Українською | English

НАЗАДГОЛОВНА


УДК 332

 

О. О. Воронков,

Харківська національна академія міського господарства

 

УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ НА РЕГІОНАЛЬНИХ РИНКАХ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ

 

MANAGEMENT OF QUALITY HEAT SUPPLY ON REGIONAL MARKETS OF HEAT ENERGY

 

В статті розглянуто методичний підхід до управління якістю теплопостачання на регіональних ринках теплової енергії. Розглянуто модель управління якістю теплопостачання, що побудована на базі математичного апарату нечіткої логіки.

 

In the article the methodological approach to managing quality heat supply on regional markets of heat energy. A model of the quality control heat supply, that is based on mathematical of fuzzy logic.

 

Ключевые слова: економічність, якість, теплова енергія,нечітка логіка.

 

 

Введення. Зростання цін на природний газ провокує заклопотаність всіх шарів українського суспільства високої топліво- і енерговитратністю підприємств комунальної теплоенергетики. Зростання тарифів на послуги теплопостачання зіграло позитивну роль в зміцненні фінансово-економічного стану теплогенерірующих і мережевих підприємств, в яких підвищився рівень відшкодування виробничих витрат, що відносяться на собівартість продукції і послуг. В той же час, еластичність попиту на теплову енергію (ТЕ) в побутовому секторі залишилася дуже низькою, і жодного стримуючого впливу на інтенсивність теплоспоживання збільшені тарифи, по суті, не надали.

Багато експертів відзначають як серйозний недолік сучасних принципів управління якістю теплопостачання їх схильність перетопам [1, 2], під час яких спостерігається істотна перевитрата палива на джерелах теплопостачання, що приводить до помітного зростання витрат на виробництво ТЕ. Причиною цьому є не стільки небажання побутових споживачів економити, скільки технічна непідготовленість систем централізованого теплопостачання (СЦТ) до втручання споживачів в режими її функціонування. Загальновідомо, що крупні СЦТ, сформовані за радянських часів на базі районних котельних і опалювальних ТЕЦ, дуже чутливі до зміни гідравлічного стану розгалуженій тепломережі. Це є серйозною перешкодою до масового впровадження локальних систем регулювання теплоспоживання, за допомогою якого споживачі могли б самостійно управляти якістю і вартістю послуги теплопостачання.

У цих умовах вся відповідальність за економічність роботи СЦТ має бути покладена на оперативно-диспетчерський персонал (ОДП), що здійснює первинне і вторинне регулювання режимів теплоспоживання в побутовому секторі, а також на органи управління.

На жаль, цій найважливішій проблемі у нас приділяється украй мало уваги. Всупереч появі нових методичних підходів, що дозволяють інтегрувати економічні критерії в алгоритми управління відпусткою тепла від крупних джерел СЦТ, нормативна база, що регламентує процес ухвалення рішень ОДП, залишається колишньою, ігноруючи реальні проблеми що існують на ринках теплової енергії.

Перша хвиля пропозицій [3, 4, 5] по включенню економічних міркувань в процес призначення добових завдань теплогенерірующих підприємств по виробленню ТЕ ігнорувала реальні пропорції між надлишковим вжитком електричної енергії в побуті (під надлишковим розуміється електровжиток винятково в цілях комфортного опалювання і нагріву води для господарчо-побутових потреб) і що спровокував його недостатньою кількістю ТЕ від теплогенерірующих підприємств. Загальноприйняті у той час уявлення про найкращі режими функціонування комплексу комунального енергопостачання базувалися на переконаності, що використання електроенергії – навіть як замикаючого енергоносія – для задоволення попиту на тепло є недозволеною розкішшю, і тому опалювати житлові масиви потрібно так, щоб мінімізувати надлишкову компоненту в електровжитку. Останню, пропонувалося контролювати на фідерах знижуючих електричних підстанцій, через які здійснюється електропостачання житлових масивів.

Хоча така точка зору, що бере до уваги величезну різницю в питомих витратах палива на вироблення одиниці теплової і одиниці електричної енергії, і не була позбавлена здорового глузду, проте, вже через дуже нетривалий час вона піддалася коректуванню. Зокрема, як оптимальні запропоновано було рахувати такі режими відпустки тепла, які забезпечувало б мінімізацію суспільних витрат на енергопостачання населення під час опалювального сезону [6], що включають поряд з витратами на теплопостачання додаткові витрати на електро- і газопостачання. Такий підхід вже виходив з можливості і доцільності заміщення ТЕ, що виробляється на котельній або ТЕЦ, тепловою енергією, отриманою в домашніх умовах шляхом конвертації електричної енергії або природного «варильного» газу в тепло. В той же час, він як і раніше ігнорував обмежені можливості населення компенсувати недовідпуск ТЕ від ТЕЦ шляхом включення електрообігрівачів із-за низької насиченості домашніх господарств цими приладами.

