Оптимизация работы ТЭЦ в условиях оптового рынка электроэнергии и мощности России. Раздел 1. Содержательная постановка задачи оптимизации работы ТЭЦ в России

Аватар пользователя chuchueva

Статья опубликована в научном журнале «Наука и образование» 8 августа 2015 года, PDF версия.

Раздел 1. Содержательная постановка задачи оптимизации работы ТЭЦ в России
Раздел 2. Линеаризация расходной характеристики турбины
Раздел 3. Формальная постановка задачи краткосрочной оптимизации работы ТЭЦ в условиях рыночной электроэнергетики
Раздел 4. Вычислительный эксперимент
Список литературы с комментариями
Сравнение оптимизационных задач 1 и 2 при определении оптимального состава включенного оборудования

Оглавление раздела

Аннотация
Введение
1. Содержательная постановка задачи оптимизации работы ТЭЦ в России
1.1. Задача оптимизации работы ТЭЦ в условиях плановой электроэнергетики (задача 1)
1.2. Задача оптимизации работы ТЭЦ в условиях рыночной электроэнергетики (задача 2)
1.3. Содержательная постановка задачи оптимизации работы ТЭЦ в условиях рынка

Аннотация

В работе предложен новый подход к оптимизации работы ТЭЦ в условиях российского оптового рынка электроэнергии и мощности: сформулирован новый критерий оптимальности, предложены новые линеаризованные расходные характеристики паровых и газовых турбин. Задача оптимизации решена методами смешанно-целочисленного линейного программирования. Подход был сформулирован и реализован в рамках разработки «Системы математического технико-экономического моделирования электростанций» для семи ТЭЦ ОАО «Квадра»:

  1. Дягилевская ТЭЦ,
  2. Курская ТЭЦ-1,
  3. Липецкая ТЭЦ-2,
  4. Орловская ТЭЦ,
  5. Курская ТЭЦ СЗР,
  6. Тамбовская ТЭЦ,
  7. Смоленская ТЭЦ-2.
Система математического технико-экономического моделирования электростанций передана в промышленную эксплуатацию осенью 2014 года. Организационные аспекты разработки указанной системы изложены в статье [1].

Авторы благодарят руководителей проекта В.А. Филимонову и М.А. Горячева за высококачественную организацию выполнения работ, а также начальника производственно-технического отдела Липецкой ТЭЦ-2 В.Н. Белоусова за конструктивную критику подходов.

Авторы благодарят д.ф.-м.н., профессора МГТУ им. Н.Э. Баумана А.П. Карпенко за помощь в редактировании рукописи.

Введение

Оптимизация работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) является важной технико-экономической задачей, направленной на повышение эффективности использования природных ресурсов, которые служат топливом для ТЭЦ, и повышение экономической эффективности работы станции на рынке электроэнергии и тепла. Критерии оптимальности работы ТЭЦ зависят от условий ее эксплуатации.

В работе [2] критерием оптимальности работы ТЭЦ, входящей в состава завода по производству этилена, определены затраты химического производства. Оптимизация работы ТЭЦ выполняется с целью минимизации указанных затрат. Работы [3][4]посвящены максимизации технической эффективности работы ТЭЦ, критерием оптимальности установлена эффективность, основанная на линии Вильяна (Willan’s line). В другой работе те же авторы [5] полагают критерием оптимальности работы ТЭЦ прибыль, которую максимизируют. Авторы [6] разработали критерий оптимальности, включающий постоянные и переменные затраты ТЭЦ (operating and capital costs), задачу решают с целью минимизации указанных затрат.

В России до 2006 года в рамках плановой электроэнергетики критерии оптимальности работы ТЭЦ были определены на государственном уровне [7][8]. Указанными критериями служили расход топлива и затраты на топливо. Задача оптимизации решалась с целью минимизации этих критериев.

