CC BY
6Научная статья
УДК 338.001.36:621.438
doi: 10.47576/2949-1908_2023_2_140
МЕТОДИКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ГИБРИДНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
Аблаев Ремзи Рустемович
Севастопольский государственный университет, Севастополь, Россия, Ablaev.expert@mail.ru
Дологлонян Андрей Вартазарович
Институт природно-технических систем, Севастополь, Россия, dologlonyan@mail.ru
Аннотация. В статье рассмотрен актуальный вопрос разработки методики технико-экономической оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок на стадии структурно-параметрического синтеза. Это позволит на начальных стадиях проектирования выбрать наиболее оптимальный и конкурентоспособный вариант этих установок. Для чего был проведен критический анализ имеющихся методов технико-экономической оптимизации гибридных энергетических установок. Предложены и обоснованы критерии оптимальности разрабатываемых солнечных гибридных газотурбинных установок, которые можно использовать в качестве эвристик, применяя феноменологический эвристико-эволюционный подход (метод) оптимизации проф. Г Е. Каневца на стадии структурно-параметрического синтеза. Предложен алгоритм технико-экономической оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок.
Ключевые слова: технико-экономическая оптимизация; методика; алгоритм; энергетические установки; солнечные гибридные газотурбинные установки.
Для цитирования: Аблаев Р. Р., Дологлонян А. В. Методика технико-экономической оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок // Прикладные экономические исследования. 2023. № 2. С. 140-147. https://doi. org/10.47576/2949-1908_2023_2_140.
Original article
METHODOLOGY OF TECHNICAL AND ECONOMIC OPTIMIZATION OF SOLAR HYBRID GAS TURBINE PLANTS
Ablaev Remzi R.
Sevastopol State University, Sevastopol, Russia, Ablaev.expert@mail.ru Dologlonyan Andrey V.
Institute of Natural and Technical Systems, Sevastopol, Russia, dologlonyan@ mail.ru
Abstract. The article deals with the topical issue of developing a technique for technical and economic optimization of solar hybrid gas turbine installations at the stage of structural-parametric synthesis. This will allow choosing the most optimal and competitive option of these installations at the initial stages of design. For this purpose, a critical analysis of the available methods of technical and economic optimization of hybrid power plants was carried out. Based on the analysis carried out, optimality criteria for the developed solar hybrid gas turbine plants were proposed and justified. These criteria can be used as heuristics by applying the phenomenological heuristic-evolutionary approach (method) of optimization by Prof. G. E. Kanevets at the stage of structural-parametric synthesis. The algorithm of technical and economic optimization of solar hybrid gas turbine installations is proposed.
Keywords: technical and economic optimization; methodology; algorithm; power plants; solar hybrid gas turbine plants.
For citation: Ablaev R. R., Dologlonyan A. V. Methodology of technical and economic optimization of solar hybrid gas turbine plants. Applied economic research, 2023, no. 2, pp. 140-147. https://doi.org/10.47576/2949-1908_2023_2_140.
В настоящее время все больше приобретает актуальность и необходимость использования возобновляемых источников энергии в разрабатываемых энергетических установках. Наибольшего распространения в отечественной промышленности, особенно в южный регионах страны, приобретают энергетические установки с использованием солнечной энергии [10; 11]. Однако недостатками этих систем является неравномерность потока солнечного излучения на протяжении суток. Также имеется большая зависимость этих установок от погодных условий и времени года. В связи с чем наибольшее применение нашли солнечные гибридные газотурбинные установки, которые позволяют использовать как энергию солнечного излучения, так, и в случае ее нехватки, вырабаты -ваемую энергию встроенных газотурбинных установок. Выбор наиболее оптимальной структуры подобных установок невозможен с использованием исключительно технических критерий, что актуализирует использование комбинированных технико-экономических показателей для оптимизации этих систем. Несмотря на большое количество научных трудов, направленных на изучение и разработку методики технико-экономической оптимизации энергетических установок [1-17], они требуют своей модернизации, адаптации и обоснования для использования при проектировании солнечных гибридных газотурбинных установок, что актуализирует тему настоящего научного исследования.
В работе [4] авторы предлагают методику технико-экономического обоснования применения пластинчатых рекуператоров для совершенствования любой газотурбинной установки, которая состоит из пяти этапов. Суть предложенного авторами метода сводится к типовому расчета сроку окупаемости рекуператора, а не всей газотурбинной установки, что значительно уменьшает размерность вариации возможных вариантов структур и режимов работу технической системы. В связи с этим применение этого метода для анализа и оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок на стадии проектировании не возможен.
