CC BY
193
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 629.063.2
О.Н. Медведева, А.И. Иванов РАЗВИТИЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
Излагаются научные положения по разработке теоретических основ расчета оптимальных эксплуатационных параметров распределительных систем газоснабжения потребителей на базе природного газа. Приводятся рекомендации по определению оптимальных потерь давления газа по участкам газовой сети, обеспечивающие экономию материальных и денежных ресурсов.
Природный газ, распределительная система, оптимальные параметры, потери давления газа
O.N. Medvedeva, A.I. Ivanov DEVELOPMENT OF GAS SUPPLY DISTRIBUTIVE SYSTEMS
The article describes scientific aspects relating the development of theoretical framework for calculating optimum operational parameters of consumer gas distribution systems operating natural gas. The authors provide guidelines for determination of optimum gas pressure losses across the gas networks which ensure conservation of material and financial resources.
Natural gas, distribution system, optimal parameters, gas pressure loss
Важнейшим потребителем природного газа является жилищно-коммунальный сектор страны, на долю которого приходится порядка 16% потребляемого газа. В настоящее время природным газом пользуется около 90 млн. жителей России. Несмотря на широкие масштабы газификации страны, уровень газоснабжения сельского населения не отвечает современным требованиям и потенциальным возможностям Единой системы газоснабжения. В этой связи стратегическая задача, поставленная Президентом РФ и закрепленная Федеральным законом № 122-ФЗ по газоснабжению Российской Федерации [1], предусматривающая широкую газификацию сельских поселков на базе сетевого природного газа, является приоритетным направлением развития газовой промышленности в целом и ее газораспределительной отрасли, в частности.
Вопросам оптимального функционирования поселковых систем газоснабжения посвящено большое количество научных публикаций. Одна из важных научно-технических задач, решаемых при проектировании распределительных систем газоснабжения, - обоснование оптимального перепада давления в распределительных газопроводах - требует проведения технико-экономических исследований.
В условиях системного анализа особую актуальность приобретает разработка обобщенной математической модели, связывающей эффективность использования газа и режимы его давления.
По результатам проведенных исследований [2, 3] было установлено, что располагаемый перепад давлений в газовой сети составляет:
- для газовых приборов с номинальным давлением P^5 = 2000 Па:
АРmm = 0,82 • 2500 - 200 - 1700 = 150 Па, дрР = 2500 - 200 -1700 = 600 Па;
шш ' max
- для газовых приборов с номинальным давлением P^0 = 1300 Па:
APPn = 0,82 1764 - 200 - 650 = 596 Па, APiPax = 1764 - 200 - 650 = 914 Па.
nun -' max
Отсюда следует, что располагаемый перепад давлений в газовой сети изменяется более чем в 5 раз в зависимости от номинального давления газа перед приборами и режимов давления газорегу-ляторной установки. Следует отметить также, что расчетные потери давлений для распределительных газопроводов низкого давления даже при установке газоиспользующих приборов и оборудования с пониженным номинальным давлением намного меньше установленных нормативным докумен-
Р
том СП (АР < 1800 Па). По этой причине современные правила проектирования газораспредели-
Р
тельных систем из условия АР = 1800 Па приводят к нарушению требований ГОСТа в части поддержания минимально возможной величины давления газа перед газоиспользующими приборами. В результате понижается коэффициент полезного действия бытовых газовых приборов и возникает риск нарушения их устойчивой работы [4].
Гидравлический расчет газопроводов из условия полного использования располагаемого перепада давлений обусловливает минимум затрат в сооружение и эксплуатацию газовой сети. Вместе с тем наличие указанного перепада давлений в распределительных газопроводах обусловливает пониженное давление газа перед газоиспользующими установками. Как следствие, снижается КПД газовых аппаратов, повышаются расход и стоимость потребляемого топлива.
В качестве целевой функции задачи используются приведенные затраты в систему газоснабжения по комплексу: распределительный газопровод - газовый прибор:
3 = [d(АР)]+ АТ{Лг [Рг (АР)]}= min , (1)
где 3 - затраты в систему газоснабжения, руб./год; 3ГС - затраты в газовую сеть, руб./год; АТ -
прирост годовой стоимости расходуемого топлива за счет снижения КПД газоиспользующих установок, руб./год.
На величину КПД газоиспользующей установки Т/Г существенное влияние оказывает величина давления газа перед газовым прибором Рг . Чем больше отклонение указанного давления от номинальной величины Р^р,6, тем ниже КПД использования газа [5].
На рис. 1 представлен качественный график зависимости КПД газоиспользующей установки от давления газа перед прибором [6].
