Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор современного состояния методологии системного анализа, математического моделирования и многокритериального оценивания энергоэффективности производственных и энергетических систем в условиях структурных преобразований 19
1.1 Методология, модели и методы системного анализа деятельности производственных систем 19
1.2 Методология системного анализа и применение системных исследований для анализа энергоэффективности энергетических систем 24
1.3 Модельный анализ функционирования территориальных генерирующих компаний и энергетических предприятий 39
1.3.1 Модели анализа энергоэффективности генерирующих предприятий на основе производственных функций 39
1.3.2 Идентификация математических моделей энергетических систем 44
1.3.3 Методы многокритериального оценивания энергоэффективности функционирования энергетических предприятий 48
2 Комплексный анализ энергоэффективности территориальной генерирующей компании на основе статистических данных её функционирования 55
2.1 Характеристика региональной генерирующей энергосистемы . 55
2.2 Статистический анализ производства тепловой и электрической энергии энергосистемой Самарской области 58
2.3 Критерии эффективности использования ресурсов региональной энергосистемы 61
2.4 Анализ энергоэффективности территориальной генерирующей компании в период перехода к рыночным отношениям 65
3 Модельный анализ энергоэффективности, управляемости и устойчивости функционирования ТГК в период структурных перестроек 76
3.1 Классификация используемых математических моделей 76
3.2 Анализ инфраструктуры производственной деятельности территориальных генерирующих компаний 78
3.3 Концептуальная модель территориальной генерирующей компании .. 81
3.4 Транспортная потоковая модель ресурсов энергетического производства 87
3.5 Критерии оценки энергоэффективности, устойчивости и управляемости территориальных генерирующих компаний 88
3.6 Анализ системной энергоэффективности генерирующих предприятий энергетической компании 89
3.6.1 Исследование динамики поведения энергосистемы с помощью производственных функций типа Кобба-Дугласа 90
3.6.2 Исследование предельных производителъностей использования базовых ресурсов энергосистемой 95
3.6.3 Исследование устойчивости и управляемости энергосистемы в переходный период к рыночным отношениям 98
3.7 Комплексный анализ взаимосвязей территориальной генерирующей компании с областными потребителями энергии 101
3.8 Модельный анализ энергоэффективности совместного производства тепловой и электрической энергии региональной энергосистемой 107
4 Системный анализ энергоэффективности базового генерирующего предприятия региональной энергосистемы, его основного и вспомогательного оборудования 120
4.1 Концептуальная модель энергетического предприятия территориальной генерирующей компании 120
4.2 Критерии оценки производственной структуры, балансов и энергоэффективности основного и вспомогательного оборудования... 128
4.3 Анализ производственной структуры базового энергетического предприятия 129
4.4 Анализ структуры энергетического баланса 132
4.5 Комплексный анализ режимов работы вспомогательного оборудования теплоэлектроцентралей 135
4.6 Разработка рекомендаций по снижению затрат электрической энергии на собственные нужды 141
4.7 Модельный анализ теплового состояния гидрорегулируемого привода 145
4.8 Моделирование и анализ теплообмена и напряжённого состояния в опорах регулируемого привода 154
5 Системный анализ организационной структуры управления и совершенствование процессов материально-технического обеспечения территориальной генерирующей компании 171
5.1 Комплексный анализ и совершенствование организационной системы управления генерирующими предприятиями в период перехода к рыночным отношениям 171
5.1.1 Построение организационных структур управления генерирующими предприятиями 172
5.1.2 Построение локальных критериев качества организационных структур управления тепловой электрической станцией 174
5.1.3 Построение обобщенного критерия качества организационных структур управления 193
5.2 Комплексный анализ структуры управления материально-техническим обеспечением территориальной генерирующей компании в переходный период 195
5.3 Построение математических моделей расчёта оптимального размера материальных запасов энергетического предприятия 196
5.3.1 Анализ статистических данных по запасам энергетического предприятия 196
5.3.2 Построение математической модели оптимизации размера запасов 198
5.3.3 Анализ полученных решений по величине суммарных затрат на складирование запасов 209
5.4 Анализ системы планирования ремонтов технологического оборудования теплоэлектроцентралей в период перехода к рыночным отношениям 210
5.5 Анализ существующей системы организации планирования и проведения ремонтов технологического оборудования ТЭЦ 211
5.6 Предложения по совершенствованию системы планирования и проведения ремонтов технологического оборудования ТЭЦ 217
6 Комплексный анализ и совершенствование систем контроля мониторинга и управления водно-химического режима работы энергетического оборудования и технологий подготовки воды в энергетических предприятиях 220
6.1 Комплексный анализ систем автоматического контроля технологических параметров работы оборудования теплоэлектроцентралей 220
6.2 Автоматизированная система химико-технологического мониторинга водно-химического режима работы ТЭЦ 226
6.3 Комплексный анализ существующих систем технического водоснабжения 231
6.4 Обоснование необходимости совершенствования технологии подготовки воды на установках подпитки тепловой сети 238
6.5 Направления повышения эффективности подготовки воды для подпитки тепловой сети 242
6.5.1 Оценка затрат и направления повышения эффективности процессов водоподготовки 242
6.5.2 Оптимизация количества используемого оборудования... 243
6.5.3 Снижение затрат на текущий ремонт используемого оборудования 244
6.5.4 Снижение затрат на текущее обслуживание оборудования 245
6.5.5 Снижение потерь на собственные нужды 245
6.5.6 Автоматизация процессов подготовки воды 246
6.6 Анализ результатов эксплуатации АСУ установки подпитки тепловой сети 258
Заключение... 263
Список использованных источников 265
Приложения 290
- Методология, модели и методы системного анализа деятельности производственных систем
- Критерии эффективности использования ресурсов региональной энергосистемы
- Концептуальная модель территориальной генерирующей компании
- Концептуальная модель энергетического предприятия территориальной генерирующей компании
Введение к работе
Актуальность работы. Направление повышения энергоэффективности на настоящий период на государственном уровне определено важнейшим среди основных приоритетов модернизации и технологического развития экономики страны. Это направление является системообразующим, оно взаимосвязано со всеми остальными сферами деятельности и в определяющей степени влияет на результативность работы в других приоритетных направлениях экономического развития. По Указу Президента РФ энергоёмкость российского валового внутреннего продукта должна быть снижена до 2020 года на 40%.
