книги из ГПНТБ / Экономика газовой промышленности

горий потребителей (КЭС и ТЭЦ), которые могут исполь­ зовать сезонные избытки газа, годовые объемы производства продукции дифференцируются на осенне-зимнюю и весен­ не-летнюю выработку электроэнергии и теплоэнергии, исхо­ дя из графика работы конкретных энергетических объектов республики в объединенной энергосистеме Юга на перспек­ тиву и тепловой нагрузки ТЭЦ в отдельные периоды года.

При этом связи от строк, содержащих буферные потоки газа, показываются только для столбцов матрицы, означаю­ щих весенне-летнюю выработку электроэнергии (теплоэнер­ гии) на КЭС и ТЭЦ. В задаче не учитываются и не показы­ ваются связи от источников к потребителям, технически невозможные по условиям эксплуатации энерготехнологиче­ ского оборудования, либо явно нерациональные с точки зре­ ния комплексной оптимизации топливно-энергетического хозяйства республики. Количество технически возможных связей определяет коэффициент заполнения расчетной мат­ рицы. При проведении конкретных расчетов коэффициент заполнения матриц колебался в пределах 0,30—0,35.

При определении связей со строками матрицы для суще­ ствующих групп потребителей, дифференцированных на подгруппы по признаку приспособленности энерготехноло­ гического оборудования к использованию конкретных видов энергоносителей, в каждом конкретном случае должна учи­ тываться техническая и экономическая целесообразность перевода энерготехнологического оборудования с одного вида энергоносителя на другой.

Например, в столбцах расчетной матрицы могут выде­ ляться отдельные категории ТЭЦ, котельные установки ко­ торых в настоящее время способны сжигать соответственно газообразное, жидкое и твердое топливо. Для подгруппы, котельные агрегаты которой работают на газообразном топ­ ливе, в расчетной матрице задачи показываются связи только от условных пунктов производства газа. Это объясняет­ ся тем, что, вероятно, нет необходимости перевода в перспек­ тивном периоде котельных установок, работающих на природном газе, на донецкий уголь. Практически для такой подгруппы’ потребителей в рамках оптимизации единого топливно-энергетического баланса УССР решается транс­ портная подзадача, в которой распределению подлежат одно­ родные і-е энергоносители.

Для подгруппы, котельные агрегаты которой работают на жидком топливе, присваиваются связи от условных пунк­

231

тов производства мазута и газа. Аналогично для подгруппы ТЭЦ на твердом топливе связи присваиваются соответственно от условных пунктов производства твердого, жидкого и газо­ образного топлива, т. е. предусматривается принципиальная возможность ■перевода котельных установок с одного вида энергоносителя на другой. Какой вид топлива и с какого источника целесообразно использовать в данной подгруппе в перспективном периоде, должны показать результаты комп­ лексного решения задачи.

В зависимости от вида выбираемой связи затраты на топ­ ливо использование для категорий потребителей топливноэнергетических ресурсов рассчитываются по следующим фор­

в том случае, если /-му потребителю в матрице присваивает­ ся связь от того пункта производства топлива, к использова­ нию которого приспособлены агрегаты /-го потребителя, и

если присвоение і-й связи ведет к необходимости рекон­ струкции энерготехнологических агрегатов /-го потребителя топливно-энергетических ресурсов (АК™ — удельные капи­

тальные вложения на реконструкцию энерготехнологиче­ ской установки под новый вид топлива).

Для всех групп условных пунктов потребления топлив­ но-энергетических ресурсов, которые будут построены в пер­ спективном периоде, удельные приведенные затраты на топливоиспользование определяются следующим образом *:

Расчетные матрицы топливно-энергетического баланса УССР являются той исходной документацией, по которой информация в закодированном виде подготавливается для непосредственной реализации задачи на ЭЦВМ. Простая структура матрицы ограничений производственно-распреде­ лительной модели обусловливает принципиальную возмож­

времени, оказывающий большое влияние на эффективность капитальных вложений при строительстве новых объектов топливно-энергетического хозяйства.

232

ность решения задач баланса большой размерности. Реали­ зация модели, размерность которой характеризуется 924 ограничениями, продолжается на ЭЦВМ типа «Эллиот-503» около 4 ч*. Это время итерационного процесса решения первого вариантного расчета баланса УССР. Последую­ щие вариантные расчеты продолжаются около 1 ч. Для каж­ дого последующего вариантного расчета в качестве исходно­ го базисного плана принимают полученный оптимальный план предыдущего варианта, что позволяет существенно ус­ корить сходимость итерационного процесса решения и до­ стичь значительной экономии машинного времени.

