автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Оптимизация управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий

На правах рукописи

Горячёв Василий Александрович

ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТЕХНИЧЕСКОГО ПЕРЕВООРУЖЕНИЯ ГРУППЫ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

. г;о;::*

005545317

Тверь - 2014

005545317

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» (ТвГТУ)

Научный руководитель - ПАВЛОВ Владимир Андреевич, кандидат военных наук, доцент ФГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» (ТвГТУ)

Официальныеоппоненты:

- МАТВЕЙКИН Валерий Григорьевич, доктор технических наук, профессор, ОАО "Корпорация"Росхимзащита", заместитель генерального директора по развитию корпорации

- ПАЛЬНИКОВ Дмитрий Васильевич, кандидат технических наук,

ОАО "НШГ'Эргоцентр", начальник отдела имитационного моделирования

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический универсйтет» (ТГТУ)

Защита диссертации состоится « » О Л 2014 года в /¿"часов на заседании диссертационного совета Д 212.262.04 при ГБУ ВПО «Тверской государственный технический университет» в аудитории № 212 по адресу: 170026, г. Тверь, наб. А. Никитина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет».

Автореферат разослан «<2Я » О / 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.262.04, доктор физ. - мат. наук, профессор

С.М. Дзюба

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Недостаточный уровень инвестиций в электроэнергетику в последние десятилетия обусловил накопление в этой важнейшей отрасли экономики значительного объема физически изношенного оборудования (доля изношенных основных фондов составляет свыше 60%). Это привело к возникновению проблем снабжения электроэнергией целых промышленных районов и отрицательные тенденции нарастают. Проблема износа основных фондов в электроэнергетике - это еще и вопрос энергетической безопасности страны, так как при существующих темпах обновления основных фондов электрогенерирующих предприятий (ЭГП) с учетом прогнозируемого роста потребления оставшиеся мощности не смогут обеспечить электропотребление на требуемом уровне. Решение проблемы увеличения производства электроэнергии путем строительства новых электростанций или модернизации существующих сдерживается недостатком финансовых средств.

На решение указанной проблемы была направлена реформа РАО "ЕЭС России" 2006-2007 гг., в результате которой была создана новая демонополизированная структура отрасли. На рынке электроэнергетики появились новые самостоятельные участники - группы ЭГП: ГК - генерирующие компании, ОГК - генерирующие компании оптового рынка электроэнергии, ТГК -территориальные генерирующие компании, которые самостоятельно должны решать задачу поддержания технического состояния своего электропроизводящего оборудования и обеспечивать выработку электроэнергии (ЭЭ) на должном уровне.

Степень изученности проблемы.

Одной из форм реновации основных производственных фондов электроэнергетики является техническое перевооружение (ТП). Значительный вклад в изучение проблем технического перевооружения ЭГП внесли труды Летягиной E.H., Львова Д.С., Кузнецова В.Н., Бунина П.Г., Мустафиной A.A., Мутовкиной Н.Ю., Носова Н.П., Луцкого С.Я., Ландсмана А.Я., Ивахненко A.B., Кудрина Б.И. и др. В них показано, что техническое перевооружение является наиболее эффективной формой обновления оборудования, представлен научно-методический аппарат, позволяющий оптимизировать порядок и объемы проведения ТП, предусматривающего сочетание существующего и обновляемого оборудования. Однако, исходя из прежней структуры отрасли, все исследования были направлены на ТП либо отдельного ЭГП, либо всей отрасли в целом.

Вместе с тем в настоящее время возникла объективная необходимость в совершенствовании научно-методического аппарата оптимизации управления процессом технического перевооружения конкретной группы ЭГП, состоящих из самостоятельных производственных линеек оборудования (ПЛО), имеющих общую задачу по выработке ЭЭ и характеризуемых единым обобщенным показателем - величиной суммарной выходной мощности.

Поскольку процесс подготовки и проведения технического перевооружения ЭГП является длительным (составляет 5-7 лет), важнейшей и первоочередной задачей, решение которой на этапе планирования обеспечивает эффективное управление процессом ТП, является своевременное определение его

основных параметров, а именно: предельно допустимое и оптимальное время начала перевооружения каждой ПЛО группы ЭГП и оптимальный порядок перевооружения всех ПЛО группы ЭШ, что требует разработки научно-методического аппарата, учитывающего особенности функционирования ЭГП на современном этапе развития электроэнергетики РФ.

Решению данной задачи и посвящена предлагаемая диссертация.

Объектом исследования является группа электрогенерирующих предприятий в процессе технического перевооружения.

Предметом исследования являются математические модели управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий и их алгоритмы.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий на основе применения разработанных в данной работе моделей и алгоритмов.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ технического состояния ЭГП РФ;

2) выявить зависимость изменения выходной мощности ПЛО от времени функционирования и определить порядок её расчёта;

3) разработать математические модели определения предельно допустимого времени начала ТП ПЛО, оптимального времени начала и оптимального порядка ТП ПЛО группы ЭГП и их алгоритмы;

4) разработать модель и методику управления процессом ТП группы

ЭГП;

5) разработать информационную проблемно - ориентированную систему управления процессом ТП группы ЭГП.

Основными методами исследования являются методы и теории экстраполяции и интерполяции функций, методы теории больших технических систем, методы теории графов, комбинаторный анализ.

Информационной базой исследования являются статистические данные Федеральной службы государственной статистики РФ, территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Тверской области, методические и организационно-регламентирующие материалы

электрогенерирующих предприятий, статистические данные по предприятию ОАО «Тверские коммунальные системы» (далее ОАО «ТКС»), технический регламент расчёта потребления (расхода) на собственные и хозяйственные нужды в электроэнергетике.

