Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Организационно-экономические проблемы
функционирования и развития систем централизованного
теплообеспечения в современных условиях. 12
-
Современные системы централизованного теплообеспечения как сложные управляемые технико-экономические системы 12
-
Особенности экономических отношений и воспроизводственных процессов в современных СЦТО 23
1.3. Методы оптимизации процессов развития СЦТО с учетом
экономичности и надежности их функционирования 35
-
Краткий анализ развития методов экономической оптимизации СЦТО с учетом случайных фактоІІД»... *v. л. ....*. 35
-
Постановка задачи выбора тепловых мощностей в двухэтапной схеме принятия решений 37
-
Имитационное моделирование ситуаций и прямые методы СП как новый этап совершенствования методологии и инструментария оптимизации проектных решений 40
Глава 2. Стохастические модели и методы оптимизации
мощностей источников теплоты и их размещения 46
-
Агрегированная модель оптимизации мощности СЦТ с учетом климатической характеристики зоны 46
-
Агрегированная динамическая модель оптимизации мощности СЦТО 52
-
Основы построения структурных стохастических моделей оптимизации СЦТО 59
2.3.1. Общий подход к развитию структурной модели СЦТО 59
2.3.2. К вопросу формирования реализаций случайных ситуаций
функционирования СЦТО 61
2.4. Структурная стохастическая модель предпроектной оптимизации
размещения и величин мощностей источников теплоты в СЦТО 66
-
Содержательная постановка задачи 67
-
Используемые обозначения и их содержательный смысл 71
-
Аналитическое и табличное представление модели 74
2.5. Построение алгоритма прямого метода, учитывающего специфику
задачи 80
Глава 3. Оптимизационные расчеты для предпроектного
обоснования варианта реконструкции фрагмента СЦТО 85
3.1. Краткая характеристика современного состояния и направлений
развития системы теплоснабжения Северного района РТС
г. Ростова-на-Дону 85
-
Формулировка задачи и ее содержательная структура 91
-
Методика подготовки исходных данных для структурной стохастической задачи реконструкции 93
-
Расчеты к балансам теплоты у потребителей 93
-
Расчеты нормативов расходов теплоносителя и топлива 98
-
Расчеты экономических показателей и нормативов 101
3.4. Решение задачи и анализ оптимального варианта развития систем
теплоснабжения 105
Заключение 113
Список использованных источников 115
Приложения 1.
Приложения 2.
Приложения 3.
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.
Нестабильность общественно-экономической жизни в России в переходный период отрицательно отразилась и на энергетической отрасли страны, которая входит в рынок, сохраняя свой монопольный характер и затратный механизм функционирования. Известно, что в настоящее время энергоемкость национального дохода у нас почти в 2 раза превышает этот показатель в развитых странах. В теплоэнергетике возникли новые экономические проблемы, связанные с неплатежами, нехваткой оборотных средств для нормальной работы тепловых систем, большим износом оборудования и теплосетей, недостатком средств на их техническое обслуживание, капитальный ремонт и реконструкцию. В условиях нарастающего дефицита природных энергоресурсов и энергетических кризисов все более острыми становятся проблемы рационального использования энергоносителей и повышения экономической эффективности развития и функционирования энергосистем, надежности энергообеспечения всех сфер экономики и коммунального хозяйства каждого региона страны.
В настоящее время около 40% потребности в теплоте удовлетворяется за счет многочисленных мелких котельных и индивидуальных установок, что ведет к значительному перерасходу топливных, денежных, материальных и трудовых ресурсов. Поэтому первоочередной задачей восстановления и развития теплоэнергетической отрасли страны является экономически обоснованное использование ограниченных средств, инвестируемых в реконструкцию и развитие систем централизованного теплоснабжения (СЦТ). При этом необходимо выбирать такие варианты проектов строительства и реконструкции СЦТ, которые характеризовались бы одновременно экономичностью и высокой надежностью снабжения потребителей тепловой энергией. Решение этой задачи возможно только на основе системного подхода
5 с применением современных экономико-математических методов и информационных технологий.