Изложенные методы оптимизации на основе производ­ ственно-распределительной модели характеризуют ее скорее как модель топливного, чем топливно-энергетического ба­ ланса республики. Практически при наборе расчетных мат­ риц модели объемы производства электроэнергии на пер­ спективу по отдельным категориям электрических станций формируются в качестве заданных величин. Для более глу­ бокого учета особенностей функционирования топливноэнергетического хозяйства республики необходимо углу­ бить математическую формулировку модели. Некоторые принципы формирования такой модели изложены в следую­ щем параграфе данной главы.

§ 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВТОРОГО ПОРЯДКА СЛОЖ­ НОСТИ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКО­ ГО БАЛАНСА РЕСПУБЛИКИ

Разработка единого топливно-энергетического баланса республики включает вопросы развития в перспективном периоде отраслей топливной промышленности (газовой, угольной, нефтяной) и определения потребности в топливе отраслей народного хозяйства. При разработке единого топ­ ливно-энергетического баланса необходимо также определить перспективную потребность промышленности и коммуналь­ но-бытового сектора в электрической и тепловой энергии, выбрать схему развития, размещения и структуру генерирую­ щих мощностей — источников покрытия потребности в эле­ ктрической и тепловой энергии.

На основе принципов, определенных ранее, задача опре­ деления рационального топливно-энергетического баланса

* Реализация модели топливно-энергетического баланса УССР осуществ­ ляется по программе, разработанной в ГВЦ Госплана СССР.

233

УССР должна решаться в следующей последовательности: а) с использованием математических моделей энергетическо­ го баланса промышленных предприятий и замыкающих За­ трат на топливо и электроэнергию, определенных в резуль­ тате оптимизации топливно-энергетического баланса стра­ ны, рассчитывается суммарная потребность предприятий

вэлектроэнергии на промышленно-производственные нужды

вперспективном периоде; б) определяется потребность в эле­ ктроэнергии коммунально-бытового сектора; в) формирует­

ся расходная часть топливно-энергетического баланса, в которой задается суммарная перспективная потребность в электроэнергии при заданных в общей модели условиях отраслевого и территориального агрегирования.

При такой последовательности в единой модели топлив­ но-энергетического баланса (наряду с задачами, сформули­ рованными в § 2) должны решаться вопросы развития и раз­ мещения генерирующих мощностей и межрайонных потоков электроэнергии.

Для эффективного решения этих вопросов модель топ­ ливно-энергетического баланса должна быть интерпретиро­ вана как двухэтапная задача, в которой тепловые станции республики представлены в качестве промежуточных пунк­ тов (между пунктами производства и потребления топлив­ но-энергетических ресурсов), одновременно потребляющих топливо и генерирующих тепловую и электрическую энер­ гию.

Математическая постановка двухэтапной задачи опти­ мизации топливно-энергетического баланса УССР характери­ зуется следующей формой представления функционала и си­

i'=l

234

П

Вмодели введены следующие обозначения параметров:

і— множество условных пунктов производства (с учетом переработки) топливных ресурсов; і' — множество услов­ ных пунктов преобразования химической энергии топлива в тепловую и электрическую; / — множество условных пунк­ тов потребления топливно-энергетических ресурсов; г — множество участков сети магистральных газопроводов рес­ публики; р — множество участков межрайонных линий эле­

ктропередач; щ — ресурсы топлива в і-м условном пункте производства для данного расчетного периода; Ь,- — задан­ ный (плановый) объем продукции (или потребность в кон­ кретном виде топлива), вырабатываемой в /-м условном пункте потребления топлива; Э/— плановая потребность в электроэнергии /-го условного пункта потребления; /,•----

максимальная мощность на расчетный период Г -го условно­ го пункта преобразования химической энергии топлива в тепловую и электрическую; dr и dn — пропускная способ­ ность соответственно магистральных газопроводов и меж­ районных ЛЭП; Хі/ — норма расхода топлива і-го условного пункта производства на единицу продукции /-го пункта потребления; кц---- норма расхода топлива t-го пункта про­ изводства на единицу энергии, отпускаемой Г-м пунктом преобразования; т]t>j— коэффициент, учитывающий поте­ рю электроэнергии при передаче из і' -го условного пункта

