CC BY
50
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
УДК [332.145:621.311.1 (470.46)] :519.245
А. Р. Абельдаев
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ МОЩНОСТЕЙ ПРИ ПОМОЩИ ЦЕНОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА (НА ПРИМЕРЕ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ)
Универсальность ценологического подхода и сформулированного на его основе закона оптимального построения техноценозов позволяет применять их абсолютно во всех сферах человеческой деятельности [1, 2].
Однако следует отметить, что философская направленность ценологического подхода к существующей реальности позволяет решать вполне практические задачи, решение которых при помощи традиционных подходов не представляется возможным. В первую очередь эти задачи связаны с исследованиями техноценозов регионального масштаба с последующей процедурой их оптимизации. Особое место в прикладных задачах занимает оценка планируемых мероприятий при составлении различных концепций развития региона и составления рекомендаций для оптимизации рассматриваемого техноценоза с целью повышения уровня энергоэффективности с учетом возможных внутренних изменений. Наиболее эффективным и к настоящему времени апробированным инструментом ценологических исследований является ранговый анализ - метод исследования больших систем, имеющий целью их статистическое описание, а также оптимизацию и полагающий в качестве основного критерия форму видовых и ранговых распределений.
Исследование электрогенерирующих мощностей региона на системном уровне осуществлялось в три этапа.
На информационном этапе по специальным анкетам проводился сбор информации о состоянии энергосистемы региона и всех ее электрических станций. Данный этап позволил составить развернутую картину электрогенерирующих мощностей региона и подготовить базу данных для дальнейшего многофакторного анализа.
На аналитическом этапе проводилась обработка созданной базы данных и ее преобразование в наиболее удобную для дальнейшей обработки при помощи пакета Mathcad [3].
Для проведения оптимизации техноценоза в соответствии с построенными графиками распределений необходимо определить оптимальное распределение. Как показывает многолетний опыт исследования техноценозов из различных областей человеческой деятельности, оптимальной является такая конфигурация системы, которая аналитически описывалась бы двухпараметрическим аппроксимирующим выражением рангового распределения:
где параметр в находился бы в диапазоне 0,5 < Р < 1,5 .
В соответствии с этим выражением можно определить некий диапазон оптимальных состояний системы и графически это можно отобразить в виде некой полосы на графике рангового распределения.
Применим ценологический подход для оптимизации региональных электрогенерирующих мощностей Астраханской области. Основой энергетики Астраханской области является комбинированный метод производства электрической и тепловой энергии на тепловых электрических станциях (ТЭС). На территории Астраханской области действуют три ТЭС:
— Астраханская ГРЭС (электрическая мощность станции 100 МВт);
— Астраханская ТЭЦ-2 (электрическая мощность станции 380 МВт);
— ТЭЦ «Северная» (электрическая мощность станции 24 МВт).
Астраханская область является энергодефицитной. В настоящее время регион покупает часть необходимой электроэнергии на свои нужды в силу того, что имеется недостаток генерирующих мощностей (порядка 30 %).
Основу малой энергетики региона составляют дизельные электростанции, находящиеся на балансе крупных муниципальных и промышленных организаций и являющиеся резервными для надежного обеспечения электроэнергией потребителей. Приблизительная общая мощность дизельных электростанций - 47 089,4 кВт, общее количество - 422 установки.
В результате рангового анализа текущего состояния сектора электрогенерирующих мощностей региона было построено параметрическое ранговое распределение (рис. 1).
Р, кВт . „ „ 5
’ 4х105г------------------------------------------------------
3х105
2х105 1х105 •
0
0
50
100
150
Р
Рис. 1. Ранговое параметрическое распределение текущего состояния электрогенерирующих мощностей региона: • - электростанция
В данном распределении ранг № 1 имеет АТЭЦ-2. На графиках отчетливо видно, что текущее состояние в электроэнергетике региона характеризуется крайне выраженной дисгармоничностью. Наиболее мощная станция (АТЭЦ-2) вырабатывает 69,7 % всей электрической мощности региона. Суммарная мощность двух наиболее крупных электрических станций региона (АТЭЦ-2 и АГРЭС) составляет 88,1 % всех электрогенерирующих мощностей региона. Подобная ситуация является следствием тенденции предыдущих этапов развития генерирующих мощностей страны в целом, с ее гонкой за гигантизмом и отсутствием внимания к средним и малым (по мощности) источникам энергии.
