Размещено на http://www.allbest.ru/

Системный подход к анализу сложных тепломассообменных установок

Е.В. Барочкин,

В.П. Жуков,

А.А. Борисов,

Д.А. Уланов

Аннотация

В рамках системного подхода рассмотрены задачи оптимизации структуры и режимов работы оборудования ТЭС. Описана структура программного комплекса "ТЭС ЭКСПЕРТ". Предложена методика выбора оптимальной стратегии генерации электрической энергии на ТЭЦ в условиях рынка.

Введение

Применению системного подхода в энергетике посвящены труды академика Л.А. Мелентьева [1--2] с коллегами из Института систем энергетики (ИСЭ) СО РАН. Особое внимание в этих исследованиях уделяется разработке теоретических основ и методов оптимизации структуры топливно-энергетического хозяйства, оптимизации развития больших систем энергетики (БСЭ), развитию тепловых электростанций и теплофикации. Целью предлагаемой статьи является развитие основ системного подхода и его применение к решению нового класса энергетических задач: анализу сложных систем тепломассообменных аппаратов с произвольной структурой связи между элементами.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ УСТАНОВОК ТЭС

Под системой понимается совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как единое целое. Разложение целого на части называется декомпозицией, объединение частей в целое - агрегированием. При расчете и оптимизации сложных систем тепломассообменных аппаратов ТЭС встает вопрос выбора уровня декомпозиции объекта. Например, можно всю систему регенеративного подогрева питательной воды заменить одним эквивалентным подогревателем, можно рассматривать каждый подогреватель как точечный объект, а можно моделировать процессы тепломассообмена в отдельных ступенях подогревателя. Очевидно, что оптимальные решения могут быть получены не только для отдельной ячейки, но и для всей системы или некоторой совокупности выбранных систем. Уровень декомпозиции системы даже при одинаковых функциях цели будет приводить к разным оптимальным решениям. В связи с реорганизацией энергогенерирующих и энергоиспользующих предприятий поиск таких решений при разном уровне декомпозиции системы становится весьма актуальным.

Академик Н.Н. Моисеев [3] при исследовании систем выделяет следующие три этапа: программный электрический генерация

1. Построение модели объекта, то есть формализация изучаемого процесса или явления.

2. Описание операции - постановка задачи. Оперирующая сторона формулирует цель операции. Цель операции - внешний фактор, и должна быть формализована некоторая оптимизационная задача f(x)-->max, xeG, где ч - элемент нормированного пространства Е, определенного природой модели; GcE - множество, которое может иметь сколь угодно сложную природу, определяемую структурой модели и особенностями исследуемой операции. Операция оптимизации в данном случае не единственный способ формализации, но обладает достаточно большой степенью общности.

3. Решение возникающей задачи соответствующими математическими методами.

Разработка универсальной расчетной методики, которая изначально ориентируется на синтез модели сложных систем из унифицированных моделей ее отдельных подсистем при варьируемом уровне декомпозиции, выполняется на первом этапе решения задачи системного анализа.

Рассматривается вывод матричного уравнения для наиболее общего случая системы из з элементов (ячеек), произвольно соединенных между собой. В основу математического описания положены уравнения материального и энергетического балансов. Ступень (ячейка) тепломассообмена представляется четырехполюсником с входными и выходными потоками для холодного и горячего теплоносителей. Матрица-столбец (вектор признаков) X составляется из аддитивных параметров теплоносителей, значения которых можно складывать при смешении потоков. Такими параметрами являются, например, энергия, энтальпия или масса.

Наиболее общий случай соединения ступеней предполагает возможность подачи на вход в i-й элемент потоков из всех остальных элементов. На рис. 1. схематично показано формирование потока на входе в i-й элемент установки. На вход в первый элемент подаются потоки холодного и горячего теплоносителя, которые характеризуются набором признаков [Хо]ь индекс "О" внутри квадратных скобок указывает на входные параметры, индекс "1" за квадратными скобками относится к номеру ступени. Процесс теплообмена, массообмена или их совместное протекание описывается матрицей процесса В, которая при линейной постановке задачи позволяет определить выходные параметры ступени [Ч]!=Вй[Ч0]й. Для указания направления движения потока после ступени формируется матрица коммутации Кц, элементы которой показывают доли потока из первой ступени в i-ю. Матричное произведение KdB^Xoli определяет параметры потока, подаваемого из первого элемента в i-й. Очевидно, что на вход в i-ю ступень могут подаваться потоки из остальных элементов схемы и внешние (по отношению к установке) потоки.

где I - единичная матрица. При известных матрицах В и К решение системы (2) позволяет определить значения параметров теплоносителей в любой точке установки. Вид матрицы процесса ступени В для различных фазовых состояний теплоносителей подробно рассмотрен в [4].

Разработка матричной ячеечной модели системы сложной структуры позволяет перейти ко второму этапу системного анализа - формированию цели операции. Далее рассматриваются постановка и решение двух задач системного анализа: задача оптимального распределения нагрузок и задача выбора оптимальной стратегии генерации энергии в условиях рынка.

ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК МЕЖДУ ЭНЕРГОУСТАНОВКАМИ

Без дополнительных капиталовложений решение задачи экономии топлива может быть получено за счет оптимизации состава и режимов работы генерирующего оборудования.

