Multicriteria evaluation of the comparative efficiency of generating equipment

Cover Page

Cite item

Abstract

Since energy systems operate in conditions of constant changes in the external environment and are complex organized systems, this leads to the need to make complex management decisions. To improve the efficiency of power facilities, an algorithm for the decision support system is proposed. The algorithm allows to optimize the work of energy enterprises, taking into account the peculiarities of the joint production of heat and electricity. The algorithm is based on the principle of a systematic approach to resource saving in energy production. To assess the comparative efficiency of equipment, a methodology was proposed that takes into account an expanded set of characteristics of the operation of power equipment using the DEA multi-criteria assessment method (Data Envelopment Analysis). Generalized criteria for the efficiency of the operation of power equipment were formulated, characterizing the efficiency, manufacturability and environmental friendliness of the operating modes of boilers. A global efficiency criterion has been formed that allows for a comprehensive assessment of the quality of equipment operation. The application of this technique is demonstrated on the example of the TP-230 boiler. The use of the DEA methodology makes it possible to optimize the choice of boiler operation modes, taking into account their actual state. The proposed decision support system algorithm can be used to analyze similar power facilities.

Full Text

Энергетические комплексы регионов – сложные развивающиеся системы, являющиеся основой для развития промышленности и обеспечивающие качество жизни людей.

В процессе перехода к рыночной экономике произошло снижение промышленной тепловой нагрузки теплоэлектроцентралей и, как следствие, изменение соотношения между постоянной годовой нагрузкой – выработкой промышленного пара и сезонной тепловой нагрузкой – выработкой тепла на отопление. Произошедшие изменения привели к снижению показателей эффективности работы энергообъектов, поскольку основное энергетическое оборудование начало работать в нерасчетных режимах [1–5].

Для повышения эффективности работы энергопроизводств необходим анализ комплексной эффективности котельного оборудования. Таким образом, актуальной является задача определения оптимальных режимов работы и выбора загрузки отдельных котельных агрегатов с учетом их фактического состояния.

В качестве объекта исследования рассматривалась одна из НкТЭЦ-1 Самарской области, входящая в состав ПАО «Т Плюс». Расчеты проводились на примере энергетического котла № 4 типа ТП-230.

Для повышения эффективности работы ТЭЦ предложен алгоритм работы СППР, детально представленный на рис. 1. Данный алгоритм работает на нижнем иерархическом уровне, на котором производится оптимизация работы энергетического оборудования конкретного энергетического предприятия [6].

 

Рис. 1. Алгоритм системы поддержки принятия решений по повышению эффективности функционирования энергопредприятия

 

Работа алгоритма СППР будет происходить в результате реализации следующих шести этапов. Рассмотрим этапы, входящие в алгоритм, более подробно.

  1. Целеполагание и выбор методов исследования.

На первом этапе алгоритма производится постановка цели исследования, осуществляется выбор методов исследования и основных параметров, характеризующих работу котельного оборудования, проводится структурный анализ энергетического предприятия.

Работа энергетического оборудования характеризуется более чем 50 показателями, из которых были выбраны в качестве основных следующие 8:

  • удельный расход топлива Gr;
  • удельный расход электроэнергии на тягу и дутье Этд;
  • температура уходящих газов tух.n;
  • отклонение от оптимального значения разряжения в топке котла ΔPn;
  • содержание оксидов азота в продуктах сгорания VNOxn;
  • содержание оксидов углерода в продуктах сгорания VCOxn;
  • содержание диоксидов углерода в продуктах сгорания VCO2xn;
  • КПД, ηn.
  1. Сбор, обработка и анализ статистических данных функционирования объекта.

При реализации данного этапа алгоритма происходит сбор и первичная обработка значений параметров системы контрольно-измерительных приборов (КИП), сравнение их с оптимальными, расчет и анализ выбранных на предыдущем этапе технико-экономических показателей (ТЭП) работы оборудования в реальном времени и формирование отчетов и режимных карт.