Научные результаты и выводы теоретически обоснованы, их достоверность подтверждена результатами экспериментальной проверки «Информационной проблемно - ориентированной системы управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий», в основу которой положены разработанные математические модели и их алгоритмы, на Тверских ТЭЦ, входящих в состав ОАО «ТКС». Разработанная информационная система управления процессом ТП была использована при планировании модернизации ТЭЦ ОАО «ТКС».

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Определена зависимость выходной мощности ПЛО от времени функционирования, отличающаяся от известных тем, что она более точно отражает реальные изменения выходной мощности существующих ПЛО.

2. Разработаны новые математические модели определения параметров процесса ТП группы ЭГП: модель определения оптимального времени начала ТП ПЛО, отличающаяся от известных тем, что время начала ТП определяется по критерию максимума общей выработки электроэнергии на всем промежутке времени (от начала эксплуатации ПЛО до ТП и после ТП при дальнейшем использовании оборудования); модель определения оптимального порядка ТП ПЛО группы ЭГП, которая, в отличие от известных, учитывает следующие параметры: порог генерируемой мощности и суммарную выходную мощность ПЛО группы ЭГП.

3. Разработаны методика и модель управления процессом ТП группы ЭГП, основанные на использовании математических моделей определения оптимальных параметров процесса ТП и их алгоритмов.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные модели и алгоритмы расчёта параметров процесса ТП, модель, методика и информационная система управления процессом ТП группы ЭГП позволяют при их использованш оптимизировать управление процессом ТП группы ЭГП.

Апробация и реализация результатов работы.

Основные положения и результаты исследования были представлены и обсуждены на научно-технических комиссиях ОАО «Тверские коммунальные системы» в 2012-2013 гг. и на конференциях (VII Международная научно-практическая конференция, г. Москва: МЭСИ, 2011 и XIV научно-практическая конференция, г. Москва: МЭСИ, 2011).

Рекомендации по времени начала технического перевооружения ПЛО ТЭЦ, порядку технического перевооружения, а также разработанная программа расчета параметров процесса технического перевооружения внедрены в хозяйственную деятельность компании ОАО «Тверские коммунальные системы», о чём имеются 2 акта внедрения.

Основные положения и результаты работы, выносимые на защиту:

1. Зависимость изменения выходной мощности ПЛО от времени функционирования, позволяющая прогнозировать изменение выходной мощности ПЛО на заданное время.

2. Математические модели определения параметров процесса ТП группы ЭГП: предельно допустимого времени начала ТП ПЛО, оптимального времени начала ТП ПЛО, оптимального порядка ТП ПЛО группы ЭГП и их алгоритмы.

3. Модель управления процессом ТП группы ЭГП, включающая математические модели определения параметров процесса ТП группы ЭГП.

4. Методика управления процессом ТП группы ЭТО, включающая разработанные модели и позволяющая оптимизировать управление процессом ТП группы ЭГП при ее использовании.

5. Информационная проблемно-ориентированная система управления процессом ТП группы ЭГП.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 10 научных работ, 5 из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК. Программа расчёта параметров процесса технического перевооружения группы предприятий электроэнергетики зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ Российской Федерации.

Структура и объём работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 111 источников. Рукопись содержит 129 страниц основного текста, в том числе 21 таблицу и 45 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определены его цель и задачи, раскрыты научная новизна и практическая значимость исследования.

В первой главе проведён анализ технического состояния предприятий электроэнергетики РФ. Исследованы пути развития электроэнергетики в период с 70-х годов и до настоящего времени, в частности, показано, каким образом проводилось техническое перевооружение и замена оборудования на ЭГП в этот период. Проанализированы данные о выработке ЭЭ и уровне установленной мощности на 2012 год, а также данные о мощности действующих электростанций. Рассмотрен прогноз потребности в установленной мощности до 2030 года в сравнении с возможностями существующих ЭГП, а именно: динамика обновления и выбытия основных фондов; изменение генерирующих мощностей в РФ в период 2000-2010 гг. и прогноз изменения на 2011-2030 гг.; коэффициент износа основных производственных фондов в электроэнергетике. Проведен анализ характеристик Тверской энергосистемы, показаны причины снижения объемов производимой электроэнергии.

Рассмотрены основные формы технического развития предприятий электроэнергетики. Сделан вывод, что наиболее эффективным путём развития предприятий электроэнергетики является техническое перевооружение.

Проведен анализ существующего научно-методического аппарата оптимизации управления процессом ТП группы ЭГП. Выявлены недостатки, основными из которых являются следующие: известные зависимости изменения выходной мощности ЭГП от времени функционирования недостаточно точно отражают реальные изменения выходной мощности существующих ПЛО; методики определения времени начала ТП ЭГП разработаны без учета возможности оптимизации по критерию максимума общей выработки электроэнергии на всем промежутке времени (от начала эксплуатации ПЛО до ТП и после ТП при дальнейшем использовании оборудования); при определении порядка ТП ЭГП не учитываются такие важные параметры, как порог генерируемой мощности и суммарная выходная мощность. Сделан вывод о необходимости совершенствования существующего научно-методического аппарата на основе разработки математических моделей и методики,

обеспечивающих определение основных параметров ТП и в целом оптимизацию управления процессом ТП группы ЭГП.

Проведено исследование характеристик современной

электрогенерирующей системы (ЭГС), под которой в настоящей работе понимается группа электрогенерирующих предприятий (ЭГП). Сделан вывод о том, что группа ЭГП обладает всеми свойствами, присущими большим техническим системам (БТС). Показано, что ЭГС можно рассматривать как разновидность классической схемы БТС, то есть как совмещение разнородных входов, процессора и выходов.

Приведены основные соотношения, необходимые для расчета выходной мощности ПЛО.

Вторая глава посвящена определению зависимости изменения выходной мощности ПЛО от времени функционирования. Проведен анализ статистических данных по изменению выходной мощности действующих ПЛО из состава ТЭЦ ОАО «ТКС» в течение жизненного цикла (рис. 1).

