в первую очередь направлено на разработку мероприятий, связанных с вопросами реконструкции и развития систем теплоснабжения муниципальных образований и включает в себя комплекс задач и мероприятий, которые укрупнено можно разделить на три этапа (рис. 2.7).
Этап 1. На первом этапе проводится анализ существующих и прогнозируемых тепловых нагрузок (с учетом ввода жилых зданий и объектов социальной сферы) с целью разработки вероятных мероприятий по реконструкции и развитию ТСС. Как правило, на этом же этапе производится социально-экономическое исследование, связанное с оценкой доступности услуг по теплоснабжению для населения, а также наличие желания их оплачивать, что вполне может повлиять на разработку, приоритетность и количественное выражение мер по преобразованию ТСС. Оценивается промышленный потенциал потребления тепловой энергии с учетом возможного появления новых промышленных объектов в муниципальном образовании согласно программам социально-экономического развития.
Этап 2. Составляется баланс тепловой энергии с расчетом потребления и производства тепловой энергии с оценкой потерь в процессе транспорта до конечного потребителя. В условиях роста или спада спроса на тепловую энергию в рассматриваемой перспективе определяется избыток или дефицит тепловой мощности. На основе составленных тепловых балансов производится технико-экономическая оценка ТСС, которая должна включать в себя:
– расчет затрат на развитие существующих тепловых мощностей в условиях их дефицита;
– определение оптимальных направлений по реконструкции и развитию тепловых сетей в рассматриваемой перспективе с оценкой затрат на их реализацию;
– разработку программ по энергоресурсосбережению с целью повышения эффективности и конкурентоспособности производства и использования тепловой энергии в ТСС;
– обоснование экономической целесообразности строительства новых или реконструкции существующих ИТ.
Этап 3. На данном этапе формируется состав предполагаемых вариантов по развитию и реконструкции ТСС и выбирается оптимальный. Следует отметить, что выбор оптимального варианта по развитию ТСС в условиях рынка нецелесообразно осуществлять по критерию минимума суммарных приведенных затрат по системе, поскольку в современных условиях теплоснабжение представлено множеством собственников, которые имеют свои интересы, отличные между собой. В связи с этим, для того чтобы собственник был заинтересован в развитии своих активов, необходимо обеспечить стимулирование их к этому. Согласно основам микроэкономики таким стимулом может стать получение максимальной прибыли при принятии решений по управлению функционированием и развитием ТСС.
Ввиду индивидуальности экономических, энергетических, территориальных условий в каждом рассматриваемом населенном пункте моделирование спроса на ТЭ является отдельной важной задачей и требует глубокого и тщательного анализа сложившейся ситуации в конкретной ТСС с целью корректного и адекватного планирования мероприятий по их функционированию и развитию. При этом, как уже отмечалось, формирование долгосрочного спроса необходимо для эффективного решения задач развития и реконструкции ТСС. Для принятия рационального решения по планированию режимов, т.е. удовлетворения заявленного спроса со стороны потребителей, целесообразно использовать краткосрочный спрос.
Общеизвестно, что краткосрочный спрос на ТЭ является неэластичным и не изменяется в зависимости от установившейся цены на тепловую энергию. В этих условиях кривая по продолжительности тепловой нагрузки не изменяется и задача сводится к определению оптимального уровня загрузки ИТ, присоединенных к единой тепловой сети. Данный методический подход был впервые разработан для условий регулируемой электроэнергетики [78], когда цена и кривая продолжительности нагрузок имели фиксированный характер. Этот методический подход может быть применим и для рынков тепловой энергии, как для задач планирования загрузки ИТ в условиях их конкуренции или для задачи оптимального распределения тепловой энергии между источниками ЕТО, так и для задач выбора технологий производства тепловой энергии в задачах их развития.
Данный подход предполагает, что показатели постоянных и переменных затрат определяют адекватную экономическую характеристику ИТ и позволяют построить графики их полных затрат. Пересечение кривых полных затрат определяют оптимальный уровень загрузки ИТ, как это показано на рис. 2.8.
Методика поиска оптимального распределения тепловой нагрузки между теплоисточниками в условиях либерализованной модели «Единая теплоснабжающая организация»
Поиск оптимального распределения тепловой нагрузки между теплоисточниками в условиях организационной модели «ЕТО» базируется на применении метода покоординатной релаксации (метод покоординатного подъема) с последующим использованием внутри цикла методов избыточных проектных схем и простой итерации. Суть разработанной методики заключается в сведении задачи многомерной оптимизации к одномерной, с пошаговой процедурой улучшения решений по объемам производства тепла всеми источниками. Алгоритм расчета состоит в следующем.
Шаг 1. Задается расчетный момент времени = 0 .
Шаг 2. Рассчитываются нагрузки потребителей ЖКХ ( тжкх) по уравнению Россандера (ЗЛЗ).
Шаг 3. Присваивается / = 1 (цикл покоординатного подъема).
