第八章能源系统工程

第八

章能源系统工程第八章能源系统工程第一节概述一、基本概念一般来说，由多个元素有机结合成的能够执行特定功能、达到特定目的一个整体就叫做系统。系统大致可以分成三类:自然系统、人工系统、自然系统和人工系统的复合系统。

1、系统的定义和分类①自然系统是由自然界中本身就存在的物体(如星球、江河、生物等)构成，并且按照其本来的客观规律运动和演变。②人工系统则是由人类创造或者改造的物体、设施、工程等组成，如供热系统、输电系统等。③随着人类活动领域的扩大和人类科学技术的发展，许多自然系统被局部改造为人工系统，从而成为复合系统。能源系统就是典型的复合系统，它不但涉及各种自然的能源资源(比如煤、石油、风力、太阳能、潮沙等)，还包括了大量的人类活动(如能源的开采、加工、输运、转换和利用等)以及这些活动对自然环境的影响。2、系统工程的含义系统工程就是从整体的观点出发来分析各类系统的内部关系及其发展规律。系统工程的理论基础有两大类:一是反映各种系统内在规律的专业理论；二是反映组织管理客观规律的科学理论，主要是运筹学、信息学、控制论、系统论和计算机科学等。

系统工程是一大综合科学工程技术门类，横跨自然科学、社会科学和工程技术。它有许多分支，如社会系统工程、军事系统工程、教育系统工程等，能源系统工程也是其中之一。3、能源系统工程能源系统工程的研究对象是能源系统。能源系统包括能源勘探、开发、生产、加工、转换、运输、分配、储备、使用以及环境保护等多个环节，每个环节又是由国民经济的若干部门组成(例如，能源运输环节涉及铁路、公路、水运等交通运输部门，物质管理部门，电力输送部门等)，而且各个环节彼此制约和互相影响，形成一个复杂的整体，起着为国民经济发展和人民生活需要提供能量和原料等物质基础的作用。能源系统是社会经济大系统中的一个子系统。二、能源系统工程的任务能源系统工程可以对世界、国家、地区、企业等能源系统进行预测、分析、规划、管理、评价等，具体说来，可以解决以下各种问题。1.能源需求预测采用能源系统工程中的不同方法，按照历史统计数据、人口发展趋势、国民经济发展速度、生活水平提高程度，可以对全世界、世界上某一个地区、国家、省市做出一定期间内的需求预测，预测的时间可以是今后几年、十几年、几十年等。预测的能源需求可以是能源总需求量、各种能源的分总需求量、需求的年增长率等。需求预测是能源生产、开发和规划的基本依据，是能源系统工程的首要任务。2.能源供应预测能源供应预测就是在现有的资源条件和现有的能源技术条件下，预计在一定时间内可以供应的各种能源总量及其年增长率。从全球的长远观点来看，能源供应预测具有重要意义，它将影响世界各国在能源经济政策和能源技术政策上的决策方针，并帮助各国应对世界或地区性的能源危机。3.能源发展规划由于能源与国家的经济发展息息相关，为了解决这个问题，我们就要运用能源系统工程的方法来做好能源规划工作，对可能采取的能源开发总方针和可能实现的总目标作分析，同时对各种能源工业的建设规模、投资分配、发展速度作出明确的规定。研究和制定一个国家或地区的能源发展规划，常常需要建立一个相关的国家或地区的能源模型以作为研究的基础。4.能源的合理分配和使用重城市、轻农村；重工业、轻农业；重生产、轻生活的能源分配方式造成了能源分配的严重不合理和能源的浪费。运用系统工程的方法，就可以找出较好的解决方案，从根本上解决上述问题。5.能流分析在一个能源系统中把能量的流动用各种图线表示出来，以说明系统中的能量分布。因此，能流分析是通过能流图分析能源进入系统扣除各个环节损耗后，各能源流的方向、大小以及分布情况，并在此基础上进行满足某一特定目标的优化处理。6.能源、经济和环境的大系统分析能源系统工程将能源、经济、环境作为一个整体来进行分析研究，既研究能源对经济发展的制约作用以及能源对环境的负面影响，又同时研究在可持续发展的总目标下，使能源工程更好地为经济的持续发展服务，使能源对环境的污染得到及时治理，从而协调能源、经济、环境三者之间的关系。第二节能源系统工程的基本方法能源系统工程中的基本方法有仿真方法、优化方法和评价方法。（1）仿真是利用各种数学公式(函数式、微分方程、矩阵等)或图形客观地描述能源系统各要素的活动以及各要素之间的相互关系，建立相应的数学模型，并通过计算机进行数值计算。它可以用于研究各种可能出现的条件或者人们期望的情况下，系统发展变化的趋势和后果。因而仿真方法可以取代或者减少那些费用昂贵的试验，提供预测和分析的手段。（2）最优化方法则不仅仅是对能源系统的客观描述和分析，它寻求的是最佳方案，即以仿真模型或初期计划为基础，建立优化分析的数学模型，以达到能源系统整体目标的最优或最令人满意的方案。最优化方法及其计算结果，比人们以常规经验作出的决策要好得多。（3）评价方法通常用于对各种优化的结果进行分析和对比，判定并研究它们是否能够真正使用，能否获得预期的效果。一、能源投入产出分析法投入产出分析中的投入，是指生产过程中投入的劳动对象，劳动资料和活劳动的数量，产出是指产品的分配使用方向及其数量。投入产出分析首先将各部门的投入和产出编制成一张棋盘式的投入产出表，然后利用这一模型以及矩阵运算和计算机算法来综合的分析和考察国民经济各部门在产品的生产和消耗之间的综合平衡。投入产出分析方法也能够对未来进行预测，还能够对经济结构、经济效益、经济政策和商品价格等问题进行综合分析。

