автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методика комплексного определения электрических нагрузок на основе кластерного и ценологического анализа

005004194

На правах рукописи

______ !||

иьаиичиь Александр Валерьевич V ^' 5

МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ОСНОВЕ КЛАСТЕРНОГО И ЦЕНОЛОГИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Москва-2011

005004194

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий».

Т \:ЧТТТЛТ> пшпплтттртп.-

доктор технических наук, ирофеесир Кудрин Борис Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Жилин Борис Владимирович; кандидат технических наук Зайцев Евгений Зиновьевич

Ведущая организация: ООО «Городской институт проектирова-

ния металлургических заводов» (Гипро-мез)

Защита состоится «16» декабря 2011 г., в 16-00 часов в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет Национального исследовательского университета «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МЭИ».

Автореферат разослан «_»___2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н. доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Ашуалыюсть работы. Проблема энергетической безопасности и необходимость энергосбережения, неизбежность инвестиционной модернизации страны требует определения на перспективу 10 - 30 лет величины выработки и электропотребления по Российской Федерации и отдельным регионам, а также электрической мощности по отраслям экономики. Одновременно локально и во времени необходимо прогнозировать параметры электропотребления по отдельным предприятиям, цехам, по крупным пусковым комплексам, требующим значительных инвестиций для реализации инновационных предложений. Требования к элекгрообеспечению должны быть сформулированы до выделения средств, до принятия решения о начале строительства. Для определения электрической нагрузки важно, что расчет осуществляется в начале, на первой стадии инвестиционного проектирования электроснабжения, до обращения потребителя к субъекту электроэнергетики для согласования решений по внешнему электроснабжению объекта инвестирования.

В последние годы начал коренным образом изменяться характер инвестиционного процесса (включающего проектирование и инжиниринг) при строительстве крупных объектов. Инвестиционные проекты стали требовать более точных оценок стоимости сооружаемого предприятия, количественного состава оборудования, параметров электропотребления.

С 2000 г. используются новые подходы к оценке эффективности инвестиционных проектов (эффективность проекта в целом, коммерческая эффективность, норма дисконта, чистый доход, срок окупаемости и др.). Сами проектные решения, соответствующие принятой схеме инвестиционного процесса, принципиально не изменились, однако значительную роль стали играть предпроект-ные этапы инвестиционного процесса: формирование инвестиционного замысла (целей инвестирования), разработка декларации (ходатайства) о намерениях, разработка обоснований инвестиций.

Так актуализируется вопрос об определении основных параметров электропотребления (расход электроэнергии, мощность) и структуры верхних уровней системы электроснабжения (6УР и 5УР) для получения технических условий на подключение к сетям инженерно-технического обеспечения общего пользования. Такое определение может опираться только на заданные основные

технологические показатели, привязанные к производству и ко времени. Проектировщику-электрику необходимо подобрать для сравнения завод-аналог, имеющий близкий объем производства и состав основных цехов. Этот же подход применим, если рассматривается крупный агрегат (например, агломашина, электропечь, прокатный стан, доменная печь).

Реализация подхода требует разработки методики определения нагрузки на начальных стадиях инвестиционного проектирования, что важно для объекта (предприятия) в целом, для отдельного электроемкого агрегата при обосновывающих проектных (тендерных) решениях и для пускового комплекса, определяемого на стадии строительства и сдачи в эксплуатацию. Методика сохранит свою актуальность на обозримую перспективу в условиях взятого курса на инновационную модернизацию, затрагивающую различные промышленные объекты.

Целью диссертационной работы является разработка методики определения параметров электропотребления проектируемого металлургического завода в целом на предпроектной стадии, отдельного крупного технологического агрегата и пускового комплекса при решении вопросов инвестирования для строящегося объекта с целью согласования схемы электроснабжения и параметров присоединения к сетям и подстанциям субъекта электроэнергетики.

Основные задачи, поставленные и решенные в работе:

1. Выполнен анализ развития черной металлургии как потребителя электрической энергии и ее электропотребления в послевоенный период восстановления (1950 - 1960 гг.), при завершении индустриализации (1970 - 1990 гг.), во время спада производства в 90-х годах и стабилизации (1998 - 2009 гг.).

2. Определена структурно-топологическая динамика металлопроизводя-щих регионов за 1990 - 2010 гг. для целей стратегического прогнозирования.

3. Проверена ценологическая устойчивость основных электрических показателей, общего и удельного электропотребления генеральной совокупности предприятий черной металлургии за 21 год по величине характеристического показателя и показатели электропотребления по ряду заводов в 2000-е годы.

4. Определено изменение параметров электропотребления и их динамика по предприятию, производству (цеху), комплексу в целом в периоды пуска основных крупных металлургических агрегатов с выявлением различий в набросе

нагрузок для семи (прокат, чугун, электросталь, конвертерная сталь, кокс, огнеупоры, метизы) производств.

5. Разработаны рекомендации по оценке изменения удельных расходов электроэнергии по выделенному производству после пуска крупного комплекса (агрегата).

6. Выделены и проверены методы прогнозирования параметров электропотребления при пуске металлургических объектов, при устойчивой работе предприятия для стратегии прогноза развития до 10 лет.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы классические вероятностно-статические методы, ценологические методы прогнозирования временных рядов, кластерный анализ. Теоретические исследования проводились в специализированных научных программах Mathcad, Statistica.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены методики определения параметров электропотребления для проектируемого металлургического предприятия в целом, отдельного крупного технологического агрегата и пускового комплекса на начальных стадиях инвестиционного процесса.

2. Доказана устойчивость во времени параметров ранговых распределений для электрических и технологических показателей основных металлургических переделов генеральной совокупности предприятий черной металлургии, что позволяет выполнить прогноз электропотребления на отдаленную перспективу по отдельным предприятиям и отрасли в целом.

3. Разработана структура информационной базы данных, необходимая для принятия обосновывающих решений по параметрам элеюропотребления на предпроектных стадиях.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием отраслевого информационного банка данных предприятий черной металлургии «Черметэлектро»; статистики до 2010 г. по меташюпроизводящим регионам; корректным применением научных методов, обоснованностью принимаемых допущений; сопоставлением полученных результатов с реальными данными.

Практическая ценность работы состоит в том, что с помощью предложенных методов и информационной базы данных можно определять параметры

электропотребления проектируемого объекта в черной металлургии и других отраслях промышленности на предпроектных стадиях. Внедрение данных методов в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает принятие более точных и эффективных решений на предпроектной стадии, повышает качество' принятия проектных решений в условиях неполноты и неопределенности исходной информации, сокращает время и трудоемкость процесса принятия управляющего решения.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались: на кафедре "Электроснабжение промышленных предприятий" Московского энергетического института (технического университета), на шестнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010 г.), на Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), на Х1У-0Й конференции по технетике и общей цено-логии с международным участием (г. Москва, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из которых: 2 статьи в журналах из перечня ВАК РФ, 1 статья в ведущем отраслевом журнале, 4 статьи в сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, заключения, одиннадцати приложений и библиографического списка, выполнена на 179 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 30 таблиц. Библиографический список использованной литературы включает 89 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, приводится научная новизна и практическая значимость полученных результатов, научные положения, выносимые на защиту. Отражены вопросы реализации и апробации полученных результатов.

В первой главе рассмотрено развитие мирового рынка стали и проблемы отечественной металлургии на современном этапе. Черная металлургия в период 2000-2008 гг. развивалась наиболее высокими темпами (за последние 30 лет). Кризис 2008 - 2010 гг. замедлил, но не остановил рост производства и потребления стальной продукции.

Анализ состояния отечественной черной металлургии показал, что большинство крупных предприятий отрасли форсировали работы по модернизации основных металлургических фондов. На период 2007 - 2012 гг. была предусмотрена обширная программа строительства мини-заводов с вводом мощностей по производству стали к 2012 году в объеме 10-12 млн т и проката 10 млн т.

В работе представлены изменения, произошедшие в системе инвестиционного проектирования, а также объемы и стадии предпроектных работ, во время которых необходимо определить параметры электропотребления (расход электроэнергии и мощность) по проектируемому объекту.

Электрическое хозяйство крупного металлургического завода, с выделением шести уровней электроснабжения, рассмотрено как технических ценоз, так как оно состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Для оценки эффективности сформировавшегося электрического хозяйства предприятия и принимаемых на стадии проектирования решений по его построению определены основные электрические и технологические показатели.

Описаны цели и задачи исследования, а также обозначены способы их решения.

Вторая глава посвящена анализу и выбору математического аппарата для определения параметров электропотребления проектируемого предприятия в целом, отдельного крупного технологического агрегата и пускового комплекса. Рассмотрено применение к поставленной задаче аналитических, эмпирических, статистических и ценологических методов, а также кластерного анализа.

