Оптимизация режимов работы ТЭЦ на основе маржинального подхода

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Филиал федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего образования
«Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском
Направление подготовки: теплоэнергетика и теплотехника, 13.04.01
Тема выпускной квалификационной работы магистра:
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЭЦ НА
ОСНОВЕ МАРЖИНАЛЬНОГО ПОДХОДА
Сделано студентом: Яковлева Е.Ю., МТЭ-24
Науч. руководитель: Султанов М.М., д.т.н., доцент
г. Волжский, 2026
Актуальность проблемы
Актуальность данной тематики вызвана изменением роли ТЭЦ в структуре
энергосистемы, работающих в условиях рыночного ценообразования. Для Волжской
ТЭЦ характерны глубокие ночные провалы электрической нагрузки, вынуждающие
эксплуатировать оборудование в граничных условиях, близких к техническому
минимуму. Эксплуатация в столь узком диапазоне (±2%) без четкого экономического
обоснования ведет к снижению маржинального дохода или прямым убыткам, что
требует разработки новой методики оптимизации, основанной не только на
технологических, но и на современных экономических критериях.
2
Цель работы
Целью работы является разработка
методики и алгоритма оптимизации
режимов работы Волжской ТЭЦ на
основе маржинального подхода для
максимизации
прибыли
при
функционировании в зоне технического
минимума нагрузок в периоды ночных
провалов.
Задачи работы:
▪
анализ технологических ограничений и
характеристик основного оборудования Волжской ТЭЦ
при глубокой разгрузке;
▪
адаптация методологии маржинального анализа к
условиям совместного производства тепловой и
электрической энергии на пониженных нагрузках;
▪
построение экономико-математической модели,
связывающей маржинальный доход с нагрузкой в крайне
узком диапазоне регулирования (±2% от техминимума);
▪
проведение многовариантных расчетов и
определение оптимального состава генерирующего
оборудования для характерных ночных провалов;
▪
технико-экономическое обоснование выбора
оптимального режима в сравнении с традиционными
методами загрузки.
3
Апробация
Результаты работ докладывались и обсуждались на конференциях:
XVII Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Россия молодая» Кемерово, 2025
VIII Всероссийская научно-практическая конференция обучающихся и преподавателей «Энергетика и автоматизация в
современном обществе»Санкт-Петербург, 2025
X открытая Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов с международным участием
«Технологии будущего» Москва, 2025
Публикации
Султанов М. М., Смирнов А. А., Жильцов Е. В., Яковлева Е. Ю. Повышение экономичности работы ТЭЦ на
балансирующем рынке за счет прогнозирования технико-экономических показателей // Известия высших учебных заведений.
Проблемы энергетики. — 2026. — Т. 28, № 1. — С. 118-130
Жильцов Е. В., Яковлева Е. Ю., Строков И. Н. Исследование влияния планово-предупредительных работ на повышение
эффективности эксплуатации оборудования // Россия молодая : сборник материалов XVII Всероссийской научно-практической
конференции с международным участием. — Кемерово, 2025. — С. 20810.1–20810.3.
Султанов М. М., Яковлева Е. Ю., Строков И. Н., Жильцов Е. В. Анализ методов повышения эффективности работы
ОРЭМ // Энергетика и автоматизация в современном обществе : материалы VIII Всероссийской научно-практической
конференции обучающихся и преподавателей. — Санкт-Петербург, 2025. — С. 51–56.
Строков И. Н., Яковлева Е. Ю., Жильцов Е. В., Султанов М. М. Модели повышения эффективности и оптимизации
загрузки энергооборудования ТЭЦ на балансирующем рынке на основе технико-экономических показателей // Технологии
будущего : сборник трудов X открытой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов с
международным участием. — Москва, 2025. — С. 58–67.
4
Объект исследования и его текущее состояние
Таблица 1 – Основные технико-экономические показатели Волжской ТЭЦ (2024 г.)
