Оптимізація роботи ТЕЦ в умовах оптового ринку електроенергії і потужності Росії. Розділ 1. Змістовна постановка задачі оптимізації роботи ТЕЦ в Росії

1. Зміст розділу
2. анотація
3. Вступ
4. 1. Змістовна постановка задачі оптимізації роботи ТЕЦ в Росії
5. 1.1. Завдання оптимізації роботи ТЕЦ в умовах планової електроенергетики (завдання 1)
6. 1.2. Завдання оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ринкової електроенергетики (завдання 2)
7. 1.3. Змістовна постановка задачі оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ринку

Стаття опублікована в науковому журналі «Наука і освіта» 8. серпня 2015 року, PDF версія .

Зміст розділу

анотація
Вступ
1. Змістовна постановка задачі оптимізації роботи ТЕЦ в Росії
1.1. Завдання оптимізації роботи ТЕЦ в умовах планової електроенергетики (завдання 1)
1.2. Завдання оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ринкової електроенергетики (завдання 2)
1.3. Змістовна постановка задачі оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ринку

анотація

У роботі запропоновано новий підхід до оптимізації роботи ТЕЦ в умовах російського оптового ринку електроенергії і потужності: сформульований новий критерій оптимальності, запропоновані нові лінеаризовані витратні характеристики парових і газових турбін. Завдання оптимізації вирішена методами змішано-целочисленного лінійного програмування. Підхід був сформульований і реалізований в рамках розробки «Системи математичного техніко-економічного моделювання електростанцій» для семи ТЕЦ ВАТ «Квадра»:

1. Дягилевская ТЕЦ,
2. Курська ТЕЦ-1,
3. Липецька ТЕЦ-2,
4. Орловська ТЕЦ,
5. Курська ТЕЦ ЗЗР,
6. Тамбовська ТЕЦ,
7. Смоленська ТЕЦ-2.

Система математичного техніко-економічного моделювання електростанцій передана в промислову експлуатацію восени 2014 року. Організаційні аспекти розробки зазначеної системи викладені в статті [1] .

Автори дякують керівників проекту В.А. Филимонову і М.А. Горячева за високоякісну організацію виконання робіт, а також начальника виробничо-технічного відділу Липецької ТЕЦ-2 В.Н. Білоусова за конструктивну критику підходів.

Автори дякують д.ф.-м.н., професора МГТУ ім. Н.е. Баумана А.П. Карпенко за допомогу в редагуванні рукопису.

Вступ

Оптимізація роботи теплоелектроцентралі (ТЕЦ) є важливою техніко-економічним завданням, спрямованої на підвищення ефективності використання природних ресурсів, які служать паливом для ТЕЦ, і підвищення економічної ефективності роботи станції на ринку електроенергії і тепла. Критерії оптимальності роботи ТЕЦ залежать від умов її експлуатації.

В роботі [2] критерієм оптимальності роботи ТЕЦ, що входить до складу заводу з виробництва етилену, визначені витрати хімічного виробництва. Оптимізація роботи ТЕЦ виконується з метою мінімізації зазначених витрат. роботи [3] [4] присвячені максимізації технічної ефективності роботи ТЕЦ, критерієм оптимальності встановлена ефективність, заснована на лінії Вілья (Willan's line). В іншій роботі ті ж автори [5] вважають критерієм оптимальності роботи ТЕЦ прибуток, яку максимізують. автори [6] розробили критерій оптимальності, що включає постійні і змінні витрати ТЕЦ (operating and capital costs), завдання вирішують з метою мінімізації зазначених витрат.

У Росії до 2006 року в рамках планової електроенергетики критерії оптимальності роботи ТЕЦ були визначені на державному рівні [7] [8] . Зазначених критеріїв служили витрата палива і витрати на паливо. Завдання оптимізації вирішувалася з метою мінімізації цих критеріїв.

На сьогоднішній день завдання оптимізації роботи ТЕЦ в Росії повинна враховувати умови і правила функціонування Оптового ринку електроенергії та потужності (ОРЕМ), який розпочав свою роботу у вересні 2006 року. Незважаючи на зміну умов експлуатації ТЕЦ, в ряді сучасних російських робіт [9] [10] [11] в якості критерію оптимальності їх функціонування як і раніше використовують витрати на паливо. Зокрема, в роботі [10] в якості критерію оптимальності та конкурентоспроможності ТЕЦ на ОРЕМ визначено значення паливної складової (витрати на виробництво 1 МВт • год електроенергії). Ця складова повинна бути мінімізована для режиму роботи ТЕЦ з відомої теплової та електричної навантаженнями. Вплив цін на електроенергію на результати оптимізації в роботі не враховується. Автор роботи [9] , Опублікованій в 2015 році, формулює два критерію оптимальності роботи ТЕЦ - витрата палива і електрична потужність ТЕЦ. У зв'язку з цим в роботі поставлено два завдання - мінімізація витрат палива і максимізація вироблення електроенергії. Ринкові ціни на електроенергію в постановці завдання оптимізації не враховуються.