Для решения задач инвестиционного проектирования необходимо иметь информацию о динамике структуры потребления энергоресурсов. Исходная статистика работы представляет собой совокупность основных электрических и технологических показателей работы предприятий черной металлургии. В ра-

боте рассмотрены изменения общих и удельных расходов электроэнергии по следующим металлургическим переделам: прокат, чугун, конвертерная сталь, электросталь, метизы, огнеупоры, кокс. Генеральная совокупность предприятий отрасли по параметрам электропотребления данных переделов образует техно-ценоз. Описание структуры исследуемого ценоза (совокупности предприятий черной металлургии) ранговым по параметру Я-распределением имеет вид:

\У(г)=\У,/гр, (1)

где IV] - объект с наибольшим значением параметра; Р - ранговый коэффициент, характеризующий форму кривой рангового Я-распределения, получаемый методом наименьших квадратов или иным способом.

Для более точного определения параметров электропотребления проектируемого предприятия (комплекса) необходимо подобрать предприятие-аналог. Классификация предприятий черной металлургии по основным металлургическим переделам (прокат, чугун, электросталь, конвертерная сталь и т.п.) для выбора аналога должна опираться на информационную базу данных. Классификация выполнена с помощью методов кластерного анализа. Совокупность объектов (предприятий черной металлургии), обладающих определенными свойствами (признаками), разбивается на однородные группы (кластеры). Объекты, принадлежащие таким однородным группам, будут иметь одинаковые свойства.

Все исследования, использующие кластерный анализ, включают следующие пять основных этапов:

1) отбор выборки для кластеризации;

2) определение множества признаков, по которым будут оцениваться объекты в выборке;

3) вычисление значений той или иной меры сходства между объектами;

4) применение метода кластерного анализа для создания групп сходных объектов;

5) проверка достоверности результатов кластерного решения.

Из большого количества алгоритмов был выбран иерархический метод кластеризации, в качестве метрики использовалось Евклидово расстояние, а кластеры объединялись по методу одиночной связи.

Таким образом, применительно к генеральной совокупности предприятий черной металлургии по общему и удельному электропотреблению семи переда-лов (прокат, кокс, конвертерная сталь, электросталь, метизы, огнеупоры, чугун) и основным электрическим показателям по результатам проведенных исследований возникает возможность определения норм электропотребления внутри каждого из кластеров. Норма представляет собой среднее (эмпирический стандарт) и определяется для рассматриваемой группы однородных по характеристикам предприятий методами корреляционно-регрессионного анализа.

Третья глава посвящена обработке статистического материала, моделированию ранговых распределений по электрическим и технологическим показателям генеральной совокупности предприятий отрасли за 21 год по основным металлургическим переделам. Проанализировано изменение параметров электропотребления и их динамика по предприятию, производству (цеху), комплексу в целом, для времени пуска основных крупных металлургических агрегатов с выявлением различий в набросе нагрузок для различных производств. Описаны сложности с выбором предприятия-аналога и предложены методы для их преодоления.

Для решения задач прогнозирования и планирования электропотребления отрасли (региона, предприятия) необходимо иметь информацию о динамике структуры потребления энергоресурсов. Информационной базой для создания прогнозных моделей является банк данных (БД) "Черметэлектро", в котором собрана информация по всем предприятиям черной металлургии за 21 год. Исходными данными работы являются показатели общего и удельного электропотребления предприятий черной металлургии по семи переделам (прокат, чугун, электросталь, кокс, конверторная сталь, метизы, огнеупоры) с 1970 по 1990 гг.

В работе исследовано с точки зрения ценологической теории распределение расходов электроэнергии по основным производствам генеральной совокупности предприятий черной металлургии. Произведено ранжирование предприятий по величинам общих и удельных расходов электроэнергии для семи основных производств. График рангового распределения по параметру (общему электропотреблению комплексов производства чугуна) за 1989 г. изображен на рис. 1. Параметры гиперболических ранговых //-распределений по общему (IV)

и удельному таблице 1.

Рис. 1 Ранговое распределение предприятий черной металлургии по общим расходам электроэнергии на производство чугуна за 1989 г.

Таблица 1.Параметры электропотребления и характеристические показатели

рангового Н-распределения для производства чугуна

Годы \У1 РФ) Всего заводов А1 Р(Р) Всего заводов

1970 101,7 0,96 34 20,3 0,45 34

1971 93,3 0,95 34 20,3 0,5 34

1972 100,7 1,01 34 19,5 0,5 34

1973 109,7 1,48 34 21,3 0,46 34

1974 114,2 1,48 34 20,1 0,42 34

1975 225,4 1,55 34 23,1 0,46 34

1976 220,1 1,56 34 24,4 0,47 34

1977 202,3 1,56 34 23,8 0,48 34

1978 205,3 1,61 34 25,3 0,5 34

1979 471,5 1,72 34 53,2 0,6 34

1980 392,1 1,7 34 43,2 0,58 34

1981 394,7 1,69 34 43,7 0,56 34

1982 409,5 1,71 34 44 0,53 34

1983 420,4 1,78 34 44,1 0,52 34

1984 407,5 1,75 34 108,3 0,69 34

1985 391 1,75 34 107,6 0,69 34

1986 382,4 1,84 34 39 0,53 34

1987 418 1,72 34 42 0,57 34

1988 429,2 1,65 34 76,3 0,7 34

1989 436,6 1,57 34 71,8 0,71 34

1990 428,8 1,67 34 43,3 0,621 34

(А) электропотреблению (производство чугуна) представлены в

•

1

-

Т"......................

.......V

V

О 10 20 30

Анализ статистических данных об общем и удельном электропотреблении предприятий черной металлургии за 21 год показал устойчивость изменения во времени констант рангового распределения. Ранговый коэффициент р, относящийся к производству чугуна, за весь период предыстории изменялся в пределах 0,95 - 1,84 и 0,42 - 0,71 (соответственно по общему и удельному электропотреблению). жестко заданных ценологической теорией. Используя прогнозные параметры распределения, можно прогнозировать электропотребление по особям (отдельному цеху) и ценозу (отрасли) в целом.

Проведенные исследования показали, что устойчивость структуры больших систем цеиологического типа (таких, как крупное металлургическое предприятие) позволяет исследовать их свойства и прогнозировать параметры электропотребления.

В процессе расширения крупных предприятий возникла необходимость определение величины электрической мощности (нагрузки) пускового комплекса - например, доменной или коксовой печи, прокатного стана, огнеупорного производства. Пуск каждого такого агрегата (производства) требует одновременного (а то и опережающего) пуска многих других объектов, связанных с водообеспечением, очисткой, экологией; а также компрессорного хозяйства, механических и складских служб (например, вальцетокарного цеха для комплекса прокатных цехов, склад пальмового масла и водородной для цеха жести, разливочных машин для чугуна). Время запуска мощных агрегатов сдвигается на несколько месяцев и весь завод подстраивается под них. Основной расход электроэнергии на предприятиях черной металлургии приходится на вспомогательные производства, необходимые для подготовки технологического процесса выплавки и обработки стали.

В работе были проанализированы изменения общих и удельных расходов электроэнергии при пуске крупных металлургических комплексов. Например, выплавка чугуна на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК) производилась на шести доменных печах различного объема и технической оснащенности:

Номер печи 1 2 3 4 5 6

Полезный объем печи, м3 1060 1000 2000 2000 3200 3200

Так, при пуске очередного комплекса (доменная печь № 6) в 1978 г. на НЛМК произошло резкое изменение общего электропотребления комплекса по производству чугуна на 302,1 ГВтч, т. е. на 80% (рис.2), а рост объема электропотребления по предприятию составил 440 ГВтч (10%); при этом по отрасли в целом электропотребление на производство чугуна выросло на 262 ГВтч (21%), удельный расход - на 30,6 кВтч/т (рис.3). Комплекс потребовал порядка 378 МВт установленной мощности.

Рис. 2 Динамика общих (а) и удельных (б) расходов электроэнергии на

производство чугуна на НЛМК На основании информационной базы данных были проанализированы изменения параметров электропотребления и их динамика на примере доменных, конвертерных, электросталеплавильных и прокатных производств, крупнейших предприятий черной металлургии. Анализ изменения общих и удельных расходов электроэнергии показал, что ввод в работу электроемких агрегатов, скачок в объеме электропотребления комплекса и предприятия превращаются в эволюционное изменение в масштабе предприятия, что отражается на временном ряду показателей. В связи с указанным на предпроектной стадии требуется определять параметры электропотребления агрегата (прокатного стана, конвертера, ДСП) и комплекса (с учетом всех вспомогательных производств) с целью обеспечения их нормальной работы. Для этого были определены параметры электропотребления (Ртах; W0бщ; Ауд) при пуске крупных техно-

логических агрегатов и комплексов на основных переделах металлургических предприятий отрасли.