Энергоёмкость экономики России является весьма высокой, и в период структурных реформ она дополнительно увеличилась. Удельные энергозатраты российской экономики возросли с 1990 до 2008 года в 1,45 раза, и в настоящее время энергоёмкость российского валового внутреннего продукта выше, чем в передовых экономически развитых странах, в 2,5-3,5 раза. Такие высокие энергозатраты приводят к неконкурентоспособности большинства видов российской продукции как на международных, так и на внутренних рынках и дополнительно значительно ухудшают экономическую и социальную обстановку в стране в период мирового системного кризиса. Продолжается дальнейший спад экономики, исчезают стимулы к развитию реального производства, к вложению инвестиций в инновационные проекты, как в сфере энергосбережения, так и в других отраслях. Повышаются тарифы на тепловую и электрическую энергию, снижается жизненный уровень населения.
Потенциал энергосбережения в России огромен. По данным рабочей группы Госсовета эффект от уменьшения энергозатрат приносит результаты, сопоставимые по масштабам с добычей нефти и газа и даёт возможность снизить потребление энергоресурсов и энергии в стране более чем на 45%. При этом капиталовложения, необходимые для реализации энергосберегающих мероприятий в три раза меньше, чем альтернативные капитальные вложения, требуемые для наращивания производства такого же количества энергии.
Энергосбережение должно реализовываться во всех сферах энергетической деятельности – в производстве, транспорте и потреблении энергии. Каждая из этих сфер характеризуется значительными перерасходами энергии – затраты энергоресурсов в генерирующих предприятиях возросли с 1990 года на 20-30% и превышают передовой уровень в 1,5 раза, энергопотери в системах тепло и электроснабжения доходят до 60%, перерасходы потребляемой энергии в жилищно-коммунальном комплексе, в бюджетных организациях и в производственных предприятиях составляют 30-40%.
В сфере энергопроизводства снижение эффективности связано, главным образом, с кризисным падением промышленного производства, вызвавшим значительное сокращение объёмов и изменение структуры выработки тепловой и электрической энергии. При этом нарушились нормативные производственные технологии, и энергетическое оборудование стало вынужденно работать в нерасчетных режимах.
Положение с энергоэффективностью существенно ухудшилось в переходный период реформирования, начиная с 1990 года, когда государственное управление энергосистемой фактически прекратилось, а рыночные механизмы саморегулирования реально не работают. Этот период характеризуется дефицитом финансирования, особенно на нужды модернизации, моральным старением и физическим износом энергетического оборудования, снижением надежности и долговечности энергетических установок и агрегатов, приводящим, как следствие, к повышенным эксплуатационным расходам.
С целью совершенствования организационно-экономического управления и формирования эффективного рынка энергетических услуг на региональном уровне был проведён ряд структурных реформирований. Осуществлена реструктуризация региональных энергосистем с выделением различных профильных видов деятельности – производств тепловой и электрической энергий, транспорта тепловой энергии, транспорта электрической энергии, сбыта электрической энергии и диспетчеризации управления в отдельные независимые структуры. Генерирующие предприятия ранее самостоятельных региональных энергосистем были объёдинены в укрупненные территориальные генерирующие компании, сформирована разветвлённая сеть энергоснабжающих организаций.
Однако, эти реформирования на настоящий момент не дали существенных положительных результатов: затраты, себестоимость и тарифы на тепловую и электрическую энергию продолжают расти, конкуренция на рынке энергии слабо развита, энергообъекты не имеют экономической привлекательности, инвестиции на инновационные и энергосберегающие проекты ничтожно малы.
В соответствии с изложенным, актуальной является проблема разработки системной методологии комплексного анализа всех аспектов деятельности региональных энергетических систем, их взаимосвязей между собой и с внешними факторами, с целью выработки направлений повышения энергоэффективности на основе совершенствования методов и структур управления энергопредприятиями, повышения надёжности и экономичности работы энергооборудования, улучшения экономических показателей деятельности.
