автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Многокритериальная оценка энергетической эффективности системы теплоснабжения промышленного предприятия

На правах рукописи

/

МОКРОУСОВ Валерий Сергеевич

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Специальность 05.13.01 — «Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

I ь гЩ] 0050594гг

Владимир - 2013

005059412

Работа выполнена на кафедре «Информационные системы и программная инженерия» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ), г. Владимир.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент,

Мельников Владимир Михайлович, доцент кафедры «Теплоснабжение, вентиляция и гидравлика» ВлГУ, г. Владимир.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор,

Давыдов Алексей Александрович, заведующий кафедрой «Функциональный анализ и его приложения», ВлГУ, г. Владимир;

доктор технических наук, доцент, Потехин Дмитрий Станиславович, ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева», г. Ковров, Владимирская область.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский

университет «МЭИ», г. Москва.

Защита состоится «29» мая 2013 г. в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 при ВЛГУ по адресу: Россия, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, аудитория 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1.

Автореферат разослан «26» апреля 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

Н.Н.Давыдов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее десятилетие в России наблюдается ежегодный рост стоимости тепловой энергии, а так же увеличение потерь на всех стадиях: производство, передача и потребление энергоресурсов с 8,51% до 13,1%.

В России, в настоящее время, энергоемкости продукции уделяется мало внимания, полагая, что ее нельзя снизить или если есть возможность уменьшить, то только с помощью больших капитальных вложений, при этом энергетические затраты в промышленности находятся на высоком уровне. Это связано с высоким процентом износа существующего оборудования и несоответствия мощности установленного оборудования заявляемым мощностям, в результате чего наблюдаются большие отклонения фактического потребления по сравнению с нормативными значениями.

Снижение энергопотребления, для возможности конкурирования с иностранными производителями, является одним из важнейших условий современной рыночной экономики. Значительным потенциалом по энергосбережению в нашей стране обладают системы теплоснабжения. Это связано с высокой степенью изношенности генерирующего оборудования, тепловых сетей и ограждающих конструкций зданий.

Для инвестиционной оценки мероприятий по энергосбережению необходима разработка объективных методов многокритериальной оценки энергетической эффективности источников и систем энергоснабжения. Существующие методы анализа потенциала энергосбережения по частным показателям энергоэффективности не дают системных оценок. Требуется совершенствование методов комплексного анализа мероприятий по энергосбережению по различным критериям качества - технологическим, экономическим, потребительским и экологическим.

В соответствии с вышеизложенным, актуальной является проблема многокритериальной оценки мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в системах теплоснабжения промышленных предприятий.

Научной проблемой принятия многокритериальных решений в сложных системах занимались следующие известные ученые: A.B. Костров, В. Купер, О.И. Ларичев, Р.И. Макаров, Т. Саати, А. Чарнес. Разработкой направлений сокращения потерь в системе теплоснабжения занимались O.JI. Данилов, П.И. Левичев, Ю.Г. Назмеев, Б.В. Яковлев. Работы данных ученых рассматривали проблему сокращения потерь как техническую задачу.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с федеральным законом от 23.11.2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», федеральным законом от 27.07.2010 г. №190-ФЗ «О теплоснабжении», постановлением Губернатора Владимирской области от 01.02.2012 № 94 "Об утверждении долгосрочной целевой программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности во Владимирской области на период до 2020 года".

Объектом исследования является система централизованного теплоснабжения промышленного предприятия.

Предметом исследования являются методы принятия многокритериальных решений для выбора направлений повышения энергетической эффективности СТСПП.

Целью работы является повышение энергетической эффективности системы теплоснабжения промышленного предприятия (СТСПП) путем разработки методики многокритериальной оценки мероприятий по оптимизации потребления тепловой энергии.

В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие

основные задачи:

1. Проведен анализ методов по расчету потенциала энергосбережения в СТСПП. Сформирован состав критериев и альтернатив, направленных на повышение эффективности СТСПП.

2. Разработана модель описания мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в виде специализированной граф-схемы.

3. Разработана математическая модель оптимизации потребления тепловой энергии в системе теплоснабжения промышленного предприятия.

4. Разработана методика многокритериальной оценки множества мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности.

5. Проведены экспериментальные исследования по повышению энергетической эффективности ОАО «Владимирский химический завод» и ОАО «Ставровский завод АТО».

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработана специализированная граф-схема для комплексного описания альтернативного и группового выбора мероприятий по энергосбережению в системе теплоснабжения.

2. Предложено и обосновано использование методов многокритериального анализа (МАИ и АСФ) для оценки эффективности энергосберегающих мероприятий в СТСПП.

3. Разработана математическая модель оптимизации потребления тепловой энергии в СТСПП на основании результатов многокритериальной оценки.

4. Разработана методика оценки направлений повышения энергоэффективности и надежности систем теплоснабжения ОАО «Владимирский химический завод» и ОАО «Ставровский завод АТО».

Практическая ценность работы определяется следующим:

1. Методика многокритериальной оценки энергетической эффективности СТСПП применяется в практике деятельности ФГУ «Управление по обеспечению энергоэффективности и энергосбережения в Московском регионе» Министерства энергетики РФ.

2. Алгоритм, решающий задачу повышения эффективности вложения денежных средств энергосервисных организаций внедрен в качестве подсистемы информационной системы разрабатываемой ЗАО «Энвижн Груп», при поддержке Европейского банка реконструкции и развития.