Анализ базы данных предприятий черной металлургии показал, что удельные общезаводские расходы электроэнергии на разных предприятиях за разные годы функционирования могут существенно отличаться: чугун - в 36,0 раз; электросталь - в 3.32; конвертерная сталь - в 17.0; прокат - в 87,6 раз. Таким образом, для вновь сооружаемого предприятия на предпроектной стадии использование удельных общепроизводственных расходов электроэнергии при планируемом объеме выпуска продукции может привести к существенным погрешностям при определении параметров электропотребления.

Для определения параметров электропотребления в целом по заводу и производствам на предпроектных стадиях и нахождения предприятия-аналога, при неполноте исходной информации, была применена процедура кластер-анализа. Первоначально предприятия отрасли были классифицированы в зависимости от вида выпускаемой продукции (прокат, чугун, кокс, метизы, электросталь и т.п.). Оптимальным принято разбиение на восемь групп. На примере прокатного производства (металлургическая группа) был применен аппарат кластерного анализа для нахождения предприятий с близкими удельными расходами электроэнергии при близкой номенклатуре и объемах производства. Было принято, что предельный относительный разброс удельных расходов в кластере не будет превышать 15%. Для решения поставленной задачи был использован алгоритм иерархической агломеративной кластеризации, в качестве метрики выбрано Евклидово расстояние, а объединение кластеров выполнялось по методу одиночной связи.

В результате кластеризации получено, что по удельным расходам предприятия разбиваются на 14 кластеров, при этом внутрикластерный разброс удельных расходов не превышает 15%. Примеры получившихся кластеров по номенклатуре и объемам производства представлены в таблице 2.

Таким образом, имеются уникальные крупные предприятия и массовые предприятия отрасли. В состав кластера с близкими удельными расходами попадают предприятия с разными объемами и номенклатурой. Это объясняется тем, что предприятия входящие в состав кластера специализируются на выпуске различных видов прокатной продукции (профили высокой точности и раз-

личного сечения, производство высокопрочной стали со специальными свойствами). Для более точной кластеризации предприятий отрасли необходимо иметь информацию не только по основным и технологическим показателям работы предприятий, но и по составу оборудования основных и вспомогательных цехов, а также информацию по производимой продукции. Ввиду того, что крупные комбинаты и заводы средней технологической мощности продолжают осуществлять модернизацию производств, необходимо ежегодно осуществлять кластеризацию предприятий в технологических группах.

Таблица 2. Результаты кластерного анализа предприятий отрасли

№ Кластера Предприятие Удельный расход, кВтч/т Объем проката, тыс.т

Кластер 1 Череповецкий 111,0 10717-216

Омутнинский 111,7

им. Коминтерна 112,5

Красный Октябрь 109,4

Кластер 5 Запорожсталь 122,6 3901-161

Таганрогский 119,2

Кластер 6 им. Петровского 52,2 1864-1261

Златоустовский 52,7

Руставский 54,2

Кластер 7 Новосибирский 201,0 1074-52

Белорецкий 192,4

Серп и Молот 185,1

Щелковский 188,1

Лысьвенский 178,6

Кластер 8 им. Серова 66,8 831-330

Краматорский 62,6

Ашинский 62,7

Гурьсвский 63,6

Четвертая глава посвящена разработке и реализации методики принятия решения по определению параметров электропотребления на примере металлургических заводов, планируемых к строительству в Южной Якутии и г. Шима-новск Амурской области.

Наряду со строительством металлургических заводов небольшой мощности, ориентированных на производство проката по сортаменту, предназначенных

для удовлетворения нужд региона или специального потребителя, на перспективу для России сохранилась необходимость строительства и крупных металлургических заводов работающих на железной руде. Эти заводы, как заводы с полным циклом с учетом транспортных, экологических, экономических аспектов- ■ не могут строиться в европейской части страны. Поэтому возможные точки размещения крупного металлургического комплекса - г. Чульман в Южной Якутия, район г. Тайшета Иркутской области, г. Шимановск в Амурской области.

Перспективная мощность металлургического комбината в Амурской области составляет 9 млн т проката, а в Южной Якутии 6 млн т. На основании исходных данных по планируемым объемам выпуска основных видов продукции были определены параметры электропотребления на предпроектной стадии. Результаты расчета электрических нагрузок для двух металлургических предприятий комплексным методом приведены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты расчета электрических нагрузок

Наименование предприятия Удельный расход электроэнергии, кВтч/т Прокат, всего, тыс. т Заявленный максимум, МВт

Новый завод (г. Шимановск) 105,2 9000 620

Новый завод (г. Чульман) 80 6050 450

Разработанная методика комплексного определения электрических, нагрузок для предприятия, производства, цеха на предпроектных стадиях основывается на применении кластерного и ценологического анализа, професссиональ-но-логическом анализе, информационной базе данных и отчетности предприятий-аналогов. :

Процесс определения параметров электропотребления на предпроектной < стадии для проектируемого объекта реализуется по схеме, представленной на рис. 3. Первоначально, в качестве информационной базы прогнозирования, используется матрица исходных данных, состоящая из основных электрических и технологических показателей работы предприятий (основных производств), состава основных цехов и показателей электрооборудования (с историей 5-10 лет и более, по каждому предприятию). На этапе подготовки статистической ин-

формации по определенным формам запроса должен осуществляться сбор исходных данных по предприятиям отрасли. В связи с тем, что многие крупные и средние предприятия продолжают осуществлять модернизацию своих производств, необходимо постоянно пополнять информационную базу данных.

В зависимости от исходных технологических данных (специализации проектируемого предприятия, состава производств, объемов и номенклатуры выпускаемой продукции) определяется технологическая группа предприятий, к которой будет относиться проектируемый объект. Затем с помощью методов кластерного анализа производится разбиение предприятий технологической группы на кластеры с близкими электрическими и технологическими показателями, подбирается предприятие-аналог.

Рис. 3. Блок-схема принятия решения по определению расчетных параметров электропотребления металлургического предприятия в целом или отдельного производства

Таким образом, для составления электрической части Разработка Ходатайства (Декларации) о намерениях инвестиций и Обоснования инвестиций определяются параметры электропотребления исследуемого предприятия (производства) на 6УР: Рм - получасовой максимум нагрузки; Ауд - удельный расход электроэнергии; - электропотребление.

Качество исходных данных является основной проблемой при определении электрической нагрузки проектируемого предприятия, поэтому инженер-электрик должен обладать знаниями предобработки данных и заполнения про-

пущенных значений с учетом специфики конкретного производства. В условиях спада производства происходят крупные изменения в объемах выпуска продукции на предприятиях отрасли, на многих предприятиях происходит перепрофилирование под другие виды продукции, все это отражается на основных электрических и технологических показателях. Поэтому при кластеризации важно использовать статистические данные, соответствующие стабильным периодом развития предприятий.

Практическое использование вышеописанной методики может привести к получению качественного результата при выполнении следующих условий:

1) наличие достоверных данных по параметрам электропотребления и технологическим показателям предприятий отрасли, а также составу основных цехов и показателям электрооборудования для использования методов кластерного и ценолошческого анализа;

2) глубина предыстории по показателям функционирования предприятий отрасли должна составлять от 5-10 лет и более;

3) более точное определение параметров электропотребления проектируемого объекта возможно только в периоды стабильного развития предприятий отрасли (в ином случае - с использованием установленной мощности производств);

4) процесс принятия управляющего (проектного) решения неформализуем и должен осуществляться экспертом на основе профессионально-логического анализа. •

В приложениях приведены параметры гиперболических ранговых Н-распределений по общему и удельному электропотреблению по основным металлургическим переделам, примеры состава металлургических заводов, проектное задание Магнитогорского металлургического комбината, расчетные проектные сведения по системе электроснабжения ЗапСиба, перечень объектов намеченных компаниями к строительству на период 2008-2012 гг.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Доказана устойчивость во времени параметров ранговых распределений для электрических и технологических показателей основных металлургических

переделов генеральной совокупности предприятий черной металлургии, что служит основой для стратегического прогнозирования.

2. Разработана классификация металлургических предприятий по электрическим и технологическим показателям, а также методика выбора предприятия-аналога на основе кластерного анализа.

3. Определено изменение параметров элекгропотребления по предприятию, производству (цеху), комплексу в целом, для времени (периода) пуска основных крупных металлургических агрегатов с выявлением различий в на-бросе нагрузок для различных (семи) производств.

4. Разработаны рекомендации по оценке изменения удельных расходов электроэнергии по выделенному производству после пуска крупного комплекса (агрегата).

5. Выделены и проверены методы прогнозирования параметров электропотребления при пуске металлургических объектов, при устойчивой работе предприятия и для стратегии прогноза развития до 10 лет.

6. Предложена методика принятия решения по определению параметров электропотребления на предпроектной стадии для металлургического предприятия в целом, крупного технологического комплекса (агрегата).

7. Обоснована и предложена структура информационной базы данных, необходимой для принятия обосновывающих решений по параметрам электропотребления на ранних стадиях инвестиционного процесса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Иваничев, А,В. Ценологический подход к определению электропотребления круппых пусковых комплексов на предпроектной стадии /А.В. Иваничев // Промышленная энергетика, 2011. - № 5. - С. 23-26.