В работах [5; 6], предложено использовать элементы нечеткой логики и искусственных нейронных сетей как математический аппарат технико-экономической оптимизации энергетических систем. Преимуществом предложенного метода является возможность большого количества итераций расчета показателей эффективности разрабатываемых систем за короткий промежуток времени. Однако использование предложенной модели требует значительного количества исходных данных о параметрах элементов системы (режимы работы, эксплуатационная стоимость, размеры и т. д.), что получить практически невозможно на стадии проектирования солнечных гибридных газотурбинных установок. Этот факт не дает возможности использования нейросетей и элементов нечетких множеств в виде аппа-
рата для оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок.
В работах [7-10] авторами предлагается использовать частные случаи эвристик/ критерии оптимальности для оптимизации структуры энергетических установок за счет оптимизации выбора наиболее влияющего элемента системы на ее функционирование. Однако этот вариант оптимизации систем не позволяет учесть синергетический эффект от взаимодействия элементов сложной технической системы и не учитывает влияние других элементов на оптимальность функционирование всей системы, что по факту исключает возможность выбора наиболее эффективной ее структуры.
В работах [12-16] авторами предложено использовать феноменологический эвристико-эволюционных подход к оптимизации сложных технических систем. Преимуществом такого подхода является низкая трудоемкость решения сложной задачи многокритериальной оптимизации энергетической установки на стадии ее структурно-параметрического синтеза. Однако этот общий подход, без дора -ботки и обоснования критериев оптимальности, а также разработки адекватных эвристик, учитывающих специфичность солнечных гибридных газотурбинных установок, не позволит определить оптимальный вар иант структуры разрабатываемых установок.
В связи с чем целью настоящей статьи является разработка методики технико-экономической оптимизации солнечных гиб р ид-ных газотурбинных установок на основе модернизации феноменологиченкого эври-стико-эволюционного подхода.
Методической и методологической основой работы послужили результаты фундаментальных и прикладных исследований в области технико-экономической оптимизации сложных технических систем, системный подход, метод абстракции, анализа и синтеза, а также феноменологический эвристико-эволюционный подход.
Задачу исследования и создания оптимальных структур солнечных гибридных газотурбинных установок следует рассматривать как задачу общей теории синтеза технических систем. В то же время она имеет и ряд специфических особенностей, связанных с требованиями, предъявляемыми к этим установкам, числа элементов, входя-
щих в единую систему, физических и химических процессов, протекающих в системе, что требует структуризации задачи, выбора методов ее решения, установления взаимосвязей между подсистемами, определения критериев эффективности.
В связи с этим задача исследования и создания оптимальных структур солнечных гибридных газотурбинных установок может рассматриваться как задача общей теории синтеза технических систем. В то же время она имеет и ряд специфических особенностей, связанных с требованиями, предъявляемыми к этим системам, числом элементов исследуемых установок, физическими и химическими процессами, протекающими в системе, что требует структуризации задачи, выбора методов ее решения, установления взаимосвязей между подсистемами, определения критериев эффективности.
Следовательно, задача исследования и создания оптимальной системы в общем виде состоит в определении:
(е,с,4,-- )таг( ехГ-о(ее,с,ч, ();
сов: е - оножериво возоожныг принципов пгрироегия ририеоы;
с т{си1 т - оножериво подриртео;
( = {-1, ■■■, (р К - оножериво показателей опииоальнории ририеоы;
Ч - оножвриво рвязей оежду подририеоаои с и функцией р .
Поиск оптимального варианта солнечных гибзедных гaзoтgpбинвоlxycтаиовон, соет-ветствующих условиям их эффективной эксплуатации на заданный срок службы, может быть начат со структурной технико-экономической оптимизации.
Первым этапом решения задачи оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок является обоснование критериев оптимальности разрабатываемых систем, которые должны учитывать особенности функционирования этих систем и отражать как техническую составляющую, так и экономическую обоснованность выбора той или иной структуры системы. После чего определяется этапы проведения технико-экономического обоснования. Это определило дальнейшее структурирование настоящей работы.
1. Обоснование технико-экономических критериев оптимальности солнечных гибридных газотурбинных установок.
Для оценки эффективности солнечных гибридных газотурбинных установок могут быть использованы различные натуральные, технологические и экономические показатели (критерии) оптимальности [17].