Данное распределение мощностей в регионе характеризуется слабым уровнем энергобезопасности. Вывод из состава какой-либо из этих станций в случае аварийных ситуаций приведет к серьезным проблемам в регионе. В результате анализа было получено аналитическое выражение аппроксимирующей кривой:
Ж - 3,8 х105
г 2.27 '
Параметр распределения в = 2,27 выходит за пределы диапазона 0,5 < Р < 1,5 , что также свидетельствует о дисгармоничном состоянии и недостаточной эффективности работы системы в целом. График аппроксимирующей кривойу\ на рис. 2 выглядит следующим образом:
Рис. 2. Аппроксимирующая кривая рангового распределения текущего состояния электрогенерирующих мощностей региона: • - электростанция
Примечательно, что ни одна электрическая станция не вошла в рамки полосы оптимальных значений, ограниченной сплошными линиями (/ и/3). Как видно из графика, наиболее проблемной зоной остается сегмент малой энергетики в диапазоне мощности от 24 МВт до 500 кВт. Именно этот сегмент необходимо развивать в первую очередь для приведения состояния техноценоза региона в оптимальное.
В соответствии с опубликованными официальными документами «Прогноз социального и экономического развития Астраханской области на средне- и долгосрочную перспективу», «Стратегия социально-экономического развития Астраханской области на средне- и долгосрочную перспективу» и «Проект отчета о прогнозе динамики спроса на энергию в Астраханской области» будущее развитие региона может происходить по трем сценариям:
— «Астраханский инерционный»;
— «Нефтегазовый прорыв»;
— «Устойчивое развитие» [4, 5].
В соответствии с данными сценариями планируется ввод новых мощностей в регионе для достижения его энергетической самодостаточности. Таким образом, в период до 2020 г. сектор крупных электрогенерирующих мощностей в регионе будет выглядеть следующим образом (с учетом прогноза ввода новых станций).
-——Сценарий Станция -— «Устойчивое развитие» или «Астраханский инерционный» «Нефтегазовый прорыв»
Астраханская ГРЭС 125 МВт-эл 200 МВт-эл
Астраханская ТЭЦ-2 380 + 100 = 480 МВт-эл 380 + 250 + 100 = 730 МВт-эл
ТЭЦ «Северная» 24 МВт-эл 24 + 100 = 124 МВт-эл
Новая ТЭЦ Г азпрома 200 МВт-эл 200 МВт-эл
Мини-ТЭЦ, г. Знаменск 10 МВт-эл 10 МВт-эл
Мини-ТЭЦ, г. Нариманов 10 МВт-эл 10 МВт-эл
Мини-ТЭЦ, порт Оля 10 МВт-эл 10 МВт-эл
Всего к 2020 г. 859 МВт-эл 1 284 МВт-эл
Повышение энергоэффективности установок в настоящее время возможно только при соблюдении принципа «Производство электрической и тепловой энергии необходимо рассматривать как единый процесс». Новые генерирующие мощности планируется вводить на основе парогазотурбинных установок. Однако наряду с электроэнергией новые станции будут вырабатывать огромное количество тепловой энергии. И вот тут возникает вопрос: а куда девать тепло? Пренебрежение к данному аспекту, в том числе и несоблюдение норм ценологического распределения, привели к серьезным противоречиям при работе нового блока Калининградской ТЭЦ-2 [6].