Методы экономической оптимизации проектных параметров тепловых сетей начали применяться еще с конца прошлого века. Однако системный комплексный подход к выбору оптимальных вариантов проектных решений в теплоэнергетике стал развиваться лишь в результате укрупнения и усложнения самих тепловых систем, с одной стороны, и появления и развития мощных методов математического программирования (Канторович Л.В., Беллман Р.,
Данциг Дж., Ермольев Ю.М.),- с другой. За период с 60* годов до настоящего времени теоретико-методологические и прикладные исследования по оптимизации теплоснабжающих систем привели к принципиальному углублению и совершенствованию методов технико-экономического обоснования проектных и эксплуатационных решений. В настоящее время комплексные задачи огггимизации теплоснабжающих систем рассматриваются как задачи нелинейного стохастического программирования сложной матричной и сетевой структуры. За это время разрабатывались подходы, модели и методы оптимизации: параметров отдельных элементов теплоснабжающих систем с разветвленными тепловыми сетями; диаметров трубопроводов в многоконтурных теплопроводящих системах; конфигурации (трассировки) тепловой сети; размещения и мощностей источников ценрализованного теплоснабжения. Большой вклад в развитие современных оптимизационных методов в теплоэнергетике внесли такие ученые, как Васильева М.Е., Ионин А.А., Каганович Б.М., Макаров А.А., Мелентьев Л.А., Меренков А.П., Монахов Г.В., Попырин Л.С., Сеннова Е.В., Сидлер В.Г., Смирнов И.А., Хасилев В.Я., Хрилев Л.С., Юфа А.И. и многие другие.
Особо важное значение в разработке соответствующих моделей и методов оптимизации имеет учет стохастических факторов, поскольку на режимы функционирования тепловых систем влияют многообразные случайные ситуации, которые определяют выбор проектных и эксплуатационных решений, формирующих экономические и надежностные характеристики систем. В трудах названных ученых эта проблема ставилась и решалась на основе последних достижений в математическом моделировании и программировании. В последние два десятилетия благодаря трудам таких ученых, как Бусленко Н.П., Ермольев Ю.М., Кардаш В.А., Нейлор Т., Форрестер Д., Юдин Д.Б., Ястремский А.И., существенное продвижение произошло в области имитационного моделирования и стохастического программирования, что принципиально расширило возможности стохастической оптимизации сложных систем. Эти разработки активизировали прикладные исследования отдельных проблем в области тепло- и электроэнергетики. Что же касается комплексных задач развития систем теплоэнергетики, то здесь еще предстоит на основе новейших методов совершенствовать не только инструментарий, но и методологический подход к оптимизации проектных вариантов создания и развития СЦТ.
Все это и определило выбор темы нашего исследования. Проблему экономической оценки и выбора решений о размещении и мощностях источников тепловой энергии необходимо исследовать в схеме 2~ - этапного стохастического программирования с применением имитационной модели при генерировании характеристик случайных ситуаций для выбора эксплуатационных решений второго этапа и с использованием стохастического квазиградиента для улучшения проектных решений первого этапа.
Цель и задачи исследования. Целью исследования явилось совершенствование моделирования и методов экономической оптимизации размещения и мощностей источников тепловой энергии развивающихся СЦТ на основе двухэтагшой схемы принятия решений и прямых методов стохастического программирования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - Изучить существующие подходы, модели и методы оптимизации размещения и производительностей источников тепловой энергии для выбора вариантов развития СЦТ. Выявить направления и возможности их совершенствования на основе новейших математических методов и информационных технологий.
Разработать общую двухэтапную схему оптимизации развития системы централизованного теплообеспечения (СЦТО), представляющую собой СЦТ, расширенную за счет подключения экономических взаимоотношений с потребителями тепловой энергии. На этой основе построить комплексный экономический критерий, включающий экономическую оценку надежности теплообеспечения потребителей.
Выявить особенности экономических условий для воспроизводственных процессов в СЦТО на современном этапе. Дать оценку отдельных направлений совершенствования и развития существующих СЦТО с точки зрения их экономичности и надежности. В частности, разработать методику экономической оценки и выбора мероприятий по снижению потерь тепловой энергии в системе.
Разработать численно реализуемые модели и методы стохастической оптимизации для выбора мощностных параметров источников теплоты в развивающихся СЦТО для предпроектных экономических оценок вариантов их развития.
На основе двухэтапной схемы принятия решений построить структурную стохастическую модель оптимизации размещения и мощностных параметров источников теплоты в СЦТО.
Адаптировать известную имитационную модель реализации ситуаций функционирования тепловых сетей для моделирования системных ситуаций функционирования СЦТО в целом. - Разработать алгоритм и программу реализации прямого метода стохастической оптимизации, учитывающие специфику предложенной модели. - Апробировать разработанный экономико-математический инструментарий расчетами на конкретном числовом материале проектирования развития выделенного фрагмента СЦТО города Ростова-на- Дону.
