CC BY
64
УДК: 658 ББК: 65.290
Гаврилова А.А.
ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ПРОИЗВОДСТВОМ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНЫХ КРИТЕРИЕВ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Gavrilova A.A.
ORGANIZATION MANAGEMENT ENERGY PRODUCTION BASED ON COMPLEX
CRITERIA ACTIVITIES
Ключевые слова: энергоэффективность, энергосистема, производственные функции, комплексные показатели эффективности.
Keywords: energy efficiency, energy system, production functions, integrated performance indicators.
Аннотация: проведен системный анализ деятельности энергетических предприятий, закономерностей динамики функционирования энергосистем и эффективности использования ресурсов. Проведение имитационных экспериментов позволило сделать качественный анализ энергетических, технологических, экономических и экологических показателей комплексной эффективности деятельности, что дает возможность совершенствования организации управления энергопроизводством.
Abstract: system analyses of power enterprises activities is carried out on the basis system functioning dynamics was undertaken as well as of various resources use efficiency. Simulation experiments made it possible to perform quantitative and qualitative analyses of energy process, economical and ecological indexes of complex activities efficiency. Thus it is possible to upgrade and develop the managment system of energy production.
Повышение энергоэффективности определено на государственном уровне одним из основных направлений технологического и экономического развития страны. Это направление является системообразующим и в определяющей степени влияет на результативность других важнейших направлений экономического развития.
Развитие регионов зависит от потенциала региональных энергетических комплексов. Энергетические системы взаимосвязаны со всеми отраслями промышленности и социальной сферой, определяют уровень жизни населения. Для определения направлений развития регионов необходим системный анализ всех аспектов деятельности энергетических комплексов, совершенствование методов и структур управления энергопредприятиями, организация их взаимодействия с внешней средой.
Энергоёмкость российского валового внутреннего продукта выше, чем в экономически развитых странах более чем в 2,5 раза. Однако, снижение потребления энергоресурсов и энергии в целом по стране, по данным рабочей группы Госсовета, дает уменьшение энергозатрат более чем на 45%. Для наращивания производства такого же количества энергии необходимы капиталовложения в 3 раза большие, чем требуется для реализации энергосберегающих мероприятий.
Максимальный эффект от программы энергосбережения может быть получен при комплексном подходе: энергосберегающие мероприятия должны быть реализованы во всех сферах энергетической деятельности - в производстве, транспорте и потреблении энергии. Но задачи такого масштаба возможно решать только на уровне государства.
Значительный перерасход энергии в энергопроизводстве составляет 20-30%. Энергопотери в системах тепло- и электроснабжения доходят до 60%, а перерасход потребляемой энергии в жилищно-коммунальном комплексе, в бюджетных организациях и в
производственных предприятиях составляет 30-40% [1].
Рассмотрим ситуацию в энергетическом комплексе, включающем сферы производства и транспорта энергий, на примере Самарской области в 1990 - 2014 гг. Эффективность генерации снизилась вследствие кризисных явлений в промышленном производстве: сократились объёмы потребления тепловой и электрической энергии. В итоге выработка тепловой энергии снизилась почти в 2 раза, выработка электроэнергии - в 1,5 раза. В результате нарушился баланс комбинированного производства энергии, а также изменилось оптимальное соотношение в структуре выработки тепловой энергии - между количеством технологического пара и горячей воды (рисунок 1).
Для Самарской энергосистемы основной тепловой нагрузкой до 1990 года являлось производство промышленного пара, которое в 1,3 раза превышало отпуск тепла в виде горячей воды, идущей на отопление и горячее водоснабжение. После 1994 года это соотношение резко изменилось: паровая нагрузка стала в 1,7 раза ниже отопительной, т.е. постоянная в течение года тепловая нагрузка заместилась сезонной, неравномерной [2].
В среднем 75-80% времени генерирующее и вспомогательное оборудование работает в нерасчетных режимах, что является основной причиной снижения эффективности энергопроизводства. Это обстоятельство обуславливает рост относительной величины расхода электроэнергии на собственные нужды. Величина собственных нужд ТЭЦ при работе оборудования в расчетных режимах составляет 4-6%. Отсутствие эффективных систем регулирования производительностью вспомогательного оборудования также приводит к дополнительному перерасходу электроэнергии на собственные нужды - до 12-14%.