Диссертация выполнена в соответствии с федеральными программами «Энергосбережение России на 1998-2005 годы», «Энергосбережение Минобразования России», постановлением Правительства Российской Федерации «О разработке прогноза и программы социально-экономического развития Российской Федерации на 1996-2005 годы, постановлением Главы Администрации Самарской области «О разработке Энергетической программы Самарской области на период до 2010 года», научно-технической программой Самарского технического университета «Энергосбережение и управление энергоэффективностью в образовательных учреждениях».
Цель диссертационной работы – разработка системной методологии комплексного анализа энергоэффективности территориальной генерирующей компании в условиях становления рыночных механизмов саморегулирования выявление наиболее значимых факторов и взаимосвязей, определяющих энергоэффективность; разработка направлений по повышению системной эффективности использования базовых видов ресурсов энергосистемы; совершенствование принципов, структур и методов управления организационно-производственной деятельностью энергопредприятий и технологическими процессами энергетических агрегатов и установок; мониторинг, регулирование и оптимизация работы основного и вспомогательного оборудования генерирующих предприятий.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи.
-
Разработка методологии системного анализа энергоэффективности территориальной генерирующей компании в период структурных перестроек.
2. Разработка принципов формирования и совокупности частных показателей энергоэффективности функционирования территориальной генерирующей компании.
3. Разработка методологии построения иерархической системы математических моделей анализа энергоэффективности территориальной генерирующей компании.
4. Построение методик оценки энергоэффективности, управляемости и устойчивости функционирования территориальной генерирующей компании во взаимосвязи с региональной экономикой в переходный период структурных перестроек.
5. Разработка методологических основ системного анализа энергоэффективности основного и вспомогательного оборудования теплоэлектроцентралей и направлений по снижению затрат тепловой и электрической энергии на собственные нужды.
6. Разработка принципов анализа эффективности и направления совершенствования организационных структур управления генерирующих предприятий.
7. Построение методологических основ и системно-обоснованных подходов к определению в условиях неопределённости рыночных взаимоотношений оптимальных объёмов поставок материальных ресурсов и их запасов на генерирующих предприятиях, обеспечивающих непрерывность производственных процессов при минимизации финансовых затрат.
8. Проведение комплексного анализа водно-химических режимов работы основного и водоподготовительного оборудования теплоэлектроцентралей, разработка направлений их модернизации.
Основными методами исследования являются методы системного и структурного анализа, теории управления, методы диагностики и идентификации, методы статистического и регрессионного анализа, асимптотические методы, методы пространств состояний, теория систем с распределёнными параметрами, методы оптимизации и нелинейного математического программирования, методы теории возмущений, теория графов, теория производственных функций, методология многокритериального оценивания эффективности Data Envelopment Analysis (DEA), системные методы энергетики, методы энергетических балансов, методы теории тепловых схем, методы математического моделирования нелинейных задач теплообмена.
Научная новизна и значимость заключается в следующих полученных результатах.
1. Разработана методология системного анализа энергоэффективности территориальной генерирующей компании, отличающаяся учетом трансформации механизмов управления энергетическими системами, принципами исследования инфраструктурных и функциональных взаимосвязей энергетического комплекса и экономики региона, полнотой состава анализируемых производственных ресурсов.
2. Предложен состав частных показателей качества деятельности ТГК, в отличие от известных, характеризующих системную энергоэффективность взаимосвязанных энергетических, технологических, экономических и управленческих процессов.
3. Разработан комплекс системных моделей анализа энергоэффективности территориальной генерирующей компании, включающий в себя семейства объектно- и процесcно- ориентированных математических моделей системной динамики, производственных функций, энергетических и термогидромассообменных процессов, балансов, ресурсных и потоковых взаимодействий, технологического и организационного управления, оценивания, чувствительности и оптимизации в форме обыкновенных дифференциальных, интегральных и интегродифференциальных нелинейных уравнений в частных производных, регулярно и сингулярно возмущенных асимптотических разложений, моделей пространств состояний, графовых моделей структур, регрессионных и корреляционных соотношений, детерминированных и стохастических уравнений, моделей математического программирования, отличающийся от существующих широтой охвата факторов, глубиной вскрытия внешних и внутренних взаимосвязей и взаимозависимостей, полнотой учета специфики протекающих многоаспектных процессов.
4. Предложены методики оценивания энергоэффективности, выявлены периоды устойчивого и депрессивного функционирования региональной энергосистемы, этапы саморегулирования и кризисных процессов, взаимосвязи региональной энергетики и экономики. Полученные результаты характеризуются принципиальной новизной.
5. Разработана методология системного анализа энергоэффективности основного и вспомогательного оборудования, снижения затрат энергии на собственные нужды, повышения надёжности опор качения вспомогательных установок в отличие от существующих основанная на комплексном сочетании опытно-экспериментальных исследований реального состояния и режимов работы оборудования, математического моделирования протекающих энергетических, гидродинамических, реологических, теплофизических и теплообменных процессов и решений задач регулирования режимов работы путём применения гидроприводов и частотно-регулируемых электроприводов.
6. Предложена концепция многокритериального оценивания эффективности организационных структур управления энергетическим предприятием, в отличие от известных отличающаяся новизной состава формализованных частных показателей качества, характеризующих сбалансированность, целостность, управляемость и устойчивость структур и способом свёртки их в обобщенный критерий качества.