Сучасна постановка задач оптимізації роботи ТЕЦ має високу обчислювальну складність, причинами якої є: а) складний вид цільової функції; б) велика кількість керованих (варійованих) параметрів, яке залежить від застосовуваних математичних моделей агрегатів ТЕЦ; в) велика кількість обмежень, що накладаються на значення керованих параметрів [12] .

Вибір математичних моделей ТЕЦ залежить від поставленого завдання. В роботі [2] запропонована гібридна модель, в якій параметри пара, необхідного виробництвом, розраховують на підставі нейромережевої моделі, електричну потужність турбін - за допомогою термодинамічних рівнянь. автори [3] [4] в якості математичної моделі турбіни використовують рівняння (лінію) Вілья. В роботі [6] функціонування ТЕЦ описують за допомогою термодинамічних рівнянь, які враховують ентальпію і ентропію теплової енергії. автори [7] [8] розробили ряд лінійних і нелінійних моделей агрегатів ТЕЦ. В роботі [9] використані нелінійні математичні моделі, що враховують 19 параметрів роботи турбіни і 14 параметрів роботи парового котла.

Завдання оптимізації роботи ТЕЦ в роботах іноземних авторів вирішують методами змішано-целочисленного нелінійного програмування [2] [5] [6] , За допомогою генетичного алгоритму [3] [4] . У Росії для вирішення задачі оптимізації роботи ТЕЦ, головним чином, застосовують методи еквівалентування [7] [8] і динамічного програмування [10] . Огляд інших методів розв'язання задачі мінімізації витрати палива, що застосовуються в Росії, наведено в роботі [9] .

Метою цієї роботи є постановка і рішення нової задачі оптимізації роботи ТЕЦ в умовах функціонування ОРЕМ. Новим критерієм оптимальності роботи ТЕЦ на ОРЕМ вважаємо прибуток, яку потрібно максимізувати на деякому інтервалі часу, званому горизонтом оптимізації. Крім того, в роботі запропоновані нові лінеаризовані витратні характеристики парових і газових турбін. Зазначені характеристики дозволяють скоротити число керованих параметрів і, як наслідок, знизити обчислювальну складність завдання оптимізації, а також звести задачу оптимізації до задачі змішано-целочисленного лінійного програмування [12] . Рішення задачі оптимізації роботи ТЕЦ в ринкових умовах реалізовано за допомогою інтегрованого програмного продукту IRM (OpenLinkInternational, Австрія). В системі IRM створені і передані в промислову експлуатацію оптимізаційні моделі семи ТЕЦ. За підсумками рішення задачі оптимізації проведена оцінка потенційного прибутку ТЕЦ при роботі на ОРЕМ.

Структура статті наступна. У першому розділі розглянуто зміна мети оптимізації роботи ТЕЦ при переході Росії від планової електроенергетики до ринкової, приведена змістовна постановка задачі оптимізації роботи ТЕЦ в ринкових умовах. Другий розділ статті присвячений лінеаризації витратних характеристик парових і газових турбін . У розділі наведено алгоритм визначення цих характеристик, а також значення помилок лінеаризації для різних типів турбін. Третій розділ містить формальну постановку задачі короткостроковій оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ринку : Сформульовані цільова функція, набір керованих параметрів і обмеження. У четвертому розділі наведено опис програмного аспекти вирішення завдання оптимізації роботи ТЕЦ в новій постановці , А також розглянуті економічні оцінки результатів проведених чисельних експериментів.

1. Змістовна постановка задачі оптимізації роботи ТЕЦ в Росії

У розділі розглянуті два завдання оптимізації роботи ТЕЦ: задача мінімізації витрат на паливо (п. 1.1) , Яке ставилося в умовах планової електроенергетики, і задача максимізації прибутку ТЕЦ (п. 1.2) , Актуальною при роботі на ОРЕМ. Для завдання максимізації прибутку ТЕЦ виділено чотири типи терміновості: довгострокова, середньострокова, короткострокова і оперативна оптимізація роботи ТЕЦ. розділ завершується змістовної постановкою завдання оптимізації роботи ТЕЦ в ринкових умовах (п. 1.3) .

1.1. Завдання оптимізації роботи ТЕЦ в умовах планової електроенергетики (завдання 1)

В умовах планової електроенергетики ефективність роботи ТЕЦ оцінювали показниками питомих витрат умовного палива на вироблення електроенергії і тепла [8] . Завдання оптимізації роботи ТЕЦ вирішували з метою мінімізації витрат умовного палива або мінімізації витрат на паливо [7] [8] за умови забезпечення заданої електричної, паровий і теплового навантаження станції:

(1)

Таким чином, завдання полягало в розподілі заданого навантаження ТЕЦ по агрегатам таким чином, щоб витрата палива або витрати на паливо були мінімальними.

