Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Часть I. Концепция модернизации принципов оперативного управления системой централизованного теплоснабжения на основе информатизации учета потребления электричества и природного газа в коммунально-бытовом секторе муниципального хозяйства

1.1 Оценка потенциала энергосбережения в энергоснабжении города в период отопительного сезона

1.2 Система мониторинга качества теплоснабжения жилых массивов города

1.3 Замкнутая схема регулирования отпуска тепла от источника централизованного теплоснабжения

1.4 Внедрение экономических критериев в практику оперативного управления централизованным теплоснабжением

Часть II. Перспективы внедрения концепции в Харькове и первые шаги по ее реализации

2.1 Оценка степени готовности энергоснабжающего комплекса города принять новую технологию

2.2 Что уже удалось реализовать

2.3 План работ по проекту на период 2001-2002 гг.

Список литературы

Часть I. Концепция модернизации принципов оперативного управления системой централизованного теплоснабжения на основе информатизации учета потребления электричества и природного газа в коммунально-бытовом секторе муниципального хозяйства

Трудности в снабжении регионов электричеством и теплом, возникшие в последние годы в связи с острым дефицитом топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), вскрыли весьма ограниченные возможности существующей организационной структуры топливно-энергетического комплекса (ТЭК) адаптироваться к экономическим реалиям переходного периода. Свершившийся переход к рыночным отношениям в украинской электроэнергетике, не подкрепленный рыночными реформами в сфере теплоснабжения, только усугубил разрыв между высоко координированной работой электроэнергетической ветви энергосистемы и довольно архаичной структурой управления местными генераторами тепла. Электроэнергетика, пытаясь не только повернуться лицом к потребителю, но и изобразить на этом лице дружелюбную улыбку, начала вооружаться технологиями управления ХХI века. Централизованное же теплоснабжение продолжает пребывать в состоянии летаргического сна, загородившись от всего нового, что произошло в мире в области управления теплоснабжением за последние 30 лет, незыблемой верой в непогрешимость температурного отопительного графика. энергосбережение отопительный жилой теплоснабжение

Непогрешимость эта, однако, весьма сомнительна, если мы пытаемся рассматривать проблему теплоснабжения под углом энергосбережения. Причем, сомнения в методической ценности принципов разомкнутого управления по возмущающему воздействию, а именно к этому классу управляющих систем принадлежит та, что до сих пор применяется на практике, усиливаются тем больше, чем в более жестких условиях ограничений по топливу приходится работать энергосистеме. Интенсивное применение населением электроотопительных технологий, перерасход природного газа, предназначенного для бытовых нужд, стали привычными симптомами дискоординации работы региональных энергосистем, повсеместно наблюдаемой в Украине и других республиках бывшего СССР в период отопительного сезона [1].

Проблема состоит в том, что поневоле население стало играть роль четвертого, в некотором смысле нелегального, диспетчера энергосистемы (первые три «легальных» диспетчера -- региональный диспетчерский центр электроэнергетики, диспетчерская служба тепловых сетей, а также диспетчерская служба газовых сетей). При плохом теплоснабжении жилых массивов оно самостоятельно компенсирует недостаток тепла в квартирах путем интенсивного использования электронагревательных приборов и газовых пищеприготовительных плит. Тем самым потребление тепла в быту приобретает смешанный, по виду первичных энергоносителей, характер, что переводит проблему энергоснабжения населения, а вместе с ней и проблему энергосбережения в этой сфере, в совершенно новую плоскость. Оказывается, всякая недопоставка тепла жилым массивам оборачивается не только перерасходом, против норм потребления в быту, электроэнергии и природного газа, но и перерасходом региональных топливных ресурсов, направляемых на покрытие совокупного спроса в электричестве, газе и тепле. Ясно, что даже самые современные кухонные плиты по эффективности утилизации теплоты сгорания газа не могут соревноваться с самыми архаичными котельными, а электрообогрев представляет собой далеко не лучший финал производственного цикла «сжигание топлива -- выработка острого пара -- генерация электричества» (с КПД не выше 35 % против 90% на котельной). Но, если в квартире холодно, другого выхода у людей нет, и с этим невозможно не считаться.

Тем не менее, ощутимый прогресс в энергоэффективности снабжения населения крупных городов электричеством, природным газом и теплом может быть достигнут даже в рамках существующей типовой структуры муниципального энергоснабжающего комплекса путем усовершенствования исключительно принципов управления местными теплогенерирующими мощностями. Воздействуя на отпуск тепла, можно управлять спросом на электричество и природный газ, а значит -- регулировать потребление первичных ТЭР регионом, а вместе с ним и затраты на покрытие спроса на все виды энергии, потребляемые в быту [2].

Сегодня многие связывают перспективы развития отечественной муниципальной энергетики с тем путем, по которому идет энергетика северных стран Западной Европы (например, Дании, которая в свое время очень удачно переняла у СССР, а затем усовершенствовала опыт теплофикации). К сожалению, приверженцы западного пути развития видят разницу в технической организации отраслей, но игнорируют разницу в ментальности нашего и западного потребителя, в социальном и экономическом укладе обществ.

Но ведь система централизованного теплоснабжения, к примеру, Копенгагена адаптирована не только к местному климату, но и к самому укладу жизни обывателей -- к их запросам, стандартам качества жизни, принятым в обществе (как, впрочем, справедливо и обратное -- уклад жизни адаптирован к возможностям энергоснабжающего комплекса). Вряд ли стоит рассчитывать на то, что наше население, развращенное в недалеком прошлом низкими ценами на коммунальные услуги, породившими иллюзии о «несущественности» для общества затрат на их осуществление, научится в обозримом будущем ценить даже то, что у него есть, и более активно предпринимать посильные меры по сбережению энергии в быту

Поэтому нам предстоит искать свои пути для дальнейшего развития как нашего потребителя, так и нашей энергетики. Путь a la Дания, с характерным для него пофасадным регулированием и поквартирным учетом потребления, если и доступен, то только немногим городам или даже городским районам. Для общества же в целом он не означает ничего большего, чем очередную попытку «построить коммунизм в отдельно взятом квартале».

