Краткосрочное прогнозирование параметров потребления природного газа как элемент ценозависимого управления энергозатратами на промышленных предприятиях

DOI:

Одним из ключевых направлений модернизации и инновационного технологического развития развитых и развивающихся стран мира является реализация механизмов энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности имеют общенациональные масштабы, и направлены на снижение затрат на энерго- потребление во всех уровнях хозяйственной деятельности и по всем видам энергетических ресурсов.

Одним из самых используемых энергетических ресурсов, потребляемым во всем мире, является природный газ, по распространенности потребления уступающий лишь электрической энергии. Газ характеризуется относительно невысокой стоимостью, просто- той трубопроводной транспортировки и распределения, легкостью преобразования в другие виды энергии и экологичностью. Без использования природного газа невозможно эффективное развитие важнейших отраслей промышленности, таких как цветная и черная металлургия, металлообрабатывающая, цементная, химическая и нефтехимическая, нефтеперерабатывающая промышленности, машиностроение и других. Также большое количество природного газа используется в секторе ЖКХ [7].

Значительное внимание к проблеме энергосбережения в последнее десятилетие привело к существенному развитию технологий и методов повышения энергетической эффективности. Большинство внедряемых технологий направлено на снижение удельного потребления энергетических ресурсов. Однако в последнее время все большее распространение получает инновационная технология управления спросом на потребление энергетических ресурсов [12–14].

В современной мировой практике технология управления спросом применяется исключительно в направлении потребления электрической энергии [11; 15; 16]. С нашей же точки зрения представляется возможным адаптировать существующие подходы к управлению спросом на потребление электрической энергии к процессам потребления природного газа.

Под управлением спросом на потребление природного газа мы предлагаем понимать инициативную форму экономического взаимодействия субъектов газового комплекса с конечными потребителями природного газа, обеспечивающую взаимовыгодное экономически эффективное регулирование объемов и режимов потребления газа. Управление спросом на потребление природного газа должно способствовать выравниванию графиков потребления газа в масштабах Единой системы газоснабжения и, как следствие, снижению затрат на газоснабжение на всех ее уровнях [4; 5]. Одним из направлений управления спросом является метод ценозависимого управления затратами на потребление природного газа, который заключается в управлении собственными графиками потребления газа потребителями с целью их выравнивания и исключения закупок газа по тарифам, установленным для объемов потребления газа, выбираемых сверх существующих договорных лимитов. В качестве субъекта управления выступает организационная и технологическая инфраструктура газового комплекса. В качестве объекта управления выступает процесс потребления газа конечными потребителями.

В действующих экономических условиях поставок газа в России цена на поставляемый газ не является дифференцированной по времени суток. При этом ценовая дифференциация поставляемого газа применяется для объемов, выбранных сверх суточных лимитов, выставляемых системой газоснабжения для каждого потребителя газа. Разработанная авторами модель ценозависимого управления потреблением природного газа на промышленных предприятиях представлена на рисунке 1.

Одним из ключевых элементов модели ценозависимого управления потреблением природного газа является блок прогноза его потребления. Сопоставляя прогнозные параметры потребления газа в будущих периодах и ценовые параметры энергорынка, разрабатываются управляющие воздействия на графики потребления природного газа с целью минимизации затрат на его оплату.

В связи с этим высокую научную и практическую значимость имеет задача разработки такой модели прогнозирования краткосрочных параметров потребления природного газа, которая будет отличаться относительной простотой, точностью и адаптивностью применения на различных типах промышленных предприятий.

В настоящий момент в отечественной и зарубежной практике существует достаточно большое количество исследований, посвященных разработке моделей прогнозирования потребления природного газа. Часть работ посвящена исследованию вопроса долгосрочного прогнозирования параметров спроса на природный газ различными экономическими субъектами [3; 6]; есть исследования, посвященные прогнозированию параметров спроса на потребление газа в разрезе отдельных стран и регионов [9; 10]; часть работ акцентирует внимание на разработке

Рис. 1. Модель ценозависимого управления потреблением природного газа на промышленном предприятии Примечание. Составлено авторами.

моделей прогнозирования спроса на газ в разрезе отдельных отраслевых групп [1; 2;

• 8] . При этом практически отсутствуют исследования, посвященные разработке моделей прогнозирования краткосрочных параметров спроса на потребление природного газа, характеризующихся универсальностью и способностью адаптироваться под индивидуальные характеристики различных типов промышленных предприятий.