235

преобразования /-му потребителю; h? — годовое число часов использования установленной мощности і'-го условного пункта преобразования энергии; а?и — коэффициент, учи­

тывающий взаимосвязь между отдельными видами топлива (хіи и хіѵ) для іи' -го условного пункта преобразования энер­

гии топлива в тепловую и электрическую; % — вывоз топ­ лива из і-го условного пункта производства в /-й услов­ ный пункт потребления; хц>— вывоз топлива из і-го ус­ ловного пункта производства в і'-й условный пункт преоб­ разования энергии; x^j — отпуск мощности из і'-го пункта преобразования /-му пункту потребления электроэнергии; Хігіг' иХігіг— потоки природного газа, транспортируемые из

і-го условного пункта производства соответственно в і'-й пункт преобразования, /-й пункт потребления по г-му газопроводу; х/ jp— потоки энергии, транспортируемые

из і'-го пункта преобразования /-му потребителю по р-й линии электропередачи.

Первая группа ограничений (8-13) модели указывает на то, что вывоз топлива, в том числе и транспортирование при­ родного газа, из каждого условного пункта производства не должен превышать имеющихся в нем ресурсов на данный расчетный период. Вторая группа ограничений (8-14) опре­ деляет необходимость удовлетворения потребности в топли­ ве каждого потребителя, размещенного на территории рес­ публики.

Аналогичную интерпретацию для удовлетворения по­ требности в электроэнергии всех потребителей имеет группа ограничений (8-15).

Группа ограничений (8-16) учитывает взаимосвязь между входными потоками (потоки топлива) и выходными потока­ ми (потоки электроэнергии) для тепловых электростанций. Группа неравенств (8-17) записывается для некоторых кате­ горий энергетических объектов для ограничений по макси­ мально возможной мощности в расчетном периоде. Группы ограничений (8-18) и (8-19) учитывают то обстоятельство, что объем транспортирования газообразного топлива по трубопроводам и электроэнергии по ЛЭП должен быть не больше пропускной способности конкретного вида транспор­ та на данном маршруте.

Ввод ограничений типа (8-20) объясняется следующими условиями. В энергетических установках тепловых электро­ станций республики могут использоваться одновременно

236

несколько видов топлива при оборудовании котельных аг­ регатов комбинированными горелками. Кроме того, при ра­ боте электрической станции на твердом топливе необходимо обязательно предусмотреть некоторое резервное топливо, ис­ пользующееся при растопке котельных агрегатов и при рабо­ те энергетического оборудования на пониженных нагрузках. В качестве резервного, как правило, на электростанциях республики предусматривается жидкое или газообразное топливо.Этот факт и учитываетсяв ограничениях типа (8-20), смысл математической записи которых заключается в сле­ дующем: при удовлетворении в оптимальном плане і'и-й

группы преобразования химической энергии топлива в теп­ ловую и электрическую энергию топливом вида хіи должно выбираться некоторое сопутствующее топливо х{ в количе­ стве, определенном коэффициентом взаимосвязи осу . В

последней группе ограничений заложено требование неот­ рицательности искомых потоков топлива и электроэнергии.

В функционале модели записано требование минимиза­ ции суммарных затрат, связанных с добычей, переработкой, магистральным, распределительным транспортом, использо­ ванием энергоносителей на тепловых электростанциях и у потребителей, выделяемых в расчетной матрице баланса.

Формальная запись математической модели дает возмож­ ность судить, что в структурном отношении эта модель на­ много сложнее производственно-распределительной модели баланса. Она более адекватна системе топливно-энергетиче­ ского хозяйства республики, так как дает возможность уче­ та взаимосвязей функционирующей системы электроэнерге­ тики с газовой, нефтеперерабатывающей и угольной про­ мышленностью.

Следует отметить, что структура модели не изменится, если в систему электроэнергетики будут включены станции на ядерном горючем. Это особенно важно с точки зрения разработки балансов республики на перспективный период, когда АЭС станут играть значительную роль в суммарной выработке^электроэнергии всеми источниками производства.