К счастью, у нас и без того есть огромный потенциал совершенствования системы энергоснабжения городов. Анализу этого потенциала в масштабах города Харькова, разработке путей его реализации и посвящено исследование, предпринятое совместно ГП «Харьковская ТЭЦ-5», АК «Харьковоблэнерго», ОАО «Харьковгоргаз», ГП «Харьковские тепловые сети», Харьковской областной службой государственной энергоинспекции и ЧФ «Адаптивные системы» под эгидой Харьковской областной инспекции по энергосбережению. Конечным его результатом является концепция модернизации принципов оперативного управления системой централизованного теплоснабжения, обеспечивающая, как нам кажется, хорошие перспективы развития муниципальной энергетики, по крайней мере, на период переходного развития экономики постсоветских государств. Преимущества концепции мы видим в том, что она

· учитывает специфику типовых технических решений, получивших повсеместное распространение в советское время;

· предусматривает возможность включения социально-политических мотивов в процесс государственного регулирования энергетики, а также

· признает затрудненность мгновенного перехода к чисто рыночным механизмам хозяйствования.

1.1 Оценка потенциала энергосбережения в энергоснабжении города в период отопительного сезона

Одной из отличительных особенностей региональных рынков тепла, по сравнению, например, с рынком электрической энергии, является то, что конкуренция здесь принимает формы не внутривидовой, а скорее, межвидовой борьбы. На рынке электрической энергии электростанции соревнуются между собой за право участвовать в графике несения нагрузки. Независимые поставщики и местные энергоснабжающие компании также предлагают некоторый спектр услуг, который, в конечном итоге, предоставляет потребителю возможность выбора. Сегодня эта возможность довольно узкая, но по мере развития рыночных отношений она будет расширяться.

В принципиально ином положении находится потребитель тепловой энергии. Он жестко привязан трубопроводами к местному источнику теплоснабжения, обладающему абсолютной монополией в рамках обслуживаемой территории, и изменить поставщика может только что путем изменения места проживания.

В этих условиях снижение качества работы системы централизованного теплоснабжения дает жизнь альтернативным технологиям отопления, которые, хотим мы этого или нет, начинают конкурировать с ней, отвлекая на себя материальные и финансовые ресурсы общества. Таковыми являются: электротехнологии (электроотопление, электроводонагреватели), индивидуальные или групповые котельные, а также получивший широкое распространение обогрев квартир при помощи кухонных пищеприготовительных плит.

В условиях низкой эффективности “мягких” рычагов воздействия на спрос, к которым можно отнести методы тарифно-ценовой политики (например, многоступенчатые тарифы в электроснабжении), на практике широкое распространение получили крайне жесткие меры ограничения потребления (веерные отключения подачи электроэнергии, снижение давления в газовой сети, отключение горячего водоснабжения). Парадокс заключается в том, что необходимость принятия подобных мер провоцируется самой структурой энергоснабжающего комплекса и существующей практикой его оперативного управления.

Эта практика складывалась в те годы, когда серьезных проблем с топливообеспеченностью регионов не было, а искусственная дешевизна нефти и газа сводила на нет всякую необходимость заботиться об энергосбережении. Обособленное функционирование электрической, тепловой и газовой ветви ТЭК вполне отвечало духу времени и было оправдано тем, что каждая из них опиралась фактически на неограниченный топливный ресурс. Сегодня ситуация коренным образом изменилась, и отсутствие четкой координации в работе систем электро-, тепло- и газоснабжения промышленных и бытовых потребителей превратилось в серьезный источник нестабильности в энергоснабжении городов.

Анализ складывающейся ситуации дает все основания полагать, что потенциал энергосбережения, который таит в себе управление потреблением взаимосвязанных видов энергии (электричества, природного газа и тепла), значительно превосходит те резервы, которые традиционно рассматриваются как доступные в каждой отдельно взятой ветви энергоснабжения, особенно если речь идет об эффективности генерации электричества и тепла. Даже весьма пессимистический прогноз, выполненный частично на базе реальных архивов потребления, частично на экспертных оценках, показывает, что совокупные затраты на энергоснабжение населения в период отопительного сезона могут быть снижены на 5-7% только за счет усовершенствования работы системы централизованного теплоснабжения. Последняя в своей каждодневной работе должна быть нацелена на такие компромиссные режимы отпуска тепла на отопление, при которых большинство населения удерживалось бы от применения самостоятельного дотопа.

Для того, чтобы прояснить состояние дел с бытовым газовым и электрическим дотопом, мы проанализировали архивные данные по потреблению электричества, варочного газа и тепла некоторыми районами города Харькова за сентябрь 1998 года и декабрь 1997 года. Эти эпизоды показались нам интересными тем, что они предельно ярко высвечивает реакцию населения на похолодание в условиях недоотпуска тепла от крупных источников централизованного теплоснабжения (КИЦТ).

На рисунке 1 представлены данные по суточному потреблению электроэнергии и природного газа жилыми массивами города Харькова в сентябре 1998 года, упорядоченные по среднесуточной температуре наружного воздуха [3]. Отопительный сезон, как известно, начинается позже, поэтому данные идеально демонстрируют ответную реакцию жителей на понижение наружной температуры.

Резкое возрастание потребления обоих видов энергии при снижении наружной температуры ниже 110С, бросающееся в глаза на фоне довольно стабильного потребления при более высокой температуре, однозначно свидетельствует, что прирост потребления связан с дополнительным обогревом жилищ. Вызывает удивление почти ступенчатый характер реакции -- при изменении наружной температуры, буквально, на 6 градусов потребление газа утраивается, а электричества возрастает в полтора раза. Это значит, что все электронагревательные приборы оказываются включенными, и все конфорки кухонных плит зажжены.

