АКТУАЛЬНОСТЬ
СИСТЕМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Ко второй половине 50-х годов в бывшем СССР, как и в других
экономически развитых странах, в энергетике сложилась
принципиально новая ситуация, связанная с созданием крупных,
территориально распределенных протяженных систем энергетики --
электроэнергетических, газо-, нефте- и нефтепродуктоснабжающих и
других. Вследствие взаимосвязи и взаимовлияния систем энергетики
сформировался топливно-энергетический комплекс (ТЭК) как один из
базовых комплексов экономики страны.
Возникла объективная необходимость в комплексных
междисциплинарных исследованиях системных проблем развития и
функционирования систем энергетики и ТЭК в целом, имеющих
фундаментальный характер.
В самом деле, мы изучаем энергетические технологии и процессы, на
основе фундаментальных результатов этих исследований создаются
новые эффективные энергетические установки и объекты.
Энергетические объекты объединяются в системы энергетики, и вот
тут-то появляется новое качество -- возникают новые, ранее
неизвестные системные свойства, которые существенным образом
определяют развитие и функционирование систем энергетики. Поэтому
новые, системные свойства необходимо выявлять и исследовать, а
для придания системам энергетики необходимых качеств требуется
использовать управление в широком смысле данного понятия. Такова
основная суть системных энергетических исследований как одного из
направлений фундаментальной энергетической науки.
Основы методологии системных исследований заложены одноименной
книгой академика Л.Мелентьева, основателя (в 1960 г.) Сибирского
энергетического института СО РАН (в 1997 г. Постановлением
Президиума СО РАН институт переименован, и сейчас это Институт
систем энергетики им. Л.А.Мелентьева), претерпевшей два издания
-- в 1979 и 1983 гг. За нее Льву Александровичу в 1981 г. была
присуждена премия им. Г.М.Кржижановского Академии наук.
Принципиальные результаты института в этой области за почти
30-летнюю его историю обобщены в трехтомной монографии, вышедшей
в 1986--1988 гг.
О высоком уровне результатов свидетельствуют Государственная
премия СССР 1986 г. в области науки и техники и пять премий им.
Г.М.Кржижановского Академии наук в разные годы.
Экономические и социально-политические условия, в которых
находится энергетика России в последние годы, существенно
активизировали развитие методических основ системных исследований
в энергетике. Новые фундаментальные результаты получены в части
теоретических основ системных энергетических исследований.
Существенно развит раздел управления системами энергетики, в
основном за счет учета принципиально новых, прежде всего
рыночных, экономических подходов и механизмов управления.
Полностью обновлен раздел энергетической политики России и ее
регионов. Таким образом, структуризация системных энергетических
исследований в виде трех разделов, введенная Л.Мелентьевым,
сохранилась, а содержание разделов изменилось, что отражено
на рисунке.
Приведу в качестве иллюстрации лишь некоторые существенные
фундаментальные результаты института за последние 5--6 лет,
развивающие теорию системных энергетических исследований.
Проблема так называемых "слабых мест" в сложных протяженных
электроэнергетических системах (ЭЭС). Она вызывается
неоднородностью структуры таких систем. По слабым местам может
нарушаться устойчивость систем, в них происходят такие фатальные
явления, как лавина напряжения -- они обычно виновны в
возникновении и развитии крупных системных аварий с тяжелыми
последствиями для системы и потребителей.
Осознание таких явлений позволило объяснить свойства и поведение
сложных ЭЭС с неоднородной структурой. Потребовалось ввести такое
новое понятие, как сенсоры -- элементы системы, параметры режима
которых наиболее чувствительны к возмущениям. Для выявления
сенсоров и слабых мест разработан необходимый математический
аппарат.
Эти фундаментальные теоретические результаты стали принципиально
новой методической основой для решения целого ряда важных
практических проблем функционирования и развития ЭЭС. Важно также
отметить, что разработанная методология применима и к другим
сложным системам энергетики.
Следующая проблема связана с качеством электроэнергии, а именно
-- с возникновением высших гармоник в синусоиде переменного тока.
Об их существовании известно давно, но не было достаточно
конструктивных способов анализа и борьбы с ними. В институте
разработана теория этих явлений, позволяющая выявлять конкретных
виновников ухудшения качества электроэнергии (конкретные
потребители, система), их количественный вклад в искажение
синусоиды, выяснены механизмы поглощения этих искажений с помощью
специальных устройств. Все это дает возможность обоснованно
рекомендовать определенные мероприятия по улучшению режимов ЭЭС,
связанных с высшими гармониками.
Исследования в области равновесной термодинамики, связанные с
решением фундаментальной проблемы поиска зон термодинамической
доступности и частичных равновесий в гетерогенных
физико-химических системах. Эти исследования опираются на
классические труды Гиббса, Эйнштейна, Ландау и труды современных
российских ученых. Принципиально новое рассмотрение
термодинамических моделей в виде задач математического
программирования, разработанное в институте, значительно
расширяет область приложений классической термодинамики. Эти
модели нашли широкое применение при анализе процессов загрязнения
атмосферы, исследовании экологических характеристик процессов
горения топлив и очистки дымовых газов и в ряде других задач.
В развитие общей теории гидравлических цепей, созданной в
институте профессором В.Хасилевым и членом-корреспондентом РАН
А.Меренковым, применительно к гидравлическим системам с векторным
(многокомпонентным) составом потоков на отдельных ветвях схем,
сформированы основные положения теории гетерогенных
гидравлических цепей. Главные полученные результаты: обоснована
эффективность описания потокораспределения в гетерогенных цепях
на основе экстремальных термодинамических моделей и составлены
такие модели; выведены замыкающие соотношения для
конденсирующихся идеального и реального газов, химически
реагирующих потоков, нестационарных потоков; создана модель
экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) для описания сложных
пространственных структур; разработан вычислительный алгоритм,
основанный на итеративном использовании алгоритмов расчета цепей
с сосредоточенными параметрами и МЭПС.