На сегодняшний день задача оптимизации работы ТЭЦ в России должна учитывать условия и правила функционирования Оптового рынка электроэнергии и мощности (ОРЭМ), начавшего свою работу в сентябре 2006 года. Несмотря на изменившиеся условия эксплуатации ТЭЦ, в ряде современных российских работ [9][10][11] в качестве критерия оптимальности их функционирования по-прежнему используют затраты на топливо. В частности, в работе [10] в качестве критерия оптимальности и конкурентоспособности ТЭЦ на ОРЭМ определено значение топливной составляющей (затраты на производство 1 МВт•ч электроэнергии). Эта составляющая должна быть минимизирована для режима работы ТЭЦ с известной тепловой и электрической нагрузками. Влияние цен на электроэнергию на результаты оптимизации в работе не учитывается. Автор работы [9], опубликованной в 2015 году, формулирует два критерия оптимальности работы ТЭЦрасход топлива и электрическая мощность ТЭЦ. В связи с этим в работе поставлены две задачи — минимизация расхода топлива и максимизация выработки электроэнергии. Рыночные цены на электроэнергию в постановке задачи оптимизации не учитываются.

Современная постановка задач оптимизации работы ТЭЦ имеет высокую вычислительную сложность, причинами которой являются: а) сложный вид целевой функции; б) большое число управляемых (варьируемых) параметров, которое зависит от применяемых математических моделей агрегатов ТЭЦ; в) большое число ограничений, накладываемых на значения управляемых параметров [12].

Выбор математических моделей ТЭЦ зависит от поставленной задачи. В работе [2] предложена гибридная модель, в которой параметры пара, требуемого производством, рассчитывают на основании нейросетевой модели, электрическую мощность турбин — с помощью термодинамических уравнений. Авторы [3][4] в качестве математической модели турбины используют уравнение (линию) Вильяна. В работе [6] функционирование ТЭЦ описывают при помощи термодинамических уравнений, учитывающих энтальпию и энтропию тепловой энергии. Авторы [7][8] разработали ряд линейных и нелинейных моделей агрегатов ТЭЦ. В работе [9] использованы нелинейные математические модели, учитывающие 19 параметров работы турбины и 14 параметров работы парового котла.

Задачу оптимизации работы ТЭЦ в работах иностранных авторов решают методами смешанно-целочисленного нелинейного программирования [2][5][6], при помощи генетического алгоритма [3][4]. В России для решения задачи оптимизации работы ТЭЦ, главным образом, применяют методы эквивалентирования [7][8] и динамического программирования [10]. Обзор других методов решения задачи минимизации расхода топлива, применяемых в России, приведен в работе [9].

Целью настоящей работы является постановка и решение новой задачи оптимизации работы ТЭЦ в условиях функционирования ОРЭМ. Новым критерием оптимальности работы ТЭЦ на ОРЭМ полагаем прибыль, которую требуется максимизировать на некотором интервале времени, называемом горизонтом оптимизации. Кроме того, в работе предложены новые линеаризованные расходные характеристики паровых и газовых турбин. Указанные характеристики позволяют сократить число управляемых параметров и, как следствие, снизить вычислительную сложность задачи оптимизации, а также свести задачу оптимизации к задаче смешанно-целочисленного линейного программирования [12]. Решение задачи оптимизации работы ТЭЦ в рыночных условиях реализовано при помощи интегрированного программного продукта IRM (OpenLinkInternational, Австрия). В системе IRM созданы и переданы в промышленную эксплуатацию оптимизационные модели семи ТЭЦ. По итогам решения задачи оптимизации произведена оценка потенциальной прибыли ТЭЦ при работе на ОРЭМ.

