Роль подземных хранилищ газа в обеспечении устойчивости функционирования Единой системы газоснабжения России Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.691.24

Роль подземных хранилищ газа в обеспечении устойчивости функционирования Единой системы газоснабжения России

Д.В. Люгай1, С.И. Долгов1*, Г.С. Ракитина1

1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1 * E-mail: S_Dolgov@vniigaz.gazprom.ru

Тезисы. Традиционно считается, что основная задача подземных хранилищ газа (ПХГ) - регулирование сезонной неравномерности потребления и обеспечение прохождения зимних пиков нагрузок на систему газоснабжения. Именно эти задачи ПХГ принимают во внимание при обосновании необходимых объемов запасов газа, а также максимальных суточных отборов.

В статье предлагается несколько иной взгляд на роль ПХГ в функционировании Единой системы газоснабжения (ЕСГ) и соответствующие подходы к оценке необходимых суточных отборов из ПХГ. Авторами создана региональная балансовая модель ЕСГ, позволяющая оценить возможности использования ПХГ для компенсации краткосрочных колебаний потребления газа. В качестве региональных балансовых зон использовались зоны обслуживания газотранспортных обществ.

С использованием данной модели проведена оценка реагирования ЕСГ на краткосрочные колебания суточного потребления газа, связанные с изменением температуры в разных регионах РФ, по результатам которой для каждой балансовой зоны оценивалась обеспеченность локальными средствами регулирования неравномерности потребления газа (т.е. соответствие возможностей ПХГ потенциальным краткосрочным колебаниям потребления газа). В зависимости от уровня обеспеченности средствами регулирования все зоны разделены на три группы: не имеющие ПХГ, дефицитные, избыточные.

К числу факторов, не рассмотренных в статье, можно отнести запасы газа в магистральных газопроводах, участие объектов добычи в процессах компенсации краткосрочной неравномерности потребления газа и возможности диспетчерских служб по оперативному управлению потоками и запасами газа в ЕСГ. Однако, несмотря на принятые допущения, описанный подход может быть использован для оценки с системных позиций потенциальной устойчивости ЕСГ к воздействию краткосрочной неравномерности газа, а также для разработки предложений по развитию подсистемы подземного хранения газа и межсистемных связей.

Ключевые слова:

неравномерность потребления газа, структура потребления газа, подземные хранилища газа.

Традиционно считается, что основная задача подземных хранилищ газа (ПХГ) -регулирование сезонной неравномерности потребления и обеспечение прохождения зимних пиков нагрузок на систему газоснабжения. Именно эти задачи ПХГ принимают во внимание при обосновании необходимых объемов запасов газа, а также максимальных суточных отборов. В данной статье предлагается несколько иной взгляд на роль ПХГ в функционировании Единой системы газоснабжения (ЕСГ) и соответствующие подходы к оценке необходимых суточных отборов из ПХГ.

В отличие от систем транспортировки и жидких, и твердых топлив, допускающих дискретизацию процессов добычи, транспортировки и хранения, система газоснабжения функционирует в непрерывном динамическом режиме с единым балансом газа для всех элементов. Поэтому неравномерность потребления газа так или иначе отражается на функционировании всей системы. Вследствие этого компенсация неравномерности потребления газа в ЕСГ требует системных подходов. Очевидно, что естественным решением задачи снижения неравномерности как поставок, так и потребления какого-либо продукта является создание буферных запасов. В дискретных системах транспортировки и распределения продуктов неравномерность потребления или поставок может быть без значительных проблем скомпенсирована созданием хранилищ и складов в непосредственной близости либо от объектов добычи, либо от объектов потребления. В случае ЕСГ возможности создания хранилищ газа ограничиваются наличием специальных геологических структур. Помимо ограничений по размещению запасов газа

в отдельных сегментах ЕСГ при рассмотрении задач обеспечения устойчивого функционирования ЕСГ при воздействии краткосрочных колебаний потребления газа длительностью до 3 сут (например, в результате климатических аномалий) необходимо учитывать фактор инерционности транспортировки. При средней скорости движения газа по трубам не выше 5.. .8 м/с время прохождения газа по основным трубопроводам ЕСГ превышает 4 сут (протяженность большинства основных магистральных газопроводов более 2000 км).

