Методологический подход к управлению энергосбережением в коммунальной теплоэнергетике

Ш Энергетика

«тли_

С.А.Семенов

Методологический подход к управлению энергосбережением в коммунальной теплоэнергетике

В настоящее время коммунальная теплоэнергетика (КТЭ), являющаяся одним из наиболее крупных потребителей топливно-энергетических ресурсов, работает со сверхнормативными потерями тепловой энергии, не обеспечивая требуемые надежность и уровень комфорта, Имеющийся значительный потенциал экономии энергоресурсов обуславливает необходимость и целесообразность проведения активной энергосберегающей политики. Однако на данный момент в КТЭ наблюдается сравнительно низкий уровень энергосберегающей деятельности, вызванный отсутствием или недостаточной эффективностью управления этим процессом. Рассмотрим основные положения разрабатываемого автором методологического подхода к управлению энергосбережением в КТЭ.

Под управлением в данном случае понимается принятие и реализация оптимальных решений с целью повышения эффективности использования энергоресурсов. Алгоритм принятия решений основан на системном подходе, а критериями выбора служат минимум приведенных затрат и срок окупаемости.

Для определения способов управления такой сложной системой, как КТЭ, необходимо исследовать ее основные свойства. Всем системам энергетики присущи общие свойства [1], проявление которых для каждой из них имеет свою специфику. Во многом коммунальная теплоэнергетика по своим свойствам соответствует системам централизованного теплоснабжения (СЦТ) [2,3], но имеет ряд характерных особенностей. Рассмотрим наиболее важные с точки зрения управления свойства КТЭ.

Структурные свойства (иерархичность, централизация, автономность) проявляются в следующем,

Иерархичность проявляется в структуре, в постановке задач управления и в их решении, в проведении исследований системы. Свойство иерархичности структуры КТЭ подразумевает наличие в ней подсис-' тем разных уровней. Например, подсистема ТЭК страны - тепловое хозяйство региона - КТЭ муниципалитета - локальная система теплоснабжения района.

Иерархия управления функционированием КТЭ подразумевает применение нескольких уровней: центральное (теплоисточник - магистральные тепловые сети), районное (контрольно-распределительный пункт - распределительные тепловые сети), групповое (центральный тепловой пункт (ЦТП) - квартальные тепловые сети), местное (индивидуальный тепловой пункт (ИТП) -

здание или его секция) и индивидуальное (помещение - приборы) управление. В зависимости от типа КТЭ отдельные элементы структуры управления могут отсутствовать,

Централизация характеризует мощность системы. Особенностью КТЭ в сравнении с СЦТ является возможность сочетания централизованных и децентрализованных систем. Под автономностью понимается относительная самостоятельность подсистем (наличие децентрализованного теплоснабжения, районных СЦТ),

Свойства движения - динамичность, гибкость и экономичность - для КТЭ проявляются следующим образом.

Динамичность выражается во влиянии состояний системы в различные моменты времени (прошлого на настоящее, настоящего на будущее). Это свойство проявляется в постепенности изменения числа и типа потребителей и в связанной с этим реконструкции существующих и прокладке новых тепловых сетей, а также в вводе новых и/или реконструкции существующих источников теплоты. Для различных элементов системы КТЭ свойство динамичности проявляется по-разному.

Для крупных теплоисточников энергосбережение при реализации может приводить к существенной недогрузке установленного оборудования и/или изменению его структуры. Возможен отказ потребителей от централизованного теплоснабжения в пользу строительства своих теплоисточников,

Для тепловых сетей изменение тепловых нагрузок потребителей в сторону снижения приводит к ухудшению гидравлических режимов из-за недозагрузки эксплуатируемых теплопроводов. Перекладка трубопроводов на другие диаметры возможна лишь при ремонте тепловых сетей.