3. Решены практические задачи повышения эффективности СТСПП с использованием методики, разработанной в диссертационной работе. По результатам работы, были заменены наиболее изношенные участки паропроводов тепловой сети ОАО «Владимирский химический завод». Годовой экономический эффект от внедрения составляет 994,1 тыс. руб. В результате многокритериального анализа системы теплоснабжения ОАО «Ставровский завод АТО», на котельной были внедрены мероприятия на сумму 642,291 тыс.руб., экономический эффект за первый год эксплуатации составил 707,223 тыс. руб..

На защиту выносятся:

1. специализированная граф-схема для описания множества мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности СТСПП;

2. математическая модель оптимизации потребления тепловой энергии в системе теплоснабжения промышленного предприятия

3. методика многокритериальной оценки мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности промышленного предприятия;

4. результаты оценки направлений повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения промышленных предприятий.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на II и III Межрегиональной выставке «Энергоэффективность и технологии энергосбережения. ЖКХ»; Первом Владимирском энергетическом форуме и Международной конференции «Энергосбережение и энергосервис». Получен патент на полезную модель №112410 «Система учета и регулирования потребления тепловой энергии абонентами».

Реализация и внедрение. Результаты работы внедрены на ОАО «Владимирский химический завод», ОАО «Ставровский завод АТО», МУП о. Муром «Тепловые сети»; используются в практике деятельности ФГУ «Управление по обеспечению энергоэффективности и энергосбережения в Московском регионе» Министерства энергетики РФ и ЗАО «Энвижн Груп».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе три работы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и четырех приложений. Основной текст изложен на 156 страницах, содержит 39 рисунка, 27 таблиц. Список литературы включает 119 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследования, решаемые для ее достижения задачи, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Обзор методов системного анализа и тепловых балансов теплоэнергетических систем» дается аналитический обзор применения методологии системного анализа при проведении энергетического обследования теплоэнергетического комплекса промышленного предприятия, рассмотрены методы построения и анализа тепловых балансов предприятия с расчетом потенциала энергосбережения.

Показано, что применение методологии системного анализа при проведении инвестиционного энергоаудита позволяет выявлять причины и сущность протекающих процессов и отбирать обоснованные мероприятия по энергосбережению и повышению энергоэффективности. Основными направлениями применения системной методологии являются: оценка потенциала энергосбережения тепловой энергии и оптимизация функционирования теплоэнергетических систем.

Обосновано, что СТСПП - многоуровневая система со сложной схемой внутренних и внешних связей, характеризующаяся непрерывностью и неразрывностью во времени процессов производства, распределения и потребления тепловой энергии. Проведен анализ типовых структур СТСПП, состоящих из следующих подсистем: источник энергии, распределительные сети и потребители тепловой энергии. Показано, что каждая подсистема включает в себя определенный набор элементов системы.

Разработана информационная модель энергоменеджмента по оптимизации потерь теплоэнергии на ПП. Определены основные направления сокращения потерь тепловой энергии - замена элементов системы, изменение технологического процесса, схемы тепловой сети, температурного графика, автоматизация работы СТСПП.

Представлена техническая характеристика систем теплоснабжения ОАО «ВХЗ» и ОАО «Ставровский завод АТО», включающие в себя следующие элементы подсистемы: котельная, паропроводы и трубопроводы горячей воды; система отопления, вентиляции, ГВС и технологические линии предприятий.

Показан метод определения потенциала снижения потребления тепловой энергии по результатам выполнения камерального и инструментального обследования промышленного предприятия. Составлено уравнение общего вида теплового баланса промышленного предприятия.

Для расчета потенциала энергосбережения произведен анализ основных методик вычисления нормативных показателей тепловой энергии на основании действующих нормативно-правовых документов.

Во второй главе «Математические методы, модели и инструментальные средства для многокритериальной оценки

энергетической эффективности» проведена разработка специализированной граф-схемы для комплексного описания выбора мероприятий по энергосбережению и дана постановка задачи оптимизации потерь тепловой энергии на ПП. Дополнительно рассмотрены модели и методы оценки энергетической эффективности СТСПП.

По результатам технико-экономических исследований математических моделей теплоэнергетических объектов, установлено, что одним из главных этапов модернизации оборудования является определение технико-экономических показателей установок, соответствующих требуемым значениям параметров, с учетом технологической схемы объекта и конструкций элементов, применительно к условиям ее эксплуатации.

Для представления перечня мероприятий по энергосбережению в наглядном виде, при поиске актуальных направлений снижения тепловых

Рисунок 1 - Фрагмент специализированной граф-схемы

Вершинами графа являются характерные точки СТСПП, в которых происходит разделение потока энергии (ЦТП, ИТП, ТК и т.п.). Каждая из дуг графа, представляет техническое или организационное мероприятие, обеспечивающие экономию тепловой энергии на данном участке системы, которое имеет свои затраты - С (стоимость внедрения) и свой эффект - Е (количество сэкономленной тепловой энергии в стоимостном выражении).

Дуги 1, 2, 3 соответствуют тем мероприятиям, которые могут быть реализованы на центрально-тепловом пункте предприятия (замена теплообменного оборудования, его теплоилозяция или установка частотно-регулируемых приводов на электродвигатели сетевых насосов).

Дуги 4 и 5 соответствуют тем мероприятиям, которые могут быть выполнены для снижения потерь тепловой энергии при ее транспортировке от ЦТП к ТП (изоляция трубопроводов теплоизоляционными материалами).