Теоретической и методологической базой исследования явились труды российских и зарубежных ученых-экономистов, в частности, достижения иркутской, киевской и кишиневской научных школ по экономической оптимизации сложных энергетических систем, а также работы в области математического моделирования, стохастической оптимизации и информационных технологий. В научных и прикладных разработках применялась методология системного подхода. В качестве конкретных инструментов исследований использованы методы теории вероятностей и математической статистики, методы линейного, нелинейного и стохастического программирования (СП), методы теории принятия решений, методы разработки информационных технологий для решения оптимизационных задач.
Объектами исследования явились источники теплоснабжения и потребители теплоты с их экономическими отношениями во вновь создаваемых и реконструируемых СЦТО.
Предметом исследования_явились модели и методы стохастической оптимизации проектных решений по выбору мест размещения и мощностей источников теплоты в СЦТО.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем. - Усовершенствована методология системного подхода к оптимизации размещения и мощностей источников теплоты в СЦТО за счет: а) рассмотрения проблемы в рамках двухэтапной задачи стохастического программирования; б) расширения понятия системы централизованного
9 теплоснабжения СЦТ до понятия системы централизованного теплообеспечения (СЦТО).
Построены оригинальные модели оптимизации размещения и мощностей источников теплоты развивающихся СЦТО. Структурная стохастическая модель имеет специфическую конструкцию, позволяющую разработать практически эффективный алгоритм прямого метода стохастического программирования для ее численной реализации.
Впервые на основе этих моделей обобщенная характеристика надежности работы СЦТО оптимизируется с учетом экономических потерь как у производителей, так и у потребителей в результате отклонений режимов теплоподачи от базовых (договорных) балансов тепловой энергии.
Предложены оригинальные приемы подготовки и использования вероятностной и детерминированной информации в стохастических моделях СЦТО. В частности: а) методика экономической оценки вариантов сокращения потерь теплоэнергии с последующим их включением в оптимизационную модель, что дает возможность сопоставить их экономическую эффективность с эффективностью вариантов расширения мощностей; б) методика определения агрегированных нормативов эксплуатационных затрат с использованием балльных оценок протяженности и разветвленности участков сети.
Разработанный математический и программный инструментарий имеет преимущества перед известными методами оптимизации проектов развивающихся СЦТ, заключающиеся в возможности моделирования и автоматического перебора в процессе оптимизации практически неограниченного числа системных ситуаций эксплуатации проектируемой СЦТО.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением новейших математических методов и информационных технологий при построении
10 моделей, разработке и обосновании алгоритма и его программной реализации, а также - экспериментальной проверкой предложенных моделей и методов на конкретных материалах.
Практическая ценность работы. Предложенные агрегированные и структурные модели могут быть использованы для предпроектного обоснования оптимальных вариантов размещения и производительностей источников теплоты для вновь строящихся и реконструируемых систем централизованного теплообеспечения. Экспериментальные расчеты на материалах проекта реконструкции системы теплоснабжения трех административных районов города Ростова-на-Дону показали практическую пригодность разработанных алгоритмического и программного обеспечения соответствующих оптимизационных расчетов на ПЭВМ класса «Pentium-II-233». Модели оптимизации мощностей источников теплоты используются в учебном процессе на кафедре Прикладной математики ЮРГТУ (НПИ) в курсе «Стохастическая оптимизация».
Апробация работы и публикации. Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку: на Межгосударственной научно-практической конференции «Экономико-организационные проблемы анализа, проектирования и применения информационных систем»/ Ростов-на-Дону, РГЭА, 1997 г.; на 1ом\П0М и III** Всероссийских симпозиумах «Математическое моделирование и компьютерные технологии» ./г. Кисловодск, КИЭП, 24-25 апреля 1997г.; 23-25 апреля 1998г.;22-24 апреля 1999г.; на Vой Всероссийской школе-коллоквиуме по стохастическим методам./ Йошкар-Ола, 6-12 декабря 1998г.; на Отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта»; 24-25 ноября 1998 г., г. Ростов-на-Дону, РГУПС.
Результаты исследований обсуждались также на совместном заседании кафедр менеджмента, экономики мелиорации и информатики и систем управления Новочеркасской государственной мелиоративной Академии
Основные результаты диссертационного исследования отражены в 7 опубликованных научных работах общим объемом 1,5 печатных листа. Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, списка использованной литературы и трех Приложений. Работа выполнена на кафедре менеджмента Новочеркасской Государственной мелиоративной академии в соответствии с планом НИР в рамках научной проблемы: «Разработка экономико-математического инструментария (моделей, методов и программ) для решения и экономического анализа задач планирования и проектирования в мелиорации и водном хозяйстве».
