Рассмотрим критерии оптимизации энергетических режимов гидроэлектростанций. Работы по созданию методов оптимизации энергетических режимов ГЭС и их каскадов ведутся давно. По мере развития этих методов они ориентировались на использование различных критериев. Одним из первых и наиболее распространенных был метод оптимизации энергетических режимов ГЭС при их проектировании, нацеленный на обеспечение максимальной выработки электроэнергии при первоочередном удовлетворении требования системы по внутригодовому распределению гарантированной отдачи в маловодных условиях расчетной обеспеченности. Таким образом, оптимизация режима работы ГЭС опиралась на обеспечение двухрежимных требований энергосистемы:
- обеспечение заданного распределения гарантированной отдачи ГЭС в расчетных маловодных условиях, по которым определяется баланс мощности энергосистемы. При этом в расчетных маловодных условиях получение максимальной выработки энергии может не обеспечиваться;
- обеспечение максимальной величины среднемноголетней выработки энергии. Удовлетворение этого требования должно обеспечиваться за счет избыточного стока, превышающего гарантированный минимум, определенный указанным выше первым требованием.
Оба описанные требования базировались на следующих экономических соображениях: первое по своему смыслу должно было обеспечивать оптимальный размер вытеснения мощности тепловых электростанций в системе и тем самым экономию капиталовложений, второе — оптимальную экономию эксплуатационных затрат за счет снижения топливной составляющей. Отдавая предпочтение первому требованию, исходили из того, что экономия эксплуатационных расходов за счет дополнительной выработки энергии ГЭС не может перекрыть (с учетом нормативного коэффициента эффективности) той экономии в капитальных затратах, которая достигается в системе при вытеснении мощности тепловых электростанций.
В дальнейшем было доказано, что получение максимальной выработки электроэнергии на ГЭС не всегда ведет к максимальной экономии топлива в энергосистеме. В ряде случаев для конкретного состава генерирующих мощностей системы и условий покрытия графика нагрузки максимальная экономия топлива достигается при таком изменении режима работы ГЭС, который не соответствует максимальной выработке гидроэнергии.
В связи с этим было признано целесообразным, оставляя первое требование неизменным, в качестве второго критерия оптимизации принимать не максимум выработки электроэнергии, а минимум расхода топлива в системе или, точнее, минимум затрат на топливо. Учет этого фактора привел к существенному усложнению задачи. При ориентации на достижение максимума выработки гидроэнергии оптимизационные расчеты должны были учитывать только гидроэнергетическую составляющую системы. При ориентации на обеспечение минимума топливных затрат в оптимизацию должна включаться вся энергосистема, т. е. оптимизации должен подвергаться режим работы как гидравлических, так и тепловых электростанций с учетом возможностей их параллельной работы и, следовательно, с учетом оптимальных потоков мощности по межсистемным ЛЭП и сопутствующих им потерь энергии и мощности в сетях. В этих условиях экономическая оценка эксплуатационной составляющей затрат осуществляется наиболее строго.
Для определения исходного энергетического распределения гарантированной отдачи ГЭС в настоящее время существуют различные приемы. Однако эти приемы, как правило, исходят из простейших балансовых соображений, не обеспечивающих получение оптимальных решений. Кроме того, в процессе регулирования, как показывает опыт, обеспечение заданного энергетического режима гарантированной отдачи не всегда оказывается возможным. В большинстве случаев удается выдержать исходное распределение гарантированной отдачи лишь частично. При этом экономические последствия отступления от заданного энергетического распределения гарантированной отдачи при оптимизации режима регулирования речного стока не оцениваются, т. е. фактически оптимизация режима работы ГЭС в настоящее время производится по неполному экономическому критерию, отражающему только эксплуатационную составляющую затрат.
Это обстоятельство является существенным недостатком современных методов оптимизации энергетических режимов гидроузлов вообще, а комплексных гидроузлов в частности. В подавляющем большинстве случаев именно изменения требований неэнергетических водопользователей приводят к необходимости отступления от оптимального (с энергетической точки зрения) распределения гарантированной отдачи ГЭС, заложенного в проект развития энергосистемы. Так, например, изменения требований водного транспорта приводят к необходимости повышения расходов воды в реке в период навигации, что для энергетики означает ненужное увеличение гарантированной отдачи в летний период и снижение се в зимний. В целом это ведет к снижению мощностного эффекта ГЭС, который экономически может быть оценен при перспективном проектировании соответствующим ростом капиталовложений в тепловые станции, а при эксплуатации — ростом ущерба электропотребителей от вынужденных перебоев электроснабжения.