Дуги 6, 7, 8 определяют мероприятия по энергосбережению и энергоэффективности в ТП: автоматизация ТП, перевод системы отопления на дежурный режим, регулирование теплоносителя по фасаду здания.

Если на рассматриваемом уровне системы теплоснабжения может быть применено одно или несколько направлений повышения энергетической эффективности из всей совокупности дуг, то указывается СИМВОЛ «V». Для возможности внедрения из всей совокупности только одного мероприятия применяется знак «©». В случае необходимости внедрения всего подмножества мероприятий указывается знак «Л».

Для изучения фактического состояния системы теплоснабжения и оценки распределения тепловых потоков внутри предприятия составлено уравнение теплового баланса ПП:

Г <2рт = £* <?гр + £ <2СН + £ <?потк + £ (?потсн + £ (?потпар +

+ £ <?потвода + £ <?поттехн + £ <?потот + £ (?потгас. (1)

где <Зрт - располагаемая теплота; <?£тр- потребление теплоэнергии к-м потребителем; <2СН- объем теплоэнергии на собственные нужды котельных или ЦТП; <2потк, С?потсн, (?потпар, <?потвода, <?поттехн, <2потот, <Зпотгвс -потери теплоэнергии котлами; теплотехническим оборудованием котельной; при передаче пара; теплофикационной воды; при технологическом процессе; в системе отопления и вентиляции; в системе ГВС.

В результате анализа уравнения теплового баланса, сделано заключение, что снижение потерь теплоэнергии можно достичь на каждом уровне системы с помощью внедрения энергосберегающих мероприятий.

Сформулирована задача оптимизации потерь теплоэнергии в СТСПП. Для энергосервисной компании мероприятие по энергосбережению оценивается двумя критериями:

- сумма капитальных и эксплуатационных затрат, С;

- эффект получаемый от внедрения мероприятия, выраженный в стоимостном выражении от объема сэкономленной тепловой энергии, Е.

Решение задачи снижения потерь в СТСПП состоит в выборе мероприятий, стоимость которых не превышает запланированного объема, и их внедрение обеспечит получение максимального эффекта.

Пусть £> - множество всех мероприятий по энергосбережению, состоящее из трех непересекающихся подмножеств £>/, В2 и

Подмножество И, содержит п мероприятий, которые планируются к внедрению в тепловых пунктах цехов. Подмножество П2 содержит т мероприятий, которые планируются к внедрению на участке от ЦТП до ИТП цехов. Подмножество 03 содержит к мероприятий, которые планируются к внедрению на самом верхнем уровне СТСПП (в ЦТП).

Тогда п-мерные вектора С ¡(г), С2(1),Сг(1) и Е,(1), Е2(\), Е3(0 содержат стоимости и эффекты мероприятий из подмножеств О;, ¿>2 И

С учетом введенных обозначений задача снижения тепловых потерь в СТСПП решается следующим образом:

1. Составление множества И планируемых мероприятий и декомпозиция его на три непересекающихся подмножества £>;, Д> и Дз в зависимости от места внедрения мероприятий.

2. С помощью МАИ и метода АСФ вначале из подмножеств О, 02 и Д, затем из множества О проводится выбор эффективных мероприятий.

3. Задается значение максимального финансирования (К) направленного на реализацию выбранных мероприятий.

4. Составляется целевая функция, значение которой должно быть максимальным в результате решения задачи следующего вида:

D^D.oD^D, t (2)

• F(C) = t £,(/>+£ £2(/) + £ £,(/)-> max

1=1 ¡=l ;=i

¿сдо + Ес2(о + £с3(/)<л:

i=i ¡«I /=i

Так как СТСПП является сложной системой, то для учета зависимостей между ее элементами, при выборе мероприятий для подмножеств Di, разработаны диаграммы причинно-следственных связей.

Для выбора эффективного подмножества мероприятий по энергосбережению на ПП используются методы многокритериального оценивания. Проанализированы следующие методы: min (шах) свертка, мультипликативный, МАИ. Достоинством данных методов является сведение многоэкстремальной проблемы к некоторой однокритериальной задаче, целевая функция которой представляет собой свертку исходных локальных критериев. Основным недостатком данных методов является наличие субъективности при определении весовых коэффициентов.

Среди рассмотренных методов был отобран МАИ, который позволяет выявлять несогласованность суждений, и использовать единую шкалу отношений для сравнения качественных показателей.

Для минимизации субъективного фактора при получении интегральных оценок эффективности рассматриваемых мероприятий дополнительно применена методология многокритериального оценивания сравнительной эффективности - Анализ среды функционирования. Она позволяет определять сравнительную эффективность каждого мероприятия по отношению к другим сопоставимым объектам, при этом рассчитывается степень их «удаленности» от эффективных объектов.

Проведен анализ методов экономической оценки инвестиций в энергосберегающие мероприятия. В связи с тем, что во время проведения исследований в основном рассматриваются крупнозатратные мероприятия с длительным сроком окупаемости (5-7 лет), то для расчета экономического эффекта выбран метод дисконтированного срока окупаемости затрат.

В третьей главе «Комплексный анализ и многокритериальная оценка направлений повышения энергетической эффективности системы теплоснабжения промпредприятия» разработана методика поиска оптимального решения на основании МАИ и метода АСФ.