Преимуществом обладают экономические показатели как наиболее обобщенные, отражающие такие важные характеристики системы как техническое совершенство, экономичность, конкурентоспособность на рынке. Такие показатели могут содержать в себе как субъективную оценку эффективности сложной технической системы (например, качественные показатели конкурентоспособности системы), так и объективную оценку. От обоснованности выбора этих критерий зависит адекватность процесса выбора оптимальной структуры солнечных гибридных газотурбинных установок.
Критерии, которые отражают субъективную оценку эффективности технической системы, как правило применяют на начальной стадии разработки, когда зарождается идея создания установок. Адекватность оценки эффективности разрабатываемого проекта в этом случае значительно зависит от качества подобранных экспертов, которые производят оценку [3].
Среди количественных критериев особо выделяются комплексные экономические показатели, которые отражают как техническую специфику функционирования солнечных гибридных газотурбинных установок, так и экономическую.
Среди таких показателей выделяется годовой экономический эффект, де"-ед-
Эг — 3i — 3-
(1.1)
Здесь ¿е [1,^] _ порядковый номер элемента в схеме, j - индекс режима, к - индекс топологии схемы.
Эту формулу можно применять при фиксированном количестве ] и качестве, соответственно, цене 1 т. исходного сырья Ц15(5£ [1, п8]п8 -количество видов выходной ровини), а также в количестве Ср ] и качестве, соответственно, отпускной цене 1 т. целевых продуктов Ц1р(Р е [1, пр] пр - число видов целевых продуктов). В случае, когда сравниваемые варианты ТС отличаются величинами Gs, Ц^, ш, Gp, Цр, % для оценки эффективности вариантов рекомендуется применять более общий показатель - удельные приведенные затраты, приходящиеся на 1 ден.ед./год приведённого дохода:
(1.4)
или
^кб —
1
Гср - - 1
Оптимизация системы сводится к минимизации Ккб, что достигается увеличением пр и уменьшением п Отметим, что при
где 31, 32 - годовые приведенные затраты сравниваемых вариантов объекта.
В свою очередь, для любого сравниваемого варианта
3 = С + Efctf (1 2)
Применительно к солнечных гибридных газотурбинных установок, состоящей из nk элементов, vnfc (г , Р v \
3 = j = const
k = const (1 3)
У — СД„ — Ci (const) , Es—1 Gsqis — C2 (const) уравнение (1.5)
вырождается в
11
— С1+С2 — , то есть Ккб min соответствует З,™ (1.3).
2. Разработка методики технико-экономической оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок.
Целью технико-экономической оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок является определение оптимальной структуры этих установок путем ранжирования элементов гибридных установок по степени их вклада в аддитивную целевую функцию и выработка для наиболее «весомых» элементов соответствующих эвристических правил (эвристик), приводящих к улучшению (в нашем случае к уменьшению) целевой функции за счет изменения топологии технологической схемы, режима ее работы и, как следствие, характеристик элементов системы.
Ниже предлагается схема технико-экономической оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок.
1. Определяется вклад каждого элемента солнечных гибридных газотурбинных уста-
новок в целевую функцию (далее изложение приводится наприморн привнденныхрятраоо:
шт 3
ijk
J = const к = const
(2.2)
2. Все элементы ранжируются по мере уменьшения Лгцк в виде описка 1,2,..., пк.
3. Из начала описка ранжированных элементов выделяется список моментов 1,2,...,^..., пе, где пе<пк -число элементов, соответствующее условию:
Рисунок 1 - Алгоритм технико-экономической оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок
Лз =
Eft! min 3
fik
Ijtj min 3ijk
j = const k = const
— V3
I 3n
Z"=1 min 3fjk Л3 = j = const - Л3п k = const
(2.3)
(2.4)
сое Щт е [0,1] - нребaемый для иволысии ТС вер славных илеменнтв. В первою приближения мтднт принбиь ц3 = 0,6 ... 0,8.
4. Для каждого ^ого элемента из списка пе ранжированных элементов в составе 3Г]к выделяется доля целевой функции, зависящая от капитальных вложений в элемент
„к _ f(Kfik) ^т =
^jk
(2.5)
и доля целевой функции, зависящая от стоимости энергии , расходуемой на
функционирование элеме нта,
(Я.6)
Vbjk =
3f]k
5. Для какого f- того элемента проверяется условие: Лз№ > л3№ . Если это условие выполняется, то вырабатываются эвристики, приводящие к уменьшению К]к. В противном случае вырабатываются эвристики, приводящие к уменьшению .
6. Проводится упорядочение одинаковых эвристик.
7. После выработки эвристик для всех пе ранжированных элементов проводится анализ этих эвристик и из их полного списка исключаются разнонаправленные эвристики.
