CC BY
76
622.691.4.07
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДИКИ УКРУПНЕННОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
т.р. кускильдин, директор
ОАО «Газпром газораспределение Уфа» Центральный филиал (Россия, 450069, Республика Башкортостан, Уфа, Калининский р-н, дер. Князево, ул. Кирова, д. 2). E-mail: [email protected]
м.е. дмитриев, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа б.н. мастобаев, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа а.р. валеев, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: [email protected], E-mail: [email protected] , E-mail: [email protected]
В работе освещены актуальные проблемы прогнозирования развития газораспределительных систем, выявлены основные причины, препятствующие дальнейшему расширению и обеспечению надежной и безопасной эксплуатации газовых сетей. Предложена методика укрупненного гидравлического расчета для анализа развития газораспределительных систем и мониторинга мест возникновения дефицита пропускной способности существующих газопроводов при транспортировке природного газа конечным потребителям.
Ключевые слова: газопровод, газовые сети, методика эксплуатационная надежность, система мониторинга.
гидравлического расчета,
В настоящее время активно развивается градостроительный комплекс России, что способствует обеспечению решения проблем жилого фонда граждан и оптимизации пространственного развития городов, сел и поселений.
Реновация, или развитие населенных пунктов, промышленных и социально-бытовых комплексов, приводит к перераспределению потребления энергоресурсов, природный газ как основной источник энергии не является исключением. Перераспределение потребления газа, в свою очередь, приводит к изменению режимов работы газораспределительной сети в целом. В результате несбалансированное перераспределение основных потребителей газа приводит к снижению эксплуатационной надежности работы сети и возникновению дефицита пропускной способности отдельных ее участков, в том числе пунктов редуцирования газа.
Прогнозирование развития газораспределительных сетей непрерывно связано с развитием (реновацией) градостроительного комплекса населенных территорий. С научной точки зрения под градостроительным прогнозированием понимаются в основном долгосрочные разработки развития городов, сел и поселений, в которых речь идет не о детальных решениях, а о стратегии развития, его основных приоритетах, возможных вариантах. Таким образом, на стадии разработки программ развития населенных пунктов необходимо учитывать возможные изменения в структуре сетей инженерно-технического обеспечения (водоснабжение, теплоснабжение, газоснабжение и т. д.).
Газораспределительные сети, сконцентрированные внутри населенных пунктов, в основном подразделяются на сети среднего и низкого давления, в отдельных
обоснованных случаях возможны газопроводы высокого давления [1]. Режим работы газовых сетей достаточно сложный процесс, который в первую очередь зависит от газопотребления и архитектуры газовых сетей. Анализ структур существующих газовых сетей показал, что в крупных населенных пунктах газораспределительные системы имеют сложную архитектуру с большим количеством закольцованных участков (колец) и источников питания. Ввиду неравномерности потребления газа и сложной структуры сети спрогнозировать распределение давления газа и выполнить гидравлический расчет по традиционной методике довольно сложно.
Проектирование и планирование развития газовых сетей -это важный аспект существования населенных пунктов, что поможет обеспечить комфортную жизнь граждан. Несмотря на существование планов развития населенных пунктов, фактическое развитие газовых сетей может оказаться другим. Подробное развитие газовых сетей с учетом всевозможных газопроводов и отводов предсказать практически невозможно. Поэтому становится актуальным не подробный расчет возможного развития сетей, а проведение укрупненных расчетов, что позволит иметь общую картину происходящего.
Оперативный расчет различных вариантов развития города, а также поиск с помощью данного метода потенциальных участков с дефицитной пропускной способностью позволит обеспечить надежное и бесперебойное газоснабжение населенных пунктов в будущем.
Сложность существующих методик расчета газораспределительных сетей, особенно низкого давления, в населенных пунктах и городах заключается в том, что они достаточно конкретизированы и привязаны к структуре газовой
Рис. 1. Структура методики укрупненного гидравлического расчета газораспределительных сетей населенных пунктов
о0
а = —-. Ь
Ширина территории газоснабжения, как правило, равна ширине квартала.