Для применения МАИ при оценке мероприятий по энергосбережению предлагается использовать трехуровневую иерархию (рисунок 2).

Для ранжирования мероприятий по эффективности использовалась линейная свертка, весовые коэффициенты (вектор приоритетов) которой определялись МАИ. Алгоритм проведения расчетов включает три этапа:

1. Определение степени влияния элементов второго уровня иерархии (критериев) на цель по выбору эффективных мероприятий (1 уровень) в виде нормированного вектора приоритетов критериев Wi;

1 уровень

2 уровень

Выиор мероприятия

Критерий 1

Кртсрин 2

Кршернн М

3 уровень I

Мероприятие 1

Мероприятие 2

Мероприятие N

Рисунок 2 - Иерархическая схема оценки энергосберегающих мероприятий

2. Определение относительной важности мероприятий по энергосбережению (альтернатив) с точки зрения рассматриваемых критериев в виде векторов приоритетов альтернатив Ж„ /=2,...Л^+1.

Вектор приоритетов альтернатив рассчитывается как правый собственный вектор матрицы парных сравнений [А] из равенства:

где ^тах- максимальное собственное значение квадратной матрицы [А].

Сравнение для количественных критериев проводилось на основе фактических измерений и расчетов, для качественных критериев с помощью фундаментальной шкалы абсолютных значений, разработанной Т.Л. Саати.

Если элементы матрицы [А] основаны на субъективных суждениях,

то для оценки отклонения использовался индекс согласованности:

= (4)

где п - порядок квадратной матрицы. Если СЕ < 0,1, то суждения считались удовлетворительными.

3. Определение результирующего вектора приоритетов альтернатив согласно следующей формуле:

1Г = \А\-Щ-\УГЛ-1И\, (5)

где [А] - матрица, состоящая из векторов приоритетов альтернатив относительно критериев; [Ь] - структурная матрица, элементами диагонали которой являются соотношения числа альтернатив над каждым критерием к общему числу альтернатив; [В] - диагональная матрица, для нормирования значений вектора приоритетов альтернатив.

Формирование перечня критериев оценки мероприятий по энергосбережению для ЭСО производилось на основе опроса 28 предприятий, осуществляющих производство и транспортировку теплоэнергии. Перечень содержит следующие частные критерии: экономия тепловой энергии (К1); кап. затраты (К2); эксплуатационные расходы (КЗ); удобство в эксплуатации (К4); численность персонала (К5); повышение надежности (Кб); повышение качества энергетических ресурсов (К7); срок службы оборудования (К8).

Представленные критерии оцениваются на основании экспертизы, как в количественном выражении (снижение потребления энергетических ресурсов), так и по бальной системе (удобство эксплуатации и т.п.).

Базовой моделью для расчета эффективности рассматриваемых мероприятий методом АСФ выбрана модель ССЯ. Производственными объектами метода АСФ являются мероприятия по энергосбережению и энергоэффективности СТСПП.

Для оценки мероприятий методом АСФ по совокупности частных критериев х1, х2, хЗ, у], у2, уЗ, у4, у5 построена структурная модель (рисунок 3) и составлена задача математического программирования следующего вида:

тах А _ «| • У,о + "2 ■ У2о + Щ ■ Уъо + Ц4 • У4о + Щ • У* (6)

», ,»2 .», .V, ,у2 ,„ .»4 у, ' V, • хи + у2 • х2„ + у3 • х3„

при ограничениях: », • уи + »г • У+ и,' У„ +м< • У*, + и>' У а < 1 ^. =} щ

V, -хг/

«„И^Ыз^У^У,,^,^ >0-

Система соотношений (6) для у 6 {1, ...,Л'} определяет ТУ задач математического программирования. Решая каждую из /-задач для /-го объекта, получаем значение соответствующего показателя эффективности А,, ранжированное на единичном интервале [0,1].

Капитальные затраты

оч.)

Эксплуатационные затраты (х2о)

Численность персонала

Мероприятия по энергосбережению и энергоэффективности

Экономия тепловой энергии (У|о)

Удобство в эксплуатации (у^,)

Повышение надежности (у?0)

Качество энергоресурсов (у*,)

Срок службы оборудования (уа,)

Рисунок 3 - Структурная модель оценки мероприятий по энергосбережению Сделано заключение, что МАИ и метод АСФ, на основании разработанных моделей, может применяться экспертом при решении задач многокритериального оценивания мероприятий по энергосбережению.

В четвертой главе «Результаты многокритериального оценивания и анализа энергетической эффективности систем теплоснабжения промышленных предприятий» проведен системный анализ и многокритериальная оценка направлений повышения энергоэффективности систем теплоснабжения ОАО «ВХЗ» и ОАО «Ставровский завод АТО».

По результатам камерального энергетического обследования системы теплоснабжения ОАО «ВХЗ» установлено повышенное фактическое потребление теплоэнергии на отопление производственных цехов предприятия (потенциал энергосбережения тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий предприятия составляет: 570,5 Гкал/год).

По результатам замеров установлено, что фактические потери теплоэнергии через теплоизоляцию трубопроводов ОАО «ВХЗ» превышают

нормативные значения в среднем на 40%. Наибольшие отклонения на трубопроводах изолированных минплитой с покровным слоем стеклоткань.

По результатам тепловизионного обследования выявлены тепловые потери через ограждающие конструкции зданий, тепловую изоляцию трубопроводов и поверхности технологического оборудования.