В настоящее время комплексная эффективность совместного производства энергии существенно уменьшилась, и для ее повышения необходимо восстанавливать баланс между выработкой тепловой и электрической энергий, снижать расход на собственные нужды. Установление баланса возможно либо путем увеличения производства тепловой энергии, либо путем сокращения выработки электрической энергии.
Концепция системного анализа позволяет исследовать инфраструктурные связи экономики региона с энергосистемой, закономерности функционирования генерирующих компаний, районных энергетических систем и определить наиболее предпочтительные
Потери
Прпшвозстап нгрга г. - К!) с'+
направления развития региона [3].
С целью определения стратегических направлений развития регионального промышленного комплекса и повышения эффективности энергопроизводств проведен системный анализ деятельности энергетических предприятий, исследованы закономерности динамики функционирования энергосистем и определены комплексные показатели эффективности использования различных ресурсов: капитальных, трудовых, а также характерных для энергетических производств - топливных и водных [4], [5], [6], [7]. Построены модельные зависимости на основе математических моделей в форме производственных функций (ПФ) типа Кобба-Дугласа.
Полученные модели позволяют анализировать влияние динамики генерации различных видов отпущенных энергий на величину и характер изменения комплексного показателя эффективности в реальных условиях энергопроизводства. В качестве входных воздействий приняты отпускаемые тепловая Л и электрическая Ув мощности, а выходной характеристикой является комплексный показатель эффективности (КПЭ) деятельности. Исходные статистические данные приведены к максимальному значению исследуемого периода.
КПЭ=Р(АЛ,Ге) (1)
Модельное описание взаимосвязи между входными факторами и системными показателями эффективности в общем виде представлено в форме степенной двухфакторной производственной функции:
КПЭ = АУ( Ув , (2)
где А - масштабный коэффициент, а и Р - коэффициенты эластичности, являющиеся функциями логарифмической чувствительности величины показателя эффективности КПЭ к изменению отпускаемых мощностей:
П дкпЭ д 1п КПЭ
КПЭ dyt dinYt
и
р= Ye 'КПЭ = 91„ КПЭ КПЭ di„Ye
Коэффициенты эластичности численно характеризуют степень влияния тепловой Yt и электрической Ye мощности на величину комплексного показателя КПЭ . Значения эласгичностей а и ß показывают, на сколько процентов изменится КПЭ при увеличении соответствующих мощностей Yt и Ye на 1%.
Параметры моделей (2) идентифицированы методом наименьших квадратов, в качестве критерия идентификации принят минимум квадратичного отклонения модельных значений КПЭ т .. от реальных данных КПЭ .:
Е КПЭ «г J- КПЭ т ... ^ min, (4)
i=1
где тг - временные интервалы исследуемого периода Т.
Качество модели и её параметров обусловлено значениями коэффициентов
детерминации Я2, ^критерием Стьюдента,
Б-критерием Фишера, среднеквадратичным отклонением а и критерием Дарбина-Уотсона
БЖ [8].
В качестве комплексных показателей эффективности КПЭ деятельности энергосистемы были выбраны: себестоимость генерации энергии БЪ , расход электроэнергии на собственные нужды СН , показатели эффективности использования топливных и водных ресурсов, величина валовых выбросов вредных веществ.
Проанализируем результаты моделирования. В исследуемый период все построенные модели с достаточной точностью описывают реальные значения показателей эффективности. Хорошую сходимость данных подтверждает анализ показателей качества: среднеквадратичные
ошибки погрешности расчётов не превышали 5%, коэффициенты детерминации к2 значимы по статистике Фишера и достигают 0,7-0,9. Модели обладают хорошими прогнозными свойствами -критерии БЖ находятся в интервале 1,5-2,3, что свидетельствует об отсутствии автокорреляции остатков. Идентифицированные параметры модели значимы по критерию Стьюдента.
Сопоставление результатов моделирования с реальными статистическими данными представлено на рисунке 2.