Для ответа на данный вопрос необходимо рассмотреть основные тенденции развития сектора тепловой энергетики. Сравнение проектных и фактических показателей работы электрических станций показывает, что при максимальной загрузке электрических мощностей электрических станций их тепловые мощности загружены только на 37-38 % и используются неэффективно. Поэтому для обеспечения высокой тепловой нагрузки новых электрических станций необходимо преобразование центрального отопления. Это единственный выход. Центральное отопление является ключом к установлению эффективной энергетической системы региона.
Какие же основные мероприятия необходимо реализовать?
Во-первых, центральное отопление необходимо сделать надежным и доступным круглый год. Потребитель должен сам выбирать, стоит ли ему включать отопление в своем конкретном жилище или нет. Технически это сделать не так уж и сложно. Ко всему прочему здесь заложен еще и механизм экономии электроэнергии. Не секрет, что с приходом холодного времени года львиную долю электроэнергии потребляют электрические отопительные приборы. А при наличии качественного центрального отопления необходимость в них исчезнет сама собой.
Во-вторых, на административном уровне необходимо на всех внедряемых объектах устанавливать абсорбционные холодильные машины (АБХМ) для получения холода, которые позволяют не только обеспечить соответствующую загрузку станций по тепловой энергии летом, но и существенно снижают потребление электроэнергии в жаркое время года на кондиционирование (освобождается большая часть электрических мощностей).
В-третьих, принцип нераздельного производства тепловой и электрической энергии требует заменить существующие котельные на мини-ТЭЦ - дооборудовать современные котельные турбинными установками. Создание мини-ТЭЦ на базе котельных в регионе позволит обеспечить ценологическое соотношение мощностей и, следовательно, повысит энергоэффективность всей системы и обеспечит высокий уровень энергобезопасности региона. На основании данных о котельных, полученных от филиала «Астраханская генерация ЮГК ТГК-8», смоделируем ситуацию, когда все принадлежащие ей котельные будут переоборудованы в мини-ТЭЦ (тепловая мощность котельных остается неизменной). Подвергнем предлагаемый ввод новых электрогенерирующих мощностей на базе котельных согласно сценарию «Устойчивое развитие» ранговому анализу. При переоборудовании котельных блоками ПГУ суммарная электрическая мощность вводимых установок будет составлять около 235 МВт. Таким образом, представляется возможным оставить без изменений электрическую мощность самой крупной электростанции региона - АТЭЦ-2. В результате рангового анализа было построено следующее параметрическое ранговое распределение (рис. 3).
Рис. 3. Ранговое параметрическое распределение состояния электрогенерирующих мощностей региона к 2020 г. после процедуры оптимизации:
- электростанция
В данном распределении ранг № 1 также остается за АТЭЦ-2. Изменилось процентное соотношение мощностей станции - у АТЭЦ-2 этот показатель снижается с 69,7 (текущее состояние) до 36,7 % (без процедуры оптимизации составлял 53,4 %) всей электрической мощности региона. Суммарная мощность двух самых мощных станций (АТЭЦ-2 и ТЭЦ Газпрома) снижается с 88,1 (текущее состояние) до 56 % (без процедуры оптимизации - 75,6 %) всех электрогенерирующих мощностей региона. Данное перераспределение мощностей, а также появление распределенных новых станций существенно увеличивает уровень энергобезопасности региона. В настоящее время до 30 % электроэнергии в регион поступает извне. При реализации оптимизационных преобразований в регионе максимальная единичная мощность самой крупной электростанции региона будет составлять 36,7 % от суммарной мощности генерирующих мощностей региона. Таким образом, даже при аварийной ситуации на самой крупной электростанции региона остается резерв мощностей. В результате анализа было получено аналитическое выражение аппроксимирующей кривой:
3,8 X105
,.1,582
Параметр распределения в снижается со значения 2,27 (текущее состояние) до 1,582 (без процедуры оптимизации составляет 1,994). Судя по этому параметру, эффективность энергосистемы существенно возрастает. Кроме того, можно сделать предположение, что развитие сектора
электрогенерирующих мощностей достигает оптимального состояния (диапазон 0,5 £ Р £ 1,5 ), т. к. непременно будет происходить развитие сектора автономных установок с номинальной электрической мощностью от 100 кВт до 5 МВт.