В результате проведенного обследования СТСПП составлен перечень из 18 мероприятий, направленных на повышение эффективности потребления теплоэнергии.

Для решения поставленной задачи методом анализа иерархий, расчет весовых коэффициентов критериев и вектор-столбца приоритетов альтернатив относительно главной цели производился в специализированном программном продукте: Collaborative Decision Making Software. Результаты расчета представлены на рисунке 4 и 5.

J : Величина экономии

4,2% 2/5%

32,2%

21,5%

ЇЄПЛОЄОЙ энергии Ч Капитальные

х Повышение

. ^исяяуатамжи^«^« расходы

обслуживающего персонала Удоостио » ш;.ялуаг»цни

ш Срок сяуж&ы оборудования

s КамйстйО ресурсов

Рисунок 4 - Диаграмма распределения весов критериев иерархии

і.....1

It

« îs « ш Р

■ a Ni.....м.......ш

■ s ш р,

І...... ■ ф "Ж

! і.......і......g.

f§§ Щ Ц§ Ш

MîS MîQ MY

Рисунок 5 - Результат расчета по выбору наилучшей альтернативы относительно главной цели При анализе данных, представленных на рисунке 5, сделан вывод, что актуальными направлениями для ОАО «ВХЗ» являются мероприятия 6, 12 и 15. Основной эффект от внедрения будет направлен на снижение тепловых потерь при наименьших затратах и повышение надежности.

По результатам выполненных расчетов, математическая модель оптимизации потребления тепловой энергии в системе теплоснабжения ОАО «ВХЗ», с учетом возможности изменения объемов финансовых инвестиций в мероприятия по энергосбережению в пределах заданного «коридора», при ограниченном объеме финансирования записывается следующим образом:

найти max (0,0517л, + 0,0535л, + 0,0379*, + 0,0509л4 + 0,0649л, + 0,0837л6 +

+ 0,0477л, + 0,031 Зл8 + 0,0309л, + 0,0693л,„ + 0,0618х,, + 0,0806л, 2 + (7)

18

+ 0,0683л,, + 0,0501л,., + 0,0741л15 + 0,0487л,6 + 0,0595л,, + 0,035л,„)/]>>,

is IS 1«

при Ул-.< К: ¿ к ¿ L-W

л, = 4; л2 = 5;' 70 < л, < 400; 55 < л, < 300; 825 < л5 < 3000;

690 <л6 < 2500; 450 <л7 < 1350;л, = 600;л9 = 680;л1О = 2500;

1125 < л„ < 2500; 2100 < л,2 < 7000; 1340 < л„ < 6500;

1420 < л,„ < 4500; 750 < л„ < 5500;300 < х,6 < 2000;

760 <л,7< 2300; Í120 <л1Е <; 2500. где хь х2, .... х18 - объемы денежных средств, выделяемых организацией на реализацию мероприятий по энергосбережению в системе теплоснабжения;

х, „„„ и х,тах- сумма инвестиций, покрывающая минимально возможные потребности и максимальный объем финансирования.

Адекватность разработанной математической модели (7) подтверждена практическими результатами внедрения мероприятий по энергосбережению на теплоснабжающих организациях Владимирской области. В результате сравнения между плановыми расчетно-нормативными показателями (капитальные и эксплуатационные затраты, объем экономии ТЭР) и фактическими значениями по 28 котельным и 12,459 км. тепловой сети, установлено, что среднеквадратическое отклонение составляет:

- для систем теплоснабжения: затраты: 51 тыс. руб.; экономия: 72 Гкал;

- для систем электроснабжения: затраты: 36 тыс. руб.; экономия: 1,2 кВт-ч.

В качестве базового состава частных критериев оценки и перечня мероприятий методом АСФ используется совокупность характеристик рассмотренных в МАИ. Для оценки мероприятий методом АСФ решена задача нелинейного программирования описанная формулой (6).

Для решения поставленной задачи использовалось специализированное программное обеспечение Banxia Frontier Analyst.

Расчет весовых коэффициентов показал, что наибольшее значение на функционал (6) оказывают следующие критерии энергоэффективности: экономия тепловой энергии (и, = 39,57%), надежность (и3 = 17,87%) и капитальные затраты (v¡ = 14,42%) (рисунок 6).

В результате решения N=18 оптимизационных задач нелинейного математического программирования (6) получены значения системной энергетической эффективности, представленные на рисунке 7.

По результатам вычислений сделан вывод, что наибольшая сравнительная системная эффективность у мероприятий 1,2,4,5,6,10, 11,12,13,14,15,16,17 (h = 1). Глобальные критерии остальных мероприятий меньше единицы (h < 1).

3. Разработана математическая модель оптимизации потребления тепловой энергии в СТСПП на основании результатов многокритериальной оценки.

4. Разработана методика повышения эффективности и надежности систем теплоснабжения ОАО «ВХЗ» и ОАО «Ставровский завод АТО».

5. Решены практические задачи с применением методики, разработанной в диссертационной работе.

По результатам работы, были заменены наиболее изношенные участки паропроводов ОАО «ВХЗ». Годовой экономический эффект от внедрения составляет 994,1 тыс. руб. В результате многокритериального анализа системы теплоснабжения ОАО «Ставровский завод АТО», на котельной были внедрены мероприятия на сумму 642,291 тыс.руб., экономический эффект за год эксплуатации составил 707,223 тыс. руб.