Актуальность данного направления определяется потребностями в
решении ряда теоретических и прикладных задач, например: анализа
отложений тяжелых углеводородов в системах транспорта нефти и
газа; расчета схем движения энергоносителей в энергетических
установках со сложными по составу потоками; оценки концентраций
вредных веществ в системах вентиляции и кондиционирования
воздуха; гидравлических расчетов химических реакторов;
исследования поведения антропогенных выбросов в атмосфере и др.
Развивая теорию надежности систем энергетики, разработанную
академиком Ю.Руденко и его научной школой, в последние 4 года
институт сформировал новое научное направление, связанное с
энергетической безопасностью России и ее регионов. Энергетическая
безопасность -- одна из важнейших составляющих национальной
безопасности, определяется степенью бесперебойности
энергоснабжения, доступности топливно-энергетических ресурсов,
обеспеченности их запасов и рядом других аспектов. Важно
подчеркнуть, что речь идет не только о традиционных для
надежности техногенных и природных факторах дестабилизации
энергоснабжения, но также и об угрозах экономического,
социально-политического, внешнеэкономического и
внешнеполитического происхождения, как никогда существенных в
настоящее время, особенно для некоторых регионов.
Важно было не только разобраться в сути данной проблемы, но и
определить, какими показателями (или, как говорят, индикаторами)
следует измерять уровень энергетической безопасности, как
оценивать их текущие значения. А для этого нужны соответствующие
модели. Важно также уметь определять так называемые пороговые
значения индикаторов, ниже которых они по вполне определенным
требования не должны опускаться. Все это дает возможность
сформировать систему мониторинга энергетической безопасности.
Чрезвычайно важен раздел системных энергетических исследований,
связанный с управлением системами энергетики. Достаточно хорошо
известно, что эффективное управление существенно улучшает
свойства и поведение объекта управления, снижает его
восприимчивость к возмущениям внешнего и внутреннего
происхождения. И наоборот, плохое, неэффективное управление
способно существенно ухудшить свойства и даже вызвать деградацию
объекта управления. Определенные тенденции деградации,
наблюдающиеся в последнее время в энергетике (старение
оборудования, недостаточность инвестиций в его обновление,
снижение надежности топливо- и энергоснабжения потребителей и
др.) имеют в качестве основной причины именно неэффективность
хозяйственно-экономического управления.
Но следует иметь в виду, что разработка эффективного управления
-- далеко не простая задача. Трудности связаны с наличием многих
сторон (или, как говорят, субъектов отношений), заинтересованных
в развитии и функционировании систем энергетики, -- государство,
его местные органы управления, различные энергокомпании. Причем,
интересы и критерии субъектов отношений в энергетике, как
правило, различны и даже противоречивы.
Целый ряд существующих закономерностей и тенденций в энергетике
свидетельствует о том, что актуальность системных энергетических
исследований не только не снижается, а наоборот -- существенно
возрастает. Эти исследования приобретают новую значимость
вследствие того, что продолжается объективная тенденция расширения
и укрупнения систем энергетики, в результате чего они приобретают
новые, ранее неизвестные и неисследованные свойства; сложность и
противоречивость взаимодействия многих субъектов отношений в
энергетике существенно усложняет процессы обоснования развития и
управления функционирования систем энергетики; рыночные условия,
самостоятельность субъектов отношений в энергетике создают такие
приоритеты в деятельности последних (например, получение прибыли
для энергокомпаний), которые часто вступают в противоречие с
общесистемными требованиями (в частности, обеспечения надежности
энергоснабжения потребителей) и не способствуют повышению
системной эффективности развития и функционирования ТЭК и его
отраслей.
Повышение актуальности системных энергетических исследований
подтверждается целым рядом комплексных международных, федеральных
и региональных энергетических проектов, выполненных в последние
годы институтом при участии ряда других организаций.
Среди международных проектов целесообразно отметить
российско-японский проект "Комплексный план развития энергетики
Восточной Сибири и Дальнего Востока с учетом усиления
энергетической интеграции азиатских регионов России и стран АТР"
и проект под эгидой европейской программы TACIS "Стратегия
экологически чистого энергоснабжения региона озера Байкал".
В части федеральных проектов следует обратить внимание на разделы
энергетической стратегии России, связанные с развитием энергетики
восточносибирского и дальневосточного регионов.
Среди региональных проектов можно отметить концепции и основные
положения энергетических стратегий ряда регионов (Иркутская и
Магаданская обл., Республика Бурятия и др.), программу
стабилизации и развития электроэнергетики Республики Саха
(Якутия), программу энерго-, топливоснабжения северных районов
Иркутской области и ряд других.
Комплексного, системного рассмотрения требуют и зарубежные
энергетические связи России, особенно в Восточной Азии. В этой
зоне существуют объективные предпосылки активного энергетического
взаимодействия между странами, прежде всего, между восточными
регионами России (Восточная Сибирь и Дальний Восток) и Китаем,
Японией, Южной Кореей. В настоящее время на разной стадии
обсуждения находятся ряд межгосударственных проектов, однако
серьезный их недостаток -- отсутствие системного взгляда на
условия и возможности их реализации. Прежде всего эта причина и
была побудительным мотивом для подготовки институтом
Всероссийской конференции с международным участием "Восточная
энергетическая политика России и проблемы интеграции в
энергетическое пространство Азиатско-Тихоокеанского региона",
которая прошла в Иркутске.
Н.ВОРОПАЙ,
директор Института систем энергетики
им.Л.А.Мелентьева СО РАН,
доктор технических наук, профессор.
стр.
|