Ш (МВт)

25

20

10

П1

пч

II

3!

эр

ПЛ05

Ч

„I (год)

Рис. 1. Графики зависимости выходной мощности (статистические данные).

Показано, что выходная мощность всех ПЛО в течение жизненного цикла изменяется по определённой закономерности, которую можно представить в виде определённой зависимости (тренда), что нашло своё подтверждение путём анализа эмпирических данных методами экстраполяции тенденций.

Наилучший результат в смысле величины отклонений функций

2

5 = ^ [(-Г(г,) - Ж, ] , описывающих зависимость изменения выходной мощности

ПЛО, от экспериментальной кривой дает представление зависимости выходной мощности ПЛО IV в виде параболы с вершиной, лежащей на оси абсцисс.

Полученная зависимость изменения выходной мощности ПЛО IV от

ппт

времени её функционирования IV = Н I- более точно (по сравнению с

у Л—(0

известными) отражает реальные изменения выходной мощности существующих ПЛО и позволяет заблаговременно (за 3-10 лет) спрогнозировать предельно допустимое время начала ТП ПЛО.

В третьей главе представлена разработанная модель управления процессом ТП группы ЭГП, структурная схема которой приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема модели управления процессом ТП группы

ЭГП.

Модель управления процессом ТП группы ЭГП включает следующие блоки и модели: блок расчета выходной мощности ПЛО, модель определения предельно допустимого времени начала ТП ПЛО, модель определения оптимального времени начала ТП ПЛО, модель определения оптимального порядка ТП ПЛО группы ЭГП.

Расчет выходной мощности ПЛО осуществляется с использованием ведомственной методики.

Модель определения предельно допустимого времени начала ТП ПЛО tkr

W1(A — t )

основана на использовании выражения th~A--———, полученного для

нь

зависимости изменения выходной мощности от времени при Н = Нкг.

В основу модели определения оптимального время начала ТП ПЛО положена процедура поиска такого значения времени начала ТП tonT= «-Д , при котором достигается максимум показателя эффективности работы ПЛО, а именно общей выработки электроэнергии на всем промежутке времени (от начала эксплуатации до ТП и после ТП при дальнейшем использовании оборудования), где а - оптимальное время окончания ТП и ввода нового оборудования в эксплуатацию, Д - время, необходимое на проведение мероприятий по ТП ПЛО.

При этом общая выработка электроэнергии ПЛО определяется функцией - а)Л, представляющей собой сумму площадей

О а

ограниченных графиками непрерывных и неотрицательных на отрезке от 0 до А функций изменения во времени выходной мощности ПЛО до ТП /(/) и после ТП

т.

Графики функций /(г) и /2(г) представлены на рис. 3.

Определение оптимального времени начала ТП ПЛО осуществляется путем поиска экстремума функции 8{а) с использованием теоремы о производной определенного интеграла по переменному верхнему пределу. При этом используются полученные соотношения для определения зависимостей выходной мощности от времени работы ПЛО до ТП и после ТП (при условии ввода ПЛО в эксплуатацию в момент времени а) - = -/ при 0 <( < А, и

/2(г) = ЛГ2уЛ2-г при а Д,. Соответственно с учетом того, что функции /(/) и /2(0 имеют каноническую зависимость, функция /2(Г) принимает вид /2(¡) = К2%/А2-(¡-а) при а < г < А2 + а .

Условием экстремума функции 5(а) является обращение производной этой функции в ноль, т.е. 8'(а) = /1(а~А)-/2(А~а) 5'(«) = 0. Определение оптимального времени окончания ТП осуществляется при следующих значениях функций: /(0 - в точке г = а-А, /2(?) - в точке ¡ = А-а (/2(г) - в точке 1 = А), в

соответствии с выражениями:а = — — + ^) + К2(А-А2) _ _

^2 у опт

Блок схема алгоритма определения времени оптимального начала ТП ПЛО представлена на рис. 4.

Для принятия решения о включении ПЛО в перечень перевооружаемого оборудования

Рис. 4. Блок-схема алгоритма определения предельно допустимого времени начала ТП.. В основу модели определения оптимального порядка ТП ПЛО положена процедура поиска такой последовательности ТП ПЛО, при которой будет достигнуто минимальное время проведения ТП всех ПЛО группы ЭГП, назначенных к ТП, с учётом влияющих факторов и ограничений, т.е. шах(г( +Д;)-»гшп, 1 = 1.....и, где п - число перевооружаемых ПЛО. При этом в

(О

качестве ограничений выступают: 1) условие непрерывности проведения ТП группы ЭГП, т.е. ТП любой ПЛО должно начинаться либо от начала всего цикла ТП группы ЭГП, либо по окончании ТП одной из ПЛО; 2) условие неуменьшения общей генерируемой мощности электроэнергии ниже заданной пороговой мощности на всем интервале времени проведения ТП, т.е Ж (г) > РОЩ).

В качестве исходных данных в модели используются (по каждой ПЛО): зависимости изменения выходной мощности ПЛО до ТП IV, (0 к после ТП IV 1 (/), а также продолжительность ТП ПЛО А,.

На рис. 5 для примера приведён один из вариантов порядка ТП для 6-ти

ПЛО.

- техническое перевооружение

Рис. 5. Порядок ТП для 6-ти ПЛО (вариант).