Исходя из этих предпосылок авторами создана региональная балансовая модель ЕСГ, позволяющая оценить возможности использования ПХГ для компенсации краткосрочных колебаний неравномерности потребления газа. При создании модели принимались следующие допущения. Вся ЕСГ была разбита на балансовые зоны, для упрощения задачи сбора и подготовки исходных данных в качестве балансовых зон использованы существующие зоны обслуживания газотранспортных обществ ПАО «Газпром». Каждая балансовая зона характеризуется следующими показателями:

• бпотр - суточным объемом газа, потребляемого в балансовой зоне;

• 6осед - суточным объемом оседания газа в пределах балансовой зоны, т.е. разницей между поступлением газа из-за пределов зоны за сутки и поставками газа за границы зоны за сутки;

• боте - суточным отбором из ПХГ, находящихся в пределах балансовой зоны.

Управление балансами поставок газа с целью компенсации неравномерности потребления осуществляется диспетчерскими службами ПАО «Газпром» путем изменения суточных отборов из ПХГ и изменением объемов оседания газа.

В большинстве субъектов РФ (соответственно, в балансовых зонах) от 50 до 100 % потребляемого газа используется для нужд тепло- и электроэнергетики. Особенность данной группы потребителей - сильная зависимость объемов потребления газа от температуры окружающего воздуха, поэтому именно эти потребители вызывают наиболее существенные возмущения объемов потребления газа как в сезонном, так и в суточном разрезах. Данный факт подтверждается очевидной корреляцией между объемами потребления газа и температурой окружающего воздуха (рис. 1, 2). С учетом доминирующего влияния температуры воздуха на возникновение регулярных краткосрочных колебаний объемов потребления газа остальные факторы, влияющие на объемы потребления газа, не рассматривались.

Для оценки возможной неравномерности потребления газа для каждой зоны на основе ретроспективных данных построены интерполяционные модели, отражающие зависимость объемов потребления газа

£ 27

£ 25

Й 23

й I-

И 21

<Ц

19

£ о

С 17 15 13 11

2

о

2

2

о

2

2

о

2

Л

лЛ А ал Ал А ^\

А / Л 1 ~ 1 v \ _ г А А Г N

чЛ 1 г Л ^\

г* М V Г \Г \/ -1 1, г\

\ v \

\ \ Л { \

л V

2

о

2

2 2

2

о

2

9 2

гч

гч

гч

гч

2

2

о

2

2

о

2

2

о

2

2

о

2

2

15 ^

сЗ X

10 £

5 &

£

а

« и -5 Н

-10 -15 -20 -25

Дата

Рис. 1. Характерные для зимних месяцев графики температуры воздуха и потребления газа в Ленинградской области

♦ результат измерений

линия интерполяции □ зона разброса значений

Рис. 2. Корреляция между объемами потребления газа и температурой воздуха

для нескольких субъектов РФ

от температуры воздуха в центральных районах каждой из балансовых зон:

ей = f т), (!)

Т - температура воздуха для центрального региона балансовой зоны в анализируемый период года.

Сопоставление зависимостей (1), полученных на основе данных разных лет, показало стабильность корреляционных коэффициентов для всех субъектов РФ и балансовых зон ЕСГ, охватывающих эти субъекты. При этом климатические особенности того или иного года отражались преимущественно на частоте и амплитуде

колебаний потребления газа. Помимо климата на амплитуду колебаний потребления газа влияют общий объем и отраслевая структура потребления газа на территориях балансовых зон. Соответственно, чем больше общий объем потребления газа и чем большая доля газа потребляется объектами тепло-, электроэнергетики, тем больше потенциальная амплитуда колебаний объемов газопотребления. На рис. 3 показана предельная амплитуда суточных колебаний объемов потребления газа для субъектов РФ, по данным зимнего периода 2012 г.