Рис. 1. Зависимость объемов потребления электричества и природного газа в жилищно-коммунальном секторе от наружной температуры

На рисунке 2 показаны данные по второму эпизоду, имевшему место в декабре 1997 года, когда по всей Украине прокатилась волна сильных морозов [4].

Рис.2. Данные синхронного потребления электричества и природного газа жилыми массивами

Нижняя кривая показывает динамику изменения среднесуточной температуры наружного воздуха. Температура представлена здесь с обратным знаком и масштабным множителем 100. 16 декабря она достигла пиковой отметки -280С. Верхние кривые представляют собой суточное потребление электроэнергии двумя соизмеримыми районами города -- Алексеевкой и Павловым Полем. Кроме того, кривая в середине рисунка показывает в условных единицах (выбранных, исходя из удобства компоновки рисунка) динамику изменения потребление природного газа Павловым Полем. Существенно, что потребление газа централизованными источниками теплоснабжения сохранялось весь месяц почти неизменным.

Как видим, всплески потребления электричества в общих чертах повторяют всплеск морозов, хотя для разных районов их характер различен. Алексеевка довольно быстро реагирует на похолодание, начавшееся 11 декабря. Электропотребление Павловым Полем начинает резко увеличиваться лишь два дня спустя. Это обусловлено тем, что на Павловом Поле установлены газовые кухонные плиты, а на Алексеевке -- преимущественно электрические. Тот первый дефицит тепла, который жители Алексеевки компенсировали при помощи только электронагревательных приборов, жители Павлова Поля перекрывали, сжигая природный газ. Этим же объясняется и разница в пиках потребления электроэнергии этими двумя районами, пришедшихся на 16 декабря.

Что касается природного газа, то, как видно, характер его потребления в коммунально-бытовом секторе такой же, как и электричества. Но только потребление газа менее инерционно во времени и быстрее отслеживает изменения наружной температуры.

То, что стихийно сложившееся в анализируемом эпизоде распределение газа между централизованными источниками теплоснабжения и бытовыми потребителями породило перерасход как первичных энергоресурсов, так и денежных средств в масштабах региона, нетрудно продемонстрировать следующими рассуждениями.

Кто бы ни занимался электроснабжением населения, он вынужден закупать электроэнергию на Оптовом рынке, где цена меняется ежечасно. Во время вечернего максимума нагрузки цена на электроэнергию достигает 150-160 Грн/МВтчас [5], что в 5-6 раз выше закупочной цены на тепловую энергию, производимую местными источниками теплоснабжения. Не будем забывать, что оптовая цена закупки формируется на рынке на базе предельной цены энергосистемы, отражающей затраты самой дорогой и неэффективной станции на выработку единицы электрической энергии.

Опираясь на эти цифры, можно оценить ценовой вклад электроотопления в общую стоимость часовых затрат на теплоснабжение. Однако прежде нам необходимо вычленить из совокупного электропотребления ту его составляющую, которая направляется на дотоп.

Мы сделали это, сравнив профили электропотребления Павлова Поля за две ближайших среды в течение декабря 1997 года (см. рис.3). Первый профиль имел место при Тнар=-4,60С, второй -- при -250С. Поскольку продолжительность светового дня в течение одной недели практически не изменяется, разницу в потреблении в эти дни мы и идентифицировали как электродотоп. В течение суток он менялся незначительно и находился на уровне 3,5-4,5 МВт.

Зная отпуск тепла этому району от котельной и его квоту в потреблении газа всеми жителями Харькова, мы получили оценку теплового вклада каждого из видов энергии в общие тепловыделения в зданиях (см. рис.4). Она получилась следующая: вклад электричества -- на уровне 3%, газа -- 28% и тепла -- 69 %. В то же время, если говорить о стоимостных вкладах, их соотношение совсем другое: электричество -- 19%, газ -- 22% и тепло 59 %.



Рис.3. Суточные профили потребления электроэнергии Павлопольским жилмассивом

Из анализа диаграмм можно сделать еще один вывод: если бы то же количество тепла, что было потреблено в зданиях, поступило от системы централизованного теплоснабжения, такой вариант теплоснабжения был бы на 15% (!) экономичнее.

Рис.4. Тепловые (слева) и стоимостные (справа) эквиваленты вкладов централизованного отопления, электродотопа и газового дотопа в решение задачи отопления жилых зданий

Все это позволяет прийти к заключению: до тех пор, пока местные ресурсы генерации тепла не исчерпаны, электроотопление не оправдано экономически! Соглашаясь с авторами публикации [6], повторим: «Электроотопление, даже в форме дотопа в сочетании с традиционным водяным отоплением, в ближайшие годы не может служить формой сбережения энергии». От себя уточним: цена на электроэнергию, в случае применения электродотопа, образует, выражаясь рыночными понятиями, замыкающую цену энергозатрат на теплоснабжение городов. Как видим, она чрезвычайно высока! Потенциальная экономия перед газотрейдерами непропорционально увеличивает долг региона перед Энергорынком.

Тем не менее, избежать бытового дотопа не удается, скорее, он становится привычным явлением.

Причин этому несколько. Одна из них -- мы не знаем достаточно точно временную и пространственную картину развития спроса населения на тепло. В лучшем случае нам известно расчетное значение присоединенной тепловой нагрузки генератора тепла, приведенное к расчетной температуре наружного воздуха, для пересчета которого к текущей температуре используется график отопительной нагрузки.

Но часто забывают, что в отопительном графике фигурирует среднесуточная, а не мгновенная или среднечасовая температура наружного воздуха, и обеспечивает она, в соответствии с принятыми, например, в [7] модельными представлениями, постоянство среднесуточной же температуры воздуха в помещении.