7. Сформулирована и решена задача определения в условиях неопределённости рыночных взаимоотношений оптимальных объёмов поставок материальных ресурсов и их запасов для генерирующего предприятия, отличающаяся от известных учётом стохастического характера потоков материалов и изделий и значений коэффициентов математической модели.
8. Разработаны и внедрены автоматизированные системы управления технологическими процессами водоподготовительных установок энергопредприятия и мониторинга водно-химического режима станции, отличающиеся от существующих реализацией непрерывного контроля показателей качества воды, пара и конденсата, алгоритмами управления режимами работы установок, многоуровневостью систем, позволяющих поэтапное внедрение.
Практическая полезность диссертации заключается в обосновании направлений разработки внедрений конкретных мероприятий по повышению энергоэффективности хозяйственно-экономического комплекса Самарской области и Волжской территориальной генерирующей компании, энергопредприятий и энергоустановок тепловых станций.
Результаты работы использованы при разработке Энергетической программы Самарской области до 2010 года, при выполнении по заданиям Администрации Самарской области проектов «Исследование состояния учёта тепла в жилом фонде и на других объектах, мерах по его эффективному использованию» и «Разработка нормативно-правового обеспечения и финансово-экономических механизмов реализации энергосбережения в образовательных учреждениях Самарской области», при разработке рекомендаций по совершенствованию организационных структур и методов управления материально-техническим снабжением энергопредприятий, при обосновании применения регулируемых приводов на вспомогательном оборудовании электростанций, при разработке рабочих проектов реконструкции водоподготовительных установок и систем водно-химического мониторинга режимов работы теплоэлектроцентралей, внедренных в реальное производство на генерирующих предприятиях Волжской ТГК в филиалах ОАО «Тольяттинская ТЭЦ», ОАО «ТЭЦ ВАЗ», ОАО «Самарская ГРЭС» в виде частично смонтированных систем химико-технологического мониторинга водно-химического режима работы технологического оборудования станций, при проведении реконструкции установки подпитки тепловой сети на ТЭЦ ВАЗа с внедрением АСУ ТП и современных методов управления системой подготовки воды, позволившей получить значительный экономический эффект за счет увеличения производительности работающего оборудования в два раза, сокращения затрат на обслуживание и ремонт, уменьшения удельных расходов реагентов на подготовку воды, снижения расходов воды на собственные нужды.
Полученные научные результаты используются в учебном процессе на кафедре системного анализа и управления в теплоэнергетике ГОУ ВПО Самарского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Областных научно-технических конференциях «Математическое моделирование и гибридная вычислительная техника» (Куйбышев 1975, 1977); Всесоюзных конференциях «Контактно-гидродинамическая теория смазки и её практическое применение в промышленности» (Куйбышев 1976, 1977); IVй Республиканском семинаре «Методы и средства решения краевых задач» (Рига 1978); Iй Всесоюзной конференции «Теплофизика технологических процессов» (Волгоград 1980); Всесоюзной конференции «Технологическое обеспечение ресурса и надёжности машин» (Воронеж 1980); Всесоюзной конференции «Повышение долговечности машин и приборов» (Куйбышев 1981); IVй Всесоюзной конференции «Контактная гидродинамика» (Куйбышев 1986); Iм Семинаре-совещании «Коммерческий учёт тепловой энергии и теплоносителя» (Самара 1995); Международной конференции «Актуальные вопросы энергосбережения и сертификации» (Самара 1997); Международной конференции «Качество, безопасность и энергосбережение» (Самара 1998); VIй Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино 1999); Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара 1999); VIй Всероссийской конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Самара 2002); IIй Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение» (Самара 2004); Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения» (Самара 2004); IIй Всероссийской научно-практической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (Уфа 2005); Межрегиональной научно-практической конференции «Перспективные проекты и технологии в энергетике» (Волжский 2005); Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара 2006); Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль» (Тольятти 2006); 7м Международном конгрессе «Вода: экология и технология» (Москва 2006); Vй Международной научной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», (Украина, Крым, Кацивели 2008); Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2008), IX Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2008), XI Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, в том числе из Перечня рекомендованного ВАК – 12 работ, 2 монографии.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка и приложения. Основной текст изложен на 305 страницах, содержит 105 рисунков, 9 таблиц. Библиографический список включает 289 наименований.
Методология, модели и методы системного анализа деятельности производственных систем
Системная методология является базой анализа и исследования фундаментальных, общесистемных закономерностей функционирования производственных систем, совершенствования организационных структур, управления производственными организациями, оценивания комплексной эффективности использования всех видов ресурсов, исследования многофакторных взаимосвязей сложных объектов исследования с другими объектами и с внешней средой [161].