Свойство динамичности в наибольшей степени присуще потребителям. Действительно, изменение числа, типа потребителей и их тепловых нагрузок оказывает сильное влияние на работу всей системы КТЭ, Как показывает опыт работы теплового хозяйства г. Братска [4], изменение структуры тепловых нагрузок (практически полное отсутствие технологической нагрузки в паре) привело к переводу теплоисточников в отопительный режим работы. Проложенные паропроводы не используются и требуют демонтажа. На теплоисточниках вынуждены переходить на другие графики отпуска тепловой энергии,

838 Энергетика

та

Под гибкостью понимается способность системы достаточно быстро изменять свою структуру в условиях внешних возмущений, Это свойство включает инерционность, стабильность, адаптивность и надежность,

Свойство экономичности для КТЭ выражается в минимуме затрат при соблюдении ограничений на надежность функционирования и развития системы, трудовые и материальные ресурсы, требования экологии, социальные факторы и др.

К группе свойств управляемости относятся неопределенность, многокритериальность, самооргани-зуемость.

Свойство неопределенности (недостаточной определенности) обусловлено неполнотой информации о текущем и перспективном состояниях системы. Для КТЭ это свойство проявляется в изменении основных показателей: а) структуры и количества потребляемой тепловой энергии; б) размещении потребителей; в) вида и качества используемого на теплоисточниках топлива, г) тарифов на энергоносители и др. Неопределенность информации усугубляется наметившейся в энергетике в целом и в КТЭ в частности глобальной тенденцией к диверсификации, выражающейся в разнообразии используемых первичных энергоресурсов, источников энергоснабжения и типов энергоустановок. Для КТЭ диверсификация выражается в разнообразии используемых видов топлива (ископаемые и/или вторичные энергоресурсы, электроэнергия и др.), источников теплоснабжения (централизованные, децентрализованные) и установленных в них типов теплогенераторов.

В этих условиях определение однозначных решений по оптимальному функционированию и развитию КТЭ практически невозможно и требуется применять специальные методологические подходы, например, разрабатываемые в ИСЭМ СО РАН [5],

Многокритериальность для КТЭ проявляется в наличии нескольких противоречивых критериев эффективности функционирования и развития системы: обеспечение надежного и качественного теплоснабжения потребителей при минимуме материальных, денежных, трудовых затрат и загрязнении окружающей среды.

Свойство самоорганизуемости проявляется в способности КТЭ изменять структуру и параметры в зависимости от внешних условий: возможности функционирования в случае аварий и др.

Многие свойства являются взаимосвязанными, поэтому в комплексных исследованиях должны учитываться совместно.

Следует отметить и совместные с системами централизованного теплоснабжения свойства КТЭ, осложняющие технологическую управляемость системы [2]: двухлинейность тепловых сетей (для открытых систем с различными и переменными во времени расходами); возможность регулирования подачи теплоты потребите-

лям как количеством теплоносителя - расходом, так и качеством - его температурой (качественно-количественное регулирование); технологические ограничения на параметры: на скорость теплоносителя (не более 3,5 м/с во избежание вибрации), на скорость изменения температуры теплоносителя (в тепловых сетях не более 30 °С/ч) и др.

КТЭ имеет особенности в формах и структуре управления. Она, как и другие системы энергетики, имеет ярко выраженную иерархическую структуру. Хозяйственное управление может содержать до четырех уровней: город - район - служба - бригада. Технологическое управление: система топливоснабжения - теплоисточник - ЦТП - ИТП - абонент. Финансовое управление: федеральные органы - региональные органы - муниципалитет - теплоснабжающее предприятие - эксплуатационная организация - потребитель. Организационно-правовое управление: федеральные законодательные акты - региональные законы - муниципальные распоряжения - приказы по подразделениям теплоснабжающей организации - договоры с потребителями.

Внешние связи КТЭ с окружающей средой проявляются в ограничениях на выбросы загрязнителей в атмосферу. Они могут повлиять на мощность теплоисточников, привести к изменению структуры оборудования и топливоснабжения. Существенное влияние оказывает фоновое загрязнение в месте расположения котельной.

Региональные особенности КТЭ проявляются в климатических, социальных, трудовых и других ограничениях. Так, для северных территорий климатические условия предъявляют повышенные требования к надежности топливо- и энергоснабжения.