Шаг 4. Задается вектор начального приближения объемов производства тепловой энергии источниками QT = ( 2i т , ?2 т Qn т )
Шаг 5. Задается значение прибыли ЕТО ПТЕТО(0) = -оо.
Шаг 6. Формируется избыточная схема ТСС, путем введения фиктивного узла и подмножеств фиктивных связей, соединяющих его со всеми узлами потребителей.
Шаг 7. Присваиваются j = \к =1, где jeJm, а к шаг в сторону возрастания функции прибыли ЕТО (4.16).
Шаг 8. Вычисляется оптимальное потокораспределение в сети (4.2)-(4.9).
Шаг 9. Рассчитываются сетевые затраты по формуле (3.20) и соответствующий им тариф на транспортировку тепловой энергии по формуле (3.30).
Шаг 10. Расходы теплоносителя, полученные на фиктивных связях соединяющих промышленных потребителей с фиктивным узлом, принимаются за текущие нагрузки
Шаг 11. Определяются доли рынка для каждой категории потребителей.
Шаг 12. По полученным значениям нагрузок промышленных потребителей вычисляются цены тепловой энергии, согласно их функциям спроса.
Шаг 13. Для потребителей, подключенных к тепловым сетям, определяются цены относительно генерации тепла источниками, путем вычитания сетевой составляющей из конечных цен соответствующих потребителей.
Шаг 14. Определяется равновесная цена из решения системы уравнений (4.12)-(4.15).
Шаг 15. Рассчитывается прибыль ЕТО по выражению:
Шаг 17. Производится проверка на сходимость: если QfJ(l) - ИТ(г4)
Шаг 18. Работа алгоритма завершена.
Для наглядного представления работы предлагаемого алгоритма рассмотрим графическую интерпретацию вычислительного пошагового процесса поиска оптимального решения рис. 4.2.
На рис. 4.2 а) представлен графический вид функции цели «ЕТО» для случая ТСС с двумя источниками (рис. 3.3), а рис. 4.2 б) отражает изолинии целевой функции (изопрофиты), показывающие область изменения ее прибыли при различных комбинациях возможных объемов производства тепловой энергии источниками. Вычислительный процесс начинается с нулевой координаты в сторону возрастания прибыли «ЕТО» (точка А рис. 4.2 б)). Оптимальное решение по распределению тепловой нагрузки между источниками, для рассмотренного примера, достигается уже на 5 шаге итерации и соответствует точке QИТ , а сама траектория вычислительного процесса представлена в виде ломаной линии А-B-C-D-QИТ .
Более общее представление решения задачи оптимального распределения тепловой энергии между теплоисточниками может быть получено в процессе поиска равновесия спроса и предложения на тепловую энергию для «ЕТО» в графическом виде рис. 4.3.
На рис. 4.3 а) отражены изменения основных экономических показателей рассматриваемой ТСС, определяющих равновесие спроса и предложения на тепловую энергию, включая функцию суммарных затрат на производство и транспорт ТЭ (АТС), функцию предельных затрат на производство и транспорт ТЭ (МС), функцию суммарного спроса на ТЭ (D), функцию предельного дохода (MR), характеризующую прирост дохода «ЕТО» при увеличении объема производства тепловой энергии на 1 Гкал/ч.
Иллюстрации на рис. 4.3 б) в графическом виде отражают основные экономические характеристики «ЕТО», в частности, функцию прибыли (П), функцию дохода (TR), функцию суммарных затрат (включая производство и транспорт тепловой энергии) (TC).
Из рис. 4.3 б) видно, что «ЕТО» получает положительную прибыль в интервале объема производства тепловой энергии [Q1ИТ, Q2ИТ], а максимальное значение прибыли (отрезок KL) достигается в точке QИТ , соответствующей максимальному расстоянию между кривыми TR и ТС и их равному наклону в точках K и L. Путем проецирования полученного решения по оптимальному суммарному объему производства тепловой энергии QИТ на функцию спроса D (рис. 4.3 а)) определяется равновесная цена на тепловую энергию «ЕТО» (точка B и соответствующая ей цена w ). Следует заметить, что проекция QИТ на функцию спроса D (рис.4.3 а)) проходит через точку F, которая характеризуется как точка, в которой выполняются условия первого рода (4.17), т.е. равенство функций предельного дохода и предельных затрат (MR=MC), при котором «ЕТО» получает максимум прибыли. Средние суммарные затраты «ЕТО» при объеме производства тепловой энергии QИТ будут находиться на уровне величины, равной значению АТС , при этом они будут соответствовать минимальному уровню суммарных затрат «ЕТО». Из построений следует, что «ЕТО» получает монопольную прибыль, при которой цена на ТЭ поднимается выше предельных издержек МС. По объему она равна площади прямоугольника w -В-А-АТС .
