CC BY
17
УДК 622.691-50
Правильный прогноз газопотребления - ключ к рациональному выбору резерва производственных мощностей газораспределительных систем
Н.М. Сторонский1, М.Г. Сухарев12, Р.В. Самойлов1*, И.В. Тверской1, А.А. Акоста1
1 АО «Газпром промгаз», Российская Федерация, 142702, Московская область, Ленинский район, г. Видное, Вокзальная ул., д. 23
2 РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, Российская Федерация, 119991, г. Москва, Ленинский пр-т, д. 65, к. 1
* E-mail: R.Samoilov@promgaz.gazprom.ru
Ключевые слова: Тезисы. Прогноз потребления газа требуется для принятия решений по структуре и производствен-прогноз ным мощностям при проектировании газораспределительных систем. В условиях поэтапного завер-
газопотребления, шения газификации городов и населенных пунктов развитие территории и реконструкция сетей га-газораспредели- зораспределения продолжаются из-за нового жилищного и промышленного строительства и изме-тельные системы, нения спроса на газ. И при развитии, и при реконструкции качество принимаемых технических реше-коэффициенты ний зависит от того, насколько обоснован прогнозный спрос на газ. В статье указываются факторы,
суточной влияющие на объемы и графики потребления газа. Раскрываются предстоящие тенденции их изме-
и сезонной нения, обусловленные сдвигами в мировой энергетике. Приводится критический анализ норматив-
неравномерности, ных документов, регламентирующих процедуры прогноза, и даются рекомендации по их совершен-нормативы ствованию. Обращается внимание на необходимость институциональных изменений между газос-
газопотребления, бытовыми организациями и потребителями для сокращения избыточных резервов в системах газоуровень распределения. газификации.
Технологические аспекты. Цели резервирования. К объектам распределения природного газа следует отнести как объекты магистрального транспорта, так и сети газораспределения (СГР). К первой группе относятся магистральные распределительные газопроводы (МРГ), газопроводы-отводы (ГО), газораспределительные станции (ГРС). Они находятся под управлением газотранспортных организаций. Это так называемая «высокая часть» - технологические объекты с высоким давлением газа. За эксплуатацию СГР отвечает другой оператор - газораспределительная организация. Объекты СГР могут располагаться в пределах жилой застройки, рабочее давление газа здесь значительно ниже магистрального: это «низкая часть». Все перечисленные объекты работают в гидравлически взаимосвязанных режимах, и это надо учитывать при решении вопросов резервирования производственных мощностей. Мощности должны быть сбалансированы, при проектировании развития и реконструкции не следует допускать узких мест. Соблюдение сбалансированности осложняется разными расчетными процедурами, регламентированными нормативными документами. Согласно стандарту организации СТО Газпром 2-3.5-051-20061 МРГ рассчитываются на максимальный суточный расход, а ГО и ГРС - на максимальный часовой расход. Максимальный час принимается2 за основу также при расчете производственных мощностей СГР.
Резервирование производственной мощности СГР следует рассматривать как один из способов обеспечения надежности снабжения потребителей. Ту же цель преследуют мероприятия системного - в рамках Единой системы газоснабжения (ЕСГ) РФ - характера: на входе в МРГ и ГО должно поддерживаться давление, способное
1 См.: Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов: СТО Газпром 2-3.5-051-2006.
2 См. Свод правил по проектированию и строительству. Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб: СП 42-101-2003.
обеспечить подачу газа потребителям в требуемых объемах. Сложность задачи обеспечения надежности снабжения потребителей определяется топологией и составом объектов в СГР и соответствующем фрагменте газотранспортной системы (ГТС), осуществляющем поставку газа.
Прогнозирование объемов газопотребления. Выбор объемов резервирования производственной мощности регламентируется нормативными документами и зависит во многом от того, как определяются потребности в газе на перспективу. Обоснованное определение прогнозного спроса является необходимым условием принятия правильных решений по структуре и технологическим параметрам территориальных систем магистрального транспорта и распределения газа. Прогноз потребления строится начиная от конечных потребителей и с нарастающим итогом (против течения) аккумулирует совокупные значения прогноза по ГРС и далее по объектам ГТС.
Информация о прогнозных объемах потребления природного газа на среднесрочную и отдаленную перспективы на уровне региона требуется при разработке:
• генеральных схем и комплексных инвестиционных проектов газоснабжения и газификации регионов России;
• программ развития и реконструкции территориальных систем магистрального транспорта, распределения и хранения газа;
• решений по обеспечению бесперебойного газоснабжения потребителей.
В зависимости от проблемы требуются различные временные срезы прогнозирования: суммарный объем годового потребления, графики потребления в годовом, недельном и в суточном разрезах. Этой информации достаточно для принятия решений при проектировании всех перечисленных выше объектов систем распределения газа, а именно МРГ, ГО, ГРС, СГР. Очевидно, что объекты системы газоснабжения, приближенные к конечному потребителю, в определенные интервалы времени загружены не полностью, т.е. имеют резерв производственной мощности. Резервы закладываются при расчетах, что во многом определяет надежность снабжения потребителей [1-3]. В результате, например,
производственная мощность газопроводов-отводов в среднем за год используется далеко не полностью3. С одной стороны, газотранспортным и газораспределительным организациям резерв дает возможность маневрирования, обеспечивает лучшую управляемость системой, повышает надежность снабжения потребителей. С другой стороны, неоправданно завышенный резерв означает омертвление капитала, приводит к нерентабельности мероприятий по дальнейшей газификации страны.
Для прогнозирования графиков газопотребления можно применять разные методы, соответствующие целям исследования и уровню заблаговременности [4-14]. Практическое значение имеет исследование процессов газопотребления как конкретных, так и агрегированных4 потребителей. Иногда агрегированным потребителем удобно считать совокупность конечных потребителей, получающих газ от одной ГРС [4, 5]. В последнее время привлекает внимание даже прогноз газопотребления отдельного здания [6, 7]. В связи с повышением уровня информатизации объектов и систем ЕСГ объемы информации о потреблении газа растут, что позволяет в принципе принимать более обоснованные решения при прогнозировании.
Факторы, влияющие на прогнозный спрос. Состав потребителей во многом определяет специфику процессов газопотребления. Используются разные варианты группировки
3 Вопрос о том, как следует количественно оценивать загрузку объектов ЕСГ, нуждается в научном обосновании. Некоторые «специалисты», действуя по принципу минимизации умственных усилий, утверждают, что средняя загрузка газопроводов-отводов и ГРС составляет 25 %. Этот результат получается, если средний за год объем поставок разделить на суммарную потенциально возможную подачу. Такой подход не выдерживает критики: проектные решения по ГО и ГРС принимаются
по максимальной часовой загрузке, а не по средней за год. «Специалисты» были бы правы, если бы в период максимального спроса подача составляла 25 % от технически возможной при тех режимах, которые характерны для ЕСГ при максимальной загрузке.
4 Агрегированным потребителем называется множество абонентов системы газоснабжения, для которых определяется суммарное потребление (что требуется для решения той или иной проблемы). Агрегированными потребителями могут считаться, например, населенный пункт, район, город, городская агломерация, регион.
потребителей. Иногда выделяют три сектора: население, коммунально-бытовой и промышленность5. Применяется и более дифференцированная градация, например: сельское хозяйство, энергетика, промышленность по секторам, коммунально-бытовое хозяйство, объекты теплоэнергетики.
Структура потребления каждого из агрегированных потребителей зависит от многих факторов: климатических условий, специфики наиболее энергоемких промышленных производств, особенностей бытового уклада населения и др. Степень влияния всех этих факторов может быть установлена путем обработки статистических данных. При этом лучше пользоваться информацией за последние годы, так как объемы и структура потребления меняются под влиянием изменений в экономике, энергетике, условиях жизни людей.
Графики почасового потребления зависят от структуры потребления (распределения по секторам) и от погодных, хронологических (изменение по дням недели, по признаку «рабочие дни / праздники»), производственных факторов. В суточном разрезе там, где превалируют секторы «население» и «коммунально-бытовое хозяйство», потребление обычно снижается в ночные часы и увеличивается в часы повышенной деловой активности, отопительной нагрузки и пр. В недельном цикле наблюдается, как правило, некоторое снижение спроса в субботу и еще большее в воскресенье и в праздничные дни6. В годовом разрезе спрос обычно коррелирован с годовым ходом температур.
К погодным факторам прежде всего относится температура окружающей среды. Обычно пользуются средней за сутки температурой воздуха. На объемы потребления влияют также скорость и направление ветра, облачность, влажность, интенсивность осадков и некоторые другие погодные характеристики7. Поскольку технические решения принимаются
5 Или же делят последний сектор на промышленность и электроэнергетику. Тем самым учитывается, что доля потребления газа на генерацию электричества высока (в Москве около 80 %) и имеет тенденцию
к возрастанию.
6 Но всегда могут быть исключения из правил. Например, некоторые абоненты охотно соглашаются на повышенное потребление газа в ночные
часы, и тогда график суточного потребления выполаживается.
7 Как показывают наблюдения, степень влияния этих факторов может существенно различаться для потребителей в зависимости от географических координат и расположения на местности [8].
с учетом обеспечения спроса на газ даже в периоды экстремальных понижений температуры, то в соответствующую модель перспективного прогноза целесообразно вводить только факторы, характерные для этих периодов.
На объемы газопотребления оказывают бесспорное влияние факторы, определяющие условия жизни человека как индивидуума и как члена общества. Наличие или отсутствие контроля количества потребляемого газа -один из них. После установки приборов учета газа в домовладениях, как показывает опыт, потребление газа снижается. В перспективе следует ожидать, что в развитии отечественной энергетики будут прослеживаться тенденции, наблюдаемые в настоящий момент во многих странах. Прогресс в области создания возобновляемых источников энергии (ВИЭ) привел к снижению стоимости такой энергии и увеличению ее доли в энергобалансе. В РФ цена на газ ниже, чем на энергию от ВИЭ, и разрыв цен весьма значителен. Следует, однако, ожидать, что разрыв с течением лет будет сокращаться. Тогда в условиях роста цены на газ и одновременного снижения цен на ВИЭ (солнечные батареи, ветродвигатели), скорее всего, следует ожидать снижения объемов потребления газа в секторе «население». И наоборот, совершенствование конструкции газогенераторов и повышение их КПД с большой вероятностью приведет к изменениям в конкурентных отношениях «электроэнергия ^ газ» в сторону повышения доли последнего не только по сектору «население», но и по сектору «коммунально-бытовое хозяйство». Мелкие и средние потребители проголосуют рублем за более дешевые источники энергии. Происходящие изменения в энергетике необратимы, их нельзя остановить. И нельзя пренебрегать ими при разработке процедур прогноза газопотребления. Законодательные и нормативные акты нового поколения должны подталкивать развитие энергетики в нужном направлении, а не фиксировать статус-кво, считая запасы газа неисчерпаемыми и технологии использования газа незыблемыми.
Важен здесь еще один аспект - психологический. Вопросы энергообеспечения тесно связаны с тем, готов ли человек воспользоваться новыми, появляющимися на рынке энергопотребляющими приборами и технологиями. Полезным может оказаться международный опыт, причем не только «западный»,
но и «восточный». Энергетическая политика и новации в области энергетики в таких странах, как Китай, Япония, Республика Корея заслуживают тщательного изучения; не исключено, что некоторые их достижения окажутся полезными в российских условиях.
Производственные (внутрисистемные) факторы в газоснабжении, безусловно, влияют на технические возможности подачи газа. Причиной уменьшения предельных объемов поставок может быть снижение производственной мощности из-за частичных отказов: засорения труб, износа силового оборудования и т.д.
Неопределенность прогноза газопотребления усугубляется тем, что нельзя заранее определить долю индивидуальных хозяйств, которые воспользуются возможностью перейти на сетевой газ. Непосредственно на собственника ложится оплата устанавливаемого в хозяйстве газоиспользующего оборудования и подключение к распределительному вну-трипоселковому газопроводу. Для малоимущей части населения такие затраты могут оказаться чрезмерными. Еще один весьма значимый источник неопределенности - вероятностный характер выполнения планов строительства и ввода в строй промышленных объектов и развития жилого фонда.
Нормативные документы. Подготовка информации о перспективном потреблении газа для принятия решений при проектировании объектов газоснабжения регламентируется сводом правил СП 42-101-20032 и стандартом организации «Газпром газораспределение»8 (далее - стандарт «Газпром газораспределения»). Эти документы предписывают рассчитывать производственную мощность распределительных (за ГРС) сетей по максимальному часовому расходу газа 0час, м3/ч. Производственная мощность МРГ и, по сути дела, ГО рассчитывается1 на период максимальной загрузки (в миллионах метров кубических в сутки). Из-за различия требований к объектам ЕСГ, работающим в условиях тесных режимно-технологических взаимосвязей, возникает необходимость установить зависимость между суточным и часовым расходами. Взаимозависимость часового
максимума Qчас и годового расхода 0год, опреде-ляется8 формулой
О = кн О . (1)
¿^час тах^год V /
Как показывает ретроспективный анализ, решения, принятые в соответствии с СП 42101-2003 и стандартом «Газпром газораспределения», приводят к избыточным производственным мощностям в системе распределения природного газа. Помимо коэффициента ^ах, обоснованное определение которого наталкивается на значительные трудности, в расчетную модель введен8 еще один числовой показатель - коэффициент К0, характеризующий эффект неодновременности включения газоис-пользующего оборудования у конечных потребителей. Если на объекте установлено п единиц газоиспользующего оборудования, I - порядковый номер единицы газоиспользующего оборудования, N - количество однотипных единиц газоиспользующего оборудования, д™ - тепловая нагрузка (мощность) единицы газоисполь-зующего оборудования, то стандарт «Газпром газораспределения» предписывает рассчитывать Qчас по формуле
бЧас = С^К^Г-К,, (2)
1=1
где С - числовой коэффициент, который определяется через низшую теплоту сгорания газа. В стандарте «Газпром газораспределения» дано пояснение:
• коэффициент одновременности Кы учитывает вероятность одновременной работы определенного типа газоиспользующего оборудования и зависит от числа установленных единиц газоиспользующего оборудования;
• низшая теплота сгорания газа прини-мается9 равной 34000 кДж/м3.
Коэффициент одновременности - тер-ра инкогнита СП 42-101-2003 и стандарта «Газпром газораспределение». Он допускает множественность трактовок. Судя по тексту документов, он вводится для учета
См.: Проектирование, строительство и эксплуатация объектов газораспределения и газопотребления. Методика выполнения расчета газопотребления объектами капитального строительства, использующими газ в качестве топлива или сырья: СТО Газпром газораспределение 2.17-2019.
Природный газ, поставляемый разным потребителям, отличается компонентным составом. То, что это обстоятельство не учитывается в отраслевом стандарте, является недочетом последнего, тем более что взаиморасчеты поставщика и потребителя сейчас производятся не по объемным, а по энергетическим показателям.
разновременности включения газоиспользую-щего оборудования в жилых домах с числом квартир от 1 до 400. Возникает естественный вопрос, как учитывать эффект разновременности не в квартирах, а в поселениях, городах? Подавляющая часть населения проживает в населенных пунктах, в которых общее число квартир превышает число квартир в одном жилом даже многоквартирном доме. С точностью до 3-го знака после запятой в документах определено различие между 8- и 9-квар-тирными домами, между 30- и 40-квартирны-ми. Разъяснения того, как и на основании каких документов или исследований это определено, отсутствуют. Не поясняется также, почему коэффициенты Кы не меняются на протяжении нескольких десятилетий. Частичный, неполный, учет разновременности включения газоиспользующего оборудования - это еще один фактор избыточности резервов производственной мощности СГР.
Подробно расписанная процедура расчета прогнозных показателей8 основывается на задании величин ^ах и Кы. Результаты расчета варьируются в широких пределах в зависимости от того, как расчетчик задаст эти коэффициенты. В стандарте «Газпром газораспределения» коэффициент часового максимума кж предписывается определять по таблицам по сектору «население» в зависимости от количества людей, проживающих на газифицируемой территории, по сектору «коммунально-бытовое хозяйство» в зависимости от профиля предприятия, по сектору «промышленность» в зависимости от отрасли. Таблицы за последние полвека не менялись.
Нормативы СП 42-101-2003 и стандарта «Газпром газораспределения» исходят из предположения, что максимальное потребление имеет место в наиболее холодном месяце года. Однако режимы потребления в отопительный период определяются не спросом на газ, а организацией управления газопотреблением и газоснабжением: лимитами на газ, наличием 2-го топливного хозяйства и запасами альтернативного топлива у крупных потребителей, сезонностью работы некоторых промышленных потребителей, технологической броней, наличием газа с требуемым давлением в магистральном газопроводе, запасами газа в подземном хранилище и др.
Все эти факторы способствуют тому, что исходная информация для принятия решений оказывается недостаточной и мало достоверной. Значительные резервы производственных мощностей в системе газоснабжения оказываются полезными только лишь потому, что в период экстремальных понижений температуры зачастую наблюдается снижение давления в трубопроводной системе, и тем не менее из-за больших диаметров трубопроводов снабжение потребителей не нарушается. Однако столь значительная плата за этот эффект неоправданна.
Проблема нормирования потребностей в газе возникла с началом массовой газификации в СССР (конец 1940-х - начало 1950-х гг.). К этому времени относится появление первых нормативов потребления газа. С тех пор ситуация в энергетике и в газовой отрасли, в частности, кардинально изменилась. Экспорт газа - один из основных источников наполнения бюджета. Газ занял превалирующее место среди первичных энергоносителей. Доля газа в энергетике РФ сейчас существенно выше, чем у всех ведущих в экономическом плане государств. В стране накоплен колоссальный опыт газификации и эксплуатации системы газоснабжения, а нормативная база в значительной мере несет отпечаток архаичных документов более чем полувековой давности. В полном объеме нормативная база не пересматривалась с 1980-1985 гг., в то время как зарубежная нормативная документация, как правило, корректируется через каждые 5 лет.
В то же время, статистические данные свидетельствуют о непрерывном изменении спроса на газ абонентами различных категорий. Например, за период с 2010-го по 2019 г. среднестатистический объем потребления на одно домовладение снизился с 1,5 до 1,28 тыс. м3 (на 15 %), при этом для городских потребителей имело место снижение с 1,23 до 1,08 тыс. м3, а для сельских потребителей с 2,23 до 1,86 тыс. м3. Эти и другие данные убедительно свидетельствуют о необходимости разработки новых нормативов, регламентирующих процедуру прогноза газопотребления.
Рекомендуемые показатели. Предложим возможный путь изменения ситуации,
не считая его единственно верным решением. Введем коэффициенты суточной (Ксут.н) и сезонной (Ксез.н) неравномерности:
• первый как отношение максимального часового расхода газа к среднечасовому за сутки в самый холодный месяц года (для удобства изложения и обозначений будем его считать январем10) -
К„
а
тах янв.ч .
ая
(3)
• второй как отношение среднесуточного расхода за самый холодный месяц года к среднесуточному за год -
К„„„ =
О*
б
(4)
В соответствии со смыслом введенных коэффициентов
Х-Ч _ К"сут.н0ср.янв.сут _
0час - —
к к о к к о
сут.н сез.н^ср.год _ сут.н сез.н^год
24
Отсюда следует
К К
^Н _ сут.н сез.н
365•24
8760
(5)
имеют более
Коэффициенты Ксут.н, прозрачное значение, чем нормативный коэффициент часового максимума ктах. Более ясный смысл величин, которые определяют прогноз газопотребления, позволит осмысленно дифференцировать прогноз по регионам и своевременно изменять его при появлении побуждающих к тому обстоятельств.
Исходя из вышеизложенного ясно, что нормативное обеспечение для подготовки решений по развитию систем газоснабжения
Здесь и далее индекс «янв» означает, что соответствующий показатель относится к самому холодному месяцу года, независимо от того, какой месяц на рассматриваемой территории обычно бывает самым холодным.
нуждается в пересмотре. Базой для пересмотра может служить реальная информация о потреблении газа, характеризующая сложившуюся ситуацию, а также логически и экс-пертно обоснованные тенденции изменения ситуации. Не исключено, что для разных регионов показатели удельного прогнозного газопотребления могут существенно отличаться.
Таким образом, проблемы вызывает нормирование взаимосвязи между годовым потреблением и расчетным часовым расходом, по которому принимаются технические решения по параметрам трубопроводов. Чтобы не отходить далеко от сложившихся понятий, оставим неизменным соотношение (1), однако откажемся от практики полагать коэффициент пересчета ккт!Х не зависимым от времени. Будем выражать его через произведение двух коэффициентов Ксут.н, Ксез.н в соответствии с соотношением (5). Первый из них характеризует амплитуду колебаний потребления в суточном разрезе, а второй в годовом разрезе.
Еще одним фактором, оказывающим влияние на определение расчетного часового расхода, является зависимость потребления от температуры наружного воздуха Q = /(Т). Оценка зависимости Q = /(Т) также должна опираться на статистику фактического потребления. Эту статистическую зависимость можно аппроксимировать различными способами. Дополнительным способом описания зависимости является кумулятивная функция спроса (КФС). Формально КФС (рис. 1) не зависит от температуры, она представляет собой упорядоченную по убыванию последовательность 365 значений Q - суточного потребления. Для наглядности пользуются непрерывной (а не кусочно-постоянной) кривой. Если при экстремально низких температурах производится перевод некоторых потребителей на альтернативное топливо (мазут, каменный уголь), то пик КФС оказывается срезанным. Заштрихованная на рис. 1 доля потребления приходится на альтернативное топливо.
Регулирование газопотребления в пиковый период осуществляется оперативно путем ограничения подачи газа при экстремальных похолоданиях тем потребителям, для которых такая возможность предусмотрена договором на поставку газа между поставщиком и потребителем. Диспетчерские службы газотранспортных
10
« I
О
^т
О
1 365
Г
Рис. 1. Эскиз графика КФС:
Qmax - максимальный спрос на газ;
Qпр - предельно возможная величина поставок газа
предприятий прибегают к секвестированию поставок в условиях невозможности их технической реализации в полном объеме, что проявляется в снижении давления газа в системе. В настоящее время к секвестированию прибегают не везде и не ежегодно. В отопительные сезоны 2018/2019 и 2019/2020 гг. бтах фактически не превышал возможностей системы, зима 2020/2021 гг. оказалась более холодной и показала, что отказываться от практики согласованного ограничения некоторых потребителей преждевременно. Тот же факт можно выразить другими словами: КФС - кривая спроса (см. рис. 1) - имеет стохастическую природу, вероятность появления пика непокрываемо-го спроса (0тах > 0 ) в последние годы уменьшилась, но пренебрегать этой вероятностью нельзя.
Величины Ксут.н, Ксез.н и коэффициенты аппроксимации зависимости потребления от температуры нельзя априори считать универсальными. Факторами, влияющими на их значения, могут служить: структура потребления агрегированного потребителя, его масштабы (агломерация, город, поселок), организация управления процессом потребления газа (лимиты, технологическая бронь и т.д.), региональная специфика (природно-климатические особенности, расположение и мощности объектов региональной системы газоснабжения) и т.д.
Некоторые особенности регионального газопотребления. Ниже перечислены (см. пп. А-К) особенности газопотребления,
выявленные на основании статистического анализа ретроспективных данных о потреблении газа в нескольких регионах РФ. Материал такого рода целесообразно использовать при формировании нормативов нового поколения.
A. Числовые значения коэффициентов клтях, оцененные по фактическим данным о газопотреблении, для некоторых регионов значительно отличаются от тех величин, которые приведены в СП 42-101-2003 и стандарте «Газпром газораспределения». Это объясняется кардинальными изменениями в экономике и энергетике страны и является еще одним аргументом в пользу регулярного пересмотра нормативных документов.
Б. Газопотребление крупных агломераций (по результатам обработки данных о потреблении московского региона и Санкт-Петербурга с пригородами). Развитая, закольцованная сеть агломерации не позволяет считать совокупность абонентов, получающих газ от одной ГРС, отдельным агрегированным потребителем, как для большинства других регионов. Состав абонентов, подключенных к различным ГРС агломерации, не фиксирован. Физические потребители - субъекты промышленной и административно-хозяйственной деятельности - могут получать газ то от одной, то от другой ГРС11. По большинству ГРС агломерации и в целом по агломерации имеет место незначительное снижение потребления в ночные часы. В остальное время суток колебания потребления нельзя объяснить естественными изменениями спроса в суточном разрезе. Графики потребления агломераций характеризуются высокой стабильностью: коэффициенты суточной неравномерности обычно не превышают 20 %. Отсюда следует, что при прогнозировании потребления крупных агломераций надо учитывать их индивидуальность, опыт эксплуатации.
B. Для ГРС, через которые производится снабжение областных центров, городов и населенных пунктов районного масштаба, Ксут.н большей частью не превышает 20 %. Однако для некоторых ГРС значения Ксут.н находятся в пределах 20.. .40 %, а для очень немногих ГРС Ксут.н превышает 40 %, достигая 200 %. Отсюда вывод: к обоснованию коэффициентов ктю. даже потребителей одной категории необходим
11 Что используется для планомерного проведения ремонтов на ГРС и трубопроводах агломерации.
дифференцированный подход. Для обоснования коэффициентов Ксут.н, Ксез.н необходимо анализировать структуру потребления газа, ориентируясь в основном на статистику потребления последнего времени12.
Г. Анализ графиков суточного потребления ГРС с существенной долей сектора «промышленность» показывает, что эти графики существенно зависят от структуры потребления. Наибольшие значения Ксут.н характерны для потребителей агропромышленного комплекса, жилищно-коммунального хозяйства и населения. Более стабильны графики суточного потребления для легкой промышленности, машиностроения и металлообработки, стройин-дустрии, некоторых других отраслей промышленности. Предприятия, использующие газ как сырье, фактически не меняют объемы потребления в течение суток.
Д. Следует помнить, что имеются исключения из п. Г: внутри групп потребления (по секторам и отраслям промышленности) может быть значительный разброс значений Ксут.н.
Е. В стандарте «Газпром газораспределения» приводятся значения к^пах расхода газа для различных отраслей промышленности (см. таблицу Д.3 стандарта8). Сведений о предприятиях теплоэнергетики и электроэнергетики там не приводится13. Некоторые (но не все) предприятия этих отраслей характеризуются диапазоном разброса Ксез.н = 1,1...1,4 и весьма узким (1,0.1,1) диапазоном разброса Ксут.н. Последний для предприятия электроэнергетики зависит от технологии и может быть весьма существенным.
Ж. Значения Ксут.н существенно различаются по регионам страны. Это объясняется климатическими условиями, преобладанием тех или иных промышленных производств и др.
З. Значения Ксез.н агрегированных потребителей (регионов РФ) также существенно различаются по регионам, изменяясь в диапазоне 1,1.3. Наибольшие значения Ксез.н характерны для южных регионов, малые значения - для
12 То же замечание относится к п. А настоящего перечня.
13 В балансе газопотребления доля газа, приходящаяся на эти отрасли, весьма высока. Отсутствие данных о тепло- и электроэнергетике при наличии данных
о «радиопромышленности» и табачной отрасли еще раз свидетельствует об архаичности утвержденного в 2019 г. стандарта «Газпром газораспределения». В период разработки первоначального прототипа этого документа все теплоэлектроцентрали и конденсационные электростанции работали на угле и мазуте.
регионов с холодным климатом и некоторых регионов с преобладанием в структуре потребления промышленных предприятий, отличающихся стабильностью потребления в сезонном разрезе. Промежуточное положение занимает большая часть регионов с существенным преобладанием газа в топливном балансе.
И. Для Ксез.н регионов РФ характерна стабильность во времени, однако имеет место тенденция к увеличению в годы с холодными зимами. Значения Ксез.н агрегированных потребителей (ГРС) существенно зависят от структуры потребления. Как показало, например, статистическое исследование агрегированных потребителей Владимирской области, наибольшие значения Ксез.н характерны для жилищно-коммунального хозяйства, населения, теплоэнергетики. Наиболее стабильным в сезонном разрезе оказалось потребление в стройинду-стрии, легкой промышленности, электроэнергетике, некоторых других отраслях промышленности.
К. На представительной выборке данных о газопотреблении в Московском регионе показано, что в отопительный период при отсутствии жестких ограничений потребление увеличивается на 1 % при снижении температуры воздуха на 1 °С. Этим ориентиром можно пользоваться для оценки зависимости потребления от температуры. В то же время, для разных агрегированных потребителей региона имеет место существенное различие в графиках зависимости их потребления от среднесуточных температур воздуха.
Не комментируя подробно изложенные факты (см. пп. А-К), приведем лишь одну иллюстрацию к пп. Е и Ж. На рис. 2 представлена гистограмма распределения значений Ксут.н по группе агрегированных потребителей одного из регионов РФ. Гистограмма представляет собой эмпирическую плотность вероятности величины Ксут.н. Все значения исследованной выборки попали в диапазон 1...1,95. Диапазон разбит шкалой на 40 интервалов, по вертикальной оси отложено количество потребителей, попавших в соответствующий интервал - ячейку шкалы. Видно, что Ксут.н агрегированных потребителей изменяются в довольно широком диапазоне. Потребление некоторых абонентов практически не меняется в течение суток, т.е. Ксут.н ~ 1, тогда как есть потребители, для которых часовой максимум почти в 2 раза превышает среднесуточное потребление в час.
'§ 5
3
ё
ю
£
1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
К
сут.н
Рис. 2. Гистограмма распределения коэффициента суточной неравномерности группы агрегированных потребителей одного региона
Перспективы газификации. Возникает естественный вопрос: имеет ли смысл совершенствовать нормативные документы, влияющие на выбор резервов в системе газоснабжения? По данным ООО «Газпром межре-гионгаз», на январь 2021 г. в 11 регионах РФ достигнута почти полная газификация [15], уровень газификации по стране оценивается в 71,4 %. По программе развития газификации на 2021-2025 гг. к 2025 г. этот показатель должен возрасти до 74,7 %. Для достижения этой цели ПАО «Газпром» предполагает инвестировать 876 млрд руб. Много это или мало?
Оправданны ли затраты? Ясно, что с ростом уровня газификации удельные затраты будут расти. Оставшиеся негазифицированными города и поселки городского типа расположены на значительном удалении от газотранспортных объектов ЕСГ. Негазифицированные населенные пункты в сельской местности либо удалены от распределительных систем, либо их население немногочисленно. По мере насыщения (увеличения доли газифицированных населенных пунктов и квартир) будут возрастать удельные затраты на газификацию. Рис. 3 иллюстрирует ситуацию. За период с 2007-го по 2014 г. индекс затрат вырос более чем в 2 раза. Относительная стабилизация индекса в последующие годы (2014-2020 гг.) не определяет тенденции. Очевидно, что в дальнейшем индекс неизбежно будет расти. Уже сейчас
газификация населения убыточна. Некоторое утешение состоит в том, что отдача затрат на газификацию не может быть сведена к доходам от продаж газа населению: газификация приводит к долговременным эффектам, трудно поддающимся денежной оценке. Потенциал ее роста еще не исчерпан. Достаточно упомянуть о новаторском опыте газификации Тюменской области14 [16], который показывает, что при умелом построении бизнес-процесса и учете региональных особенностей убыточные проекты газификации удается перевести в разряд рентабельных.
Итак, развитие газификации остановится, достигнув уровня насыщения, и тем не менее рассматриваемая проблема рационального резервирования производственных мощностей в системе газоснабжения не будет снята с повестки дня. Даже при полной газификации территории придется развивать систему в связи с новым жилищным и промышленным строительством. Потребуется реконструкция объектов системы газоснабжения, исчерпавших технический ресурс (что может проявляться в снижении пропускной способности системы), появятся новые заявки на обеспечение газом объектов на газифицированных территориях. Это далеко не полный перечень ситуаций, при решении которых не обойти вопрос о резерве системы газоснабжения.
Наряду с методическими и процессуальными проблемами разработки и утверждения нормативной документации предстоит также решить институциональную проблему. Необходимо заинтересовать газосбытовые организации в подключении новых потребителей. Дилемма состоит в том, что, оставляя большой резерв, оператор СГР до минимума снижает вероятность невыполнения договорных обязательств15. Имея в виду печально известные события февраля 2021 г., когда рухнула система энергообеспечения штата Техас, стремление уйти от форсмажорных обстоятельств можно назвать «техасским синдромом». Именно техасским синдромом объясняется нежелание оператора СГР обнародовать реальный объем
14 Опыт Тюмени состоит в следующем: сначала был сформирован перечень объектов, подлежащих газификации. В процессе реализации планы
не корректируются. При этом строительство осуществляется эффективно, насколько это возможно.
15 Насколько исправит ситуацию принятый недавно
закон о бесплатной газификации в России, покажет ближайшее будущее.
4
3
2
1
0
£ 12
л X
ю 10
^
Л
«
Л § 8
I
& 6 го
0 —
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Рис. 3. Динамика затрат ПАО «Газпром» за 2006-2020 гг. на повышение уровня газификации на 1 %. (При расчетах учтена инфляция. Коэффициенты инфляции взяты
по данным Росстата)
свободных мощностей системы. В этом заключается причина привязанности к сохранению архаичных нормативов. На наш взгляд, сокрытие истинного положения вещей - не лучший путь ведения бизнеса16. ПАО «Газпром» может позволить себе взвешенно подойти к проблеме газификации страны на переломном этапе ее развития.
Программа исследований. При разработке новой нормативной документации взамен действующего стандарта «Газпром газораспределения» целесообразно провести комплекс исследований, включив в него следующие мероприятия:
а) анализ реализации принятых решений по развитию региональных систем газоснабжения (сопоставление плана и факта на примере нескольких регионов);
б) анализ соответствия фактического потребления природного газа нормативным8 объемам потребления;
в) анализ влияния перехода с объемных на энергетические показатели при расчетах с потребителями;
г) анализ современной научно-технической информации о прогнозировании газопотребления (прежде всего, высокорейтинговой англоязычной периодики);
д) анализ нормативно-правовой и технологической документации в области газификации в экономически развитых странах17;
е) разработка методов и рекомендаций по учету влияния на объемы газопотребления научно-технического прогресса (увеличение доли ВИЭ в энергетическом балансе, совершенствование имеющихся и появление новых энергосберегающих технологий, изменение требований к качеству жизни и т.д.);
ж) разработка рекомендаций (проекта нормативного документа) по определению показателей загрузки МРГ, ГО, ГРС и СГР с учетом фактических данных о структуре спроса и режимах потребления;
з) разработка методов оптимального выбора структуры и параметров объектов системы газоснабжения с учетом нестационарности режимов течения (эффект аккумулированного газа).
Прогноз газопотребления требуется при разработке генеральных схем газоснабжения и газификации регионов России, при принятии технических решений по структуре и производственным мощностям газораспределительных сетей. Спрос на газ определяется множеством факторов - экономических,
Заметим, что оператор не обладает правами управления резервом, сформировавшимся из-за завышенных, но не использованных в полном объеме заявок потребителей на подключение и использование имеющегося потенциала пропускной способности.
17 При заимствовании зарубежного опыта следует
соблюдать осторожность, так как правовые и ценовые условия обычно оказываются несопоставимыми с нашими.
4
2
16
климатических, технологических, социальных - и меняется со временем из-за изменения этих факторов, условий жизни людей. Процедуры прогноза частично регламентируются нормативами федерального и корпоративного уровней. Нормативы носят печать архаичности, не учитывают реалий текущего момента. Необходимо переломить ситуацию,
безотлагательно разработав документы нового поколения. Это будет способствовать принятию обоснованных решений по функционированию и реконструкции газораспределительных сетей на этапе завершения газификации РФ в преддверии предстоящих преобразований в энергетическом хозяйстве страны.
Список литературы
1. Сухарев М.Г. Проблемы развития и реконструкции Единой системы газоснабжения / М.Г. Сухарев, М.Г. Рухлядко // Известия РАН. Энергетика. - 2011. - № 1. -
С. 95-104.
2. Карасевич А.М. Особенности формирования стратегий развития газовой отрасли /
А.М. Карасевич, М.Г. Сухарев // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: сб. материалов Международного научного семинара им. Ю.Н. Руденко. - Иркутск: Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения РАН, 2016. - С. 19-28.
3. Сухарев М.Г. Влияние фактора системной надежности на решения при планировании развития и реконструкции объектов системы газоснабжения / М.Г. Сухарев,
Е.Р. Ставровский, В.С. Шелекета // Вести газовой науки. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2017. - № 1 (29): Повышение надежности и безопасности объектов газовой промышленности. - С. 4-12.
4. Сухарев М.Г. Оперативный прогноз газопотребления с помощью дискретных передаточных функций / М.Г. Сухарев,
А.А. Акоста, А.Г. Лапегина // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2011. - № 10. - C. 42-48.
5. Аветисов А.Г. Оперативное прогнозирование газопотребления методом «функций
с памятью» / А.Г. Аветисов, М.Г. Сухарев, М.А. Кравец // Газовая промышленность. -2007. - № 9. - C. 60-62.
6. Somu N. A hybrid model for building energy consumption forecasting using long short term memory networks / N. Somu, G. Raman, K. Ramamritham // Applied Energy. - 2020. -Т. 261. - Ст. № 114131.
7. Bourdeau M. Modeling and forecasting building energy consumption: A review of datadriven techniques / M. Bourdeau, X. q. Zhai, E. Nefzaoui, et al. // Sustainable Cities and Society. - 2019. -
Т. 48. - Ст. № 101533.
8. Andelkovic A.S. Integration of weather forecast and artificial intelligence for a short-term city-scale natural gas consumption prediction /
A.S. Andelkovic, D. Bajatovic // Journal of Cleaner Production. - 2020. - Т. 266. -Ст. № 122096.
9. Prado F. Forecasting based on an ensemble Autoregressive Moving Average - Adaptive neuro - Fuzzy inference system - Neural network - Genetic Algorithm Framework / F. Prado, M.C. Minutolo, W. Kristjanpoller // Energy. - 2020. - Т. 197. - Ст. № 117158.
10. Ravnik J. A method for natural gas forecasting and preliminary allocation based on unique standard natural gas consumption profiles / J. Ravnik,
M. Hribersek // Energy. - 2019. - Т. 180. -С. 149-162.
11. Qian D. Accurate natural gas load hourly forecasting using ANN model trained with multiple parameters / D. Qian, P.H. Fox,
B.L. See // 46th PSIG Annual Meeting, New Orleans, LA, USA. - 2015.
12. Gutierrez R. Forecasting total natural-gas consumption in Spain by using the stochastic Gompertz innovation diffusion model /
R. Gutierrez, A. Nafidi, S.R. Gutierrez // Applied Energy. - 2005. - Т. 80. - С. 115-124.
13. Харин Ю.С. Оптимальность и робастность в статистическом прогнозировании / Ю.С. Харин. - Минск: БГУ, 2008. - 263 с.
14. Сухарев М.Г. Анализ и управление стационарными и нестационарными режимами транспорта газа / М.Г. Сухарев, Р.В. Самойлов. - М.: РГУ нефти и газа, 2016. -399 с.
15. Густов С. Принципиально новая программа развития газоснабжения и газификации регионов РФ на период 2021-2025 гг. /
C. Густов // Газовый бизнес. - 2021. - № 1. -С. 21.
16. Вахрин В. Тюменское новаторство: как извлечь пользу из ничего / В. Вахрин // Газовый бизнес. - 2021. - № 1. - С. 29.
The correct forecast of gas consumption is the key to the rational choice of the reserve of production capacities of gas distribution systems
N.M Storonsky1, M.G. Sukharev12, R.V. Samoylov1*, LV. Tverskoy1, A.A. Akosta1
1 Gazprom Promgaz JSC, Bld. 23, Vokzalnaya street, Vidnoye, Leninskiy district, Moscow region, 142702, Russian Federation
2 National University of Oil and Gas «Gubkin University», Block 1, Bld. 65, Leninskiy prospect, Moscow, 119991, Russian Federation
* E-mail: R.Samoilov@promgaz.gazprom.ru
Abstract. Gas consumption forecast is required for decision-making on the structure and production capacity in the design of gas distribution systems. In the conditions of incremental completion gasification of cities and settlements, the development of the territory and reconstruction of gas distribution networks continue due to new housing and industrial construction and changes in the gas demand. In either case, the quality of the technical decisions taken depends on how well the forecast demand for gas is substantiated. The article points out the factors influencing the volumes and schedules of gas consumption. The forthcoming tendencies of their change due to shifts in the world energy are revealed. A critical analysis of the specification documents governing the forecasting procedures is given, and recommendations for their improvement are suggested. Attention is drawn to the need for institutional changes between gas traders and consumers to reduce redundancy in gas distribution systems.
Keywords: forecast of gas consumption, distribution systems, gas consumption standards, coefficients of daily and seasonal irregularity, level of gasification.
References
1. SUKHAREV, M.G., M.G. RUKHLYADKO. Issues of developing and reconstructing Unified Gas Supply System [Problemy razvitiya i rekonstruktsii Yedinoy sistemy gazosnabzheniya]. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Energetika, 2011, no. 1, pp. 95-104, ISSN 0002-3310. (Russ.).
2. KARASEVICH, A.M., M.G. SUKHAREV. [Osobennosti formirovaniya strategij razvitiya gazovoj otrasli]. In: Methodic questions of investigating reliability of big power systems [Metodicheskiye voprosy issledovaniya nadezhnosti bolshikh system energetiki]: collected papers of the International scientific seminar named after Yu.N. Rudenko. Irkutsk, Russia: Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2016, pp. 19-28. (Russ.).
3. SUKHAREV, M.G., Ye.R. STAVROVSKIY, V.S. SHELEKETA. System reliability factor impact to decisions made while planning development and reconstruction of gas supply system objects [Vliyaniye faktora sistemnoy nadezhnosti na pesheniya pri planirovann razvitiya i rekonstruktsii obyektov gazosnabzheniya]. Vesti Gazovoy Nauki. Moscow: Gazprom VNIIGAZ LLC, 2017, no. 1(29): Improvement of reliability and safety at gas-industry facilities, pp. 4-12. ISSN 2306-8949. (Russ.).
4. SUKHAREV, M.G., A.A. AKOSTA, A.G. LAPEGINA. On-line forecast of gas consumption by means of discrete transfer functions [Operativnyy prognoz gazopotrebleniya s pomoshchyu diskretnykh peredatochnykh funktsiy]. Avtomatizatsiya, Telemekhanizatsiya i Svyaz v Neftyanoy Promyshlennosti, 2011, no. 10, pp. 42-48, ISSN 0132-2222. (Russ.)
5. AVETISOV, A.G., M.G. SUKHAREV, M.A. KRAVETS. Real-time forecasting of gas consumption using a "memo function" method [Operativnoye prognozirovaniye gazopotrebleniya metodom "funktsii s pamatyu"]. Gazovaya Promyshlennost, 2007, no. 9, pp. 60-62, 0016-5581. (Russ.).
6. SOMU, N., G. RAMAN, K. RAMAMRITHAM. A hybrid model for building energy consumption forecasting using long short term memory networks. Applied Energy, 2020, vol. 261, no. 114131, ISSN 0306-2619.
7. BOURDEAU, M., X. q. ZHAI, E. NEFZAOUI, et al. Modeling and forecasting building energy consumption: A review of datadriven techniques. Sustainable Cities and Society, 2019, vol. 48, no. 101533, ISSN 2210-6707.
8. ANBELKOVIC, A.S., D. BAJATOVIC. Integration of weather forecast and artificial intelligence for a short-term city-scale natural gas consumption prediction. Journal of Cleaner Production, 2020, vol. 266, no. 122096, ISSN 0959-6526.
9. PRADO, F., M.C. MINUTOLO, W. KRISTJANPOLLER. Forecasting based on an ensemble Autoregressive Moving Average - Adaptive neuro - Fuzzy inference system - Neural network - Genetic Algorithm Framework. Energy, 2020, vol. 197, no. 117158, ISSN 0360-5442.
10. Ravnik, J., M. Hribersek. A method for natural gas forecasting and preliminary allocation based on unique standard natural gas consumption profiles. Energy, 2019, no. 180, pp. 149-162, ISSN 0360-5442.
11. QIAN, D., P.H. FOX, B.L. SEE. Accurate natural gas load hourly forecasting using ANN model trained with multiple parameters. In: 46th PSIG Annual Meeting, New Orleans, LA, USA, 2015.
12. GUTIERREZ, R., A. NAFIDI, S.R. GUTIERREZ. Forecasting total natural-gas consumption in Spain by using the stochastic Gompertz innovation diffusion model. Applied Energy, 2005, vol. 80, pp. 115-124, ISSN 0306-2619.
13. KHARIN, Yu.S. Optimality and robustness in statistical forecasting [Optimalnost i robastnost v statisticheskom prognozirovanii]. Minsk: Belarussian State University, 2008. (Russ.).
14. SUKHAREV, M.G., R.V. SAMOYLOV. Analysis and control of steady and transient regimes of gas transportation [Analiz i upravleniye statsionarnymi i nestatsionarnymi rezhimami transporta gaza]. Moscow: Gubkin University, 2016. (Russ.).
15. GUSTOV, S. Conceptually new program of gas supply and gas infrastructure development in Russia's regions in 2021-2025 [Printsipialno novaya programma razvitiya gazosnabzheniya i gazifikatsii regionov RF na period 2021- 2025 gg.]. Gazovyy Bisnes, 2021, no. 1, pp. 21. (Russ.).
16. VAKHRIN, V. Tyumen pioneer work: a way to gain benefits from nothing [Tymenskoye novatorstvo: kak izvlech polzu iz nichego]. Gazovyy Bisnes, 2021, no. 1, pp. 29. (Russ.).