При отоплении строго по температурному графику суточные колебания наружной температуры вполне естественным образом преобразуются в колебания температуры внутри помещений. Но проблема не в том, что эти колебания существуют, а в том, что они не совпадают по фазе с суточными колебаниями спроса на тепло. Последний имеет ярко выраженные подъемы и провалы, обусловленные характером бытовой активности населения. По нашим оценкам, утренний пик спроса приходится на часы, когда жители выбираются из постелей, а вечерний -- когда они возвращаются после работы домой. Дневной провал, соответственно, приходится на часы, когда люди находятся на работе, а ночной -- когда они спят, укрывшись одеялом. В соответствии с обозначенной временной картиной развития спроса следовало бы и отапливать жилые массивы, но температурный отопительный график является слишком примитивным инструментом для решения подобной задачи.

Таким образом, не умея обеспечивать поставку нужного количества тепла в нужный момент и в нужное место, мы будем обречены на перерасход топлива либо на самом источнике теплоснабжения (в случае перетопа), либо на электростанциях, генерирующих энергию для электродотопа в быту (при недоотпуске тепла от котельных и ТЭЦ). Генерирование энергии является только первым звеном цепи «генерация -- передача -- распределение -- потребление», и не заботясь о промежуточных и замыкающем звеньях этого жизненно важного для общества процесса, мы никогда не улучшим состояния энергосбережения в общественном производстве.

1.2 Система мониторинга качества теплоснабжения жилых массивов города

Принимая во внимание, что промахи именно в теплоснабжении жилых массивов оборачиваются наиболее серьезными экономическими последствиями для региона, оценку эффективности работы каждого КИЦТ следует строить исходя из того, насколько адекватно он удовлетворяет спрос на тепло со стороны населения, проживающего на территории его теплового района. Поэтому на смену традиционному вопросу «Какой удельный расход топлива на выработку 1 Гкал у этой ТЭЦ?» должен прийти другой вопрос -- «А вовремя ли и в нужных ли объемах эта ТЭЦ вырабатывала тепло для отопления жилых массивов?».

Но что такое спрос на тепло? Как правильно определить адекватные объемы генерации тепла? Ясно, что ни устным опросом респондентов, ни умозрительными заключениями мы не добьемся истины. Ведь на самом деле человек испытывает потребность не просто в том или ином количестве тепловой энергии, скорее, он хочет чувствовать себя комфортно в той среде, где он обитает, и поэтому нуждается в том количестве тепла для отопления жилища, которое обеспечит поддержание в нем ощущения комфортности.

Для того, чтобы осознать истинную структуру спроса на тепло, мы предлагаем непрерывно контролировать потребление жилыми массивами, образующими тепловой район источника, всех взаимосвязанных видов энергии, а именно -- электричества, газа и тепла, а затем в процессе последующей сортировки накопленных данных выделить те из них, которые дают более-менее полное представление об истинных размерах спроса на тепло в тех или иных погодных условиях [8].

Сложность решения этой задачи обусловлена тем, что данные всегда содержат сильную шумовую компоненту. Невольные ошибки диспетчерского персонала и заведомая небрежность, предопределенная температурным отопительным графиком, в выборе режимов отпуска тепла приводят к тому, что на практике складываются самые разнообразные пропорции в потреблении этих видов энергии при фактически идентичных погодных условиях. Однако, что особенно важно для понимания идеи метода сортировки, только при избыточном теплоснабжении, когда спрос на тепло при сложившихся погодных условиях нормально удовлетворен, потребление электричества и газа достигает некоторого естественного минимума. Мы называем этот уровень эталонным, и он соответствует таким объемам потребления, когда электричество и варочных газ используются только по прямому назначению. Превышение же фактическим потреблением электричества или природного газа соответствующего эталонного уровня интерпретируется в рамках описываемого подхода как признак существования «бытового дотопа». Более того, абсолютная величина этого превышения используется в качестве количественной оценки коллективной реакции населения на промахи в отпуске тепла от источника централизованного теплоснабжения, а тем самым -- и в качестве оценки неадекватности работы самого источника в тех или иных погодных условиях.

Действительно, зная, насколько сильно фактическое потребление, например, электричества жилыми массивами превысило эталонный уровень потребления, мы можем судить о том, в какой мере население жилых массивов неудовлетворено работой районной котельной или ТЭЦ. В абсолютной величине превышения звучит коллективное неудовольствие обывателей, и чем серьезнее ошибки в назначении режимов отпуска тепла жилым массивам, тем величина превышения больше.

Такой подход к способу оценки качества теплоснабжения жилых массивов обладает рядом методических преимуществ по сравнению с тем, что сегодня используется на практике.

Действительно, в основе существующего оперативного управления централизованным теплоснабжением лежит идея термостатирования помещений, то есть идея поддержания внутри отапливаемых помещений некоторой заданной температуры при любой температуре наружного воздуха. Обратим внимание -- не важно, есть ли в этих помещениях люди, или нет, а если есть, то, опять-таки, не важно, удовлетворяет ли их такая температура, или не очень. Отпуск тепла осуществляют по среднесуточной температуре наружного воздуха, реакцию же потребителей попросту игнорируют.

О том, хорошо или плохо настроена система отопления и правильно ли выбран режим отпуска тепла, сегодня судят по температуре обратной сетевой воды. Если вода возвращается от потребителя более холодной, чем регламентирует отопительный график, значит, температура воздуха в помещениях ниже установленной нормы, и температуру теплоносителя в прямой магистрали теплосети нужно повышать. Если же обратная вода имеет температуру выше той, что должна быть по графику, значит, имеет место «перетоп», и отпуск тепла должен быть снижен.