а б
Рис. 1. Зависимость КПД газоиспользующей установки от давления газа перед прибором: Р°г - давление газа
перед прибором при отсутствии сопротивления газовой сети; Рг - давление газа перед прибором при наличии сопротивления газовой сети; гоом - КПД газоиспользующей установки при номинальном давлении газа перед
прибором; г"г, г г - КПД газоиспользующей установки при давлениях газа перед прибором Р°г и Рг ; р^™6, РНОМ6,
РаХ"5 - минимальное, номинальное и максимальное давления газа перед прибором; Р^ - верхний предел
срабатывания предохранительного запорного клапана; р^ , Р^ - верхний и нижний пределы регулируемого
давления; АРсч - потери давления в газовом счетчике; ЛР^, ЛР^- минимальный и максимальный
располагаемые перепады давлений в газовой сети; ЛР - расчетный перепад давлений: а - при максимальном давлении на выходе из регулятора; б - при минимальном давлении на выходе из регулятора
Согласно результатам исследований [6, 7], экспериментальная зависимость относительного КПД газоиспользующей установки от относительного давления газа перед прибором аппроксимируется следующим выражением:
п =-0,514 Р6 + 2,355Р5 - 3,066Р4
' отн ' отн ' отн ' отн 1/1
- 0,765Р3 + 4,423Р2 - 2,992Р + 1,553,
отн отн отн
где Ро = Рг ; Рг = рг ; по = ; пг =Лг .
отн т\ппиб отн ъппиб 1отн 'отн
~РПриб отн Рприб 'отн ^ 'отн п
ном ном ' ном »ном
Абсолютные значения КПД газоиспользующей установки находятся пересчетом по форму-
лам:
пг=птпнм, (3)
пг=птпом, (4)
где пном - КПД газоиспользующего прибора при работе на номинальном давлении газа. Рассмотрим топливную составляющую целевой функции (1).
Связь между расходом газа Уном , м3/ч, и теплопроизводительностью газоиспользующей установки Q, МДж/ч, при работе в номинальном режиме эксплуатации устанавливается следующим уравнением:
V =-О-, (5)
ном
^¿Р ' /ном
где QH - теплотворная способность газа, МДж/м3; пном - КПД газоиспользующей установки на номинальном режиме.
Прирост потребления газа за счет снижения КПД газовой установки с Ц0Г до Пг
( 1 1 ^
hr h
(6)
АУ = V п
ном ном
\чг Чг )
где т]°г, Пг - КПД газоиспользующей установки при отсутствии и при наличии потери давления в газовой сети.
Годовая стоимость дополнительно потребляемого газа
' 1 1 ^
hr h°i
(7)
DT = СгУгодПтм
\чr 'lr )
где Vod - годовой расход газа при работе газоиспользующей установки на номинальном режиме, м3/год, ¥ножтгод = Кед; Сг - удельная стоимость газа, руб./м3; х0дд - годовая продолжительность работы газоиспользующей установки, ч/год.
Связь между давлением газа перед газоиспользующим прибором Рг и потерей давления в распределительном газопроводе устанавливается следующими уравнениями (рис. 1):
- при максимальном давлении на выходе из регулятора
Р = pmax _др _др (8)
Г max ^^ сч ^^ v '
- при минимальном давлении на выходе из регулятора
р = р^ _др _др (9)
Г mm ^^ сч ^^ v '
Ограничения к целевой функции (1) имеют следующий вид:
- по давлению газа рг
рприб £ р £ р рег (ррег )_ др (Ю)
min — Г — max \ mm / сч v /
- по потерям давления Др
0 £ Др <др^тт )<дрр (11)
где dmin - минимальный диаметр распределительного газопровода, принимаемый по технологическим соображениям равным 15 мм для наземных и 40 мм для подземных газопроводов.
Для нахождения оптимального значения управляющего параметра др использовался метод
вариантных расчетов, согласно которому задаются рядом значений параметра др1; др2; ... дрп и вычисляются значения целевой функции З,; З2; ... Зп. Минимальному значению функции 3mln соответствует оптимальное значение потери давления в распределительном газопроводе др.
В целях численной реализации экономико-математической модели (1)^(11) были проведены соответствующие расчеты. В качестве объекта газоснабжения принята отопительная котельная, оборудованная чугунными секционными котлами. Снабжение котельной газом осуществляется от шкафной газорегуляторной установки с минимальной величиной регулируемого давления Р^Г . Котлы эксплуатируются при постоянном расходе газа, близком к номинальной величине. Изменение тепло-производительности котельной в зависимости от температуры наружного воздуха обеспечивается путем автоматического включения (выключения) котлов по температурному графику тепловой сети.
В расчетах использовались следующие исходные данные и предпосылки:
1. Расчетная теплопроизводительность котельной Q = 500 МДж/ч.
2. Номинальное давление газа перед котлами Р^рМ6 = 1300 Па.
3. КПД отопительных котлов при работе на номинальном режиме гноМ = 86% .
4. Годовое число часов использования максимума тепловой нагрузки тгод = 2500 ч/год.
5. Длина распределительного газопровода I = 60 м.
6. Прокладка газопровода - подземная из стальных труб.
