CC BY
53
DOI 10.23859/1994-0637-2017-5-80-4 УДК 621.6:62-621
Осипова Наталия Николаевна
Доктор технических наук, доцент, Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина (Саратов, Россия) E-mail: [email protected]
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СТРУКТУРЫ
ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАСЕЛЕННОГО ПУНКТА
Аннотация. В статье представлено экономико-математическое моделирование структуры газораспределительной системы населенного пункта в зависимости от типа застройки населенного пункта, плотности населения на газоснабжаемой территории, технических характеристик зданий и источников газоснабжения, характера и режимов работы газового оборудования объектов. Обосновываются критерии выбора централизованных и децентрализованных систем при газификации населенного пункта.
Ключевые слова: газоснабжение, централизованные и децентрализованные системы, сжиженный углеводородный газ, оптимальное количество квартир, критическая плотность населения
© Оснпова RR, 2017
Osipova Natalyia Nikolaevna
Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Y.A. Gagarin Saratov State Technical University (Saratov, Russia) E-mail: [email protected]
THE SUBSTANTIATION OF THE SELECTION OF THE STRUCTURE OF THE GAS DISTRIBUTION SYSTEM OF THE HUMAN SETTLEMENT
Abstract. The article presents the economic and mathematical modeling of the structure of the gas distribution system of a settlement depending on the nature of the built-up area, the population density in the gas supply territory, the technical characteristics of buildings and gas supply sources, the nature and operating modes of the gas equipment of the facilities. The criteria for the selection of centralized and decentralized systems for the gasification of a settlement are justified.
Keywords: gas supply, centralized and decentralized systems, liquefied hydrocarbon gas, optimal number of apartments, critical population density
Введение
Анализ литературных источников и статистических материалов газовых организаций показывает, что в общей структуре затрат в систему газоснабжения сжиженным углеводородным газом (СУГ) свыше 70 % занимают затраты в системы газоснабжения населенных пунктов и сопряженные с ними элементы региональной части газораспределительных систем [1], [2], [10].
В существующей практике централизованного снабжения городского населения сжиженным газом обычно к одной резервуарной установке (РУ) СУГ с естественным испарением подключается в среднем 100-150 квартир, оборудованных газовыми плитами, и 50-70 квартир, оборудованных плитами и водонагревателями [6]. Такая централизация не отвечает современным экономическим требованиям и обуславливает значительный перерасход материальных и денежных средств в сооружение и эксплуатацию систем газоснабжения.
Вместе с тем, имеющиеся в литературе научные рекомендации по вопросам цен-
трализации систем газоснабжения на базе СУГ [1], [2], [10], [11], [12] имеют весьма противоречивый характер. Так, например, формирование централизованных городских систем газоснабжения для жилых массивов с 2-этажной застройкой при установке в квартирах газовых плит (использование газа на цели пищеприготовления) регламентируется в диапазоне 350-800 квартир по [11] и 1200-3600 квартир по [12], т.е. отличается более чем в 4 раза. В определенной степени указанные расхождения объясняются значительной пологостью целевой функции задачи. Существенное влияние на результаты исследований оказывают также исходные предпосылки и допущения, принятые при поставке задачи. Что же касается газоснабжения потребителей, с учетом возможности использования СУГ на отопительные нужды, то какие-либо научно-обоснованные рекомендации в известных литературных источниках вообще отсутствуют.
В соответствии с вышеизложенным, обоснование оптимальной централизации систем газоснабжения населенных пунктов с обеспечением газового топлива на все коммунально-бытовые нужды представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Основная часть
В качестве целевой функции указанной задачи примем удельные (в расчете на 1 газифицируемую квартиру) дисконтированные затраты в системы газоснабжения по комплексу: ГНС - групповая резервуарная установка - потребитель
зсгру + зсгнп (n) + зсго = min, (1)
где n - количество квартир (домов), подключаемых к одной РУ СУГ, кв; ЗСГРУ - затраты в системы газоснабжения регионального уровня, руб./(годкв); ЗСГНП(п) - затраты в системы газоснабжения населенного пункта, руб./(годкв); ЗСГО - затраты в системы газоснабжения объекта, руб./(годкв).
Как показывает технико-экономический анализ, изменение централизации поселковых систем газоснабжения (количество и местоположение групповых резервуар-ных установок на территории населенного пункта) не оказывает заметного влияния на величину затрат в региональные системы газоснабжения ЗСГРУ. Также при любой централизации поселковых систем газоснабжения затраты в системы газоснабжения объектов ЗСГО (дворовые вводы, внутридомовые газопроводы и газоиспользующие установки) остаются неизменными. Указанное обстоятельство позволяет принять составляющие функции (1) ЗСГРУ и ЗСГО постоянными и исключить из общей структуры затрат (принцип декомпозиции).
