ОСОБЕННОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Характеристика основных задач. Отличительными особенностями задач оптимизации систем теплоснабжения являются:
1) сложность и многообразие внешних и внутренних взаимосвязей, как это следует из построений рис. 1-1;
2) необходимость учета фактора времени, что определяется свойствами систем теплоснабжения;
3) неоднозначность большей части исходной информации, используемой при оптимизации систем теплоснабжения (подробнее об этом см. гл. 5), возрастающая по мере увеличения длительности расчетного периода;
4) соответствие допустимой точности решения задач, а следовательно, и точности разрабатываемых методов с точностью учитываемых показателей. Как будет показано в гл. 5, точность исходных данных снижается по мере увеличения длительности рассматриваемого периода, т. е. расширяется диапазон их возможных изменений.
Критерий оптимизации. В соответствии с общепринятой в СССР методикой технико-экономических расчетов в энергетике [46] при оптимизации систем теплофикации и централизованного теплоснабжения в/ качестве критерия принимаются приведенные затрат 3, руб., которые определяются по следующим выражениям:
1) при статической постановке задачи, когда сооружение и освоение производительности входящих в систему теплоснабжения энергетических объектов осуществляются в течение одного года и в последующем их показатели остаются неизменными, т. е. когда не учитывается постепенность роста тепловых и электрических нагрузок города или промышленного центра по годам расчетного периода:
2) при динамической постановке задачи, когда рассматривается развитие системы теплоснабжения в течение заданного периода и учитываются изменения по годам этого периода уровней тепло- и электропотребления города или промышленного центра и разновременность капиталовложений в сооружаемые объекты этой системы:
При наличии ряда вариантов развития системы теплофикации и централизованного теплоснабжения выбор оптимального из них производится по минимуму приведенных затрат
В ряде случаев при сравнении разных вариантов развития системы теплоснабжения по значению приведенных затрат может оказаться, что в этих вариантах некоторые из рассматриваемых объектов остаются неизменными как по своей производительности, так и срокам сооружения. Поэтому относящиеся к ним затраты можно считать постоянными (За) и при сравнении вариантов не учитывать в суммарных затратах, необходимых на развитие системы теплоснабжения. Тогда формула (1-3) примет следующий вид:
Такой методический прием обычно используется в энергетических расчетах. Он позволяет более обоснованно выбрать оптимальное решение, особенно в тех случаях, когда рассматриваемые варианты содержат существенную долю постоянных затрат и в то же время близки по величине суммарных затрат.
Применительно к системе централизованного теплоснабжения выражение для определения приведенных затрат в i-и вариант ее развития имеет следующий вид:
Приведение вариантов к равному энергетическому эффекту. Из выражения (1-5) видно, что критерий оптимизации включает не только приведенные затраты в объекты системы теплоснабжения, но и затраты в замещаемую электроэнергию. Необходимость ее учета вызывается требованием приведения всех сравниваемых вариантов к равному энергетическому эффекту, т. е. должна быть обеспечена их полная взаимозаменяемость — одинаковое удовлетворение потребителей одним и тем же количеством энергии (при одинаковом ее качестве). Кроме того, рассмотрение каждого из сравниваемых вариантов необходимо производить в оптимальных для него условиях, т. е. при достижении наилучших техникоэкономических показателей, определяемых в сопоставимых ценах, с учетом развития новейшей техники. Более подробно вопросы приведения разных вариантов к равному энергетическому эффекту рассматриваются в гл. 2 (на примере выбора оптимального состава и сроков ввода основного оборудования ТЭЦ).
При рассмотрении систем централизованного теплоснабжения и теплофикации в сравниваемых вариантах учитывается одинаковый отпуск двух видов энергии — тепловой и электрической. Обычно в качестве источников тепла намечаются ТЭЦ или котельные разной производительности (отопительные и промышленно-отопительные), а в качестве источников производства необходимого количества электроэнергии — ТЭЦ или электростанции электроэнергетической системы, т. е. так называемая замещаемая электроэнергия (№гаам).
В число сравниваемых могут входить не только варианты комбинированной схемы, различающиеся мощностью и сроками ввода основного оборудования ТЭЦ, но и варианты так называемой раздельной схемы централизованного энергоснабжения, при которой удовлетворение потребности города или промышленного узла в тепле производится от районных отопительных и промышленно-отопительных котельных, а в электроэнергии— от объединенной электроэнергетической системы. Таким образом, в выражениях (1-6), (1-7) значения Лзам и W1 зам могут изменяться от нуля до максимума, равного соответственно
Замыкающие затраты на электроэнергию зэ, учитываемые в выражении (1-5), характеризуют собой дополнительные приведенные затраты на энергетическое хозяйство страны в целом, связанные с увеличением размеров потребления электроэнергии. Их значение определяется при оптимизации структуры топливно-энергетического комплекса СССР и дифференцируется для отдельных ОЭЭС, а также по режиму электропотребления и этапам расчетного периода.
Сущность и способы нахождения замыкающих затрат на электроэнергию подробно рассматриваются в [38, 56]. В [56] приведены значения этого показателя для одиннадцати объединенных электроэнергетических систем страны на уровне 1981—1985 гг. при числе часов использования установленной мощности замыкающей электростанции, равном 1000 ч (з(п)) и 7000 ч з(б) , что соответствует пиковой Лгп и базисной hб зонам графика электрической нагрузки ОЭЭС. Там же дана методика определения зэ для промежуточных зов графика нагрузки на основе линейной комбинации показателей пиковой и базисной зон и доли пиковой и базисной электроэнергии.
