Динамика развития структуры ИГ в СЦТ
При формулировке динамической задачи оптимизации структуры ИТ в СЦТ принимались следующие содержательные допущения: основной ИТ вводится концентрированно и используется в каждом году максимально возможное время; пиковые ИТ рассматриваются в совокупности и на них устанавливается однородное по типам оборудование; сооружение тепловых сетей от основного ИТ к пиковым ведется равномерно и заканчивается к моменту пуска первого блока основного ИТ.
Динамическая задача оптимизации структуры ИТ в СЦТ формулируется в следующем виде.
Ограничения (8.2) и (8.3) позволяют учесть начальное состояние СЦТ — подготовленную нагрузку, а ограничения (8.7) — возможные режимы отпуска теплоты. Отдельные составляющие приведенных затрат (8.1) вычисляются в каждый момент времени по принятым в расчетной практике методикам с учетом сделанных допущений.
Хотя сформулированная задача остается сложной оптимизационной задачей частично-целочисленного программирования, сделанные содержательные допущения и ограниченный набор типоразмеров блоков основного оборудования позволяют решить ее при расчетных длительностях развития СЦТ 15—20 лет полным перебором возможных вариантов.
Модель развития структуры ИТ реализована в виде отдельного блока в рамках ПВК (см. разд. 4.1) на языке ФОРТРАН применительно к ЕС ЭВМ.
Математическая формулировка (8.1)-(8.7) приведена для одноцелевых установок и включает балансы установленной мощности ИТ и тепловой нагрузки СЦТ; вырабатываемой и потребляемой теплоты; учитывает ограничения по максимальному числу устанавливаемых элементов основного оборудования; длительность строительства крупных ИТ. Для двухцелевых (многоцелевых) ИТ должны дополнительно учитываться балансы мощности и отпуска электроэнергии (остальных продуктов производства), связи с внешней энергосистемой. Полученные в моделях решения должны проверяться с точки зрения обеспечения заданного уровня надежности теплоснабжения, удовлетворять требованиям по балансам электрической и тепловой мощностей, а также отпуску электроэнергии и теплоты в аварийных условиях в соответствии с нормами технологического проектирования.
Предложенная модель позволяет исследовать основные интересные с энергетической точки зрения задачи: сопоставление разных типов ИТ при разработке схем теплоснабжения; определение оптимальных моментов ввода основного ИТ и его мощности; вычисление суммарного за период развития СЦТ расхода топлива; изучение влияния подготовленной нагрузки и ее неоднородности по технико-экономическим показателям на принимаемые решения по развитию СЦТ; оценивание влияния неоднозначности способа достижения расчетной величины тепловой нагрузки СЦТ (возможное изменение темпов роста нагрузки в процессе развития СЦТ).
Кроме того, возможно изучение целесообразных направлений изменения единичных мощностей блоков основного оборудования ИТ путем расширения первоначального набора типоразмеров и решения той же оптимизационной задачи и оценка влияния длительности сооружения основного ИТ на экономическую эффективность варианта развития структуры ИТ в СЦТ.
Решение перечисленных задач и изучение динамических факторов проводилось в следующей последовательности: задавались два уровня расчетной тепловой нагрузки конечного года периода развития СЦТ длительностью 15 лет и три варианта возможных темпов роста нагрузки в процессе развития — равномерный, опережающий и замедленный, представленные на рис. 8.1; сначала исследовалось влияние динамических факторов при отсутствии подготовленной нагрузки — сооружение СЦТ начинается в новых районах города, потом при условии существования части ИТ на начало планового периода. В последнем случае совокупность имеющихся ИТ и их технико-экономические показатели целесообразно задавать в следующем виде. Если известны их мощности, КПД брутто (г?) и годовые выработки теплоты (w), то можно описать существующие ИТ агреги- рованно с помощью соответствующих гистограмм (рис. 8.2). Здесь по оси абсцисс отложены КПД брутто котельных установок, а по оси ординат — доля мощности установок с соответствующим КПД. Аналогично представлена выработка теплоты. Анализируя гистограммы, начальную совокупность установок можно заменить одной-двумя усредненными установками, что позволит с достаточной точностью описать начальное состояние структуры ИТ в СЦТ и неоднородность их технико-экономических показателей.