Полученные данные направляются во внешнюю систему сбора данных для выработки управленческих решений на уровне энергосистемы.

  1. Определение локальных критериев эффективности работы оборудования, формирование глобального критерия эффективности.

При выполнении данного этапа оценивается и сравнивается эффективность работы основного оборудования – котлов. Поскольку работа основного оборудования характеризуется большим количеством различных параметров, были сформированы обобщенные критерии экономичности, экологичности, технологичности работы оборудования и глобальный критерий эффективности, объединяющий предыдущие. В качестве входных параметров использовались ТЭП показатели, проанализированные на втором этапе.

Для определения критериев эффективности использовался метод многокритериального оценивания DEA, или «Анализ среды функционирования», позволяющий провести сравнительную оценку котлов [7–10].

Интегральный показатель сравнительной эффективности f возрастает при увеличении выходных величин Yk и уменьшении входных величин Xm. В качестве входов и выходов принимают различные характеристики деятельности объектов.

В общем случае оцениваемый объект характеризуется величиной обобщенного показателя эффективности fn

fn=maxuin,vnGu1nY1n+u2nY2n+...+uknYknv1nX1n+v2nX2n+...+vmnXmn (1)

при наличии ограничений:

u1nY11+u2nY21+...+uknYk1v1nX11+v2nX21+...+vmnXm11,u1nY12+u2nY22+...+uknYk2v1nX12+v2nX22+...+vmnXmn21,u1nY1N+u2nY2N+...+uknYkNv1nX1N+v2nX2N+...+vmnXmN1, (2)

где uin и vjn – неотрицательные весовые коэффициенты; i=1,2,...,k; j=1,2,...,m.

Методология DEA применяется для анализа производственной, экономической, технологической, логистической, социальной эффективности процессов и объектов, субъективность при формировании интегральных оценок эффективности минимальна, мнение исследователя влияет только на первоначальный выбор совокупности локальных критериев, которая уточняется по мере решения задачи математического программирования.

Сформируем обобщенные критерии эффективности и проведем их анализ, используя в качестве входных параметров основные показатели эффективности работы котельных установок, выбранные на первом этапе алгоритма, группируя их по принадлежности к выходным характеристикам: экономичности, экологичности и технологичности [11–13].

Если полученные результаты оценки различных режимов работы котла не позволяют выделить наиболее эффективные режимы, то в обобщенные и глобальный критерии вводится дополнительная информация и влияющие на производственную деятельность факторы.

Анализ эффективности котла по обобщенному критерию экономичности. В качестве локальных критериев для построения обобщенного критерия экономичности взяты КПД брутто котла, удельный расход топлива и удельный расход электроэнергии на тягу и дутье. Представим данный критерий в виде функционала:

fэкон=maxain,bjnGa1nηnb1nGrn+b2nЭтд, n=1,2,...,N, (3)

где N – количество состояний объекта; ainbjn и  – неотрицательные весовые коэффициенты.

Система ограничений, определяющая область весовых коэффициентов G:

a11η1b11Gr1+b21Этд11,a12η2b12Gr2+b22Этд21,...................................a1nηnb1nGrn+b2nЭтдn1. (4)

Анализ эффективности обобщенного критерия технологичности. Обобщенный критерий технологичности, учитывающий температуру уходящих газов и отклонение разряжения в топке котла от оптимального значения (20 кПа), сформирован следующим образом:

fтехн=maxcinG1c1ntухn+c2nΔPnn=1,2,...,N, (5)

где cin – неотрицательные весовые коэффициенты.

Система ограничений (4):

1c11tух1+с21ΔP11,1c12tух2+с22ΔP21,...................................1c1ntухn+с2nΔPn1. (6)

Анализ эффективности котла по обобщенному критерию экологичности. Обобщенный критерий экологичности примет вид:

fэкол=maxdinG1d1nVNOxn+d2nVCOn+d3nVСO2nn=1,2,...,N, (7)

где din – неотрицательные весовые коэффициенты.