Полученные научные результаты применены в практике деятельности ФГУ «МОСРЕГИОНЭНЕРГО», при разработке методических рекомендаций по составлению инвестиционных программ и энергосервисных контрактов для промышленных предприятий и внедрены в качестве подсистемы информационной системы разрабатываемой ЗАО «Энвижн Груп», при поддержке Европейского банка реконструкции и развития.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК

1. Мокроусов, B.C. Применение специализированной граф-схемы для описания вариантов энергосберегающих мероприятий/ B.C. Мокроусов // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. -Иваново: 2012 - №5, - С. 85-87 (лично автором - 100%).

2. Мокроусов, B.C. Способы многокритериального оценивания направлений повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения/ B.C. Мокроусов // Известия Юго-Западного государственного университета. - Курск: 2012 - №2, - С. 334-339 (лично автором - 100%).

3. Мокроусов, B.C. Результаты многокритериального оценивания мероприятий по энергосбережению при проведении энергетического обследования промпредприятия/ B.C. Мокроусов // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. - Воронеж: 2012 - №2, - С.117-123 (лично автором - 100%).

Публикации в научных журналах и изданиях

4. Мокроусов, B.C. Обработка экспертных оценок для построения весовых функций мероприятий по энергосбережению/ В.М. Мельников, B.C. Мокроусов // Научные аспекты инновационных исследований. Том I. -Самара: ООО «Инсома-пресс». 2013. - С. 35-38 (лично автором - 50%).

5. Мокроусов, B.C. Методы экономической оценки инвестиций в энергосберегающие мероприятия/ Мельников В.М., Мокроусов B.C.//

Научный журнал «Апробация» №2. - М.: Издательство Перо. 2013. - С. 9-10 (лично автором - 60%)

6. Мокроусов, B.C. Применение сенсорных сетей в теплоэнергетике/ В.М. Мельников, B.C. Мокроусов // Социально-экономические системы: особенности развития, функционирования и управления в условиях инновационной направленности - Владимир. 2010. - С. 212-216 (лично автором - 75%).

7. Мокроусов, B.C. Особенности анализа структуры системы теплоснабжения промышленного предприятия/ B.C. Мокроусов // Перспективы развития информационных технологий: сборник материалов IX Международной научно-практической конференции. - Новосибирск: Издательство НГТУ. 2012. - С. 17-20 (лично автором - 100%).

8. Мокроусов, B.C. Анализ теплового баланса предприятия химической промышленности/ B.C. Мокроусов // Научная дискуссия: инновации в современном мире: Материалы V международной заочной научно-практической конференции - М.: Изд. «Международный центр науки и образования». 2012. - С. 47-51 (лично автором - 100%).

9. Мокроусов, B.C. Математическая модель оптимизации тепловой энергии системы теплоснабжения/ B.C. Мокроусов // Инновации в науке: материалы XII международной заочно-практической конференции. Часть I.

- Новосибирск: Издательство «Сибирская ассоциация консультантов». 2012.

- С. 67-73 (лично автором - 100%).

10. Мокроусов, B.C. Критерии эффективности систем теплоснабжения/ B.C.. Мокроусов // Технические науки - от теории к практике: материалы XII международной заочно-практической конференции

- Новосибирск: Издательство «Сибирская ассоциация консультантов». 2012.

- С. 55-60 (лично автором - 100%).

11. Мокроусов, B.C. Применение методологии системного анализа при проведении энергетического обследования промышленного предприятия/ B.C. Мокроусов // Технические науки - основа современной инновационной системы: I Международная науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: Коллоквиум. 2012. - С. 9-10 (лично автором - 100%).

12. Мокроусов, B.C. Организация учета теплоэнергии как подготовительная стадия энергоаудита промышленного предприятия/ B.C. Мокроусов, В.М. Мельников // Материалы докладов VII Международной молодежной научной конференции «Тичуринские чтения». Т.2 - Казань: КГТУ. 2012. - С. 125-126 (лично автором - 65%).

Подписано в печать 23.04.13. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 120 экз. Заказ 90 Издательство Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)

На правах рукописи

О42СИ 358804

МОКРОУСОВ ВАЛЕРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент В.М. Мельников

Владимир - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА И ТЕПЛОВЫХ БАЛАНСОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ................................................9

1.1 Методология системного анализа при проведении энергетического обследования систем теплоснабжения..........................................................................9

1.2 Особенности структуры теплоэнергетического комплекса промышленного предприятия...................................................................................................................13

1.3 Техническая характеристика системы теплоснабжения промышленного предприятия...................................................................................................................21

1.4 Методы построения и анализа тепловых балансов промышленного предприятия...................................................................................................................26

1.5 Методики теплотехнического расчета..................................................................31

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, МОДЕЛИ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ..............................................37

2.1 Общие подходы к построению математических моделей систем теплоснабжения промышленных предприятий.........................................................37

2.2 Специализированная граф-схема системы теплоснабжения промышленного предприятия...................................................................................................................42

2.3 Постановка задачи оптимизации потребления тепловой энергии.....................47

2.4 Математические методы принятия многокритериальных решений в системе теплоснабжения.............................................................................................................56

2.5 Методы экономической оценки инвестиций в энергосберегающие

мероприятия...................................................................................................................66

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ И МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОЦЕНКА НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРОМПРЕДПРИЯТИЯ...................................70

3.1 Выбор критериев эффективности системы теплоснабжения.............................70

3.2 Применение метода МАИ для решения задачи оптимизации потребления тепловой энергии в системе теплоснабжения промышленного предприятия........77

