Основы оптимизации режимов электрических станций и энергосистем. Секреты оптимизации рабочего процесса

В условиях современного производства основной частью нормы времени чаще всего является машинное (аппаратурное) время, величина которого определяется режимами работы оборудования. Так, при механической обработке машинное время рассчитывается на основе соотношения между длиной пути и скоростью перемещения инструментов. Эти величины, в свою очередь, устанавливаются исходя из параметров режима обработки: глубины, подачи и скорости резания.

Как было показано в разд. 2.8, при оптимизации технологического и трудового процессов должны указываться ограничения по необходимому производственному результату, условиям труда, использованию средств производства и объемам производственных ресурсов. Выбор оптимального варианта должен осуществляться по критерию минимума суммарных затрат на заданную программу выпуска продукции.

Рассмотрим структуру задач оптимизации режимов технологического процесса на примере обоснования режимов механической обработки деталей на металлорежущих станках. Эти задачи анализируются в технической и экономической литературе уже в течение десятилетий. Одна из первых попыток оптимизации режима резания была предпринята Ф. У. Тейлором, который известен своими работами не только по организации и нормированию труда, но и по технологии обработки металлов [Илек, Куба, Илкова. С. 85]. При оптимизации режимов резания определяются наиболее эффективные значения скорости резания (v), подачи (s) и глубины (t), т. е.

Область допустимых значений v, s, t определяет система ограничений. Прежде всего должны соблюдаться технические ограничения, обусловленные характеристиками предметов труда, инструментов, приспособлений и оборудования. К числу этих характеристик относятся свойства обрабатываемого материала, требуемая точность и чистота обработки детали, статические и динамические характеристики станка, конструкция, материал, геометрические параметры, допустимый износ инструмента, жесткость системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» (СД) и т. д.

В частности, при установлении режима резания должны соблюдаться ограничения вида

где Q r (X) - усилие на r-й элемент системы СД, соответствующее определенному варианту режима резания; Q? - допустимое усилие на г -й элемент системы СД.

Так, допустимость той или иной подачи проверяется по прочности державки резца и пластинки твердого сплава, по величине прогиба детали, возникающего вследствие радиального усилия резания, и по прочности механизма подачи станка.

Наряду с ограничениями типа (5.3.2) должны соблюдаться ограничения, обусловленные параметрами применяемого оборудования. В частности, выбранное число оборотов шпинделя (п (X)) должно соответствовать допустимому числу оборотов (л д), указанному в паспорте станка.

В общем виде подобные ограничения записываются следующим образом:

Такая запись означает, что величины а е (Х) должны соответствовать множеству допустимых значений {а ?}.

Из группы ограничений по условиям труда следует учитывать требования, обусловленные необходимостью удобного и безопасного отвода стружки из зоны резания. Для этого выбирают соответствующую геометрию инструмента, параметры режима резания, защитные приспособления. Психофизиологические и социальные ограничения, обусловленные конструкцией оборудования, должны учитываться при его проектировании.

При выборе режима резания большое значение имеют ограничения по программе выпуска продукции и использованию фонда времени оборудования. В существующих методиках эти ограничения учитываются недостаточно, хотя для выбора экономически наиболее эффективного режима обработки они являются одними из важнейших.

Зависимость объема выпуска продукции от режима резания характеризуется двумя обстоятельствами. С одной стороны, увеличение скорости резания приводит к уменьшению машинного времени на единицу продукции, с другой - при увеличении скорости существенно уменьшается стойкость инструмента, увеличивается число его переточек и, как следствие, увеличивается время простоев оборудования, вызванных заменой инструментов.

Чтобы учесть эти обстоятельства при выборе оптимального режима резания, будем исходить из того, что на каждом станке можно выделить три состояния: машинную работу (резание), простой во время и в ожидании смены инструмента и простой по всем остальным причинам. Соответственно, можно записать:

где К м - коэффициент использования оборудования по машинному времени (удельный вес машинного времени в фонде времени работы станка); К и - доля времени простоев оборудования при замене инструментов; К п - доля времени простоев оборудования по остальным причинам.

Значениям ЛГ(т. е. скорости резания, подаче, глубине) соответствуют определенные величины машинного времени на единицу продукции. На основе этих величин для каждого X можно установить величину коэффициента использования оборудования по машинному времени (А"м (X)), необходимому для выполнения производственной программы:

где Р к - программа выпуска деталей к-то вида в планируемом периоде; (А) - машинное время на единицу продукции А:-го вида; F - располагаемый фонд времени одного станка в планируемом периоде; N - количество используемых единиц оборудования.

Наряду с коэффициентом машинного времени каждому варианту режима обработки соответствует коэффициент простоев, связанных с заменой инструментов, (К п (А)). Эта величина рассчитывается исходя из стойкости режущего инструмента, определяющей частоту его переточек, и времени на смену инструмента, которое зависит от организации обслуживания рабочих мест. В частности, если рабочий-станочник сам затачивает и меняет инструмент, время на смену инструмента будет включать продолжительность действия рабочего по снятию инструмента, его заточке, установке и переходов. При централизованной заточке и доставке инструмента на рабочее место время на смену инструмента будет определяться продолжительностью действий по снятию затупившегося и установке нового инструмента.

Величину К и (А) можно определить по формуле

где R (X) - среднее количество простоев оборудования во время замены или подправки инструмента за период F (при прочих равных условиях величина R(X) пропорциональна стойкости инструмента); t и (А) - среднее время на одну замену (подправку) инструмента.

Коэффициент машинного времени, который можно реально обеспечить при данной системе замены инструментов, устанавливается исходя из формул (5.3.4) и (5.3.6). Величина К„ в формуле (5.3.4) при расчетах режима резания может быть либо независимой от X (при обслуживании рабочим одного станка), либо связанной с ним зависимостью, близкой к функциональной (при многостаночной работе) . В дальнейшем будем считать, что величина К п однозначно определена. При этом на основе формул (5.3.4) и (5.3.6) имеем:

Таким образом, каждому варианту режима обработки и каждой системе организации обслуживания рабочих мест соответствуют определенные величины коэффициентов К" { (X) и Kl (X). Для выполнения программы выпуска продукции необходимо, чтобы соблюдалось ограничение:

Оптимальный вариант, удовлетворяющий ограничениям (5.3.2), (5.3.3) и (5.3.8), должен определяться по критерию минимума суммарных затрат на заданную программу выпуска продукции.