Методология системного анализа базируется на основных положениях общей теории систем, в развитие которых большой вклад внесли Богданов А.А. [18], Берталанфи Л. Фон. [266,12,13], Винер Щ32], Гиг Дж. Ван. [51], Месарович М [148], Заде Л. [101], Клир Дж. [127], Акофф К. [6], Негойце К. [159], Янг С. [256], Саймон Г. [194], Моисеева Н. Н. [153], Емельянов С. В. [96], Гвишиани Д.М. [50], Уёмов А. И. [236], Урманцев Ю. А. [237], Садовский В.Н. [193, 116], Ларичев О.И. [132], БлаубергаИ. В. [15, 16, 17]. Системный подход к исследованию большинства объектов включает в себя [174], [248], [250], [219], [233]: 1. Выделение объекта исследования из общей массы явлений и процессов, очертание пределов системы, её основных частей, элементов и связей с окружающей средой. Выяснение структуры и функций системы. Выделение главных или важных свойств составных элементов и системы в целом, установление их соответствий. 2. Определение основных критериев целесообразности действия системы, а также основных ограничений и условий существования. 3. Определение вариантов структур и элементов, учет главных факторов влияющих на систему. 4. Построение модели системы. 5. Оптимизация работы системы по достижению цели. 6. Определение оптимальной схемы управления системой. 7. Установление надёжной обратной связи по результатам функционирования, определение работоспособности и надежности функционирования системы. Сложное взаимодействие, учитывающее многофакторность рассматриваемых систем с окружающей средой рассмотрено в работах Садовского В. Н. [193]. Постановка любой задачи состоит в формализации её словесного описания. В случае относительно простых задач формальная модель (математическая зависимость между величинами в виде формулы, уравнения, системы уравнений) опирается на фундаментальный закон или подтверждается экспериментом, что доказывает её адекватность отображаемой ситуации [1]. При моделировании различных реальных ситуаций происходящих в сложных технических комплексах и управления экономикой необходимо использовать класс самоорганизующихся систем, которые должны постоянно самокорректироваться и развиваться [121], [120], [34]. Для решения задач с большой степенью неопределённости используются теория множеств, математическая логика, математическая лингвистика, теория графов [28], [240], [167], [95]. Системный анализ деятельности производственных предприятий основывается на комплексном учёте специфики их производственных процессов. Производственные системы характеризуются следующими особенностями [111], [228], [166]: - производственная система постоянно совершенствуется и управление этой системой является управлением процессами создания и совершенствования новых технологий; - постоянно меняющиеся характеристики и параметры производственных систем обуславливают необходимость исследования новых закономерностей развития производства и их использования в управлении; - усложнение производства приводит к повышению требований к методам сбора, накопления, переработки информации и дифференцировании её по уровням иерархии с учетом значимости с точки зрения принятия управленческих решений; - участие человека в промышленном производстве обуславливает необходимость учета комплекса социальных, психологических, экологических и других факторов при системном анализе производственной деятельности; - при моделировании необходимо учитывать как объективный, так и субъективный характер [212]. Обычно задачи системного анализа производственных систем многомерны и нелинейны [107], [153], [175], [222]. Отличительной чертой задач системного анализа промышленных производств является неоднозначность решений и их экстремальность [159], [221]. Анализ сложных производственных систем необходимо проводить при условии достаточности и достоверности используемой информации, инвариантности информации, преемственности моделей, эффективности, реализуемости. Перечисленная совокупность обычно добавляется другими частными и общими принципами, определяющими методологию системного анализа [103], [109], [133], [232]. Для получения представления о сложном объекте необходимо найти подходящую формализованную модель системы — количественную или качественно концептуальную. При этом объект необходимо изучать с разных точек зрения применяя к нему различные формализованные модели [173], [128], [229]. Конструктивной реализацией методологии системного анализа является математическое моделирование, адекватно описывающее поведение изучаемого объекта. Академиком Канторовичем Л.В. выделено четыре группы математических моделей для комплексного анализа поведения производственных систем: балансовые модели деятельности [146], [244], модели взаимодействия производственных объектов на основе теории игр и модели линейного программирования [106], модели математического программирования [112], [125] (динамического [10], [11], [31], нелинейного [243], целочисленного [227] и стохастического [8]). Широкое распространение получили следующие типы моделей [114], [117], [225]: - функциональные модели работы производственного объекта, описывающие функции и взаимосвязанные совокупности процессов функционирования его отдельных элементов; - модели, определяющие процедуру воздействий на производственную систему для обеспечения требуемых условий протекания процессов; - модели элементарных процессов, отражающие связи между внутренними и внешними характеристиками объекта; - функционально-стоимостные модели, описывающие соотношение между экономическими показателями деятельности и производственно-технологическими целями управления объектом; - балансовые модели, описывающие баланс параметров и потоков промышленного производства и распределения продукции. Модели подразделяются на структурные и функциональные [65]. Структурные модели, отражающие связи между объектом, его элементами и внешней средой включают в себя: - модели, описывающие в агрегированных переменных взаимодействие объекта с окружающей средой через входные ресурсы и выходные данные по производству продукции: - модели внутренней структуры, описывающие элемента объекта и связи между ними; - модели иерархической структуры, в которых объект декомпозирован в виде многоуровневой системы.