3.3 Обработка экспертных оценок для построения весовых функций мероприятий по энергосбережению...................................................................................................83

3.4 Применение метода АСФ для решения задачи оптимизации потребления

тепловой энергии в системе теплоснабжения промышленного предприятия........87

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ОЦЕНИВАНИЯ И АНАЛИЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ..............................93

4.1 Анализ и оценка потребления тепловой энергии на промышленном предприятии...................................................................................................................93

4.2 Способы повышения энергоэффективности системы теплоснабжения промпредприятия........................................................................................................107

4.3 Применение методов многокритериальной оценки для комплексного анализа системы теплоснабжения...........................................................................................112

4.4 Сравнение полученных результатов и выбор эффективного решения...........124

4.5 Применение метода многокритериальной оценки для комплексного анализа

источника теплоснабжения........................................................................................134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................143

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.........................................................................................145

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ А Диаграммы причино-следственных связей реализации

мероприятий.......................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Расчет плотности теплового потока через теплоизоляцию

трубопроводов...................................................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ В Расчет эффективности финансовых инвестиций в реализацию

проекта............................................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Материалы внедрения.................................................164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последнее десятилетие в России наблюдается ежегодный рост стоимости тепловой энергии, а так же увеличение потерь на всех стадиях: производство, передача и потребление энергоресурсов с 8,51% до 13,1% [82].

В России, в настоящее время, энергоемкости продукции уделяется мало внимания, полагая, что ее нельзя снизить или если есть возможность уменьшить, то только с помощью больших капитальных вложений, при этом энергетические затраты в промышленности находятся на высоком уровне. В среднем по стране энергоемкость продукции составляет от 20 до 50% в зависимости от отрасли промышленности. Это связано с высоким процентом износа существующего оборудования, несоответствия мощности установленного оборудования заявляемым мощностям, и низкого уровня использования вторичных энергетических ресурсов, в результате чего наблюдаются большие отклонения фактического потребления по сравнению с нормативными значениями.

Высокие энергетические затраты снижают конкурентоспособность и инвестиционную привлекательность экономики страны. Снижение энергопотребления, для возможности конкурирования с иностранными производителями, является одним из важнейших условий современной рыночной экономики. Так, на конец 2011 года энергоёмкость России была вдвое выше энергоёмкости Китая и в 2,5—3,5 раза выше, чем в США и странах Европы, что является большим потенциалом для экономии.

Для инвестиционной оценки мероприятий по энергосбережению необходима разработка объективных методов многокритериальной оценки энергетической эффективности источников и систем энергоснабжения. Существующие методы анализа потенциала энергосбережения по частным показателям энергоэффективности (например, затраты на приобретение и обслуживание) не дают системных оценок. Требуется совершенствование методов комплексного анализа мероприятий по энергосбережению по различным

критериям качества - технологическим, экономическим, потребительским и экологическим.

Значительным потенциалом по энергосбережению в нашей стране обладают системы теплоснабжения. Это связано с высокой степенью изношенности генерирующего оборудования, тепловых сетей и ограждающих конструкций зданий. Так, на большинстве промышленных предприятиях страны применяется система централизованного теплоснабжения, где в качестве теплоносителя используется пар и теплофикационная вода.

В соответствии с вышеизложенным, актуальной является проблема многокритериальной оценки мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в системах теплоснабжения промышленных предприятий.

Научной проблемой принятия многокритериальных решений в сложных системах занимались различные ученые, наиболее известными из которых являются Саати Т., Купер В., Чарнес А., Костров A.B., Макаров Р.И., Ларичев О.И., и др [33,40,61,86,114]. Разработкой направлений сокращения потерь в системе теплоснабжения занимались Левичев П.И., Назмеев Ю.Г., Данилов О.Л., Яковлев Б.В. и др [16,44,71,110]. Работы данных ученых рассматривали проблему сокращения потерь как техническую задачу.

Диссертация выполнена в соответствии с федеральным законом от 23.11.2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», федеральным законом от 27.07.2010 г. №190-ФЗ «О теплоснабжении», постановлением Губернатора области от 01.02.2012 № 94 "Об утверждении долгосрочной целевой программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности во Владимирской области на период до 2020 года".

Целью работы является повышение энергетической эффективности системы теплоснабжения промышленного предприятия путем разработки метода многокритериальной оценки мероприятий по оптимизации потребления тепловой энергии.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1. Проведение анализа методов по расчету потенциала энергосбережения в СТСПП. Формирование состава критериев и альтернатив, направленных на повышение эффективности СТСПП.

2. Разработка модели описания мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в виде специализированной граф-схемы.

3. Разработка математической модели оптимизации потребления тепловой энергии в системе теплоснабжения промышленного предприятия.

4. Разработка методики многокритериальной оценки множества мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности.

5. Проведение экспериментальных исследований по определению эффективного перечня направлений повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения ОАО «Владимирский химический завод» и ОАО «Ставровский завод ATO».

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработана специализированная граф-схема для комплексного описания альтернативного и группового выбора мероприятий по энергосбережению в системе теплоснабжения.

2. Предложено и обосновано использование методов многокритериального анализа (МАИ и АСФ) для оценки эффективности энергосберегающих мероприятий в СТСПП.

3. Разработана математическая модель оптимизации потребления тепловой энергии в системе теплоснабжения промышленного предприятия на основании результатов многокритериальной оценки.