Показатель
Электрическая мощность:
Установленная электрическая мощность, МВт
Располагаемая электрическая мощность, МВт
Значение
Число часов использования УЭМ, час/год
Выработка электроэнергии:
2512,542
Всего выработка, млн кВт·ч
в т.ч. по теплофикационному циклу
Отпуск с шин, млн кВт·ч
Собственные нужды, млн кВт·ч
Удельный расход топлива:
УРУТ на отпущенную электроэнергию, г/кВт·ч
УРУТ на отпущенную тепловую энергию, кг/Гкал
1248,733
449,313
1080,097
168,637 (13,5%)
497
446,071
Показатель
Тепловая мощность:
Установленная тепловая мощность, Гкал/ч
Расчетная тепловая нагрузка на коллекторах,
Гкал/ч
Отпуск тепловой энергии, тыс. Гкал
Расход тепла на собственные нужды
Расход топлива:
Всего, тыс. т у.т.
на отпущенную электроэнергию
на отпущенную тепловую энергию
Средневзвешенная цена топлива, руб./т у.т.
Значение
1217
265,915
1169,577
212,107 тыс. Гкал
(18,1%)
693,224
460,749
232,475
5726,08
426,581
198,768
Таблица 2 – Динамика удельных расходов топлива на Волжской ТЭЦ (2020-2024 гг.)
Год
2020
2021
2022
2023
2024
УРУТ на электроэнергию, г/кВт·ч (факт)
334,74
390,58
415,70
426,58
426,58
УРУТ на теплоэнергию, кг/Гкал (факт)
163,37
162,74
163,75
168,26
198,77
Отклонение от нормы, %
5,2
7,8
9,4
11,2
12,0
5
Разработанная методика оптимизации
Математическая модель прогнозирования УРУТ
Формулировка целевой функции
Модификация целевой функции
6
Разработанная методика оптимизации
Определение ограничений
1. По составу оборудования
Выборка из архива только с тем же составом работающего
оборудования (например, 1К+2Т).
11
41
64 оптимальности режима
3. Критерии
Из выборки выбирается режим, минимизирующий:
bуэ​→min, bут​→min, Nсн→min
7
Разработанная методика оптимизации
Рис. 1 – Алгоритм ПРК определения часовых ТЭП ТЭЦ
8
Апробация методики и точность прогнозирования
Таблица 3 – Бенчмаркинг маржинальных показателей
Показатель
Cпред, руб./МВт·ч
МД, млн руб./год
КИУМ, %
Рентабельность, %
Волжская ТЭЦ
2603,5
-100,9
28,5
-3,1
Среднеотраслевое значение
2420,0
+245,0
42,3
8,4
Таблица 4 – Сравнение фактических и оптимизированных показателей работы
Волжской ТЭЦ
Показатель
Среднесуточный УРУТ, г/кВт·ч
Доля расхода на СН, %
Среднее отклонение от графика, %
Маржинальный доход, млн руб./сут
Погрешность прогнозирования УРУТ, %
Фактическое значение
471,85
19,3
+3,2
4,2
-
Расчёт по методике
448,63
14,1
-0,8
5,1
0,53
Отклонение, %
-4,9
-26,9
+21,4
-
9
Анализ полученных результатов
Таблица 7 - Статистические характеристики основных параметров за период исследования
Параметр
Активная мощность, МВт
Температура пара, °С
Давление в контуре, бар
КПД установки, %
Среднее значение
187,4
64,8
71,5
18,6
Стандартное отклонение
52,3
12,4
9,8
7,2
Мин.
74,1
35,2
41,3
-12,2
Макс.