График аппроксимирующей кривой у1 выглядит следующим образом (рис. 4):
Р, кВт
Я
Рис. 4. Аппроксимирующая кривая рангового распределения состояния электрогенерирующих мощностей региона к 2020 г. после процедуры оптимизации: • - электростанция
Примечательно, что все крупные электрические станции установочной мощностью до 10 МВт (с номерами рангов от 1 до 7) входят в рамки полосы оптимальных значений, ограниченной сплошными линиями (/2 и /3). Данный график свидетельствует о правильном подборе номинальных мощностей основных электрических станций региона.
Как видно из сравнения текущего состояния энергосистемы региона и ее состояния по сценарию «Устойчивое развитие», после процедуры оптимизации к 2020 г. электрогенерирующие мощности должны быть подвергнуты серьезному изменению. Эффективность работы системы однозначно возрастет и войдет в свое оптимальное состояние.
Возникает вопрос: а нужна ли оптимизация региональной электросистемы вообще? В настоящее время, даже при существующем дефиците электрогенерирующих мощностей, многие объекты получают достаточно энергии для функционирования, управление системой удовлетворительное.
Однако необходимо четко уяснить, что управление и развитие энергосистемы региона -это не простая эксплуатация электрических станций, поддержка в исправном состоянии объектов существующей электроинфраструктуры и сбор соответствующих денежных средств.
Эффективное управление и развитие электроэнергетики региона - это полная ответственность за бесперебойное обеспечение потребителей региона электроэнергией в необходимом объеме и требуемого качества при любых (даже экстремальных) условиях с учетом предъявляемых требований и прогнозируемых параметров развития.
Осуществить эффективное управление и развития энергосистемы региона без применения новых научных методов выстраивания оптимального состояния всей системы в целом -невозможно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гнатюк В. И. Закон оптимального построения техноценозов. Ценологические исследования. Вып. 29. -М.; Томский гос. ун-т: Центр системных исследований, 2005. - 384 с.
2. Кудрин Б. И. Введение в технетику. - Томск: Изд-во ТГУ, 1993. - 552 с.
3. hí/p://www.gnatukvi.ra.
4. Прогноз динамики спроса на энергию в Астраханской области: Проект отчета. Сентябрь, 2007 / Консорциум компаний СОШ1-СЕМЕНСС8МГОА-Мой МасБопаИ-8ЖЕСО, 2007/www.cenef.ru/file/Energy Бешепё Forecast-AST_rus_.pdf.
5. Концепция развития электроэнергетики Астраханской области на 2001-2005 гг. и на период
до 2010 г. (утверждена Постановлением Главы Администрации области от 31 октября 2000 г. № 423).
Кудрин Б. И., Гнатюк В. И. Заметки о Калининградской энергетике // Совершенствование управления электропотреблением и вузовская подготовка / под ред. Б. И. Кудрина, В. И. Гнатюка. - Томск: Изд-во ТГУ, 2006. - 304 с.
Статья поступила в редакцию 26.11.2008
6
THE OPTIMIZATION OF REGIONAL ELECTRICAL POWER
CAPACITIES BY MEANS OF CENOLOGICAL METHOD (BY THE EXAMPLE OF THE ASTRAKHAN REGION)
A. R. Abeldaev
The present state of regional electrical power capacities is estimated by means of rang analysis of cenological method and the most problematical sector, which we have to develop first of all, is determined. The cenological estimation of planning arrangements on exploitation of new electrical power capacities in the region for 2020 is given. Recommendations for optimization of concerned tech-nocenosis for increase of power system performance and level of regional energy safety are offered. The modelling of the state of regional electrical power capacities for 2020 after optimization and its ranking analysis are performed.
Key words: cenological method, regional electrical power capacities, ranking analysis, technocenosis, power system performance, level of regional energy safety, optimization.
