СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К КОМПЛЕКСНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Жизненный цикл системы теплоснабжения и ее элементов от идеи ее создания до исчерпания срока службы можно представить в виде следующих основных этапов: 1) долгосрочное прогнозирование на период 25—30 лет (разработка разделов по теплоснабжению в генпланах городов и схемах районной планировки, отраслевые прогнозы развития теплоснабжения); 2) долгосрочное планирование на период 15—20 лет (разработка долгосрочной целевой комплексной программы и технико-экономического доклада по теплоснабжению страны); 3) перспективное проектирование на период 10—15 лет (разработка схем развития отрасли и схем теплоснабжения различных территориальных образований); 4) среднесрочное планирование на период до 5 лет (разработка обосновывающих материалов (ОМ), технорабочее проектирование); 5) строительство и монтаж; 6) оперативное планирование (на очередной отопительный сезон); 7) эксплуатация системы (нормативный срок службы основных элементов системы теплоснабжения 30—50 лет); 8) демонтаж элементов системы теплоснабжения по истечении срока службы.

Управление функционированием систем теплоснабжения включает оперативное планирование производства тепловой энергии, хозяйственное управление деятельностью основных звеньев теплоснабжающей системы и диспетчерское управление ее работой. Остальные из перечисленных задач входят в управление развитием систем теплоснабжения.

Задачи управления функционированием систем теплоснабжения должны решаться с помощью АСУТП теплоснабжения [72], которые должны оптимизировать: 1) распределение тепловых нагрузок между источниками путем обеспечения первоочередной загрузки более экономичных из них; 2) режимы отпуска теплоты потребителям с минимумом затрат на производство, транспорт и распределение тепловой энергии; 3) потокораспределение в тепловых сетях с минимальным расходом электроэнергии на перекачку теплоносителя; 4) режимы работы основного оборудования источников теплоснабжения; 5) режимы работы системы теплоснабжения в аварийных ситуациях (оперативное обнаружение и локализация аварий, управление гидравлическими и тепловыми режимами с целью минимизации ущерба от аварийного недоотпуска теплоты потребителям).

Управление развитием систем теплоснабжения имеет гораздо более сложную иерархическую структуру и должно осуществляться человеко-машинными методами с помощью подсистемы «Топливно-энергетический комплекс» автоматизированной системы плановых расчетов (АСПР) Госплана СССР на верхнем иерархическом уровне [31, 67], подсистемы «Перспективы развития отрасли» отраслевой АСУ (ОАСУ «Энергия») на среднем, а также САПР централизованного теплоснабжения (как подсистемы АСУ «Проект» ОАСУ «Энергия»). Стадия обоснования решений состоит из долгосрочных прогнозирования и планирования развития централизованного теплоснабжения, перспективного проектирования. Эта стадия завершается утверждением в составе схемы развития и размещения отрасли схем теплоснабжения объектов.

Долгосрочное прогнозирование позволяет определить основные пути и направления развития теплоснабжающей подотрасли на отдаленную перспективу.

Элементом долгосрочного прогнозирования является разработка разделов по теплоснабжению в схемах районной планировки и генеральных планов городов. Здесь вопросы теплоснабжения прорабатываются только в самом общем виде в увязке с проблемами электро-, топливо-, водоснабжения и др.

Долгосрочное планирование включает разработку долгосрочных целевых комплексных программ и технико-экономических докладов по теплоснабжению страны. В отличие от долгосрочного прогнозирования здесь решаются более конкретные задачи: 1) определяются уровни теплопотребления на основании прогнозов роста численности населения и отраслевых данных о размещении промышленности по отдельным городам; 2) предлагаются предварительные решения о составе основного оборудования источников теплоснабжения с ориентировочными сроками их ввода; 3) находится ориентировочная потребность в оборудовании и трубопроводах, объемах капиталовложений и других материальных ресурсов, необходимых для намечаемого развития централизованного теплоснабжения; 4) выявляются объекты для первоочередного рассмотрения целесообразности внедрения новых технических решений; 5) определяются ориентировочные области применения различных источников тепловой энергии; 6) готовится материал для принятия решения о направлениях научно-исследовательских работ; 7) выявляется необходимость разработки схем теплоснабжения конкретных объектов и др.

Перспективное проектирование является важнейшим этапом управления развитием систем централизованного теплоснабжения. Оно заключается в разработке схем теплоснабжения городов, промышленных узлов и других территориально-промышленных комплексов — предпроектных документов, которые после утверждения служат исходными материалами для разработки проектов и рабочей документации по отдельным элементам СЦТ.