Критерии эффективности использования ресурсов региональной энергосистемы
Доля тепловой энергии уменьшилась с 76% до 68%, и произошло нарушение пропорций выработки технологического пара и горячей воды. В начале периода перестроек в 1990 году в общей тепловой нагрузке доля производства технологического пара ТЭЦ энергосистемы составляла 57% и, соответственно, производства горячей воды — 43%. Паровая нагрузка превышала в 1,28 раза нагрузку по горячей воде, и такое соотношение соответствовало расчетным, регламентным режимам работы технологического оборудования областной энергосистемы. В 1994 году принципиальным образом изменилась структура вырабатываемой энергосистемой тепловой энергии. Базовая нормативная, стабильная в течение года тепловая нагрузка в виде технологического пара в основной своей части заместилась сезонной тепловой отопительной нагрузкой. В 2007 году тепловая нагрузка станций в виде горячей воды в 1,74 раза превышала тепловую нагрузку в виде технологического пара. Работа в нерасчётных, непроектных режимах привела к снижению экономичной теплофикационной выработки энергии с 71,3% до 62,9% и к увеличению неэкономичной конденсационной выработки с 28,7% до 37,1%. Удельные расходы топлива на производство тепла и электроэнергии (рассчитанные по формулам 2.7, 2.8) возросли до 37,8 кг/ГДж и 338 г/кВтч. Коэффициент полезного действия выработки электроэнергии (определённые по соотношению 2.1) снизился с 0,23% до 0,22% и коэффициент использования топлива (рассчитанный по формуле 2.3) уменьшился с 0,73% до 0,66%. Исследованы изменения структуры энергетического баланса, вызванные сезонными колебаниями нагрузки. Анализ приведённой структуры показал, что вследствие уменьшения паровой промышленной нагрузки, практически постоянной во времени, значительно возросла нестабильность объёмов потребляемой энергии, и, как следствие, её выработки. Это привело к существенному увеличению степени различия энергетических балансов в отопительный, зимний и летний периоды. Анализ изменения текущей мощности энергосистемы в течение года: тепловой (определяемый по соотношению 2.11), электрической (рассчитанной по формулам 2.15, 2.16, 2.17) и затрат топлива (определяемых по формулам 2.9, 2.10) по усредненным статистическим данным за период 2000-2004 годы, установил существенную неравномерность этих показателей. Тепловая нагрузка в летние месяцы уменьшается на 80% относительно максимального значения в зимний период. Электрическая нагрузка снижается несколько меньше на 57% от максимума за счет того, что теплофикационное оборудование в летний период эксплуатируется в конденсационном режиме при коэффициенте полезного действия 22-24%. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в условиях пониженной выработке тепловой энергии, имеющей место после 1990 года, комплексная эффективность совместного производства тепловой и электрической энергии существенно снизилась. Для повышения эффективности необходимо восстанавливать баланс выработки - либо увеличивая производство тепловой энергии, либо уменьшая выработку электрической энергии. В начале периода перестроек в 1990 году в общей тепловой нагрузке доля производства технологического пара ТЭЦ энергосистемы составляла 57% и, соответственно, производства горячей воды — 43%. Паровая нагрузка превышала в 1,275 раза нагрузку по горячей воде, и такое соотношение соответствовало расчетным, регламентным режимам работы технологического оборудования областной энергосистемы. В 1994 году принципиальным образом изменилась структура вырабатываемой энергосистемой тепловой энергии. Постоянная, проектно обусловленная в течение года тепловая нагрузка в виде технологического пара заместилась сезонной тепловой отопительной нагрузкой. В 2007 году тепловая нагрузка станций в виде горячей воды в 1,74 раза превышала тепловую нагрузку в виде технологического пара. Работа в нерасчётных, непроектных режимах негативно сказалась на показателях деятельности энергосистемы — снизились коэффициенты полезного действия по производству тепловой и электрической энергии, увеличились удельные расходы топлива на единицу производимой электрической и тепловой энергии. Себестоимость отпускаемой электроэнергии возросла более чем в 4 раза, снизился коэффициент использования топлива, возросли расходы электрической энергии на собственные нужды с 6-7% до 12-14%. В этих условиях нарушился баланс комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, снизился коэффициент использования топлива, увеличились удельные расходы топлива на отпущенную энергию. Многие энергоемкие предприятия области, стремясь сократить затраты на приобретаемую тепловую энергию, приняли решение о строительстве собственных источников энергии. По базовым энергетическим источникам области ситуация с производством тепловой энергии и с отпуском технологического пара и горячей воды в период с 1990 по 1996 годы следующая - резко сократился отпуск технологического пара основным потребителям Тольяттинской ТЭЦ (в 6,6 раза), Новокуйбышевских ТЭЦ 1,2 (в 3,19 раза - НК ТЭЦ-1, в 5,2 раза - НК ТЭЦ-2), Сызранской ТЭЦ (почти в 2 раза), Безымянской ТЭЦ (в 1,7 раза). В целом по энергосистеме падение потребления тепла с промышленным паром за эти годы составило 49,1%. Работа оборудования в нерасчетных режимах приводит к снижению коэффициентов полезного действия и коэффициентов использования топлива (КИТ), к увеличению удельных расходов топлива на выработку тепловой и электрической энергии, к повышению удельных расходов энергии на собственные нужды. Проанализируем изменение этих характеристик.