С помощью оставшихся эвристик произво-
дится эволюционное изменение режима работы схемы и ее топологии.
Обобщенная структура технико-экономического анализа технической системы приведена на рис. 1.
Отметим, что структура анализа не изменится при замене Зук и З^к на любую другую аддитивную целевую функцию.
Таким образом, принципы анализа являются общими.
Разработанная методика позволит с наименьшей трудоемкостью произвести выбор наиболее оптимальных структур солнечных гибридных газотурбинных установок по технико-экономическим показателям на стадии проектирования этих систем.
Таким образом, предложенная методика технико-экономической оптимизации солнечных гибридных газотурбинных установок, на основе феноменологического эвристико-эволюционного подхода, позволит на стадии проектирования этих установок, выбрать наиболее оптимальные структуры газотурбинных установок, уменьшив количество итераций расчетов за счет использования разработанных эвристик на стадии проектирования.
Перспективой дальнейших исследований является апробация разработанной методики технико-экономической оптимизации для гибких мультигенерационных установок с использованием возобновляемых источников и местных ресурсов холода. Результаты апробации предложенной методики позволят разработать и обосновать математическую модель технико-экономической оценки эффективности внедрения разработанных установок.
Список литературы
1. Дологлонян А. В., Матвеенко В. Т., Клименко А. Г. Исследование эффективности гибридных солнечных комбинированных микрогазотурбинных установок в условиях тропического климата // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2022. № 4(354). С. 73-82.
2. Дологлонян А. В., Матвеенко В. Т., Клименко А. Г. Эффективность комбинированных газотурбинных установок на частичных нагрузках // Морские интеллектуальные технологии. 2022. № 3-1(57). С. 109-117.
3. Механизм отбора научно-исследовательских проектов университета по уровню их коммерческого потенциала / Р. Р. Аблаев, А. А. Митус, И. А. Гребешкова [и др.] // Московский экономический журнал. 2021. № 11.
4. Ильичев В. Ю., Лужецкий А. А. Методика технико-экономического обоснования применения пластинчатых рекуператоров в малоразмерных ГТУ // Научное обозрение. Технические науки. 2021. № 1. С. 40-45.
5. Руцков А. Л., Федоров Я. П., Волков Л. В. Технико-экономическая оптимизация объектов топливно-энергетического комплекса с применением элементов нечеткой логики и искусственных нейронных сетей // Энергетические системы. 2020. № 1. С. 34-41.
6. Филиппченкова Н. С. Нейросетевое моделирование производительности солнечного теплофотоэлектрического модуля // Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ. 2022. № 2. С. 56-62.
7. Atef Mohamed & Khatib, Tamer & Abdullah, Muhammad & Romlie, Mohd. (). Optimization of a Hybrid Solar PV and Gas Turbine Generator System Using the Loss of Load Probability Index. Clean Technologies. 2020. № 2. С. 240-251.
8. Sawle Yashwant & M, Thirunavukkarasu & Lala, Himadri. A comprehensive review on optimization of hybrid renewable energy systems using various optimization techniques. 2023. № 176. С.113-192.
9. Сысоева М. С., Пахомов М. А. Методические указания по технико-экономическому обо -снованию использования возобновляемых источников энергии // Социально-экономические явления и процессы.2011. № 3-4.
10. Валов М. И., Зимин Е. Н. Оценка экономической эффективности систем солнечного теплоснабжения / под ред. Е. В. Калинина. М. : Моск. Энерг. Ин-т, 1988. 48 с.
11. Мхитарян Н. М. Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников. К., На-укова думка, 1999. 314 с.
12. Аблаев А. Р., Хромов Е. В., Аблаев Р. Р., Поляков А. П. Оптимизация цифрового проектирования сложной технологической системы // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2021. № 3(347). С. 85-90.
13. Берлин М. А. Методические основы комплексной оптимизации технологических систем // Химическая технология/ 1981. № I. С. 39-41.
14. Kanewez G. Berechnung von Wärmeübertragern. Berlin: Akademie-Ferlag, 1982. 328 p.
15. Каневец Г. Е., Берлин М. А. Методы поиска экстремума критериев эффективности энерготехнологических систем // ГеоИнжиниринг. 2012. № 2(14). С. 52-56.
16. Бекназарян Д. В., Каневец Г Е., Федяев А. А. Обобщенная схема реализации феноме -нологического эвристико-эволюционного подхода при оптимизации теплоизоляционной конструкции ограждения стекловаренной печи // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 15, № 6. С. 672-683.
17. Аблаев А. Р. Критерии эффективности оборудования (элементов систем) // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2019. № 4-1(336). С. 59-65.
