Системная методология анализа энергоэффективности территориальной генерирующей компании в условиях перехода к саморегулированию

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Системная методология анализа энергоэффективности территориальной генерирующей компании в условиях перехода к саморегулированию

общая характеристика работы

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.

1. 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); IV^й Республиканском семинаре «Методы и средства решения краевых задач» (Рига 1978); I^й 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); IV^й Всесоюзной конференции «Контактная гидродинамика» (Куйбышев 1986); I^м 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); VI^й Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино 1999); Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара 1999); VI^й Всероссийской конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Самара 2002); II^й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение» (Самара 2004); Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения» (Самара 2004); II^й 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); 7^м Международном конгрессе «Вода: экология и технология» (Москва 2006); V^й 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.

На защиту выносятся следующие основные научные положения.

1. Методологические основы системного анализа энергоэффективности территориальных генерирующих компаний в условиях структурных преобразований, разработанные на основе учета динамики механизмов организационно-экономического управления, выявления и идентификации инфраструктурных и функциональных взаимосвязей между энергетическим комплексом и промышленностью региона и комплексного исследования использования топливных, энергетических, капитальных, трудовых, информационных, финансовых, материальных, водных ресурсов региональной энергосистемы.

2. Принципы формирования состава частных показателей качества энергетических процессов и технологий, позволяющих оценивать в совокупности системную энергоэффективность функционирования территориальной генерирующей компании.

3. Методология построения иерархической системы математических моделей анализа энергоэффективности региональной энергосистемы, основанная на системном применении методов системной динамики, макроэнергетических и макроэкономических агрегированных моделей энергопроизводств в форме производственных функций, уравнений термодинамических, массообменных, теплофизических и гидродинамических процессов в энергоустановках, балансовых уравнений энергетических, материальных, сырьевых, продуктовых и водных потоков, функциональных и структурных моделей управления энергопредприятиями и энерготехнологическими процессами и установками.

4. Системно-обоснованные методики оценивания, совокупность полученных показателей энергоэффективности и устойчивости функционирования территориальной генерирующей компании, идентифицированные механизмы саморегулирования региональной энергосистемы и взаимосвязи энергетики и экономики в период становления рыночных отношений.

5. Методологические основы системного анализа энергоэффективности основного и вспомогательного оборудования теплоэлектроцентралей, разработанные направления по снижению затрат электрической энергии на собственные нужды за счёт применения гидромеханических - гидромуфт - и частотно-регулируемых электроприводов энергоустановок, математические модели, тепловые режимы и показатели экономичности и работоспособности гидроприводов и опор качения вспомогательного оборудования.

6. Концепция структурного анализа, модели, система локальных показателей качества, принципы многокритериального оценивания эффективности и направления совершенствования организационных структур управления энергетическими предприятиями.

7. Методологические основы и системно-обоснованные подходы к управлению материально-техническим обеспечением территориальной генерирующей компании в рыночных условиях и определению в условиях неопределённости оптимальных объёмов поставок материальных ресурсов и их запасов на энергопредприятии, обеспечивающих с заданной степенью надёжности снабжения затрат на обеспечение материальных запасов.

8. Системные оценки эффективности использования водных ресурсов на тепловых электрических станциях, направления реконструкции водоподготовительных установок, снижающие себестоимость производимой энергии, построение автоматизированных систем мониторинга и управления водно-химическими режимами тепловых станций, обеспечивающих безаварийную работу оборудования.

Краткое содержание работы

организационный управление энергоэффективность генерирующий

В диссертации рассмотрен следующий комплекс теоретических и прикладных вопросов.

Во введении сформулированы актуальность темы, и цель работы, дана общая характеристика, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор методологических положений системного анализа, математического моделирования, управления и оптимизации функционирования сложных энергетических и производственных систем, исследований энергоэффективности.

В настоящее время системная методология является базой анализа и исследования фундаментальных, общесистемных закономерностей функционирования производственных систем, совершенствования структур управления производственными организациями, оценивания комплексной эффективности использования всех видов ресурсов, изучения многофакторных взаимосвязей сложных объектов с другими объектами и с внешней средой.

