Системная Энергетика

Системная Энергетика

1.ВВЕДЕНИЕ

Системная энергетика- дисциплина, изучающая общие свойства систем

энергетики, их развитие и управление в условиях общего развития

экономических отношений в стране или отдельных регионах. Дисциплина

включена в программу обучения студентов по специальности 10.05-тепловые

электрические станции Учёным советом ИрГТУ по представлению кафедры

теплоэнергетики. Дисциплина базируется на обобщении дисциплин, изучаемых по

данной специальности, а также включает некоторые дополнительные знания

взаимодействия систем энергетики с другими сферами деятельности человека и

окружающей среды.

Следует отметить, что данный курс лекций не претендует на полное изучение

систем энергетики. Здесь рассматривается только часть всех проблем развития

энергетики, в большей мере связанная с развитием и эксплуатацией

теплоэнергетических установок. Наиболее полные системные исследования

энергетики проводятся в Институте систем энергетики им. Л.А.Мелентьева СО

РАН, основа которым положена академиком Л.А.Мелентьевым.

Развитие энергетики, основного источника комфортного обитания человека и

эффективности его жизнедеятельности, давно тревожит не только науку, но и

общество в целом. Быстрый прирост населения земли, интенсивное развитие

всех отраслей энергетики, возрастающее воздействие на окружающую среду,

конечность большинства первичных энергоресурсов - вот неполный комплекс

проблем, которые необходимо решать не только для отдельных стран и

регионов, но и в мировом масштабе. Предсказания о конечности

энергоресурсов, о мировом «энергетическом голоде», о глобальном загрязнении

окружающей среды вплоть до «тепловой смерти» Земли высказывались

неоднократно с начала ХХ-го века. Хотя они оказались несостоятельными, но

проблемы остались, тем более что негативные последствия развития энергетики

накапливаются, и всё больше проявляются, особенно в промышленно развитых

странах.

К настоящему времени опубликовано много работ, обоснованно доказывающих,

что известных и предполагаемых энергоресурсов достаточно для обеспечения

потребности в энергии до конца ХХI-го века. Но для этого необходимо

пересмотреть энергетическую политику, делая упор на снижение удельного

энергопотребления и сбережения окружающей среды.

В связи с этим, по-видимому, в ближайшие 50-60 лет произойдут коренные

изменения в структуре энергобаланса, а именно:

-продолжение роста абсолютного потребления энергии, причём потребление

первичных энерго ресурсов стабилизируется на уровне, примерно на порядок

выше, чем в данное время;

- повышение роли новых технологий энергии, базирующихся на практически

неисчерпаемых первичных ресурсах;

- увеличение затрат на разработку и освоение новых источников энергии и

новых технологий преобразования, транспорта и использования энергии;

- образование глобальных и международных систем энергетики в отличие от

преимущественно национальных в настоящее время;

- рост эффективности использования энергии при увеличении доли

электроэнергии в энергобалансе мира.

Часто возникает вопрос - нужно ли прогнозировать развитие энергетики (и

не только энергетики) на 40-50 лет вперёд, когда прогнозы не оправдываются

и на более близкие перспективы. Да, необходимо, имея в виду, что основная

цель прогнозных исследований заключается в изучении основных тенденций и

пропорций в развитии энергетики при некоторых предпосылках условий развития

энергетики в предстоящий период и выявления возможных «узких мест». Это

позволяет заблаговременно предусмотреть более гибкую энергетическую

политику. Здесь главное не упустить «время» и не принимать поспешных

решений после свершившегося факта.

Так, после энергетического кризиса 1973-1974гг., когда значительно

возросли цены на жидкое топливо, у нас в стране резко изменилась

энергетическая политика на использование мазута на ТЭС. Более яркий пример

- существующее положение в экономике и, соответственно, в энергетике.

В ходе изучения данной дисциплины употребляются понятия: «системная

энергетика», «системный подход», «система» и т.п. Понятие «системы» чаще

всего определяется конкретной областью науки (техническая, биологическая,

экономическая, политическая и т.д.). В общем виде для понятия «система»

можно привести следующие определения:

1.Система-это множество элементов, находящихся в таких отношениях и связях

между собой, которые образуют определённую целостность и единство.

2.Система-это организованное множество, образующее целостное единство.

3.Система-есть множество связанных между собой компонентов той или иной

природы, обладающее вполне определёнными свойствами; это множество

характеризуется единством, которое выражается в интегральных свойствах и

функциях множества.

Во всех примерах основой определения «системы» является «множество» и

«единство». На примере этого понятия приведём понятие «система энергетики».

Система энергетики есть множество компонентов, объединённых единством

цели - создание комфортных условий жизнедеятельности человека посредством

преобразования видов энергии. Данное определение не претендует на полное

точное определение систем энергетики.