Используя понятие удельного падения давления, а также формулы СП 42-101-2003 [2], получаем
I = АР = 7,131-10-9 • 0 L О
1,75
4,75
Последняя формула приведена для размерностей АР (Па), L (м), О (м), О0 (м3/ч). После преобразования получаем
I = 7,131-10-
Ь
1,75
-• ц
1,75
О4,75
Правая часть выражения, за исключением расхода ц, характеризует геометрические параметры сети и от расхода не зависит. Обозначим это через переменную:
Х = 7,131 • 10-9 •
Ь
1,75
сети и конкретным потребителям. По имеющимся методикам невыгодно проводить прогнозные расчеты, поскольку на это уходит много времени и средств.
В результате возникают предпосылки к разработке такой методики, по которой можно было бы быстро спрогнозировать газопотребление, определить предварительные диаметры сети, визуализировать распределение давления в каждой точке населенного пункта и обеспечить развитие газификации без ухудшения надежности существующих газораспределительных сетей.
Методика должна удовлетворять следующим критериям:
- простота расчетов и получение быстрого и достоверного результата. В расчетах должно использоваться минимальное количество исходных данных: (источники газоснабжения и конфигурация населенного пункта с разделением на отдельные кварталы разной плотности и этажности застройки);
- простая интерпретация результатов расчетов и графическое выражение необходимых диаметров (расходов, давлений) независимо от конкретной конфигурации газовой сети, с учетом только планировочных решений населенного пункта.
Структура методики, удовлетворяющей указанным выше критериям, приведена на (рис. 1).
Предлагаемая методика укрупненного расчета газовой сети основана на распределенных газовых потоках и потреблениях. Расчет производится не по конкретным трубопроводам, а по полям, с учетом того что все характеристики газовых сетей (давление, расход, потребление газа) представляют собой сплошные поля значений. Теоретические основы и математическая модель указанной методики представлены ниже.
Вводится понятие распределенного расхода в точке а. Это значение, соответствующее расходу О0 в трубопроводе, который обеспечивает газом зону шириной Ь:
О4,75 '
Таким образом, потери давления в газовой сети низкого давления в распределенном виде с использованием векторов можно выразить с помощью:
- -1,75
I =%• а .
Также необходимо знать плотность населения п (чел/м2), так можно получить плотность газопотребления:
\ = Цу • п.
Плотность газопотребления влияет на величину распределенного расхода в точке а. Изменение распределенного расхода вдоль направления движения газа х равно
. = дц д х
Или в интегральной форме:
а=1 \ • сх.
Отмечаем, что если плотность газопотребления неизвестна, то можно воспользоваться значениями укрупненных показателей потребления газа, приведенными в СП 42-101-2003 [2].
Рассмотрим методику укрупненного расчета газовой сети произвольной формы. Представим распределение давления газа по зонам. В целом уравнение нестационарного движения жидкости или газа выглядит следующим образом:
дР^д(ру) = 0; _!•дР+дМ = 0.
дг д1 2С' с
Выражая давление, получаем
д1
дг
д2Р о2 д2Р „ дР
■ = с
2а — = 0. д(
д12 дг2
При стационарном процессе производные по времени равны нулю, следовательно
д2Р
дг 2
= 0.
Таким образом, в каждой точке рассматриваемой зоны газоснабжения вторая производная по давлению должна быть равна нулю.
При численном решении уравнения выражение сводится к системе линейных уравнений вида
Р+1,! + Р-1, ] + Р, ]+1 + Р, ]-1 - 4Р ] = 0.
где индексы / и \ указывают на простые элементы внутри расчетной сетки. Это проиллюстрировано на рис. 2.