Методология системного анализа базируется на основных положениях общей теории систем, в развитие которых большой вклад внесли А.А. Богданов, Л. фон Берталанфи, Н. Винер, М. Месарович, Л. Заде, Дж. Клир, Р. Акофф, К. Негойце, С. Янг, Г. Саймон, Н.Н. Моисеев, С.В. Емельянов, Д.М. Гвишиани, А.И. Уёмов, Ю.А. Урманцев, В.Н. Садовский, О.И. Ларичев, И.В. Блауберг а также другие ученые.

Реализация системной методологии, развитие методов и подходов к комплексному анализу, моделированию и управлению сложными техническими и производственными системами содержится в трудах Р. Белмана, Р. Калмана, П. Фалба, М. Арбиба, Р. Егера, Т. Саати, Дж. Форрестера, Л.В. Канторовича, В.М. Глушкова, Г.С. Поспелова, В. А Трапезникова, А.А. Первозванского, С.Н. Васильева, А.А. Петрова, Ю.П. Иванилова, И.В. Прангишвили, В.Н. Буркова, В.А Ирикова, Д.А. Новикова, А.В. Вавилова, Н.В. Дилигенского, П.В. Севастьянова.

Методология системного подхода в энергетических исследованиях комплексных проблем энергетики, как научное направление, разработана в 60-х годах прошлого века в Сибирском энергетическом институте Сибирского отделения АН СССР под руководством академика Л.А. Мелентьева.

Л.А. Мелентьевым сформулированы основные теоретические положения системных исследований, направленные на повышение энергоэффективности и оптимизацию работы энергосистем, поставлены и обоснованы направления решений системных проблем межотраслевых связей топливно-энергетического комплекса, создана концепция оптимального управления и разработаны методы построения автоматизированных систем управления в энергетике.

Ученики Л.А. Мелентьева и представители других научных школ в области системных проблем энергетики - А.А. Макаров, Л.С. Беляев, Л.С. Валтазарова, Г.Б. Левенталь, Л.С. Попырин, Н.И Воропай, А.Г. Вигдорчик, О.П. Бурматова, А.И. Зайцев, Г.Л. Баранов, С.К. Савицкий, Л.С. Хрилёв, Л.Д. Криворуцкий, В.Н. Веников - на основе системной методологии развили положения об информативности показателей энергоэффективности и характеристик энергетической деятельности, о принципах декомпозиции больших систем энергетики, внесли большой вклад в методы анализа и оптимизации параметров, технологий и режимов энергопроизводств.

В пионерских работах Л.А. Мелентьева и Е.А. Соколова обоснована целесообразность в масштабах больших энергетических систем развития комбинированного производства тепловой и электрической энергии на тепловых электрических станциях и показана высокая системная энергоэффективность теплоэлектроцентралей. По оценкам Г.Г. Ольховского комбинированное производство, по сравнению с лучшими схемами раздельного производства энергии, позволяет обеспечить экономию суммарного расхода топлива на 20 - 25%.

Конструктивной стадией реализации методологии системного анализа является построение математических моделей, адекватно описывающих поведение анализируемых явлений.

Для комплексного описания энергетических систем, процессов и оценки энергоэффективности применяются различные классы математических моделей: вход - выход, состояний, системной динамики, управления, оптимизации, математического программирования, развития, взаимодействия, синергетические, имитационные, балансовые потоковые, детерминированные, стохастические, аналитические содержательные модели, черного ящика, агрегированные в форме производственных функций.

При практическом использовании математические модели должны быть идентифицированы. Рассмотрен и проанализирован спектр применяемых методов идентификации - непараметрические и параметрические, методы наименьших квадратов в различных вариациях, градиентные, спектральные, статистические, регрессионные, байесовские, энтропийные, информационные.

Исследованы критерии идентификации и их свойства - квадратичные, минимаксные, наименьших модулей, минимального риска, эмпирического риска, статистические и взвешенные конструкции.