Другое определение: система энергетики - это производственная система,

созданная человеком, тесно связанная с окружающей средой от получения

первичной энергии до преобразования.

Образование и развитие систем энергетики, взаимосвязанной со всеми

другими производственными, экономическими, социальными, биологическими

системами, есть объективное формирование и не зависит от политической

(правящей) системы, а результат экономического и технического развития

общества. Разумеется, политическая властная структура влияет на темпы

развития, но не в глобальном общем направлении её развития.

Общую, большую систему энергетики для возможности её анализа и синтеза,

подразделяют на ряд функциональных систем энергетики-компоненты системы:

топливодобывающие, нефти - и газоснабжающие, электроэнергетические, ядерно-

энергетические и др. Основными целями исследования и управления системой

энергетики независимо от времени являются:

1).определение оптимальных темпов и пропорций в развитии всех компонентов

системы энергетики;

2).своевременное выявление элементов новой техники, которые могут

обеспечить решение основных задач научно-технического прогресса, создание

условий для современной разработки и освоения такой техники;

3).обеспечение наиболее эффективного использования основных материальных,

энергетических и трудовых ресурсов.

При этом важным фактором при управлении системой энергетики является

время - чем больше время перспективного анализа, тем выше неопределённость

принятия решения. Поэтому перспективные исследования необходимо разбивать

по времени на ряд этапов. В конце каждого этапа проводится анализ прошедших

периодов, выявляются основные тенденции в развитии энергетики и с учётом

этого намечаются ближние и дальние корректирующие решения. В кризисные и

переходные периоды в экономике и политике следует такой анализ проводить

как можно чаще (ежегодно).

Энергетика в настоящее время превратилась в сложную совокупность

процессов от получения природных энергоресурсов и их преобразования до

конечных видов энергии в многофункциональном хозяйстве страны. Энергетика

уже не обособлена границами одной страны. Процессы, происходящие в

отдельной стране, влияют на развитие энергетики в других странах и регионах

мира.

Примеров последнего можно привести много. Это и экспорт энергоресурсов,

межрегиональные передачи электроэнергии, это и явления энергетических

кризисов и аварий на АЭС, перенос выбросов в атмосферу других стран от ТЭС.

При исследовании системы энергетики выделяют следующие специфические её

свойства:

1).существование совокупности компонентов системы энергетики как единого

материального целого в силу вещественности многих связей - электрических,

трубопроводных, транспортных, информационных, внутренних – при

взаимозаменяемости продукции отдельных подсистем и элементов;

2).универсальность и большая народно-хозяйственная значимость продукции,

особенно электроэнергии и жидкого топлива, а, следовательно, множество

внешних связей;

3).активное влияние на развитие и размещение производственных сил;

4).сложность систем энергетики не только на уровне страны, но и отдельных

регионов и ЭЭС, что требует соответствующих методов управления;

5).работа основных подсистем энергетики на совмещённую нагрузку в силу

неразрывности многих процессов производства и потребления энергии;

6).активная взаимосвязь с окружающей средой, включая человека.

Учитывая свойства систем энергетики, при исследовании любых её

компонентов необходим системный подход, т.е. учёт всей совокупности внешних

и внутренних связей. Разумеется, всё учесть при решении конкретной задачи

невозможно. Поэтому систему энергетики, как комплекс, разделяют на

вертикальные и горизонтальные уровни с выделением основных связей между

ними, т.е. выстраивают иерархию подсистем и связей. Затем определяют место

в этой иерархии решаемой конкретной задаче, оценивают значимость внешних и

внутренних связей. И только после этого находят решение или решения

конкретной задачи с последующим уточнением значимости связей. Обычно

решение находится после нескольких итерационных уточнений значимости и

подробности учёта внешних и внутренних связей.

Рассмотрим на примере возможностей использования газа Ковыктинского

месторождения. Использование этого газа в топливно-энергетическом балансе

Иркутской области возможно по-разному.

Вариант 1. В связи с плохой экономической обстановкой в области и низкой

эффективности природоохранных мероприятий на малых и средних котельных газ

используется как основное топливо этих установок.

Вариант 2. Учитывая мощные сосредоточенные источники загрязнения

окружающей среды и более быструю окупаемость на крупных ТЭЦ, газ

используется как основное топливо крупных котельных и ТЭЦ больших городов.

Вариант 3. Учитывая экономическую обстановку в регионе, Ковыктинский газ

экспортировать в другие страны - Монголию, Китай, Корею, Японию. Полученный

доход от экспорта частично направлять на повышение качества природоохранных

мероприятий малых и крупных источников вредных выбросов.

Вариант 4. Комбинирование трёх вышеизложенных вариантов с различными

пропорциями использования газа в области и экспорта за её пределы.