Якісний стрибок в уявленнях про те, в якому напрямі слід шукати компроміс між якістю і економічністю теплопостачання як комунальної послуги, удалося досягти після того, як був усвідомлений сигнальний характер електричного дотопу, і був сформульований принцип нормування якості теплопостачання по величині питомого надлишкового електровживання житловими масивами, розташованими в тепловому районі джерела СЦТ [7]. Цей принцип дозволив поставити питання про контрольоване зниження якості теплопостачання з рівня «відмінне» до рівня «задовільне», при якому основне ядро популяції споживачів – не менше 80 % (відповідно до міжнародних норм) – задовольнялося б тим мікрокліматом, який забезпечується зусиллями лише СЦТ, і не удавалося до електроопалювання навіть у формі комфортного дотопа.

Алгоритмічній підтримці режимів відпустки ТЕ присвячена обширна монографія [8]. У ній представлені всілякі підходи до призначення добового завдання для ТЕЦ по виробленню ТЕ як в рамках сталої практики управління по обурюючій дії (зовнішній температурі), так і в рамках концепції замкнутого управління по сигналах зворотної.

Завершуючи побіжний огляд еволюції уявлень про те, як повинна працювати СЦТ в сучасних умовах, відзначимо ще одну ключову роботу – [9], в якій вперше було запропоновано зв'язати якість теплопостачання з повнотою оплати побутовими споживачами рахунків, виставлених їм компанією, яка постачає теплову енергію.

Ціллю даної статті є описання засад методичного підходу до управління якістю теплопостачання на регіональних ринках теплової енергії, який базується на принципах ув'язаного споживання теплової та електричної енергії, а також синтез нечіткого логічного регулятора (НЛР), який інтегрує організаційно-економічні и технологічні критерії управління якістю теплопостачання.

Основні результати. Неоднозначність планування певного обсягу добового теплоспоживання дозволяє ставити питання про вибір на множині припустимих планів одного найкращого, який забезпечуватиме компромісну якість опалення житлового фонду, враховуючи економічні та технологічні особливості роботи підприємств комунальної теплоенергетики.

У той самий час, якщо намагатися порівнювати ці самі дві категорії в економічному аспекті, не можна не помітити їх нерівнозначущості. «Добовий обсяг відпуску тепла» від джерела СЦТ – це добовий обсяг продажу споживачам певної кількості товару, який має свою ціну. В цьому смислі добовий відпуск тепла цілком підходить на роль звичайного економічного індикатору, що характеризує поточний стан ринку. Споживачеві більш-менш зрозуміло, про що йде мова, коли йому пропонують заплатити за спожиті гігакалорії, але йому нічого не говорять ані температура, ані витрати теплоносія, ані сукупність цих параметрів.

Перший висновок, який можна зробити з цих міркувань, це те, що процес ринкового реформування теплопостачання повинен супроводжуватися впровадженням у практику технологічного управління генеруючими та мережними підприємствами економічних категорій, які були б не тільки зрозумілі споживачам, але й зручні для налагодження та проведення короткострокових розрахунків з ними за відпущену продукцію. На базі цих категорій повинна бути розроблена нова мова спілкування постачальника теплової енергії із споживачами, яка акцентувала би увагу з обох боків на економічному характері їх стосунків, на необхідності виконання ними взаємних зобов'язань, та сприяла би зміцненню розуміння регіональної спільнотою внутрішньої логіки планування режимів опалення житлового фонду регіональної системою теплопостачання на коротких проміжках часу – добі.