1 1 fib ггтт
1
t, месяцы 1 1 1
9 10 11 12
ah
■shm.l
А
Б
В
Рисунок 2 - Комплексные показатели эффективности функционирования энергосистемы в течение года: А) суммарная себестоимость Sb = AYt Ye 3 ;
ар
Б) собственные нужды СН - AYt Ye ;
ар
В) коэффициент использования топлива КИТ - AYt Ye
В качестве комплексного показателя экономической эффективности примем себестоимость энергии.
Изменение суммарной себестоимости электрической и тепловой энергии в течение года соответствует динамике изменений производства этих энергий - снижение суммарной выработки энергии приводит к увеличению её себестоимости. В течение года себестоимость выработанной энергии изменяется в 2,27 раза, достигая минимума в январе, по мере снижения количества произведённой энергии её себестоимость растёт до максимального значения в июне.
Исследуем влияние отпуска тепловой У1 и электрической Ув энергии на комплексный показатель эффективности генерации - величину себестоимости энергии
= АУ( "г/ (рисунок 2А).
Идентифицированные значения факторных эластичностей а= 0,60 и Р = 0,25 , обуславливают большее влияние изменения тепловой мощности У1 на комплексный показатель эффективности энергосистемы - себестоимость БЬ . Отрицательное значение эластичности а показывает, что увеличение тепловой нагрузки У1 на 1 % снижает себестоимость на 0,6 %, повышая эффективность совместного производства тепловой и электрической энергии.
Чувствительность себестоимости БЬ к изменению электрической мощности Уе в 2,4 раза меньше, о чем свидетельствует величина эластичности Р . В тоже время значение коэффициента Р является положительной величиной, т.е. повышение электрической
мощности Ув на 1 % увеличивает себестоимость электроэнергии на 0,25 %, что негативно сказывается на эффективности функционирования ТЭЦ.
Проведенный модельный анализ показал, что в условиях пониженной выработки тепловой энергии комплексная эффективность совместного производства энергии существенно снижается и неравномерна в течение года. Для повышения эффективности энергопроизводства необходимо восстанавливать баланс между выработкой тепловой и электрической энергий. Мероприятия по увеличению выработки тепловой энергии в виде технологического пара в 2,4 раза более эффективны, по сравнению со снижением производства электроэнергии.
а ,8
Проанализируем модель СН - АУ( Уе , определяющую влияние совместного производства энергии на эффективность использования энергетических ресурсов - величину собственных нужд (рисунок 2Б). Идентифицированные параметры модели а = 0,49 и Р = 0,19 показывают, что влияние тепловой нагрузки на величину собственных нужд в 2,67 раза больше электрической. Увеличение тепловой мощности на 1 % увеличивает расход на собственные нужды на 0,49 %, а увеличение электрической мощности - только на 0,19 %.
Снижение доли выработки тепловой энергии значительно снизило комплексную эффективность совместного производства тепловой и электрической энергии - величину расхода электроэнергии на собственные нужды. Для повышения эффективности необходимо восстанавливать баланс выработки, который позволит эксплуатировать существующее основное и вспомогательное оборудование в режимах более близких к оптимальным. Установления баланса возможно добиться двумя способами: увеличивая производство тепловой энергии или уменьшая выработку электрической энергии. Мероприятия по увеличению выработки тепловой энергии в виде технологического пара в 2,67 раза более эффективны, по сравнению со снижением производства электроэнергии, т.е. целесообразно увеличение тепловой нагрузки в летний период, повышение доли ГВС.
Проанализируем эффективность использования топливных ресурсов в процессе энергопроизводства. В качестве показателя комплексной эффективности генерации примем коэффициент использования топлива (КИТ). В течение отопительного сезона коэффициент использования топлива имеет максимальное значение - 0,73, что соответствует расчетным показателям эффективного совместного производства тепла и электроэнергии (0,7 - 0,8), и
значительно уменьшается на 33 % (до 0,49 - 0,54) летом. Изменение структуры потребления тепловой и электрической энергии и работа в нерасчетных режимах привели к существенному снижению агрегированного показателя энергетической эффективности производства - КИТ.