Тогда исходная целевая функция задачи примет следующий вид
Зсгнп (n) = Згру (n) + Зргс (n) = min, (2)
где Згру(п) - затраты в групповые резервуарные установки, руб./(годкв); Зргс(п) -затраты в распределительные газовые сети, руб./(годкв).
Затраты в резервуарные установки СУГ конкретизируется в виде следующего функционала
Згру(n) = 1 {(Е + Фгру)f [^^(S™,n)] + (E + ФиMg4ac,n) + С(яГОд,n,ö} , (3) где Е - коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год.; фГРУ, фи - доля
годовых отчислений на эксплуатацию подземных резервуаров и испарителей, 1/год; Фор( - оптимальные параметры фактора формы резервуара; Рр* - оптимальный объем резервуара, м3 [4]; гчас, ггод - максимальный часовой, (кг/ч-кв) и годовой, (кг/год-кв), расходы газа одной квартирой [4]; ^ - коэффициент, учитывающий естественную испарительную способность подземных резервуаров в общем балансе па-ропроизводительности резервуарных установок [5].
При ограничениях:
1 < п < п • 0 <£< 10 - я"1111 < г < я1""5 • г"1"1 < г < г П1ах
± — "шах ' " — Ъ — * ' " ' очас — очас _ очас > 5год — йгод — йгод •
В общем виде затраты в распределительные системы населенных пунктов ЗРГС(п) могут быть представлены в виде следующего функционала, руб/год • кв
Зргс (п) = П1 {{{(Е + ф) Г {{ {АР, Счас (Ячас, п), Ь [/(д, 5), п]}, Ь [/(д, п)]}} + цЬ [/(д, 5), п]}}},
(4)
где ф - доля годовых отчислений на амортизацию и ремонт газопроводов, 1/год; ( -средний диаметр распределительных газовых сетей в населенном пункте, м; АР -перепад давлений в уличных распределительных газопроводах, Па; Счас -максимальный часовой расход газа от групповой РУ СУГ, кг/ч; гчас - максимальное газопотребление одной квартирой, кг/(чкв); 1 - протяженность распределительных газопроводов в расчете на одну газифицируемую квартиру (здание), м/кв; д - плотность населения газоснабжаемой территории, чел./га; 5 - коэффициент заселенности квартир, чел./кв; ц - стоимость годового обслуживания газовых сетей, руб./(год-п.м.); Ь - суммарная протяженность газовых сетей в расчете на одну групповую РУ СУГ, м/ГРУ.
Функционал (4) реализуется при следующих ограничениях к заданным и управляющим параметрам:
4<п <пшах; ( > 40 мм; 0<АР<АРН =1200 Па; 6 < д <75 чел./га; я"1 <Ячас <гШХ .
Соответствующие уравнения, раскрывающие содержание конкретных элементов исходного функционала, приводятся в публикациях [7]-[9].
Согласно [3], в современных проектных решениях преобладают варианты застройки поселений: с расположением жилых домов в кварталах применяемые в больших населенных пунктах (многорядная застройка); с расположением жилых домов вдоль проездных дорог с одной и двух сторон применяемая в малых населенных пунктах (двухрядная застройка). В качестве расчетной модели системы газоснабжения примем два полярных варианта застройки населенных пунктов: многорядная и двухрядная, - обеспечивающих наименьшие и наибольшие затраты в распределительные газопроводы населенного пункта [13].
Согласно выражению (2), с учетом зависимостей (3)-(4) были получены затраты в систему газоснабжения ЗСГНП в расчете на одну газифицированную квартиру при снабжении от РУ СУГ с электрическим испарителем с промежуточным теплоносителем для двух типов застройки населенных пунктов [7]. Расчетные зависимости ЗСГНП(п) представлены в табл. 1.
