CC BY
18
УДК 519.6: 622.33 Массель Людмила Васильевна,
д-р. техн. наук, проф., главный научный сотрудник ИСЭМ СО РАН, тел.:(3952) 42-96-19, e-mail:massel@isem.sei.irk.ru Такайшвили Людмила Николаевна, канд. техн. наук, старший научный сотрудник ИСЭМ СО РАН, тел.: (3952) 42-35-34, e-mail: luci@isem.sei.irk.ru
Чинь Куанг Чунг, аспирант ИрГТУ, тел.: +79642156789, e-mail: 09531002@yahoo. com. tw
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ РАЗВИТИЯ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ
L. V. Massel, L.N. Takayshvili, Trinh Quang Trung
SIMULATION IN INVESTIGATION OF DEVELOPMENT OF RUSSIAN COAL INDUSTRY
Аннотация. В статье рассмотрен подход к имитационному моделированию в исследованиях направлений развития угольной промышленности. Авторами разработана имитационная модель «Балансы», являющаяся одним из компонентов информационно-программного комплекса (ИПК) «Уголь». Использование предлагаемой модели и разработанного ИПК «Уголь» позволяет рассматривать преимущества и недостатки направлений развития угольной промышленности России с учетом различных критериев.
Ключевые слова: угольная промышленность, программный комплекс, производство, потребление, баланс, имитационные модели.
Abstract. This article describes the simulation approach to investigation of trends of development of the coal industry. Authors have developed a simulation model «Balance», which is one of the components of the information-software package (ISP) «Coal». Usage of the proposed model and developed ISC "Coal" allows considering the advantages and disadvantages of trends of development of the Russian coal industry, subject to the different criteria.
Keywords: coal industry, software, production, consumption, balance, simulation.
Угольная промышленность - одна из ведущих отраслей топливо-энергетического комплекса (ТЭК). Уголь используется как технологическое сырье (в виде кокса) в черной металлургии, химической промышленности (коксовые газы), для производства минеральных удобрений и пластмасс, а также как энергетическое сырье для производства электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС).
Угольная промышленность в настоящее время включает в себя сотни угледобывающих
и углеперерабатывающих предприятий и снабжает коксующимися и энергетическими углями тысячи потребителей.
В России уголь добывается в 24 субъектах Федерации, а потребляется во всех 89. При рассмотрении потребления угля структурная сложность угольной промышленности проявляется в разобщенности и в выделении групп потребителей, т. е. для энергетических углей - это ТЭС, теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), промышленные и отопительные котельные, обжиговые печи, коммунально-бытовые тепловые установки, газогенераторные установки и прочее; для коксующихся углей - коксохимические заводы. Кроме того, объекты энергетики проектируются обычно в расчете на угли определенного месторождения (определенного качества), и, в силу больших различий в качественных показателях углей, добываемых на разных предприятиях, возможность взаимозаменяемости углей ограничена.
Таким образом, структурная сложность угольной промышленности определяется многочисленностью предприятий, входящих в нее, территориальной и производственной структурой, наличием большого количества внутренних связей, существованием множества направлений использования и различных технологий потребления, поэтому проблема взаимодействия потребителей и производителей, а именно удовлетворения потребностей пользователей в угле нужного качества в требуемых объемах, является очень актуальной в угольной промышленности. В Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН моделирование этих взаимосвязей выполняется с использованием имитационной модели «Балансы», первая версия которой являлась одним из компонентов МПК «Уголь» [1]. МПК
«Уголь» был реализован в электронных таблицах Excel, такая реализация имеет свои положительные и отрицательные стороны. Поскольку задачи слабо структурируемые и сложно формализуемые, реализация в электронных таблицах Excel позволяет легко перенастраивать и модифицировать модель для конкретных исследований. Таким образом, для каждого исследования создавалась своя модель на основе предыдущих версий [2].
С другой стороны, реализация в электронных таблицах Excel вызывает сложности эксплуатации, так как: в модели для расчетов используется большой объем различных технико-экономических показателей; ошибки, которые возникают при перенастройке формул, сложно контролировать; использование программ, созданных на специализированном для таблиц Excel языке VBA (интерпретатор), требует изменения текстов программ при переходе от использовавшейся версии MS Office к следующей его версии и т. д.