Проанализированы методы многокритериального оценивания эффективности систем - сверточные, реализуемые на основе аддитивных, мультипликативных и логических критериев, последовательной, векторной и Парето оптимизации, экспертные и принятия коллективных решений, метод анализа иерархий, вероятностные, интервальные и нечёткие подходы.

В последние годы широкое распространение для обобщенного оценивания сравнительной эффективности деятельности производственных систем получил подход многокритериального оценивания сравнительной эффективности - методология Data Envelopment Analysis (DEA) - достоинством которой является существенное снижение субъективности при формировании интегральных оценок эффективности.

Вторая глава посвящена комплексному анализу энергоэффективности территориальной генерирующей компании на основе фактических статистических данных её функционирования. В качестве конкретного объекта исследования была взята энергосистема Самарской области. Она состоит из теплоэлектроцентралей, в проектном варианте сбалансированных по тепловым и электрическим нагрузкам с производственными и бытовыми потребителями тепла и электрической энергии.

В работе были проанализированы статистические данные о деятельности энергосистемы на долгосрочных временных интервалах в периоды стабильного хозяйствования 1976-1990 гг. и структурных перестроек 1991-2008 годов. Выявлены взаимосвязи с показателями функционирования регионального производственного экономического комплекса области. Динамика изменения объёмов производства тепловой Y_t(t) и электрической Y_e(t) энергий в период с 1976 по 2008 годы приведена на рисунке. Видно, что базовой продукцией энергосистемы во все годы является производство тепловой энергии.

Энергосистема 1976-2008 гг.: Yt - отпуск тепловой энергии, Ye - отпуск электроэнергии (млн ГДж)

Анализ динамики данных показывает, что объёмы производства энергий в 1976-1989 гг. непрерывно увеличивались. Наиболее высоких количественных показателей энергосистема достигла в 1986-1989 годах. Доля тепловой нагрузки составляла - 76%, электрической - 16%, расходы на собственные нужды - 6%, потери - 2%. В общей тепловой нагрузке основной составляющей было производство технологического пара для предприятий промышленного комплекса области - 57%. Доля производства горячей воды, в основном, для бытового потребления в жилищно-коммунальном комплексе составляла соответственно - 43%.

В структуре производства электрической энергии 71,3% было получено на основе более экономичной теплофикационной выработки и 28,7% на базе менее экономичной конденсационной. Удельные расходы топлива на производство тепловой и электрической энергии составляли 32,3 кг/ГДж и 338 г./кВт.ч. Коэффициент использования топлива находился на уровне 73%.

В 1990-1996 гг. динамика производства энергии в области претерпела кризисные изменения: объём производства тепловой энергии снизился на 49,1% и электрической энергии - на 26,4%.

Анализ данных по функционированию территориального производственного комплекса, в целом, показал, что основной причиной этого снижения явился резкий спад потребности в энергии промышленным сектором области, объём производства в котором уменьшился на 43,6%. Произошедшие глубокие количественные и непропорциональные падения объёмов потребления и, как следствие, производства тепловой и электрической энергии привели далее к качественным, структурным изменениям функционирования энергосистемы.

Структура производства энергии в 1996-2008 гг. приведена на рисунке 2.

По сравнению с базовыми показателями 1987-1990 гг. существенно изменился баланс комбинированной выработки энергии. 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 2008 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 возросли до 37,8 кг/ГДж - в 1,17 раза.

Коэффициент использования топлива снизился с 0,73% до 0,66%.

Исследованы изменения структуры энергетического баланса, вызванные сезонными колебаниями нагрузки. Анализ показал, что вследствие уменьшения практически постоянной во времени паровой промышленной нагрузки значительно возросла нестабильность объёмов потребляемой и вырабатываемой энергии, что привело к существенному увеличению степени различия энергетических балансов в зимний и летний периоды.

Данные изменений текущей мощности энергосистемы в течение года - тепловой, электрической и затрат топлива по усредненным статистическим данным за период 2000-2004 годы - выявили существенную неравномерность этих характеристик. Тепловая нагрузка в летние месяцы уменьшается на 80% относительно максимального значения в зимний период, электрическая нагрузка снижается несколько меньше - на 57%.