В качестве примера на рис. 1-2 показано изменение замыкающих затрат на электроэнергию в зависимости от числа часов использования замещаемой электрической мощности для Центра европейской части СССР и Восточной Сибири. Из этих построений видно, что значение существенно различается для рассматриваемых районов; резко возрастает при снижении показателя и выражается не одним значением, а некоторым диапазоном значений. Наличие диапазона в характере изменения зависимости определяется учетом неоднозначности исходной информации при оптимизации структуры топливно- энергетического комплекса [38].
Наряду с замыкающими затратами на электроэнергию важнейшим показателем, учитываемым при проведении технико-экономических расчетов в энергетике и, в частности, при оптимизации систем централизованного теплоснабжения и теплофикации, являются замыкающие затраты на топливо (зт). Величина зт характеризует приведенные затраты по всему народному хозяйству на обеспечение дополнительной потребности в различных видах топлива по территории страны в определенные периоды времени. Она определяется при оптимизации топливно-энергетического комплекса страны и представляет собою частичную модификацию экономической категории, получившей название объективно обусловленных оценок или цен оптимального плана. В настоящей книге не представляется возможным подробное раскрытие существа и принципов формирования замыкающих затрат на топливо, этому вопросу посвящены специальные работы [38]. Следует только отметить, что показатель Зт для данного вида топлива содержит три важнейших слагаемых: 1) изменение затрат на топливо — использование и распределительный транспорт топлива;
2)итоговое изменение затрат на магистральный транспорт топлива; 3) приведенные затраты на добычу эквивалентного количества замыкающего топлива страны. Значения замыкающих затрат на топливо для различных районов страны на уровне 1981—1985 гг. приведены в [56]. Так же, как и замыкающие затраты на электроэнергию, они даны для каждого района не одним значением, а некоторым диапазоном возможных значений, что опять-таки связано с неоднозначностью учитываемой исходной информации.
Особенности выбора оптимального решения. Один из главных принципов технико-экономических расчетов в энергетике, который базируется на допущении отклонений фактических значений исходных данных от их нормативных значений, — это возможность наличия не одного решения, а области оптимальных решений, каждое из которых оказывается наилучшим при определенном сочетании исходных данных [45]. Более подробно это положение изложено в гл. 5. Из него вытекает ряд важных исходных условий, которые следует учитывать при выполнении технико-экономических расчетов:
1) исходная информация должна анализироваться и задаваться диапазоном значений, внутри которого могут или не могут быть установлены статистические закономерности изменения того или иного показателя;
2) точность разрабатываемых математических моделей должна быть соизмерима с точностью учитываемых исходных данных.
В результате выполнения расчетов будет получена зона оптимальных решений, в пределах которой важно выявить, насколько полученные решения совпадают друг с другом, т. е. учитывать степень влияния меняющихся исходных данных на устойчивость оптимального решения. Наличие зоны решений, близких по экономичности, не дает права выбора одного формально оптимального решения, а требует дополнительного специального анализа и учета других факторов—-таких, как надежность и работоспособность системы при эксплуатации, допустимые условия строительства ее отдельных объектов, а также экологические факторы, связанные с защитой окружающей среды.
Зона оптимальных решений по развитию системы централизованного теплоснабжения и теплофикации, вызванная неоднозначностью исходной информации, может быть расширена, если учесть другое важное свойство этих систем — пологость функционала, т. е. несущественное изменение затрат вблизи оптимума.
Принципы построения математических моделей. Из приведенной выше краткой характеристики задач, рассматриваемых на стадии разработки схем теплоснабжения городов и промышленных центров, следует, что эти задачи — сложные по своей структуре, целочисленные, динамические, нелинейные и много вариантные, требующие значительного объема вычислений. Естественно, что их обоснованное решение с помощью применяемых в практике проектных организаций методов и вычислительных средств не представляется возможным. Для этих целей могут быть эффективно использованы методы математического моделирования, основанные на применении современных ЭВМ [40—42, 50, 54].
Поскольку система теплоснабжения представляет собой совокупность разных по своему характеру объектов, появляется целесообразность разработки «индивидуальных» математических моделей для каждого из них и специальной модели, которая учитывала бы в совокупности развитие этих объектов. В результате необходимо разрабатывать иерархию моделей. С учетом отмеченных ранее особенностей, характерных для объектов системы теплоснабжения, такие модели должны быть, как правило, нелинейными и динамическими. В то же время отсутствие в настоящее время эффективных методов решения системных задач большой размерности с наличием дискретности и целочисленности переменных, нелинейной зависимости критериальной функции от этих переменных, приводит в ряде случаев к необходимости вынужденного упрощения задачи и применения линейных моделей, в которых с помощью особых приемов удается частично учесть отмеченные выше особенности. Такие линейные модели на стадии разработки схем теплоснабжения могут выступать в качестве «корректировщика» тех решений, которые получаются на нелинейных моделях применительно к отдельным объектам, рассматриваемым в этой схеме.
В то же время на стадии выполнения технического проекта должны применяться только нелинейные математические модели, поскольку на этой стадии в большей мере появляется необходимость адекватного отображения в модели основных особенностей и технических ограничений, присущих объектам системы теплоснабжения.
Одно из главных преимуществ, которые свойственны математическим моделям, заключается в возможности многократного их использования при изменении исходных условий и в результате выполненных расчетов определении наиболее существенных из заданных условий и обосновании окончательного решения.