Расчеты по оптимизации структуры ИТ в СЦТ проводились в динамической модели при технико-экономических показателях оборудования и замыкающих затратах на топливо, аналогичных принимавшимся в статической модели (см. разд. 4.3) и для тех же климатических условий. Уров-, ни тепловых нагрузок последнего года развития СЦТ принимались равными 1400 и 2100 МВт.
В табл. 8.1 приведены результаты оптимизации, когда подготовленная нагрузка отсутствует. Из этих данных видно, что оптимальным составом оборудования при расчетной тепловой нагрузке СЦТ 1400 МВт, найденным без учета фактора динамики, является вариант 2 (1 блок АСТ-500 и 16 котлов мощностью по 58 МВт). При решении задачи оптимизации СЦТ с учетом фактора динамики оптимальным становится вариант 4 (двухблочная АСТ-500 и 12 котлов по 58 МВт) для всех вариантов роста тепловой нагрузки СЦТ.
Учет динамики развития СЦТ уменьшает различие экономических показателей конкурирующих вариантов СЦТ с ACT. Так, если при расчете без учета фактора динамики различие по приведенным затратам между вариантами 2 и 4 составляло 14%, то. при учете фактора динамики это различие снизилось до 1%. И наоборот, возросла разница в экономической эффективности между вариантами СЦТ с ACT и с РК. Интересен новый результат — получение в качестве оптимального варианта структуры ИТ с избыточной мощностью пиковых ИТ (вариант 4), который в принципе не мог быть выявлен при расчете без учета фактора динамики. Возможность его появления при учете фактора динамики определяется целесообразностью сдвига срока начала строительства ACT к концу планового периода, так как при этом уменьшение приведенных затрат, обусловленных снижением затрат по капиталоемкой ACT, превышает дополнительные затраты на создание и функционирование избыточной мощности пиковых ИТ.
Для расчетной тепловой нагрузки последнего года развития СЦТ 2100 МВт при решении задачи оптимизации СЦТ в статике оптимальным является вариант 7 состава оборудования СЦТ (с двухблочной ACT).
Этот же вариант состава оборудования СЦТ оказывается оптимальным и при учете фактора динамики. Вместе с тем прослеживается тенденция сдвига вариантов оптимальной структуры СЦТ из области применения РК в область применения двухблочных ACT. Так, при расчете СЦТ без учета фактора динамики вариант СЦТ с РК отличается от варианта СЦТ с двухблочной ACT всего на 4%. Учет фактора динамики сделал вариант СЦТ с РК явно менее экономичным — приведенные затраты по нему на 18—27% выше, чем по варианту с двухблочной ACT.
Анализ сроков ввода оборудования ACT показывает, что оптимальный год начала строительства ACT зависит как от структуры СЦТ, так и от темпов роста тепловой нагрузки СЦТ. При опережающем росте тепловых нагрузок оптимальный год начала строительства ACT сдвигается к началу планового периода, при замедленном росте тепловой нагрузки — к концу планового периода (рис. 8.3). Расчеты показали, что эффективность варианта развития СЦТ на базе двухблочной ACT весьма существенно зависит от срока ввода ACT. Наилучшим этот вариант развития СЦТ становится только при оптимальном выборе года начала строительства ACT. В противном случае вариант СЦТ с двухблочной ACT может оказаться менее экономичным по сравнению с конкурирующими вариантами состава основного оборудования ИТ в СЦТ. Таким образом, в динамической постановке задачи оптимизации СЦТ нельзя говорить об оптимальном составе оборудования ACT в отрыве от оптимального года начала строительства ACT.