Базовими категоріями цієї нової мови, на наш погляд, повинні стати:

1. період тарифікації послуг РСТ з гарячим водопостачанням – тепла половина року;

2. період тарифікації усього комплексу послуг РСТ – опалювальний сезон;

3. розрахунковий період – доба;

4. тепловий район джерела РСТ – житлові масиви міста, які одержують теплову енергію безпосередньо від джерела;

5. прямі договори – договори на постачання теплової енергії, які укладені між теплогенеруючим підприємством та побутовими споживачами, що проживають у його тепловому районі;

6. територіальний сегмент теплового району – житлові масиви, які одержують теплову енергію від джерела СЦТ через спільну паралельну гілку магістральної тепломережі;

7. компромісна якість теплопостачання – рівень якості теплопостачання, при якому 80 % побутових споживачів задоволено мікрокліматичними умовами у квартирах;

8. добова потреба теплового району джерела СЦТ (або його окремих територіальних сегментів) у тепловій енергії – структурована в розрізі «теплова енергія на потреби гарячого водопостачання – теплова енергія на потреби опалювання» – кількість теплової енергії, яка повинна бути відпущеною від джерела СЦТ у магістральну тепломережу протягом найближчої доби, щоб забезпечити компромісну якість теплопостачання;

9. добова потреба теплового району джерела СЦТ в електричній енергії – структурована в розрізі «електрична енергія на звичайні побутові потреби – електрична енергія на потреби опалювання» прогнозована кількість електричної енергії, яка буде спожита протягом найближчої доби побутовими споживачами, підключеними до джерела СЦТ;

10.  повнота оплати побутовими споживачами, що населяють окремий територіальний сегмент, рахунків за теплову енергію, відпущену їм впродовж останнього місяця (виходячи з обсягів, що не перевищують розрахункову добову потребу);

11.  повнота задоволення потреби у тепловій енергії в останньому з розрахункових періодів, що завершилися, окремо за кожним територіальним сегментом та за кожним видом послуг;

12.  регулярність перерахунку платежів відповідно до реальної якості наданих послуг;

13.  заплановані обмеження на якість послуг СЦТ – зниження добових обсягів відпуску тепла на опалення (відповідно до потреби) або обмеження подачі гарячої води споживачам на окремих часових інтервалах найближчої доби;

14.  аварійна броня – мінімальний добовий обсяг відпуску теплової енергії на опалення, що забезпечує циркуляцію теплоносія з температурою, за якою виключається можливість розмерзання тепломережі в очікуваних погодних умовах;

15.  інформаційна відкритість СЦТ – політика теплопостачальної компанії, спрямована на встановлення прозорих відносин із споживачами, зміцнення платіжної дисципліни та, зрештою, конкурентоспроможності СЦТ.

Вже з короткої характеристики категорій, що описують нову систему відносин "теплопостачальна компанія – побутові споживачі", стає зрозумілим, що мова йде про посилення взаємної відповідальності сторін за забезпечення якісної та економічної роботи СЦТ, як того вимагає Закон України «Про теплопостачання». Певні з них вступають в очевидну суперечність з вчорашньою та сьогоднішньою практикою, порушуючи звичний компроміс у співвідношенні надійності, якості та економічності теплопостачання. Підсилюючи вимоги щодо економічності, нова організаційно-економічна система управління припускає послаблення надійності та погіршення якості теплопостачання (рис. 1). Це здається цілком природнім, принаймні, на перших етапах її впровадження, поки не відбудеться перебудова і в уявленнях побутових споживачів, наскільки важливо оплачувати надані їм послуги у повному обсязі, і в розумінні менеджменту теплопостачальних компаній того, що при такій дорожнечі палива неприпустимі не лише «технічні» перепали, що ідентифікуються за перевищенням внутрішньою температурою в опалюваних будівлях комфортного рівня, але й «економічні» перепали, під якими ми розуміємо тривале перевищення якістю теплопостачання економічно обґрунтованого або, інакше кажучи, підтвердженого оплатою споживачів рівня.

 

 

Рис. 1. Система суперечливих вимог до СЦТ

 

Зрозуміло, що нова система організаційно-економічного управління СЦТ передбачає наявність автоматизованої системи технологічного управління відпуском тепла, за допомогою якої можна оперативно контролювати якість теплопостачання та управляти її рівнем, не допускаючи перепалів. Метою цього підрозділу є визначення реальної потреби споживачів в тепловій енергії, задовольнивши яку, можна забезпечити компромісну якість теплопостачання.

Істотною обставиною є придатність зазначеного принципу для побудови як ретроспективних, так і перспективних (прогностичних) оцінок якості теплопостачання житлових масивів. При ретроспективному аналізі якість оцінюють шляхом порівняння фактичного значення добового електроспоживання з діапазонами, поданими у табл. 1. Ця сама шкала градацій якості використовується для побудови перспективних оцінок, але тоді використовують не фактичне, а прогнозоване значення електроспоживання на найближчу добу.