В данной статье рассматривается подход к имитационному моделированию в исследованиях развития угольной промышленности с использованием разработанного авторами, с учетом опыта построения современных программных комплексов для исследований энергетики [3], инфор-
мационно-программного комплекса (ИПК) «Уголь», включающего следующие компоненты: базу данных «Перспектива развития УП», компонент расчета показателей, программы формирования компьютерных моделей, программы обработки результатов расчетов и математические модели, в том числе усовершенствованную авторами имитационную модель «Балансы».
Использование модели «Балансы» в ИПК «Уголь» дает возможность на основе данных о потенциальных возможностях добычи углей и потребности в углях по субъектам федерации получить прогноз востребованных объемов добычи и поставок углей по субъектам федерации (СФ) и на экспорт и построить диаграммы, иллюстрирующие прогноз.
На рис. 1 представлена общая схема ИПК «Уголь», на рис. 2 - структура модели «Балансы».
В модели «Балансы» выделены три функциональных блока: «Производство», «Потребление» и «Балансы угля». Основным является блок «Балансы угля». Входные данные для этого блока определяются составом выходных данных блоков «Производство» и «Потребление» [4].
Рис. 1. Общая схема ИПК «Уголь»
иркутским государственный университет путей сообщения
Рис. 2. Структура модели «Балансы»
Блок «Производство»
Выходными данными в этом блоке являются объемы получаемой товарной продукции. Выходные данные структурируются по следующим признакам: объемы добычи угля на шахтах, на разрезах, на действующих предприятиях, на новых предприятиях; объемы добычи угля по районам; объемы добычи по видам углей: бурый, каменный (энергетический, коксующийся); объемы товарной продукции по продуктам (коксовый концентрат, энергетический концентрат, промпродукт, отходы); объемы добычи, поступающие потребителю в рядовом виде для бурого и каменного углей. Возможно структурирование и по другим призна-
кам, например группам предприятий, выделенным по территориальному или административному делению.
Входные данные структурируются соответствующим образом для получения выходных данных и кроме того, содержат: объемы добычи угля, предположительно поступающие на обогатительные фабрики (ОФ) (коксующиеся и энергетические отдельно), коэффициенты выхода товарной продукции и отходов на обогатительных фабриках.
Объемы добычи угля определяются по следующей формуле:
_ X ' I X ' I гл£ I гл!пер . рядкам . рядб \ . X ' / . пер . рядкам . рядб \ I /1 \
з/ / 11 /Л гпк гпэ гпэ гп э ) /Л гак га э га э гаэ / I' (1)
г=1 V п=1 а=1 )
где: а - индекс действующего предприятия
/ — индекс субъекта федерации ), где ( а =0), где А - число действующих предпри-
— число субъектов федерации; ятий'
з/
I — индекс периода времени (^ = 1..Г), где Т — чис- Р. — объем добычи углей sf-субъекта федерации
ло периодов;
^ ' __в ^м периоде;
г - индекс района (г = 1.Я), где R — число рай- р — объем добычи коксующихся углей на но-онов;
--вом предприятии в г-м районе в ?-м периоде;
п — индекс нового предприятия (п = 1..Н), где N
число новых предприятий;
Г'ПТ - объем углей, получаемых при переработке
энергетического угля на новом предприятии в г-м районе в ^м периоде;
тл" рядкам «
"г„э - объем каменных энергетических углей,
поступающих потребителям в рядовом виде с нового предприятия в г-м районе в ^м периоде;
ВЦРЯдб - объем бурых энергетических углей, поступающих потребителям в рядовом виде с нового предприятия в г-м районе в ^м периоде;
)'ак - объем добычи коксующихся углей на действующем предприятии в г-м районе в ^м периоде;
»"ПТ - объем углей, получаемых при переработке
энергетического угля на действующем предприятии в г-м районе в ^м периоде;
тл" рядкам «
^гаэ - объем каменных энергетических углей, поступающих потребителям в рядовом виде с дей-
Я N
Ъ =11 Т
Я А
'
гп кк
+ 1
'
гпэк
+ )' + Т +
+ Ггпэр + 1 гпПП + J
'
гакк
+Т
'
гаэк
г=1 а=1
Т' = а * Б'пер ,
п кк пкк пк
Т" = П * гу'пер
п эк / пэк пэ '
Т" — г, * ъ'пер п * тупер
Тп ПП апкПП »пк + ИпэПП »пэ •
ствующего предприятия в г-м районе в ^м периоде;
)"аэдб - объем бурых энергетических углей, поступающих потребителям в рядовом виде с действующего предприятия в г-м районе в ^м периоде
[4].