Кроме экономического критерия (приведенные затраты), при сравнении вариантов развития СЦТ с ИТ разных типов используются и другие критерии, особенно в тех случаях, когда по экономическому критерию варианты близки (равноэкономичны) [9]. Одним из важнейших дополнительных критериев является расход органического топлива в СЦТ. Результаты расчетов по выявлению влияния фактора динамики роста тепловых нагрузок в СЦТ на этот критерий приведены в табл. 8.2. Как видно из этих данных, среднегодовые расходы органического топлива в СЦТ при учете фактора динамики значительно отличаются от расходов, полученных при статической постановке задачи. Например, для тепловой нагрузки конечного года развития СЦТ 1400 МВт и варианта 1 структуры ИТ статический подход дает величину 0,693 млн т у.т./год, а при учете динамики средний годовой расход органического топлива за период развития СЦТ (по вариантам роста тепловой нагрузки) составляет от 0315 до 0,433 млн т у.т./год. В этом случае расчет СЦТ без учета фактора динамики дает завышенную оценку потребности в органическом топливе за период развития системы. Наоборот, для 4-го оптимального варианта структуры ИТ статический подход дает величину 0,045 млн т у.т./год, а при учете динамики среднегодовой расход органического топлива за период развития СЦТ (по вариантам роста тепловой нагрузки) составляет от 0,051 до 0,087 млн т у.т./год. Для этого варианта статический расчет СЦТ занижает потребность в органическом топливе.
Таким образом, расчеты СЦТ без учета фактора динамики дают значи- тельную погрешность в оценке потребности в органическом топливе на период развития СЦТ и возможной экономии органического топлива при использовании ACT в этот же период.
Следует отметить еще два эффекта, выявленные при расчетах с учетом динамики развития СЦТ, которые не могли быть получены при расчета# в статике: 1) существенное влияние темпов роста тепловой нагрузки на расход органического топлива за период развития СЦТ. В чистом видёв, этот эффект может быть оценен по варианту 6: расход органического,, топлива меняется от 4,87 млн т у.т./год для варианта быстрого роста| тепловых нагрузок до 2,75 млн т у.т./год для варианта замедленного 152 роста тепловых нагрузок, т.е. в 1,8 раза. В остальных вариантах указанный эффект сочетается со вторым эффектом и не может быть выявлен в чистом виде; 2) влияние года начала строительства ACT на расход органического топлива за период развития СЦТ. Проследить влияние этого эффекта можно путем сравнения вариантов 3 и 4 при одинаковых темпах роста тепловой нагрузки. Так, при среднем темпе роста нагрузки в СЦТ в период ее развития перенесение срока начала сооружения двухблочной ACT со второго на четвертый год приводит к увеличению расхода органического топлива с 0,50 до 1,04 млн т у.т./год, т.е. в 2 раза. При замедленном темпе роста нагрузки, т.е. при переносе срока с третьего на шестой год, эффект еще больше: расход органического топлива возрастает с 0,56 до 1,30 млн т у.т./год — 2,4 раза. Более детально этот эффект показан на рис. 8.2.
Указанные эффекты нужно учитывать при выборе оптимального решения по структуре ИТ развивающейся СЦТ. Особенно существенна их роль при принятии решения в тех случаях, когда по основному экономическому критерию — приведенным затратам — варианты разнятся в пределах 1—3%, т.е. в зоне равной экономичности. Например, для нагрузки 1400 МВт сдвиг года начала строительства двухблочной ACT на начало расчетного периода увеличивает приведенные затраты (вариант 4, равномерный рост нагрузки) на 3% и сокращает расход органического топлива за расчетный период на 43%.
Кроме случая, когда в начальный момент развития СЦТ тепловая нагрузка равна нулю, рассмотрены случаи развития СЦТ, имеющие на начало рассматриваемого периода подготовленную нагрузку. В свою очередь, этот этап исследований выполнен для двух характерных случаев: 1) сделано предположение, что технико-экономические показатели существующих котельных, покрывающих подготовленную нагрузку, совпадают с аналогичными показателями новых пиковых котельных; 2) технико-экономические показатели существующих котельных уступают показателям новых пиковых котельных.