На рисунке 3 представлены графики изменения среднемесячных объёмов выработки пара электростанцией и нагрузок работающих котлоагрегатов.

Видна достаточная стабильность работы котлоагрегатов, которая обеспечивается путём изменения числа работающих котлов. Однако, при этом при существенном снижении общей нагрузки станции большая часть вспомогательного оборудования продолжает эксплуатироваться, и это приводит к значительному возрастанию расходов энергии на собственные нужды, которые увеличились в 2,2 раза с 6% до 13%.

В целом, анализ статистических данных показывает, что в условиях снижения после 1990 года общего производства энергии и ещё большего уменьшения выработки тепловой энергии энергооборудование тепловых станций вынужденно эксплуатируется в нерасчётных режимах работы. Комплексная эффективность совместного производства тепловой и электрической энергии существенно снизилась, и ухудшились практически все технико-экономические показатели работы генерирующих предприятий. Для повышения эффективности необходимо восстанавливать баланс выработки-либо увеличивать производство тепловой энергии, либо относительно уменьшать выработку электрической энергии.



Динамика среднемесячных значений выработки пара котельным цехом и среднемесячных значений нагрузок работающих котлов

Третья глава посвящена модельному анализу макроэнергетических и макроэкономических характеристик энергоэффективности ТГК. Были построены агрегированные математические модели функционирования энергосистемы в форме двухфакторных неоднородных производственных функций типа Кобба-Дугласа, описывающих взаимосвязь между использованием базовых ресурсов энергопроизводства - материальных и трудовых - и количеством произведенной энергии

,

где , - коэффициенты эластичности по капиталу и труду, и - логарифмические функции чувствительности, количественно описывающие в унифицированных нормированных переменных предельную эффективность использования соответствующих ресурсов, - масштабный коэффициент, характеризующий интегральную эффективность производства, - время.

Была проведена идентификация параметров и коэффициентов эластичности моделей по статистическим данным функционирования энергосистемы за 1976-2008 годы.

В качестве метода идентификации был принят метод наименьших квадратов, в качестве критерия оптимальности - минимум среднеквадратичного отклонения модельных зависимостей от реальных статистических данных по производству энергии , - анализируемые годы деятельности.

Результаты идентификации модели (4) показали, что значения идентифицируемых параметров принципиально различны на временных периодах стабильного функционирования до 1990 г. и структурных перестроек после 1991 г.

На периоде 1976-1990 гг. значения эластичностей положительны и близки к показателям эффективного функционирования производственно - экономических объёктов. После 1990 г. в период структурных перестроек эластичности идентифицируются как отрицательные величины на интервале 1990-2008 г.

На рисунках 4,5 приведены временные графики предельных производительностей капитальных и трудовых ресурсов энергосистемы при производстве тепловой и электрической энергии, вычисленных на основе идентифицированных значений эластичностей , .

Отрицательные значения эластичностей и предельных производительностей означают, что технологически и экономически целесообразное до 1989 года функционирование энергосистемы вошло после 1990 года в депрессивную, кризисную фазу деятельности.



Предельная производительность капитальных ресурсов при производстве тепловой и электрической энергии, Дж/руб.

Предельная производительность трудовых ресурсов при производстве тепловой и электрической энергии, Дж/руб.

Этот кризис в функционировании энергосистемы имеет характер системного. Использование капитальных и трудовых ресурсов в энергосистеме после 1990 года давало отрицательный вклад как в энергетическое производство, так и в экономику региона в целом, и эта депрессивная фаза деятельности отвечала всему периоду структурных перестроек.

Такая кризисная ситуация является следствием разбалансированности практически всех механизмов ресурсных взаимодействий в производственно-технологической и экономической деятельности энергосистемы и отсутствием целенаправленного, стратегического управления энергосистемой в эти годы.

Для выявления закономерностей функционирования энергосистемы во времени, как управляемой динамической системы, и исследования вопросов её устойчивости были построены и проанализированы структуры фазовых портретов в пространстве состояний энергосистемы.