Таким образом, целью настоящего исследования является разработка концепции универсальной модели краткосрочного прогнозирования параметров потребления природного газа различными типами промышленных предприятий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач, таких как:

– анализ графиков краткосрочного потребления природного газа промышленными предприятиями и выявление характеристик волатильности спроса на различных временных периодах;

– выявление факторов, влияющих на параметры спроса на потребление природного газа и их классификация;

– выбор методов прогнозирования параметров краткосрочного потребления природного газа;

– разработка концепции модели прогнозирования краткосрочных параметров потребления природного газа для различных типов промышленных предприятий.

Графики потребления природного газа могут быть: годовыми, месячными, недельными, суточными, часовыми и т. д. В модели це- нозависимого управления затратами на потребление природного газа используются месячные и суточные графики потребления.

На рисунке 2 приведен пример месячного графика потребления природного газа за календарный год для различных типов промышленных предприятий. Как видно из диаграммы, помесячный спрос на потребления газа для всех типов промышленных предприятий характеризуется волатильностью, обусловленной, прежде всего, сезонностью и индивидуальными характеристиками производственных процессов. Для промышленных предприятий, использующих природный газ на отопительные нужды, характерно высокое потребление газа в период отопительного сезона. Для предприятий, использующих природный газ на производственные нужды, график потребления газа является более равномерным, с незначительным спадом потребления в период потепления. Для предприятий по производству цемента волатильность потребления газа связана с сезонностью производства и отгрузок продукции.

Волатильность потребления природного газа предприятиями химической промышленности напрямую обусловлена графиками производственной программы.

На рисунке 3 представлен пример посуточного графика потребления газа различными типами промышленных предприятий за неделю. Очевидно, что в разрезе недельного периода для всех типов промышленных предприятий волатильность спроса значительно ниже, по сравнению с месячным периодом. Для промышленных предприятий, использующих природный газ на отопительные нужды, основная нагрузка потребления газа приходится на рабочие дни с незначительным снижением к выходным. У предприятий, использующих природный газ на производственные нужды, спад потребления газа в выходные дни более значительный. Для коммунальных котельных нагрузка потребления газа зависит от температуры окружающей среды, а для электростанций график потребления газа полностью коррелирует с графиком потребления электрической энергии.

----Промышленное предприятие использующее природный газ на отопительные нужды

--Промышленное предприятие использующее природный газ только на производственные нужды

—*— Предприятие по производству цемента

• • Предприятие химической промышленности

Рис. 2. Помесячные графики потребления газа за календарный год различными типами промышленных предприятий

Примечание. Составлено авторами на основе анализа статистики потребления природного газа АО «Пермский завод “Машиностроитель”», МЗ «Камасталь», ООО «Староцементный завод», ПАО «Уралкалий».

^^— Промышленное предприятие использующее природный газ на отопительные нужды

—*— Промышленное предприятие использующее природный газ на производственные нужды

• Предприятие химической промышленности

-----Коммунальная котельная

—— Электростанция

Рис. 3. Посуточный график потребления газа различными типами промышленных предприятий в разрезе недели

Примечание . Составлено авторами на основе анализа статистики потребления природного газа АО «Пермский завод “Машиностроитель”», МЗ «Камасталь», ООО «Староцементный завод», ПАО «Уралкалий».

На рисунке 4 представлен пример графиков почасового потребления газа промышленными предприятиями, использующими природный газ на производственные и отопительные нужды.

В случае потребления газа на производственные нужды почасовой график потребления повторяет график загрузки производственных процессов, а при потреблении газа на отопительные нужды график спроса обратно пропорционален температуре воздуха.

Подводя итог оценке характеристик графиков потребления природного газа промышленных предприятий, можно констатировать их существенную волатильность и высокую зависимость от климатических условий, отраслевой принадлежности предприятия и структуры потребления газа. На рисунке 5 обобщены особенности графиков потребления газа в разрезе двух основных направлений его использования: на производственные нужды и на отопительные цели.