1、投入产出法的含义投入产出分析方法于20世纪30年代产生于美国，美籍俄裔经济学家列昂杰夫在前人工作的基础上，提出了投入产出分析方法

投入产出分析在经济中的应用主要表现在:①经济分析，为编制中长期计划提供服务:这是投入产出分析最重要的应用之一。

②利用投入产出分析方法进行经济预测。③政策模拟，分析重大决策对经济的影响。④利用投入产出分析研究一些专门的社会问题。2.投入产出表(1)概念列昂杰夫解释说“一个表扼要地概括一个经济系统中所有部门各种投入的来源和所有各类产出的去向，这个表就叫做技入产出表。”

(2)消耗系数根据投入产出表的平衡关系建立的数学模型称为投入产出模型，依据平衡关系表的横行和纵行，可以分别建立行模型和列模型。在产出方程组中。是以流量的形式表示各个部门之间的投入产出关系的。可这样定义直接消耗系数：第j部门生产单位产品所直接消耗第i部门的产品的数量。这个系数反映了国民经济各个部门之间的生产技术联系。(3)投入产出法的应用投入产出分析在经济结构的调整、国民经济计划的编制、经济政策评价、经济发展预测等方面有着广泛的应用。(4)能源系统投入产出表投入产出表中，如果把能源部门扩大，以适应研究能源系统和国民经济其他部门联系的需要,就叫做能源系统投入产出表。这种表可以以一个国家或地区为对象来编制。二、线性规划方法1.基本概念所谓数学规划方法，就是指研究多变量函数在变量受多种约束条件限制下最优化问题求解的运筹方法。数学规划包括线性规划、非线性规划、动态规划等。线性规划是其中最简单的、最基本的一种，其特点是各待选变量在各自约束条件和目标函数中均具有线性关系，即约束条件和目标函数均为线性等式或线性不等式。

2.建立线性规划的数学模型(1)确定决策变量对企业的决策者来说，通常存在可以进行控制的因素，如产量的多少、运输量的多少、配料的比例、下料的方案等，这些因素可以用变量来表示，称为决策变量。(2)确定目标函数企业的决策者必须有一个明确的目标，这个目标可以是总运输量最小、成套产品数量最多、利润最大、戚本最低等等。它是决策变量的函数，称为目标函数。(3)确定约束条件实现上述目标，变量必须受到限制，如运输量要受到供应能力和需求量的限制、机床的加工任务要受到生产能力的限制等，这些变量的限制条件或限制范围称为约束条件，它是一些限制决策者的条件的数学描述。(4)线性规划问题的描述所谓线性规划问题，根据上面的分析，可以这样来概括:在约束条件下寻求一组决策变量的值,使目标函数达到最大值或最小值，而模型中无论是目标函数还是约束条件对变量来说都是线性的。3.线性规划问题的解法线性规划问题的解法有图解法、单纯形法和数值解法等。图解法简单直观，但是只能够解决两个变量的问题；数值解法则要借助于计算机。(1)图解法含有两个变量的线性规划模型，可以用在平面上画图的方法一一图解法求解。图解法解决线性规划问题简单、方便、直观，对于理解线性规划的基本原理也是很有帮助的。(2)单纯形法上面介绍的图解法对两个变量的线性规划是非常适用的，但是当变量是三个或者超过三个以上时，它就显得无能为力了。美国数学家Dantzig发明的单纯形法则是解决多变量线性规划问题的一种有效的代数方法。单纯形法的最大特点就是计算简单、方便、宜于推广，这个方法一般只需要用到加、减、乘、除运算。目前，单纯形法的计算机程序巳经十分成熟，已经运用于许多部门，有效地解决了许多实际问题。三、层次分析法1.层次分析法的基本原理用层次分析法进行系统分析，首先要把问题层次化，根据问题的性质和要达到的目标，将问题分解成为不同的组成因素，并根据因素间的相互关联影响和隶属关系将它们按照不同的层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，并最终把系统分析归结为最低层(供决策的方案、措施等)相对于最高层(总目标)的重要性权值确定或优劣排序问题。2.层次分析法的步骤层次分析法大致分为五个步骤:(1)建立层次结构模型在深入分析所面临的问题之后，将问题中所包含的因素划分为不同层次，如目标层、准则层、指标层、方案层、措施层等，用框图形式说明层次的递阶结构与因素的从属关系。