Система ограничений для функционала (5):

1d11VNOx1+d21VCO1+d31VСO211,1d12VNOx2+d22VCO2+d32VСO221,...........................................................1d1nVNOxn+d2nVCOn+d3nVСO2n1. (8)

Анализ глобального критерия эффективности. Для формирования глобального критерия эффективности сравнительной совокупности объектов объединим полученные обобщенные критерии эффективности (3), (5), (7) [14, 15]:

f=maxai,bj,cj,djGa1nηnb1nGrn+b2nЭтд+c1ntухn+c2nΔP+d1nVNOxn+d2nVCOn+d3nVCO2n.

n=1,2,...,N. (9)

К весовым коэффициентам применяется система ограничений по аналогии с системами (4), (6), (8).

Анализ весовых коэффициентов показал, что температура уходящих газов, отклонение от оптимального значения разряжения в топке котла, содержание оксидов и диоксидов углерода в продуктах сгорания практически не оказывают влияния на глобальный критерий эффективности (9) для котла ТП-230. После корректировки состава глобальный критерий эффективности работы котла примет следующий вид:

fn=maxain,bjn,dknGa1nКПДnb1nGrn+b2nЭтдn+d3nNOXn, n=1,2,...,N, (10)

где ain, bjn, dkn – соответствующие неотрицательные весовые коэффициенты.

Система ограничений для функционала (10) примет вид:

u11КПД1v11Gr1+v21Этд1+v31NOX11,u12КПД2v12Gr2+v22Этд2+v32NOX21,.........................................................u1NКПДNv1NGrn+v2NЭтдn+v3nNOXn1. (11)

  1. Комплексная оценка сравнительной эффективности работы оборудования.

При реализации данного этапа алгоритма проводится анализ критериев эффективности работы основного оборудования, в результате которого формируется комплексная оценка работы основного оборудования с учетом всех выбранных частных показателей эффективности.

На рис. 2 представлены результаты расчета обобщенного критерия экономичности fэкон, определенные с помощью метода DEA по формулам (3), (4).

 

Рис. 2. Значения обобщенного критерия экономичности котла fэкон

 

Анализ показывает, что критерий fэкон находится в интервале от 0,542 до 1.

Режимы, при которых fэкон<0.7, считаются неэффективными. Обобщенный критерий экономичности показывает, что оптимальными являются режимы работы котла № 1–15, 17–18. При режимах работы № 16, 19–25 эксплуатация котла по экономичности считается неэффективной.

В результате анализа весовых коэффициентов частных критериев было определено, что наибольшее влияние на критерий экономичности оказали высокие значения удельного расхода газа и электроэнергии на тягу и дутье. Таким образом, можно сформулировать следующие направления повышения экономичности:

  • уменьшение удельного расхода электроэнергии на тягу и дутье;
  • понижение удельного расхода газа.

Снижения удельного расхода электроэнергии на тягу и дутье можно достичь применением регулируемых приводов – например, используя гидромуфты или частотно-регулируемый привод на блоках питательных и подпиточных насосов.

Понижения расхода газа можно добиться путем совершенствования горелочных устройств, устранения неплотностей в обшивке котла и газоходов.

Результаты расчетов обобщенного критерия технологичности fтехн (5), (6), приведены на рис. 3.

 

Рис. 3. Обобщенный параметр технологичности fтехн

 

Для эффективных режимов работы примем величину критерия технологичности выше 0,9. Минимальным значением критерия технологичности обладает режим № 23 fэкон=0,899.

Максимальное значение критерия технологичности наблюдается при режимах работы № 9 и № 13 как следствие минимального значения параметров: температуры уходящих газов и отклонения от оптимального значения разрежения в топке котла. Значительное снижение температуры уходящих газов может свидетельствовать о плохой герметичности котла и повышенных присосах, а рост разряжения в топке – о неудовлетворительной работе устройств, регулирующих работу дымососов.

