Общие методические положения
Количественный рост тепловых нагрузок современных городов и промышленных центров, появление новых типов основных ИТ (ACT, АТЭЦ) и возможность совместной работы крупных ИТ на общую нагрузку требуют переоценки методов анализа перспективной структуры СЦТ, основанных на допущениях об одновременности возникновения всех элементов СЦТ (источников, тепловых сетей, тепловой нагрузки и т.д.) и отсутствии существующей части СЦТ.
В настоящее время далеко не полностью разработана методика оптимизации СЦТ с учетом динамики ее развития, предварительные основы которой закладывались в [2, 24]. Такая методика должна учитывать основные динамические факторы: непрерывность роста тепловых нагрузок в СЦТ, длительность сооружения крупных ИТ; наличие подготовленной нагрузки на начало расчетного периода развития СЦТ; тенденции изменения внешних условий; неполноту информации о пути достижения расчетной величины тепловой нагрузки и возможность адаптации выбранной стратегии развития СЦТ к изменяющимся условиям развития. Отсутствие учета перечисленных факторов может приводить к неоптимальным решениям по выбору структуры СЦТ, которые трудно откорректировать в приемлемое время даже путем значительных дополнительных капитальных вложений.
Результаты первоначальных приближенных исследований динамических факторов [2] показали влияние уровня централизации и очередности сооружения ТЭЦ на оценку экономичности теплофикации и выбор структуры СЦТ при длительности периода развития СЦТ более 5 лет. В дальнейшем в работе [24] изучалось влияние фактора динамики для СЦТ с ТЭЦ на органическом топливе с турбинами типа Т, ПТ и Р. Для ТЭЦ с турбинами Т и ПТ влияние динамики оказалось слабым и, хотя расчеты для ТЭЦ с турбиной Р дали иные результаты, установилось мнение о несущественности фактора динамики. Представляется, что этот вывод, базирующийся на рассмотрении одного типа ИТ - ТЭЦ на органическом топливе — с относительно близкими по капиталовложениям и расходам топлива наборами состава оборудования, не может быть распространен на СЦТ с другими типами ИТ и наборами оборудования. В самом деле, рассматриваемые в настоящее время возможные варианты типов ИТ (ТЭЦ на органическом топливе, АТЭЦ, РК, ACT) формируют СЦТ с различающимися в несколько раз ; удельными капиталовложениями и удельными расходами органического топлива. Кроме того, в рамках указанных методик невозможно учесть влияние существующей части оборудования СЦТ, возможность его выбытия и влияние длительности сооружения основного ИТ.
Вместе с тем опыт моделирования динамических факторов развития СЦТ выделил основные методические и математические особенности таких задач: высокую размерность и нелинейность задач оптимизации СЦТ при детализации математического описания, принятого в статических постановках; неполноту информации о будущих условиях развивающейся СЦТ; несоответствие точности разрабатываемых методов с возможной точностью количественного описания учитываемых показателей.
Учитывая опыт моделирования развития СЦТ и общие методические подходы к оптимизации сложных развивающихся систем, динамическая задача оптимизации развития структуры СЦТ может быть сформулирована с энергетических позиций следующим образом.
Заданы: число и расположение тепловых районов города или промышленного центра; в каждом из районов показатели существующей части СЦТ (тепловая нагрузка и годовое потребление теплоты, мощность, состав оборудования и удельные расходы топлива для ИТ, пропускные способности существующих участков ТС); прирост расчетной тепловой нагрузки по годам планового периода и соответствующие годовые выработки теплоты; совокупность возможных мест размещения новых ИТ с указанием их типов, предельных производительностей и технико-экономических показателей; избыточный набор возможных новых участков трасс транзитных и магистральных ТС с указанием необходимых капитальных вложений в зависимости от пропускной способности участка и способа прокладки.
Требуется определить оптимальную, т.е. минимизирующую приведенные затраты, стратегию развития (по годам планового периода) структуры СЦТ, включающую: места размещения, типы, мощности, годовые выработки и состав основного оборудования основных и пиковых ИТ; пропускные способности и направления участков транзитных и магистральных ТС.
Полная математическая формализация поставленной задачи оптимизации развития структуры СЦТ является чрезвычайно громоздкой, а сама задача труднорешаемой. Поэтому в соответствии с описанным общим подходом (см. разд. 4.1) задача решается в два этапа: в статике (на конечный год развития) и динамике, а общая задача декомпозируется на ряд подзадач. Взаимная увязка решений и выбор окончательного решения осуществляются исследователем, учитывающим дополнительные факторы, не вошедшие в формальное описание задачи, а комплекс моделей служит инструментом количественного анализа обрабатываемой информации.
Уровни детализации используемой информации в статической и динамической постановках различны. Например, в статической постановке задачи оптимизации структуры СЦТ тепловая нагрузка СЦТ и необходимая выработка теплоты заданы с помощью характерного для данного города почасового графика нагрузки по продолжительности, а в динамической задаче — ежегодными максимальными часовыми нагрузками и средними числами часов использования максимума. Пиковые котельные и состав их оборудования рассматриваются в статической задаче детально по районам теплоснабжения, а в динамической задаче агрегируются и совокупность котельных заменяется одной (двумя) эквивалентной установкой с однородным по типоразмеру оборудованием. Таким образом, в динамике используемая информация представляется в более агрегированном виде и делается больше упрощающих предположений.
С другой стороны, динамическая постановка задачи оптимизации СЦТ требует дополнительной информации: длительности планового периода развития СЦТ, который выпадает из рассмотрения в статике; промежуточных значений тепловой нагрузки в годы развития; показателей длительности строительства основных ИТ и т.д. Использование в модели СЦТ этих данных позволяет определить суммарный (за период развития) расход топлива в СЦТ, выбрать год начала строительства основного ИТ, т.е. получить дополнительную (по сравнению с решением статической задачи) информацию об оптимальном варианте развития СЦТ. Это может отразиться на выборе окончательного варианта развития СЦТ в тех случаях, когда по приведенным затратам сравниваемые варианты близки, т.е. находятся в зоне равной экономичности.
Внешние условия развития СЦТ (уровни и темпы роста тепловых нагрузок, замыкающие затраты на используемые ресурсы и другие факторы) обычно неизвестны точно при длительных интервалах прогнозирования. Учет этих факторов при оптимизации СЦТ должен проводиться специальными методами (см. разд. 10.3). Особенность проявления динамических свойств решения задачи оптимизации СЦТ в условиях неполноты информации заключается в том, что появляются два дополнительных фактора: неопределенность в определении суммарной потребности в теплоте за плановый период (так как при заданной расчетной тепловой нагрузке могут меняться ее темпы роста в промежуточные годы) и возможность адаптации к изменению расчетной нагрузки СЦТ путем сдвига года начала строительства основного ИТ, а не изменением (корректировкой) его мощности. В целом параллельное решение задачи оптимизации СЦТ в статике и динамике позволяет исследователи) более обоснованно принять решение по оптимальному развитию СЦТ.
Исследование систем теплоснабжения/Л.C. Попырин, К.С. Светлов, Г.М. Беляева и др. М.: Наука, 1989.