Отметим характерные особенности, отличающие КТЭ от традиционных систем теплоснабжения. В первую очередь, системы КТЭ носят ярко выраженный социальный характер; от надежности и экономичности работы всех элементов КТЭ зависят условия жизнеспособности населения.

Для КТЭ свойственна и особая схема финансирования - из местных и частично региональных бюджетов. Тяжелое финансовое положение в сфере жилищно-коммунального хозяйства, сложившееся в последние годы, не позволяет решать вопросы эффективной эксплуатации, реконструкции и развития систем КТЭ в комплексе, Как показал опыт последних суровых зим [6,7], это является причиной образования потенциальных очагов масштабных аварий с тяжелейшими последствиями и большими затратами на их ликвидацию.

По сравнению с традиционными СЦТ структура КТЭ также имеет свои особенности, Она может состоять из нескольких автономных систем различной конфигурации, полностью или поэлементно принадлежащих разным собственникам, которые ставят и решают свои цели и задачи. Действительно, в систему КТЭ

может входить значительное количество централизованных и индивидуальных источников энергии, эксплуатирующих разнотипное оборудование и сжигающих различные виды топлива. Причем, если внутрикварталь-ные тепловые сети чаще всего принадлежат муниципалитетам, то магистральные и распределительные -разным собственникам.

Для большого числа систем КТЭ очень остро стоит проблема загрязнения атмосферы при работе котельных, т.к. большинство из них работают на низкокачественном топливе. В первую очередь это относится к восточным регионам страны. Так, в Иркутской области доля угля в структуре потребляемого котельно-печного топлива превышает 70% [8]. Коммунальные теплоисточники в подавляющем большинстве располагаются в черте города в непосредственной близости к потребителям, поэтому загрязняющие выбросы в атмосферу от них оказывают более сильное воздействие по сравнению с КЭС и ТЭЦ, Учет экологических требований может вносить существенные поправки в структуру теплоисточников, например, привести к переводу их на другие, экологически более чистые виды топлива или на электроэнергию.

Одним из неотъемлемых условий управления такой сложной системой является выявление основных закономерностей во взаимосвязях между элементами, т.е. моделирование системы. Вследствие многообразия сложных внутренних и внешних связей, исключающего на данном этапе исследований возможность полного детерминированного описания, общая задача повышения эффективности функционирования и развития КТЭ может решаться путем декомпозиции ее на аналогичные подзадачи в отдельных элементах.

Характерной особенностью предлагаемого методологического подхода является комплексность решения поставленной проблемы. Она выражается в следующем: 1) коммунальная теплоэнергетика как объект управления представляет собой взаимосвязанную единую систему, состоящую из самостоятельных элементов; 2) в КТЭ помимо теплоисточников, тепловых сетей и абонентов в качестве структурного элемента входят технологии топливоснабжения, что вызвано сильной зависимостью эффективности работы теплоисточников от вида и качества поставляемого топлива; 3) наряду с технологическим рассматривается организационный уровень управления, без эффективной работы которого невозможно обеспечить достижение поставленных целей; 4) структура математического описания и управления КТЭ соответствует иерархии системы; 5) сочетание математического и физического моделирования; 6) учет экологических ограничений на функционирование и развитие системы,

Среди всех элементов системы КТЭ особое внимание уделяется повышению эффективности в технологиях топливоподготовки и на теплоисточниках. Под технологиями топливоподготовки в данном случае по-

нимаются процессы и установки по производству из низкосортных углей высококачественных энергоносителей, предназначенных для сжигания в коммунальных теплоисточниках, С этой точки зрения наиболее универсальной следует признать термическую переработку топлив методами пиролиза.