Для вирішення завдання оптимізації в даній постановці в роботах [7] [8] запропонований метод, що оперує поняттями характеристика відносних приростів витрат умовного палива і характеристика відносних приростів вартості палива - так званий метод еквівалентування. Характеристики відносних приростів розраховуються для кожного агрегату ТЕЦ. Оптимальним є режим, в якому величини відносних приростів умовного палива різних агрегатів рівні між собою. Перевагою методу є простота. Внаслідок цього він широко застосовується до теперішнього часу.

У дисертації [10] розглянуті актуальні недоліки завдання оптимізації роботи ТЕЦ в даній постановці.

1. Недостатньо висока якість диспетчеризації. Служба управління режимами роботи обладнання при виконанні заданого графіка навантаження в ряді випадків виходить тільки з умови забезпечення надійності роботи, яке може суперечити вимогам забезпечення ефективності роботи ТЕЦ.
2. Невідповідність енергетичних характеристик обладнання ТЕЦ фактичним режимам роботи. Перегляд нормативної бази один раз в п'ять років не знімає цю проблему.
3. Недостатньо висока якість контролю параметрів режиму роботи устаткування. Відсутність автоматизованих систем управління технологічними процесами роботи обладнання на більшості ТЕЦ не дозволяє вести деталізований контроль за змінами технічних параметрів режиму роботи.

На сьогоднішній день зазначені недоліки не можна вважати усуненими. Один із шляхів підвищення відповідності енергетичних характеристик фактичним режимів роботи обладнання є регулярне коригування енергетичних характеристик на підставі вимірювань параметрів режиму роботи устаткування [10] .

Зауважимо, що оцінки скорочення витрати палива при вирішенні задачі (1) коливаються від 0,8 до 1,7% від загальної витрати палива [9] [10] . Зазначені величини, з одного боку, можна порівняти з помилкою вимірювання витрати палива, а з іншого - підтверджують, що скорочення витрати палива можливо тільки при високому відповідно фактичного режиму роботи обладнання ТЕЦ плану завантаження агрегатів, отриманого за підсумками оптимізації, що далеко не завжди має місце на практиці (недостатня якість диспетчеризації, недостатня якість контролю параметрів режиму).

В результаті рішення задачі (1) формують деталізований план завантаження устаткування ТЕЦ, що є допоміжною інформацією для служби експлуатації і управління режимами [9] .

1.2. Завдання оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ринкової електроенергетики (завдання 2)

З початком функціонування ОРЕМ у вересні 2006 року ефективність роботи ТЕЦ оцінюється прибутком. Сучасна завдання оптимізації роботи ТЕЦ ставиться таким чином:

(2)

Постійний контроль прибутку ТЕЦ є невід'ємною частиною її експлуатації. Залежно від періоду часу (горизонту оптимізації), для якого потрібно максимізувати прибуток, виділимо завдання чотирьох типів.

1. Довгострокова оптимізація роботи ТЕЦ з горизонтом від одного року до декількох років необхідна при плануванні термінів введення в експлуатацію нових і консервації зношених потужностей.
2. Середньострокова оптимізація роботи ТЕЦ з горизонтом від місяця до року необхідна для формування бізнес-плану та річного планування періодів ремонтних робіт обладнання, а також підготовки заявок на конкурентний відбір потужності [13] .
3. Короткострокова оптимізація роботи ТЕЦ з горизонтом від доби до місяця необхідна для формування заявок на вибір складу включеного генеруючого обладнання, заявок на ринок на добу вперед, а також оперативних ценопрінімающіх заявок на балансуючий ринок [13] . У даній оптимизационной задачі слід враховувати виручку від продажу тепла, пари, електроенергії, а також витрати на придбання палива і електроенергії на власні потреби [13] .
4. Оперативна оптимізація роботи ТЕЦ для одного або декількох годин необхідна для скорочення витрат на паливо при виконанні відомого графіка теплової та електричної навантажень. У цьому випадку завдання максимізації прибутку (2) зводиться до задачі мінімізації витрат на паливо (1): при роботі з відомим графіком теплової та електричної навантажень виручка ТЕЦ є відомою величиною [13] .

При вирішенні завдань довгострокової і середньостроковій оптимізації роботи ТЕЦ слід враховувати виручку від продажу тепла, пари, електроенергії та потужності, а також змінні витрати (витрати на паливо) і постійні витрати (повернення інвестицій, фонд заробітної плати, вартість ремонтів, страхування та ін.) [14] .