Необходимо отметить, что традиционный подход, используемый при оценке эффективности ПХГ, предполагает оценку

8юг/(и) г ¡и

О , млн м3/сут

— потр

-о

я

о

Т, г.

к К

о -

е -

=

г

х

Я е й п о» №

о

в*

п §

о се

е

■в

п

п

к

№

1 —

№

в =

г

х г> ¡а а

п

^

(Г1 п Я н к

X ©

а

а =

в

гв к» о

к»

Г1

Москва Свердловская обл. Тюменская обл. Московская обл. Краснодарский край Татарстан Ставропольский край Челябинская обл. Костромская обл. Оренбургская обл. Башкортостан Тверская обл. Рязанская обл. Пермский край Санкт-Петербург Нижегородская обл. Омская обл. Самарская обл. Ростовская обл. Волгоградская обл. Саратовская обл. Белгородская обл. Чеченская Республика Ленинградская обл.

Чувашия Воронежская обл. Тульская обл. Дагестан Вологодская обл. Удмуртия Курская обл. Ульяновская обл. Калужская обл. Смоленская обл. Кировская обл. Брянская обл. Новосибирская обл. Республика Коми Кемеровская обл. Кабардино-Балкария Пензенская обл. Липецкая обл. Ярославская обл. Ивановская обл. Владимирская обл.

Мордовия Астраханская обл. Калининградская обл.

Марий-Эл Тамбовская обл. Архангельская обл. Северная Осетия Алтайский край Томская обл. Псковская обл. Орловская обл.

Калмыкия Курганская обл. Карачаево-Черкессия Ингушетия Новгородская обл.

Адыгея Карелия Республика Алтай

ИЖН иоаоещ июэа • яинЛдэ ряээьинхэх-оньАвн

»01

и прогнозирование только положительных отклонений спроса на газ - так называемых пиков потребления. С точки зрения анализа динамической устойчивости функционирования всей ЕСГ не менее важным является изучение и периодов резких потеплений. Амплитуда отрицательных отклонений спроса на газ сопоставима с пиками потребления, при этом с точки зрения ЕСГ ситуация резкого потепления является даже более опасной, так как при этом в различных сегментах системы могут возникать значительные балансовые избытки газа, приводящие к увеличению запаса газа в трубах. С учетом инерционности транспортировки и дефицита мощностей ПХГ в отдельных сегментах ЕСГ резкое увеличение запасов газа в трубах (при быстром потеплении) может привести к нарушению нормального функционирования объектов транспорта газа, а в самом критическом случае - и к аварийным разрывам трубопроводов.

При наличии температурных моделей балансовых зон (см. формулу (1)) для оценки потенциальной устойчивости ЕСГ к колебаниям спроса на газ можно использовать известные для каждого субъекта РФ климатические характеристики, а именно характерные максимальные и минимальные значения температуры воздуха по сезонам и месяцам года.

Оценка неравномерности потребления газа проводилась исходя из допущения, что температура воздуха может в течение суток отклонится от своего текущего значения либо до максимального, либо до минимального уровня. В самом консервативном случае допускается, что в течение суток возможно изменение температуры воздуха в пределах от минимальной до максимальной климатической нормы. При этом для локализации влияния неравномерности потребления газа в пределах одной балансовой зоны должна обеспечиваться возможность компенсации неравномерности потребления газа только за счет изменения отборов газа из ПХГ. В идеальном случае значение 0осед в балансовой зоне должно сохранятся постоянным при любых колебаниях бпотр. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы максимальный суточный отбор из ПХГ в балансовой зоне (б™) превышал диапазон возможных колебаний потребления газа. При недостатке возможностей ПХГ для компенсации неравномерности потребления придется использовать изменение объемов оседания газа,

т.е. либо увеличивать поставки газа на входах в зону, либо снижать поставки газа за пределы зоны. Полное балансовое выражение для зоны имеет вид:

е™ + АбпОТр = е™+деосед + ег+деот6, (2)

где е™ - объем потребления газа при температуре воздуха, соответствующей максимальной климатической норме; Депотр - изменение объема потребления газа при снижении температуры воздуха ниже максимальной климатической нормы; е™ - минимальный объем оседания газа; Деосед - изменение объема оседания газа, необходимое для регулирования неравномерности потребления в балансовой зоне; еГ - минимальный уровень отбора из ПХГ; Деотб - изменение объема отбора газа из ПХГ, необходимое для регулирования неравномерности потребления в балансовой зоне.