В условиях действующего производства при фиксированном количестве единиц используемого оборудования варианты режимов обработки будут различаться в основном расходами на оплату труда рабочих - S р (X), инструмент - S„ (20 и электроэнергию - S э (X). В этом случае целевой функции (5.3.9) будет эквивалентна функция

На основе соотношений (5.3.2), (5.3.3), (5.3.8), (5.3.9) структуру задачи оптимизации технологического режима в условиях действующего производства при фиксированном количестве единиц оборудования можно представить в следующем виде: найти

при котором

Расчеты при выборе оптимального режима резания выполняются в следующем порядке.

• 1. В соответствии с требованиями к точности и чистоте обрабатываемой поверхности и с величиной припуска устанавливается глубина резания (t). При черновой обработке стремятся работать с максимальной глубиной резания, допустимой системой СД. Чистовая обработка ведется при небольшой глубине резания. Так, если при обработке на токарном станке припуск составляет 5 мм, то черновая обработка может вестись при t - 4 мм, а чистовая - при t = 1 мм.
• 2. Исходя из принятой глубины резания выбирается подача, обеспечивающая выполнение требований к качеству обработки с учетом геометрии инструмента и допустимых усилий в системе СД. Величина подачи при чистовой обработке регламентируется в основном необходимым качеством обрабатываемой поверхности.
• 3. На основе глубины резания и подачи устанавливается скорость резания. При этом учитываются: требуемая точность и чистота обработки, геометрия и материал инструмента, механические характеристики и материал заготовки, допустимые усилия в системе СД, экономически наиболее эффективные периоды стойкости инструмента.
• 4. Для выбранной скорости резания определяются число оборотов шпинделя, необходимая мощность станка и двойной крутящий момент. Эти величины сопоставляются с паспортными данными станка. Исходя из уточненного числа оборотов шпинделя рассчитывается фактическая скорость резания.

В зависимости от конкретных производственных условий и возможностей применения вычислительной техники на практике используются различные методики установления режимов обработки. При оперативном нормировании чаще всего используются общемашиностроительные нормативы режимов резания, а также различного рода таблицы и номограммы, позволяющие сократить трудоемкость технологических расчетов. Наряду с этим все большее применение получают автоматизированные системы технологического проектирования и нормирования труда, важнейшей частью которых являются алгоритмы и программы оптимизации режимов обработки.

В связи с расширяющимся применением оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) и гибких автоматизированных производств (ГАП) наиболее перспективными являются комплексные системы проектирования производственных процессов, включающие комплексы взаимосвязанных расчетов по выбору оптимальных вариантов последовательности обработки, технологического оборудования, инструмента, приспособлений, режимов резания, по определению всех составляющих нормы времени с учетом масштабов выпуска продукции и этапов ее освоения. Результаты расчетов выдаются в виде технолого-нормировочных карт, в которых для каждой операции указываются: оборудование, инструмент, приспособления, режимы обработки, норма времени и разряд работы. Наряду с этим при выполнении операции на станке с числовым программным управлением выдается программа работы станка.

После выбора оптимального варианта режима обработки машинное время на операцию однозначно определяется установленными значениями технологических параметров. Так, при обточке детали на токарном станке машинное время определяется по формуле

где L - длина пути инструмента в направлении подачи, мм; / - длина обрабатываемой поверхности, мм; 1 - длина врезания инструмента, мм; / 2 - длина перебега инструмента, мм; п - число оборотов в минуту; s 0 - подача в мм/об; s м - подача в мм/мин; i - число рабочих ходов (проходов), определяется соотношением припуска на обработку (И) и глубины резания (/) при каждом рабочем ходе, т. е. t + ti +... + = h.

• При многостаночной работе от стойкости инструмента зависит среднее время работы станка без участия рабочего. Это время непосредственно влияет на величину нормы обслуживания, а следовательно, и на среднее время простоя станкав ожидании обслуживания.

Существует распространенное заблуждение, что все в жизни сводится ко времени. Ежедневно мы используем такие фразы:

«Если бы у меня было больше времени»
«Мне нужно еще несколько минут»
«Пара часов работы — только и всего»

Мы верим, что всего можно было бы достигнуть, будь у нас немного больше времени. Ошибочно полагаем, что все дело в его количестве, но наш рабочий день уже и так слишком длинный. Как все успевать и при этом не «сгореть на работе» — читайте в нашей сегодняшней статье.

Оковы свободы

С самого детства нас убеждают в важности распорядка дня, основанного на времени. Школьный день длится 8 часов, а структура урока подчиняется времени, а не тому, сколько должно быть изучено. Нас учат, что важнее уложиться в нужное время, чем закончить работу.

Однако сейчас мы все сильнее отходим от этой общепринятой практики. Все больше людей работает удаленно, частично, по контракту или вахтовым методом. Восьмичасовой рабочий день исчезает, но тот ли это отказ от временных рамок, на который мы так надеялись?

Свобода выполнять свои профессиональные обязанности где и когда угодно дает нам возможность работать по любому удобному графику. Это означает, что мы можем уложиться в короткие сроки или потратить на задачи массу времени — главное, чтобы работа была выполнена. Тем не менее исследования доказывают, что те, кому график позволяет работать меньше, в итоге трудятся значительно дольше.

Исследование, посвященное рабочему времени и продуктивности, проведенное Международной Организацией Труда, показало, что среднестатистический рабочий со свободным графиком работает 54 часа в неделю, а тот, кто подчиняется жесткому расписанию, всего 37. Эти 17 дополнительных часов являются следствием «свободы» устанавливать свой собственный график, но что еще хуже — эти часы не влияют на качество и продуктивность работы.

Когда Организация экономического сотрудничества и развития изучила влияние продолжительности работы на производительность в 18 европейских странах на протяжении 60-летнего периода, было обнаружено, что производительность в час при увеличении длительности рабочего времени всегда уменьшается. К тому же было замечено, что и результат ухудшается пропорционально росту рабочего времени.

После определенного момента все становится только хуже, ведь на следующий день часы будут потрачены на то, чтобы найти и исправить сделанные накануне ошибки.

Почему так получается?

