книги из ГПНТБ / Экономика газовой промышленности

Практически алгоритм решения задачи по нескольким критериям сводится к необходимости реализации исходной задачи по всем критериям с последующим построением и ре­ шением для нахождения компромиссного плана следующей системы.

Чтобы сформулированная компромиссная задача имела технико-экономическую интерпретацию, в качестве норми­ рующей величины вместо геометрического понятия длины

Г л а в а VIII

-ПЛАНИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО ГАЗОСНАБЖЕ­ НИЯ ОТРАСЛЕЙ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА УКРАИН­ СКОЙ ССР ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОМПЛЕКСНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОПТИМИЗАЦИИ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА

§1. ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БА­ ЛАНСА РЕСПУБЛИКИ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДСТВЕННО­ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Задача определения рациональной структуры исполь­ зования природного газа в отраслях народного хозяйства должна решаться на основе методов комплексной оптимиза­ ции общей системы топливно-энергетического хозяйства УССР, сложность взаимосвязей которого определяется не­ обходимостью включения в единую систему подсистем добы­ чи, переработки и транспортирования твердого, жидкого и газообразного топлива; источников генерирования и пе­ редачи электроэнергии; всего многообразия потребителей топливно-энергетических ресурсов, размещенных на терри­ тории республики.

Отразить в единой математической модели всю сложность взаимосвязей иерархических подсистем топливно-энергети­ ческого хозяйства — довольно сложная задача с позиций формализации, а также принципиальной возможности эф­ фективного решения такой модели при существующих в на­ стоящее время математических средствах и машинном обеспечении. Поэтому общая модель, в которой не учитывается огромное количество факторов, должна быть в структур­ ном отношении достаточно простой, что обеспечивает воз­ можность реализации на ЭЦВМ задач большой размер­ ности.

Топливно-энергетическое хозяйство Украинской ССР является частью общей системы топливно-энергетического хозяйства страны, поэтому в основу моделирования задачи оптимизации перспективного топливно-энергетического баланса республики должны быть положены основные мето­ дические принципы, разработанные для оптимизации ба­ ланса Союза в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижа­ новского. В то же время математическая модель топливноэнергетического хозяйства УССР не может быть точной ко­

,213

пией модели страны, поскольку она должна учитывать спе­ цифику внутренних энергетических связей республики. Следовательно, экономико-математическое моделирование топливно-энергетического баланса УССР должно рассматри­ ваться как творческий процесс формализации специфиче­ ских условий развития топливно-энергетического хозяйства республики на базе сформулированных (применительно к моделям страны) общих приемов математического моде­ лирования.

При неограниченных ресурсах высококачественных ви­ дов топлива задача разработки рационального топливноэнергетического баланса республики могла бы быть решена однозначно. Однако в реальной практике планирования раз­ вития топливно-энергетического хозяйства наблюдается быстрый рост потребности в топливе и энергии процессов промышленного производства и все возрастающий дефицит топливно-энергетических ресурсов. В этих условиях в топ­ ливно-энергетический баланс республики вовлекаются не только экономичные виды энергоносителей, к которым отно­ сится природный газ, но и менее эффективные источники топлива, обеспечивающие в комплексе удовлетворение по­ требности народного хозяйства в различных видах энергии.

Под рациональной (оптимальной) структурой топливноэнергетического баланса в данных условиях понимают такую структуру, при которой перспективная потребность отрас­ лей народного хозяйства в топливе и энергии обеспечивается с минимальными народнохозяйственными затратами. Отсюда следует, что цели оптимизации баланса страны и Украин­ ской ССР аналогичны. Отличие заключается лишь в размер­ ности систем. Уменьшение размерности задачи при оптими­ зации баланса УССР за счет территориального фактора опре­ деляет необходимость уточнения на модели республики ряда вопросов, которые не находят своего отражения в модели страны.

Так, в модели республики необходимо учесть ряд вопро­ сов, связанных с местными особенностями и условиями производства и потребления топливно-энергетических ре­ сурсов, режимными показателями потребителей, особеннос­ тями функционирования транспортных систем энергоноси­ телей и т. д.