Концептуальная модель территориальной генерирующей компании
Таким образом, построенная концептуальная модель включает в себя восемь наиболее важных входных факторов связывающих энергосистему с промышленным потенциалом области и два выходных фактора - количества произведённой тепловой и электрической энергии, которые полностью определяются потребностью региона в энергоресурсах и показатели эффективности использования входных ресурсов: - удельные расходы топлива на производство тепловой и электрической энергий; - коэффициенты полезного действия энергетических установок, характеризующие эффективность функционирования энергосистемы в целом. Капитальные ресурсы или основные фонды обеспечивают наличие основного и вспомогательного энергетического оборудования, здания и другую производственную инфраструктуру. Трудовые ресурсы занимают основное место в обеспечении собственно производственного процесса. Их эффективность определяется производственными технологиями, наличием средств и орудий труда. Топливные ресурсы являются базовыми для обеспечения организации необходимых физических процессов энергетических технологий. Материальные ресурсы обеспечивают проведение обслуживания и текущего ремонта используемого основного и вспомогательного оборудования, поддерживают непрерывный технологический процесс производства тепловой и электрической энергии. Информационные ресурсы являются носителем всех сведений о протекающих производственных процессах. Они являются основой выработки и принятия всех управленческих решений, создания систем управления технологическими производственными и организационными процессами. Финансовые ресурсы являются необходимыми для организации всей хозяйственной деятельности предприятия, обеспечивают необходимые условия для производства конкурентоспособной на рынках энергии и создают предпосылки для улучшения экономических показателей функционирования ТГК. Увеличение потребления собственных энергетических ресурсов системы повышает себестоимость произведённой энергии, и оптимизация величины расхода энергии на собственные нужды обеспечивает повышение энергоэффективности функционирования энергосистемы в целом. В условиях перехода к рыночным отношениям резко возросла стоимость используемых водных ресурсов, с учетом того, что энергосистема потребляет почти 40-10 м /час водных ресурсов, рациональность их использования существенно сказывается на эффективности производства тепловой и электрической энергии. Взаимосвязи и взаимовлияние рассмотренных входных факторов -ресурсов - взаимодействия энергетических и управленческих технологий определяют, в целом, системную эффективность функционирования генерирующей компании. Структура взаимодействий энергетических и управленческих технологий территориальной генерирующей компании представлена на рисунке 3.4. Энергетические технологии предприятий компании структурно представлены в виде трёх групп, тесно связанных между собой: 1. Инфраструктурные технологии. Обеспечивают процесс получения тепловой энергии в виде перегретого пара высоких параметров, процессы превращения тепловой энергии в механическую энергии вращения роторов энергетических генераторов и превращение механической энергии в электрическую энергию. 2. Технологии энергосбережения. Они оптимизируют энергетические процессы превращения внутренней энергии физического тепла топлива в тепловую и электрическую энергию. 3. Технологии подготовки ресурсов, заключающиеся в том, что топливные и энергетические ресурсы (органическое топливо, вода, воздух, различные химические реагенты), применяемые в цикле тепловых станций для обеспечения её основных рабочих процессов, должны быть соответствующим образом подготовлены перед их использованием: - необходимо обеспечить нормативные значения давление газообразного топлива; - твердое топливо требуется размолоть и подсушить, а жидкое топливо подогреть до определённой температуры; - для обеспечения эффективного сжигания топлива необходимо подогреть воздух до требуемой температуры; - требуется обеспечить определённое качество питательной воды, её химический состав, допустимое содержание примесей. Для обеспечения реализации всех перечисленных технологий необходимо организовать измерение и контроль основных и вспомогательных технологических параметров, характеризующих производственные энергетические процессы. В настоящее время измерение и контроль большинства характеристик осуществляется постоянно с помощью автоматизированных средств измерения и контроля, а там где автоматизированные системы ещё отсутствуют - путем периодического ручного измерения и учета соответствующих измеренных значений. Полученные результаты измерения и контроля обеспечивают реализацию системы управленческих технологий генерирующей компании. Основными подсистемами управления ТГК являются: - автоматизированное управление технологическими процессами, - организационное управление, - экономическое управление, - логистическое управление. Конечной целью реализации системного управления должно являться осуществление технологического процесса производства тепловой и электрической энергии требуемого качества с наименьшими затратами и наилучшими экономическими показателями. 3.4 Транспортная потоковая модель ресурсов энергетического производства В процессе функционирования энергетического предприятия происходит непрерывный процесс движения различных потоков энергии, используемых ресурсов, измерительной и управляющей информации. Транспортная потоковая модель ресурсов энергетического производства представлена на рисунке 3.5. Как отмечалось выше для производства тепловой и электрической энергии генерирующее предприятие использует потоки энергии в виде органического топлива, а также материальные ресурсы. Эти потоки являются непрерывными, поскольку процесс производства является непрерывным.
Концептуальная модель энергетического предприятия территориальной генерирующей компании
В условиях рыночных отношений стоимость газа зависит от объёмов его потребления, причем перерасход газа, также как и недопотребление выделенных лимитов облагаются снабжающей топливом организацией штрафными санкциями.