Всем нам знакома ситуация, когда чувствуя сильную усталость и умственное истощение, мы продолжаем выполнять работу — просто для того, чтобы на свежую голову переделать большую ее часть. Возможно, это гордость или чувство ответственности, хотя более правильным кажется закон Паркинсона: «Работа занимает ровно столько времени, сколько на нее отведено».

Этот «закон» озвучил Сирил Норткот Паркинсон в рамках юмористического очерка в журнале «Экономист». Паркинсон приводит такой пример:

«Пожилая леди с массой свободного времени может потратить целый день на написание и отправление открытки своей племяннице в Богнор-Регис. Один час будет потрачен на поиски открытки, второй — на поиски очков, полчаса — на попытки вспомнить адрес, час с четвертью на написание и двадцать минут на то, чтобы решить — брать ли с собой зонт, чтобы дойти до почтового ящика на соседней улице. Вся работа, которая у занятого человека заняла бы не более трех минут, может заставить другого упасть замертво после целого дня сомнений, тревог и тяжелого труда».

Чем больше времени мы отводим на выполнение задания, тем больше времени мы на него тратим, а чем больше времени мы тратим, тем хуже в итоге выполняем само задание. Невозможно работать в полную силу в течение нескольких часов подряд. Мотивация, сила воли и сосредоточенность — это ограниченные ресурсы, которые надо использовать экономно в течение дня. Трата большего количества времени только убивает мотивацию и делает выполненную работу хуже.

Итак, если работать меньше, то можно показать высокую продуктивность?

Часто кажется, что у нас нет достаточно времени на встречи с друзьями, поддерживание отношений и все те вещи, которые делают нас счастливыми.

Даже учитывая, что отношения с семьей и друзьями — это основополагающие ценности, эта проблема все же является актуальной для большинства.

Возможность меньше работать дает время на общение и все те вещи, которые нужны для личного благополучия. Звучит безупречно, не так ли? Уделяйте меньше времени работе, и у вас будет больше времени на досуг и встречи с теми, кого вы любите.

Однако это не так.

Исследование Кристобаля Янга и Шаюна Лима из Стенфордского Университета показало, что из 500 000 рабочих у большинства уровень счастья зависит от продолжительности рабочей недели. Мы чувствуем себя абсолютно счастливыми в выходные и наименее довольными в понедельник и вторник. Очевидно, не так ли?

Удивительно, что та же тенденция существует и среди безработных: даже те, кому не нужно было присутствовать на рабочем месте в течение недели, все равно в будни чувствовали себя менее счастливыми. Янг и Лим связывают это с тем, что общение с другими людьми является более важным для нашего благополучия, чем просто свободное время: вы не получите полного удовольствия от выходного дня, если потратите день только на себя.

Уделяйте время только той работе, которая важна

Итак, мы не станем работать лучше, если потратим больше времени на работу, и мы не станем счастливее, если получим больше свободного времени.

Сфокусироваться на продуктивности, а не на конечном результате — вот наша цель.

Оправдывая работу затраченными ресурсами и временем, мы попадаем в ловушку: например, «Я потратил 60 часов/4 месяца/8 лет на это. Я заслужил успех».

Современная поговорка гласит, что дело не во времени, а в самой работе. Для многих удаленных сотрудников или тех, кто работает по гибкому графику, это означает выполнение любой ценой, но радоваться энному количеству затраченного времени вместо гораздо большего количества просто смешно. Если мы будем думать только о том, что сделано, не думая о том, как много времени потрачено на задание и какова продуктивность его выполнения, мы не увидим полной картины.

Как объясняет Линн Ву из Уортонской школы бизнеса, измерять продуктивность работы в ее результатах — бессмысленно. Продуктивность — это не только то, что сделано, но и то, как эффективно вы работали над заданием.

Недавнее исследование Джулиана Биркиншоу из Лондонской школы бизнеса показало, что большинство работников умственного труда — инженеров, писателей и тех, кто «думает, чтобы жить» — тратит в среднем 41% времени на работу, которую легко могли бы сделать другие.

Мы инстинктивно держимся за задания, которые делают нас «занятыми» (а значит, важными). Мы хорошо себя чувствуем, когда наш график расписан по минутам и приходится ждать, что вот-вот станет легче и появится время на наши жизненные потребности. Как ни парадоксально, все мы хотим больше свободного времени и при этом держимся за вещи, которые его отнимают.

Стремление работать более эффективно очень сложно отследить. Инвестирование в навыки, планирование или обучение других для того, чтобы освободиться самому, освобождают время для действительно важной работы — не просто для дел, которые делают нас «занятыми».

Переосмысление работы и жизни

Во всех аспектах жизни — как рабочих, так и личных — дело не в количестве времени. Мы никак не можем на это повлиять: не существует способа добавить часов в сутки. При этом комплексный эффект долгих рабочих дней и бессонных ночей заключается в том, что вы почти всегда показываете плохие результаты.

Дело в качестве, эффективности, умении определить, сколько времени потратить на работу и решить, как эффективнее использовать это время. Когда мы думаем так, мы перестаем воспринимать время как единицу измерения своего дня.

Существует несколько способов решить, как более продуктивно распорядиться своим временем — каждый из них может использоваться как индикатор вашей эффективности.

1. Планируйте задания, а не время

В своем эссе Пол Грэхем предполагает, что единицей измерения времени таких специалистов как писателей и программистов является как минимум половина дня, а не часовые или получасовые интервалы стандартного расписания.

Работа получается лучше всего тогда, когда она не требует соблюдения жестких дедлайнов и графиков. Чтение, сочинительство, редактура — все эти занятия получаются лучше, если не приходится растягивать время или, наоборот, спешить, чтобы уложиться в сроки.

Работа на результат дает ощущение успешности и помогает ответить на вопрос, эффективно ли вы работаете.

2. Когда смысл найден, продолжайте работать

Мотивация и энергия — ограниченные ресурсы, их растрачивание впустую сводит к нулю наши шансы и делает работу бессмысленной.

Эксперименты доктора Стила, посвященные мотивации и прокрастинации, показали, что значимость — самый важный аспект для поддержания мотивации. Когда выполняемая работа кажется нам важной, мы наиболее мотивированы на ее завершение. Так зачем же останавливаться? Встречи можно и перенести, а рабочий азарт не так просто восстановить.