Процессы пиролиза в классическом виде - коксования и полукоксования - используются достаточно давно для термического облагораживания каменных углей. Здесь под пиролизом понимается широкий круг высокоинтенсивных технологий по переработке низкокачественных углей с получением широкого спектра продуктов, Из смолы пиролиза получают искусственные жидкие топлива (ИЖТ) и химические продукты, полукокс используется как энергетическое, технологическое или коммунально-бытовое топливо, газ в большинстве случаев целесообразно сжигать на месте получения для генерирования электрической или тепловой энергии.

Необходимо отметить, что технологии топливоподготовки на основе пиролиза можно отнести к новым энергетическим технологиям, технико-экономические показатели и перспективы внедрения которых для производства качественных видов топлива для энергетики, в том числе коммунальной пока не совсем ясны.

С целью выявления наиболее перспективных для топливообеспечения коммунальных теплоисточников схем пиролиза был выполнен прогнозный анализ данной технологии. Алгоритм исследований основывался на системном подходе, предложенном в Сибирском энергетическом институте (Институте систем энергетики им. Л.А.Мелентьева) СО РАН для изучения новых энергетических технологий [9]. Его особенность заключается в иерархичности структуры исследований, выполняемых по схеме: технологический процесс, технологическая установка и энергетическая система (рисунок). На каждом уровне применяются свои показатели эффективности и соответствующие математические модели, Алгоритм прогнозирования технологий топливоснабжения на основе пиролиза включал следующие этапы.

Первый этап. Определяются возможные области применения технологий пиролиза. Для этого проводится физико-химическая классификация возможных процессов, Для каждого выделенного при классификации процесса по результатам обработки литературных данных выявляются потенциальные достоинства и недостатки, рассматриваются возможные схемы установок на его основе на предмет технической и экономической целесообразности промышленного применения в перспективе, Для дальнейших исследований отбираются лишь те кандидатуры, которые имеют шансы на успех,

Второй этап. Проводится термодинамический анализ процессов пиролиза с целью определения потенциальных возможностей их физико-химического и энергетического совершенствования. Исследуются

Ш Энергетика

лишь те модификации, для которых эти возможности остаются неясными, Для дальнейшего анализа отбираются процессы, для которых обнаруживаются теоретические возможности достижения высокой энергетической и экологической эффективности.

Третий этап. Для отобранных на предварительной стадии анализа технологий конкретизируются принципиальные технологические схемы, конструкционные особенности основного оборудования; разрабатывается избыточный граф технологической установки, включающий возможные варианты схем, и определяются рациональные значения термодинамических параметров и расходных характеристик в узлах схемы. Искомые технико-экономические показатели (КПД, удельные расходы топлива, приведенные затраты на производство конечного продукта и др.) определяются в зависимости от прогнозируемых физико-технических и конструкционных показателей по следующему алго-

ритму,

Прогнозные значения параметров физико-химических процессов, лежащих в основе работы элементов технологической схемы (температура, давление, удельные расхода сырья и энергии), определяются на основе обработки литературных данных. Для тех процессов, перспективы совершенствования которых неизвестны (например, химические превращения в пиролизерах), эти параметры варьируются от значений, достигнутых на сегодняшний день, до максимально возможных (предельных) величин, Последние оцениваются по результатам термодинамического анализа,

Для новых элементов технологической схемы отыскиваются конструкционные и технико-экономические характеристики. Так, для пиролизеров рассматриваются различные варианты конструкций и отбираются наиболее приемлемые физико-технические и конструкционные решения. Математические соотношения,

Матем атические модели н-----------

Схема прогнозирования перспектив развития технологий пиролиза угля

Ш% Энергетика

агяи' _

связывающие физико-химические, конструкционные и экономические характеристики элементов, составляются на основе регрессионных зависимостей, заимствуемых из специальной литературы.

Для преодоления существенной неопределенности прогнозных стоимостных показателей сырья, энергоресурсов, материалов и оборудования предусматривается варьирование соотношений между отдельными статьями затрат, Путем сопоставления альтернативных вариантов технологической схемы и расходно-термодинамических параметров в ее узлах производится выбор наиболее рационального варианта, При этом определяются и технико-экономические показатели по установке в целом.