Предложенная классификация направлений потребления природного газа обусловлена:

– характеристиками волатильности графиков потребления газа;

• –    различием факторов, действующих на потребление газа в данных направлениях;

• –    различием методов управления графиками потребления газа для данных направлений;

  – массовостью использования выявленных направлений потребления газа на промышленных предприятиях.

К направлению технологии производства относится потребление газа на обеспечение технологических процессов производства продукции, нагрева, обжига, сушки используемого сырья и материалов, а также добычи из природного газа необходимых веществ.

К направлению отопительных нужд и горячего водоснабжения (ГВС) относится потребление газа на обеспечение отопительных нужд в период отопительного сезона, требуемых для внутреннего потребления предприятием либо отпуском тепловой энергии и горячего водоснабжения потребителям.

-----Промышленное предприятие использующее природный газ только на производственные нужды

--Промышленное предприятие использующее природный газ на отопительные нужды

Рис. 4. Пример почасовых графиков потребления газа различными типами промышленных предприятий в разрезе суток

Примечание. Составлено авторами на основе анализа статистики потребления природного газа промышленными предприятиями.

Рис. 5. Классификация направлений использования природного газа на промышленных предприятиях Примечание. Составлено авторами.

На потребление природного газа влияют четыре основные категории факторов: производственные, технологические, социально-экономические и климатические. Анализ факторов, влияющих на потребление природного газа, был проведен в разрезе основных направлений его использования на промышленных предприятиях, и на рисунке 6 приведена их авторская классификация.

Производственные факторы – факторы, действующие на характеристики графиков потребления газа со стороны состава и графиков загрузки производственного оборудования, графиков работы смежных производственных процессов, плана производства продукции, а также аварий и режимов выполнения ремонтов оборудования.

Технологические факторы – факторы, действующие на характеристики графиков потребления газа со стороны особенностей и режимов технологии производства продукции, физических характеристик обрабатываемого сырья.

Социально-экономические факторы – факторы, действующие на характеристики графиков потребления газа со стороны социальноэкономических процессов жизнедеятельности людей, режима выходных и праздничных дней, сменности работы производства, продолжительности рабочих смен и перерывов.

Климатические факторы – факторы, действующие на характеристики графиков потребления газа со стороны природы, к которым можно отнести температуру окружаю-

Рис. 6. Факторы, действующие на характеристики графиков потребления природного газа промышленными предприятиями

Примечание. Составлено авторами.

щего воздуха, продолжительность светового дня, влажность воздуха и осадки.

Как видно из классификации, при потреблении газа на технологические цели основное влияние на спрос оказывают факторы производственные, технологические и социальноэкономические. При потреблении газа на отопительные нужды и ГВС основными факторами выступают социально-экономические и климатические. Учет факторов, согласно разработанной классификации при прогнозировании краткосрочных параметров потребления газа на промышленном предприятии, позволит повысить точность выполняемых прогнозов и как следствие сократить затраты на оплату газоснабжения.

Уровень влияния каждой группы факторов на график потребления газа в существенной степени зависит не только от направления использования газа на промышленном предприятии, но и от отраслевой принадлежности предприятия, что отражено на рисунке 7.

Так, например, для предприятий металлургии наиболее высокое влияние на характеристики потребления газа оказывают производственные и технологические факторы, при среднем уровне влияния социально-экономических и низком уровне влияния клима- тических факторов. В таблице представлены сводные характеристики степени влияния выявленных четырех групп факторов на потребление газа в различных отраслях промышленности.

Учитывая значительное количество факторов, влияющих на параметры графиков спроса на потребление газа, их различную природу и уровень воздействия, для обеспечения точности выполнения прогнозов потребления газа мы предлагаем использовать комбинированную модель прогнозирования, сочетающую в себе использование статистических методов прогнозирования и метода экспертных оценок. Применение комбинированных методов прогнозирования в модели прогнозирования параметров краткосрочного спроса на потребление газа позволяет повысить точность выполняемых прогнозов, а также учесть в процессе выполнения прогноза более широкое число влияющих факторов. Описанию комбинированной модели прогнозирования потребления природного газа будет посвящена отдельная работа. Разработанная авторами концепция модели прогнозирования параметров краткосрочного потребления природного газа представлена на рисунке 8.

Рис. 7. Пример влияния различного типа факторов на параметры графика спроса на газ различными типами промышленных предприятий

Примечание. Составлено авторами на основе данных потребления газа АО «Пермский завод “Машиностроитель”», МЗ «Камасталь», ООО «Староцементный завод», ПАО «Уралкалий».