3. Станьте лучше, быстрее, сильнее

Как сказал Генри Дэвид Торо, «Быть занятым недостаточно: таковыми бывают и муравьи. Вопрос в том, чем ты занят».

Необходимо учиться ежедневно сосредотачиваться на чем-то значительном, это позволит нам чувствовать себя состоявшимися.

Не стоит ходить на работу просто для того, чтобы отсидеть рабочий день и похвалить себя — сфокусируйтесь на том, чтобы выполнять свою работу и чувствовать удовлетворение от этого, и только после этого уходите.

Мы можем изменить то, как мы работаем, только если мы изменим свое мышление.

4. Просите помощи

Часто мы настолько погружаемся в работу, что забываем о возможности попросить помощи. Особенно в небольших компаниях, где кажется, что каждый сотрудник загружен работой по-максимуму, сама идея прервать чей-то рабочий процесс своей просьбой кажется странной.

Однако от одного маленького вопроса или коротенькой беседы может зависеть, потратите ли вы на задание 5 минут или целый час.

Используйте знания окружающих вас людей таким образом, чтобы вы вместе могли работать эффективно.

Вместо заключения

Вам не нужно больше времени — вам нужно время, потраченное с умом.
Это приходит только с пониманием, что долгие часы, затраченные на работу, не делают ее хорошей.

Как четко подметил Сет Годин: «Вам не нужно больше времени… вам просто нужно научиться принимать правильные решения». Время — это почти всегда вопрос качества, а не количества, поэтому определяйте цели и достигайте их.

Основная задача оптимизации - повышение эффективности использования энергоустановок. Эффективность можно рассматривать как меру реализации определенных целей и как соотношение между результатами и затратами, необходимыми для их получения. В качестве показателей эффективности используются показатели, выделенные в три основных блока: результативность, экономичность, рентабельность. При этом экономичность (или экономическая эффективность) рассматривается в двух аспектах: как производительность ресурсов и как удельные издержки производства (себестоимость продукции).

Оптимизационная задача - это задача приведения бизнес-системы или ее составных частей в наилучшее (оптимальное) состояние. Формализованная оптимизационная задача содержит: критерий оптимальности (функционально или стохастически зависящий от управляемых параметров); заданные управляемые параметры (вектор управлений); множество допустимых способов управления, определяемое совокупностью условий (ограничений, связей), воздействующих на управляемые параметры. В зависимости от содержания оптимизационной задачи возможны различные ее постановки (в том числе математические).

Существуют разные методы решения задачи оптимального распределения нагрузки между тепловыми электростанциями. Наиболее известным является метод равенства относительных приростов, разработанный на основе теории неопределенных множителей Лагранжа. Этот метод исходит из положения, что оптимизации в краткосрочном периоде подлежат только переменные издержки, основную часть из которых составляют издержки на топливо. Поскольку на разных электростанциях стоимость топлива различная, то с экономической точки зрения оптимизация распределения нагрузки будет иметь место при равенстве относительных приростов издержек на топливо.

В условиях плановой экономики эта методология применялась в энергосистемах не только с тепловыми электростанциями, но и с гидроэнергетическими, поскольку определялся наивыгоднейший режим, который обеспечивал (с учетом ограничений по водному режиму) наибольшую экономию издержек на топливо на тепловых электростанциях при увеличении расхода воды на ГЭС. При этом оптимизационные задачи решались с учетом потерь активной мощности в электрических сетях.

В условиях рыночной экономики задачи оптимизации режимов работы энергетического оборудования становятся намного сложнее из-за необходимости учитывать множество факторов, в том числе и определяемых особенностями модели рынка электроэнергии и мощности и его стадиями: регулируемый режим, частично конкурентный в переходный период, конкурентный режим при целевой модели.

Вместе с тем методология оптимизации находит место и в электроэнергетике, осуществляющей деятельность на конкурентной основе в соответствии с действующими рыночными механизмами и стимулами. Переход электроэнергетики от монополии к конкуренции означает также необходимость нового подхода к оптимизационным задачам в управлении режимами работы энергетического оборудования. Оптимизационные задачи должны решаться с учетом присутствующих на рынке электроэнергии рисков:

· риска рыночной цены (ценовой риск);

· риска объемов продаж (количественный риск);

· риска цены на топливо (конъюнктурный риск);

· риска готовности мощностей (технологический риск).

Для генерирующих компаний и их электростанций существенной является разновидность количественного риска - риск недозагрузки или неоптимальной загрузки имеющихся мощностей из-за недостаточного объема продаж вследствие конкуренции со стороны других производителей. Этот риск относится к области общего предпринимательского риска производителя и управляется через оптимальный подбор генерирующих установок разных мощностей и их характеристик, включая виды используемого топлива; ценовую политику; снижение издержек, расширение участия в других сегментах рынка, например, рынке мощности, отклонений (балансирующий сегмент рынка), готовности резервов, регулировании частоты и напряжения и др.).

Конкурентные цены и их оптимизация с учетом всех сегментов рынка позволяют производителям энергии получать доход, покрывающий их переменные и постоянные издержки, включая нормальную прибыль. Нормальная прибыль в среднесрочных и долгосрочных периодах свидетельствуют об оптимальном уровне эффективности использования производственных мощностей энергокомпаний.

Применяемые на практике кривые предельных издержек, по сути, являются кривыми относительных приростов. Для электростанций именно относительный прирост расхода топлива в основном отражает дополнительные издержки производства.

Если производитель, участвуя в конкурентном рынке, покрывает только свои переменные издержки, он может на рынке, не имеющем избытка мощностей, получить доход, необходимый для покрытия постоянных издержек и достаточный, чтобы оставаться конкурентоспособным на рынке за счет дополнительного источника дохода - высоких цен на электроэнергию в пиковые часы нагрузки энергосистемы, которые могут превышать предельные издержки самых «дорогих» производителей. Такой подход стимулирует энергокомпании на повышение эффективности использования установленных мощностей электростанций и на выполнение реконструктивных мероприятий, повышающих установленную мощность действующих энергоустановок.