Эти вопросы решаются в модели республики прежде все­ го за счет более детального (по сравнению с моделью стра­ ны) агрегирования источников производства и потребления

214

топливно-энергетических ресурсов, выделения в модели в ка­ честве единичных потребителей крупных энергетических объектов, использующих топливо и электроэнергию.

При различной степени агрегирования и детализации математическая формулировка модели республики может практически ничем не отличаться от математической интер­ претации модели страны.

В качестве модели первой степени сложности в основу оптимизации топливно-энергетического баланса УССР по­ ложена производственно-распределительная математиче­ ская модель, приближенно описывающая возможные связи между источниками производства и потребления топлива

[82].

Стандартная форма записи производственно-распредели­ тельной модели характеризуется следующим функционалом

исистемой ограничений:

тп

ся простой структурой ограничений и интерпретирует си­ стему топливно-энергетического хозяйства республики как одноэтапную задачу. Модель линейна. Нелинейные зависи­ мости экономических показателей добычи, транспортирова­ ния и использования топлива в ней аппроксимируются линейными зависимостями в определенных интервалах изме­ нения аргументов. Интерпретация топливно-энергетичес­ кого хозяйства в качестве одноэтапной системы нивелирует множество факторов, играющих определяющую роль в функ­ ционировании частных подсистем, что существенно влияет на результаты решения задачи оптимизации баланса рес­ публики.

Критерием оптимизации производственно-распредели­ тельной модели является минимум суммарных приведенных затрат на топливо и энергоснабжение, обеспечивающее при­

215

нятый на расчетный год уровень развития народного хозяй­ ства республики. При этом учитываются затраты на геоло­ гопоисковые и геологоразведочные работы; добычу, перера­ ботку, обогащение топлива; преобразование энергии топли­ ва; магистральный и распределительный транспорт топлива и энергии; хранение топлива и использование энергоресур­ сов на потребительских установках. Отсюда ясно, что коэф­ фициенты при переменных критерия оптимизации (8-1), являющегося сепарабельной функцией, формируются как суммы отдельных слагаемых затрат на отдельных этапах функционирования системы топливно-энергетического хозяй­ ства. При проведении экспериментальных расчетов оптими­ зации баланса республики по замыкающим затратам на топ­ ливо и энергию, полученных в результате оптимизации системы топливно-энергетического хозяйства страны, количе­ ство слагаемых при формировании отдельных коэффициен­ тов функционала модели значительно уменьшается, так как отпадает необходимость учета отдельных составляющих затрат на геологопоисковые работы, добычу и магистраль­ ный транспорт топлива до конкретных центров потребления: Таким образом, экономичность отдельных вариантов энер­ госнабжения энергетических и отдельных процессов про­ мышленного производства определяется в производственнораспределительной модели путем сравнения суммарных за­ трат по всему технологическому циклу, характерному для каждого t-го энергоносителя, от добычи топлива до его ис­ пользования в энерготехнологической установке.

Если в задаче (8-1) — (8-4) определить множество і как множество источников производства топлива, а j как мно­ жество потребителей топливно-энергетических ресурсов, то свободные члены ограничений at и bj можно интерпрети­ ровать следующим образом: а,- — располагаемые ресурсы топлива в плановом периоде в каждом і-м источнике; b/ — планируемые объемы производства продукции в каждом

м пункте потребления топлива и энергии. Следовательно, при оптимизации топливно-энергетиче­

ского баланса должны задаваться на определенный планиру­ емый период возможные к использованию топливно-энерге­ тические ресурсы и объемы производства промышленной продукции в республике. Практически при разработке пер­ спективного баланса вследствие возрастающей потребности в топливно-энергетических ресурсах задача (8-1) — (8-4) формируется как закрытая, когда суммарные располагаемые

216

ресурсы равны суммарной потребности отраслей народного хозяйства республики в топливе и энергии.