В процессе развития СЦТ для первого случая существующие котельные не будут демонтироваться и при вводе ACT будут использоваться в качестве пиковых котельных. Расчеты выполнены для подготовленной нагрузки, составляющей 20—80% от расчетной на конечный год развития СЦТ. В табл. 8.3 приведены результаты расчетов для 50%-ной подготовленной нагрузки. Анализ результатов расчетов показывает, что учет подготовленной тепловой нагрузки увеличивает различие показателей структуры ИТ в СЦТ по сравнению с результатами без учета подготовленной нагрузки. Например, для тепловой нагрузки последнего года развития СЦТ 1400 МВт при отсутствии подготовленной нагрузки варианты СЦТ с одноблочной и двухблочной ACT (для равномерного роста нагрузки) экономичнее варианта СЦТ с РК на 6 и 7% соответственно. При нагрузке, подготовленной на 50%, относительная экономичность вариантов одноблочной и двухблочной ACT возрастает до 15 и 19% по сравнению с СЦТ с РК. Для тепловой нагрузки последнего года развития СЦТ — 2100 МВт и при равномерности роста тепловой нагрузки соответствующее относительное расхождение вариантов по величине приведенных затрат еще более значительно.
Наличие подготовленной тепловой нагрузки в СЦТ приближает срок ввода ACT. Так, 50%-ная подготовленная нагрузка делает целесообразным начало строительства ACT в первый год расчетного периода. Естественно, что при этом возрастает и количество вытесняемого за период развития СЦТ органического топлива (см. табл. 8.2 и 8.3).
Случай, когда теплогенерирующие установки, покрывающие к началу расчетного периода существующую нагрузку, менее экономичны по сравнению с новыми пиковыми котельными, не однозначен; он соответствует множеству возможных ситуаций, элементы которого различаются рядом технико-экономических показателей (тепловая экономичность, техническое состояние, удельные трудозатраты и др.) существующего генерирующего оборудования. Для каждой возможной ситуации может быть найдена оптимальная стратегия развития СЦТ, включая определение длительности периода использования разных типов существующих источников теплоты.
Для этого случая рассмотрен один достаточно характерный вариант технико-экономических показателей существующих ИТ.
Принималось, что из 50% подготовленной нагрузки 40% покрывают устаревшие котельные со средним КПД брутто rj = 0,75, а остальные 60%— новые котельные (i? = 0,85). Для рассматриваемых нагрузок 1400 и 2100 МВт это составит: 280 и 420 МВт старых установок, 420 и 630 МВт новых установок. Рост тепловой нагрузки принимался равномерным.
Рассматривались следующие стратегии развития ИТ в СЦТ: развитие РК без замены устаревшего оборудования (PKj) и с заменой устаревшего оборудования в году г (РКП); развитие СЦТ на базе одноблочной ACT без замены имеющихся устаревших котельных (1 блок ACTj) и с заменой (1 блок АСТц); аналогично для двухблочной ACT. Результаты расчетов приведены в табл. 8.4. Расчеты показали, что для конечной нагрузки 1400 МВт замена устаревших котельных с первого года развития СЦТ экономически оправданна для вариантов СЦТ с РК и одноблочной ACT. В оптимальном варианте (двухблочная ACT) устаревшее оборудование выгоднее использовать в пиковом режиме до ввода первого блока ACT на третьем году развития системы, после чего исчезает потребность в котельных мощностью 440 МВт, соответственно старые котельные могут быть демонтированы. Для нагрузки 2100 МВт полная замена устаревшего оборудования выгодна для вариантов развития СЦТ с РК и одноблочной ACT. Для варианта с двухблочной ACT оптимизационные расчеты показ&пи целесообразность замены устаревших котельных мощностью 290 МВт, хотя отказ от замены и перевод котельных в пиковый режим лишь незначительно увеличивают приведенные затраты (0,2%).
В целом расчеты показывают, что учет неоднозначности технико-экономических показателей существующих ИТ значительно расширяет множество возможных стратегий развития и влияет на их относительную экономичность. В то же время результаты расчетов показали увеличение эффективности СЦТ с ACT. Например, при нагрузке 1400 МВт относительная экономичность варианта с двухблочной ACT по сравнению с РК увеличивается с 19 (см. табл. 83) до 36% (см. табл. 8.4), а при расчетной нагрузке 2100 МВт — с 32 до 48%. Экономия органического топлива также несколько увеличивается.
Исследование систем теплоснабжения/Л.C. Попырин, К.С. Светлов, Г.М. Беляева и др. М.: Наука, 1989.