В противовес описанным рассуждениям, основной идеей предлагаемого подхода к управлению теплоснабжением является идея удовлетворения спроса. Реализуется же эта идея посредством выбора таких оперативных режимов теплоснабжения, которые минимизируют составляющую электропотребления и составляющую в потреблении варочного газа, направляемые на бытовой дотоп. Для доказательства правомерности такой интерпретации нашего подхода приведем следующие рассуждения.

Очевидно, что люди включают электрокамины, ориентируясь не на показания домашних градусников, многие их просто не имеют, а когда испытывают дискомфорт из-за снижения температуры в квартире. Наверняка, они делают это только в те часы, когда в этом есть нужда и когда становится слишком прохладно, и даже опасения получить слишком пухлый счет за электроэнергию уже не останавливают. Соображения экономии собственных средств всегда присутствуют в поступках потребителя, и если он все-таки решается на дополнительные расходы, это значит, что между его представлениями о том, насколько тепло должно быть в его квартире, и тем, что он в действительности ощущает, образовался слишком большой разрыв.

Можно возразить, что для каждого человека порог комфортности имеет индивидуальный характер, и при любом режиме отопления найдутся такие люди, которые будут держать окна открытыми настежь, но найдутся и такие, которые будут заниматься дотопом. Это справедливо, как справедливо и то, что понятие комфортности имеет социальную обусловленность, которая, учитывая наметившееся имущественное расслоение общества, сопровождающееся тенденцией к территориальному размежеванию слоев, варьирует от одного района города к другому.

Тем не менее, если речь идет о достаточно большом коллективе потребителей, проживающем на территории теплового района котельной или ТЭЦ, превышение электропотребления над эталоном достаточно точно характеризует непокрытый спрос на тепло, оцениваемый, конечно, не в масштабах регламента отопительного графика, а через призму минимальных требований к комфортности жилья, превалирующих на указанной территории. Если в одном районе большинство населения легко переносит, скажем, 17 градусов, а в другом резко реагирует на снижение температуры ниже 25 градусов, то и топить нужно, исходя не из того, какая устанавливается температура в помещениях, а так, чтобы электродотоп в обоих районах был примерно одинаковым (с учетом, разумеется, различий в их величине). Учитывая огромную разницу в стоимости тепловой и электрической энергии, такой режим отопления будет наиболее экономичным для региона.

Развитие этой идеи позволяет построить на базе компьютеризированной системы учета потребления электроэнергии подстанциями городского ПЭС систему мониторинга качества отопления города. Получая оперативные данные о фактическом потреблении электроэнергии жилыми массивами и группируя их между собой в соответствии с тем, от каких источников теплоснабжения отапливаются жилые массивы, получим потребление электроэнергии тепловыми районами источников. Разделив для каждого теплового района суточное потребление электричества на количество жителей, получим удельное потребление. Сравнивая попарно между собой эти показатели для однотипных районов (имеющих одинаковую схему энергоснабжения), получим сравнительную оценку того, какие из районов города отапливаются лучше, а какие хуже. Очевидно, низкое качество отопление будет провоцировать рост показателя, то есть в каждой сравниваемой паре районов качество теплоснабжения выше там, где величина показателя меньше.

Такой мониторинг может оказаться весьма информативным для диспетчеров тепловых сетей при корректировке ими суточных заданий на генерацию тепла источникам. В рамках описываемого подхода отпуск тепла должен быть увеличен для тех районов, где удельное потребление электроэнергии на одного жителя больше. Не трудно показать, что в условиях лимитирования топливных ресурсов региона наиболее экономичным режимом отопления города будет тот, при котором будет достигнуто равенство удельных потреблений электроэнергии для всех однотипных районов. В этом случае заметный электродотоп будет наблюдаться везде, но при этом он будет однородно распределен по всем районам города.

1.3 Замкнутая схема регулирования отпуска тепла от источника централизованного теплоснабжения

Информирование дежурного персонала источника теплоснабжения о том, что происходит на территории его теплового района с потреблением электричества и природного газа, может коренным образом изменить суть его работы. Появление описанной выше оценки качества отопления, проставляемой как бы самими потребителями, позволяет отказаться от применяемой сегодня схемы разомкнутого управления теплоснабжением и синтезировать замкнутую систему регулирования нагрузки КИЦТ, в которой сигналы обратной связи о сверхпотреблении тепловым районом электричества и природного газа поступают на вход устройства, корректирующего источнику задание на генерацию тепла.

Представленный ниже рисунок 5 поясняет только идею предлагаемого способа регулирования. Для того, чтобы схема стала работоспособной, необходимо иметь в виду, что всякой системе теплоснабжения как объекту управления свойственно транспортное запаздывание, обусловленное задержкой во времени на перекачку теплоносителя от источника к потребителям, а также теплоаккумулирующей способностью зданий. Время движения теплоносителя от источника к наиболее отдаленному абоненту и обратно может достигать 6-10 часов и даже в самом благоприятном случае расположения источника в центре компактного теплового района вряд ли становится короче 1,5-2 часов. Ясно, что подобная система обладает собственной резонансной частотой, работая вблизи которой, мы рискуем возбудить в ней колебания, способные только ухудшить общую картину. Игнорирование временной задержки при выработке задания на генерацию тепла чревато снижением механической надежности трубопроводов, а также ухудшением эффективности работы системы с точки зрения энергосбережения.

Рис.5. Обратные связи в замкнутой системе регулирования отпуска тепла

Наиболее простым средством преодоления этой проблемы представляется алгоритм отпуска тепла “по прецеденту”, базирующийся на предположении о повторяемости метеоусловий и вере в то, что в прошлом всегда можно найти примеры успешной работы системы [9].