Таблица 1
Зависимости для определения ЗСгНП(и)
Тип зданий Зависимость
Двухрядная застройка населенных пунктов
с существующим уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами и отопительными котлами периодического действия 16318,5 • п -°'62 + 207,7(9 • 10-4 Г°'49 п0Д9
с повышенным уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами и отопительными котлами постоянного горения 16318,5 • п-0,62 + 226(9 •Ю-4)"0-5 п0Д42
с повышенным уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами, водонагревателями и отопительными котлами постоянного горения 16318,5 • п-0,62 + 226(4 •Ю-4)-0"5 п0Д42
Многорядная застройка населенных пунктов
с существующим уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами и отопительными котлами периодического действия 16318,5 • п -0,62 + 220,14(4 • 10-V496 п 0Д43
с повышенным уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами и отопительными котлами постоянного горения 16318,5 • п-0,62 + 218,9(4 • 10-V469 п0Д36
с повышенным уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами, водонагревателями и отопительными котлами постоянного горения 16318,5 • п -0,62 + 224,13(4 • 10-4 )-М96 п 0Д2
Для определения оптимальной централизации систем газоснабжения населенных пунктов (минимум функции затрат ЗСГНП) в детерминированной постановке задачи продифференцируем выражения, представленные в табл. 1, по управляющему параметру п и приравняем к нулю:
^сгнп _ о ёп
В результате дифференцирования получаем оптимальное количество квартир, подключаемых к одной резервуарной установке СУГ, выражения для определения которых представлены в табл. 2.
Таблица 2
К определению оптимального количества квартир n t
Тип зданий Количество квартир при типе застройки населенных пунктов
двухрядная застройка многорядная застройка
с существующим уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами и отопительными котлами периодического действия 944,1-(q-KT4)0,61 1924 - (q -10~4)0,65
с повышенным уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами и отопительными котлами постоянного горения 1876,25- (q-104)0,655 2194,3 - (q -10~4)0,62
с повышенным уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами, водонагревателями и отопительными котлами постоянного горения 1570 - (q -10~4)°,63 2997 - (q-10-4)0,67
В отечественной и зарубежной практике для газоснабжения малоэтажных жилых зданий широкое применение получили индивидуальные резервуары с естественным испарением СУГ. Применение индивидуальных резервуаров СУГ имеет целый ряд преимуществ технико-экономического характера по сравнению с централизованным газоснабжением [3], [11], [14]-[16]. Вместе с тем, возрастают затраты в сооружение и эксплуатацию резервуарных установок в расчете на одну газифицируемую квартиру. Следовательно, выбор рациональной схемы газоснабжения потребителей на базе групповых РУ СУГ (централизованные системы газоснабжения) или на базе индивидуальных резервуаров сжиженного газа (децентрализованные системы газоснабжения) требует проведения дополнительных исследований.
Дисконтированные затраты в систему децентрализованного газоснабжения при снабжении потребителей от индивидуальных резервуаров определяются по формуле
Зсдгс = (Е + фру )(Кру + Крг) = (Е + фру ) f [Фopt,Kpopt(gгод)] ,
где КРУ - капвложения в подземный индивидуальный резервуар, руб; КРГ - стоимость редуцирующей головки подземного резервуара, руб; фРУ - доля годовых отчислений на эксплуатацию подземного резервуара и редуцирующей головки, 1/год.
Для обоснования области применения централизованных и децентрализованных систем газоснабжения примем дисконтированные затраты (на одну газифицируемую квартиру) по конкурирующим системам газоснабжения З^пт (4, порХ) и ЗСдГС
оmm / \ _ о
^СГНП (q , nopt ) — ^СДГС ,
где З^ - минимальные затраты в поселковую систему газоснабжения в условиях централизации с учетом оптимального количества газифицируемых квартир, подключаемых к РУ СУГ (формулы, представленные в табл. 1 с учетом данных табл. 2), руб./(годкв); ЗСдГС - затраты в систему децентрализованного газоснабжения на базе
индивидуальных резервуаров с естественной регазификацией СУГ, руб./(годкв).
Приравнивая затраты по конкурирующим вариантам, определяем критическое значение управляющего параметра дкр (метод «критических точек»), при котором сравниваемые системы газоснабжения экономически равноценны. Искомое значение управляющего параметра дкр, чел./га, приведено в табл. 3.
Таблица 3
К определению управляющего параметра целевой функции qкр
Тип зданий Вид застройки населенных пунктов
двухрядная многорядная
с существующим уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами и отопительными котлами периодического действия 124,77 -106 ЗСДГС 15,8 -106 ЗСДГС
с повышенным уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами и отопительными котлами постоянного горения 12,55 -106 ЗС2ДГс 31,1-106 ЗсДГс
с повышенным уровнем тепловой защиты, оборудованные газовыми плитами, водонагревателями и отопительными котлами постоянного горения 31,74 -106 ЗСДГС 6,73 -106 ЗсДГс
Анализ расчетных затрат З"^ и Зсдтс: в области д < дкр и в области д > дкр показывает, что в области д < дкр имеет место соотношение ЗШГНп > Зсдгс, и целесообразно применение децентрализованных систем газоснабжения, а в области д>дкр имеет место соотношение ЗЩГът < ЗСдГС , что обуславливает применение централизованных систем газоснабжения.