Структура статьи следующая. В первом разделе рассмотрено изменение цели оптимизации работы ТЭЦ при переходе России от плановой электроэнергетики к рыночной, приведена содержательная постановка задачи оптимизации работы ТЭЦ в рыночных условиях. Второй раздел статьи посвящен линеаризации расходных характеристик паровых и газовых турбин. В разделе приведен алгоритм определения этих характеристик, а также значения ошибок линеаризации для различных типов турбин. Третий раздел содержит формальную постановку задачи краткосрочной оптимизации работы ТЭЦ в условиях рынка: сформулированы целевая функция, набор управляемых параметров и ограничения. В четвертом разделе приведено описание программного аспекта решения задачи оптимизации работы ТЭЦ в новой постановке, а также рассмотрены экономические оценки результатов проведенных численных экспериментов.

1. Содержательная постановка задачи оптимизации работы ТЭЦ в России

В разделе рассмотрены две задачи оптимизации работы ТЭЦ: задача минимизации затрат на топливо (п. 1.1), которая ставилась в условиях плановой электроэнергетики, и задача максимизации прибыли ТЭЦ (п. 1.2), актуальной при работе на ОРЭМ. Для задачи максимизации прибыли ТЭЦ выделено четыре типа срочности: долгосрочная, среднесрочная, краткосрочная и оперативная оптимизация работы ТЭЦ. Раздел завершается содержательной постановкой задачи оптимизации работы ТЭЦ в рыночных условиях (п. 1.3).

1.1. Задача оптимизации работы ТЭЦ в условиях плановой электроэнергетики (задача 1)

В условиях плановой электроэнергетики эффективность работы ТЭЦ оценивали показателями удельного расхода условного топлива на выработку электроэнергии и тепла [8]. Задачу оптимизации работы ТЭЦ решали с целью минимизации расхода условного топлива или минимизации затрат на топливо [7][8] при условии обеспечения заданной электрической, паровой и тепловой нагрузки станции:

(1)

Таким образом, задача состояла в распределении заданной нагрузки ТЭЦ по агрегатам таким образом, чтобы расход топлива или затраты на топливо были минимальными.

Для решения задачи оптимизации в данной постановке в работах [7][8] предложен метод, оперирующий понятиями характеристика относительных приростов расхода условного топлива и характеристика относительных приростов стоимости топлива — так называемый метод эквивалентирования. Характеристики относительных приростов рассчитываются для каждого агрегата ТЭЦ. Оптимальным является режим, в котором величины относительных приростов условного топлива различных агрегатов равны между собой. Преимуществом метода является простота. Вследствие этого он широко применяется до настоящего времени.

В диссертации [10] рассмотрены актуальные недостатки задачи оптимизации работы ТЭЦ в данной постановке.

  1. Недостаточно высокое качество диспетчеризации. Служба управления режимами работы оборудования при выполнении заданного графика нагрузки в ряде случаев исходит только из условия обеспечения надежности работы, которое может противоречить требованиям обеспечения эффективности работы ТЭЦ.
  2. Несоответствие энергетических характеристик оборудования ТЭЦ фактическим режимам работы. Пересмотр нормативной базы один раз в пять лет не снимает данную проблему.
  3. Недостаточно высокое качество контроля параметров режима работы оборудования. Отсутствие автоматизированных систем управления технологическими процессами работы оборудования на большинстве ТЭЦ не позволяет вести детализированный контроль за изменениями технических параметров режима работы.

На сегодняшний день указанные недостатки нельзя считать устраненными. Один из путей повышения соответствия энергетических характеристик фактическим режимам работы оборудования состоит в регулярной корректировке энергетических характеристик на основании измерений параметров режима работы оборудования [10].

Заметим, что оценки сокращения расхода топлива при решении задачи (1) колеблются от 0,8 до 1,7% от общего расхода топлива [9][10]. Указанные величины, с одной стороны, сравнимы с ошибкой измерения расхода топлива, а с другой — подтверждают, что сокращение расхода топлива возможно только при высоком соответствии фактического режима работы оборудования ТЭЦ плану загрузки агрегатов, полученному по итогам оптимизации, что далеко не всегда имеет место на практике (недостаточное качество диспетчеризации, недостаточное качество контроля параметров режима).

В результате решения задачи (1) формируют детализированный план загрузки оборудования ТЭЦ, являющийся вспомогательной информацией для службы эксплуатации и управления режимами [9].

1.2. Задача оптимизации работы ТЭЦ в условиях рыночной электроэнергетики (задача 2)

С началом функционирования ОРЭМ в сентябре 2006 года эффективность работы ТЭЦ оценивается прибылью. Современная задача оптимизации работы ТЭЦ ставится следующим образом:

(2)

Постоянный контроль прибыли ТЭЦ является неотъемлемой частью ее эксплуатации. В зависимости от периода времени (горизонта оптимизации), для которого требуется максимизировать прибыль, выделим задачи четырех типов.

  1. Долгосрочная оптимизация работы ТЭЦ с горизонтом от одного года до нескольких лет необходима при планировании сроков ввода в эксплуатацию новых и консервации изношенных мощностей.
  2. Среднесрочная оптимизация работы ТЭЦ с горизонтом от месяца до года необходима для формирования бизнес-плана и годового планирования периодов ремонтных работ оборудования, а также подготовки заявок на конкурентный отбор мощности [13].
  3. Краткосрочная оптимизация работы ТЭЦ с горизонтом от суток до месяца необходима для формирования заявок на выбор состава включенного генерирующего оборудования, заявок на рынок на сутки вперед, а также оперативных ценопринимающих заявок на балансирующий рынок [13]. В данной оптимизационной задаче следует учитывать выручку от продажи тепла, пара, электроэнергии, а также затраты на покупку топлива и электроэнергии на собственные нужды [13].
  4. Оперативная оптимизация работы ТЭЦ для одного или нескольких часов необходима для сокращения затрат на топливо при выполнении известного графика тепловой и электрической нагрузок. В этом случае задача максимизации прибыли (2) сводится к задаче минимизации затрат на топливо (1): при работе с известным графиком тепловой и электрической нагрузок выручка ТЭЦ является известной величиной [13].

При решении задач долгосрочной и среднесрочной оптимизации работы ТЭЦ следует учитывать выручку от продажи тепла, пара, электроэнергии и мощности, а также переменные затраты (затраты на топливо) и постоянные затраты (возврат инвестиций, фонд заработной платы, стоимость ремонтов, страхование и др.) [14].

Основные отличия задачи 1 от задачи 2 состоят в следующем:

  • в задаче 1 необходимо найти минимум целевой функции, в задаче 2 — максимум;
  • в задаче 1 необходимо учитывать только затраты ТЭЦ, в задаче 2 — выручку и затраты;
  • в общем случае решение задачи 1 не соответствует решению задачи 2;
  • задача 1 является частным случаем задачи 2 при известной величине выручки ТЭЦ.

Для иллюстрации несоответствия результатов решения оптимизационных задач 1 и 2 в Приложении А рассмотрен численный пример.

Задача краткосрочной оптимизации была решена в настоящей работе (п. 3, 4), задачи долгосрочной и среднесрочной оптимизации работы ТЭЦ в рыночных условиях в России не решены и являются актуальными.

1.3. Содержательная постановка задачи оптимизации работы ТЭЦ в условиях рынка

Задачу оптимизации работы ТЭЦ в условиях ОРЭМ ставим с учетом следующих допущений.

  1. Задача оптимизации решается для равноотстоящих дискретных моментов времени t = 1,2,...,T, где T — горизонт оптимизации. Разность двух соседних моментов времени постоянна и равна Δt.
  2. Потребление и выработка различных видов энергии агрегатами ТЭЦ E(t) соответствует потреблению и выработке энергии между отметками времени t и t+Δt.
  3. Мощность на интервале времени Δt, т. е. между отметками времени t и t+Δt , является постоянной. Значение мощности для отметки времени t вычисляем как E(t)/Δt .