Теплоэнергетика относится к весьма топливоемким отраслям экономики (основная составляющая издержек производства на ТЭС связана с топливом - 50-70 % себестоимости, причем в издержки входит и создание страховых резервных запасов топлива - мазута и угля). Поэтому задача улучшения эффективности топливоиспользования является наиважнейшей задачей оптимизации. Рентабельность (финансовая эффективность, характеризующая отдачу активов или капитала компании в виде показателей ROA - коэффициента рентабельности активов, ROTA - коэффициента рентабельности всех активов, ROE - коэффициента рентабельности собственного капитала, ROCE - коэффициента рентабельности обыкновенного акционерного капитала) служит конечным, обобщающим показателем деятельности энергокомпании. Она формируется исходя из результативности и экономичности, но является не простой суммой этих элементов эффективности, а итогом сложного взаимодействия энергокомпании с внешней средой.

Необходимость оптимизации режимов работы энергетического оборудования обусловлена и тем, что существует прямая конкуренция между энергокомпаниями-производителями, между энергокомпаниями и собственными генерирующими установками потребителей, между энергокомпаниями и генерирующими установками независимых производителей и др.

В сфере передачи и распределения электрической энергии в связи с отсутствием прямой конкуренции в силу естественного монополизма вступает в силу и действует конкуренция во внешней среде на рынке капитала для получения инвестиционных ресурсов. Поэтому даже электросетевые энергокомпании, оказывающие электросетевые услуги, вынуждены снижать издержки, чтобы быть привлекательными для инвесторов. Поэтому при оптимизации режимов работы электрических сетей первоочередной является задача оптимизации топологии, структуры и режимов работы сетей, чтобы снизить технологические потери в сетях.

Говоря об оптимизации режимов работы энергетического оборудования в условиях конкурентного рынка электроэнергии, мощности и рынка системных услуг, следует понимать, что переход к конкурентным отношениям со свободным ценообразованием может негативно отражаться на надежности и качестве электроснабжения в силу ряда причин. В регулируемой электроэнергетике в управлении надежностью в значительной степени преобладали методы административного принуждения без адекватной экономической обоснованности. Рыночная экономика не должна отказываться от внеэкономических методов регулирования и управления как надежностью, так и технико-экономической эффективностью в силу как реальных практических ожиданий потребителей, так и макроэкономических требований экономики страны.

Оперативное управление на энергопредприятиях осуществляется на основе непрерывного (повседневного) слежения за ходом всех производственных и финансово-экономических процессов и оказывает целенаправленное воздействие на коллективы служб, отделов, цехов, участков, смен и бригад, а также на рабочих, осуществляющих оперативное обслуживание оборудования для обеспечения безусловного выполнения утвержденных производственных программ. Развитие навыков оперативного управления позволяет менеджменту осуществлять ежедневную управленческую деятельность, обеспечивающую в итоге необходимую эффективность и надежность работы энергетического оборудования.

Для обеспечения надежного энергоснабжения потребителей, безаварийной и экономичной работы оборудования электростанции необходимо установить рациональные режимы работы оборудования, учитывающие спрос на энергию, технические и экономические характеристики. Основным, нормальным является установившийся режим работы оборудования, при котором обеспечивается мощность в соответствии с графиком нагрузки и выработка основного количества энергии в заданный период времени.

Одной из важнейших задач эксплуатации является экономичное распределение энергетической нагрузки между электростанциями энергосистемы и отдельными их блоками и агрегатами. Одновременно должен решаться вопрос о числе рабочих агрегатов, пуске или остановке отдельных агрегатов.

Экономичное распределение нагрузки между работающими агрегатами, обеспечивающее минимальный расход тепла и топлива на электростанции и в энергосистеме, производится на основе метода удельных (относительных) приростов расхода тепла.

Для применения этого метода необходимо располагать энергетическими характеристиками агрегатов, устанавливающими зависимость расхода тепла Q i от нагрузки агрегата W i:

Q 1 = f (W 1); Q 2 = f (W 2); …;

Q z = f (W z). (9.1)

Если функции Q i , выраженные уравнениями (9.1), являются непрерывными с непрерывно возрастающими производными при увеличении нагрузкиW i , то применение метода удельных приростов может быть математически обоснованно следующим образом.

Суммарная нагрузка W является заданной величиной и равняется сумме нагрузок всех агрегатов

W= W 1 + W 2 +…+ W z . (9.2)

Условие (9.2) можно представить также в виде вспомогательной функции Лагранжа

Экономичное распределение заданной суммарной нагрузки между данными z агрегатами находят, исходя из того, что суммарный расход тепла, топлива

Q= Q 1 + Q 2 +…+ Q z . (9.1а)

должен бить минимальным. Пользуясь методом условного экстремума Лагранжа и обозначая неопределенный множитель через r, ищем минимум функции F=Q+r*φ или

.

Приравнивая нулю частные производные функции F по величинам W i и имея в виду равенство (9.3), получаем уравнения

;
;…;

(9.3)

Таким образом, для обеспечения минимального расхода тепла и топлива, нагрузка работающих агрегатов должна быть такой, чтобы величина удельного прироста расхода тепла этих агрегатов была одинакова:

(9.3а)

Действительная энергетическая характеристика турбоагрегата отличается от только что рассмотренной теоретической. Для применения данного принципа оптимизации необходимые характеристики сглаживают.

Одной из особенностей энергетического производства является баланс между производством и потреблением электроэнергии и теплоты. Выпуск электроэнергии и тепла зависит от их потребности в энергосистеме. При планировании деятельности предприятий энергосистемы необходимо учитывать, что часть показателей носит прогнозный характер.

Режимы работы предприятий в энергосистеме взаимосвязаны единым графиком электрических нагрузок энергосистемы и определяются в результате оптимального распределения нагрузки между параллельно работающими в одной зоне нагрузки электростанциями, исходя из экономичности работы в целом.

Экономичное распределение нагрузки между работающими агрегатами, обеспечивающее минимальный расход тепла и топлива на электростанции и в энергосистеме, производится на основе метода удельных (относительных) приростов расхода тепла.

Для применения этого метода необходимо располагать энергетическими характеристиками агрегатов, устанавливающими зависимость расхода тепла от нагрузки агрегата.

Энергетическая характеристика отражает зависимость между входными, выходными параметрами и потерями. Существует три вида характеристик.

Абсолютные (расходные) характеристики.

Относительные характеристики.

Дифференциальные характеристики.