Таким образом, рассматривая приемлемые результаты испытаний, можно проанализировать не только эффективность работы оборудования, но и качество проведенных ремонтов, после которых производились испытания оборудования.

На рис. 4 приведены значения обобщенного критерия экологичности fэкол для различных режимов работы котла ТП-230.

 

Рис. 4. Обобщенный параметр экологичности fэкол

 

Анализ обобщенного критерия технологичности показал, что технологическая эффективность во всем диапазоне нагрузок колеблется в интервале от 0,389 до 1.

Оптимальными по критерию экологичности являются режимы работы № 5, 7, 10–12, 15, 17, 19, имеющие значения показателя критерия экологичности в интервале 0,7fэкол1.

На величину критерия эффективности весьма сильно влияют состояние оборудования на момент проведения испытаний и качество проведенного ремонта.

Результатом использования скорректированного глобального критерия эффективности fn является комплексная оценка работы оборудования с учетом выбранных частных показателей эффективности (рис. 5).

 

Рис. 5. Глобальный критерий эффективности котла

 

Наибольший вклад относительно других характеристик работы теплового оборудования оказывает удельный расход газа. Вторым по значимости и влиянию на глобальный критерий является показатель, определяющий удельный расход электроэнергии на тягу и дутье. Таким образом, расчеты показали возможность эксплуатации исследуемого котла на всем диапазоне режимов работы, наиболее эффективными являются режимы работы № 1–9, 16–25, где значения глобального критерия достигают максимальных значений, близких к 1.

  1. Построение систем управления.

Для каждого предприятия на данном этапе строится алгоритм распределения нагрузки между котельными агрегатами на основе данных, полученных в результате многокритериального оценивания.

Построение алгоритма позволяет принимать математически обоснованные решения при выборе оптимальных режимов работы и использовать имеющееся оборудование максимально эффективно.

  1. Построение прогнозов и формирование рекомендаций по управлению.

При выполнении заключительного этапа алгоритма определяется экономическая эффективность мероприятий по изменению распределения нагрузки в котельной в соответствии с критериями эффективности, формируются рекомендации по управлению для лиц, принимающих решения; в частности, формируются направления, в первую очередь нуждающиеся в улучшении и ремонте.

Заключение

  1. Предложен алгоритм блока СППР, который позволяет на базе методов системного подхода проводить комплексный анализ деятельности энергосистем и оценку энергоэффективности их функционирования на уровне энергетических производств с учетом особенностей совместного производства тепловой и электрической энергии.
  2. Исследованы основные параметры, характеризующие работу котельного оборудования, разработаны обобщенные критерии, позволяющие проводить многокритериальную оценку эффективности основного оборудования, предложен алгоритм распределения нагрузки котельной, повышающий экономичность и технологичность ее работы.
  3. Разработанный алгоритм можно использовать для анализа энергоэффективности аналогичных энергообъектов.
×

About the authors

Lyaysan A. Sagitova

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: l0410@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0833-983X
SPIN-code: 5588-4106

assistant

Russian Federation, 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References