2. Лесниченко, А.Ю. Исследование трансформаторного хозяйства Европейской части России / А.Ю. Лесниченко, В.А. Грозных, А.В. Иваничев // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2011. -№4.-С. 11-14.

3. Иваничев, A.B. Определение параметров электропотребления инвестиционных пусковых комплексов крупных металлургических агрегатов / A.B. Иваничев // Электрика, 2011. - № 4. - С. 32-37.

4. Иваничев, A.B. Разработка методики комплексного определения электрических нагрузок на основе кластерного и ценологического анализа / A.B. Иваничев // Проблемы электротехники. яттр.ктраэнепгетики и электротехнологии: сборник трудов Международной научно-технической конференции. Тольятти, 12-15 мая 2009 г. В 3-х ч. - Тольятти: ТГУ, 2009,-4.2.-С. 162-165.

5. Пахомов, A.B. Мониторинг и прогнозирование расхода электрической энергии групп потребителей мегаполиса / A.B. Пахомов, Ю.В. Кошар-ная, A.B. Иваничев // Технетика и ценология: от теории к практике. Общая и прикладная ценология. Труды XIII электроценологических чтений с международным участием (Москва, 18-21 ноября 2008 г.), включая молодежную секцию "УМНИК", и XXXV Любищевских биометрических чтений (Москва, 5 апреля 2007 г.) / Под общ. ред. проф. Б. И. Кудрина. Вып. 35. "Ценологические исследования". М.: МОИП МГУ - Технетика, 2009. - С. 265-270.

6. Иваничев, A.B. Ценологический подход к нормированию расходов электроэнергии / A.B. Иваничев // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 363-364.

7. Лесниченко, А.Ю. Структура потребителей тепла мегаполиса / А.Ю. Лесниченко, A.B. Иваничев // Междисциплинарность ценологических исследований. Общая и прикладная ценология. Материалы XIV конференции по технетике и общей ценологии с международным участием (Москва, МЭИ, 19 ноября 2009 г.). Вып. 43. «Ценологические исследования». - М.: Технетика, 2010. - С. 224-226.

Подписано в печать к. У/. /'/.' Зак.Л& Тир. '.СС' п л Л Ö Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

Введение.

Глава 1. Черная металлургия как потребитель электрической энергии и тенденции её развития.

1.1. Ожидаемое развитие черной металлургии в ближайшие годы и проблемы обеспечения отрасли электроэнергией (мощностью).

1.2. Определение параметров электропотребления на начальных стадиях инвестиционного процесса.

1.3. Электрическое хозяйство промышленного предприятия и повышение эффективности его работы.

1.4. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Современный математический аппарат определения параметров электропотребления промышленных потребителей.

2.1. Анализ существующих методов определения электрических нагрузок и норм расхода по уровням производства.

2.2. Ценологические (характеристические) показатели основных металлургических переделов.

2.3. Выделение пусковых комплексов крупных металлургических объектов методом кластерного анализа.

2.4. Структурно-топологическая динамика изменения удельных и общих ' расходов электроэнергии по производствам.

Глава 3. Разработка методики определения параметров электропотребления на основе кластерного и ценологического анализа.

3.1. Определение характеристических показателей //-распределений по генеральной совокупности предприятий черной металлургии за 1970 — 1990 гг. и металлопроизводящим регионам за 1990 - 2010 гг.

3.2. Классификация предприятий черной металлургии по производствам на основе кластерного анализа.

3.3. Показатели электропотребления при технико-экономическом обосновании модернизации и ввода мощных комплексов на примере доменных, конвертерных, электросталеплавильных и прокатных производств.

3.3.1 Анализ показателей электропотребления доменных производств после пуска крупных технологических комплексов.

3.3.2 Анализ показателей электропотребления электросталеплавильных производств после пуска крупных технологических комплексов.

3.3.3 Анализ показателей электропотребления конвертерных производств после пуска крупных технологических комплексов.

3.3.4 Анализ* показателей электропотребления, прокатных производств после пуска крупных технологических комплексов.

3.4. Ценологический анализ основных электрических показателей электрического ¿хозяйства промышленных предприятий.

Глава^ 4. Определение параметров электропотребления проектируемого металлургического завода в целом и методическое обеспечение принятия решений на предпроектной стадии.

4.1. Методика принятия решения по определению параметров электропотребления на предпроектных стадиях.

4.2. Выбор и применение программно-вычислительных средств для определения параметров^ электропотребления с учетом разработанной методики.

4.3. Практическая реализация методики определения электрических нагрузок на примере Южной Якутии и г. Шимановска Амурской области.

Проблема энергетической безопасности и необходимость энергосбережения, неизбежность инвестиционной модернизации страны требует определения на перспективу 10 — 30 лет величины выработки и электропотребления по Российской Федерации и отдельным регионам, а также электрической мощности по отраслям экономики. Одновременно локально и во времени необходимо прогнозировать параметры электропотребления по отдельным предприятиям, цехам, по крупным пусковым комплексам, требующим значительных инвестиций,, для реализации инновационных предложений. Требования к электрообеспечению должны быть сформулированы до выделения средств, до принятия решения о начале строительства: Для определения электрической нагрузки важное что расчет осуществляется в начале, на первой; стадии; инвестиционного проектирования электроснабжения, до обращения потребителя к субъекту электроэнергетики для согласования решений: по внешнему электроснабжению: объекта инвестирования.

Черная (и цветная) металлургия была и остается^ базовой- отраслью народного хозяйства, занимая по величине выпуска металла одно из первых мест, в мире. Для отрасли актуальны пообъемные решения, определяющие величину электропотребления и требования к внешнему, электроснабжению.

Металлургия существенно влияет на развитие электроэнергетики (особенно региональной). В 1960 г. потреблено 235 млрд кВтч; ' в том, числе промышленностью 183 ~ млрд кВтч (черная металлургия 18% общепромышленного). В 1985 г. черная металлургия потребила 17,4% промышленного потребления электроэнергии, что составило 138 млрд кВтч; в

1990 г. - 147 млрд кВтч (пик — 1988 г. 149,2 млрд кВтч). Металлургия и электроэнергетика корреляционно прореагировали на дефолт 1998 г. Что касается кризиса 2008 — 2009 гг., то черная металлургия по динамике выпуска продукции упала на 37%, с восстановлением до минус 10%; электроэнергетика

- до минус 13%. В первом полугодии 2010 г. черная металлургия выросла по 5 сравнению с предыдущим периодом на 16%, электроэнергетика вдвое меньше. Сравнение говорит о сложных связях, но позволяет сделать вывод, что электроэнергетика и металлургия корреляционно зависимы, но электроэнергетика более инерционна. Поэтому она реагирует на динамику промышленности с отставанием (как при падении производства; так и при его росте).

Однако при инвестиционном проектировании актуально не столько электропотребление по стране и отрасли, сколько величина электроэнергии и мощности по проектируемому объекту. Исторически эта проблема восходит к началу индустриализации» (1926 г. — решение о создании Гипромеза — Государственного института по проектированию металлических заводов: все заводы черной металлургии, а также Сталинградский тракторный, Уралмаш, Ростсельмаш, Новомосковский "Азот" и др.), когда была осознана необходимость создания институтов инновационного проектирования (к концу 80-х годов их было около 1800), включая-, специализированные (Тяжпромэлектропроект, Электропроект, Гипрокислород).

Перед проектировщиками для целей проектирования индустриальных объектов в металлургии, (см-., например, Урало-Кузнецкий комбинат [2, 14]) с самого начала встал вопрос об определение нагрузок для строительства ТЭЦ, мощность которой рассчитывалась на полное строительство завода и рабочих поселков» (переросших в моногорода). Важно, что единой энергосистемы не было и ТЭЦ (ГРЭС) должна была покрывать всю нагрузку. "Размер заводской электростанции строго очерчен нуждами завода и поселка для рабочих, и в ближайшем будущем нет оснований рассчитывать на изменение этого положения" [51], которое просуществовало вплоть до начала 60-х годов (1962 г.

- организация* Министерства энергетики и электрификации СССР), когда приказом Непорожнего П. С. решение о строительстве заводских ТЭЦ взяло на себя и Минэнерго. Оно запретило, в частности, Гипромезам заниматься решениями по ТЭЦ, возложив это на Теплоэлектропроект. Возможность строить собственную генерацию появилась у потребителя после 2003 г., когда 6 были внесены соответствующие изменения в закон "Об электроэнергетике" (Магнитогорский комбинат на 90% удовлетворяет потребности в электроэнергии за счет собственной генерации).