Абсолютные (расходные) характеристики показывают взаимосвязь между первичной и вторичной энергией. К ним относятся зависимости:

Расхода топлива электростанции от ее мощности

В ст = f (P ст)

Расхода топлива котла от его теплопроизводительности

В к = f (Q ч)

Расход тепла турбин в зависимости от ее электрической мощности

Q ч = f (P т)

Расходные характеристики в свою очередь подразделяются на весовые и энергетические .

Весовые характеристики:

для котла В к = f (D к), [т.н.т. / час]

для турбины D т = f (P т), [т пара / час].

Они используются для определения абсолютных значений расходов топлива, определения необходимой производственной мощности: соответствия производственной мощности котла и турбины.

2) Энергетические характеристики:

В т = f (Q к), [т.у.т. / час]

Q т = f (P т), [ГДж / час].

Относительные характеристики используются для расчета первичной энергии при заданных нагрузках. К ним относятся удельные расходы топлива и теплоты и КПД.

b уд = f (P ст)

η ст = f (P ст).

Удельные расходы характеризуют экономичность работы:

для котла

для турбин

для блока или электростанции

,

где В ч – часовой расход топлива котлом, тут/ч;

Q к – часовая производительность котла по теплоте, ГДж/ч;

Q т – расход пара турбиной, ГДж/ч;

Р т, Р – электрическая нагрузка турбоагрегата и электростанции, МВТ.

Дифференциальные характеристики используются для определения оптимальных режимов работы агрегатов; т.е. нахождения условий, при которых расход топлива, теплоты или себестоимости энергии будет минимальным при условии соблюдения графика нагрузки.

∂ В ст ∆ В ст

= f (P ст) = f (P ст).

∂ Р ст ∆ Р ст

Энергетические характеристики котлов. Расходные характеристики – это зависимости между количеством подводимого топлива и получаемой теплоты.

Составляются эти характеристики для установившегося режима и характерных условий эксплуатации, т.е. когда давление пара, температура питательной воды, вид топлива соответствуют нормам эксплуатации. Если при эксплуатации условия отличаются, то применяются нормы-поправки. Характеристики получают в результате испытаний котлов при разных тепловых нагрузках.

Расходные характеристики паровых котлов строятся на основе их тепловых балансов. Тепловой баланс может быть представлен в виде:

Q час к = Q 1 + ∆Q ,

где ∆Q = ∆Q 2 + ∆Q 3 + ∆Q 4 + ∆Q 5 + ∆Q 6 , ГДж/ч

где Q 1 – полезно используемое тепло;

∆Q 2 – потери тепла с уходящими газами;

∆Q 3 – потери тепла от химической неполноты сгорания;

∆Q 4 – потери тепла от механической неполноты сгорания;

∆Q 5 – потери тепла в окружающую среду от наружной поверхности агрегата;

∆Q 6 – потери тепла с физической теплотой шлаков.

Зависимость отдельных видов потерь от полезной нагрузки устанавливаются на основе испытаний парового котла (рис. 9.1).

Q 1 min Q 1 mах

Рис. 9.1. Зависимость отдельных видов потерь от полезной нагрузки.

Характеристики строятся в пределах от минимальной нагрузки до максимальной. Минимальная нагрузка – наименьшая нагрузка, с которой котел может работать длительно без нарушения циркуляции или процесса горения. Обычно Q 1min зависит от вида топлива и типа котла: для газа-мазута Q 1min = 30% Q ном; для твердого топлива Q 1min = 50% Q ном.

Расходная характеристика котла может быть представлена выражением (рис. 9.2):

В = 0,0342 (Q 1 + ∆Q ), тут/ч, где

где 29,3 – теплота сгорания 1 тут, ГДж.

Удельный расход топлива:

b уд = 0,0342 (1 + ∆Q / Q 1), тут/ГДж.

тут/час потери

полезная теплота

Q 1 , ГДж/час

Рис. 9.2. Расходная характеристика котла.

Характеристика относительных приростов расхода топлива котлом (дифференциальная характеристика) отражает изменение часового расхода топлива при повышении отдачи теплоты на 1 ГДж/ч.

r к = ;

d ∆Q

r к = 0,0342 1 + .

Следовательно, для определения r к надо найти производную потерь по полезной нагрузке. Это делается путем аналитического или графического дифференцирования.

Взаимосвязь между удельным расходом топлива b, относительным приростом расхода топлива r к и кпд η. Тангенс угла наклона расходной характеристики к оси Q в каждой точке соответствует удельному расходу топлива b = В /Q . Как видно из рис. 9.3. угол наклона кривой, а следовательно, и его тангенс сначала уменьшаются, а затем в какой-то момент времени начинают увеличиваться. Соответственно и удельный расход топлива при росте нагрузки сначала снижается (b а >b б > b г ), а затем вновь начинает возрастать (b б = b д ).

В , 1

тут/час 2

б ● г

а ● ●

Q , ГДж/час

η ●

● ● ●

Q , ГДж/час

Рис. 9.3. Взаимосвязь между удельным расходом топлива, относительным приростом расхода топлива и КПД котла.

В точке г удельный расход равен относительному приросту расхода топлива b = r к, т.к. луч совпадает с касательной, а относительный прирост расхода топлива численно равен тангенсу угла наклона касательной к энергетической характеристике. В этой же точке (г ) достигается минимум удельного расхода топлива (b ) и максимальное значение КПД:

Зоны I и III характеризуются снижением КПД и невыгодны для нормальной работы энергооборудования. Наиболее предпочтительна работа в зоне нагрузок II, что соответствует наиболее экономичной работе агрегатов, КПД близок к максимальному.

Расходные энергетические характеристики турбоагрегатов. Расходные характеристики паровых турбоагрегатов зависят от системы их регулирования и представляют собой выпуклые кривые или сочетания таких кривых (рис.9.4).

При возрастании нагрузки угол наклона касательной уменьшается. Это объясняется постепенным открытием дроссельного клапана, пропускающего пар в проточную часть турбины, и снижением потерь дросселирования.

QQ I+II+III Q

Р Р Р

r т r т r т

Р Р Р

Рис. 9.4. Расходные характеристики паровых турбоагрегатов: а) дроссельное регулирование, б) сопловое или клапанное регулирование, в) обводное регулирование.