На первом этапе формируется множество допустимых вариантов линеек, определяющих вариант последовательности (порядка) ТП ПЛО группы ЭГП. Для этого в модели предусмотрено разбиение всего процесса ТП на уровни (очереди), число которых т не может быть больше, чем количество перевооружаемых ПЛО п. При этом для выполнения условия непрерывности проведения ТП, как показано на рисунке 5, отрезок времени Д,, в течение которого проводится ТП г'-й ПЛО, откладывается либо от начала процесса ТП, либо из конца другого отрезка. Вариант разбиения ПЛО по уровням удобно задать п-мерным вектором

Яе = (Дв(1),Дв(2),...,Лв(л)), где каждая его координата Л(г), / = 1.....п есть число от 1

до т, определяющее уровень, на котором находится ¡-я ПЛО. Применительно к варианту порядка ТП для 6-ти ПЛО, приведенного на рис.5, вектор К,, имеет вид:

Я = (1,2,1,2,3,3). Формируется полное множество вариантов разбиения {/?„},# = 1.....0,

б - количество вариантов разбиения. Проводится проверка вариантов разбиения на непрерывность процесса ТП. Все значения координат вектора Rg упорядочиваются по возрастанию и, если получается полный ряд чисел от 1 до к,

к = 1.....т (к - количество уровней в рассмотренных вариантах), то тест пройден,

данный вариант принимается к дальнейшему рассмотрению. Формируется

множество вариантов разбиения {дД/ = 1.....Р, Р - количество вариантов

разбиения, успешно прошедших проверку на непрерывность процесса ТП.

Для описания состава ПЛО на уровне к (распределение уровня к)

вводится вектор Рк = (Рк(\),Рк(2),...Рк(п)) такой, что его координаты Рк(¡), /=1.....п

принимают значения Рк{0 = 0 либо Рк(/) = к, что говорит об отсутствии либо о наличии ¡-й ПЛО на к-м уровне. Применительно к варианту порядка ТП для 6-ти

к -

ПЛО, приведенного на рис.5, векторы Рк, к = 1.....3 имеют вид: Р1 = (1,0,1,0,0,0),

Р2 = (0,2,0,2,0,0), PZ = (0,0,0,0,3,3).

Таким образом, каждый вариант разбиения Rf преобразуется во множество вариантов распределений Р, \рк/}, к = 1.....п.

При наличии на (к -1 )-м уровне более двух ПЛО для формирования конкретной линейки, определяющей последовательность (порядок) ТП ПЛО, необходима информация о том, к концам какого именно отрезка уровня к-1 присоединен каждый^ конкретный отрезок уровня к данной линейки. Такая информация содержится в распределениях уровня к-1 и уровня к, которым соответствуют векторы Рк_, =(Pk_1(l),Pk_i(2),...Pk_l(n)) и Рк = (Рк(1),Рк(2),...Рк(п)). В этих

векторах координата имеет вид (А-1) v или kv, где v = 1.....п - порядковый номер

ячейки на данном уровне, которой принадлежит отрезок времени Д,, соответствующий длительности ТП i-й ПЛО. Это позволяет сформировать варианты линеек путем перебора всех возможных сочетаний соединения отрезков, размещаемых в ячейках смежных уровней.

Далее проверяется каждая пара распределений Рк_, и Рк на выполнения условия: «каждый отрезок уровня к должен примыкать к отрезку уровня ¿-1». Данная процедура проводится последовательно от первого уровня к последнему, что позволяет существенно сократить число проводимых проверок.

Таким образом, формируется множество допустимых вариантов линеек, определяющих вариант последовательности (порядка) ТП ПЛО группы ЭГП:

{ifs},i = 1.....S, S - количество вариантов линеек, успешно прошедших проверку на

выполнение ограничения по непрерывности процесса ТП.

На втором этапе проводится проверка выполнения условия неуменьшения общей генерируемой мощности электроэнергии ниже заданной пороговой мощности на всем интервале времени проведения ТП, т.е W(t) > РОЩ). При этом

для каждого варианта линейки из множества {tfs},,s = l.....5 определяется

зависимость суммарной выходной мощности как Ws(t) = yw,(t), i =.....п, где W, (г)

- зависимость изменения выходной мощности i-й ПЛО. Варианты линеек из множества {я,}, удовлетворяющие указанному ограничению, составляют

множество {Rj},d = 1.....D, где D - количество вариантов, удовлетворяющих

ограничению.

На третьем этапе для каждого варианта линейки из множества {lid\ определяется время проведения ТП всех ПЛО группы ЭГП, назначенных к ТП, как td =maх(г, +Д,.). Находится наименьшее значение из множества значений {td},

которое определяет вариант линейки и соответственно оптимального порядка ТП группы ЭГП - Рспт = Pd е {Pd}, d = 1 ...D при max(f, + Д,) min.

Блок-схема алгоритма определения оптимального порядка ТП ПЛО группы ЭГП представлена на рис. 6.

Формирование тлножестЕа допустимых яариантоЕ распределения =1

Огпталалькъгк порядок ТП 1ШО группы ЭГП Рпа

Формирование тлкожеетка допустимых х-афкаиток разбиения ПЛО по УРОЕКЯМ {д I/

Формирование множества варкакгов распределения

Формирование множества вариантов удовлетворяющих: ограничению

ЩО * РОЩ!') ^ = »

О преде пенке оптимального горядка ТП ПЛО Р = Р; е {Р,}, с£ = 1 ..-£3

Определение суммарной выходной мощности IV (?) = IV (?), г = .... п

Исходные данн£к№

Формирование полного тлю же с тл а вариантов разбиения ПЛО по уровням К = ( Д , (1), К (2),.. («)), где 0 г = 1.... л

Пора? ген. мювднюан

Ъ_

Мощность ПЛО доТП. {ФЮ} V-

Перечешпер. ПЛО. Р,,,

нет

Рис. 6. Блок-схема алгоритма определения оптимального порядка ТП ПЛО.

Представленные выше модели определения оптимальных параметров ТП ПЛО составляют основу разработанной методики управления процессом ТП группы ЭГП, которая предназначена для использования на этапе планирования ТП и предусматривает выполнение следующих этапов:

1. Подготовка и анализ исходных данных.

2. Определение выходной мощности каждой ПЛО.

3. Определение предельно допустимого времени начала ТП ПЛО и перечня перевооружаемых ПЛО.

