Основные подходы к выбору состава оборудования в рамках станции

До настоящего времени, оптимизация работы оборудования сводилась, в основном, к оптимизации оперативного распределения нагрузки между агрегатами, главным образом на минимизации расходов топлива при заданном составе оборудования.

В основе этих работ лежит так называемый метод относительных приростов топлива. Суть данного метода состоит в том, что минимум расхода топлива на станции достигается при равенстве относительных приростов расхода топлива на каждом агрегате. В качестве относительных приростов рассматривается частная производная расхода топлива по мощности каждой установки

 

        .                                          (1)

 

Это условие позволяет определять очередность загрузки агрегатов. В первую очередь должны загружаться те агрегаты, которые имеют наименьшие относительные приросты топлива, а разгружаться - на оборот, агрегаты, имеющие наибольшие относительные приросты.

Способы распределения нагрузки агрегатами станции, основанные на этом методе, имеют ряд недостатков, которые могут привести к существенным погрешностям:

· не учитывается возможность использования на станции разных видов топлива с разными стоимостными показателями;

· не учитываются затраты топлива, связанные с условиями перехода из одного состояния в другое;

· не учитывается влияние изменения величины выбросов вредных веществ на себестоимость электрической энергии.

· не учитывается изменение стоимости электроэнергии на рынке.

В последующем/ была сделана попытка перейти от метода относительных приростов топлива к методу относительных приростов топливных затрат. В этом случае в качестве функции оптимизации выступает уже не прирост расхода топлива, а прирост топливных издержек и уравнение оптимизации сводится к виду:

 

                                                   (2)

 

В этом случае

 

И_Тi = с_i*b_i*N_i             ,             (3)

 

где

с_i - стоимость топлива на i-ом агрегате, приведенная к условному, руб/тут;

b_i - удельный расход условного топлива на i-ом агрегате при нагрузке N_i, тут/МВт ч;

N_i - нагрузка i-го блока, МВт.

Такая постановка задачи оптимизации позволяет без особого труда находить оптимальное распределение нагрузки для агрегатов, работающих на разных видах топлив, с разными стоимостными показателями, в условиях тарифного регулирования. Но не определяет возможностей получения максимального дохода при работе в условиях рынка электроэнергии. Так как в этом случае цена на электроэнергию существенно меняется в течение суток, что существенно усложняет задачу получения максимальной прибыли. В этом случае максимальная прибыль должна определяться для каждого часа суток. На рис.7.2. приведен график изменения цен в течение рабочего дня (2011 год), а на рис.7.3 для выходного дня.

 

 

Рис.7.2. Изменение цен на электроэнергию в обычный рабочий день

 

Рис. 7.3.Изменение цен на электроэнергию в выходной день

 

 

При распределении электрической и тепловых нагрузок между агрегатами ТЭС важно определить не только то, какую из установок необходимо загружать более, а какую - меньше, необходимо каждый раз определять экономическую целесообразность кратковременного вывода части работающих агрегатов в резерв и вид этого резерва. Так как при избытке работающего оборудования и недостаточного диапазона его регулировочного диапазона может возникнуть избыток электроэнергии, в первую очередь для прохождения провала графика нагрузки и цена может стать нулевой. Следует отметить, что в период провала графика нагрузки она действительно всегда ниже цены РСВ. Что хорошо видно на графиках (рис. 7.2 и 7.3). Получаемая в этом случае экономия топлива достигается как за счет снижения расхода топлива на холостой ход выведенных в резерв агрегатов, так и снижения удельного расхода топлива на оставшихся в работе агрегатах вследствие их более полной загрузки. Для агрегатов ТЭЦ составляющая экономии топлива определяется еще и увеличением выработки электрической энергии на тепловом потреблении за счет понижения давления в регулируемых отборах, из-за увеличения расхода сетевой воды через сетевые подогреватели агрегатов, оставшихся в работе. В результате, получаем, что по мере увеличения продолжительности провала нагрузки, вывод агрегатов в резерв, путем останова, приводит к уменьшению относительной доли пусковых затрат и при длительных провалах нагрузки к экономии топлива.