Рабочие чертежи всех цехов вначале отсутствовали, как и перечень отдельных электроприемников, на основе которых можно было бы выполнить расчет электрических нагрузок. Поэтому, используя опыт американских и немецких проектировщиков, Гипромез в 1926-1931 гг. стал рассчитывать нагрузку по удельной электроемкости вначале по отношению к выпуску чугуна, со временем по стали и по прокату: вся продукция, ко всему электропотреблению по заводу (региону). На практике реализовывался подход, который получил со временем название комплексного метода расчета электрических нагрузок [34, 44, 58] и охватил около 500 заводов, построенных в 30-е годы как цель и индустриализация всей страны [14, 21, 68]. Истоки метода восходят к середине 30-х годов, когда стало очевидным, что существует заводское электроснабжение (и электроснабжение поселка, как потребителя) и внешнее электроснабжение. В 1934 г. Электропром Наркомтяжпрома, рассмотрел методику определения мощности подстанций для питания распределенных" на плоскости нагрузок, дав определение подстанций для питания пространственных сетей. Ростовская школа ученых (Либерман А. С. и др.) и Электропром (Баринов М. П., Суховальский М. Д.,Поляков Б. А.) рассмотрели с этих позиций особенности электроснабжения потребителей, включая завод, вспомогательные объекты инфраструктуры — водозабор, поселок и нашла отличие от подхода энергосистем к проектированию, заключающейся в необходимости проектировании малых подстанций и распределенных (ценологических) сетей. Вопросы коммутации, оборудования и конструирования подстанций малой мощности, сетей высоковольтных 3, 6, 10 кВ и низковольтных 380 В и 500 В составили содержание работы "Подстанции малой мощности в электроснабжении промышленных предприятий" [48].

Работа была согласована с ГУПО НКВД СССР и Главэнерго НКТП СССР и явилась констатацией самостоятельности области проектирования, 7 строительства, преподавания в высших и средних учебных заведениях (электрики как специфической дисциплины).

Для первых предварительных расчетов электроемкость по чугуну бралась для Урало-Кузнецкого комбината 250-300 кВтч/т (завода с полным циклом). По окончании строительства предполагалось выпускать 31,9 млн т чугуна, для чего требовалось 90-100 млрд кВтч, 5-16 млн кВт установленной мощности. Величина этой мощности предусматривает создание всей инфраструктуры, включая транспорт и строительство рудников, дополнительных вспомогательных заводов и т. д. (Магнитогорский, Кузнецкий, Нижнетагильский комбинаты и ряд других заводов). На 1 т электростали для соответствующего (Минусинского - эта идея сейчас реализуется Евразхолдингом со сроком окончания строительства 2014 г.) завода в целом электроемкость принималась 1000 кВтч/т, для ферросплавных заводов (Новокузнецкий) 8000 кВтч/т. Отраслевая удельная электроемкость по чугуну в 2007 г. составила 666 кг ут/т, по стали 539.

Государственные решения по величине основных технологических и технических показателей, энергетических параметров и др. давало основу для выпуска документа "Проектного задания завода" [51], в котором давались сведения по цехам и другим объектам. Основное внимание уделялось центральной электрической станции (так называлась ТЭЦ, долгое время не контролируемая заводом). Высоковольтная сеть по Магнитогорскому металлургическому заводу, в данном случае, состояла из 32 фидеров, выполненных освинцованными кабелями 120 и 50 мм и питающих подстанции типа Т, ТП, ТМ. Для каждого из приведенного перечня основных цехов приводилось общее количество электроприемников с разбивкой по напряжениям, мощностям, роду тока и конструкции. Общее количество электродвигателей на полное развитие определено 1337 ед., средней мощностью 44 кВт (фактически было установлено на 01.01. 1986 г. 82145 шт. средней мощностью 39,9 кВт).

Этот порядок документальной части проектирования сохранился до 60-х годов и существенно изменился лишь во время реформ, намечавшихся А. Н. Косыгиным, во время которых было принято решение о разработке перспективных народнохозяйственных планов на 5, 10, 20 лет по каждой отрасли, включая отдельное рассмотрение всех значимых предприятий. Тогда же для заводов' (комбинатов) было принято решение о выполнении Технических проектов, ориентированных на рассмотрение текущего положения и полного развития, намечавшегося через 10-20 лет. В.составе ТП решались все вопросы развития энергосистемы, для чего для крупных объектов (например, Оскольский металлургический комбинат: строительство подстанции 750/330 и 500/330 кВ; для Новолипецкого комбината: районной- подстанции 500/220 кВ, строительство двух распределительных подстанций РП-110 кВ на заводе, второй внезаводской ТЭЦ) внешнее электроснабжение разрабатывалось проектными институтами Минэнерго- (Энергосетьпроект, Теплопроект). Проектные институты, работающие на потребителя, (отраслевые)^ решали со< своей стороны схему электроснабжения вниз от 6УР* — граница раздела предприятие — энергосистема, на 5УР, определяя подстанции глубокого ввода ГТШ, опорные ОП и др. с высшим напряжением 220 (330), 110 (154), 35 кВ, и подстанции- 4УР напряжением РП 6-10 кВ, приводя в заключение основные электрические показатели. Часть "Электроснабжения" всегда выделялась отдельно (прил. П1; прил. П2) и опиралась на перечень объектов (цехов) различного назначения по каждому из которых, не имея чертежей планов установки оборудования и перечня электроприемников, необходимо было назвать максимум нагрузки и общий расход электроэнергии. Это можно было сделать, располагая информацией по аналогам или комплексным методом оценивая результат по предприятию в целом и отдельным производствам (цехам). Решая вопросы электроснабжения с охватом всех уровней 6УР — 1УР, проектные институты, ориентированные на потребителя, руководствовались документами общесоюзного утверждения; специфическими нормалями, указаниями и типовыми проектами, прежде всего выпускаемых системой "Тяжпромэлектропроект" и отраслевыми указаниями [75].

С 2000 г. была принята новая система оценки эффективности инвестиционных проектов ^(эффективностьпроекта в целом, коммерческая, эффективность, норма дисконта, чистый доход, срок окупаемости и др.) Сами же проектные решения, соответствующие принятой схеме инвестиционного процесса, принципиально не изменилась. по сравнению с Проектным заданием и Техническим проектом, но большую роль стали играть предпроектные этапы инвестиционногопроцесса; включающие: формирование- инвестиционного? замысла (целей инвестирования); разработку декларации, (ходатайства), о намерениях, разработку обоснования инвестиций. Безусловно; с самого начала возникал вопрос о необходимых параметрах электропотребления (расход электроэнергии и мощность), которые позволяли бы перейти к проектированию схемы^ электроснабжения: Решение о сооружении? инвестиционного объекта сейчас принимаетсяша основе:документов,.имеющих.различн6е наименования:: Проект, Технический проект,.Проектные соображения; Бизнес-план, Проектные обоснования, Обоснование инвестиции, Бейсик-проект, тендерная* документация. (Тендер).

Необходимые: параметры электропотребления на отдаленную• перспективу, требования к надежности1: и др. заявлялись, субъекту электроэнергетики: для последующего согласования после решения им вопроса о сооружении вновь, расширении, технического перевооружения и реконструкции подстанций и переключающих пунктов субъектов электроэнергетики напряжением 35 — 750 кВ по приказу Минэнерго России от 30 июня 2003 №288 [66].

Расчеты, параметров электропотребления на. перспективу и желательная для:потребителя схема электроснабжения на 6УР (по техпроекту, 1975 см. [30]) могут не совпадать длительное время. Однако строительство комбината реализует долговременные предложения [4, 8]. Это явление наблюдалось в 1998

- 2010 гг. для всех заводов (на ММК в 2009 - 2010 гг. пущен стан "5000" горячего проката и "2000" холодного). .В! сегодняшних инвестиционных

10 проектных документах разрабатываются схемы электрических распределительных устройств, генеральный план и транспорт, компоновка и конструктивная часть, учет электроэнергии и др., учитываемые потребителем при выполнении своей части электроснабжения, охватывающей от 6УР до1УР (отдельный электроприемник).

Для объектов капитального строительства производственного и непроизводственного назначения (здания, строения, сооружения) за исключением линейных объектов (ЛЭП, дороги и др.) положение о составе разделов проектной документации и требованиям к их содержанию утвержденных Постановлением Правительства от 16 февраля 2008 г. №87, предусматривает определенный состав подраздела "Система электроснабжения" и разделяет понятия "проектная" и "рабочая" документация. Содержание приложения лишь формализует предлагаемое ранее [68] и изучаемое по специальности "Электрооборудование и электрическое хозяйство предприятий, организаций и учреждений" [44]. Ссылка Постановления к общей пояснительной записке детализирует важнейшие сведения, которые должны содержаться в проектной документации. Это функциональное назначение объекта капитального строительства, его состав и характеристика производства, номенклатура выпускаемой продукции (работ, услуг), отвод земли (включая под подстанции и сети). Вначале приводятся потребности в электрической энергии (мощности) расшифровываемые в разделе "Электроснабжение".

Так актуализируется вопрос об определении основных параметров электропотребления (расход электроэнергии, мощность) и структуры верхних уровней системы электроснабжения (6УР и 5УР) для получения технических условий на подключение к сетям инженерно-технического обеспечения общего пользования. Такое определение может опираться только на заданные основные технологические показатели, привязанные к производству и ко времени.