Условия рыночного равновесия (когда «ЕТО» не будет использовать свою монопольную власть) соответствует точке С, в которой пересекаются функции D и МС и достигается ситуация экономического равновесия на рынке, при котором обеспечивается наиболее эффективное использование всех располагаемых ресурсов, включая производителей тепловой энергии, тепловые сети и потребителей. В этом состоянии «ЕТО» будет получать повышенную прибыль, так как ее функция средних суммарных затрат проходит ниже функции предельных затрат.
Формирование расчетной модели теплоснабжающей системы г. Ангарска
Теплоснабжение жилищного фонда и объектов социально-культурной сферы города Ангарска, а также промышленных предприятий осуществляется от трех теплоэнергоцентралей:
1. Участок №1 ТЭЦ-9 ПАО «Иркутскэнерго» (ТЭЦ-1).
2. ТЭЦ-9 ПАО «Иркутскэнерго».
3. ТЭЦ-10 ПАО «Иркутскэнерго».
Схема теплоснабжения города Ангарска – тупиковая, двухтрубная, с водозабором из теплосети на горячее водоснабжение. Подключение системы отопления к теплосети осуществляется по зависимой схеме. Горячее водоснабжение выполнено по открытой системе и осуществляется путем отбора теплоносителя в тепловых пунктах жилых домов. Теплоносителем является перегретая вода, регулирование производится по центральному графику с расчетной температурой теплоносителя 150-70С. Для понижения температуры воды, поступающей в системы отопления из тепловой сети, в жилых домах установлены элеваторы либо насосы смешения.
Обеспечение тепловых нужд города Ангарска на отопление и горячее водоснабжение осуществляется по развитой системе теплоснабжения, состоящей из тепломагистралей и внутриквартальных сетей, запитанных от ТЭЦ-1, ТЭЦ-9, ТЭЦ-10 ПАО «Иркутскэнерго». Магистральные тепловые сети и внутрикварталь-ные сети города, за исключением отдельных участков сетей микрорайонов Бай-кальск и Северный, а также некоторых участков, принадлежащих промышленным предприятиям города Ангарска, находятся в собственности ПАО «Иркутскэнерго». Обслуживание магистральных тепловых сетей осуществляется участком тепловых сетей ТЭЦ-9 ПАО «Иркутскэнерго».
На рис. 5.1 показана схема системы теплоснабжения на плане г. Ангарска, а на рис. 5.2 – ее расчетная модель.
Расчетная схема теплоснабжения г. Ангарска состоит из 1273 участков и 1242 узлов. Число обобщенных потребителей на схеме представлено 534 узлами, из которых 533 соответствуют потребителям с фиксированными тепловыми нагрузками, и один узел ПАО «Ангарская нефтехимическая компания» расположенный на коллекторах ТЭЦ-1 и ТЭЦ-9 с функцией спроса на тепловую энергию, связанной только лишь с ценой генерации тепловой энергии.
Суммарная установленная тепловая мощность всех станций, согласно статистической информации формы 6-ТП за 2016 г., составляет 4177,8 Гкал/ч, в том числе ТЭЦ-1 – 1212,3 Гкал/ч, ТЭЦ-9 – 2402,5 Гкал/ч, ТЭЦ-10 – 563 Гкал/ч.
В качестве исходных данных при проведении практических исследований ТСС с применением разработанных математических моделей приняты следующие показатели теплоснабжающей системы:
1. Тепловые нагрузки потребителей, включая нагрузку на отопление и горячее водоснабжение.
2. Функция спроса на тепловую энергию ПАО «Ангарская нефтехимическая компания» (далее АНХК), полученная на основе выполненных исследований по ретроспективным и прогнозных оценок по объемам потребления ТЭ и цены на нее (рис. 5.3).
3. Длины участков трубопроводов.
4. Сопротивления участков трубопроводов.
5. Стандартные диаметры трубопроводов.
6. Капитальные затраты в тепловые сети (рис. 5.4).
7. КПД работы насосно-моторной установки, равный 0.7.
8. Расчетный период соответствующий календарному году (8760 ч).
9. Продолжительность отопительного периода 5760 час/год.
10. Расчетная температура воздуха внутри помещения: +20C.
11. Расчетная температура наружного воздуха: -37C.
12.Температура, соответствующая началу отопительного периода +8C.
13. Средняя температура за отопительный период -8.9C.
14. Функции затрат на производство тепловой энергии источниками тепла (рис. 5.5).
15. Ограничения по тепловой мощности станций.
16. Удельная стоимость электроэнергии 1.73 руб./кВтч.
17. Цена условного топлива 1800 руб./т у.т.
Основные функциональные зависимости – функция спроса на тепловую энергию АНХК, функция капиталовложений в тепловую сеть и функции затрат на производство тепловой энергии станций были получены путем аппроксимации реальных данных методом наименьших квадратов в вычислительной среде Maple 11. Моделирование теплоснабжающей системы г. Ангарска осуществлялось в вычислительной среде «GAMS» (General Algebraic Modeling System).