На рисунке 6 приведён фазовый портрет в плоскости координат состояний: «фондоотдача - производительность труда». Для портрета характерна существенная нестабильность при наличии общих идентифицируемых закономерностей поведения систем.

Фазовый портрет суммарного производства энергосистемы в пространстве состояний «фондоотдача - производительность труда»

Портрет энергосистемы характеризуется двумя, близкими к стационарным точками - «квазистационарными» состояниями - с относительно малыми флуктуациями координат в их окрестности в 1976-1987 годах и в 1996-2008 годах и траекторией перехода от одного квазистационарного состояния к другому в 1989-1995 годах.

Фазовые траектории в окрестности первого квазистационарного состояния в 1976-1986 гг., отвечают стабильному механизму хозяйствования и качественно соответствуют динамическим системам с саморегулированием с фазовым портретом типа предельного цикла.

Второе, близкое к квазистационарному состояние в 1995-2008 годах, соответствует определённой стабилизации деятельности энергосистемы после структурной перестройки и частичному восстановлению механизмов самоорганизации, однако, при этом текущие производительности капитальных и трудовых ресурсов , снизились практически в два раза.

Модель системной динамики региональных ресурсоэнергетических, товарных взаимодействий энергосистемы с примышленными предприятиями

Из фазовых траекторий следует, что в 1990-1995 годах механизмы саморегулирования энергосистемы не действовали и изменения состояний определялись возмущающими воздействиями системных перестроек.

На основе сконструированных агрегированных моделей энергосистемы с целью выявления влияния на её функционирование взаимосвязей с экономикой и промышленностью области была построена модель системной динамики региональных ресурсоэнергетических, товарных взаимодействий в форме модели системной динамики Форрестера.

На рисунке приведена структура такой модели, формализующей взаимосвязи процессов производства и потребления тепловой и электрической энергии, потоков ресурсов, финансов и товарных продуктов в территориальном производственном комплексе. На базе этой системной модели было проведено имитационное моделирование различных стратегий функционирования регионального комплекса, проанализировано взаимовлияние энергетики и экономики региона, исследованы возможные методы технологического и экономического управления деятельностью энергосистемы.

Четвертая глава посвящена комплексному анализу энергоэффективности базового генерирующего предприятия региональной энергосистемы.

Структура технологического производства тепловой и электрической энергии

С целью определения энергетических и материальных балансов и выявления эффективности использования топливных и энергетических ресурсов построена математическая модель взаимодействий потоков тепловой и электрической энергии и теплоносителей в форме производственной структуры предприятия, представленной на рисунке 8.

Основными функциональными элементами структурной производственной модели являются теплогенерирующая установка - паровой котел (ПК), паровая турбина (ТУ), электрический генератор (ЭГ).

Другими структурными элементами, определяющими взаимодействие потоков, являются конденсатор (КД), водоподготовительные установки (ВП), состоящие из обессоливающей установки (ОУ) и установки подпитки тепловой сети (УПТС), и вспомогательное оборудование - подпиточные насосы (ПдН), тягодутьевые установки (ТДУ), питательные насосы (ПН), сетевые насосы (СН), поверхностный теплообменник (ТО),

В модели учтены обратные связи по технологическим контурам потребления электрической и тепловой энергии - по паровой нагрузке ПТ-1, по горячему водоснабжению ПТ-2, - и по энергии, идущей на собственные нужды энергопредприятия.

На основе структурной модели исследованы балансы тепловой и электрической энергии и теплоносителей - пара и горячей воды разных кондиций.

Структура баланса основной составляющей энергопроизводства - тепловой энергии - представлена на рисунке.

Структура баланса энергетических потоков при производстве и транспорте энергии

Из анализа баланса следует, что при работе основного и вспомогательного оборудования тепловой станции имеют место потери () в виде перегретого пара, воды, конденсата, которые включают в себя потери с продувкой парогенераторов, потери через уплотнения паровых турбин, потери при подогреве мазута в цистернах при разгрузке, и т.д. Эти потери зависят от нагрузки работающего оборудования и для ТЭЦ их величина составляет 1,5 - 1,8%.