7. Удельная стоимость газа СГ = 10,0 руб./м3.
Результаты соответствующих расчетов представлены на графике (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость приведенных затрат в систему газоснабжения от потери давления в газопроводе
Как следует из рис. 2, минимальному значению приведенных затрат в проектируемую систему ЗтЙ1 = 20917 руб./год соответствует значение потери давления ЛРор1 = 120 Па, являющееся оптимальным. Полученная величина в 5 раз меньше предельно допустимого значения расчетного перепада давления, установленного во второй главе (ЛРтР1п = 596 Па).
Анализ полученных результатов показывает, что оптимизация потерь давления в уличных газовых сетях позволяет получить значительную экономию годовых приведенных затрат в сооружение и эксплуатацию проектируемой газораспределительной системы. Например, при расчетном перепаде давления ЛР1Р1П= 596 Па, по рис. 2 имеем снижением затрат с З = 29733 руб./год до 20917 руб./год или на 42,2 % в относительном выражении.
Еще одним положительным результатом оптимизации потерь давления в газораспределительных сетях является повышение величины давления газа перед теплогенераторами и, как следствие, повышение общей эффективности использования газового топлива.
Тогда приращение оптимального давления газа перед теплогенераторами составит
596 -120
ЛРР -ЛР ,
ЛР _ шп ор1
орр РПриб
1300
_ 0,37.
Приведенная модель применима не только для транзитного газопровода, но также с некоторым допущением (в сторону завышения диаметра газопроводов) и к разветвленной системе распре-
делительных газопроводов. При этом давление газа перед газоиспользующими приборами будет определяться следующим образом:
Рг = Р0-Dp = РпРиб-DP -Dp. (12)
1 г 1 г 2 1 тах сч 2
Выводы
1. Анализ современного состояния газораспределительной отрасли Российской Федерации показывает, что наиболее приоритетным направлением ее развития на ближайшую перспективу является широкая газификация сельской местности на базе сетевого природного газа.
2. Ретроспективный анализ развития распределительных систем газоснабжения сельских поселков вскрывает тенденцию к снижению степени их централизации путем широкого внедрения шкафных газорегуляторных установок и одноступенчатых систем газоснабжения, оборудованных домовыми регуляторами давления.
3. Как показывают расчеты, несмотря на многообразие и широкий диапазон изменения исходных параметров, определяющее влияние на величину оптимальной потери давления оказывают тип газоснабжаемого здания и характер его газового оборудования. В качестве обобщенных значений для проектной практики рекомендуется принимать DPopt = 250 - 300 Па (жилые усадебные здания).
ЛИТЕРАТУРА
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р. М., 2009. 144 с.
2. Медведева О.Н. Технико-экономическая оптимизация перепадов давления тупиковых газовых сетей / О.Н. Медведева, Е.В. Обидина // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 78-85.
3. Медведева О.Н. Обоснование расчетного перепада давлений в распределительных газопроводах / О.Н. Медведева // Вестник гражданских инженеров. 2011. № 4 (29). С. 109-114.
4. Медведева О.Н. К вопросу оптимизации расчетных перепадов давления между участками газовой сети / О.Н. Медведева, Б.Н. Курицын // Газ: специализированный журнал. Саратов: Газ-Медиа, 2006. № 2. С. 26-28.
5. Медведева О.Н. Выбор оптимальной потери давления в поселковых системах газоснабжения/ О.Н. Медведева, А.А. Иванов // Актуальные проблемы современного строительства: материалы 63 Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых. СПб.: СПбГАСУ, 2010. С. 75-78.
6. СТО 03321549-005. Выбор параметров систем газоснабжения сельских населенных пунктов на базе природного и сжиженного углеводородного газов. Саратов: Гипрониигаз, 2010. 17 с.
7. Медведева О.Н. Исследование тепловой эффективности водогрейных аппаратов, работающих на газовом топливе / О.Н. Медведева, Б.Н. Курицын, А.А. Иванов // Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Сер. Строительство и архитектура. Вып. 8. № 16. Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2009. С. 54-57.
Медведева Оксана Николаевна - Oksana N. Medvedeva -
кандидат технических наук, доцент кафедры Ph.D, Associate Professor
«Теплогазоснабжение, вентиляция, Department of Heat and Gas Supply, Ventilation,
водообеспечение и прикладная Water Supply and Applied Fluid and Gas Dynamics,
гидрогазодинамика» Саратовского Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Иванов Александр Иванович - Aleksandr I. Ivanov
кандидат технических наук, доцент кафедры Ph.D, Associate Professor
«Теплогазоснабжение, вентиляция, Department of Heat and Gas Supply, Ventilation,
водообеспечение и прикладная Water Supply and Applied Fluid and Gas Dynamics,
гидрогазодинамика» Саратовского Yuri Gagarin State Technical University of Saratov государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 14.06.14, принята к опубликованию 25.09.14