Использование в практических расчетах криволинейных характеристик весьма сложно. Поэтому их заменяют прямолинейными (рис.9.5). Обычно проводят прямую через точки характеристики, соответствующие нагрузкам 50 и 100%.

Расходные характеристики таких турбоагрегатов могут быть описаны выражением вида:

Q ч = Q хх + Q наг = Q хх + r т *Р ,

где Q хх – расход теплоты на холостой ход агрегата, ГДж/ч;

r т – относительный прирост расхода теплоты турбоагрегатом, ГДж/(МВт*ч);

Р – текущая электрическая нагрузка турбоагрегата, МВт.

Например: для турбины К-300-240 расходная характеристика имеет вид:

Q ч = 158,8 + 7,68*Р , ГДж/ч.

Для увеличения пропуска пара через проточную часть турбин большой мощности применяется обводное регулирование, т.е. при больших нагрузках генератора пар пропускается непосредственно в одну из промежуточных ступеней (в обвод первых ступеней).

QQ

●Q наг ●

Q хх Q хх

50 100 Р ,% 50 100 Р,%

Рис. 9.5. Расходные характеристики паровых турбоагрегатов при замене криволинейных зависимостей прямолинейными

При обводном регулировании расходная характеристика представляет собой сочетание двух выпуклых кривых, из которых последняя имеет больший угол наклона (рис.9.6).

r т r т 2

Q перег

Q нагр

P min Р кр Р P m ах

Рис. 9.6. Расходная характеристика паровых турбоагрегатов при обводном регулировании

В зоне действия I клапана: ∆Q Q кр – Q min

tgα 1 = = = r т1

∆P Р кр – Р min

В зоне действия I и II клапанов: ∆Q Q mах - Q кр

tgα 2 = = = r т2

∆P Р mах – Р кр

Таким образом, при обводном регулировании меняется вид расходной характеристики, который можно описать уравнением:

Q ч = Q хх + r т1 *Р кр + r т2 * (Р – Р кр)

Задачам оптимизации управления системами электроснабжения уделяется пристальное внимание, начиная с момента появления первых автоматизированных систем проектирования и автоматизированных систем управления на основе компьютеров. Действующие программные системы позволяют проверять реальность и оптимальность проектных решений по отдельным энергетическим объектам, а также надежность функционирования работающей энергосистемы в целом путем решения конкретных технологических задач. Программное обеспечение используется также для сравнительного анализа разных стратегий проектирования, монтажа, оптимизации и эксплуатации при принятии решений на основании состояния и параметров режима электрической сети.

Основными элементами электрической сети являются силовые трансформаторы подстанций и линии электропередачи. Данные элементы в любом аналитическом или синтетическом программном продукте представляются своими математическими моделями. Из всего множества моделей в общем случае можно выделить два основных вида, используемых при решении поставленных задач:

1) Общепринятая графическая модель электрической схемы энергосистемы (включая силовые трансформаторы и ЛЭП);

2) Специализированные модели расчетных схем, описывающие схему электрической сети энергосистемы на уровне требований применяемых математических методов и конкретных технологических задач.

Задачи повышения энергоэффективности систем электроснабжения различных объектов требуют выполнения мероприятий, нередко связанных с инженерными расчетами. Инженерные расчеты в области энергосбережения являются трудоемким процессом. Принимая во внимание сложность и высокую стоимость выполнения таких работ, необходимость и полезность энергосберегающих мероприятий не всегда являются очевидными для руководства предприятий, организаций и учреждений.

Большая часть принимаемых решений строго регламентирована законами, руководящими указаниями и другими нормативными документами. Это дает возможность автоматизировать решения многих частных и комплексных задач, в том числе задач по повышению энергоэффективности эксплуатирующихся силовых трансформаторов.

На трансформаторных подстанциях устанавливаются, как правило, два силовых трансформатора. В зависимости от суммарной нагрузки подстанции в ненагруженные часы выгодно отключать один трансформатор. Такой режим работы следует считать мероприятием по энергосбережению, так как коэффициент полезного действия оставшегося в работе трансформатора приближается к максимальному значению.

Оптимальную нагрузку трансформатора S ОПТ, отвечающую максимально возможному коэффициенту полезного действия, можно найти по формуле :

где S НОМ - номинальная мощность трансформатора, кВ∙А; ΔP ХХ - потери холостого хода, кВт; ΔP КЗ - потери короткого замыкания, кВт.

Отношение оптимальной нагрузки трансформатора и его номинальной мощности является оптимальным коэффициентом загрузки трансформатора k З:

При пользовании формулами (1) и (2) коэффициент загрузки трансформаторов получается достаточно низким (в пределах 0,45÷0,55), так как трансформаторы выпускаются с соотношением потерь холостого хода и короткого замыкания в диапазоне 3,3÷5,0. Обычно в проектной практике пользуются максимальными значениями нагрузки, по которым определяется и загрузка трансформаторов. Коэффициент загрузки оказывается значительно ниже оптимального значения, поэтому находящиеся в настоящее время в эксплуатации силовые трансформаторы имеют низкую загрузку и многие из них работают в неоптимальном режиме.

Потери мощности в силовом трансформаторе определяют по формуле :

где U - фактическое напряжение на выводах обмотки высшего напряжения трансформатора, кВ; U НОМ - номинальное напряжение обмотки высшего напряжения, кВ.

Потери электроэнергии в силовом трансформаторе зависят от времени включения трансформатора, формы графика электрических нагрузок и определяются по формуле:

где Т ГОД - количество часов работы трансформатора в году, ч; τ - время наибольших потерь, определяемое по фактическому графику нагрузки или через справочное значение количества часов использования максимальной нагрузки, ч.

Минимум потерь энергии в трансформаторе в течение года будет при равенстве потерь энергии холостого хода и энергии короткого замыкания. Нагрузку трансформатора, учитывающую показатели графика электрической нагрузки Т ГОД, τ и отвечающую минимуму потерь электроэнергии можно найти с учетом (4) при U=U НОМ:

Проведены сравнительные расчеты по формулам (1) и (5) с учетом средних значений продолжительности использования максимума нагрузки в промышленности . Расчеты показали, что понижающие трансформаторы требуют более высокой загрузки, чем они имеют на практике.