(2)构造判断矩阵判断矩阵元素的值反映了人们对各种因素相对重要性(或优劣、偏好、强度等)的认识，一般采用1-9及其倒数的标度方法。(3)层次单排序及其一致性检验判断矩阵A的特征根问题解W归一化后,即为同一层次相应元素相对于上一层次某因素的重要性的排序权值,这一过程称为层次单排序。为进行层次单排序(或判断矩阵)的一致性检验，需要计算一致性指标:(4)层次总排序计算同一层次所有因素相对于最高层(目标层)重要性的排序权值，称为层次总排序。这一过程是从最高层次到最低层次逐层进行的。(5)层次总排序的一致性检验这一步骤也是从高到低逐层进行的。第三节能源系统的预测和规划预测一般是根据过去和现在的情况，运用某些数学方法定性或定量地寻求有关的客观发展规律，借以推测未来的发展情况。预测的方法有很多，最基本的有定性法、定量法和混合法。定性法应用直接而简便，特别是对那些很难单纯用具体数据来描述的系统的发展预测，该法比较适用；定量法基本上依靠建立各种类型的预测数学模型，然后推导出预测结果。这两类方法对短期和中期预测比较有效。对于更为复杂的系统的长期预测，通常就需要采用定量和定性相结合的海合法。预测在能源系统中有许多运用，大致可以分为能源需求预测、能源供应预测、能源新技术发展预测和世界能源宏观发展预测四种。

一、能源系统预测1.能源需求预测能源需求预测也是从研究一个国家或地区能源消费的历史和现状开始，分析影响能源消费的因素，找出能源消费需求量和这些因素的关系，并根据这些关系对未来能源需求发展趋势作出估计和评价。一般来说，影响能源需求的因素有人口数、国民经济发展速度及其结构、生产技术水平、能源生产和消费构成等等。能源需求预测时,必须遵循以下两个主要原则:其一,紧紧抓住经济发展与能源需求的内在联系。其二，必须以过去的状况为预测基础，因为任伺事物的发展都有一定的连续性，过去和现在情况将会影响未来。所以进行能源需求预测时，必须占有大量的历史数据资料，并对历史的发展进行认真的研究。

2.能源需求预测常用的模型(1)弹性系数法①能源消费弹性系数:能源需求预测中的能源消费弹性系数法实际上是回归分析法的特例。要预测某个地区将来某个时期(近期)的能源需求，可以根据该地区历史上能源消费及其影响因素的统计数据，进行回归分析，找出合适的回归方程和回归系数，再用此方程外推。过去的能源弹性系数可以利用历年的统计资料得到；对于未来，则可以由M和E的预测值得到。当然也可以根据计划期基年的能源弹性系数和经济发展的总量指标M，反过来预测能源的消费量，即需求量。能源弹性系数法简单易行,但是过于粗糙,只能提供一个粗略的近似值,因而其预测结果只能看成是一个趋势和参考值。②对弹性系数的影响因素

与国民经济生产总值有关；与国民经济各部门结构和产品结构的变化有关；与科学技术水平和管理水平有关；与经济管理和政策因素有关。(2)相关法相关法又称回归分析法。由于能源的需求量与经济发展、人口增长均有密切关系，因此可以建立它们之间的回归方程，并检验其相关的显著性，从而可以深入研究到底哪些因素与能源消费量的关系最为密切，由此预测在各种经济、人口或其他因素发展变化的条件下，对能源的需求量。对回归问题的研究最初是起源于生物学，一般来说，回归分析研究一个变量或一组变量(即自变量)之变动对另一个变量(因变量)之变动的影响程度，其目的在于根据己知的自变量的变异来估计或预测因变量的变异情况。回归分析法比弹性系数法复杂，但是它可以分析多种因素对能源消费的影响，有助于抓住主要矛盾。(3)投入产出分析法投入产出分析法可以用来分析和研究国民经济各部门的结构发生变化时，能源消费量的变化，因而能更精细地预测能源消费量。值得注意的是投入产出表中技术反映的是目前的生产技术水平(原材料消耗水平)，而在预测时要用到五年或十年后的系数进行预测，显然这本身就是一个相当棘手的问题，目前常用的是估计与专家评价相结合的方法。(4)部门分析综合预测法部门分析综合预测方法是编制能源规划时常用的预测方法，是大多数计划人员熟悉的。基本思路是通过各部门能源消耗水平的现状分析，根据计划期内各部门生产发展水平和能耗下降的可能,并依据各部门之间的比例变化来综合预测能源需求量。2.能源供应预测(1)能源供应预测的意义能源供应预测是指预测一定期限内将来的世界、一个国家或一个地区的能源供应情况。在以市场经济为主的国家，能源供应预测是对将来一定期限内各种能源的供应和价格进行预估,称为趋势预测，以作为国家制定能源政策的依据，或为各企业确定经营方针和政策提供参考。