Четвертый этап. Оценка возможных масштабов внедрения технологии пиролиза осуществляется на основе исследования системной эффективности изучаемой технологии (различий в приведенных затратах на создание и функционирование системы при наличии и отсутствии в ее составе данной технологии).

Пятый этап. Выработка рекомендаций по управлению развитием технологии с обоснованием целесообразности и перспективных направлений НИОКР.

Для проведения второго, третьего и четвертого этапов исследований необходимо использование соответствующих математических моделей, а в случае их отсутствия - их создание. Анализ физико-химической и энергетической эффективности основывается на термодинамической модели процессов пиролиза (МОПР). Технико-экономические показатели конкурирующих вариантов технологии определяются с помощью математической модели технологической установки (МОТУС). Эффективность различных установок пиролиза в системе оценивается с применением математической модели структуры технологий (МОСТ). Остальные этапы исследования выполняются при помощи неформализованных методов.

Для теплоисточников спектр исследуемых вопросов был очерчен наиболее актуальными проблемами: совершенствованием топочных устройств и тепловых схем, внедрением перспективных схем водоподготовки, использованием нетрадиционных источников энергии. Анализ этих технологий основывался на методических положениях, широко применяемых в энергетике,

Возможности повышения экологической эффективности коммунальных теплоисточников оценивались с применением термодинамического и частично кинети-

ческого моделирования, а также соответствующих методических положений. При этом исследовались процессы образования загрязнителей при сжигании различных топлив, их трансформации в атмосфере, а также разрабатывались технологические и конструктивные мероприятия по сокращению вредных выбросов.

Предлагаемый методологический подход был частично применен при разработке и реализации программ энергосбережения в ЖКХ и бюджетных организациях г. Братска [10,11],

Библиографический список

1. Теоретические основы системных исследований в энергетике I А,3,Гамм, А.А.Макаров, Б.Г.Санеев и др, - Новосибирск: Наука. Сиб, отд-ние, 1986, - 334 с.

2. Юфа А.И., Носулько Д.Р. Комплексная оптимизация теплоснабжения. - Киев: Тэхника, 1988. - 135 с,

3. Монахов Г,В., Войтинская Ю.А, Моделирование управления режимами тепловых сетей, - М,: Энергоатомиздат, 1995, - 224 с,

4. Семенов С.А„ Потапова Т.А. Анализ проблем развития источников теплоснабжения северных городов Восточной Сибири на примере г, Братска II Труды Братского гос, техн. ун-та. - Братск: БрГТУ, 2001. - Т. 2.

5. Фактор неопределенности при принятии оптимальных решений в больших системах энергетики / Под ред, ЛС,Беляева, А.А.Макарова, АС.Попырина,

A.П.Меренкова, - Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1974.-Т. 1. - 253 е.; Т, 2, - 184 с,; Т, 3. - 166 с,

6. Применение новых технологий при реконструкции систем коммунальной энергетики: Сборник докладов и тезисов научно-практ. конф. - Иркутск: ИрГТУ, 2001, - 108с.

7. Шарипов И.Р, Анализ причин аварийных ситуаций на v объектах коммунальной энергетики II Новости теплоснабжения. - 2002. - №3. - С. 52-54.

8. Программа энергосбережения в Иркутской области на период до 2005 г. (концепция), - Иркутск, 2001, - 100 с,

9. Каганович Б,М„ Филиппов С,П., Анциферов Е,Г. Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы, - Новосибирск: Наука, 1989. - 256 с.

10. Казаков B.C., Курбацкий В.Г„ Семенов СЛ., Шуманский

B,Б, Разработка и внедрение первоочередных энергосберегающих мероприятий для муниципального сектора г, Братска II Энергосбережение в регионах России-2000: Тезисы докладов научно-практ. конф. - М., 2000, - 84 с,

11. Семенов С,А„ Проненков A.A., Семенов Д.С. Об энергосбережении в бюджетных организациях (на примере БрГТУ) II Труды Братского гос, техн, ун-та. - Братск: БрГТУ, 2002. - Т. 1.