 

Таблиця 1. Шкала оцінки якості теплопостачання теплового району Харківської ТЕЦ-5 за добовим обсягом електроспоживання Олексіївським житловим масивом (період зимового сонцестояння)

Оцінка якості  теплопостачання

Діапазон змінювання добового електроспоживання,

 МВт×год/доб

Надмірна (перепал)

до 350

Добра (компроміс)

350 – 400

Задовільна (недопал)

400 – 450

Незадовільна

понад 450

 

У роботах [9, 10, 11] на прикладі Олексіївського житлового масиву Харкова (це є крупний, близько 25%, територіальний сегмент теплового району Харківської ТЕЦ-5) розроблено кілька варіантів моделі зв’язного споживання електрики та тепла в побутовому секторі. Але ці моделі є дуже складними для впровадження в роботу ОДП, оскільки вони синтезовані на базі нейромережевих технологій, для роботи з якими необхідна підготовка висококваліфікованих спеціалістів, оскільки інтерпретація результатів моделювання є дуже складною.

З метою удосконалення отриманого досвіду в сфері управління якістю теплопостачання житлових масивів розроблено прогностична модель комбінованого електротеплоспоживання (ПМКЕТС). Структура цієї моделі, реалізованої у пакеті MatLab (у середовищі додатку Simulink). При її синтезі ми спиралися на досвід, набутий при синтезі нейромережевих моделей – однокрокових предикторів динамічних об’єктів, викладений у [12].

На підставі отриманих за допомогою ПМКЕТС прогнозних значень електроспоживання на опалення побудована шкала оцінки якості теплопостачання теплового району Харківської ТЕЦ-5 за добовим обсягом електроспоживання на опалення Олексіївським житловим масивом (табл. 2).

 

Таблиця 2. Шкала оцінки якості теплопостачання теплового району Харківської ТЕЦ-5 за добовим обсягом електроспоживання на опалення Олексіївським житловим масивом

Оцінка якості  теплопостачання

Діапазон змінювання величини  добового споживання електричної енергії на опалювання, МВт×год / доб.

Надмірна (перепал)

до 50

Добра (компроміс)

50 – 100

Задовільна (недопал)

100 – 150

Незадовільна

понад 150

 

Необхідно відзначити наступне:

– у разі, коли прогнозоване електроспоживання на опалення не перевершує 50 МВт год/доб., очікувану якість теплопостачання можна охарактеризувати як надмірну;

– якщо прогнозоване електроспоживання на опалення складає 50–100 МВт×год/доб, очікувану якість теплопостачання можна охарактеризувати як добру;

– якщо прогнозоване електроспоживання на опалення знаходиться в діапазоні 100–150 МВт×год, очікувану якість теплопостачання можна охарактеризувати як задовільну.

Цільовим діапазоном якості теплопостачання умовимось приймати той, що заслуговує оцінки «добре». З одного боку, він забезпечує істотну економію палива в процесі виробництва теплової енергії, а з іншого боку гарантує задоволення якістю у понад 80% споживачів. Поєднання вказаних обставин дозволяє говорити, що цей діапазон є бажаним компромісом, який гармонізує суперечливі вимоги економічності та якості, що одночасно пред'являються до послуг регіональної системи теплопостачання.

Логічним наслідком розглянутої логіки міркувань є алгоритм управління якістю теплопостачання, що використовує як сигнал зворотного зв'язку рівень електроспоживання на опалення житлових масивів, розташованих в тепловому районі джерела теплової енергії. Основну ідею управління можна охарактеризувати так: залежно від фактичної або прогнозованої якості теплопостачання добовий відпуск тепла від джерела теплової енергії потрібно збільшувати/зменшувати так, щоб якість теплопостачання стабілізувалася на «доброму» рівні. Ця вимога еквівалентна вимозі приналежності електроспоживання на опалення (на етапі планування режиму відпуску тепла – прогнозованого, при реалізації режиму – фактичного) діапазону 50-100 МВт год/доб. Іншими словами, нас влаштовує будь-який алгоритм управління, що забезпечить стабілізацію якості теплопостачання на рівні «добра» за будь-які зміни зовнішньої температури, властиві клімату Харківського регіону.

Зазначений підхід добре узгоджується з логічною системою обробки інформації «нечітка логіка» (fuzzy logic), що застосовується у нечітких логічних регуляторах (НЛР). Нечітка логіка має переваги порівняно з класичними методами управління, такими, наприклад, як ПІД-