Данное уравнение может быть решено несколькими методами при помощи компьютера. При малом количестве уравнений любая система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) может быть решена с использованием прямых методов: метод Гаусса, метод Гаусса-Жордана, метод Крамера, матричный метод, метод прогонки, разложение Холецкого и др. Данные уравнения требуют количество операций, пропорциональное п3, где п- количество уравнений. Кубическая зависимость числа арифметических операций от размера матрицы СЛАУ приводит при п > 1000 к нереально долгому времени решения даже на самых современных компьютерах. Кроме того, время решения несоразмерно возрастает при использовании прямых методов в случае п > 1000 по причине недостаточности объема оперативной памяти для хранения данных задачи. Следовательно, для расчета газовых сетей данные методы сложноприме-нимы. В данном случае более удобно использовать итерационные методы: метод Кранка-Николсона, метод релаксации, БОЯ-метод.
Адаптация БОЯ-метода для рассматриваемого исследования выглядит следующим образом.
Шаг 1. Необходимо задать начальное (предварительное) распределение давления во всех точках, за исключением граничных условий (пункт редуцирования газа, границы газовой сети). Для простоты можно задать ноль. Для ускорения расчетов можно предварительно задать, что давление пропорционально падает между ГРП и границей сети.
Шаг2. Вычисление невязок Е в каждой точке сети:
1
■=/, 1
/,1
"7 (+1.1 + р-1.1 + р-1+1 + р-1 -1)
Шаг 3. Уточнение давления в каждой точке:
оИ
/, 1
/, 1
-юЕ/, 1.
дРи
--СОЭ Ф, :
дг ^
дрдРи . Ф дРц —^■ —^этф.: =—1-. дх ' дг ду
После преобразований должно быть получено
Рис. 2. Фрагмент расчетной сетки для определения распределения давления
р I+1
Р- 1,I Р, Р + 1,I
1 -► Р,- 1
I Рис. 3. Определение направления движения газа
<дф/,1 = дУ/дРЛА_
Переходя к конечным разностям, получаем
Ф/: = аго1д
р, 1+1 - р, 1 -1 р+1,1 - р/-1,1
Параметр ю обычно выбирается не тождественно равным 1, а изменяющимся от 1 до 1,5. Это делается для лучшей сходимости метода.
Шаги 2 и 3 повторяются, пока невязка не станет малой.
Так получаем окончательное распределение давлений.
Распределение давления по схеме позволяет определить направление движения газа.
В каждом узле определим направление движения газа через угол ф (рис. 3). Для него должно выполняться:
Очевидно, что при вертикальном течении газа данное уравнение неприменимо, здесь направление определяется простым сравнением расходов по вертикали.
Расчет распределенного расхода в точке происходит по мере увеличения значения расхода, иначе говоря, от периферии (конечных потребителей газа) к центру, то есть к местам расположения ГРП.
Вдоль оси X увеличение расхода составит
Ях = (Ях'+1,1 -д2) Ф, 1,
где яХ - расход в соседнем по оси Х узле против направления движения газа; А - ширина элементарного узла. Вдоль оси У увеличение расхода составит
Яу =(Яу'+1/, 1 -А2 )з!п ф,
I
где qy - расход в соседнем по оси Y узле против направления движения газа. Таким образом, искомое значение расхода составит:
q, j =(qx'+ j, j ■a2)sin ф,, j+(qy'+ j, ¡ -a2)cos ф,, ¡.
Определение диаметра происходит при помощи основной формулы
= I
^ = 1 75 .
ц-
Значение гидравлического уклона в точке можно определить по формуле
дР ■ дР ■
I = —Ы , I,!
I Рис. 4. Основные блоки системы комплексного мониторинга
dx ду
Таким образом,
дР ■ дР ■
иг/, j + иг /, j
= дх ду = р, j+1 + р, j-1 + р+1, j + р-1, j ^j ~ q 1,75 "
qi, i
^■qj75
1,1,75
D = 4,757,13110-9 ■-
= 4,757,13110-a-
q,-f* b1'75
p, j+1 + p, j-1 + p+1, j + p-1, j
•Сбор и систематизация исходной информации
•Моделирование процесса газораспределения
• Выявление проблемных элементов сети, снижающих эксплуатационную надежность
• Разработка мероприятий повышения эксплуатационной надежности и безопасности
• Технико-экономическое обоснование
• Оценка затрат
• План нового строительства(реконструкции)
И далее диаметр в каждом узле определяется по формуле
Полученное значение округляется в ближайшую сторону согласно ряду стандартизованных диаметров труб. Отметим, что можно производить округление постоянно в большую сторону, это создаст определенный запас давления и пропускной способности трубопроводной системы.
Предлагаемая методика позволяет решать следующие основные задачи прогнозирования газораспределительной сети.
Предложенная методика укрупненного расчета позволит значительно упростить планирование развития газовых
сетей, на ранних этапах выявить возможные будущие дефициты пропускной способности.
Применение методики укрупненного гидравлического расчета газораспределительных сетей возможно на этапе моделирования процесса газораспределения в составе системы комплексного мониторинга эксплуатационной надежности работы газовых сетей. Система [3] представляет собой процесс наблюдения за состоянием газораспределительной сети, систематический сбор и обработку информации для моделирования процесса распределения газа по направлениям, влияющим на эксплуатационную надежность работы газовых сетей (рис. 4).
С использованием разработанной методики упрощаются гидравлические расчеты по проектным и фактическим параметрам сети газораспределения, в результате предложенная гидравлическая модель газоснабжения позволяет производить оценку пропускной способности линейной части газопроводов с контролем давления газа у потребителей (в концевых точках сети).
Кроме того, применение методики позволяет выявлять узкие места и патологии газораспределительной сети, влияющие на эксплуатационную надежность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СП 62.13330.2011 Свод правил. Газораспределительные системы. Актуализированная редакция СНиП 42-012002 (с изм. № 1, 2). М.: Госстрой, 2012. 70 с.
2. СП 42-101-2003 Свод правил. Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб. М.: ЗАО «Полимергаз», 2003. 151 с.
3. Кускильдин Т.Р., Дмитриев М.Е., Мастобаев Б.Н. Актуальные проблемы развития газовых сетей и основные направления повышения эксплуатационной надежности газораспределительных систем // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2016. № 3. С. 40-45.
FORECASTING THE DEVELOPMENT OF GAS DISTRIBUTION NETWORKS USING THE METHOD OF THE INTEGRATED HYDRAULIC CALCULATION
KUSKILDIN T.R., Director
JSC "Gazprom gas distribution Ufa" (2, Kirova St., village Knyazevo, Kalinin district, 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: [email protected]
DMITRIEV M.E., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
MASTOBAEV B.N., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
VALEEV A.V., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan,
Russia).
E-mail: [email protected], E-mail: [email protected] , E-mail: [email protected] ABSTRACT
The work deals with actual problems of forecasting the development of gas distribution systems, reveals the main reasons preventing further expansion and ensuring reliable and safe operation of gas networks. The technique of the integrated hydraulic calculation for the analysis of development of gas distribution systems and monitoring of places of occurrence of deficiency of carrying capacity of existing gas pipelines at transportation of natural gas to final consumers is offered. Keywords: gas pipeline, gas networks, hydraulic calculation,operational reliability, monitoring system. REFERENCES
1. SP 62.13330.2011. Svod pravil. Gazoraspredelitel'nyye sistemy. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 42-01-2002 (s izmeneniyami № 1, 2) [SP 62.13330.2011. Set of rules. Gas distribution systems. Updated version of SN&P 42-012002 (with changes No. 1, 2)]. Moscow, Gosstroy Publ., 2003. 151 p.
2. SP 42-101-2003. Svod pravil. Obshchiye polozheniya po proyektirovaniyu i stroitel'stvu gazoraspredelitel'nykh sistem iz metallicheskikh ipolietilenovykh trub [SP 42-101-2003. Set of rules. General provisions for the design and construction of gas distribution systems of metal and polyethylene pipes]. Moscow, Polimergaz Publ., 2003. 151 p.
3. Kuskil'din T.R., Dmitriev M. E., Mastobaev B. N. Actual problems of development of gas networks and basic directions of increase of operational reliability of gas distribution systems. Transport i khranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2016, no. 3, pp. 40-45 (In Russian).