322,1
111,2
109,7
32,9
Коэффициент вариации, %
27,9
19,1
13,7
38,7
500
0,6
490
0,4
0,2
480
0
470
-0,2
460
-0,4
-0,6
450
-0,8
440
-1
430
-1,2
Фактический УРУТ, г/кВт·ч
Прогнозный УРУТ, г/кВт·ч
Отклонение, %
Рис. 2 - Результаты верификации алгоритма прогнозирования
10
Анализ полученных результатов
Таблица 5 – Сравнительные характеристики сценариев загрузки оборудования
Параметр
Сценарий 1 (Штатный)
Состав оборудования
4 котла + 4 турбины
Выработка э/э, МВт·ч
Среднесуточный УРУТ,
г/кВт·ч
Отклонение от графика, %
Маржинальный доход, млн
руб./сут
Сценарий 3 (Минимизация
убытков)
Днём: 4К+4Т; Ночью: 1К+1Т
2989
471,85
Сценарий 2
(Оптимизированный)
1–2 котла + 1–2 турбины
(гибкий)
3015
448,63
+3,2
4,2
-0,8
5,1
-0,8
4,7
2915
454,27
Таблица 6 – Сравнение эффективности режимов в ночные часы (усреднённые данные за
декабрь 2024 г.)
Параметр
Состав оборудования
Выработка э/э, МВт·ч
Отклонение от графика, %
УРУТ, г/кВт·ч
Расход на СН, %
Чистая прибыль, тыс. руб./час
Штатный режим
4 котла + 4 турбины
245
+3,2
512
19,3
-18,5
Оптимизированный режим
1 котел + 1 турбина
242
-0,8
489
14,1
+4,2
11
Рисунок 3 − Экранная форма АРМ
«Расчёт параметров»
Рисунок 4 − Вкладка верификации
прогнозных моделей
Рисунок 5− Выходная форма результатов расчета технико-экономических показателей
12
Технико-экономическое обоснование предлагаемых решений
Таблица 7 – Структура годового экономического эффекта от внедрения методики
Компонент эффекта
Снижение топливных затрат
Механизм формирования
Оптимизация загрузки, минимизация УРУТ
Диапазон, млн руб./год
15–30
Рост маржинального дохода
Снижение операционных издержек
Снижение затрат на ремонты
Итого
Точное участие в БР, гибкое ценообразование
Автоматизация, минимизация ошибок
Управление ресурсом, предиктивное ТО
50–90
5–10
15–25
85–155
Таблица 8 – Структура капитальных затрат на внедрение методики
Статья затрат
Лицензии на ПО и разработка
ядра ПРК
Аппаратное обеспечение и
инфраструктура
Интеграция с существующими
системами
Пуско-наладка и обучение
персонала
Итого КАПЕКС
Ориентировочная стоимость, млн руб.
8–15
3–7
4–9
2–4
Комментарий
Приобретение лицензий на библиотеки машинного обучения (Scikitlearn, LightGBM), оплата услуг по разработке алгоритмов оптимизации
Серверное оборудование для расчётов, системы хранения данных,
резервирование
Разработка коннекторов к АСУ ТП, ПО КИСиРПК, коммерческим
системам (EMAS.TRADE)
Обучение диспетчеров, инженеров режимов, коммерческого блока;
пилотная эксплуатация
17–35
Простой срок окупаемости (РР):
Чистый дисконтированный доход (NPV):
13
Заключение
В магистерской диссертации проведен анализ оптимизации режимов работы ТЭЦ.
Выполнен патентный обзор.
Рассмотрены технико-экономические показатели Волжской ТЭЦ за 2020–2024 гг.,
структурные топливные затраты, динамика нагрузок и удельные расходы топлива.
Выявлены факторы, влияющие на рост расходов и снижение маржинального дохода.
Разработана методика оптимизации режимов работы ТЭЦ на основе маржинального
подхода, включающая модель прогнозирования УРУТ методом аналогов, двухэтапный
выбор режимов и комплекс ограничений. На примере Волжской ТЭЦ методика
апробирована с использованием почасовых данных.
Разработаны рекомендации по снижению удельных расходов топлива, оптимизации
нагрузки и участию в балансирующем рынке. Годовой экономический эффект от внедрения
методики составляет 85–155 млн рублей при сроке окупаемости 2–4 месяца.
14
Спасибо за внимание!