Основні відмінності завдання 1 від завдання 2 полягають у наступному:

• в задачі 1 необхідно знайти мінімум цільової функції, в завданню 2 - максимум;
• в задачі 1 необхідно враховувати тільки витрати ТЕЦ, в завданню 2 - виручку і витрати;
• в загальному випадку рішення задачі 1 не відповідає рішенню задачі 2;
• задача 1 є окремим випадком завдання 2 при відомій величині виручки ТЕЦ.

Для ілюстрації невідповідності результатів рішення оптимізаційних завдань 1 і 2 в додатку А розглянуто чисельний приклад.

Завдання короткостроковій оптимізації була вирішена в даній роботі (п. 3 , 4 ), Завдання довгострокової і середньостроковій оптимізації роботи ТЕЦ в ринкових умовах в Росії не вирішені і є актуальними.

1.3. Змістовна постановка задачі оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ринку

Завдання оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ОРЕМ ставимо з урахуванням наступних припущень.

1. Завдання оптимізації вирішується для рівновіддалених дискретних моментів часу t = 1,2, ..., T, де T - горизонт оптимізації. Різниця двох сусідніх моментів часу постійна і дорівнює Δt.
2. Споживання і вироблення різних видів енергії агрегатами ТЕЦ E (t) відповідає споживанню і виробленні енергії між відмітками часу t і t + Δt.
3. Потужність на інтервалі часу Δt, т. Е. Між відмітками часу t і t + Δt, є постійною. Значення потужності для позначки часу t обчислюємо як E (t) / Δt.

Критерієм оптимальності роботи ТЕЦ в умовах ОРЕМ є функція сумарного прибутку, яку потрібно максимізувати на горизонті оптимізації T.

Керованими параметрами задачі оптимізації роботи ТЕЦ є параметри режиму роботи обладнання: навантаження основного і допоміжного обладнання ТЕЦ, загальна теплова і електрична навантаження станції, витрата кожного виду палива, обсяги власних потреб ТЕЦ.

Дізнатися про обмеження значення керованих параметрів, складаються з обмежень, обумовлених застосовуваними математичними моделями агрегатів станції (п. 3.3.1) , обмежень, обумовлених діапазоном регулювання агрегатів (п. 3.3.2) , і інших обмежень (п. 3.3.3) . Крім того, необхідно дотримання паливних, теплових та електричних балансів.

Завдання оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ОРЕМ полягає у визначенні значень керованих параметрів, відповідних максимуму сумарного прибутку на горизонті оптимізації T. Інформація про прибуток і відповідних їй навантаженнях агрегатів станції є вихідною для планування роботи ТЕЦ на ОРЕМ [13] .

Виділяємо три послідовні етапи короткостроковій оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ОРЕМ (аналогічні етапи виділені в дисертації [9]).

1. Оптимізація складу включеного устаткування - формирование оптімальної заявки для кожної одиниці генеруючими обладнання на розрахунок Вибори складу включеного генеруючими обладнання, что проводитися ВАТ «СО ЄЕС» [13] .
2. Оптимізація плану виробництва електроенергії - формирование оптімальної заявки на процедуру конкурентного відбору Сайти Вся на добу вперед для кожної групи точок поставки, что проводитися ВАТ «АТС» [13] .
3. Оптимізація диспетчерського графіка навантаження - формування оптимальної оперативної ценопрінімающей заявки для кожної групи точок поставки на відхилення електричного навантаження від диспетчерського графіка на балансує ринку, керованому ВАТ «СО ЄЕС» [13] .

Після подачі цінової заявки на етапі I фахівці станції отримують від ВАТ «СО ЄЕС» перелік включеного генеруючого обладнання і приступають до вирішення завдання етапу II. Аналогічним чином, за підсумками подачі цінової заявки на етапі II фахівці станції отримують спочатку торговий графік від ВАТ «АТС», а потім диспетчерський графік від ВАТ «СО ЄЕС» і приступають до вирішення завдання етапу III [13] .

Таким чином, завдання короткостроковій оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ОРЕМ складається з трьох зазначених послідовних етапів, на кожному з яких повинна бути максимізована прибуток з урахуванням обмежень, отриманих від інфраструктурних організацій ВАТ «СО ЄЕС» і ВАТ «АТС».

Оскільки фінансові розрахунки на ОРЕМ здійснюються в часовому дозволі, то завдання короткостроковій оптимізації роботи ТЕЦ в умовах ринку вирішуємо з годинною дискретністю (Δt = 1 годину) і в наступних одиницях виміру: для споживаної і вироблюваної потужності агрегатів ТЕЦ E (t) / Δt використовуємо МВт , для всіх видів виробленої і спожитої енергії E (t) - МВт • год, для цін - руб. / МВт • год. Відмітки часу t відповідають початку години.