Графическая иллюстрация сопоставления реальных величин КИТ и результатов моделирования представлена на рисунке 2В.
Идентифицированные достоверные значения факторных эластичностей а =0,33 и ß = ~0Д6 - показывают, что наибольшее положительное влияние на комплексный показатель эффективности использования топлива имеет величина тепловой мощности Yt. Увеличение тепловой мощности на 1% повышает эффективность совместного производства тепловой и электрической энергии на 0,33%.
Значение эластичности ß является отрицательной величиной. Это свидетельствует о том, что при повышении электрической мощности на 1% коэффициент использования топлива понижается на 0,16%.
Анализ КИТ также показал необходимость восстановления баланса выработк, при этом более эффективными (практически в два раза) являются мероприятия по восстановлению тепловой нагрузки.
В целом, анализ построенных моделей показал, что в существующих условиях пониженной выработки тепловой энергии комплексная эффективность совместного производства тепловой и электрической энергии существенно уменьшилась, и для повышения эффективности необходим баланс комбинированной выработки. Причем увеличение производства тепловой энергии по всем комплексным показателям энергопроизводства более эффективно. Для этого необходим рост промышленного потребления тепла и увеличение количества потребителей тепловой энергии в районе расположения теплоэлектроцентралей. Таким образом, определение направлений повышения эффективности деятельности выходит за рамки управления непосредственно энергетической системой. Потенциал областной энергосистемы обуславливает развитие региона в целом, требуя принятия стратегических решений на региональном и федеральном уровне.
Таким образом, на основе методологии системного анализа была построена система адекватных, согласованных, взаимодополняющих математических моделей, описывающих энергетические производства, с учетом влияющих технологических, экономических и экологических факторов. Определен состав показателей, обеспечивающих в совокупности целостную, сбалансированную, достоверную информацию о системной энергоэффективности. Полученные модели позволяют провести качественный и количественный анализ энергетических, технологических, экономических и экологических показателей комплексной эффективности деятельности энергетических предприятий, что дает возможность определить наиболее приоритетные направления повышения эффективности энергопроизводств и возможности развития региона.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гаврилова, А.А., Салов, А.Г. Повышение эффективности управления энергетическим комплексом как фактор социально-экономического развития Поволжского региона // Интеллект, инновации, инвестиции. Спец. Выпуск. - Оренбург, 2011. - С. 24-29.
2. Дилигенский, Н.В., Гаврилова, А.А., Салов, А.Г., Гаврилов, В.К. Комплексный анализ режимов работы основного оборудования генерирующих предприятий и расходов электрической энергии на собственные нужды // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». - №2 (22). - Самара, 2008. - С. 186195.
3. Гаврилова, А.А. Повышение эффективности управления энергетическим производством на основе комплексных критериев деятельности / Сб. материалов VII межд.
конф. «Управление развитием крупномасштабных систем» ИПУ РАН, Москва, 2013. - С. 318323.
4. Гаврилова, А.А., Салов, А.Г., Саксонова, В.В., Иванова, Д.В. Комплексный анализ и имитационное моделирование загрязнений атмосферного воздуха города Самары // Инфокоммуникационные технологии. - № 2 (11). - 2013. - С. 50-54.
5. Гаврилова, А.А., Салов, А.Г., Иванова, Д.В. Моделирование экологической деятельности энергетической системы города Самары / Межд. науч.-практ. конф. «Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов». - 2012, г. Белгород. - С. 336-340.
6. Гаврилова, А.А., Салов, А.Г., Иванов, В.А. Модельный анализ эффективности использования водных ресурсов ТЭЦ Волжского автомобильного завода // Энергосбережение и водоподготовка. - 2012. - № 1 (75). - С. 7-10.
7. Гаврилова, А.А. Комплексный анализ эффективности использования капитальных, трудовых, топливных и водных ресурсов генерирующего предприятия // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия "Технические науки". - 2012. - № 1 (33). - С. 178-183.
8. Дилигенский, Н.В., Гаврилова, А.А., Цапенко, М.В. Построение и идентификация математических моделей производственных систем. - Самара: Офорт, 2005. - 126 с.