Выводы
В целях научного обоснования централизованных систем газоснабжения населенных пунктов разработана экономико-математическая модель оптимальной централизации систем газоснабжения на базе подземных резервуарных установок, учитывающая характер застройки населенного пункта, плотность населения на газо-снабжаемой территории, технические характеристики зданий, характер и режимы работы газового оборудования. Выявлены зависимости для определения оптимального количества квартир, подключаемых к одной резервуарной установке для формирования оптимальной структуры централизованных систем.
Разработана экономико-математическая модель выбора рациональной области применения централизованных и децентрализованных систем газоснабжения на базе подземных резервуарных установок при газификации населенного пункта. Установлено, что экономическая целесообразность применения альтернативных вариантов систем газоснабжения обуславливается, главным образом, плотностью населения на газоснабжаемой территории. Децентрализованные системы газоснабжения на базе индивидуальных резервуарных установок с естественной регазификацией СУГ целесообразно применять в области д < дкр, а централизованные системы газоснабжения - в области д > дкр.
Литература
1. Адская И.Н. Технико-экономические показатели газоснабжения сельских населенных пунктов на базе природного и сжиженного газов // Использование газа в народном хозяйстве. Саратов: СГТУ, 1967. Вып. 6. C.15-17.
2. Коптелова И.Н., Павлюк Ф.А. Оптимизация систем газоснабжения на базе сжиженного газа // Вторая научно-экономическая конференция. М., 1970.
3. Курицын Б.Н. Системы снабжения сжиженным газом. Саратов: СГТУ, 1988. 196 с.
4. Курицын Б.Н., Иванова Е.В.Децентрализованное снабжение сжиженным газом // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2011. №2(110). С. 56-59.
5. Курицын Б.Н., Осипова Н.Н., Кузнецов С.С.К определению эксплуатационных параметров резервуарных установок при комбинированной регазификации сжиженного углеводородного газа // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. Вып. 30(49). С. 216-221.
6. Никитин Н.И. Снабжение сжиженным газом объектов жилищно-коммунального и сельского хозяйства. М.: Стройиздат, 1976. 105 с.
7. Осипова, Н.Н. Выбор схемно-параметрических решений поселковых систем газоснабжения // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. Вып. 24(43). С. 97-103.
8. Осипова Н.Н. К выбору оптимальной централизации резервуарных систем снабжения на базе огневых испарителей сжиженного углеводородного газа // Вестник гражданских инженеров. 2011. №1(26). С. 124-128
9. Осипова Н.Н. Системы автономного газоснабжения населенных пунктов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. Вып. 22(41). С. 115-121.
10. Павлюк Ф.А. Методика выбора оптимальных схем снабжения потребителей сжиженным газом // Использование газа в народном хозяйстве. Саратов: Издательство Саратовского института, 1973. Вып. 10. С. 112-121.
11. Рекомендации по определению оптимальных размеров централизации систем снабжения сжиженным газом от резервуарных установок. Саратов: Гипрониигаз, 1984. 60 с.
12. Рекомендации по оптимизации систем снабжения сжиженным газом. Саратов: Орг-машучет, 1972. 33 с.
13. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра, 1990. 762 с.
14. Dietrichson W. Warmeutvinning up mark, vatten och luft // Miljovanling om den gors ratt. 1994. №4. S. 13-20.
15. Geothermal Heat pumps-Ground source Heat pumps // EGEC - European Geothermal Energy Council a.s.b.l. Brussels, 2009. 16 с.
16. Instruzioni d'uso e manutenzione: Serbatoi GPL per installazioni fuori terra. Walter tosto Serbatoi SPA. Belgium, 2013. 90 p.
References
1. Adskaya I.N. Tekhniko-ehkonomicheskie pokazateli gazosnabzheniya sel'skih naselennyh punktov na baze prirodnogo i szhizhennogo gazov [Technical and economic indicators of gas supply to rural settlements based on natural and liquefied gases]. Ispol'zovanie gaza v narodnom hozyajstve: sb. nauchn. tr. "Giproniigaz" [Use of gas in the national economy: Sat. Scientific. Tr. Gipronigaz]. Saratov: SGTU, 1967, no. 6, pp.15-17.