Таблица

Влияние выявленных типов факторов на потребление газа в различных отраслях промышленности

Отрасли промышленности	Производственные	Технологические	Социальноэкономические	Климатические
Машиностроение	Среднее	Среднее	Среднее	Среднее
Обрабатывающее производство	Среднее	Среднее	Среднее	Низкое
Металлургия	Высокое	Высокое	Среднее	Низкое
Электрометаллургия	Низкое	Низкое	Низкое	Низкое
Горнодобыча	Низкое	Низкое	Низкое	Среднее
Химическая промышленность	Высокое	Высокое	Высокое	Низкое
Нефтяная промышленность	Среднее	Среднее	Высокое	Низкое
Производство огнеупоров	Высокое	Высокое	Среднее	Низкое
Производство железобетона	Высокое	Высокое	Среднее	Среднее
Производство цемента	Высокое	Высокое	Среднее	Среднее
Целлюлозно-бумажное производство	Высокое	Высокое	Среднее	Низкое
Деревообрабатывающее производство	Высокое	Высокое	Высокое	Низкое
Сельскохозяйственное производство	Среднее	Среднее	Высокое	Низкое
Производство пищевых продуктов	Среднее	Среднее	Высокое	Низкое
Жилищно-коммунальное хозяйство	Высокое	Высокое	Низкое	Высокое
ТЭЦ	Высокое	Высокое	Высокое	Высокое
ГРЭС	Высокое	Высокое	Высокое	Высокое
Установки малой генерации	Высокое	Высокое	Высокое	Высокое

Примечание. Составлено авторами на основе статистического анализа параметров потребления газа АО «Пермский завод “Машиностроитель”», МЗ «Камасталь», ООО «Староцементный завод», ПАО «Уралкалий».

Рис. 8. Концепция модели прогнозирования краткосрочных параметров спроса на потребления газа промышленными предприятиями

Примечание. Составлено авторами.

Концепция модели прогнозирования краткосрочных параметров спроса на потребления газа промышленными предприятиями состоит из двух блоков: блока прогнозирования потребления газа на технологические цели и блока прогнозирования потребления газа на отопительные нужды и ГВС. Далее в рамках каждого блока прогнозируются будущие значения влияющих факторов, при этом их учет в модели прогнозирования производится соответствующим этой группе факторов методом. Результатом использования комбинированной модели прогнозирования является суммарный прогнозный график спроса на потреб- ление газа промышленного предприятия, который далее используется в рамках модели ценозависимого управления потреблением природного газа на промышленном предприятии, представленной на рисунке 1.

Учитывая непрерывность процесса ценозависимого управления затратами на газ, прогнозирование параметров потребления природного газа целесообразно производить ежедневно, постоянно отслеживая обратную связь и совершенствуя модель прогнозирования. Контроль параметров потребления природного газа в модели ценозависимого управления производится в посуточном разрезе. Но для повышения точности выполняемых прогнозов посуточных параметров спроса на потребление природного газа мы предлагаем прогнозирование параметров спроса выполнять на каждый час, с последующим сложением полученных данных в посуточные результаты:

сутки

Qпрогноз           прогноз сутки /у Q час    ,

n где Qспуртокгиноз, Qчпарсогноз – прогнозные величины потребления природного газа на суточный и часовой периоды соответственно.

Таким образом, нами разработана концепция модели ценозависимого управления затратами на потребление природного газа, заключающаяся в корректировке собственного графика спроса промышленного предприятия на газ с учетом ценовых параметров единой системы газоснабжения. Базой ценозависимого управления затратами на газ является посуточный прогноз параметров его потребления. Разработанная концепция комбинированной модели прогнозирования параметров потребления природного газа позволяет существенно повысить точность прогнозов за счет разбивки графика потребления по видам использования газа, учета специфики и уровня влияния факторов в рамках каждого направления потребления и использования наиболее подходящих для каждой группы факторов методов прогнозирования.

Практическая значимость разработок заключается в возможности использования разработанной концепции модели прогнозирования параметров потребления природно- го газа любыми типами промышленных предприятий в рамках ценозависимого управления энергозатратами с целью их минимизации.