References
1. Dologlonyan A.V., Matveenko V. T., Klimenko A. G. Investigation of the efficiency of hybrid solar combined micro-gas turbine installations in tropical climate conditions. Fundamental and applied problems of engineering and technology. 2022. No. 4(354). Pp. 73-82.
2. Dologlonyan A.V., Matveenko V. T., Klimenko A. G. Efficiency of combined gas turbine installations at partial loads. Marine intelligent technologies. 2022. No. 3-1(57). Pp. 109-117.
3. The mechanism of selection of research projects of the university by the level of their commercial potential / R. R. Ablaev, A. A. Mitus, I. A. Grebeshkova [et al.].Moscow Economic Journal. 2021. No. 11.
4. Ilyichev V. Yu., Luzhetsky A. A. Methodology of the feasibility study of the use of plate recuperators in small-sized GTU. Scientific review. Technical sciences. 2021. No. 1. Pp. 40-45.
5. Rutskov A. L., Fedorov Ya. P., Volkov L. V. Technical and economic optimization of fuel and energy complex facilities using elements of fuzzy logic and artificial neural networks. Energy systems. 2020. No. 1. Pp. 34-41.
6. Filippchenkova N. S. Neural network modeling of the performance of a solar thermal photovoltaic module. Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute. Bulletin of the MEI. 2022. No. 2. Pp. 56-62.
7. Atef Mohamed & Khatib, Tamer & Abdullah, Muhammad & Romlie, Mohd. Optimization of a Hybrid Solar PV and Gas Turbine Generator System Using the Loss of Load Probability Index. Clean Technologies. 2020. No. 2. Pp. 240-251.
8. Sawle Yashwant & M, Thirunavukkarasu & Lala, Himadri. A comprehensive review on optimization of hybrid renewable energy systems using various optimization techniques. 2023. No. 176. Pp. 113-192.
9. Sysoeva M. S., Pakhomov M. A. Methodological guidelines for the feasibility study of the use of renewable energy sources. Socio-economic phenomena and processes. 2011. No. 3-4.
10. Valov M. I., Zimin E. N. Evaluation of the economic efficiency of solar heat supply systems / ed. by E. V. Kalinin. Moscow: Moscow. Energy. In-t, 1988. 48 p.
11. Mkhitaryan N. M. Energy of non-traditional and renewable sources. K., Naukova dumka, 1999. 314 p.
12. Ablaev A. R., Khromov E. V., Ablaev R. R., Polyakov A. P. Optimization of digital design of a complex technological system. Fundamental and applied problems of engineering and technology. 2021. No. 3(347). Pp. 85-90.
13. Berlin M. A. Methodological foundations of complex optimization of technological systems. Chemical Technology. 1981. No. I. Pp. 39-41.
14. Kanewez G. Berechnung von Wärmeübertragern. Berlin: Akademie-Ferlag, 1982. 328 p.
15. Kanevets G. E., Berlin M. A. Methods of searching for the extremum of efficiency criteria of energy technology systems. Geoengineering. 2012. No. 2(14). Pp. 52-56.
16. Beknazaryan D. V., Kanevets G. E., Fedyaev A. A. Generalized scheme for the implementation of a phenomenological heuristic-evolutionary approach to optimizing the thermal insulation structure of the glass furnace enclosure. Journal of the Siberian Federal University. Series: Engineering and Technology. 2022. Vol. 15, No. 6. Pp. 672-683.
17. Ablaev A. R. Criteria for the effectiveness of equipment (system elements). Fundamental and applied problems of engineering and technology. 2019. No. 4-1(336). Pp. 59-65.
Сведения об авторах
АБЛАЕВ РЕМЗИ РУСТЕМОВИЧ - кандидат экономических наук, доцент кафедры эконо -мики предприятия, Севастопольский государственный университет, Севастополь, Россия, Ablaev.expert@mail.ru
ДОЛОГЛОНЯН АНДРЕЙ ВАРТАЗАРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, заведующий научно-исследовательской лаборатории экоэ-нергетики, Институт природно-технических систем, Севастополь, Россия, dologlonyan @mail.ru
Information about the authors
ABLAEV REMZI R. - Candidate of Economic Sciences, Associate Professor of the Department of Enterprise Economics, Sevastopol State University, Sevastopol, Russia, Ablaev.expert@mail. ru
DOLOGLONYAN ANDREY V. - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Leading Researcher, Head of the Ecoenergy Research Laboratory, Institute of Natural and Technical Systems, Sevastopol, Russia, dologlonyan@mail.ru