Понятие “прецедента” широко используется не только в юридической практике, но и в работе электроэнергетических систем. Большинство диспетчеров при составлении прогноза электропотребления на следующие сутки до сих пор довольствуются поиском в архивах за прошлые годы именно прецедента, то есть суток, которые по метеорологическим условиям и типу дня недели (рабочий или выходной) были бы как можно более похожи на сутки, для которых делается прогноз. Практика показала, что правило

“Равное электропотребление -- при равных метеоусловиях”

имеет под собой прочное основание. При неизменности структуры объекта электроснабжения прогнозирование по прецеденту оказывается достаточно точным.

Возвращаясь к теплоснабжению, переформулируем это правило следующим образом:

“Равное потребление электричества и газа -- при равных метеоусловиях и одинаковом качестве теплоснабжения”.

Оставаясь в рамках этой идеи, можно сформировать правило, позволяющее оптимизировать процесс краткосрочного планирования режимов работы генераторов тепловой энергии. А именно -- если мы будем отпускать тепло сегодня так же, как и на протяжении суток в прошлом, которые по сезонным и метеорологическим условиям близки к текущим суткам, мы получим тот же эффект (в смысле степени удовлетворенности спроса на тепло), что и был получен тогда. А выбирая в качестве прецедента для повторения сутки, которые, кроме прочего, характеризовались качественным отоплением, о чем можно судить по соответствующим профилям потребления электрической энергии и природного газа, мы страхуем себя от принятия ошибочных решений относительно почасового регулирования отпуска тепла сегодня.

Алгоритм содержит несколько этапов.

1. На протяжении отопительного сезона регистрируют не только метеорологические условия и фактический часовой отпуск тепла, но и почасовое потребление населением жилого массива электрической энергии и природного газа.

2. Архивы потребления используют для синтеза эталонов потребления электроэнергии и/или газа на весь период отопительного сезона, то есть на каждые календарные сутки.

3. Накануне рабочего дня, ознакомившись с метеопрогнозом, отыскивают в архивах сутки, которые по сезонным, метеорологическим условиям и типу дня были бы подобны завтрашнему дню. Начинают поиск с наиболее свежих архивов текущего отопительного сезона, скажем, с дня накануне, если погодные условия остаются достаточно стабильными. В случае неудачи поиск продолжают в архивах за прошлый или позапрошлый год.

4. По завершении процесса выбора из архивов суток, подобных в метеорологическом отношении, анализируют, на протяжении которых из них почасовая нагрузка источника теплоснабжения была наиболее удачной, то есть потребление населением электрической энергии и газа было на уровне, близком к эталонному. Выбранные таким образом сутки из прошлого вместе с соответствующим почасовым графиком отпуска тепла назначают прецедентом для регулирования отпуска тепла назавтра.

5. В течение рабочих суток почасовой отпуск тепла регулируют в той самой последовательности и в тех же объемах, как и на протяжении прецедентных суток.

По мере накопления данных о работе системы оптимизацию графика тепловой нагрузки можно будет автоматизировать, предварительно синтезировав прогностическую модель спроса на взаимосвязанные виды энергии следующего типа:

(1)

В этом выражении

индекс обозначает текущие, -- предыдущие, а -- ближайшие сутки,

и -- текущая и прогнозируемая среднесуточная наружная температура,

-- индекс типа дня недели (=0 для рабочих дней, =1 для субботы и =2 для воскресений),

-- продолжительность светового дня.

Варьируемой входной переменной в модели является планируемый отпуск тепла , а выходными переменными -- потребление тепловым районом источника электрической энергии и природного газа . Варьируя в некотором диапазоне значения , можно подобрать такой вектор спроса , который минимизировал бы значение экономического критерия, отражающего региональные затраты на энергоснабжение жилых массивов.



Рис.6. Синтез модели потребления взаимосвязанных видов энергии

Трудность синтеза модели (1) заключается в том, что объектом моделирования является не просто технический комплекс, пусть даже достаточно сложный. Проблема состоит в том, что модель должна адекватно описывать реакцию людей, которым, на самом деле, служит этот комплекс, а реакция эта на комфортность условий обитания имеет, как мы видели, существенно нелинейный характер. Не только психологическая задержка в поведенческих реакциях, но и, наоборот, подверженность людей реакциям панического типа, когда не сами угрожающие события, а только их ожидания формируют активный коллективный отклик жителей, оказывают сильное влияние на динамику потребления связанных видов энергии.

1.4 Внедрение экономических критериев в практику оперативного управления централизованным теплоснабжением

Рыночная концепция развития экономики базируется на признании как нормального явления конкуренции между производителями товаров, работ или услуг. За первым шагом -- шагом осознания и признания -- естественным шагом общества (или государства) является разработка механизмов регулирования конкурентных отношений в рассматриваемом секторе экономики с целью ограничения рыночной мощи отдельных игроков, защиты прав производителей и потребителей, а также экономических интересов государства.

Это звучит довольно банально, если под сектором экономики подразумевать электроэнергетику. Но не все оказывается так просто, когда мы пытаемся интерпретировать сказанное по отношению к теплоснабжению.

Дело в том, что исторически электроэнергетика Украины оказалась значительно лучше подготовленной к рынку, чем теплоснабжение. Управление большими электроэнергетическими системами всегда рассматривалось советским обществом как сложное наукоемкое производство, нуждающееся в самой современной информационно-измерительной технике, квалифицированных кадрах и передовых вычислительных технологиях. И это дало свои плоды. Высокая степень централизации диспетчерского управления, применение интеллектуальных технологий для оперативного планирования работы энергосистемы, хорошо обученные кадры -- все это наличествовало в Единой энергетической системе СССР уже тогда, когда об энергорынке не было и речи. Идея распределения нагрузки между энергоблоками в соответствии с их приростными характеристиками, которую нам преподносят сегодня в переосмысленном виде эксперты TACIS, была известна советским энергетикам по трудам В.М.Горнштейна, как минимум, с 1949 года [10]. Не является откровением и маргинальный механизм ценообразования, действующий в условиях товарных рынков. В 70-х годах сибирскими учеными-экономистами для оптимизации территориальных топливно-энергетических балансов была предложена концепция замыкающих затрат [12], которая в своей сути мало чем отличается от того, что заложено в британскую модель энергорынка [13], пропагандируемую сегодня по всему миру. Таким образом, новизна принципов функционирования Оптового рынка электрической энергии, адаптированного для украинской электроэнергетики [14], является относительной для довольно широко круга отечественных специалистов и, если и ощущается, то, скорее, в необходимости переосмысления побудительных мотивов, направляющих работу управленческого аппарата энергогенерирующих и энергоснабжающих компаний, подвергшихся приватизации.