Кроме того, существует необходимость выделения предприятий по способу добычи (открытый, подземный). Формула (1) дает представление о возможной структуре добычи, для определенного предприятия большинство составляющих будет равно нулю.
Товарная продукция включает продукты обогащения углей: коксовый концентрат (получаемый из коксующихся углей), энергетический концентрат (получаемый из энергетических углей), промпродукт (из коксующихся и энергетических) и угли, поступающие в рядовом виде потребителям (бурые и каменные) (рис. 2).
Объемы товарной продукции определяются по следующей формуле:
(2)
+ Г)" + Т' + Г)"
+ Ггаэр + 1 гаПП + Г габ
) ,
(3)
(4)
(5)
г =1 п=1
где апкк , Рпэк , апкПП - коэффициенты выхода коксового концентрата, энергетического концентрата и промпродукта на ОФ при переработке угля нового (п) или действующего (а) предприятия,
а символами Г кк, тпэк и тгппп обозначены соответствующие объемы выхода товарной продукции.
Я
ЯР = 1 Т
Объемы товарной продукции подразделяются на ресурсы энергетического угля и ресурсы коксующегося угля. Для получения баланса между потребностью и добычей необходимо ресурсы энергетического угля в тоннах натурального топлива (6) перевести в тонны условного топлива (7).
+ ) + Тt + )
+ Ггэр + 1 гПП + Ггб
) ,
К
яэ1 =у(о* * г + а
ущ ^^Х^Г эк гэк
* *) + а1 *Т'
»г эр ^ ^гПП ± гПП
+аи * )гб,
(6)
(7)
г =1
г =1
Ресурсы энергетического угля в натуральном исчислении (6) состоят из объемов продуктов переработки на ОФ (энергетический концентрат и промпродукт) и объемов добычи угля (бурого и каменного), поступающего потребителю в рядовом виде. Ресурсы энергетического угля в условном исчислении (7) получаем умножением каждой составляющей уравнения (6) на калорийный эквивалент (теплотворную способность угля), для каждого угля и товарного продукта - свой.
Блок «Потребление».
Потребление угля включает внутреннее потребление угля для рассматриваемого региона, потребление другими регионами РФ и странами -импортерами угля. Потребители в регионах РФ объединяются по группам: потребители энергетического (объекты энергетики и другие) и коксующегося угля (металлургические заводы). Потребители энергетического угля группируются по направлению использования угля: электростанции, котельные, коммунально-бытовые и прочие потребители [5].
иркутский государственный университет путей сообщения
Имеются различные методы для прогноза энергопотребления: полных затрат энергии, прямого счета и структурных изменений. Для расчета потребности в энергетическом угле на котельных и электростанциях предполагается, в основном, использовать метод прямого счета. Для расчета потребности в угле другими группами потребителей будет использоваться набор других методов, а также оценки экспертов.
Кроме того, существует обязательная потребность в определенных углях в регионах, обусловленная технологическими нуждами. Электростанции и котельные на угле проектируются в расчете на уголь определенного качества (проектное топливо).
«Балансы угля».
Получение балансов угля связано с поиском востребованных объемов добычи и поставок углей с учетом определенного критерия развития. В балансовом уравнении (8) представлено соотношение ресурсов к распределению (суммы объемов товарной продукции, получаемой в регионе и объемов ввоза угля в регион) и суммы прогнозируемых объемов потребления и объемов вывоза в другие регионы и на экспорт.