Сказанное свидетельствует о том, что экономический учет мощностного эффекта ГЭС при оптимизации энергетического режима водохранилищ следует считать обязательным- Соответственно одной из важнейших задач является отыскание путей получения экономической оценки влияния режима работы водохранилищ на объем капиталовложений в энергосистему и величину ущерба потребителей от вынужденных перебоев электроснабжения, которые могут иметь место в сбалансированной энергосистеме при снижении отдачи ГЭС ниже гарантированной величины.
Помимо уже отмечавшегося выше влияния режима водохранилищ ГЭС на величину суммарной выработки электроэнергии (и соответственно топливных затрат), а также на величину мощностного эффекта, необходимо учитывать и влияние режима водохранилищ на размер хранилищ топлива (складов угля, газо- и мазутохранилищ и т. п.), необходимых для обеспечения неравномерного режима топливопотребления электростанциями при практически равномерном режиме добычи топлива.
Применительно к электроэнергетике можно считать, что любому режиму работы ГЭС соответствует некий оптимальный размер суммарных приведенных затрат энергосистемы на топливо ЗТОпл, затрат на строительство и эксплуатацию электростанций Зст, ущерба потребителей от вынужденного недоотпуска электроэнергии Зущ, затрат на хранение топлива Зскл. Получение экономической оценки по всем указанным составляющим для любого режима работы ГЭС следует рассматривать в качестве необходимой основы для оптимизации энергетического режима работы ГЭС по условию
(4-1))
В результате оптимизации по указанному критерию может быть одновременно получена и искомая оценка экономической эффективности использования водохранилища ГЭС в энергетических целях. Такая оценка, по-видимому, может быть только относительной. Так, эффективность использования водохранилища для энергетических нужд в целом может быть получена путем сравнения указанной выше суммы затрат для случая, когда водохранилища на ГЭС нет (или оно не полностью используется), с затратами в том случае, когда водохранилище оптимально используется для нужд энергетики.
При включении любого участника водохозяйственного комплекса, требования которого противоречат нуждам энергетики и, следовательно, выступают в качестве ограничений энергетического использования водохранилищ, оценка суммарных затрат с учетом этих ограничений позволит определить экономический ущерб, наносимый энергетике, и, следовательно, оценить экономическую эффективность энергетического использования водохранилищ по сравнению с данным (или данными) неэнергетическим участником комплекса.
Перечисленные выше составляющие экономического критерия могут быть подразделены на две группы. К первой группе отнесены оценки, определение которых требует детерминированного задания исходной информации. Так, топливная составляющая затрат достаточно строго может быть определена при заданном составе и характеристиках источников генерирования электроэнергии и виде сжигаемого на них топлива, заданных характеристиках потребительской нагрузки. В этом случае расход топлива в системе и соответственно топливная составляющая затрат могут быть найдены для любого рассматриваемого промежутка времени при любой величине энергетической отдачи ГЭС на базе оптимального распределения нагрузки между электростанциями по известному методу относительных приростов или другому подходящему методу [Л. 72, 79].
Для получения подобной оценки существует немало программ, позволяющих получить ее с достаточной степенью точности как для условий эксплуатации, так и для условий перспективного проектирования. Трудности использования этих программ при оптимизации режима ГЭС возникают прежде всего в связи с чрезвычайно большим объемом вычислений. Действительно, при проведении расчетов оптимизации режима работы гидроэлектростанций используются достаточно длинные гидрологические ряды, обеспечивающие анализ режима работы ГЭС в самых различных условиях водности и их сочетаниях. Полная оптимизация режима работы энергосистемы для всех возможных реализаций режима ГЭС, по-видимому, в настоящее время невозможна. Поэтому представляется целесообразным использование специальных функций, определяющих связь между расходом топлива в системе (величиной топливных затрат) и размером отдачи гидроэлектростанций:
(4-2)
Разработка таких зависимостей, может быть, осуществлена для отдельных промежутков времени (в пределах периода оптимизации режима работы ГЭС) на базе достаточно детальных и строгих расчетов.
Аналогичным образом и в аналогичных детерминированных условиях может быть осуществлен учет ущерба в народном хозяйстве от вынужденного недоотпуска электроэнергии при изменении мощностного эффекта ГЭС. Как известно, снижение выработки энергии ГЭС ниже определенных пределов приводит к сокращению располагаемых резервов мощности и к соответственному росту вероятности ограничения потребителей в аварийных ситуациях. Более глубокое снижение отдачи ГЭС может привести и к прямому дефициту мощности и энергии в системе, сопровождающемуся дальнейшим ростом вероятностей аварийного ограничения потребителей электроэнергии. Связанный с этим ущерб потребителей электроэнергии может быть определен только методами теории вероятностей и включен в оценку в виде математического ожидания ущерба:
Разработка метода получения такой функции, алгоритма ее оценки и соответствующей программы для
ЦВМ представляется первоочередной задачей. Учет изменения затрат на складирование топлива, по-видимому, также должен осуществляться при условии заданного состава энергосистемы. Основное отличие в подходе к определению этой составляющей затрат от оценки затрат, рассмотренных выше, состоит в том, что они не могут быть выявлены на базе рассмотрения отдельных отрезков времени с последующим взвешиванием вероятностей и суммированием за расчетный интервал времени. Объем необходимого складирования (резервирования) топлива может определяться только на базе рассмотрения достаточно длительных периодов регулирования. Эта особенность оценки затрат на складирование топлива существенно осложняет проблему и требует специального исследования для разработки конкретных методических рекомендаций. По-видимому, для решения этой задачи потребуется проведение оптимизационных расчетов, если не будет найдено каких-то упрощенных практических рекомендаций.