4. Определение оптимального времени начала ТП для каждой перевооружаемой ПЛО.

5. Определение оптимального порядка ТП ПЛО.

6. Разработка плана ТП.

Структурная схема методики управления процессом ТП группы ЭГП приведена на рис. 7.

¡||г4чни|« инфермац.

• Паспорт оборудования

• Ожидаемое ограничение по мощности

• Акт согласование команд, разрешений и сообщений полученных от дежурного диспетчера^

• Оперативный журнал Акт о составлении

• Сводный прогно1ный ' баланс производств и поставки ЭЭ в рамках е утиной ЭС России

Этап 1 Г1 о-дготовка н анализ исходных данмых

1) Технические характеристики НЛО

- данные по мощности (номинальная, максимальная, рабочая, установленная, паспортная)

- данные по продолжительности работы оборудования

2) Данные по выработке ЭЭ

3) Данные о состояния оборудования • ограничения по мощности

- даКные о плановых ремонтах

- данные о внеплановых ремонтах

• Порядок установления .

генерирузошего оборудования участников оптового рынка, технические требования

• Технические требования к генерирующему оборудованию участника оптового рынка

• Методика расчета потребления (расхода) ЭЭ наСЦиХН электростанций

щф

1) Расчёт надежности оборудования

- частота отказов; . .

- время восотановлення

2) Коэффициенты (планового ремонтного простоя, вынужденного простоя, готовности)

3) Расчёт выходной мощности

- расход ЭЭ. на собственные нужаы

- внутрисотевые потери

- расчёт ограничений по мощности

- расчет выходной мощности

т)

Жг

>У,(0

1) Расчёт предельно допустимого времени начала ТП = А--~

' ' ■ . НЬ

2) Определение перечня перевооружаемых ПЛО Рт

Пип ■! 1»|ределекие оптимального времени ..ачалл IЛ НЛО

Используется разработанная математическая модель

л-,-'-л-' * ■ :

-Кап * Определение оптимальною иирицка ГП 11.40 Используется разработаиная математическая модель

Кщ • при пнх(/, +4,)-» тт ; 1К(|)г Р0К{1)

т

•>га» 6 1'ацмиотка плава ТП

3) Разработка укрупненного алана ТП 2) Корректировка плана

Рис. 7 Структурная схема методики управления процессом ТП группы ЭГП. В четвертой главе представлено описание информационной проблемно-ориентированной системы управления процессом (ИС УП) ТП группы ЭГП, разработанной на основе представленных выше математических моделей и их

алгоритмов. ИС УП процессом ТП группы ЭГП состоит из следующих функциональных комплексов (рис. 8): комплекс администрирования, комплекс загрузки и хранения данных, комплекс вычисления данных, комплекс предоставления данных. Каждый функциональный комплекс состоит из соответствующих функциональных модулей.

Комплекс администрирования используется для выявления проблем производительности СУБД ХД, запуска и остановки вычислительных приложений, организации прав доступа, корректировки выходных форм, резервного копирования и восстановления данных.

/вш«1шшЛ

^__У

Ч )

факсам Т1

ааьтомски«

Кячшекс зарази и хрэеня дэ+ъм

РЛад/ъ страдала^

о&суджаия

Мздгъ вььиспек« времени начала

Мэдуль вьнлзтта

поредоТП

Мэду/ь перзиетрое

Кэмтлегс: предоставления дэ+ьх

Модул> отчета

Мздугь рат».ент>*>:< сячжв

С

ГЬртап пла^^хеамя

0

Гр^патекнлвэсго

гервэхрр раострум+и

€

Рис. 8. Функциональная структура проблемно - ориентированной информационной системы управления процессом ТП группы ЭГП.

Комплекс загрузки и хранения данных предназначен для решения задач импорта входных данных из внешних источников и для хранения данных в течение регламентированного периода времени.

Комплекс вычисления данных осуществляет обработку данных с использованием алгоритмов разработанных математических моделей определения параметров процесса ТП группы ЭГП.

Комплекс предоставления данных предназначен для формирования отчётов согласно установленных регламентов и форм, а также для предоставления данных лицам, принимающим решения (ЛПР), и в группу ТП и реконструкции для дальнейшего анализа и обработки.

Главной задачей, возлагаемой на ИС УП, является поддержка принятия решений на этапе планирования ТП группы ЭГП путем определения перечня перевооружаемого оборудования, определения оптимального времени начала ТП и оптимального порядка ТП группы ЭГП.

С использованием программной реализации разработанной ИС УП на основе анализа технического состояния действующего оборудования энергопредприятий ОАО «ТКС» выбраны ПЛО, подлежащие техническому перевооружению, подготовлены варианты замены оборудования. В качестве исходных данных при проведении исследований использованы реальные статистические данные по ПЛО ТЭЦ, входящим в состав ОАО «ТКС». Проведены расчеты, определены значения времени начала перевооружения каждой ПЛО и порядок (последовательность) ТП, которые были представлены в виде практических рекомендаций по техническому перевооружению действующих ТЭЦ ОАО «ТКС».

Проведена проверка работоспособности разработанной ИС УП ТП группы ЭГП путём сравнения результатов, полученных с использованием ИС УП, и результатов, полученных экспертной группой ОАО «ТКС» с применением существующих методик. При совпадающих в целом результатах время решения задачи с использованием разработанной ИС УП ТП группы ЭГП оказалось значительно меньшим, при этом 95% времени было затрачено на подготовку и анализ исходной информации. Результаты расчёта времени начала ТП для ПЛО ТЭЦ ОАО «ТКС» приведен в табл. 1.

