Методы и направления решения проблемы использования торфа как возобновляемого местного энергоресурса региона Текст научной статьи по специальности «Математика»

5(236) - 2012

ЭКОНОМИКА И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

УДК 330.15 (470.317)

методы и направления решения проблемы использования торфа

как возобновляемого местного энергоресурса региона

в. м. каравайков,

доктор технических наук, профессор кафедры экономики и управления E-maП: kvml@ya. ш

н. р. подкопаева,

кандидат экономических наук, профессор кафедры экономики и управления E-maП: kvml@ya. ш

а. с. Федоров,

аспирант кафедры экономики и управления E-maП: kvml@ya. ш Костромской государственный технологический университет

В статье изложены методы системного анализа эффективности функционирования территориально распределенных промышленных объектов с технико-экономических и социально-организационных точек зрения для поддержки принятия управленческих решений на примере оценки использования торфяных месторождений при планировании развития регионального топливно-энергетического комплекса. Определена методика построения функции пространственного влияния объектов на ценность территории.

Ключевые слова: торф, торфяная промышленность, объекты влияния, функция пространственного влияния объекта, модель пространственного влияния объекта, функция принадлежности, весовые коэффициенты.

Для развития экономики Костромской области важным направлением является использование мес-

тных ресурсов и, в частности, торфа в качестве топлива и сельскохозяйственного удобрения. Торф как энергоресурс, с одной стороны, является ископаемым энергоресурсом, с другой — постоянно возобновляемым естественным путем. Другими достоинствами торфа являются сравнительная простота его добычи (заготовки) и возможности использования в энергетических установках малой и средней мощности. Но использование торфа связано с рядом проблем, среди которых — значительно меньший, чем у других видов топлива, объем единичных залежей и существенная территориальная их рассредоточенность.

Именно поэтому целесообразность использования торфа является сложной проблемой, связанной с решением ряда экономических, социальных, организационных и экологических задач. Находить решение данной проблемы необходимо только с

помощью системного анализа; при этом должен учитываться основной фактор — территориальная рассредоточенность (распределенность) промышленных объектов.

В связи с этим становится крайне важной разработка методов и инструментальных средств системного анализа эффективности функционирования территориально распределенных промышленных объектов в целях принятия оптимальных управленческих решений на примере оценки использования торфяных месторождений при планировании развития регионального топливно-энергетического комплекса. В соответствии с этой целью актуальными представляются следующие задачи:

1) описание предмета исследования в виде системы, основным системообразующим фактором которой является пространственное взаимовлияние элементов;

2) определение моделей пространственного влияния как основы системного анализа территориально распределенных промышленных комплексов на примере оценки эффективности использования торфяных месторождений;

3) разработка методики принятия управленческих решений по развитию территориально распределенных промышленных комплексов путем системного применения моделей пространственного влияния в виде иерархии геоинфомационных моделей на примере освоения торфяных месторождений.

В современных условиях и на ближайшую перспективу (до 2015 г.) возникла необходимость стимулирования развития потребления торфа как твердого топлива, имеющего динамику роста с наименьшей стоимостью на единицу теплотворной способности (рис. 1).

Основными преимуществами торфа в настоящее время являются следующие: • низкая стоимость на единицу теплотворной

способности;

6 000р. 4 000р. 2 000р. 0р.

I

hi

■ Торф

□ Уголь

□ Газ

2008

2011

2014

Рис. 1. Сравнение стоимости топлива в 2008—2014 гг., руб. за т условного топлива (тут)

• близкое расположение добывающего предприятия к месту потребления топлива (обычно до 100 км);

• возможность резкого увеличения потребления топлива в пиковые нагрузки, т. е. нет необходимости накопления топлива и, соответственно, отвлечения оборотных средств на его закупку;

• малая зольность топлива;

• низкое содержание серы в топливе.

Если сравнивать современный уровень затрат на создание угольного разреза или торфопредприя-тия, то средние укрупненные удельные капитальные вложения составляют:

— для торфа — около 2 100 руб./т;

— для угля — около 3 200 руб./т.

Ввод в топливный баланс торфа потребует на каждый млн т от заинтересованных организаций следующих капитальных вложений:

— на проектирование, изыскания, подтверждение запасов — около 50 млн руб.;

— на организацию и строительство — около 2,1 млрд руб. [1].

Переход на сжигание торфа и замещение дальнепривозных углей в условиях прогнозного роста цен на природный газ в ближайшую перспективу являются актуальной задачей для субъектов РФ, где есть собственные запасы торфа, присутствуют отходы лесоперерабатывающих производств. По расчетам комитета Госдумы РФ по энергетике, если принять стоимость торфа за 100 %, цена на уголь составит более 190 %, а на топочный мазут — 180—252 %. Сейчас торф более выгоден в качестве топлива для теплоэлектростанций, чем природный газ [3]. Существующее котельное оборудование позволяет сжигать одновременно и уголь, и торф, и отходы деревопереработки, подготовленные соответствующим образом (дробление). Современные котлы с циркулирующим кипящим слоем или вихревым сжиганием допускают одновременное сжигание различных твердых топлив.

Непосредственно организация процесса по вводу торфа в топливный баланс предприятий является в основном административной работой органов исполнительной власти в субъектах совместно с собственниками генерирующих компаний.

Анализ потребления первичных энергетических ресурсов показал, что Костромская область 95,2 % первичных энергоресурсов ввозит из других регионов, и только 4,5 % приходится на местные виды топлива: торф и дрова. Доставка в область

органического топлива — угля, мазута, газа является чрезвычайно острой проблемой. Кардинальное решение этой проблемы может быть связано только с освоением местных возобновляемых источников энергии. Удорожание ввозимых топливно-энергетических ресурсов приводит к зависимости от поставок топлива и снижению энергетической безопасности региона.

В этой связи модернизация коммунальной энергетики возможна либо за счет мероприятий по энергосбережению, либо за счет увеличения в топливно-энергетическом балансе Костромской области доли местных энергоресурсов. Задача вовлечения в хозяйственный оборот торфа как доступного, дешевого и экологически чистого вида топлива, становится очень актуальной для оптимизации топливного баланса области. Торф имеет следующие сферы применения: сельское хозяйство и животноводство, медицина, биохимия, энергетика.

Использование торфа как топлива обусловлено его составом: большим содержанием углерода, малым содержанием серы, вредных негорючих остатков и примесей. По сути, это молодой уголь. В качестве топлива торф применяется в трех видах: фрезерный торф в виде россыпи для сжигания во взвешенном состоянии; полубрикет (кусковой) торф, малой степени прессования, производимый непосредственно на торфяной залежи; торфяной брикет, высококалорийный продукт большой степени прессования на технологическом оборудовании, заменяет каменный уголь.

Торф имеет несколько важных качеств, определяющих его ценность для земледелия: улучшает структуру почвы, ее водно-воздушные свойства. Являясь основой среды обитания любого растения и влагорегулятором, он обеспечивает оптимальные условия получения продукции во всех климатических зонах, содержит уникальные компоненты: гуминовые кислоты, аминокислоты, обладает бактерицидными свойствами, одинаково необходим для любых типов почвы.

В медицине, биохимии, промышленности в качестве абсорбентов, фильтрующих элементов, газопоглотителей разного рода используются активные угли, являющиеся продуктом глубокой переработки торфа, получаемые в результате химического изменения торфяной крошки под действием высоких температур без доступа других химических реактивов.

В процессе химической переработки кускового торфа под действием высоких температур происходит выделение до 98 % углерода. В результате этого получается углеродный восстановитель металла (кокс), имеющий широкое применение в металлургии. Кроме того, кокс используется как высокоэнергетическое бытовое топливо (каминное, гриль-топливо).

Костромская область попадает в промышлен-но-экономический район торфяных ресурсов РФ, который следует рассматривать как главную базу для развития комплексного торфяного производства и добычи торфа в крупных масштабах на ближайшие 15—20 лет.

За время разработки торфяных месторождений, начиная с 1905 г., на территории Костромской области выработано 22 торфяных месторождения в 10 районах общей площадью 394,7 га. При этом количество торфяных месторождений — 1 220, а общая площадь промышленной залежи — 137 381 га.

Структура целевой направленности решения проблемы использования торфа как возобновляемого местного энергоресурса представлена на рис. 2.

Задача определения перспективности разработки торфяного месторождения относится к классу многокритериальных задач, которые имеют следующие особенности: задача имеет уникальный, новый характер — нет статистических данных, позволяющих обосновать соотношения между различными факторами влияния; на момент принятия решения принципиально отсутствует информация, позволяющая объективно оценить возможные последствия выбора того или иного варианта решения. Но поскольку решение, так или иначе, должно быть принято, то недостаток информации необходимо восполнить. Это может быть сделано лишь людьми на основе их опыта и интуиции. Определение месторождений, разработка которых будет иметь наибольший экономический эффект, возможно осуществить, применяя пространственный анализ, базирующийся на методе функций пространственного влияния объектов на прилегающую территорию. Если влияние объектов одной группы достаточно легко можно оценить, используя нормальный закон распределения (для каждого объекта), то вычисление суммарного влияния нескольких типов объектов возможно с использованием методов прикладного системного анализа.

Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо: выявить объекты влияния;

Источник: составлено авторами по данным [2].

Рис. 2. Структура целевой направленности решения проблемы использования торфа как возобновляемого местного энергоресурса

описать свойства объекта; описать модель влияния объекта каждого типа на свойства территории; определить степень влияния каждого типа объектов; разработать методику расчета суммарного влияния всех типов объектов; представить результат в наиболее удобной и наглядной форме.

Ценность торфяного месторождения определяется влиянием объектов инфраструктуры, транспортной доступностью и характеристикой самой залежи. Кроме того, необходимо учитывать и отрицательно влияющие факторы, такие как болотистая местность, озера, водохранилища или заповедная зона.

Следующий этап — определение функции пространственного влияния. Говоря о влиянии обозначенных выше критериев на свойства территории, логично использовать нормальный закон распределения для описания модели этого объекта. По мере удаления от объекта его влияние уменьшается, и величину этого влияния можно рассчитать и представить на географически наглядном языке в виде рельефа или поверхности.

В общем виде влияние объекта определяется как:

Sij = 8уе#, (1)

где Sj. — оценочная величина значимости (веса) объекта;

^ — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств объекта; г.. — расстояние от объекта до текущей точки рассматриваемой территории. В этой функции имеется две переменные, которые требуется доопределить: Я — радиус влияния и S. — оценочная величина. Если радиус влияния определяется практически исходя из одного главного фактора — транспортных расходов, то оценка значимости требует применения методов экспертной оценки большого количества значимых факторов.

Вырабатывая комплексную оценку перспективности освоения торфяных месторождений, необходимо применение эвристических методов поддержки принятия решений. Наибольший интерес для решения задачи комплексной оценки свойств территории имеют следующие аспекты: ранжирование приоритетных решений, нормализация разнородных данных и способы назначения весовых коэффициентов для значимых критериев.

В связи с этим далее приводится общая постановка задачи многокритериальной (векторной)

оптимизации планирования развития отдельных отраслей торфяной промышленности и некоторые основные подходы к ее решению с использованием метода экспертных оценок.

Многокритериальная задача оптимизации вместе с множеством возможных, (допустимых) решений Dx включает набор целевых функций (называемых также частными критериями) Q , Q Q Q Набор частных критериев образует вектор-функцию (векторный критерий), которую далее будем обозначать через

Q(x) = {Qi(x) Q2(x),...QS(x)}.

Таким образом, при существовании в задаче нескольких частных критериев рассмотрим задачу многокритериальной оптимизации как задачу нахождения такого вектора x, который обеспечивает одновременно минимальное или максимальное (в зависимости от поставленной задачи) значение каждому частному критерию.

Метод свертывания векторного критерия является наиболее распространенным для решения многокритериальных задач, он учитывает относительную важность частных критериев оптимальности с помощью построения скалярной функции F, являющейся обобщенны м критерием относительно векторного критерия Q(x), и решения однокрите-риальной задачи оптимизации:

minF ( w,Q( x )),

где W = {wj,..., wS } — весовые коэффициенты относительной важности частных критериев.

В качестве обобщенных критериев могут быть использованы функции F следующего вида:

а) аддитивный критерий оптимальности:

F(W,Q(x) =f,WiQi (x);

i=j

б) мультипликативный критерий оптимальности:

F(W,Q(x) =f[wtQt(x) ;

i=j

в) среднестепенной обобщенный критерий оптимальности:

ь 1 S

F (w,Q( x ) = - X wQP (x)/p.

S i=j

Выбирая обобщенный критерий в виде аддитивной функции, от субъективизма при выборе предпочтения между векторными критериями переходим к субъективизму, связанному с назначением численных значений коэффициентов. В связи с

этим возникает вопрос о выборе численных значений весовых коэффициентов. Некоторые способы назначения весовых коэффициентов в аддитивном критерии оптимальности описаны в [1]. Для равноценных критериев, т. е. критериев, для которых невозможно установить приоритет по важности, значения весовых коэффициентов выбираются одинаковыми. Для неравноценных критериев значения весовых коэффициентов выбираются в соответствии с важностью критерия.

Очевидно, комплексная оценка перспективности разработки торфяных месторождений, учитывающая такие группы объектов, как характеристика месторождения и транспортная доступность, будет более точной, если ее проводить с помощью метода назначения коэффициентов значимости, имеющего максимально возможное математическое обоснование. Один из таких методов — метод анализа иерархий (МАИ), который представляет более обоснованный путь решения многокритериальных задач, чем другие эвристические методы принятия решений [4]. Метод анализа иерархий является замкнутой логической конструкцией, обеспечивающей с помощью простых правил анализ сложных проблем во всем их разнообразии и приводящей к наилучшему ответу. К тому же, применение метода позволяет включить в иерархию все имеющиеся по рассматриваемой проблеме знания. Это является сбалансированным путем решения трудной проблемы.

Далее необходимо выделить основные направления исследований, в рамках которых будут определены весовые коэффициенты критериев значимости и проведена комплексная оценка свойств торфяных месторождений:

• одно из главных направлений — диверсификация топливных ресурсов в направлении использования местных видов топлива — добыча топливного фрезерного торфа, обеспечение потребностей котельных, ТЭЦ, выявление участков территории Костромской области, наиболее перспективных для обеспечения теплоснабжения на базе торфяного топлива;

• сельскохозяйственный торф — выявление месторождений, наиболее перспективных для разработки с целью производства удобрений, торфяных грунтов (учитывая производственные мощности существующих торфопредприятий); выявление участков территории Костромской области, наиболее перспективных для орга-

низации производства сельскохозяйственного торфа;

• переработка торфа — выявление участков территории Костромской области, наиболее перспективных для организации производства переработки торфа (торфяные брикеты, газогенераторное топливо, торфяной воск, торфяной кокс).

В настоящее время широко применяются интегрированные информационные системы как эффективное средство реализации новых информационных технологий. К числу таких относятся геоинформационные системы (ГИС), которые благодаря своей функциональности и многоаспектнос-ти продолжают развиваться и находят применение в самых разнообразных сферах деятельности. По своим технологическим возможностям одним из основных назначений ГИС является поддержка решений. Поэтому в качестве основы решения задачи оптимизации использования местных топливных ресурсов — задачи поддержки проектных решений — используется ГИС-технология.

Схема системы поддержки принятия решений основана на применении специально разработанного модуля для визуализации результатов моделирования.

Профессором Б. А. Староверовым была создана геоинформационная система торфяных месторождений Костромской области с использованием данных кадастра торфяных месторождений, данных Костромаоблстат по характеристикам топливно-энергетических объектов области, а также общегеографической карты Костромской области 1995 г. масштаба 1:500 000.

ГИС позволяет проводить многовариантный поиск и решение задач моделирования типа «что отстоит от», «пересекает», «полностью содержит», которые могут использоваться при предварительной экономической оценке объектов на ранних стадиях геологического изучения, в том числе при оценке прогнозных ресурсов, при обосновании наиболее эффективных вариантов освоения объектов и т. д.

Метод анализа иерархий, взятый за основу для расчета влияния слабоформализуемых объектов, выявляет правила, позволяющие определить наилучший вариант решения проблемы, выхода из ситуации, — лучшую альтернативу и упорядочить их по интегральному показателю. Для оценки степени важности критериев (объектов влияния) экспертом учитывается качественная и количественная состав-

ляющие этого критерия. Если же использовать для описания объектов функцию пространственного влияния, то при сравнении критериев будет оцениваться только сам факт наличия этого критерия. Таким образом, перераспределение этапов расчета между МАИ и возможностями ГИС-технологии возможно оценить множество альтернатив, каждая из которых соответствует элементарному участку в заданных пределах квантования для выбранной модели описания объектов.

Для расчета влияния слабоформализуемых объектов авторами принят метод анализа иерархий, который позволяет выявлять правила, позволяющие определить наилучший вариант решения проблемы, выхода из ситуации — лучшую альтернативу и упорядочить их по интегральному показателю. Для оценки степени важности критериев (объектов влияния) учитывается качественная и количественная составляющие этого критерия.

Данные о влиянии объектов на свойства территории могут быть получены с помощью различных технологий и из разных источников, но главная их ценность в точности и форме представления. Для целей хранения и распространения применимы многообразные формы представления данных: табличная, графическая, в виде аналитических функций (например уравнений состояния) или программных кодов. Задача по исследованию системы использования торфяных ресурсов является слишком сложной и многогранной для того, чтобы использовать для ее решения только точные, хорошо определенные модели и алгоритмы. При решении задачи оценки свойств территории в масштабе района или при более детальном изучении влияния объектов инфраструктуры большую точность можно получить, используя модель объекта «дорога», учитывающую удаленность от месторождения. Такую модель нужно использовать вместе с моделью торфяного месторождения с функцией пространственного влияния вида (1).

Если считать, что перевозка торфа целесообразна на расстояние ЯЬ км, то характеристика объекта влияния будет линейно убывать вдоль транспортного пути и иметь вид:

5 д = s0■ (1 -

где Ь — расстояние по транспортному пути;

50 — характеристика объекта влияния;

RL — расстояние, на которое целесообразно

осуществлять перевозки.

Если все вышерассмотренные объекты можно охарактеризовать как возможности, то объекты группы «Потребитель» описывают потребности в топливном сырье в определенной точке пространства. К таким объектам отнесем котельные Костромы и Костромской области, а также действующие торфопредприятия.

В качестве характеристики объекта «Потребитель» выберем производственную мощность для торфопредприятия и эквивалентное количество топливного торфа для работы котельных.

Так как расстояние, на которое выгодно возить торф не зависит от цели использования и свойств пункта назначения, то функция пространственного влияния будет иметь вид (1).

Характеристику объекта «потребитель — котельная» определим:

5 = п-Г, (2)

где V — потребность районного центра в топливном торфе, тонн;

п — количество лет, планируемых для использования торфа в качестве топлива. На территории Костромской области расположены 7 торфопредприятий. Главной их характеристикой являются производственные мощности. Аналогично функция принадлежности будет иметь вид (1), а характеристику объекта «потребитель — торфопредприятие» определим по формуле (2).

Для поддержки принятия управленческих решений при моделировании возможных вариантов использования торфа была разработана библиотека моделей.

Торфяное месторождение:

• модель объекта, учитывающая запасы, удаленность от месторождения (транспортная составляющая);

• модель объекта, учитывающая направление использования — для сельского хозяйства, для переработки, как топливо;

• модель объекта, запрещенного для разработки. Транспортная доступность:

• модель объекта, учитывающая грузоподъемность и скорость транспортной единицы;

• модель объекта, дополнительно учитывающая удаленность от залежи. Потребитель:

• модель объекта «Котельная»;

• модель объекта «Торфопредприятие». Модель объекта влияния выбирается в зависимости от поставленной задачи.

Таким образом, в процессе изучения вопроса об использовании различных видов топлива в качестве топливно-энергетических ресурсов было определено, что развитие торфяной промышленности в регионе является приоритетным. Определение месторождений, разработка которых будет иметь наибольший экономический эффект, должна осуществляться с применением пространственного анализа, базирующегося на методе функции пространственного влияния объектов на прилегающую территорию.

Было выявлено, что ценность торфяного месторождения определяется влиянием объектов инфраструктуры, транспортной доступностью и характеристикой самой залежи. Кроме того, учитывались и отрицательно влияющие факторы, такие как болотистая местность, озера, водохранилища или заповедная зона.

Определена методика построения функции пространственного влияния объектов на ценность территории, основная идея которой — объединение характеристики объектов влияния и функции принадлежности, используемой в теории нечетких множеств.

Также авторами определены коэффициенты функций принадлежности и функций для расчета характеристики объекта влияния. Предложены варианты задач, решаемых с помощью созданной библиотеки объектов.

Таким образом, в работе проведена интегрированная оценка эффективности разработки торфяных месторождений Костромской области. В результате выявлены наиболее перспективные для разработки районы. Данная информация является необходимой для поддержки принятия решений по разработке того или иного месторождения. Несомненно, что, оценивая вместе наиболее значимые факторы, можно получить более достоверную картину.

Список литературы

1. Алтунин А. Е., Вострое Н. Н. Оптимизация многоуровневых иерархических систем на основе теории размытых множеств и методов самоорганизации // Сборник «Проблемы нефти и газа Тюмени». Вып. 42. Тюмень, 1979. С. 68—72.

2. Каравайков В. М. Эколого-экономическая эффективность использования торфа в Костромской области как энергетического ресурса // Региональная экономика: теория и практика. 2009. № 4 (97). С. 2-7.

3. Пономорев В. От газовой трубы - в торфяное болото // Эксперт Волга. 2007. № 18. С. 17-19.

4. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий / пер. с англ. М. : Радио и связь, 1993.

5. Щербо Г. Оптимизация «корзины» // Эксперт Волга. 2007. № 18. С. 10-12.