Учет единовременных капитальных затрат, по-видимому, будет иметь значение только для расчетов по объектам перспективного строительства. Для условий эксплуатации то или иное изменение режима ГЭС не может быть компенсировано за счет капитального строительства, и ее мощностной эффект будет определяться только влиянием па надежность энергоснабжения и соответственно на величину ущерба потребителей от вынужденных перебоев электроснабжения.
Разумеется, указанная постановка задачи не является единственной. При наличии необходимых и сопоставимых экономических характеристик у неэнергетических участников водохозяйственного комплекса задача оптимизации режимов работы гидроузла могла бы быть поставлена более широко, как минимизация затрат по энергетической и водохозяйственной системам в целом. Однако постановка задачи в таком виде представляется в настоящее время исключительно трудной. Дело в том, что эффективность использования воды различными участниками водохозяйственного комплекса, как правило, трудно соизмерить. Причиной этого являются сложная физическая и экономическая структура водного хозяйства, длительность и неравномерность развития отдельных участников комплекса, часто совершенно несопоставимый характер приносимых ими эффектов для народного хозяйства [Л. 11]. Количественное значение ряда факторов, особенно для отдаленного будущего, не может быть установлено сколько-нибудь точно и может быть оценено лишь весьма приближенно. В области водного хозяйства весьма существенное значение имеют так называемые косвенные и сопряженные затраты, вторичные и неосязаемые доходы, эффекты в народном хозяйстве от создания инфраструктуры, от специализации новых районов и от улучшения экономической структуры старых районов, что приводит к увеличению темпов экономического роста страны и т. п. Ряд решений в водном хозяйстве может не иметь альтернативы и вынужден оцениваться по прямым (незамещающим) эффектам, часто имеющим лишь качественную характеристику (борьба с наводнениями, создание зон отдыха на воде и т. д.).
В свете сказанного создание общего критерия экономической эффективности в водном хозяйстве и соизмерение эффектов у разных потребителей представляется достаточно сложным. Однако в практике водохозяйственных расчетов с давних пор при отсутствии сопоставимых экономических характеристик используются нормативные показатели обеспеченности отдач, которые являются основанием для распределения ограниченных водных ресурсов в маловодных условиях. Иными словами, нормативные величины расчетной обеспеченности отдач в известной мере как бы определяют соотношение между эффективностью использования воды для разных целей в гарантированных условиях. Разумеется, непосредственное создание переходных коэффициентов от расчетной обеспеченности отдач к характеристикам, соизмеряющим эффективность использования воды различными участниками комплекса, достаточно сложно.
В настоящее время более правильным было бы, как это предложили С. Н. Крицкий, М. Ф. Менкель и А. Л. Великанов1, поставить вопрос о нормировании ущербов от недодачи воды отдельным водопотребителям и водопользователям в различных районах страны.
Кроме того, представляется интересным рассмотреть некоторые разработки в области оптимизации многокритериальных систем, сделанные в последнее время в новых разделах математики.
1 Великанов А. Л. Водохозяйственные системы и расчетная обеспеченность. — «Водные ресурсы», 1973, № 5.
Возможность их практического использования в водном хозяйстве подлежит исследованию в последующем.
Все сказанное не исключает и попыток отыскания прямым путем характеристик экономической эффективности использования водных ресурсов для разных целей (разновидностью этой характеристики, как указывалось, являются ущербы от недодачи воды тем или иным потребителям или ущербы от неоптимальных режимов ее использования у них).
Приведенный выше обзор методов п приемов экономической оценки и критериев оптимизации в водном хозяйстве и гидроэнергетике показывает сложность и недостаточную разработанность ряда вопросов. В то же время приведенный обзор показывает, что с тем или иным приближением в настоящее время имеются возможности проведения расчетов оптимизации режимов комплексных водохранилищ ГЭС, работающих в энергетических и водохозяйственных системах. В иллюстративных примерах следующей главы эти упрощения широко используются. А так как примеры эти взяты из проектной и эксплуатационной практики, то, видимо, можно считать, что в настоящее время имеются не только нерешенные задачи, но и приближенные методы, позволяющие делать практические оценки экономической эффективности использования водных ресурсов.