  1. Gavrilova A.A. Sistemnaya metodologiya analiza i modelirovaniya energoeffektivnosti generiruyushchih kompanij: monografiya. Samara: SamGTU; Nauchno-tekhnicheskij centr, 2021. 276 p.
  2. Diligenskij N.V., Gavrilova A.A., Capenko M.B. Postroenie i identifikaciya matematicheskih modelej proizvodstvennyh sistem: Uchebnoe posobie. Samara: Ofort, 2005. 126 pp.
  3. Gavrilova A.A., Kolmykov D.S., Alfeev A.A. Mnogokriterial'naya ocenka effektivnosti modernizacii generiruyushchego oborudovaniya regional'noj energosistemy // Vestnik SamGTU. Seriya: Tekhnicheskie nauki, 2006. № 44. Pp. 155–162.
  4. Diligenskij N.V., Gavrilova A.A., Salov A.G., Gavrilov V.K. Model'nyj analiz effektivnosti sovmestnogo proizvodstva teplovoj i elektricheskoj energii regional'noj energosistemoj // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij Severo-Kavkazskij region. Tekhnicheskie nauki. 2008. № 5(147). Pp. 37–40.
  5. Gavrilova A.A., Salov A.G., Gavrilov V.K. Kompleksnyj analiz rezhimov raboty osnovnogo oborudovaniya generiruyushchih predpriyatij i raskhodov elektricheskoj energii na sobstvennye nuzhdy // Vestnik SamGTU. Seriya: Tekhnicheskie nauki. 2008. № 2(22). Pp. 186–195.
  6. Sagitova L.A. Struktura algoritma sistemy podderzhki prinyatiya reshenij povysheniya energoef-fektivnosti regional'nogo energeticheskogo kompleksa // Infokommunikacionnye tekhnologii. 2021. Vol. 19, № 2. Pp. 256–262.
  7. Bafail A.O., Aal R.A., Karuvat S.A. A DEA Approach for Measuring Relative Performance of Saudi Banks // International DEA Symposium 2002 – Efficiency and Productivity Analysis in the 21st Century. Moscow, 2002. Pp. 40–52.
  8. Banker R.D., Charnes A., Cooper W.W. Some Models for Estimating Technical and Scale Efficiency in Data Envelopment Analysis // Omega, The International Journal of Management Science, 1984. Vol. 30, № 9. Pp. 1078–1092.
  9. Charnes A., Cooper W.W., Rhodes E. Measuring the Efficiency of Decision Making Units // European Journal of Operational Research. 1978. Vol. 2. Pp. 429–444.
  10. Zamkov O.O., Tolstopyatenko A.V., Cheremnyh Yu.N. Matematicheskie metody v ekonomike. M.: MGU, izdatel'stvo «DIS», 1997. 368 p.
  11. Salov A.G., Gavrilova A.A., Chirkova Yu.V., Sagitova L.A. Obobshchennaya ocenka sravnitel'noj effektivnosti raboty kotel'nogo oborudovaniya // Vestnik SGASU. Gradostroitel'stvo i arhitektura: nauchno-tekhnicheskij zhurnal, 2016. № 2. Pp. 140–146.
  12. Gavrilova A., Salov A., Sagitova L. System Analysis of the Effectiveness of Regional Energy System Management in the Conditions of Transformation // 2019 XXI International Conference Complex Systems: Control and Modeling Problems (CSCMP). 2019. Pp. 736–741. doi: 10.1109/CSCMP45713.2019.8976644. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/ 8976644 (accessed April 16, 2022).
  13. Gavrilova A.A., Salov A.G., Sagitova L.A. Assessment of the Efficiency of the Samara Region's Energy Complex Under Changing Conditions // 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). Vladivostok. 2020. Pp. 1–4. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/9271116 (accessed April 16, 2022).
  14. Sagitova L.A. Obobshchennaya ocenka raboty energeticheskogo oborudovaniya po ekonomicheskim kriteriyam // Radioelektronika, elektrotekhnika, energetika, XXI mezhd. nauch. konf., 2015, Vol. 3. Pp. 272.
  15. Posashkov M.V., Salov A.G., Nemchenko V.I. Reinzhiniring struktury upravleniya gazoraspredelitel'noj organizacii // Problemy ekonomiki i upravleniya neftegazovym kompleksom, 2014. № 1. Pp. 27–31.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Fig. 1. Algorithm of the decision support system to improve the efficiency of the energy enterprise

Download (414KB)
2. Fig. 2. Values of the generalized boiler efficiency criterion

Download (148KB)
3. Fig. 3. Generalized manufacturability parameter

Download (131KB)
4. Fig. 4. Generalized environmental parameter

Download (135KB)
5. Fig. 5. Global Boiler Efficiency Criterion

Download (141KB)

Copyright (c) 2022 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies