CC BY
7
10. Копп, А. М. Об одном подходе к решению задачи оптимизации структуры бизнес-процессов предприятия [Текст]: сб. науч. тр. / А. М. Копп, Д. Л. Орловский // Вюник НТУ «ХП1». Серiя: Системний ан^з, управлшня та шформа-цiйнi технологи. - 2015. - № 58. - С. 102-108.
11. GitHub - andrei1293/bizagi-dfd-analysis-tool [Electronic resource]. - Available at: https://github.com/andrei1293/bizagi-dfd-analysis-tool
Рекомендовано до публжацп д-р техн. наук, професор Гамаюн I. П.
Дата надходження рукопису 25.10.2017
Копп Андрш Михайлович, астрант, кафедра програмно! шженери та iнформацiйних технологш управ-лiння, Нацiональний технiчний ушверситет «Харкiвський полiтехнiчний iнститут», вул. Кирпичова, 2, м. Харк1в, Укра!на, 61002 E-mail: kopp93@gmail.com
Орловський Дмитро Леошдович, кандидат технiчних наук, доцент, кафедра програмно! iнженерi! та iнформацiйних технологш управлшня, Нацюнальний технiчний унiверситет «Харшвський полiтехнiчний iнститут», вул. Кирпичова, 2, м. Харшв, Укра!на, 61002 E-mail: ordm@kpi.kharkov.ua
УДК: 620.93: 66.083.4
Б01: 10.15587/2313-8416.2017.118793
ПОКРИТТЯ П1КОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ ЗА РАХУНОК УТИЛ1ЗАЦП ПЕРЕПАДУ ТИСКУ НА ГРС
©С. П. Крушневич, О. I. П'ятничко, Г. В. Жук, М. А. Солтаниберешне
Зниження тиску природного газу на газорозподшьчих станцiях та пунктах вiдбуваeться з втратою енергИ. Встановлення детандера для утилгзаци перепаду тиску дозволяе використати цю енергiю, але вна^док значного зниження температури газу тсля детандеру потрiбно збыьшувати кшьюсть палив-ного газу для попереднього пiдiгрiву. Автори виконали паливно-економiчний розрахунок для порiвняння балансу мiж затратами та виробництвом енергИу грошовому еквiвалентi
Ключо^^ слова: ГРС, ГРП, ГТС, виробництво електрики, утилiзацiя енергИ] перепад тиску, природний газ
1. Вступ
1снуюча газотранспортна система Укра!ни може забезпечити транзит природного газу через свою територш в обсязi до 170 млрд. м3/рш по газопроводах високого тиску загальною довжиною 33 тис. км.
Подача газу споживачам забезпечуеться газопроводами низького тиску. Подача газу до споживача ввд мапстрального газопроводу i зниження його тиску ввдбуваеться на газорозпод№них станщях (ГРС) та пунктах (ГРП), при цьому енерт ввд розширення газу безповоротно втрачаеться. На ГРС тиск газу знижують до 1,2-1,6 МПа, попм на ГРП - до 0,10,3 МПа [1]. Розрахунки показують, що при розши-ренш природного газу в турбодетандерних установках на ГРС з 4,0 до 0,6 МПа можна виробити 47 кВтгод електрично! енергп i приблизно стшьки ж холоду на рiвнi -100 °С на кожш 1000 н.м3 газу.
2. Лггературний огляд
Рiшенням НАК «Нафтогаз Укра!ни», ДК «Укр-ТрансГаз» i ввдповщно до «Енергетично! стратегй' Украши на перюд 2006-2010 роюв» передбачалося створен-ня 54 утитзацшних турбодетандерних електростанцiй на ГРС сумарною потужнiстю 300 МВт, проте щ роботи не були розпочат! Необхвдш капiтальнi ви-трати, на той час, оцшювалися в 725 млн. грн. Очiкувана економiя природного газу могла сягнути
0,8 млрд. м3/рш, при виробництвi електроенергп в обсязi 1,5...2,0 млрд. кВтгод.
Питання особливостей установки детандера на ГРС розглядався в лiтературi неодноразово. У робот [2] придiлено увагу особливостям розрахунку детандера в умовах ГРС i показано, що прийняття в якосп робочого тiла повiтря, замють природного газу вносить суттеву похибку в результати розрахунк1в. В ро-ботi [3] представлено конструкцш кiлькох детанде-рiв, як1 можуть бути використанi в складi ГРС, представлено меж! ймовiрностi утворення пдрапв та показано термш окупностi у 4.5-8 рок1в, але не приведено шформащю по економiчному балансу м1ж ви-робленою електричною енергiею та затратами на ш-дiгрiв газу.
В роботах [4] та [5] демонструються результати розрахуншв по можливому впровадженню детандера на к1лькох ГРС у Бангладешi [4] та 1раш [5], показано необхiднiсть у попередньому пiдiгрiвi природного газу для уникнення гiдратоутворення. Порiв-няння балансу затрат на природний газ для пщ^ву та вироблено! електрично! енергп не проводиться у обох роботах. Додатково, у робот [5] наведено коли-вання рiчного споживання природного газу через ГРС та ввдповщна змiна витрати паливного газу. В робоп [6] запропонована щея використання палив-них елементiв в якосп джерела теплоти для попереднього пщ^ву природного газу, показано рiчне ко-
ливання температури природного газу на входi в ГРС 1рану, але також не проведено порiвняння вартосп отримано! та затрачено! енергii, що викликае певну недовiру з точки зору реально! економи ресурсiв в масштабi кра!ни.
3. Мета та задачi дослiдження
Метою дослiдження дано! роботи стало порiв-няння роботи, яку можна отримати в результат роботи детандера та природного газу, який потрiбно ви-користати для попереднього щщ^ву у одних оди-ницях - грошовому екшваленп з врахуванням тари-фiв в УкраЫ.
Для досягнення мети, враховуючи данш з ль тературного огляду, були поставленi наступнi задачi:
1. За допомогою програми моделювання теп-лофiзичних характеристики побудувати модель ГРС з дроселем та детандером;
2. Визначити параметри природного газу тсля його розширення за допомогою дроселя та детандера.
Визначення необхвдно!' потужностi попереднього т-дiгрiвача газу;
3. Визначення витрат паливного газу для за-безпечення потрiбноi' теплово! потужностi;
4. Приведения вироблено! електрично! енергi! та затрат паливного газу до однакових одиниць -грошового екиваленту.
4. Побудова моделi розширення природного газу на ГРС та розрахунки
Спрощена схема ГРС (ГРП) представлена на рис. 1. Газ з мапстрального газопроводу тд високим тиском, подаеться на дросель, де розширюеться до потрiбного тиску. В результат розширення температура iстотно знижуеться, на фото (рис. 2) показано обмерзания трубопроводу тсля дроселя влгтку. Для замби-ання утво-ренню пдрапв в потоцi природного газу, газ пщ^ваеться за допомогою вогневих, або шших пiдiгрiвачiв до температури на виходi гарантовано вищо!, нiж точки початку утворення гiдратiв метану.
Рис. 1. Спрощена схема ГРС
Рис. 2. обмерзання трубопроводу шсля дроселя
Зазвичай, на територii i поблизу ГРС спожи-вачi холоду ввдсутш, тому вся енергiя, що виднеться при розширеннi газу, даремно втрачаеться в на-вколишне середовище.
Було проведено дослщження можливостi ви-роблення електрично! енерги на прикладi ГРС «Бша Церквам» за рахунок енергii розширення природного газу з наступними вихвдними параметрами:
Рн=4 МПа; Рк=0.3; 0.6; 1.2 МПа; Н=+15 °С; 4=+10 °С;
0н=0к=22000 н.м3/год,
де н - початкове значення (параметри мапстрального газопроводу); к - кiнцеве значення (параметри газопроводу споживача).
Отримання механiчноi енергii на перепадi тисшв виконуеться за допомогою детандерно! установки. У зв'язку з тим, що розширення за допомогою детандера призводить до ютотного зниження температури газу, то для порiвняння економжи в розрахунках прийнято витрату паливного газу для вогневого пда^вача з тепловим ККД 90 % [7] i прийнята теплотворна здатнiсть цього газу на рiвнi
31,8 МДж/м3 (згiдно ГОСТ 5542-87 та «Кодексу ГТС»). Тут i надалi природний газ, який подаеться спожи-вачевi, будемо називати «товарний природний газ», а той, що використаний для пда^ву товарного газу - «паливний газ».
Розрахунки виконано за допомогою програми термодинамiчних розрахункiв ГазКондНафта [8], яка дозволяе з високою точнiстю моделювати процеси стискання-розширення газiв заданого складу та поча-ткових умов. Результати представлеш в табл. 1.
Таблиця 1
Порiвняння параметрiв при розширеннi природного газу на дроселi та детандер^
при витратi 1 000 н.м3/ год
Параметр Тиск газу на виход^ МПа
0,3 0,6 1,2
Дросель
Перепад температури, ° С 18,6 17,2 14,3
Кiлькiсть тепла для тд^ршу товарного газу, МДж/год 23,0 20,6 15,7
витрати паливного газу на тдц^в товарного газу, н.м3/год 0,80 0,72 0,55
детандер
Перепад температури, ° С 155,9 115,4 74,5
Кiлькiсть теплоти для тдцршу товарного газу, МДж/год 261, 9 188,9 118,6
Потужшстъ детандера, кВт 66,34 46,72 28,35
Витрати паливного газу на пiдiгрiв товарного газу, н. м3 9,15 6,60 4,14
5. Оцшка результатiв розрахуншв
Як видно з результатiв розрахуншв при вико-ристаннi детандера, перепад температур мiж його входом та виходом в 5-8 разiв вище, нiж при викори-станнi дроселя, що призводить до тдвищення витрат паливного газу в вогневому пiдiгрiвачi в 7-11 разiв.
За даними мiнiстерства енергетики та вугшь-но! промисловостi Украши, за 2015 рж використання природного газу споживачами в Укра!т склало 33,8 млрд. м3 [9]. Виходячи з отриманих вище даних i прийнявши, що 10 % ввд цього обсягу буде проходи-ти через ГРС з виробленням електрично! енергп, при середньому зниженнi тиску з магiстрального газопроводу з 4,0 до 0,6 МПа, на детандерах можна от-римати наступну потужнiсть за рш:
46, 72-
кВт
:33,8-106тис. н. м3-10 % =
= 150 ГВт ел. енергп (р = 0.95).
(1)
Витрати паливного газу для пщ^ву товарного газу перед зниженням тиску за допомогою дро-сельного пристрою:
н.м3 (паливний газj
0,00072-jj-х
н.м (товарний газ)
х33,8 ■ 106тис. н. м3- 10% =2,43 млн. н. м3 (2)
Витрати паливного газу для пщ^вання товарного газу перед детандером:
н.м3 (паливний газj
0,0066--}-{ х
н.м (товарний газ j
х33,8 ■ 106тис. н. м3- 10 % =22,3 млн. м3. (3)
Для оцiнки доцiльностi виробництва електрично! енерги на ГРС виконаний паливно-економiчний аналiз. Для цього були прийняп наступнi тарифи, ак-туальнi на лютий 2017 року:
- Електрична енерпя, тариф для шдприемств: 2.0486 грн/кВт год [10];
- Природний газ для щдприемств: 7.5516 грн/м3
[11].
Результати порiвняння представлеш в табл. 2. Знак «+» вказуе на прибуток, «-» - збиток.
Таблиця 2
Порiвняння паливно-економiчноï ефективностi (грн/год), на 1000 н.м3/год
Параметр Тиск газу на виход^ МПа
0,3 0,6 1,2
Дросель Прибуток: -6,04 -5,44 -4,16
детандер. Витрати на тдагрв газу -69,05 -49,82 -31,25
Вироблення ел. ен. за допомогою детандера +135,90 +95,70 +58,09
Прибуток: +66,85 +45,88 +26,84
3
6. Результати дослвдження Як видно з результапв порiвняння паливно-економiчноï ефективносп спосiб утилiзацiï енергiï перепаду тиску на ГРС з застосуванням детандера, при поточних тарифах на енергоносп, показуе свою прибутковють у вах трьох розглянутих випадках.
Для випадку ГРС «Бiла Церквам», при знижент тиску на детандерi з 4,0 до 0,6 МПа, при витрап газу через ГРС в обсязi 22000 н.м3/год можна отримати прибуток в розмiрi 650,54 грн. за годину, або 5,7 млн. грн. за рж. Звичайно, частина ще! суми пiде на тех-тчне обслуговування значно складно! установки i
повернення коштiв за покупку устаткування, але, тим не менше, навиъ без використання «зеленого тарифу» ГРС отримуе помiтний прибуток.
Якщо врахувати, що велика частина електрично! енергп виробляеться на теплових електростанщях з ККД 30 %, то затрати природного газу можуть бути знижеш ще в 2,5 раз, що дуже позитивно впливае на енергетичну незалежнiсть Укра!ни та скорочення ви-кидiв парникових газiв.
Крiм того, в зв'язку зi зростанням споживання природного газу в години тк, пропорцiйно збшьшу-еться i виробництво електрично! енергi!, що в цшому сприятливо позначиться на добовому навантаженнi електричних мереж Укра!ни.
Результати розрахунк1в показали схожють з практичними результатами впровадження утилiзацi! перепаду тиску в мгсп Staglieno, Iталiя, де га-зорозподшьна станцiя забезпечуе природним газом квартал, в якому знаходиться школа, автобусний парк, газова автомобшьна заправна станщя, по-жежна частина та площа Гаветта, на як1й розмiсти-лися невелиш одно- i двоповерховi приватш будин-ки. Навiть з урахуванням добових i рiчних коливань витрати природного газу, економiя вiд впровадження склала бшьше 500,000 м3 в рiк природного газу, який мав би тти на виробництво електрично! енергп [12].
7. Висновки
1. Завдяки комп'ютерно! моделi вдалось викона-ти розрахунки параметр1в природного газу в процеа розширення на дроселi та детандерi з однаковими поча-тковими умовами та заданим перепадом тиску;
2. В таблиц 2 наведено питомi значения пара-метрiв на 1000 н.м3 природного газу, що дозволяе ви-користати щ результати для iнших ГРС з аналопч-ними початкових та шнцевих параметрiв;
3. Результати наведеш в таблицi 2 показують, що у вах варiантах замiни дроселя на детандер е по-зитивний економiчний ефект навiть без застосування «зеленого тарифу», що сввдчить про високу енергетичну ефектившсть природного газу;
4. Вироблення електрично! енергп на ГРС за-лежить ввд витрати газу, яка в пiковi години доби зростае, що дозволяе компенсувати аналопчний пiк споживання електрично! енергп i тим самим значно шдвищити стабiльнiсть електричних мереж Укра!ни в цiлому та бiльш рiвномiрне розподiлення електро-генеруючих потужностей по територи кра!ни;
5. Вироблена електрична енергiя на ГРС пот-ребуе в 2,5 раз менше природного газу, шж та сама електрична енерпя, що буде вироблена на тепловш електростанцп за допомогою газових турбш простого циклу. Це вщповщно скоротить викиди вуглекислого газу у атмосферу.
Лiтература
1. Черных, А. П. Использование перепада давления газа, редуцируемого на ГРС и ГРП для получения электроэнергии и тепла [Текст] / А. П. Черных // Вюник шженерно! академй Укра!ни. - 2009. - № 1. - С. 251-256.
2. Chekardovskiy, M. Upgraded Algorithm for Calculating the Turbo-Expander of Gas Distribution Stations [Text] / M. Chekardovskiy, S. Chekardovskiy, K. Ilyukhin, A. Gladenko // MATEC Web of Conferences. - 2016. - Vol. 73. - P. 01020. doi: 10.1051/matecconf/20167301020
3. Kowala, D. Using the gas pressure potential for electricity generation at Pressure Reduction Stations [Text] / D. Kowala, W. Kostowski. - Gliwice: Silesian University of Technology Institute of Thermal Technology. - 20 p.
4. Rahman, M. M. Power generation from pressure reduction in the natural [Text] / M. M. Rahman // Journal of Mechanical Engineering. - 2011. - Vol. 41, Issue 2. - P. 89-95. doi: 10.3329/jme.v41i2.7472
5. Ardali, E. K. Energy regeneration in natural gas pressure reduction stations by use of gas turbo expander; evaluation of available potential in Iran [Text] / E. K. Ardali, E. Heybatian. - 2008. - Available at: http://members.igu.org/html/ wgc2009/papers/docs/wgcFinal00399.pdf
6. Darabi, A. Economic assessment of a hybrid turboexpander-fuel cell gas energy extraction plant [Text] / A. Darabi, A. Shariati, R. Ghanaei, A. Soleimani // Turkish Journal Of Electrical Engineering & Computer Sciences. - 2016. - Vol. 24. -P. 733-745. doi: 10.3906/elk-1303-7
7. Подогреватели газа [Электронный ресурс]. - Завод нефтегазовых технологий. - Режим доступа: М1р:/^^1сот.ш/ик/контакгы/15-подогреватели-газа
8. ГазКондНефть - Программная система для компьютерного моделирования технологий промыслового сбора и обработки природного газа и нефти, газоразделения и фракционирования нефти и конденсата [Электронный ресурс]. - Термо-газ. - Режим доступа: http://gascondoil.com/
9. У 2015 рощ Украша скоротила використання природного газу на 21 % [Електронний ресурс]. - НАК «Нафтогаз Украши». - Режим доступу: http://www.naftogaz.com/
10. Тарифи на електричну енергта з 1 ачня 2016 року [Електронний ресурс]. - Ки!венерго. - Режим доступу: http://kyivenergo.ua/ee-company/tarifi
11. Прейскурант на природний газ з 1 счня 2016 року [Електронний ресурс]. - НАК «Нафтогаз Украши». - Режим доступу: http://www.naftogaz.com/files/Information/Naftogaz-gas-prices-Jan-2016.pdf
12. Borelli, D. Waste Energy Recovery from Natural Gas Distribution Network: CELSIUS Project Demonstrator in Genoa [Text] / D. Borelli, F. Devia, M. Marre Brunenghi, C. Schenone, A. Spoladore // Sustainability. - 2015. - Vol. 7, Issue 12. -P. 16703-16719. doi: 10.3390/su71215841
Дата надходженнярукопису 27.10.2017
Крушневич Сергш Петрович, кандидат техтчних наук, науковий ствробиник, Вщдш газових технологш, 1нститут газу Нацюнально! Академп Наук Украши, вул. Дегтярiвська, 39, м. Ки!в, Украша, 03113
E-mail: admin@sergeyk.kiev.ua
П'ятничко Олександр 1ванович, кандидат техшчних наук, старший науковий спiвробiтник, Ввддш га-зових технологiй, 1нститут газу Нацюнально! Академii Наук Украши, вул. Дегтярiвська, 39, м. Кшв, Украша, 03113 E-mail: aipkiev@ukr.net
Жук Геннадий Вилиорович, доктор техшчних наук, старший науковий ствробгтник, заидувач ввддь лом Ввддш газових технологiй, 1нститут газу Нацюнально1' Академii Наук Украiни, вул. Дегтярiвська, 39, м. Киiв, Укра1на, 03113 E-mail: hen_zhuk@ukr.net
Солташберешне Мехрзад Ал1, аспiрант, молодший науковий сшвробгтник, Вiддiл газових технологiй 1нститут газу Нацюнально1' Академii Наук Укра!ни, вул. Дегтярiвська, 39, м. Кшв, Украша, 03113
УДК 515.2
DOI: 10.15587/2313-8416.2017.117920
ГЕОМЕТРИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ МОБ1ЛЬНО1 УСТАНОВКИ ДЛЯ ЗАПУСКУ БЕЗП1ЛОТНИХ Л1ТАЛЬНИХ АПАРАТ1В
© Л. М. Куценко, О. М. Семюв, А. Я. Калиновський, М. М. Пжсасов, О. I. Сухарькова
Розроблено геометричну модель мобшьноИ метальной установки типу требушет, призначено'1 для запуску (катапультування) малих безпшотних лтальних апаратiв. Конструктивно механ1зм запуску поедна-ний з легковим автомобшем, що сприяе його мобiльностi. Крiм того, сам автомобшь використовуеться у якостi противаги в конструкци требушет. Розрахунки руху механизму запуску виконано з використан-ням рiвнянь Лагранжа другого роду. Наведено тестовi розрахунки
Ключовi слова: геометрична модель, безпшотний лiтальний апарат, требушет, лагранжiан, рiвняння Лагранжа другого роду
1. Вступ
У наш час широке поширення набули малi безпшотш апарати лггакового типу. Вони призначеш для виконання великого спектру завдань по монгто-рингу об'ектгв сшьського й лГсового господарства. Одним гз головних моментгв при експлуатаци таких апаратГв у нешдготовлених польових умовах е запуск у повГтря. Для цього використовуються пусковГ при-стро! рГзних конструкцш типу катапульти [1]. Катапульта повинна забезпечувати надшний пуск лггаль-ного апарата, причому параметри пуску повиннГ бути сталими при кожному наступному запуску.
До конструкцш катапульт лггальних апаратГв невелико! маси (—5-15 кг), якг використовують пере-важно мюцевГ служби сГльського й лГсового господарства, придГляють вимоги, серед яких:
- мобГльнГсть розгортання Г згортання установки, коли старт Г приземлення лгтакгв не сшвпадати-муть на мГсцевостГ;
- високг експлуатацшш якостГ, у тому числГ невибагливГсть до зберГгання;
- надГйнГсть Г працездатшсть у рГзних погод-них умовах.
КрГм того, бажана вгдсутшсть у конструкци катапульти деталей з гуми (яка не довговГчна, особливо у спеку Г морози), а також вадсутшсть пневматики, пГропатрошв та електрошки (якг потребують профГлактичних робГт Г притаманнГ для бГльш кошто-вних технологГй запуску апаратГв).
Серед рГзновцщв катапульт, якг задовольняють зазначеним вимогам, увагу привертае механГзм требушет [2], де об'ект для метання приеднуеться до його пращ. Стосовно запуску безпГлотного лГтального апа-
рату це виглядатиме так. В результат! спрацювання пращГ виконуеться «розгш» апарату до моменту набут-тя ним необидно! швидкостг, пГсля чого, вгдчепившись вгд пращГ, той продовжуе полГт на власному двигунГ.
Для забезпечення ефективно! динамГки запуску необхгдно розрахувати значення параметрГв требушет, що дозволить здшснювати надшш повсякден-нГ старти апарату. Розрахунки доцшьно здГйснити у рамках мехашки Лагранжа [3], де враховуються змь ни кГнетично! Г потенцГально! енергп системи. У результат! розв'язання рГвняння Лагранжа другого роду необхгдно одержати траекторш перемГщення точки центру маси безпшотного лГтального апарату, приед-наного до пращГ. Це в свою чергу дозволить визначи-ти кут Г швидкгсть вильоту апарату в момент його вь докремлення вгд пращГ. 1деалГзована геометрична модель е першим етапом дослгдження реального пристрою для катапультування, який шсля доопрацю-вання можна використовувати на практицг
Таким чином можна зробити висновок, що для запуску малого безпшотного лГтального апарату щ-кавими будуть дослгдження, пов'язанГ Гз застосову-ванням требушет, який задовольняе вимогам до недорогих катапульт. Для забезпечення ефективно! ди-намши требушет розрахунки необхГдно виконати у рамках механГки Лагранжа. Цим обгрунтовуеться ак-туальнГсть проведення даних дослгджень.
2. Огляд лггератури
У найпоширенГшГй конструкци катапульти для запуску лГтальних апаратГв використовуються лшшш напрямнГ, по яким розганяеться апарат, використо-вуючи гумовГ, пружиннГ, пневматичнг або пороховГ