Критерием оптимальности работы ТЭЦ в условиях ОРЭМ является функция суммарной прибыли, которую требуется максимизировать на горизонте оптимизации T.

Управляемыми параметрами задачи оптимизации работы ТЭЦ являются параметры режима работы оборудования: нагрузка основного и вспомогательного оборудования ТЭЦ, общая тепловая и электрическая нагрузки станции, расход каждого вида топлива, объемы собственных нужд ТЭЦ.

Ограничения, накладываемые на значения управляемых параметров, состоят из ограничений, обусловленных применяемыми математическими моделями агрегатов станции (п. 3.3.1), ограничений, обусловленных диапазоном регулирования агрегатов (п. 3.3.2), и прочих ограничений (п. 3.3.3). Кроме того, необходимо соблюдение топливных, тепловых и электрических балансов.

Задача оптимизации работы ТЭЦ в условиях ОРЭМ состоит в определении значений управляемых параметров, соответствующих максимуму суммарной прибыли на горизонте оптимизации T. Информация о прибыли и соответствующих ей нагрузках агрегатов станции является исходной для планирования работы ТЭЦ на ОРЭМ [13].

Выделяем три последовательных этапа краткосрочной оптимизации работы ТЭЦ в условиях ОРЭМ (аналогичные этапы выделены в диссертации [9]).

  1. Оптимизация состава включенного оборудования — формирование оптимальной заявки для каждой единицы генерирующего оборудования на расчет выбора состава включенного генерирующего оборудования, проводимый ОАО «СО ЕЭС» [13].
  2. Оптимизация плана выработки электроэнергии — формирование оптимальной заявки на процедуру конкурентного отбора рынка на сутки вперед для каждой группы точек поставки, проводимой ОАО «АТС» [13].
  3. Оптимизация диспетчерского графика нагрузки — формирование оптимальной оперативной ценопринимающей заявки для каждой группы точек поставки на отклонение электрической нагрузки от диспетчерского графика на балансирующем рынке, управляемом ОАО «СО ЕЭС» [13].

После подачи ценовой заявки на этапе I специалисты станции получают от ОАО «СО ЕЭС» перечень включенного генерирующего оборудования и приступают к решению задачи этапа II. Аналогичным образом, по итогам подачи ценовой заявки на этапе II специалисты станции получают сначала торговый график от ОАО «АТС», а затем диспетчерский график от ОАО «СО ЕЭС» и приступают к решению задачи этапа III [13].

Таким образом, задача краткосрочной оптимизации работы ТЭЦ в условиях ОРЭМ состоит из трех указанных последовательных этапов, на каждом из которых должна быть максимизирована прибыль с учетом ограничений, полученных от инфраструктурных организаций ОАО «СО ЕЭС» и ОАО «АТС».

Поскольку финансовые расчеты на ОРЭМ осуществляются в часовом разрешении, то задачу краткосрочной оптимизации работы ТЭЦ в условиях рынка решаем с часовой дискретностью (Δt = 1 час) и в следующих единицах измерения: для потребляемой и вырабатываемой мощности агрегатов ТЭЦ E(t)/Δt используем МВт, для всех видов выработанной и потребленной энергии E(t) — МВт•ч, для цен — руб./МВт•ч. Отметки времени t соответствуют началу часа.

Раздел 1. Содержательная постановка задачи оптимизации работы ТЭЦ в России
Раздел 2. Линеаризация расходной характеристики турбины
Раздел 3. Формальная постановка задачи краткосрочной оптимизации работы ТЭЦ в условиях рыночной электроэнергетики
Раздел 4. Вычислительный эксперимент
Список литературы с комментариями
Сравнение оптимизационных задач 1 и 2 при определении оптимального состава включенного оборудования
Для добавления комментариев войдите или зарегистрируйтесь

2010 - 2017 © Математическое бюро

Все права защищены в соответствии с законодательством РФ

При полном или частичном использовании материалов ссылка на сайт обязательна