Проектировщику-электрику необходимо подобрать для сравнения завод-аналог, имеющий близкий объем производства и состав основных цехов, ответив на

11 вопрос к какому кластеру относится рассматриваемый объект. Этот же подход применим, если рассматривается крупный агрегат (например, агломашина, электропечь, прокатный стан — в диссертации рассмотрено 7 переделов).

В-процессе строительства крупных предприятий возникла необходимость и стало актуальным определениегвеличины электрической;мощности (нагрузки) пускового комплекса, например, доменной или коксовой печи, прокатного стана, огнеупорного производства! Пуск каждого такого агрегата (производства) требует одновременного, а то и опережающего пуска многих других объектов: прежде всего связанных с водообеспечением, очисткой, экологией; а также компрессорного хозяйства, механических и складских служб (например, вальцетокарного цеха-для; комплекса прокатньк цехов, склад пальмового масла и водородной для; цеха жести, разливочных машин для чугуна. Важно исследовать, как. пусковой комплекс влияет на электроемкость в целом, воздействует на изменение общих и удельных расходов электроэнергии по рассматриваемому виду- продукции- а это требует, разработки специфического математического аппарата и программного обеспечения:

Реализация подхода требует разработки методики определения нагрузки на начальных стадиях, инвестиционного проектирования; что важно для объекта (предприятия); в целом; для отдельного; электроемкого агрегата при обосновывающих- проектных (тендерных) решениях и для« пускового комплекса, определяемого на стадии строительства и сдачи в эксплуатацию. Методика сохранит свою»актуальность.на обозримую-перспективу в условиях ожидаемой новой» индустриализации, затрагивающей различные промышленные объекты; взятого курса на инновационную модернизацию (перечень строящихся и намечаемых к строительству заводов и. агрегатов приведен в прил. ПЗ). Отметим, что в 2010 г. Евразхолдинг заявил о намерении построить электросталеплавильный завод качественных сталей в» районе Братска.

В черной металлургии необходимость методики определяется, во-первых тем, что крупные комбинаты (практически все) и ряд заводов средней

12 технологической и электрической мощности продолжают (и в условиях кризиса продолжали) осуществлять модернизацию. Имеется в виду выпуск качественной металлопродукции для снижения объемов экспорта и для удовлетворения внутреннего спроса, вывод блюмингов и ряда прокатных станов из эксплуатации, что связано с непрерывной разливкой, ликвидация мартеновского производства, строительство собственных генерирующих мощностей, использующих вторичные ресурсы и др., во-вторых планы широкого строительства малых заводов по всей РФ. Отметим, что Молдавский и Белорусский металлургические заводы, по которым было специальное постановление Правительства (отчетность по ним пошла с 1985 г.) под категорию мини не подходят.

Разработка методики опиралась на статистику за 21 год (1970-1990 гг.) по генеральной совокупности предприятий черной металлургии, оформленную как отраслевой информационный банк "Черметэлектро" (http://www.kudrinbi.ruh содержащий данные по семи основным электрическим показателям и сведения по общим и удельным расходам на 17 видов продукции, определяющих электропотребление [1]. В настоящее время единая отчетность не ведется, данные Росстата не являются (с точки зрения электрики) полными. Коммерческая тайна затрудняет получение результатов по общим и удельным расходам по цехам и производствам. Однако- продолжающиеся с 1971 г. семинары-конференции (последняя 40-я проведена МЭИ в 2010 г.) главных энергетиков предприятий черной металлургии России и ряда других стран [73] позволяют говорить об актуальности предлагаемой методики и дают возможность проверять ее действенность на примере ряда объектов. Наиболее масштабная проверка используемого математического аппарата Н-распределений осуществлена при анализе электропотребления по всем регионам Российской Федерации за 1990-2010 гг. [88] и по нескольким другим выборкам последних 10 лет [72].

Важно и дает новое знание рассмотрение отрасли по параметрам электропотребления и технологическим показателям (огнеупоры, кокс, чугун,

13 электросталь и конвертерная сталь, прокат) не как большой системы со своими связями и зависимостями, и не как кибернетической системы со своим входом и выходом, наличием обратной управляющей связи, а как технический ценоз (сегк^в). Техноценоз - сообщество изделий (доменная печь, прокатный стан, электродвигатель, трансформатор), конвенционно определяемого объекта с нечеткими границами [44, 68], характеризующимися слабыми связями и слабыми взаимодействиями (все электроприемники завода, прокатные станы страны), административно-территориально выделяемого для целей инвестиционного проектирования, построения(сооружения, монтаж, наладка), обеспечения функционирования (эксплуатация, ремонт), управления (менеджмент). Доказательство корректности распространения (техно) ценологической теории на электрическое хозяйство того или иного предприятия, на его электрические нагрузки, удельные и общие расходы электроэнергии в составе отрасли или по цехам (зданиям, сооружениям), основывается на негауссовом математическом аппарате бесконечноделимых распределений акад. Колмогорова [13] и теоремой Гнеденко-Дёблина [12].

Особенностью аппарата является, что распределение, построенное по разнообразию видов (моделей, марок, типоразмеров) и по соотношению крупное-мелкое представимо гиперболическим //-распределением. Принципиальное отличие этого распределения от нормального, описываемого математическим ожиданием и другими статистическими моментами, включая конечную дисперсию, заключается в том, что //-распределение теоретически не имеет математического ожидания (понятие среднего не может применяться как характеристика структуры ценоза), а дисперсия теоретически стремится к бесконечности. Увеличение выборки не повышает точности определения дисперсии, а снижает ее. Математическая модель соответствия собранных статистических материалов //-распределению проверяется величиной характеристического показателя а, находящегося в определенных, доказанных теорией границах (0<а<2).

Построение модели //-распределения позволяет перейти к определению кластера, к которому может быть отнесен проектируемый объект, в части, прежде всего, основных металлургических переделов (чугун, сталь, прокат). Выделение кластера и определение параметров электропотребления по заводу, производствам, отдельным комплексам позволяет повысить точность принятия решения, осуществив на основании существующих методов математической статистики прогнозирование и поверочный расчет электрических нагрузок комплексным методом. Классификация и адаптация математического аппарата бесконечно делимых Н-распределений с элементами структурно-топологической динамики повышает точность расчетов и оценки результатов, получаемых существующими и вновь разработанными программно-математическими методами.

Целью работы является- разработка методики определения? параметров электропотребления* проектируемого, металлургического завода в целом на предпроектной. стадии, отдельного крупного технологического агрегата и пускового комплекса при решении вопросов инвестирования для строящегося объекта с целью согласования схемы электроснабжения и параметров присоединения к сетям и подстанциям субъекта электроэнергетики.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1) Выполнен анализ развития черной металлургии как потребителя электрической энергии и её электропотребления в послевоенный период восстановления (1950 - 1960 гг.), при завершении индустриализации (1970 -1990 гг.), во время спада производства в 90-х годах и стабилизации (1998 - 2009 гг.).

2) Определена структурно-топологическая динамика металло-производящих регионов за 1990 — 2010 гг. для целей стратегического прогнозирования.

3) Проверена ценологическая устойчивость основных электрических показателей, общего и удельного электропотребления генеральной

15 совокупности предприятий черной металлургии за 21 год по величине характеристического показателя и показатели электропотребления по ряду заводов в 2000-е годы.

4) Определено изменение параметров электропотребления и их динамика по предприятию, производству (цеху), комплексу в целом в периоды пуска основных крупных металлургических агрегатов с выявлением различий в набросе нагрузок для семи (прокат, чугун, электросталь, конвертерная сталь, кокс, огнеупоры, метизы) производств.

5) Разработаны рекомендации по оценке изменения удельных расходов электроэнергии по выделенному производству после пуска крупного комплекса (агрегата).

6) Выделены и проверены методы прогнозирования параметров электропотребления при пуске металлургических объектов, при устойчивой работе предприятия для стратегии прогноза развития до 10 лет.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы классические вероятностно-статические методы, ценологические методы прогнозирования временных рядов, кластерный анализ. Теоретические исследования проводились в специализированных научных программах МаЙ1сас1, 81айзйса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены методики определения параметров электропотребления для проектируемого металлургического предприятия в целом, отдельного крупного технологического агрегата и пускового комплекса на начальных стадиях инвестиционного процесса.

2. Доказана устойчивость во времени параметров ранговых распределений для электрических и технологических показателей основных металлургических переделов генеральной совокупности предприятий черной металлургии, что позволяет выполнить прогноз электропотребления на отдаленную перспективу по отдельным предприятиям и отрасли в целом.

3. Разработана структура информационной базы данных, необходимая для принятия обосновывающих решений по параметрам электропотребления на предпроектных стадиях.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием отраслевой информационного банка данных предприятий черной металлургии «Черметэлектро»; статистики до 2010 г. по металлопроизводящим регионам; корректным применением научных методов, обоснованностью принимаемых допущений; сопоставлением полученных результатов с существующими научными положениями.