Наименование существующей турбины Оптимальное время начала ТИ (дата остановки турбины) Дата запуска новой турбины

АП-6 01.01.2013 28.10.2013

Р-11(12)-35/5М 28.10.2013 13.10.2014

ПТ-22(25)-90/10 13.10.2014 12.09.2016

ПТ-25-90/10 12.09.2016 25.01.2018

ПТ-25/30-90/10 12.09.2016 13.08.2018

При этом ограничение заключающееся в неснижении

суммарной выходной мощности всех ПЛО ниже уровня установленной мощности было выполнено (рис. 9).

W

350 340 ЗЗО 320 310 ЗОО 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200

- ;■: ; -i

. ' " ■ У.

'' ■ 'V ' : \ .: . ...

* ■.. .■' . г. . \

' ■

■ , Í , 1

: Т --—--------

1

2018 Год

Рис. 9. График изменения суммарной выходной мощности ТЭЦ ОАО «ТКС» в процессе ТП.

В заключении изложены общие результаты диссертации, приведены рекомендации по применению разработанных математических моделей и информационной проблемно-ориентированной системы управления процессом ТП на этапе планирования ТП группы ЭГП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получены результаты анализа технического состояния электрогенерирующих предприятий Российской Федерации.

2. Определена зависимость изменения выходной мощности производственной линейки оборудования от времени её функционирования.

3. Разработаны математические модели определения: предельно допустимого времени начала ТП ПЛО; оптимального времени начала ТП ПЛО; оптимального порядка ТП ПЛО группы ЭГП и их алгоритмы.

4. Разработана модель и методика управления процессом ТП группы

ЭГП.

5. Разработана информационная проблемно-ориентированная система управления процессом ТП группы ЭГП.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях рекомендованных ВАК:

1. Горячёв, В.А. Программная система реструктуризации группы предприятий электроэнергетики / В.А. Горячёв // Программные продукты и системы. 2011. № 4 (96). С. 117 - 120.

2. Горячёв, В.А. Метод определения критического времени начала технического перевооружения предприятия электроэнергетики / В.А. Горячёв // Промышленная энергетика. 2012. №9. С. 6-8.

3. Горячёв, В.А. Метод определения времени начала технического перевооружения предприятия электроэнергетики / В.А. Горячёв // Научное обозрение. 2011 .№ 3. С. 41 - 44.

4. Горячёв, В.А. Математическая постановка и метод решения задачи управления процессом технического перевооружения / В.А. Горячёв // Научное обозрение. 2011. № 3. С. 45 - 51.

5. Горячёв, В.А. Метод определения графика проведения технического перевооружения группы предприятий электроэнергетики / В.А. Горячёв // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 1. С. 44 - 47.

Научные статьи, опубликованные в других изданиях:

6. Горячёв, В.А. Программная система реструктуризации группы предприятий электроэнергетики / В.А. Горячёв // Совершенствование подготовки 1Т - специалистов по направлению «Прикладная информатика» для инновационной экономики: сб. научных трудов. VII Международная науч.-практ. конф., Москва: МЭСИ, 2011. С. 100 - 103.

7. Горячёв, В.А. Оптимизация графика проведения технического перевооружения группы предприятий электроэнергетики / В.А. Горячёв // Реинжиниринг бизнес - процессов на основе современных информационных технологий. Системы управления знаниями: мат. конференции. XIV Научно -практическая, конф., Москва: МЭСИ, 2011. С. 72 - 75.

8. Горячев, В.А. Об исследовании некоторых функций, определяющих площади /' В.А.Горячёв, A.A. Шум // Вестник Тверского государственного технического университета: научный журнал. Тверь: изд-во ТГТУ, 2012. Вып. 22. С. 54-60.

9. Горячев, В.А. Принятие решений в управлении проектом технического перевооружения энергетического предприятия / В.А.Горячёв, А.Н. Веселков, P.A. Вольфштайн // Вестник Тверского государственного технического университета: научный журнал. Тверь: изд-во ТГТУ, 2011. Вып. 19. С. 3 - 9.

10. Горячев, В.А. Программа расчёта параметров процесса технического перевооружения группы предприятий электроэнергетики / Горячев, В.А. Электронный бюллетень - Программы для ЭВМ, базы данных, топологии интегральных микросхем, 2011. Вып. 3. С. 86-87

Технический редактор Ю.Ф. Воробьева Подписано в печать 28.01.14

Тираж 100 экз. Формат 60x84/16 Заказ №4

Печ. л. 1,25 Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,09

Типография ТвГТУ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(№'¿01456196 „

На правах рукописи

Горячев Василий Александрович

Оптимизация управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих

предприятий

05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.в.н., доц. Павлов В.А.

Тверь-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................ 4

Глава 1. Исследование технического состояния и перспектив развития электрогенерирующих предприятий РФ и Тверского региона.................. 9

1.1. Анализ технического состояния электрогенерирующих предприятий ... 9

1.2. Анализ характеристик группы электрогенерирующих предприятий как большой технической системы........................................................................... 18

1.3. Формы технического развития электрогенерирующих предприятий .... 29 1.4 Этапы управления процессом технического перевооружения электрогенерирующего предприятия.................................................................. 32

1.5. Анализ существующего научно-методического аппарата оптимизации управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий................................................................... 34

1.6. Исследование характеристик производственной линейки оборудования 41 Глава 2. Исследование зависимости выходной мощности производственных линеек оборудования электрогенерирующих предприятий........................................................................................................... 48

2.1. Анализ исходных данных по изменению выходной мощности производственных линеек оборудования электрогенерирующих предприятий ОАО "Тверские коммунальные системы"................................... 48

2.2. Математическое описание зависимости выходной мощности производственной линейки оборудования на основе методов математической статистики................................................................................ 55

2.3. Анализ графиков изменения выходной мощности производственных

линеек оборудования............................................................................................ 65

Глава 3. Разработка моделей и алгоритмов управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий 70

3.1. Модель управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий................................................................... 70

3.2. Математическая модель определения предельно допустимого времени

начала технического перевооружения производственной линейки оборудования......................................................................................................... 74