Совершенно иная ситуация сложилась в теплоснабжении. Оно никогда не оказывало столь критического влияния на развитие промышленности, как электроэнергетика, и как следствие, не удостаивалось заслуженного внимания и финансирования для собственного развития. Та запущенность с учетом потребления тепловой энергии, которую мы имеем сегодня, архаичность практики оперативного управления системой, покоящейся на научных достижениях полувековой давности, являются закономерным результатом того смещения акцентов в приоритетах развития отраслей народного хозяйства, который был допущен в советское время.

Советская и постсоветская экономика теплоснабжения зиждется на категории «удельных затрат на отпуск тепла», которая не только используется в анализе хозяйственной деятельности предприятий, но и не вполне обосновано распространяется на процедуры краткосрочного планирования. Здесь по-прежнему царит затратный механизм ценообразования, в практике же оперативного назначения режимов работы доминируют внеэкономические критерии.

И, наконец, в теплоэнергетике оказались чрезвычайно живучими представления о монополизации рынка тепла централизованным теплоснабжением. Когда-то они, возможно, и соответствовали действительности, но сегодня перестали отражать то, что, как мы видели, имеет место на самом деле. Игнорирование конкурентной среды превратилось в тормоз для развития отрасли, сдерживающий раскрытие адаптивного потенциала централизованного теплоснабжения, внутренне присущего системам с центральным диспетчерским управлением.

Наше предложение состоит в том, чтобы применить в теплоснабжении практически ту же модель рынка, которая действует сейчас в электроэнергетике, слегка только скорректировав состав игроков. Упрощенная функциональная структура модели следующая.

В территориальном отношении рынок охватывает тепловой район крупного источника централизованного теплоснабжения. Кроме самого КИЦТ на этой территории действуют местные энергоснабжающая и газоснабжающая компании. Функции Администратора рынка выполняет диспетчерская служба, которая регулирует отпуск тепла от КИЦТ, оказывая тем самым влияние на подчиненный спрос населения на электричество и природный газ. Работу Администратора рынка направляет Региональная энергетическая комиссия, которая контролирует спектр потребления взаимосвязанных видов энергии в быту и формулирует для Администратора вид экономического критерия пригодности того или иного сценария работы КИЦТ, а вместе с ним -- и всего энергоснабжающего комплекса теплового района.

Критерий, о котором идет речь, может быть сформулирован в виде ожидаемых суточных затрат на энергоснабжение населения, проживающего на территории теплового района источника:

. (2)

Здесь -- по-прежнему, искомый суточный отпуск тепла от источника теплоснабжения на планируемые сутки, минимизирующий значение ; -- прогноз на ближайшие сутки себестоимости производства и транспортировки единицы тепловой энергии; -- прогноз средневзвешенной цены электроэнергии, закупаемой на Оптовом рынке, и -- цена природного газа, поставляемого населению для бытовых нужд. Коэффициенты и служат для адаптации методики к условиям района внедрения (например, для районов с негазифицированными жилыми массивами), а также для оперативной перенастройки критерия в процессе работы. С их помощью можно усилить или ослабить влияние факторов, учтенных в (2), на окончательный выбор режима теплоснабжения, например -- учесть относительные объемы неплатежей населения за тот или иной вид потребленного ресурса. Допуская некоторый гипотетический перерасход ресурса (исчисленный по отношению к абсолютному минимуму критерия), по которому население более охотно погашает долги, мы можем осознанно пойти на понижение экономичности энергоснабжения, но при этом увеличить поступление наличных средств.

Возвращаясь к задаче минимизации критерия (2), отметим, что она является довольно сложной в научном плане. Для ее решения необходимо предвидеть завтрашнюю ситуацию на рынке, уметь моделировать и прогнозировать спрос и предложение. В векторе ценовых предложений наиболее изменчивой компонентой является средневзвешенная цена электроэнергии. Однако, как свидетельствует опыт зарубежных энергорынков, она хорошо поддается предсказанию [16]. Для прогнозирования же структуры спроса на взаимосвязанные виды энергии мы предлагаем синтезировать модель (1) на базе искусственных нейронных сетей [17].

Получение и обработка подобной информации вряд ли возможна только силами персонала, работающего сегодня на районных котельных и ТЭЦ. Даже апробирование предлагаемой методики в масштабах единичного эксперимента потребует привлечения к планированию режимов отпуска тепла оперативной информации других участников ТЭК -- энергорынка, газоснабжающей компании, консалтинговых фирм. Информационные потоки, на основании которых может быть принято оптимальное решение о плановом графике работы источника теплоснабжения, представлены на рисунке 7.

Рис. 7. Доноры прогностической информации, требуемой для экономической оптимизации энергоснабжения жилых массивов

Впрочем, вычислительные технологии шагнули сегодня далеко вперед [18-19], что позволяет с оптимизмом смотреть на решение проблемы в целом. Скорее, не они, а недостаточное развитие на местах автоматизированных систем учета потребления представляет собой самое серьезное препятствие для широкого внедрения предлагаемого подхода в ближайшее время.