Практическая ценность работы состоит в том, что с помощью предложенных методов и информационной базы данных можно определять параметры электропотребления проектируемого объекта в черной металлургии и других отраслях промышленности на предпроектных стадиях. Внедрение данных методов в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает принятие более точных и эффективных решений на предпроектной стадии, повышает качество принятия проектных решений в условиях неполноты и неопределенности исходной информации, сокращает время и трудоемкость процесса принятия управляющего решения.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались: на кафедре "Электроснабжение промышленных предприятий" Московского энергетического института (технического университета), на шестнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010 г.), на Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), на Х1У-ой конференции по технетике и общей ценологии с международным участием (г. Москва, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из которых: 2 статьи в журналах из перечня ВАК РФ, 1 статья в ведущем отраслевом журнале, 4 статьи в сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, заключения, одиннадцати приложений и библиографического списка, выполнена на 158 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 30 таблиц. Библиографический список использованной литературы включает 89 наименований.

Основные результаты работы заключаются в следующих положениях:

1. Доказана устойчивость во времени параметров ранговых распределений для электрических и технологических показателей основных металлургических переделов генеральной совокупности предприятий черной металлургии, что служит основой для стратегического прогнозирования.

2. Разработана классификация металлургических предприятий по электрическим и технологическим показателям, а также методика выбора предприятия-аналога на основе кластерного анализа.

3. Определено изменение параметров электропотребления по предприятию, производству (цеху), комплексу в целом, для времени (периода) пуска основных крупных металлургических агрегатов с выявлением различий в набросе нагрузок для различных (семи) производств.

4. Разработаны рекомендации по оценке изменения удельных расходов электроэнергии по выделенному производству после пуска крупного комплекса (агрегата).

5. Выделены и проверены методы прогнозирования параметров электропотребления при пуске металлургических объектов, при устойчивой работе предприятия и для стратегии прогноза развития до 10 лет.

6. Предложена методика принятия решения по определению параметров электропотребления на предпроектной стадии для металлургического предприятия в целом, крупного технологического комплекса (агрегата).

7. Обоснована и предложена структура информационной базы данных, необходимой для принятия обосновывающих решений по параметрам электропотребления на ранних стадиях инвестиционного процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Авдеев, В. А. Информационный банк "Черметэлектро" / В. А. Авдеев, Б. И. Кудрин, А. Е. Якимов. -М.: Электрика, 1995. -400 с.

2. Аркаев, А. Ф. Об опыте проектирования электроснабжения агрегатов "печь — ковш"/. А. Ф. Аркаев // Электрика. 2006. - №2. - С. llvl'5.

3. Аршанский, M. И: Новый 160-т конвертер в строю / М. И. Аршанский, Ю. А. Данилин, С. BI Виноградов // Сталь. - 2008. - № 6; - С. 20-21.

4. Безруких, П. П. Возобновляемая энергетика: сегодня реальность, завтра -необходимость / Ш П. Безруких. - М:: Лесная страна, 2007. - 120!с: V

5. Белитченко, Â. К. Выход на новый уровень развития (к 15-летию Молдавского металлургического завода) / А. К. Белитченко // Сталь. — 2000. -№1. С. 4-6.

6. Блинов, В. А. Электроснабжение Запсиба: 50 лет развития / В. А. Блинов // Электрика 2008. - №6.- С. 3-15.

7. Ботвинский,, В: Я. Интенсификация сталеплавильного производства и улучшение качества.стали / В. Я: Ботвинский, В. Ф. Поляков, В. В. Смок гин, Н. С. Михайлец // Сталь. 1975. - №5. - С. 404-409.

8. Вагин, Т., Я; Ресурсо- и энергосбережение в литейном производстве: учебник для вузов / Г. Я. Вагин, В. А. Коровин, И. О. Леушин, А. Б. Лоскутов. Нижегород. гос: техн. ун-т. Н. Новгород, 2008. - 211 с.

9. Воронин, Ю. А. Теория классифицирования и ее приложения / Ю. А. Воронин. — Новосибирск: Наука, 1985. 232 с.

10. Гнеденко, Б. В. Курс теории вероятностей / Б. В. Гнеденко. м.: Гостехрадиоиздат, 1954. - 411 с.

11. Гнеденко, В. В. Предельные распределения для сумм независимых случайных величин / В. В. Гнеденко, А. Н. Колмогоров. М. - Л.: Гостехтеориздат, 1949. - 264 с.

12. Дальников, И. И. Проблемы электрификации УКК/ И. И. Дальников // Урало-Кузнецкий комбинат. Сб. статей по ред. Золотарева А. О. ВСНХ СССР: Госсоцэкономиздат, 1931. - С. 43-50.

13. Докторов, М. Е. Организация производства гнутых профилей проката на металлургическом заводе "Амурсталь" / М. Е. Докторов, С. В. Мирошниченко, А. Б. Юрченко, А. Ф. Страшко, С. А. Батурин; А. М. Сенаторов // Сталь. 1986. -№8.-С. 48-51.

14. Дюран, Б. Кластерный анализ / Б. Дюран, П. Оделл. М.: Статистика, 1977. - 128 с.

15. Жамбю, М. Иерархический кластер-анализ и соответствия / М. Жамбю. -М.: Финансы и статистика, 1988. 342 с.

16. Жилин, Б. В. Информационно-методологическое обеспечение определения параметров электропотребления на ранних стадиях проектирования:диссдокт. техн. наук: 05.09.03 / Борис Владимирович Жилин. М., 2003. 344 с.

17. Жилин, Б. В. Классификация предприятий черной металлургии / Б. В. Жилин, А. В. Бортниченко // Промышленная энергетика. 1997. - №1. - С. 2526.

18. Журавлев, С. Рождение красного колосса / С. Журавлев // Эксперт. 2010. -№1. — С. 23-27.

19. Журавлева Ю. И. Об одном способе уточнения алгоритма таксономии припомощи распознающих методов типа голосования / Ю. И. Журавлева, Г.

20. Юнусов // ЖВМ и МФ. 1971. - Т. П. - № 5.- С. 1344-1347.151

21. Иваничев, А. В. Определение параметров электропотребления инвестиционных пусковых комплексов крупных металлургических агрегатов / А. В. Иваничев // Электрика. 2011. - № 4. - С. 32-37.

22. Кендэл, М. Временные ряды / М. Кендэл. М.: Финансы и статистика, 1981. -199 с.

23. Кибернетика электрических систем: Материалы XXV сессии семинара "Электроснабжение промышленных предприятий", Новочеркасск, 15-16 октября 2003 г. / Юж. Росс. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: Ред. журн. "Изв. вузов. Электромеханика", 2004. —116 с.

24. Ким, Дж.- О Факторный, дискриминантный и кластерный анализ / Дж.- О. Ким, Ч. У. Мьюллер, У. Р. Клекка // Под ред. И. С. Енюкова: М.: Финансы и статистика, 1989.-215 с.

25. Кнут, Д. Временные ряды / Д. Кнут. — М.: Финансы и статистика, 1981. -202 с.

26. Кудрин, Б. И. (Техно)ценологические основания инновационного развития / Б. И. Кудрин.// Энергонадзор. 2010. - № 1. - С. 7-11.

27. Кудрин, Б. И. Некоторые итоги электрификации и проблемы развития электрического хозяйства металлургических заводов / Б. И. Кудрин // Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 3. Томск: Изд-воТГУ, 1976.-С. 7-71.

28. Кудрин, Б. И. О Государственном плане рыночной электрификации России / Б. И. Кудрин. М.: Изд-во ИНП, 2005. - 204 с.

29. Кудрин, Б. И. Основы комплексного метода расчета электрических нагрузок / Б. И. Кудрин // Промышленная энергетика. 1986. - №11. - С. 23-27.

30. Кудрин, Б. И. Применение понятий биологии для описания, и прогнозирования- больших систем, формирующихся технологически / Б. И. Кудрин // Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 3 -Томск: Изд-во ТГУ, 1976. С. 171-204.

31. Кудрин, Б. И. Проблемы создания и управления ценозами искусственного происхождения / Б. И.- Кудрин // Кибернетические системы ценозов: Синтез и управление. — М.: Наука, 1991. С. 5-17.

32. Кудрин, Б. И. Реструктуризация черной металлургии и план ГОЭЛРО / Б. И. Кудрин // Промышленная энергетика. 2000. - №12. - С. 8-15.

33. Кудрин, Б. И. Системная оценка электрического хозяйства промышленных предприятий / Б. И. Кудрин // Промышленная энергетика. 1977. - №3. - С. 1820.

34. Кудрин, Б. И. Техногенная самоорганизация / Б. И. Кудрин // Для технариев электрики и философов. Вып.25. "Ценологические исследования". М.: Центр системных исследований, 2004. - 248 с.