С математической точки зрения задача оптимизации пер­ спективного топливно-энергетического баланса УССР в дан­ ной постановке является общей задачей линейного программи­ рования. Для ее реализации на ЭЦВМ используется моди­ фицированный симплекс-метод с мультипликативным пред­ ставлением обратной матрицы.

237

Мультипликативный симплекс-метод используется с уче­ том модификаций Зойтендейка, которые позволяют при раз­ работке программы обеспечить значительную экономию ма­ шинной памяти.

Принципиальная блок-схема алгоритма решения модели

(8-12) — (8-21) приведена на рис. 2.

.Более сложная математическая интерпретация определя­ ет необходимость уменьшения размерности системы при реа­ лизации топливно-энергетического баланса на ЭЦВМ. Од­ нако значительным преимуществом системы математического обеспечения данной модели является ее гибкость по от­ ношению к изменениям функциональных зависимостей в ма­ трице ограничений. Другими словами, ввод любых математи­ ческих соотношений в производственно-распределительную модель, нарушающих ее специальную структуру, приводит к невозможности использования всего комплекса машинных программ, разработанных для этой задачи.

Вто же время изменение функциональных соотношений

вмодели (8-12) — (8-21) с соблюдением единственного тре­ бования линейности не приводит к необходимости какихлибо изменений в программном обеспечении.

Конечно, вопросы выбора состава энергогенерирующих мощностей и их размещения при заданной потребности в эле­ ктроэнергии отдельных районов можно приближенно ре­ шать и в распределительной задаче. Однако в .этом случае необходимо проводить целый ряд трудоемких преобразова­ ний по переводу конечных потоков электроэнергии к экви­ валентному количеству используемого на электростанциях топлива, что резко увеличивает время подготовки информа­ ции для реализуемой задачи.

Вмодели же (8-12) (8-21) эти трудности отсутствуют, так как входные и выходные потоки для электростанций интерпретируются в натуральных показателях.

Проблемы подготовки исходной информации для опре­ деления рациональных Направлений развития газового хо­ зяйства республики в единой системе оптимизации топлив­ но-энергетического баланса характеризуют другую сторону процесса формализации. Хотя состав необходимых для оп­ тимизации технико-экономических показателей в определен­

ной степени зависит от математической формулировки [зада­ чи, тем не менее при разработке баланса на различных ма­ тематических моделях необходимо подготавливать практи­ чески ничем не отличающиеся один от другого массивы

238

исходной информации. Проблемы информационного обеспече­ ния задач оптимизации систем топливно-энергетического хозяйства более сложны, чем проблемы моделирования и ма­ тематического обеспечения. Задача подготовки массива исходной информации к математическим моделям является трудоемкой и имеет самостоятельное значение. На некото­ рых проблемах информационного обеспечения математиче­ ских моделей систем топливно-энергетического хозяйства следует остановиться более подробно.

§ 5. ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Практическое использование моделей топливно-энерге­ тического хозяйства УССР и его отдельных подсистем связа­ но с необходимостью разработки обширной и разнообразной информации. Показатели входной информации к математиче­ ским моделям можно условно разделить на следующие ос­ новные группы: а) объемные показатели в области приход­ ной части баланса; б) объемные показатели в области расход­ ной части баланса; в) показатели территориального разме­ щения; г) показатели удельных расходов топлива и энергии в отраслях народного хозяйства; д) показатели, характери­ зующие конфигурацию транспортных маршрутов топлива и энергии; е) нормативные показатели эксплуатационных затрат на добычу, переработку, транспортирование, хра­ нение и потребление топливно-энергетических ресурсов

взависимости от объема производства, технических и техно­ логических факторов; ж) нормативные показатели удельных капитальных затрат (с учетом фактора времени) на поддер­ жание существующих мощностей, реконструкцию и новое строительство предприятий на различных этапах функцио­ нирования топливно-энергетического хозяйства; з) показате­ ли межотраслевых и внутрисистемных топливно-энергети­ ческих связей; и) информационные показатели, получаемые

врезультате оптимизации системы топливно-энергетическо­ го хозяйства на более высоком территориальном уровне.

Этот перечень не является исчерпывающим в области оптимизации систем топливно-энергетического хозяйства. Выяснение необходимых и достаточных потоков информа­ ции между отдельными подсистемами топливно-энергетиче­ ского хозяйства, находящихся на различных уровнях

иерархии, обоснованное определение внутрисистемных ин­

240