Цель операции формулируется следующим образом: оптимально распределить заданные электрическую и тепловую нагрузки между турбоагрегатами для обеспечения минимального суммарного расхода тепловой энергии (или топлива):

где Qn, QT - тепловые нагрузки соответственно производственного и теплофикационного отборов пара; Ne - электрическая мощность турбогенератора; qT -удельный расход тепла брутто на выработку электроэнергии; з - количество турбоагрегатов, участвующих в распределении нагрузки, индекс i - номер турбоагрегата. Суммарные значения тепловых и электрических нагрузок, которые необходимо распределить, считаются заданными и записываются в виде ограничений

Режим работы турбоагрегатов характеризируется значением удельного расхода тепла на выработку электроэнергии qTi(Qni,QTi,Nei), который определяется в соответствии с нормативным документом [5]. Зависимости удельного расхода тепла от тепловой нагрузки регулируемых отборов пара и электрической мощности турбогенератора традиционно представляются в графическом виде. Сложный вид указанных зависимостей и значительное количество ограничений на допустимые режимы работы оборудования затрудняют компьютерное использование энергетических характеристик. Предлагается представление энергетических характеристик в виде математических моделей, построенных на основе (2), или аппроксимирующих зависимостей экспериментальных данных. В частности, предложены аппроксимирующие зависимости в виде набора полиномов. Расхождение между нормативными и рассчитанными значениями во всей области изменения параметров не превышает 0,05 %, что следует признать более чем удовлетворительным результатом.

На третьем этапе решения задачи системного анализа выполняется решение многомерной оптимизационной задачи (3)-(4) методами динамического программирования (принцип оптимальности Беллмана). В частности, получено решение задачи для распределения нагрузки между двумя турбоагрегатами ПТ-65/75-130/13 в виде оптимальных энергетических характеристик всей станции (рис. 2).

Для практического использования полученных результатов разработан специальный программный комплекс "ТЭС-Эксперт", который позволяет решать задачи оперативного ведения оптимального режима работы электростанции; перспективного планирования технико-экономических показателей; автоматизированного расчета показателей, входящих в утвержденные энергетические характеристики; сведения пароводяного и теплового балансов ТЭС.

ОПТИМАЛЬНАЯ СТРАТЕГИЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В УСЛОВИЯХ РЫНКА

В рыночных условиях тепловая и электрическая энергия становится товаром, цена на который складывается с учетом заявок на генерацию и потребление. Деятельность энергетического предприятия на рынке регламентируется рядом нормативных документов [6-7]. Основой рынка на сутки вперед (РСВ) является проводимый администратором торговой сети (АТС) конкурентный отбор ценовых заявок на сутки вперед с определением часовых равновесных узловых цен и объемов поставки (покупки). Участниками РСВ подаются заявки на все объемы электрической энергии, которые они планируют произвести (купить) в каждый час следующих суток. На основании результатов конкурентного отбора ценовых заявок на сутки вперед системный оператор планирует режимы работы электроэнергетической системы, поставщиков и покупателей электрической энергии.

Возможность планирования генерации и продажи энергии на суточном рынке делает актуальной задачу выбора оптимальной стратегии составления заявок на РСВ. Для решения задачи предлагается использовать теорию игр. Под игрой понимается рассмотрение заявок администратором сети. Правила рассмотрения заявок определяют правила игры. В качестве игрока выступает энергетическое предприятие, которое производит и продает энергию на рынке. Выбор содержания заявки игроком определяет стратегию его игры. В качестве выигрыша или целевой функции оптимизации выбирается дополнительная прибыль энергетического предприятия от продажи электрической энергии на суточном рынке, в качестве параметров оптимизации - содержание заявки на РВС.

Решение задачи выбора оптимальной стратегии проводится в два этапа, которые будем называть технологическим и рыночным.

На первом (технологическом) этапе решается задача определения оптимального режима работы оборудования с точки зрения минимального потребления топлива или минимальной себестоимости энергии. При этом могут варьироваться состав работающего оборудования, запасы и цена топлива. Для каждого анализируемого варианта при оптимальном с точки зрения технологии режиме работы составляется вариант заявки на РСВ.

На втором (рыночном) этапе прогнозируются поведение вариантов заявки на рынке и установление равновесной цены на энергию. С использованием теории игр выбирается оптимальный вариант заявки с точки зрения ее реализации на РСВ, обеспечивающий получение максимального выигрыша согласно (5).

Заключение

Предложенный матричный подход описания сложных систем теплообменных аппаратов позволил сформулировать и решить ряд задач системного анализа, актуальных для энергетики.

Список литературы

1. Мелентьев Л.А. Оптимизация развития и управления больших систем энергетики. М.: Наука, 1976. 336 с.

2. Мелентьев Л.А. Очерки истории отечественной энергетики: Развитие научно-технической мысли. М.: Наука, 1987. 278 с.

3. Моисеев З. З. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981. 488 с.

4. Жуков В.П., Барочкин Е.В. Системный анализ энергетических тепломассообменных установок. Иваново: ИГЭУ, 2009. 176с.

5. РД 34.09.155-93. Методические указания по составлению и содержанию энергетических характеристик оборудования тепловых электростанций. М.: СПО ОРГ-РЭС, 1993.

6. Постановление Правительства РФ № 643 от 27 октября 2003 г. "О правилах оптового рынка электрической энергии (мощности) переходного периода".

7. Постановление Правительства РФ № 109 от 26 февраля 2004 г. "О ценообразовании в отношении электрической и тепловой энергии в РФ".

Размещено на Allbest.ru