При транспорте пара и горячей воды происходят потери тепловой энергии (,,), их суммарная величина зависит от длины трубопроводов и колеблется в пределах от 4 до 8%.

У потребителей промышленного пара имеют место потери тепла с невозвратным конденсатом, определяемые технологическими процессами предприятия, а у потребителей отопительной нагрузки происходят потери сетевой воды, идущей на горячее водоснабжение (,).

Восполнение потерь энергоносителей осуществляется водоподготовительными установками химического цеха станции и при открытой системе горячего водоснабжения их производительность достигает 5 000 - 7 000 м³/час.

В целом, анализ энергетических и материальных балансов показал, что наиболее сильные негативные последствия работы энергопредприятия в не регламентных условиях сказались на расходах электрической энергии на собственные нужды, увеличившихся более чем в два раза, и на потерях горячей сетевой воды, возросших почти на 30%.

Рассмотрены вопросы снижения величины собственных нужд на привод вспомогательного оборудования, тягодутьевого и конденсатно-питательного комплексов теплоэлектроцентралей на основе применения регулирования производительности вспомогательного оборудования с использованием гидроприводов и частотно-регулируемых электроприводов.

Проведён анализ режимов работы вспомогательного оборудования и для глубоких возмущений нагрузки обосновано применение для регулирования частотно-регулируемого привода, обеспечивающего снижение расходов электроэнергии на собственные нужды на 28%.

Выполненный анализ также показал, что для большинства реальных режимов оборудования более целесообразным является использование регулирования с помощью гидромуфт, позволяющих снизить расходы электрической энергии на собственные нужды на 23%, однако имеющих стоимость примерно в 3 раз меньшую, чем частотно-регулируемого привода.

В работе проведено исследование эффективности применения гидромуфт, учитывающее функции гидромуфты как устройства регулирования нагрузки, и как элемента тепловой схемы, вносящего, вследствие большого количества выделяющейся при трении в гидромуфте тепловой энергии, существенный вклад в тепловой баланс и в энергоэффективность генерирующей установки, в целом.

Для анализа процессов выделения, транспорта и отвода тепловой энергии построена математическая модель гидромуфты как гидротепломеханического объекта с распределёнными параметрами. Модель описывает взаимодействие процессов пластического течения, внутреннего трения, теплопереноса и представляет собой систему нелинейных интегральных и дифференциальных уравнений и соотношений в частных производных:

- уравнение тепловыделения

,

- уравнение конвективного и кондуктивного теплопереноса

,

- уравнение движения вязкой жидкости

,

- уравнение реологии вязкой жидкости

,

- уравнение сплошности течения

,

- уравнение вязкости жидкости

,

где - давление в зоне жидкостного трения, - начальная температура жидкости, - температурный коэффициент смазки, - текущая температура вязкой жидкости, - температура поверхности каждого диска на входе жидкости в зону трения, - касательные напряжения в смазке, - разность скоростей вращения ведущего и ведомого дисков, - теплоёмкость смазки; - плотность смазки; - скорость ведущего колеса; - вязкость смазки при температуре 0^°С и атмосферном давлении; - толщина слоя смазки; - наружный радиус дисков; - внутренний радиус дисков.

Граничными условиями сформулированной краевой задачи являются:

- задание температур жидкости на входе в гидромуфту

,

- задание граничной температуры жидкости

.

- условие симметрии температурного профиля

,

Путём преобразований и подстановок математическая модель (5) - (10) сведена к одному нелинейному интегро-дифференциальному уравнению относительно температуры вязкой жидкости:

.

Получение точного решения для уравнения (14) невозможно, и в работе на основе асимптотических методов теории возмущений построены различные приближённые модельные описания для расчета тепловых характеристик гидромуфты.

Для условий работы в режиме регулирования, когда толщина жидкостного слоя между дисками существенна и скорости вращения ведомого и ведущего валов значительно отличаются друг от друга, конвективный теплоотвод по оси существенно выше кондуктивного по осям , и , и выделившееся в гидромуфте тепло уносится потоком прокачиваемой через зазор жидкости. Для этого случая получено следующее предельное асимптотическое представление температурного профиля в зоне трения:

.