2. Koptelova I.N., Pavlyuk F.A. Optimizaciya sistem gazosnabzheniya na baze szhizhennogo gaza [Optimization of gas supply systems based on liquefied gas]. Vtoraya nauchno-ehkonomicheskaya konferenciya [The second scientific and economic conference: abstracts of papers]. Moscow, 1970.
3. Kuricyn B.N. Sistemy snabzheniya szhizhennym gazom [Supply systems for liquefied gas]. Saratov: SGTU, 1988. 196 р.
4. Kuricyn B.N., Ivanova E.V. Decentralizovannoe snabzhenie szhizhennym gazom [Decentralized supply of liquefied gas]. Santekhnika, otoplenie, kondicionirovanie [Plumbing, heating, air conditioning], 2011, no. 2(110), pp. 56-59.
5. Kuricyn B.N., Osipova N.N., Kuznecov S.S. K opredeleniyu ehkspluatacionnyh parametrov rezervuarnyh ustanovok pri kombinirovannoj regazifikacii szhizhennogo uglevodorodnogo gaza [To the determination of operational parameters of tank units in the combined regasification of liquefied hydrocarbon gas]. Vestnik Volgogr. Gos. Arhit.-stroit. un-ta [Bulletin of Volgograd. Gos. Architect-builds. Un-ta], 2013, no. 30(49), pp. 216-221.
6. Nikitin N.I. Snabzhenie szhizhennym gazom ob"ektov zhilishchno-kommunal'nogo i sel'skogo hozyajstva [Supply of liquefied gas objects of housing and communal services and agriculture]. Moscow: Strojizdat, 1976. 105 p.
7. Osipova N.N. Vybor skhemno-parametricheskih reshenij poselkovyh sistem gazosnabzheniya [Choice of circuit-parametrical decisions of settlement systems of gas supply]. Vestnik Volgogr. Gos. Arhit.-stroit.un-ta [Bulletin of Volgograd. Gos. Archit.-stroit.un-ta], 2011, no. 24(43), pp. 97-103.
8. Osipova N.N. K vyboru optimal'noj centralizacii rezervuarnyh sistem snabzheniya na baze og-nevyh isparitelej szhizhennogo uglevodorodnogo gaza [To the choice of optimal centralization of reservoir supply systems on the basis of fire evaporators of liquefied hydrocarbon gas]. Vestnik grazhdanskih inzhenerov [Bulletin of Civil Engineers], 2011, no. 1(26), pp. 124-128.
9. Osipova N.N. Sistemy avtonomnogo gazosnabzheniya naselennyh punktov [Systems of autonomous gas supply of settlements]. Vestnik Volgogr. Gos. Arhit.-stroit.un-ta [Bulletin of Volgograd. Gos. Archit.-stroit.un-ta], 2011, no. 22(41), pp. 115-121.
10. Pavlyuk F.A. Metodika vybora optimal'nyh skhem snabzheniya potrebitelej szhizhennym gazom [Methodology for choosing optimal schemes for supplying consumers with liquefied gas]. Is-pol'zovanie gaza v narodnom hozyajstve [Use of Gas in the National Economy]. Saratov: Iz-vo Sarat. in-ta, 1973, no. 10, pp. 112-121.
11. Rekomendacii po opredeleniyu optimal'nyh razmerov centralizacii sistem snabzheniya szhizhennym gazom ot rezervuarnyh ustanovok [Recommendations for determining the optimal size of the centralization of supply systems with liquefied gas from storage facilities]. Saratov: Giproniigaz, 1984. 60 p.
12. Rekomendacii po optimizacii sistem snabzheniya szhizhennym gazom [Recommendations on optimization of supply systems with liquefied gas]. Saratov: Orgmashuchet, 1972. 33 p.
13. Staskevich N.L., Severinec G.N., Vigdorchik D.YA. Spravochnikpo gazosnabzheniyu i is-pol'zovaniyu gaza [Handbook on gas supply and use of gas]. Leningrad: Nedra, 1990. 762 p.
Осипова Н.Н. Обоснование выбора структуры газораспределительной системы населенного пункта // Вестник Череповецкого государственного университета. 2017. №5(80). С. 37-44.
For citation: Osipova N.N. The substantiation of the selection of the structure of the gas distribution system of the human settlement. Bulletin of the Cherepovets State University, 2017, no. 5 (80), pp. 37-44.