Останов части работающих агрегатов приводит к снижению величины вращающегося резерва и ухудшению возможности аварийного подхвата нагрузки. Кроме того, частые остановы и пуски приводят к накоплению усталостных напряжений и могут привести к отказу отдельных элементов и узлов, к снижению срока службы агрегатов к увеличению возможного недоотпуска электроэнергии, к увеличению затрат на ремонт оборудования. Поэтому для выбора состава оборудования необходимо учитывать все эти факторы.

 

Одним из факторов определяющих эффективность работы ТЭС в рыночных условиях, является выбор состава оборудования, при этом на каждом этапе выбора состава одновременно производится оптимальное  распределение тепловой и электрической нагрузки между агрегатами.

Основными критериями выбора состава оборудования, как уже говорилось ранее,  является максимизация маржинальной прибыли. Причем при выборе состава оборудования, максимизация прибыли планируется на период выбора состава, как правило, в современных условиях это два дня, за Х-2 дня, т.е реально выбор состава производится на в новых условиях (см. выше выбор в системе) на 3 суток, с возможностью корректировки ежесуточно.

 

Исходными параметрами для выбора состава оборудования являются:

-прогноз цен на электроэнергию, по часам каждых суток на неделю вперед;

-прогноз температуры наружного воздуха на каждый сутки;

-прогноз тепловой нагрузки в виде пара, по часам каждых суток;

-прогноз тепловой нагрузки на отопление и ГВС;

-наличие лимитов топлива по каждому виду топлива на соответствующий день;

-цена каждого вида топлива;

-готовность оборудования к несению нагрузки;

-тарифы на тепловую нагрузку, отпускаемой в виде пара и горячей воды;

-ограничения на минимальную и максимальную нагрузку оборудования (регулировочный диапазон).

 

При определении маржинальной прибыли учитываются следующие основные моменты:

 

детальное рассмотрение суточных режимов работы с учетом основных технических ограничений по условиям использования оборудования в энергосистеме;

определение топливной составляющей на основе экономичного распределения нагрузки по агрегатам, с выбором состава работающего оборудования и учетом затрат на вывод оборудования в резерв;

выбор состава оборудования и оптимизация распределения нагрузки между агрегатами на основании минимизации топливных затрат, платы за выбросы в атмосферу и учета возможного ущерба от недоотпуска энергии из-за снижения надежности функционирования оборудования в маневренных режимах.

Детальный учет режимов по методу экономического распределения нагрузки в характерные периоды суток основан на рассмотрении суточных графиков нагрузки (рабочих и выходных дней).

 

На рис.7.4. приведен типичный график тепловых и электрических нагрузок одной из московских ТЭЦ в рабочие дни зимнего месяца. Аналогичные, с двумя пиками нагрузки в утренние и вечерние часы, а также графики нагрузки с одним ярко выраженным пиком нагрузки только в утренние или только в вечерние часы характерны для всех энергосистем и ТЭС страны. Анализ графика представленного на рис. 7.4. показывает, что весь суточный, а также, последовательность суточных графиков в течение недели и большего периода можно разделить на характерные зоны, которые устойчиво повторяются практически на всех графиках нагрузки. Как видно из рис. 7.4. каждая такая зона состоит из серии последовательно чередующихся операций (разгружение, работа на пониженных нагрузках, нагружение, работа на уровне нагрузок близких к номинальным или максимальным и новое повторение всех операций). Их различие, заключается лишь в уровне самих нагрузок.

 

 

Рис. 7.4. Типичный график изменения нагрузки в системе в течение суток недели.

 

Дальнейшая оптимизация и выбор состава работающих агрегатов производятся конкретно для такой зоны с учетом ее продолжительности и изменением уровней нагрузок электрической и тепловой энергии.