В завершение хотелось бы отметить, что внедрение замкнутой системы регулирования отпуска тепла будет способствовать укреплению конкурентоспособности централизованного теплоснабжения, повысит его привлекательность для бытового потребителя и переломит наметившуюся негативную тенденцию, заключающуюся в том, что население направляет имеющиеся финансовые ресурсы не на оплату долгов за потребленное тепло, а на приобретение масляных электрорадиаторов и электроводонагревателей, не веря, что централизованное теплоснабжение сможет работать лучше.

Заключение

Сегодняшние трудности в работе энергоснабжающего комплекса города обусловлены не только нехваткой природного газа. Проблема состоит еще и в том, что мы не научились экономно потреблять произведенную тепловую и электрическую энергию и оптимально распределять топливные ресурсы на их производство в соответствии с возникающим спросом. Попытки же экономить на чем-то одном неизбежно порождают перерасход в другом.

В условиях дефицита топлива доминирующую роль в работе энергоснабжающего комплекса играет централизованное теплоснабжение. Поставляемое населению электричество и природный газ служат демпферными резервами, за счет которых население сглаживает промахи в теплоснабжении от централизованных источников. Только учитывая подчиненный характер спроса населения на электричество и газ от степени покрытия спроса на тепло, можно прийти к наиболее экономичным режимам энергоснабжения города в период отопительного сезона.

Для дальнейшего совершенствования работы муниципального энергоснабжающего комплекса необходимо:

· изучать реальный спрос населения на электричество, газ и тепло; повысить роль прогнозирования спроса в работе диспетчерских служб;

· отработать механизм оперативного взаимодействия городских диспетчерских служб с целью оптимального, с точки зрения экономии региональных топливно-энергетических и финансовых ресурсов, ограничения потребления взаимосвязанных видов энергии;

· выработать такую тарифно-ценовую политику по отношению к бытовым потребителям, которая активно воздействовала бы на спектр потребления взаимосвязанных видов энергии и препятствовала бы интервенции электротехнологий на региональных рынках тепла.

Добившись слаженной работы всех ветвей энергоснабжения, мы оптимизируем потребление в быту и достигнем экономии первичных ТЭР в размере не менее 3-5% от сегодняшнего уровня потребления.

Часть II. Перспективы внедрения «Концепции…» в Харькове и первые шаги по ее реализации

2.1 Оценка степени готовности энергоснабжающего комплекса города принять новую технологию

Прежде чем дать ответ на вопрос о готовности Харькова пойти на осуществление инновационного проекта в области энергоснабжения жилых массивов, необходимо попытаться хотя бы в общих чертах описать те требования, которым должен удовлетворять регион -- потенциальный реципиент технологии оперативного управления теплоснабжением, изложенной в «Концепции …» (далее по тексту -- технологии). А для этого следует дать характеристику самой технологии как специфического продукта, с одной стороны, обладающего определенной привлекательностью для реципиента, а с другой стороны, требующего усилий для своего освоения.

Итак, технология, в узко техническом смысле, призвана координировать оперативную работу всех ветвей муниципального энергоснабжающего комплекса с целью максимально эффективного использования ТЭР. Но ее уникальность не исчерпывается новизной интерпретации путей решения технических задач, стоящих перед энергоснабжающим комплексом. В более широком -- социально-экономическом контексте, технология трансформирует саму идеологическую основу централизованного теплоснабжения, с одной стороны, ставя во главу угла запросы потребителя и, с другой стороны, привнося в работу централизованного теплоснабжения несвойственные ему сегодня элементы рыночных отношений. По существу, внедрение технологии в полном объеме равнозначно учреждению регионального рынка тепла и может поэтому рассматриваться как попытка распространения рыночных отношений в энергетике на сферу теплоснабжения.

Именно благодаря этой своей особенности технология не может заработать в существующей сегодня экономической среде -- в лучшем случае, она только позволит осознать порочность существующей практики хозяйствования (хотя и это уже не мало). Для получения полноценной отдачи от ее внедрения необходимо реформировать саму среду -- либо путем создания стимулов для компаний, задействованных в энергоснабжении города, либо путем регионального регулирования рыночных отношений в муниципальной теплоэнергетике по примеру того, как осуществляется государственное регулирование в электроэнергетике.

Технология обладает новизной не только в масштабах Украины, но и всего постсоветского пространства. Харьков не одинок в своих проблемах, связанных с нехваткой топлива и архаичностью отношений в энергоснабжающем комплексе. Эти проблемы не знают границ и одинаково остро стоят в России, Прибалтике, Белоруссии и Казахстане. В [23] отмечается, что одной из причин экономического кризиса, переживаемого в последние годы Россией, является то, что отказ от старых методов регулирования хозяйственной жизни не сопровождался системной разработкой и реальным претворением в жизнь «новых правил игры» -- важнейшего элемента институциональных реформ. «Центральной проблемой институциональных изменений сегодня,-- подчеркивает автор,-- остается проблема экономического законотворчества».

Внедрение технологии предлагает особый путь развития системы централизованного теплоснабжения, существенно отличающийся от того, что предлагают сегодня Украине западные эксперты. Покупая западные технологии и системы управления, мы укрепляем западных разработчиков и западных производителей. В то же время, все, что требуется для реализации технологии, может быть разработано и изготовлено отечественным производителем, силами местных предприятий. Это отнюдь не исключает возможности и целесообразности привлечения иностранных инвестиций для ее доработки, хотя последние вряд ли будут иметь место при отсутствии публичного интереса со стороны местных инвесторов и государства.

Исходя из такой трактовки значимости технологии, напрашивается и первый вывод -- потенциальным ее реципиентом может стать только тот регион, который проявляет действительное стремление и готовность к рыночным преобразованиям и обладает достаточным запасом творческого потенциала в вопросах местного законотворчества.

...