Обобщенное балансовое уравнение имеет следующий вид:
Т/ + В/ = р/ + V/
(8)
где:
Р^ — внутреннее потребление ./^субъекта федерации в ¿-м периоде;
В'^ — ввоз в /-й субъект федерации в ¿-м периоде; V— вывоз из /-го субъекта федерации в ¿-м периоде.
Подобные уравнению (8) уравнения составляются и решаются для коксующихся и для энергетических углей отдельно. Для энергетических углей вместо товарной продукции берутся ресурсы энергетического угля в условном исчислении (7) и потребность в энергетических углях в условном исчислении. Для получения востребованных объемов добычи и поставок углей в натуральном исчислении выполняется расчет, обратный представленному в уравнении (7), или деление составляющих на калорийные эквиваленты. Балансы энергетических и коксующихся углей в натуральном исчислении сводятся в общий баланс угля.
Уравнение (8) представлено для субъекта федерации, точно такие же уравнения будут для всех уровней административной структуры стра-
ны: районы в субъекте федерации, СФ, федеральный округ (ФО), страна в целом.
Процесс нахождения балансов угля итерационный. На первом этапе в блоке «Балансы» определяется разность между левой и правой частями уравнения (8) и, в зависимости от полученных результатов, возможно одно или несколько действий из следующих.
1. Потребность больше, чем ресурсы угля:
a) рассматриваем возможности увеличения мощностей добывающих действующих предприятий или ввода новых мощностей;
b) рассматриваем возможности сокращения поставок на экспорт и в другие регионы;
c) рассматриваем возможности удовлетворения потребности за счет ввоза из других регионов;
ё) рекомендуем экспертам сократить потребность в угле на объектах (например, сдвинуть сроки ввода мощностей на объектах энергетики).
2. Ресурсы энергетического угля больше, чем потребность в энергетическом угле:
a) сократить объемы переработки угля;
b) сократить объемы добычи угля;
c) сдвинуть на более поздний период ввод новых мощностей по добыче угля.
Кроме представленного анализа, необходим также анализ соответствия потребности в определенных углях возможностям добычи (получения товарного продукта) этого угля, т. к. на объектах энергетики взаимозаменяемости углей практически не существует.
На следующем этапе возвращаемся в блоки «Производство» или «Потребность» для корректировки условий развития и далее итерационно получаем решение.
Поскольку процесс исследования слабофор-мализуемый, то возможны и другие действия эксперта, в зависимости от конкретного объекта исследования. В качестве объекта исследования может быть выбран любой уровень административного деления страны.
Существует неопределенность в исходной информации, как по возможностям добычи угля, так и по прогнозу потребления угля. Способ преодоления неопределенности — вариантный подход, т. е. решение находится для нескольких возможных сценариев развития экономики региона (страны).
Реализация модели «Балансы»
В соответствии с вышеперечисленными характеристиками модель «Балансы» была реализована в составе ИПК «Уголь» с использованием языка программирования высокого уровня Java и СУБД Firebird 2.0. Интерфейс этой модели представлен на рис. 3.
Выводы
В статье рассмотрен подход к имитационному моделированию в исследованиях направлений развития угольной промышленности, выполняемому с помощью разработанного авторами ИПК «Уголь». Одним из важных компонентов ИПК является модель «Балансы», структура которой представлена в статье.
Использование предлагаемой модели и разработанного ИПК «Уголь» позволяет рассматривать преимущества и недостатки направлений развития угольной промышленности России с учетом различных критериев.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (гранты №10-07-00264, №11-07-00192) и гранта Программы Президиума РАН № 2.29.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Такайшвили Л. Н. Разработка имитационной модели прогнозирования развития угледобычи
«Балансы» / Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании : тр. Х Байкал. всерос. конф. - Иркутск : ИСЭМ СО РАН, 2005. - С. 313-320.