При формировании вектора ресурсов А в задаче должны учитываться как выходные, так и входные потоки топлива и энергии, т. е. выдача топливно-энергетических ресурсов республики в другие территориальные районы страны и на экспорт, а также их подача из других районов страны для удовлетворения производственно-эксплуатационных нужд Украинской ССР.

і Информация на планируемый период по внешним связям топливно-энергетического хозяйства республики с топлив­ но-энергетическим хозяйством страны должна определять­ ся в результате комплексной оптимизации баланса СССР

и представляться в качестве входной при решении задач на более низком территориальном уровне. Другими словами, для расчета перспективного баланса УССР как самостоя­ тельной локальной задачи должно быть задано, какое коли­ чество природного газа, угля, электроэнергии, производи­ мой в республике, необходимо поставить в планируемом пе­ риоде в другие республики и на экспорт, а также, какие объемы топлива и энергии будут подаваться для удовлетворе­ ния эксплуатационных нужд Украинской ССР из других районов страны. Окончательно ограничения по ресурсам' формируются, исходя из полученных результатов оптими­ зации топливно-энергетического баланса Союза и перспек­ тивы развития отраслей топливной и топливоперерабатываю­ щей промышленности республики. При этом осуществляется детальное агрегирование не только централизованных ре­ сурсов, но и местных видов топлива, которые не находят сво­ его отражения при оптимизации баланса страны. К послед­ ним относятся: торф, дрова, сжиженный газ и т. д.

Вектор потребности В формируется, исходя из намеча­ емого на перспективу развития отраслей промышленнос­ ти, потребляющих топливо и энергию. Основой для форми­ рования компонент вектора потребности являются планиру­ емые объемы производства продукции в республике (объе­ мы производства чугуна, стали, проката, цемента, поковок, штамповок и т. д.) в натуральных показателях; планируемое развитие электроэнергетики Украинской ССР; рост населе­ ния. При определении компонент вектора потребности долж­ на быть учтена намечаемая на перспективу реконструкция и расширение существующих промышленных предприятий; ввод новых мощностей; технический прогресс в отраслях

217

I

промышленного производства; определены виды топлива и энергии, которые могут быть использованы в энерготехно­ логических процессах.

В соответствии с такой интерпретацией свободных членов задачи, которые определяются как некоторые краевые усло­ вия, первая группа ограничений производственно-распре­ делительной модели (8-2) указывает на то, что вывоз топли­ ва по всем направлениям из каждого /-го пункта производ­ ства не должен превышать имеющихся в нем ресурсов на данный расчетный период.

Вторая группа ограничений (8-3) определяет необходи­ мость удовлетворения потребности в топливно-энергетиче­ ских ресурсах каждого /-го потребителя, расположенного на территории республики.

I Коэффициенты матрицы ограничений модели интерпре­ тируются в зависимости от способа определения компонент вектора потребности bj. Если компоненты вектора потребнос­ ти определены в качестве натуральных показателей, т. е. заданными в задаче считаются годовые объемы производства

ходимые пропорции между производимой продукцией и кон­ кретными видами энергоносителей. В данном случае эти коэффициенты интерпретируются как величины, обратные удельному расходу і-го энергоносителя на единицу продук­ ции /-го потребителя.

Если же свободные ,члены ограничений модели Ь/ зада­ ются как потребности каждого /-го потребителя в конкрет­ ном виде энергоносителя, то коэффициенты Хц определяют­ ся как отношения соответствующих нормативов расхода топ­ лива (энергии).

Искомыми величинами в модели являются потоки топли­ ва и энергии, которые необходимо использовать в перспек­ тивном периоде для удовлетворения производственных нужд Украинской ССР.

Потребность в конкретных видах топлива, используемых в энерготехнологических процессах промышленности рес­ публики, межрайонные перетоки топлива определяются в ре­ зультате комплексного решения задачи (8-1) — (8-4) на основе сопоставления технико-экономических показателей различных вариантов топливоснабжения для энергетических процессов производства электроэнергии и тепла и некоторых процессов промышленного производства.