Не смотря на то, что выбор состава оборудования производится на определенный период, при расчете за основу берется расчетный час каждых суток. Таким образом, выбор состава оборудования находящегося в работе и выводимого в резерв (или вводимого), а также оптимальное распределение нагрузки производится для каждого часа работы отдельно. В этом случае, если для каждого часа выбор состава оборудования и распределение нагрузки между агрегатами, находящимися в работе, будет оптимальным, то в соответствии с принципом оптимальности Белмана, это решение (точнее цепочка последовательных решений) будет оптимальным для всего периода эксплуатации энергоблоков.

 

Критерии выбора.

 

 

Особенность предлагаемого способа решения задачи заключается в том, что максимизируется величина маржинальной прибыли по всем составляющим. Общее выражение для максимизации целевой функции может быть записано в виде:

 

 (4)

 

Расшифровка составляющих.

Mzt-максимальная маржинальная прибыль;

D_ztNi, D_ztQiT, D_ztQiП – доход от продажи электроэнергии, тепловой энергии и пара, в каждый час, от соответствующего агрегата;

З ztik_{(Ni,QiT,QiП)} – затраты соответствующего вида топлива (k-ого) в каждый момент времени i-ым агрегатом;

Зztiшт – затраты на штрафные санкции, от недопоставки мощности и электроэнергии на рынок.

Зiпуск - затраты на проведение пусковых операций, включают затраты топлива, пара и воды на СН и отмывку, электроэнергии, и т.д.

Зiнад- затраты связанные с поддержанием надежности оборудования, при проведении пусков и изменении режимов работы.

Z=1-Z- соответствующий день периода.

t=1-T –соответствующий час суток.

i=1-n – номер соответствующего агрегата.

k=1-K- тип и вид сжигаемого топлива (или разница в цене).

Ni-электрическая мощность i-ого агрегата, в соответствующий период времени.

Qiт-тепловая мощность i-ого агрегата, сюда же относятся и ПВК, отпускаемая потребителю.

Qiп-паровая (тепловая мощность в виде пара) i-ого агрегата, отпускаемая потребителю.

Часовой доход от продажи электроэнергии для i-ого можно определить по выражению.

 

D_ztNi=N_zti*С_ztээ   (5)

 

Часовой доход от продажи тепловой нагрузки I –ого агрегата можно определить по выражению.

D_ztQiТ=Q_ztiТ*С_QТ    (6)

 

Часовой доход от продажи тепловой нагрузки I –ого агрегата в виде пара можно определить по выражению

 

D_ztQiП=Q_ztП*С_QП   (7)

 

Сztээ – цена на электроэнергию, в z день, в t-ый час.

С_QT – цена на тепловую энергию, отпускаемую в виде воды.

С_QП – цена на тепловую энергию, отпускаемую

 

Если станция имеет несколько групп точек поставки и определенная часть оборудования жестко закреплена за конкретными группами точек поставки (чаще всего СО запрещает использовать трансформаторы связи между оборудованием и ГТП), то оптимизация состава в рамках станции проводится для каждой ГТП. Учитывая, что например ГТп и направления выдачи тепловой энергии не совпадают как правило, то в этом случае, оптимизация выработки электроэнергии по ГТП, напрямую влияет на распределение тепловой нагрузки и соответственно на показатели работы станции в целом. Поэтому в этом случае оптимум состава оборудования, при оптимизации распределения нагрузки между агрегатами в рамках работы одной ГТП, будет определяться при максимальном маржинальном доходе ТЭС, как сумма составов по ГТП.

   (8)

 

В этом случае оптимальный состав выбирается по каждому ГТП, аналогично на каждом этапе проводится распределение нагрузки между агрегатами работающими на данную ГТП. Общий выбор состава оборудования и выбор уровня загрузки агрегатов проводится для каждого ГТП и оптимум для станции определяется как сумма оптимумов ГТП. Если оптимизация проводится для ТЭЦ, то в этом случае необходимо учитывать направления отпуска тепла от ТЭЦ и его параметры, с учетом привязки по направлениям отпуска тепла и принадлежности к ГТП. То есть в этом случае, выбор состава и распределения нагрузки производится в несколько последовательно выполняемых итераций.