Схема теплоснабжения содержит обоснование теплопотребности жилищно-коммунального сектора и промышленности на расчетный срок (по пятилеткам) и выбор на основе технико-экономического сопоставления нескольких вариантов типов и состава основного оборудования источников теплоты (ТЭЦ, котельных), соображения о целесообразности реконструкции или расширения существующих источников, выбор площадок для новых источников теплоты, включая разработку схем их генеральных планов. В состав схемы теплоснабжения входят предложения по выбору вида топлива для источников теплоты, трасс, способов прокладки и диаметров трубопроводов магистральных тепловых сетей, закрытой или открытой системы теплоснабжения, срокам строительства источников и тепловых сетей, включая предложения по долевому участию ведомств в их строительстве, основные технологические решения и технико-экономические показатели источников теплоты и тепловых сетей. Рассматриваются различные варианты структуры системы теплоснабжения, отличающиеся степенью централизации и видом источников. Оптимальный вариант определяется по минимуму приведенных затрат. Рассмотрим применение методики системного анализа и исследования операций к комплексной оптимизации теплоснабжения. Системный анализ заключается в превращении трудноразрешимой задачи в последовательную серию задач, имеющих отработанные методы решения. Он применяется для перевода слабо структуризованных задач со смешанными количественными и качественными оценками в структуризованные, решение которых можно осуществить методами математического моделирования и теории оптимизации.

Системный анализ основан на взаимосвязи и взамо- обусловленности явлений и объектов не только как самостоятельных систем, но и как подсистем некоторой большой системы. С этих позиций СЦТ следует рассматривать как подсистему общеэнергетической системы, которая находится на более низком иерархическом уровне, чем топливоснабжающая и электроэнергетическая подсистемы. Поэтому при выделении СЦТ из общеэнергетической системы ее взаимосвязи с указанными системами осуществляются с помощью показателей замыкающих затрат на топливо и электроэнергию, которые относятся к внешним факторам для СЦТ.

Составной частью системного анализа является исследование операций. Исследование операций — это теория математических моделей принятия оптимальных решений, которая заключается в применении достижений разных наук к задачам, связанным с оптимальным функционированием систем.

Принципиально новыми в системной методологии являются подход не от метода, а от задачи, требование комплексного использования различных методов для решения отдельных частей задачи, а также синтез методов, которые ранее применялись разрозненно при решении частных научно-технических проблем.

Системный анализ является основным методологическим принципом исследования операций, который заключается в том, что любая частная задача рассматривается с учетом ее влияния на критерий оптимальности всей системы.

В исследовании операций известны следующие этапы: 1) постановка задачи; 2) построение математической модели системы; 3) сбор и обработка исходной информации; 4) анализ модели и нахождение решения; 5) проверка адекватности Модели реальному явлению и анализ качества решения; 6) корректура модели и решения; 7) реализация результатов найденного решения на практике. Рассмотрим подробнее первые два этапа. Постановка задачи является чрезвычайно важным этапом операционного исследования. Четкая формулировка цели операции и анализ влияющих факторов позволяют выделить наиболее существенное в изучаемой системе, определить допустимость и качество решения. В результате этого выявляется набор показателей, способных достаточно полно характеризовать операцию.

Качественный анализ, проведенный на первом этапе, позволяет перейти к следующему этапу — построению математической модели СЦТ. Исходным материалом для разработки математической модели СЦТ является описание — совокупность сведений об исследуемой системе, которые представляются в виде схем, формул, текстов и таблиц, характеризующих структуру и функционирование СЦТ.

Математическая модель СЦТ представляет собой систему уравнений математического описания, которые воспроизводят описание с большими или меньшими упрощениями при достижении разумного компромисса между точностью воспроизведения и сложностью модели. Всякая математическая модель является приближенным описанием объекта исследований. Поэтому найденное с помощью этой модели оптимальное решение является аппроксимацией оптимального решения реальной задачи.

При математическом моделировании производится аппроксимация функции-описания более простой и удобной для исследований функцией-моделью. Приближенная модель системы, позволяющая улучшить качество ее функционирования, гораздо лучше точного описания системы, не обеспечивающего решения этой задачи.

Известно, что при математическом моделировании больших систем полная адекватность модели и оригинала практически не достигается, т. е. идеализация реальных условий в той или иной мере неизбежна. В зависимости от конкретной постановки задачи в модель могут вводиться различные упрощения, которые искажают лишь второстепенные детали, позволяя быстрее и успешнее продвигаться к поставленной цели. Поэтому необходимо исключить те факторы, связи и зависимости, которые усложняют решение задачи, не оказывая на него существенного влияния.

Другой причиной введения упрощений являются ограниченные возможности методов оптимизации, которые применимы лишь к отдельным классам математических моделей, а также имеющиеся средства вычислительной техники. Кроме того, стремление учесть слишком многое при описании модели увеличивает возможность упустить из внимания что-либо существенное и тем самым ухудшить модель. Однако даже в случае получения минимума функции большого числа переменных внедрение результатов оптимизации в виде сложных рекомендаций относительно большого числа параметров практически нереально. Поэтому в начальной стадии оптимизации особенно важно построить простейшую модель, учитывающую только основные существенные параметры. Лишь после достижения положительного эффекта при оптимизации важнейших параметров имеет смысл вводить в модель наиболее существенные из ранее неучтенных. При этом весьма важно, чтобы результаты оптимизации подавались в достаточно наглядной и привычной форме с привлечением минимально возможного математического аппарата.

Юфа А. И., Носулько Д. Р./ Комплексная оптимизация теплоснабжения.— К.: Техника, 1988.