4. Разработана методика оценки направлений повышения энергоэффективности и надежности систем теплоснабжения ОАО «Владимирский химический завод» и ОАО «Ставровский завод ATO».

Практическая ценность диссертации заключается в следующих полученных результатах:

1. Методика многокритериальной оценки энергетической эффективности СТСПП применяется в практике деятельности ФГУ «Управление по обеспечению энергоэффективности и энергосбережения в Московском регионе» Министерства энергетики РФ.

2. Алгоритм, решающий задачу повышения эффективности вложения денежных средств энергосервисных организаций внедрен в качестве подсистемы информационной системы разрабатываемой ЗАО «Энвижн Груп», при поддержке Европейского банка реконструкции и развития.

3. Решены практические задачи повышения эффективности СТСПП с использованием методики, разработанной в диссертационной работе. По результатам работы, были заменены наиболее изношенные участки паропроводов тепловой сети ОАО «Владимирский химический завод». Годовой экономический эффект от внедрения составляет 994,1 тыс. руб. В результате многокритериального анализа системы теплоснабжения ОАО «Ставровский завод ATO», на котельной были внедрены мероприятия на сумму 642,291 тыс.руб., экономический эффект за первый год эксплуьатации составил 707,223 тыс. руб.

На защиту выносятся:

1. специализированная граф-схема для описания множества мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности СТСПП;

2. математическая модель оптимизации потребления тепловой энергии в системе теплоснабжения промышленного предприятия

3. методика многокритериального оценивания мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности промышленного предприятия;

4. результаты оценки направлений повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения промышленных предприятий.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на II и III Межрегиональной выставке

«Энергоэффективность и технологии энергосбережения. ЖКХ»; Первом Владимирском энергетическом форуме и Международной конференции «Энергосбережение и энергосервис». Получен патент на полезную модель «Система учета и регулирования потребления тепловой энергии абонентами» №112410.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе три работы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и четырех приложений. Основной текст изложен на 156 страницах, содержит 39 рисунка, 27 таблиц. Список литературы включает 119 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА И ТЕПЛОВЫХ БАЛАНСОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Методология системного анализа при проведении энергетического обследования систем теплоснабжения

Системный анализ можно определить как дисциплина занимающаяся проблемами принятия решений в условиях, когда выбор альтернативы требует анализа сложной информации различной физической природы [19].

Основной целью производственной системы является ее развитие, определение конечного состояния, к которому стремится система в силу своей структурной организации. Задачи системного анализа производственных систем характеризуются значительным числом неизвестных и множеством различных функциональных связей между ними. Как правило, эти задачи являются многомерными и нелинейными [24, 60]. Характерной чертой задач системного анализа и совершенствования производственных процессов является неоднозначность их решений, экстремальность и оптимальность [72]. Для анализа и исследования производственной системы необходимо построить адекватную формализованную модель.

Системный подход к исследованию производственных систем включает следующие этапы [19]:

1) изучение структуры системы, анализ ее компонентов, выявление взаимосвязей между отдельными элементами;

2) сбор данных о функционировании системы, исследование информационных потоков, наблюдения и эксперименты над системой;

3) построение моделей;

4) проверка адекватности моделей, анализ неопределенности и чувствительности;

5) исследование ресурсных возможностей;

6) определение целей системного анализа;

7) формирование критериев;

8) генерирование альтернатив;

9) реализация выбора и принятие решений;

10) внедрение результатов анализа.

Становление системной методологии анализа структур и проблем развития энергетических систем как научного направления произошло в 60-х годах XX века в Сибирском энергетическом институте СО АН СССР под руководством академика Л.А. Мелентьева.

Л.А. Мелентьев сформулировал основные теоретические положения системных исследований энергетических систем, предложил математические модели топливно-энергетического хозяйства и оптимизацию развития энергетических систем [49].

Функционирование и дальнейшее развитие теплоэнергетических систем требует решения широкого круга задач. Приоритетными являются: минимизация удельных расходов энергоресурсов, обеспечение потребителей тепловой энергией, требуемого количества и качества, и повышения экологической безопасности.

При огромном объеме исходных данных и наличии множества частных целей развития энергетических систем существуют разные решения формируемых задач. При этом стоят задачи выбора среди возможных альтернативных решений (которые существенно сложны ввиду того, что теплоэнергетические системы, как правило, характеризуются отсутствием достаточно полной информации как о них самих, так и об их взаимодействии с остальными системами) оптимального.

Согласно статье 16 Федерально закона № 261 от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении» энергетическое обследование обязаны проводить предприятия, совокупные затраты энергетических ресурсов которых превышают 10 млн. рублей за календарный год, таким образом под данное требование закона попадают все средние и крупные промышленные предприятия страны.

Энергетические обследования проводятся с целью установления эффективности использования предприятиями и организациями топливно-

энергетических ресурсов (тепловой и электрической энергии, природного, сжатого и сжиженного газов, нефти и продуктов его переработки), определения резервов экономии ТЭР и выработки экономически обоснованных мер по снижению затрат на топливо-, ресурсо-, энергообеспечение, а также подтверждения достоверности исходных данных по расчету нормативных значений [16].

При проведении энергетического обследования промышленного предприятия, энергоаудитор, задействованный в данной работе, руководствуется методологией системного анализа [А 66].

Любое энергетическое обследование промышленного предприятия начинается с построения модели исследуемого предприятия