(2)能源供应预测的基本方法能源供应预测通常采用的方法有:趋势预测法,投入产出法预测和优化法预测。

二、能源系统规划能源规划就是在经济理论的指导下,在对目前及历史上的能源生产和消费状况进行调查和分析研究的基础上，根据国民经济和社会发展对能源的需求，制定能源发展的长远规划和一定时期内的具体计划。1.能源系统规划的目的能源规划作为整个国民经济规划需要优先和着重考虑的一部分，其目的是:①确定社会对能源系统的需要和能源系统发展的方向；②合理调整能源部门和其他部门之间的关系以及能源系统内部各部门、各环节的增长速度、比例和结构；③合理、有效地使用能源资源和国家给予能源系统的投资。2.能源规划的原则无论是用传统的方法,还是用系统分析的方法进行能源规划,下述原则都是必须遵循的。(1)能源规划必须把能源系统作为一个整体来考察。(2)能源规划应该以长期规划为主。

(3)合理的规划应该充分估计到规划的可执行性。(4)合理的规划应该从多种可能的方案中选择最佳方案。3.能源系统规划的内容从内容上说，能源系统的规划包括能源开发规划、能源节约规划、能源运输规划等；从地域上讲有国家能源规划、地区能源规划、企业能源规划等。能源系统规划的注意事项

首先要明确规划的目标。其次，要确定规划的期限。

能源规划的步骤通常包括:调查研究、建立数学模型、计算模型、规划方案及评价。4、能源系统规划的步骤

(1)调查研究主要是收集数据和信息。在统计制度完善的情况下，只需对所缺资料作补充调查,对重要问题作定性分析，就可以确定所建模型的结构和大小。(2)在运算此类模型时,可以作灵敏度分析，即稍稍变动约束条件或有关参数，看其结果如何变化，以观察各种约束条件和各有关参数对优化结果的影响程度,从而确定某些约束条件和参数可以放宽的程度,并作为各种备选方案的评比内容。

(3)规划方案是把多种计算结果及其计算条件、采用目标、特定约束条件等同时列出,以备多方案备选。第四节能源管理及信息系统一、管理信息系统1.管理信息系统的概念(1)20世纪30年代，就已开始强调决策在组织管理中的作用。(2)20世纪50年代，西蒙提出了管理依赖于信息和决策的概念。(3)管理信息系统一词最早出现在1970年，但是直到20世纪80年代，管理信息系统的创始人、明尼苏达大学卡尔森管理学院的著名教授GardonB.DaVIS才给出管理信息系统的一个较为完整的定义。

它是一个利用计算机硬件和软件，手工作业，分析、计划、控制和决策模型，以及数据库的用户-机器系统。它能够提供信息支持企业或者组织的运行、管理和决策功能。2.管理信息的主要功能①准备和提供统一格式的信息，使得各种统计工作简化，使得信息成本最低；②及时全面的提供不同要求、不同细度的信息，以期分析解释现象最快，控制及时准确。③全面系统地分析大量的信息，并能很快地查询和综合，为组织的决策提供信息支持；④利用数学方法和各种模型处理信息，以期预测未来和进行科学决策。3.管理信息系统的决策步骤步骤一:认识和分析问题步骤二:制定行动方案①语言描述模型.②实体模型。③图解模型。④数学模型。⑤计算机模型.

步骤三:求得决策方案4.管理信息系统的结构管理信息系统的结构是指各部件的构成框架,由于对部件的不同理解就构成了不同的结构方式，其中最重要的是概念结构、功能结构、软件结构和硬件结构。从概念上讲，管理信息系统是由四大部件组成，即信息源、信息处理器、信息用户和信息管理者。

二、能源管理信息系统用计算机来处理能源数据，为能源管理和决策人员提供有关的能源信息和分析结果，这一技术在国外开始于20世纪70年代，这在当时是个重大突破。到20世纪80年代，这项技术已经十分成熟。1.能源管理信息系统的结构(1)系统的内容我国现实的能源信息系统可以看成是