Вариант 5. Ресурсы, вкладываемые в разработку ковыктинского газа, вложить

в модернизацию источников тепловой и электрической энергии с повышением

эффективности природоохранных мероприятий.

Вариантов использования ковыктинского газа можно назвать ещё несколько,

но уже видно, что решение задачи может иметь несколько вариантов. К этому

следует добавить неопределённость в инвестициях, во времени, окупаемости и

других факторах, учитывая нестабильность экономики и значимую

неопределённость на перспективу 5-10-40 лет.

2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ

Система энергетики обладает общими и индивидуальными свойствами,

отражающими особенности развития энергетики, как комплекса взаимосвязанных

систем – электроэнергетических, топливодобывающих, транспортных и др.

Знание общих свойств значительно помогает при решении конкретных задач на

этапах проектирования или эксплуатации.

Можно выделить четыре основных группы свойств систем энергетики:

структурные, развития, функционирования и управляемости. Группа структурных

свойств системы отражает единство основных связей и входящих в неё

элементов (подсистем), т.е. иерархичность систем. Структурные свойства

раскрывают сущность взаимосвязей разных иерархических уровней и включают:

1.Целостность отдельных систем и подсистем, входящих в данную структуру,

отражает степень автономности и индивидуальности систем.

2.Уровень централизации управления – отражает внешние связи системы с

другими системами различного иерархического уровня.

3.Сложность структуры определяется объёмом и значимостью внешних и

внутренних связей системы.

Группа свойств, характеризующих развитие системы, включает: стабильность,

динамичность, инерционность и дискретность.

Стабильность – способность системы в развитии сохранять свою структуру и

экономичность. Большие системы, к которым относятся системы энергетики, в

своём развитии изменяют связи, элементы в относительно малом объёме. Так,

ввод новых мощностей или строительство дополнительной ЛЭП незначительно

перестраивает внутрисистемные связи, т.е. то, что уже действует, продолжает

работать.

Свойство динамичности определяется в развитии системы как влияние

настоящего состояния на будущее, т.е. во многом предопределяется развитие

системы в будущем принятием текущих решений.

Свойство инерционности отражает способность системы противостоять внешним

и внутренним воздействиям. Количественно инерционность системы можно

измерить периодом времени от принятия решения до его реализации, изменяющие

развитие системы.

Дискретность отражает скачкообразные изменения в структуре и связях при

развитии системы. Она определяется строительством и пуском новых

электростанций, ЛЭП и других объектов, имеющих дискретную мощность.

Например, производительность ТЭЦ по пару изменяется дискретно в

соответствии с числом работающих котлов. Группа свойств, характеризующих

функционирование системы, определяется комплексными свойствами

экономичности и надёжности.

Экономичность – свойство системы осуществлять свои функции с минимумом

овеществлённого и живого затрат при наличии определённых ограничений. Это

свойство отнесено к группе функционирования, так как оно в большей мере

проявляется в период эксплуатации.

Надёжность – комплексное свойство системы выполнять заданные функции при

заданных условиях и ограничениях функционирования. Более подробно о

комплексе свойств надёжности рассмотрено в специальном разделе.

В группу свойств, характеризующих управляемость системы, включены пять

основных свойств: неполнота информации; адаптация; недостаточность

определённости оптимальных решений; самоорганизованность;

многокритериальность.

Основное свойство неполноты информации заключается в том, что наряду с

детерминированной, значительная часть информации является вероятностной и

неопределённой. Детерминированная информация относится к точной или

однозначной информации. Например, на какой-то ТЭЦ установлено столько-то

турбин. Вероятностная информация может быть представлена в виде функции

распределения одних параметров по отношению к другим. Так, наработка на

отказ труб поверхностей нагрева во времени описывается нормальным законом

распределения с достаточной точностью. Неопределённая информация обычно

представляется в виде диапазона значений, внутри которого параметры не

поддаются описанию каким-либо законом. Например, представление о росте

нагрузок в перспективе через 20-40 лет можно определить только в общем

приближении в довольно большом диапазоне «от» и «до». Неполнота информации

большое значение имеет при управлении развитием системы и при принятии

направленности развития системы на перспективу.

Свойство адаптации в общем случае характеризуется как процесс накопления

и использования информации. Это свойство особенно должно учитываться и в

значительной мере создаваться при планировании развития систем. Развитие

систем необходимо планировать так, чтобы при изменившихся условиях система

могла с малыми затратами адаптироваться к новым условиям.

Свойство недостаточности определённости оптимальных решений о

функционировании и развитии систем формируется в результате постоянного

изменения условий, внешних и внутренних. Это свойство связано со многими

свойствами системы и в главном, оно отвечает положению, что принимаемое

решение должно иметь некоторую область неопределённости, учитывающую

неопределённость и неоднозначность имеющейся информации о системе.

Так, оптимальная температура питательной воды определяется стоимостью