В качестве резервного топлива на этих станциях используется мазут, который также проходит предварительную подготовку. В зависимости от климатических условий в зимнее время возникают случаи, когда оплаченного лимита. газа не хватает на производство необходимого количества тепловой и электрической энергии и часто оказывается более эффективным использовать резервный вид топлива, чем перерасходовать выделенные лимиты, но для этого необходимо иметь в наличие некоторое количество резервного топлива. Избыток резервного топлива необходимо создавать в летний период, когда его стоимость существенно ниже стоимости в зимний период. Правильное планирование и организация регулирования процесса приобретения и потребления топлива позволяют минимизировать стоимость единицы используемого топлива. 2. Обеспечение производства тепловой и электрической энергии. Эффективность производства тепловой и электрической энергии во многом определяется правильным выбором наиболее экономичных режимов работы оборудования. Выбор осуществляется на основе режимных карт, которые регулярно обновляются соответствующими службами энергосистемы и отражают реальное состояние энергетического оборудования. Рациональная загрузка энергетического оборудования позволяет эксплуатировать его с наивысшим, при данной нагрузке, коэффициентом полезного действия, что способствует повышению экономичности производства энергии. 3. Планирование затрат на приобретение материалов для обеспечения облуживания, текущего и капитального ремонта оборудования энергетического предприятия. С учетом того, что при рыночной экономике цена на материалы и оборудование меняется по случайному закону, необходимо при определении требуемого запаса на складе учитывать случайность изменения цен и необходимую вероятность обеспечения запасами в срок. 4. В изменившихся условиях система управления энергетическим предприятием должна отражать новые задачи, возникшие при переходе к рыночным отношениям, а также изменившиеся условия потребления тепловой и электрической энергии. Оптимизация организационных структур управления позволяет сократить затраты на управленческом аппарате при неизменной надежности управления процессами производства тепловой и электрической энергии. 5. В условиях рыночных отношений эффективность подготовки и использования водных ресурсов на энергетическом предприятии существенно влияет на эффективность использования ресурсов. При стоимости 1 м технической воды около 3 рублей станция ежечасно потребляет около 3 103 м3/час. Питьевая вода стоит почти в 5 раз дороже. В этих условиях остро возникает необходимость совершенствования технологий подготовки и использования воды, поскольку используемые в настоящее время технологии предусматривают 15% расхода воды на собственные нужды. Функциями элементов второй подсистемы является обеспечение специфики работы энергетического предприятия, которая состоит в том, что оно обладает непрерывным производственным циклом. Для его осуществления необходимо постоянно эксплуатировать энергетическое оборудование в условиях близким к оптимальным, позволяющим осуществлять технологический процесс с наименьшими потерями входных ресурсов. Подсистема, представляющая информацию о текущем состоянии технологического оборудования, осуществляет непрерывное измерение и контроль основных параметров работы энергетического оборудования, обеспечивает информацией по текущему состоянию эксплуатируемого оборудования, осуществляет планирование текущих и капитальных ремонтов. Элементы четвертой подсистемы проводят оценку величины внутристанционных потерь используемых ресурсов, а также осуществляют расчет эффективности использования входных ресурсов и технико-экономических показателей производства тепловой и электрической энергии. В условиях становления рыночных отношений и постоянно меняющихся цен на ресурсы и произведённую энергию наибольшую эффективность будут иметь предприятия, наилучшим образом использующие эти ресурсы. Проанализируем основные характеристики базовых входных ресурсов региональной энергосистемы - топливные, собственно энергетические, водные и материальные. Тепловые ресурсы Поставщиком газообразного топлива является организация ОАО «Межрегионгаз», которая в соответствии с заранее заключенными договорами, поставляет генерирующей компании необходимое количество топлива соответствующего качества. Анализ фактических данных генерирующих предприятий компании показывает, что элементарный состав топлива и его калорийность в течение года меняются в пределах не более ±5%. Поэтому, при дальнейшем рассмотрении будем полагать, что топливо имеет стабильные, неизменные характеристики. На станциях в газораспределительных пунктах (ГРЕТ) осуществляется снижение давления газа с высокого (0,6-1,1 МПа) до среднего (0,13-0,2 МПа). После ГРП газ направляется к котлам для его сжигания. Энергетические ресурсы В процессе эксплуатации оборудование станции потребляет часть производимой им тепловой и электрической энергии на собственные нужды -подготовку топлива, подачу воздуха, отвод дымовых газов котлов, подачу питательной воды, конденсата и др. Расход энергетических ресурсов на собственные нужды зависит от режимов работы оборудования. При работе оборудования в номинальных, расчетных режимах расход электрической энергии составляет 4-6% [229]. Анализ данных за 2007 год показал, что расход электрической энергии на собственные нужды по генерирующим предприятиям ОАО «Волжская ТГК» составил 12-13%, т.е. оборудование в целом работает в нерасчетных режимах и имеет место значительный перерасход энергии на нужды станций. Информационные ресурсы Для обеспечения качественного протекания процессов в энергетических установках, происходящих при высоких температурах водяного пара (до 560С) и давлении (до 15 МПа) а также условиях непрерывного производства, необходимо оснащение агрегатов контрольно-измерительной аппаратурой, средствами защиты и управления технологическими процессами.
Паровые котлы, паровые турбины и вспомогательное оборудование станции оборудовано датчиками, измеряющими температуру отдельных поверхностей нагрева, давление рабочей среды (конденсата, питательной, котловой воды и пара), расход рабочей среды, показатели пара и воды (солесодержание, содержание натрия, содержание кислорода и ионов рН), состав продуктов сгорания [134], [55].