3.3. Математическая модель определения оптимального времени начала технического перевооружения производственной линейки

оборудования......................................................................................................... 77

3.4. Математическая модель определения оптимального порядка технического перевооружения производственных линеек оборудования группы электрогенерирующих предприятий..................................................... 83

3.5. Методика управления процессом технического перевооружения

группы электрогенерирующих предприятий..................................................... 89

Глава 4. Рекомендации по практическому применению разработанных моделей и алгоритмов при управлении процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий........................ 94

4.1. Информационная проблемно - ориентированная система управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий........................................................................................................... 94

4.2. Экспериментальная проверка работоспособности информационной проблемно - ориентированной системы управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий.......................................................................................................... 103

4.2.1 Формирование исходных данных............................................................... 103

4.2.2 Расчёт параметров процесса технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий ОАО "Тверские коммунальные системы"................................................................................................................. 108

4.3. Предложения по совершенствованию существующей модели

деятельности электро-генерирующего предприятия......................................... 111

Заключение.......................................................................................................... 115

Библиографический список................................................................................. 119

Введение

Недостаточный уровень инвестиций в электроэнергетику в последние десятилетия обусловил накопление в этой важнейшей отрасли экономики значительного объема физически изношенного оборудования (доля изношенных основных фондов составляет свыше 60%). Это уже привело к возникновению проблем снабжения электроэнергией целых промышленных районов и отрицательные тенденции нарастают. Проблема износа основных фондов в электроэнергетике - это еще и вопрос энергетической безопасности страны, так как при существующих темпах обновления основных фондов электрогенерирующих предприятий (ЭГП) с учетом прогнозируемого роста потребления, оставшиеся мощности не смогут обеспечить электропотребление на требуемом уровне. Решение проблемы увеличения производства электроэнергии путем строительства новых электростанций или модернизации существующих сдерживается недостатком финансовых средств.

На решение указанной проблемы была направлена реформа РАО "ЕЭС России" 2006-2007 гг., в результате которой была создана новая демонополизированная структура отрасли. На рынке электроэнергетики появились новые самостоятельные участники - группы электрогенерирующих предприятий: ГЕ - генерирующие компании, ОГК - генерирующие компании оптового рынка электроэнергии, ТГК - территориальные генерирующие компании, которые самостоятельно должны решать задачу поддержания технического состояния своего электропроизводящего оборудования и обеспечивать выработку электроэнергии (ЭЭ) на должном уровне [1].

Одной из форм реновации основных производственных фондов электроэнергетики является техническое перевооружение (ТП). Значительный вклад в изучение проблем технического перевооружения ЭГП внесли труды Летягиной E.H., Львова Д.С., Кузнецова В.Н., Бунича П.Г., Мустафиной A.A., Мутовкиной Н.Ю., Носова Н.П., Луцкого С.Я., Ландсмана А.Я., Ивахненко A.B., Кудрина Б.И. и др. В них показано, что техническое перевооружение является оптимальной формой обновления оборудования, представлен научно-

методический аппарат, позволяющий оптимизировать порядок и объемы проведения ТП, предусматривающего сочетание существующего и обновляемого оборудования. Однако, исходя из прежней структуры отрасли, все исследования были направлены на ТП либо отдельного ЭГП, либо всей отрасли в целом.

Вместе с тем в настоящее время возникла объективная необходимость в совершенствовании научно-методического аппарата управления процессом технического перевооружения конкретной группы ЭГП, состоящих из самостоятельных производственных линеек оборудования (ПЛО), имеющих общую задачу по выработке ЭЭ и характеризуемых единым обобщенным показателем - величиной суммарной выходной мощности.

Поскольку процесс подготовки и проведения технического перевооружения ЭГП является длительным (составляет 5-7 лет), важнейшей и первоочередной задачей, решение которой на этапе планирования обеспечивает эффективное управление процессом ТП, является своевременное определение его основных параметров на этапе планирования, а именно: предельно допустимое и оптимальное время начала перевооружения каждой ПЛО группы ЭГП и оптимальный порядок перевооружения ПЛО группы ЭГП, что требует разработки научно-методического аппарата, учитывающего особенности функционирования ЭГП на современном этапе развития электроэнергетики РФ.

Решению данной задачи и посвящена настоящая диссертация.

Объектом исследования является группа электрогенерирующих предприятий в процессе технического перевооружения.

Предметом исследования являются математические модели управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий и их алгоритмы.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий на основе применения разработанных в данной работе моделей и алгоритмов.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ технического состояния электрогенерирующих предприятий РФ;

2) выявить зависимость изменения выходной мощности ПЛО от времени функционирования и определить порядок её расчёта;

3) разработать математические модели определения предельно допустимого времени начала ТП ПЛО, оптимального времени начала и оптимального порядка ТП ПЛО группы ЭГП и их алгоритмы;

4) разработать модель и методику управления процессом ТП группы

ЭГП;

5) разработать информационную проблемно - ориентированную систему управления процессом ТП группы ЭГП.

Основными методами исследования являются методы и теории экстраполяции и интерполяции функций, методы теории больших технических систем, методы теории графов, комбинаторный анализ, технический регламент расчёта потребления (расхода) на собственные и хозяйственные нужды в электроэнергетике.

Информационной базой исследования являются статистические данные Федеральной службы государственной статистики РФ, территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Тверской области, методические и организационно-регламентирующие материалы

электрогенерирующих предприятий, статистические данные по предприятию ОАО «Тверские коммунальные системы» (далее ОАО «ТКС»).