35. Кудрин, Б. И. Ценологический ранговый анализ в электрике / Б. И. Кудрин, О. Е. Лагуткин, М. Г. Ошурков // Вып. 40. "Ценологические исследования". -М.: Технетика, 2008. 116 с.

36. Кудрин, Б. И. Ценологическое определение параметров электропотреблениямногономенклатурных производств / Б. И. Кудрин, Б. В. Жилин, О. Е.

37. Лагуткин, М. Г. Ошурков. — Тула: Приок. кн. изд-во, 1994. 122 с.153

38. Кудрин, Б. Иг Электрика: Классика. Вероятность. Ценология. / Б. И. Кудрин, С. И. Гамазин, С. А. Цырук. Монографическое издание. Вып. 34. "Ценологические исследования". — М.: Технетика; 2007. 348 с.

39. Кудрин, Б. И. Электропотребление в электрометаллургии / Б. И. Кудрин // Электрика. 2003. - №9. - С. 35-45.

40. Кудрин, Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий; учебник для студентов высших учебных заведений / Б. И. Кудрин. М.: Интермет Инжиниринг, 2007. - 672 с.

41. Лагуткин, О. Е. Ранговый анализ электропотребления отраслей и подотраслей России / О. Е. Лагуткин, М. Г. Ошурков, Т. Ю. Чиркова // Промышленная энергетика. — 1995. №9. - С. 25-28.

42. Левада; А. Р. Стратегия развития ОАО "Челябинский металлургический комбинат": реальность и перспективы / А. Г. Левада // Сталь. — 2008. № 3. - С. 10-11.

43. Лейбкинд, А. Р. Математические методы и модели формирования организационных структур управления / А. Р. Лейбкинд, Б. Л. Рудник, А. А. Тихомиров. М.: МГУ, 1982. - 232 с.

44. Либерман, А. С. Подстанции малой мощности в электроснабжении промышленных предприятий / А. С. Либерман. Ростов-на-Дону: Азчерхозиздат, 1937. - 306 с.

45. Лившиц, С. М. Методы расчета электрических нагрузок промышленных потребителей / С. М. Лившиц // Промышленная энергетика. — 1948. — №2.

46. Лузгин, В. П. Энергоемкость и проблема "устойчивого развития" объекта на примере черной металлургии / В. П. Лузгин, О. А. Махт // Электрометаллургия. -2006.-№9.-С. 19-36.

47. Магнитогорский металлургический завод (Проект). СССР-ВСНХ. — Л.: Издание Гос. ин-та по проектированию новых металлозаводов. 1929. 720 с.

48. Мандель, И. Д. Кластерный анализ / И. Д. Мандель. — М.: Финансы и статистика. 1988.-176 с.

49. Материалы научно-технического совещания по определению электрических нагрузок и регулированию напряжения промышленных предприятий. Вып. 1. -М. — JL: Госэнергоиздат, 1957. 180 с.

50. Миркин, Б. Г. Группировки в социально-экономических исследованиях / Б. Г. Миркин. М.: Финансы ихтатистика, 1985. - 224 с.

51. Носов, С. К. ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат" на новом этапе развития / С. К. Носов // Сталь. 2000. - №5. - С. 1-4.

52. О расчете электрических нагрузок систем промышленного электроснабжения комплексным методом. Дискуссия. // Промышленная энергетика, 1987. - №7, 8; - 1989. - №11. - С. 42-45.

53. О современном состоянии мирового рынка стали // Электрометаллургия. -2008. №9. - С. 44L48.

54. Ошурков, М. Г. Классификация промышленных предприятий по показателям функционирования электрохозяйства / М. Г. Ошурков // Тр. научно-тех. и учебно-метод. конференции НФ РХТУ. Новомосковск, 1993. -С. 214-215.

55. Позин, М. С. Цех холодной прокатки листов и цех жести Карагандинского металлургического комбината / М. С. Позин, Б. В. Синдин // Сталь. 1976. -№1.-С. 46-49.

56. Порет, Э. Последний киловатт, или второе пришествие ГОЭЛРО / Э. Порет // Инновации в электроэнергетике. — 2008. №1. - С. 14-19.

57. Производство стали и ферросплавов в мире // Электрометаллургия. — 2008. — №2. С. 2-9.

58. Рашников, В. Ф. Прокатному производству Магнитки — 75 лет / В. Ф. Рашников, Г. С. Сеничев, Б. А. Дубровский, А. В. Титов, С. В. Денисов // Сталь. 2008. - №7. - С. 9-12.

59. Рашников, В: Ф. Сталеплавильному производству Магнитки 75 лет / В. Ф. Рашников, В.,Ф. Сарычев, В. Ф. Дьяченко, А. Ф. Сарычев; И. М. Захаров // Сталь. - 2008. - №7. - С. 2-6.

60. Рекомендации по техническому проектированию подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 kB. М.: Изд-во НУ ЭНАС, 2004. - 81 с.

61. Современные тенденции мирового рынка сырья для черной металлургии // Электрометаллургия. 2008. - №10. - С. 43-47.

62. Справочник американской техники и промышленности США. 7-е изд. Т. 1. -Нью-Йорк: Амторг, 1946. 1496+512+134 с.

63. Структурные изменения топливно-энергетического комплексами их влияние на производство стали // Сталь. — 2008. — №10. С. 116-122.

64. Тайц, А. А. К вопросу о методике нормирования удельных расходов электроэнергии / А. А. Тайц // Промышленная энергетика. — 1944. № 4.

65. Технетика и- ценология: от теории к практике. Общая и прикладная ценология. Вып. 35. "Ценологические исследования". М.: МОИП МГУ — Технетика, 2009. - 328 с.

66. Труды XXXIX Международной научно-практической конференции "Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений" 16-20 ноября 2009 г., Москва. В 2-х томах. — М.: Технетика, 2010. С. 224-226.

67. Уиллиамс, У. Т. Методы иерархической классификации / У. Т. Уиллиамс, Д. Н. Ланс // Статистические методы для ЭВМ / Под ред. М. Б. Малютов. М.: Наука, 1986.-С. 269-301.

68. Указания и нормы технологического проектирования и технико-экономические показатели энергохозяйства предприятий черной металлургии. Металлургические заводы. Том 7. Электрохозяйство. — М.: Минчермет СССР, 1981.- 124 с.

69. Указания по определению электрических нагрузок в промышленных установках. — Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок / Тяжпромэлектропроект. — М.: Энергия, 1968. — №6.

70. Упахович, В. А. Техническое перевооружение доменных печей Череповецкого комбината / В1. А. Упахович, В. И. Нетронин, А. Г. Котов, А. К. Икконен, Н. Д. Егоров // Сталь. 1985. - №9. - С. 5-11.

71. Фукс, Г. Концепция фирмы "Фукс Системтехник" по современному сталеплавильному производству / Г. Фукс, К. Гелер, Б. Пельц // Сталь. 2000. -№3. - С. 30-34.

72. Фуфаев, В. В. Оценка ценологического потенциала электропотребления российских регионов на основе рейтингов / В'. В. Фуфаев, Д. А. Калашников // Электрика. 2002. - №2. - С. 10-17.

73. Фуфаев, В. В. Структурно-топологическая устойчивость динамики ценозов / В. В. Фуфаев // Кибернетические системы ценозов: Синтез и управление. — М.: Наука, 1991. - С. 18-26.

74. Фуфаев, В. В. Ценологическое определение параметров электропотребления, надежности, монтажа и ремонта электрооборудования предприятий региона / В. В. Фуфаев. М.: Центр системных исследований, 2000. - 320 с.

75. Харчев, М. К. К вопросу определения электрических нагрузок промышленных предприятий / М. К. Харчев // Промышленная энергетика. -1957.-№7.

76. Хвощинский, А. В. Оптимальная мощность трансформаторов дуговых сталеплавильных печей / А. В. Хвощинский, В. С. Розенцвейг // Сталь. — 1975. -№5.-С. 422-423.

77. Шевелев, Л. Н. Тенденции развития мирового рынка стали в 2006-2007 гг. и перспективы потребления стальной продукции в 2008 г. / Л. Н. Шевелев // Электрометаллургия. 2008. - №5. - С. 2-5.

78. Шокуп, А. А. Заводу "Азовсталь" 50 лет / А. А. Шокуп // Сталь. - 1983. -№7. - С. 5-8.

79. Экономика социалистической промышленности М. - Л.: Соцэкгиз, 1931. -556 с.

80. Электроэффективность: рейтинг российских регионов по электропотреблению за 1990 1999 гг. и прогнозный до 2020 г. // Электрика. -2007.-№ 10.-С. 3-17.

81. Энергоэффективность: рейтинг российских регионов по электропотреблению за 1990-2010 гг. // Электрика. 2010. - №8. - С. 3-15.

82. Юзов, О. В. О развитии мирового рынка стали / О. В. Юзов, А. М. Седых // Сталь. 2008. - №1. - С. 73-78.