2. Такайшвили Л. Н. Особенности вычислительного эксперимента исследования развития угольной промышленности в рамках ТЭК // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2008. - Спец. вып. -С. 64-69.
3. Массель Л. В., Воропай Н. И. Интеграция информационных технологий в системных исследованиях энергетики. - Новосибирск : Наука, 2003. - 320 c.
4. Trinh Quang Trung, Takayshvili L.N. Simulation Model for Research of Coal Industry development // Proceedings of International Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT'2009), Crete, Greece, October 5-8. - 2009. - Vol. 1. - P. 85-90.
5. Такайшвили Л. Н. Классификация терминов для формализованного описания предметной области « угольная промышленность в ТЭК» // Информационные и математические технологии в науке и управлении : тр. XIV Байкальской Всерос. конф. - Иркутск : ИСЭМ СО РАН, 2009.- С. 313-320.
PI Информационная система УП
Файл Настройка Расчет Системы модели Справка
Исходные данные
• Федеральные округа
• Субъекты федерации
• Уголь - Цена
• Калорийный эквивалент
• Предприятия
• Обогатительные фабрик
• Расстояние
• Инвестиционные проект
• Обязательные поставки
• Прогноз потребности
• Прогноз ресурсов ЁВ Рас с четы
ав □ Ресурсы энергетическ аа ¿3 Ресурсы коксующегос
• Расчет цены за Т
• Расчет цены за ТУТ Ь Результаты прогноза
ы ^¡1 Федеральный округ
• Прогноз поставки угл
• Прогноз добычи угля 1 Субъект федерации
, 1..,шш.'.цшшх
• Прогноз добычи угля Предприятии
П Баланс Угля
Вариант развития
Максимальный вариант
Поставки по углям [ Поставки по ФО Добыча энергетического угля Баланс Тонны
Г- II в 1х
л«д«ра«л|й округ уголь 2010 rois 2020 2025
Северо-западный ФО Воркутинский 5800.0 5597 11 5118 92 5454.7
¡ВСЕГО Воркутннскнй 5800.0 5597 11 5118.92 5454 7
Северо-западный ФО Интинский 2203.18 2073.7 2688.44 3095.48
ВСЕГО Пнтинский 2203 13 2073.7 2688 44 3095 48
Центральный ФО Подмосковный 421.88 423.2 424 53 914.83
ВСЕГО Подмосковный 421 ES 423.2 424.53 914 83
Центральный ФО Донецкий 7677 13 7782.58 9686.18 11315.62
Поволжский ФО Донецкий 0 0 0.0 0 0 6315 9
Южный ФО Донецкий 5697 S3 6113 39 6379.52 6585 48
Северо-Кавказский Донецкий 242.29 324 15 381 46 434 44
1ВСЕГО Донецкий 13617 25 14220.12 16447.16 24651.45
Уральский ФО Кнзеловский 670.0 700.0 700 0 700 0
1ВСЕГО Кнзеловскнй 670 0 700 0 700 0 700 0
Уральский ФО Свердловский 550 0 550 0 550 0 550 0
ВСЕГО Свердловский 550 0 550 0 550 0 550 0
Поволжский ФО Башкирский 6361 43 7933 IS 390S 0 9400 0
¡ВСЕГО Башкирский 6361 43 7933 IS 3908 0 9400 0
Северо-западный ФО Кузнецкий 34 5 9 5 323.76 359 01 639 69
Центральный ФО Кузнецкий 160.57 167.1 176.24 377.28
Поволжский ФО Кузнецкий 1065 27 900 78 2250 65 1031.33
Уральский ФО Кузнецкий 2250 22 4473 33 10577 52 6230 07
Сибирский ФО Кузнецкий 59951 49 73243 24 71636 58 76721.63
|ВСЕГО Кузнецкий 63773.51 79113.71 85000 0 85000 0
Центральный ФО Канско-Ачннский 2721.02 2721.02 2721.02 2905 7
Уральский ФО Канско-Ачинский 98.23 98 23 98.23 98.23
Экспорт в Excel файл
Рис. 3. Интерфейс модели «Балансы» для исследований развития угольной промышленности России