Научные результаты и выводы теоретически обоснованы, их достоверность подтверждена результатами экспериментальной проверки «Информационной проблемно - ориентированной системы управления процессом технического перевооружения группы электрогенерирующих предприятий», в основу которой положены разработанные математические модели и их алгоритмы, на Тверских ТЭЦ, входящих в состав ОАО «Тверские коммунальные системы». Разработанная информационная система управления процессом

технического перевооружения была успешно использована в процессе планирования реконструкции и модернизации указанного предприятия.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Определена зависимость выходной мощности ПЛО от времени функционирования, отличающаяся от известных тем, что она более точно отражает реальные изменения выходной мощности существующих ПЛО.

2. Разработаны новые математические модели определения параметров процесса ТП группы ЭГП: модель определения оптимального времени начала ТП ПЛО, отличающаяся от известных тем, что время начала ТП определяется по критерию максимума общей выработки электроэнергии на всем промежутке времени (от начала эксплуатации ПЛО до ТП и после ТП при дальнейшем использовании оборудования); модель определения оптимального порядка ТП ПЛО группы ЭГП, которая, в отличие от известных, учитывает следующие параметры: порог генерируемой мощности и суммарную выходную мощность ПЛО группы ЭГП.

3. Разработаны методика и модель управления процессом ТП группы ЭГП, основанные на использовании математических моделей определения оптимальных параметров процесса ТП и их алгоритмов.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные модели и алгоритмы расчёта параметров процесса ТП, модель, методика и информационная система управления процессом ТП группы ЭГП позволяют при их использовании оптимизировать управление процессом ТП группы ЭГП.

Основные положения и результаты исследования были представлены и обсуждены на научно-технических комиссиях ОАО «Тверские коммунальные системы» в 2012-2013 гг. и на конференциях (VII Международная научно-практическая конференция, г. Москва: МЭСИ, 2011 и XIV научно-практическая конференция, г. Москва: МЭСИ, 2011).

Рекомендации по времени начала технического перевооружения ПЛО ТЭЦ, порядку технического перевооружения, а также разработанная программа расчета параметров процесса технического перевооружения внедрены в

хозяйственную деятельность компании ОАО «Тверские коммунальные системы», о чём имеются 2 акта внедрения.

Основные положения и результаты работы, выносимые на защиту:

1. Зависимость изменения выходной мощности ПЛО от времени функционирования, позволяющая прогнозировать изменение выходной мощности ПЛО на заданное время.

2. Математические модели определения параметров процесса ТП группы ЭГП: предельно допустимого времени начала ТП ПЛО, оптимального времени начала ТП ПЛО, оптимального порядка ТП ПЛО группы ЭГП и их алгоритмы.

3. Модель управления процессом ТП группы ЭГП, включающая математические модели определения параметров процесса ТП группы ЭГП.

4. Методика управления процессом ТП группы ЭГП, включающая разработанные модели и позволяющая оптимизировать управление процессом ТП группы ЭГП при ее использовании.

5. Информационная проблемно-ориентированная система управления процессом ТП группы ЭГП.

По результатам диссертационного исследования опубликовано 10 научных работ, 5 из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК. Программа расчёта параметров процесса технического перевооружения группы предприятий электроэнергетики зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ Российской Федерации.

Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 111 источников. Рукопись содержит 129 страниц основного текста, в том числе 21 таблицу и 45 рисунков.

Глава 1. Исследование технического состояния и перспектив развития электрогенерирующих предприятий РФ и Тверского региона

1.1. Анализ технического состояния электрогенерирующих предприятий

Все виды техники в процессе эксплуатации подвержены моральному и физическому старению, рано или поздно возникает проблема определения ресурса их работы по условиям безопасности и (или) эффективности. Наиболее остро данная проблема стоит в энергетике. Идея считать ресурсом работы срок амортизации оказалась несостоятельной. Так, в 70-х годах некоторые объекты энергетики оказались полностью амортизированными, однако оборудование находилось в хорошем состоянии, а такие энергопредприятия как ТЭЦ с максимальным использованием теплофикационных возможностей были самыми эффективными предприятиями советской энергетики.

Развитие советской энергетики начиналось с относительно небольших мощностей и параметров пара на уровне 4МПа и 400-4500 °С. Эти параметры требовали применения сталей марки 10, 20 и даже Зсп, надежность которых не вызывала сомнений. Однако эффективность тепловых машин определяется разницей термодинамических параметров, и в начале 50-х годов прошлого века начался переход на температуры, превышающие 5000°С, и здесь возникла проблема ресурса созданных для этого паропроводных сталей. Они были созданы, но не прошли всего комплекса ресурсных испытаний, и их создатели с учетом мирового опыта эксплуатации аналогичных сталей назначили гарантированный ресурс в 100 тысяч часов с определенной скоростью ползучести и периодическим контролем изменения структуры и прочностных свойств.

Уже в 60-х годах к 100-тысячному рубежу эксплуатации пришла практически вся теплоэнергетика 50-х, и началась работа по продлению срока эксплуатации с индивидуальным подходом к каждому агрегату. Но на смену

высоких параметров шли сверхвысокие, и нужно было искать какие-то общие подходы.

В результате поисков пришли к понятиям паркового и индивидуального ресурса. Под парковым ресурсом в настоящее время понимается наработка однотипных по конструкции, материалам и условиям эксплуатации элементов теплоэнергетического оборудования, при которой обеспечивается их безаварийная работа при соблюдении стандартных требований, предъявляемых к контролю металла, эксплуатации и ремонту энергоустановок.

Индивидуальный ресурс - это назначенный ресурс конкретного объекта, определенный с учетом фактических свойств металла, геометрических размеров и условий его эксплуатации.

Понятия «парковый и индивидуальный ресурс» распространяются в основном на оборудование, работающее в условиях ползучести. Работоспособность остальных изнашиваемых элементов (коррозия, эрозия и другие виды износа) определяется по результатам периодических обследований их фактического состояния. Ее прогноз - краткосрочный, как правило, на один межремонтный период.

К сожалению, считать проблему определения ресурса энергетического оборудования решенной не приходится.

В середине 80-х, исходя из многих соображений,