В некоторых случаях может оказаться целесообразным отключение части трансформаторов, работающих на общую нагрузку S Н. Определим экономически выгодную нагрузку S ЭК,Δ P при работе, в пределах которой достигается максимально выгодная загрузка трансформаторов. При изменении нагрузки от нуля до S ЭК,Δ P целесообразна работа одного трансформатора, при нагрузке свыше S ЭК,Δ P , экономически выгодна работа двух трансформаторов. Нагрузка S ЭК,Δ P , при которой целесообразно отключать один из трансформаторов и обусловленная равенством потерь мощности при работе одного и двух трансформаторов определяется по формуле:

Нагрузку S ЭК,Δ W , обусловленную равенством потерь электроэнергии при работе одного и двух трансформаторов, предлагается, по аналогии с (6), определять с учетом времени включения трансформатора и формы графика электрических нагрузок по формуле:

На рисунке согласно уравнениям (3) и (4) представлены зависимости потерь мощности и электроэнергии в силовых трансформаторах двухтрансформаторной подстанции от мощности нагрузки на шинах низшего напряжения S Н.

Рис. - Определение экономической мощности трансформаторов по критериям

минимума потерь мощности и электроэнергии: ΔP 1 , ΔW 1 - потери мощности и энергии при работе одного трансформатора; ΔP 2 , ΔW 2 - потери мощности и энергии при работе двух трансформаторов.

Анализ зависимостей ΔP(S Н) и ΔW(S Н) показывает смещение экономической мощности в сторону ее увеличения при учете времени включения трансформатора и фактического графика электрических нагрузок. При расчетах S ЭК,Δ W по (7) увеличивается интервал экономической мощности. В этом случае увеличивается продолжительность работы подстанции с одним трансформатором при неравномерном графике нагрузки. Экономия достигается за счет отсутствия потерь холостого хода отключенного трансформатора.

Влияние фактического напряжения U на выводах трансформатора на потери мощности и энергии отражают формулы (3) и (4). С целью снижения потерь целесообразно установить такой режим трансформатора, при котором напряжение на обмотках высшего напряжения не будет превышать номинальное значение. Существенное снижение напряжения также недопустимо, поскольку может не обеспечить требования ГОСТ по отклонению напряжения у потребителя. Снижение напряжения на подстанциях приводит также к увеличению потерь электроэнергии в линиях электропередачи.

Следует отметить, что в рамках жизненного цикла силового трансформатора наблюдаются изменения магнитных свойств электротехнической стали и рост потерь холостого хода ΔP ХХ. При расчетах потерь электроэнергии в силовых трансформаторах рекомендуется использовать фактические значения потерь холостого хода, полученные путем измерений в условиях эксплуатации. Это в первую очередь относится к группам силовым трансформаторам, находящимся в длительной эксплуатации. Последние исследования показывают, что для силовых трансформаторов со сроком эксплуатации более двадцати лет паспортные потери холостого хода ΔP ХХ.ПАСП при расчетах должны быть увеличены на 1,75% за каждый год эксплуатации сверх 20 лет :

где T СЛ - срок эксплуатации трансформатора, лет.

Тогда с учетом (2), (4), (5) и (8) оптимальный коэффициент длительной загрузки силового трансформатора, находящегося в эксплуатации более 20 лет, должен определяться по формуле:

Очевидно, что отключение по экономическим соображениям части трансформаторов не должно отражаться на надежности электроснабжения потребителей. С этой целью выводимые из работы трансформаторы должны сопровождаться устройствами автоматического ввода резерва. Целесообразно автоматизировать операции отключения и включения трансформаторов. Для сокращения числа оперативных переключений частота вывода трансформаторов в резерв не должна превышать 2-3 раз в сутки. Кроме того, загрузка трансформаторов, определяемая по формулам (7) и (9) не должна превышать допустимые значения . Исходя из соотношения показателей экономичности и надежности, рассматриваемые в настоящей статье подходы, являются весьма актуальными для подстанций, имеющих сезонные колебания нагрузки.

Приведенные в настоящей статье положения по оптимизации режимов работы трансформаторов реализованы в виде программного обеспечения . Веб-сервис «Онлайн Электрик» позволяет руководителям предприятий и учреждений достаточно оперативно оценивать технико-экономические показатели мероприятий по повышению энергоэффективности работы трансформаторного оборудования и устанавливать их целесообразность, а энергоаудиторам - качественно дополнять и обосновывать энергетические паспорта зданий и сооружений в сокращенные сроки.

Реализация энергосберегающих мероприятий на трансформаторном оборудовании посредством ресурсов «Онлайн Электрик» имеет целый ряд преимуществ по сравнению с классическим решением подобных задач «вручную» или на программном обеспечении, устанавливаемом на персональных компьютерах, а именно:

1) не нужно приобретать и устанавливать прикладные программы на компьютер;

2) имеется возможность подключения к системе из любой точки планеты;

3) пользователю нет необходимости отслеживать и постоянно обновлять версии программного обеспечения;

4) отчеты с предоставлением используемых формул позволяют убедиться в достоверности расчетов.

Список используемых источников

1. Киреева, Э.А. Полный справочник по электрооборудованию и электротехнике (с примерами расчетов): справочное издание / Э.А. Киреева, С.Н. Шерстнев; под общ.ред. С.Н. Шерстнева.- 2-е изд., стер.- М.-: Кнорус, 2013.- 864 с.

2. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. - 4-е изд., перераб. и доп. - М. : ЭНАС, 2012. - 376 с. : ил.

3. ГОСТ 14209-97. Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов.- Введ. 2002.01.01.- Минск, 1998.

4. Коротков, А.В. Методы оценки и прогнозирования энергетической эффективности электротехнических комплексов городских распределительных сетей [Электронный ресурс]: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.09.03 / Коротков А.В.; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. - Электрон. текстовые дан. (1 файл: 283 Кб). - Санкт-Петербург, 2013. - Загл. с титул. экрана. - Электронная версия печатной публикации. - Свободный доступ из сети Интернет (чтение, печать, копирование). - Текстовый файл. - Adobe Acrobat Reader 7.0. - .

5. Онлайн Электрик: Интерактивные расчеты систем электроснабжения. - 2008 [Электронный ресурс]. Доступ для зарегистрированных пользователей. Дата обновления: 08.02.2015. - URL: http://www.online-electric.ru (дата обращения: 08.02.2015).