Соответствующее асимптотическому решению (15) интегральное количество тепла, выделяющееся в гидромуфте и уносимое из зоны трения конвекцией определяется соотношением:

Полученное решение (16) описывает зависимость количества выделившегося в гидромуфте тепла от глубины регулирования (скоростей ,), геометрических размеров (R₁, R₂, h), температурных и теплофизических (,,,) характеристик.

Анализ тепловыделения в гидромуфте показал, что его величина составляет ~15% относительно номинальной мощности электропривода и рассмотрены варианты использования этого тепла для повышения комплексной энергоэффективности генерирующего предприятия.

В диссертации исследованы вопросы надежности работы гидромуфт и вспомогательных установок - тягодутьевых механизмов, сетевых и питательных насосов. Выявлено, что функционирование в нерасчётных режимах приводит к их повышенному износу и снижению долговечности. В значительной степени на эти негативные факторы влияют тепловые режимы и тепловое состояние подшипниковых опор качения вспомогательного оборудования.

Сформулирована и решена задача расчёта теплообмена в зоне контакта двух вращающихся тел разделённых слоем смазочной жидкости в подшипниках качения. Полная формулировка задачи аналогична постановке (5) - (13) с дополнительным учетом тепловыделения в зоне локального контакта, которое принято соответствующим модели давления Герца.

Решение задачи также получено асимптотическими методами. Для случая, когда длина зоны контакта значительно превышает толщину слоя смазки и определяющим является кондуктивный теплоперенос, модель теплообмена, отвечающая асимптотическому представлению уравнения типа (14) построена в виде объекта с сосредоточенными параметрами:

,

где - безразмерный комплекс

,

- безразмерная температура; - полутолщина слоя смазки; - полудлина зоны контакта; - вязкость смазки при нулевой температуре и атмосферном давлении; - коэффициент теплопроводности смазки; - скорость скольжения в зоне контакта; - температурный коэффициент

Граничными условиями к (17) являются:

.

В работе предложен точный метод решения нелинейного интегро-дифференциального уравнения (17). На его основе получено расчетное соотношение для определения температур в зонах контактов подшипников качения, которое имеет вид:



Предложено положить найденную функциональную зависимость (20) температуры смазочной жидкости в контактной зоне от свойств, характеристик и режимов работы подшипникого узла в основу диагностики реального состояния и прогнозирования долговечности подшипниковых опор основного и вспомогательного оборудования тепловых электростанций.

Пятая глава диссертации посвящена системному анализу и совершенствованию организационных механизмов управления деятельностью генерирующего предприятия. Был проведён комплексный анализ эффективности существующих организационных структур управления энергопредприятием с целью определения соответствия существующей системы управления требованиям целей и факторам внешней среды и реальному положению дел на предприятии.

Анализ показал постоянно меняющиеся цели и задачи, определяемые региональной экономической ситуацией и проводимой политикой реорганизации и реструктуризации энергетического комплекса, которые не находят достаточного отражения в существующих структурах систем управления энергетическим предприятием.

Анализ эффективности структур проводился на основе методологии теории графов и многокритериального оценивания качества сложных систем. Анализируемые системы представляются в виде графа

,

вершинами, которого являются источники формирования и получатели управленческих воздействий и ребра графа (), ()………. (), (), () и т.д., отвечают управленческим связям организационной структуры.

Так вершина отвечает директору ТЭС, - главному инженеру, - заместителю директора по строительству и т.д.

В диссертации проанализированы 14 структур, из которых одна является типовой, в соответствии с которой осуществлялось управление в период функционирования плановой экономики, другие структуры управления применяются на тепловых станциях в настоящее время и являются их модификациями.

Для оценки эффективности различных структур управления, формализованных соответствующими графами, разработана система показателей, состоящая из 4 групп локальных критериев качества, оценивающих сбалансированность, целостность, управляемость и устойчивость структур.

...