2 1 8

Как следует из практики оптимизации топливно-энерге­ тического баланса республики, вопросы, связанные с взаи­ мозаменой и выбором энергоносителей в энерготехнологиче­ ских процессах промышленного производства, не могут быть эффективно решены в рамках комплексной модели. К этим процессам относятся высокотемпературные процессы метал­ лургического производства, нагревательные процессы маши­ ностроительной и металлообрабатывающей промышленнос­ ти и т. д.

Вопросы выбора эффективных энергоносителей в ука­ занных процессах должны решаться на локальных моделях. Последние должны разрабатываться на низких уровнях иерархии топливно-энергетического хозяйства при оптими­ зации энергетических балансов крупных промышленных предприятий или промышленных узлов. В этом случае в ма­ тематическую модель, описывающую в формализованном виде подсистему энергетического хозяйства промышленного предприятия, можно ввести функциональные зависимости, характеризующие особенности энергоснабжения данного предприятия, учитывающие возможности рационального использования вторичных энергетических ресурсов, а также ряд местных и режимных условий производства и использо­ вания энергоносителей.

Выбор энергоносителей в технологических процессах при оптимизации баланса промышленного предприятия дол­ жен осуществляться на основе оценки энергоносителей по замыкающим затратам на топливо (природный газ, донецкий уголь, мазут) и энергию, что обеспечивает соответствие по­ лучаемых решений на локальных моделях глобальному оп­ тимуму развития топливно-энергетического хозяйства.

Следовательно, в общей модели топливно-энергетическо­ го баланса республики для этих процессов (при заранее определенных энергоносителях) определяются лишь сум­ марные потоки топлива, которые необходимо транспорти­ ровать от конкретных источников производства для удовле­ творения потребности промышленных предприятий в топ­ ливно-энергетических ресурсах при планируемых объемах производства чугуна, стали, проката и т. д.

Решение же вопросов по выбору конкретных видов топли­ ва в общей модели баланса республики на основе сопостав­

219

простой технологией производства продукции. К последним относятся обжиговые процессы промышленности строитель­ ных материалов (производство цемента, кирпича и т. д.)

Производственно-распределительная математическая мо­ дель дает возможность при разработке топливно-энергети­ ческого баланса республики сочетать принципы отраслево­ го и территориального планирования. В связи с этим в математических моделях оптимизации баланса большое зна­ чение приобретают вопросы отраслевого и территориального агрегирования источников производства и потребления топ­ ливно-энергетических ресурсов.

§ 2. ПРИНЦИПЫ АГРЕГИРОВАНИЯ В МОДЕЛИ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА РЕСПУБЛИКИ

Территориальное агрегирование источников производ­ ства и потребления топлива, а также источников преобразо­ вания химической энергии топлива в тепловую и электриче­ скую обусловливается необходимостью поэлементного опре­ деления затрат в каждом из намечаемых вариантов топли­ воснабжения. Это требование заложено в функционале мате­ матической модели при формировании удельных показателей затрат, играющих роль коэффициентов при переменных це­ левой функции. Для того чтобы учесть в общей цепочке сто­ имостных показателей затраты на магистральный транспорт топлива и энергии, необходимо прежде всего знать взаимно­ территориальное размещение каждого і-го источника про­ изводства и каждого /-го потребителя. Кроме того, необхо­ димо наметить возможные варианты и маршруты транспор­ тирования топлива из г-го источника /-му потребителю, исходя из перспективного развития сети железных дорог в рес-. публике, трубопроводного транспорта природного газа и жидкого топлива, а также линий магистральной передачи электроэнергии высокого напряжения. Каждый из возмож­ ных маршрутов транспортирования топлива и энергии меж­ ду і'-м источником и /-м потребителем будет характеризо­ ваться определенными транспортными расходами.

Отсюда следует, что чем более детально в модели прове­ дено территориальное агрегирование источников и потреби­ телей топливно-энергетических ресурсов, тем более точно можно определять затраты, связанные с магистральным транспортом энергоносителей. Вопросы территориального

220