Параметризация балансового выражения (2) для каждой зоны проводилась исходя из допущения, что ПХГ могут работать только в режиме отбора газа (зимний период), при этом по достижении о™ отбор из ПХГ должен выбираться из условия:

еиш Н ат -Ае:;с ] есЛИ е™ > ле™

016 10 если ег ^е™

д ^макс _ ^макс _^мин .

¿¿потр ¿¿потр ¿¿потр >

~»макс

0макс __/т-'минч.

потр ¿¿потр

0мин __/тумаке \

потр ¿¿потр

(4)

где 7м™, 71макс - значения температуры воздуха, отвечающие соответственно минимальной и максимальной климатическим нормам (по данным наблюдений) для центрального региона балансовой зоны в анализируемый период года; е™ - объем потребления газа при температуре воздуха, соответствующей минимальной климатической норме.

Минимальный уровень оседания оценивается исходя из минимального уровня отбора из ПХГ:

0мин _ ,<-чмин ,<-чмин

осед ¿¿потр ¿¿отб '

(5)

По результатам параметризации выражения (2) для каждой балансовой зоны оценивалась обеспеченность локальными средствами регулирования неравномерности потребления

газа (т.е. соответствие возможностей ПХГ потенциальным краткосрочным колебаниям потребления газа). В зависимости от уровня обеспеченности средствами регулирования все зоны разделены на три группы (рис. 4):

1) не имеющие ПХГ (Д0™ = 0);

2) дефицитные (Д0осед > 0; Д0™ < Дб™);

3) избыточные (Д0осед < 0; Д0оТ > Дб™).

Очевидно, что использование ПХГ только для регулирования неравномерности потребления в пределах балансовых зон, в которых они расположены, - это гипотетическая ситуация; в реальности ПХГ используются для регулирования баланса в рамках всей системы. Однако, если принимать во внимание только задачи регулирования краткосрочных колебаний потребления газа, ключевым фактором, ограничивающим зону эффективного использования ПХГ для регулирования краткосрочных балансов газа, является ранее упомянутая инерционность процессов транспортировки газа. Схематично эффективные зоны использования ПХГ представлены на рис. 5.

Исходя из рис. 5 можно допустить, что при решении задач регулирования краткосрочной неравномерности потребления газа эффективные зоны действия ПХГ могут охватывать не только балансовые зоны, в которых они расположены, но и некоторые соседние (при наличии транспортных связей). С учетом этого допущения проведена оценка возможности использования «избыточных» средств отдельных балансовых зон для компенсации краткосрочной неравномерности потребления газа в соседних «дефицитных» зонах. Результат такой оценки отражен на рис. 6.

Видно, что значительная часть балансовых зон, не имеющих собственных ПХГ, и зон с дефицитом возможностей регулирования, могут быть обеспечены возможностями регулирования краткосрочных балансов газа за счет ПХГ из соседних балансовых зон (см. рис. 6). При этом зоны компаний «Газпром трансгаз Сургут», «Газпром трансгаз Томск», «Газпром трансгаз Ухта», «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», «Газпром трансгаз Казань» все

¡¡Санкт-Петербург

«Ставрополь

—Аксарайский

Средства регулирования газопровод

баланса ДО (зона): о компрессорная станция

□ отсутствуют (1) ▲ головной офис ДО

□ недостаточные (2) - границы зоны ответственности ДО

□ избыточные (3) ---- государственная граница РФ

Ямбург

'А.

Рис. 4. Степень обеспеченности дочерних обществ (ДО) ПАО «Газпром» резервами газа из ПХГ для регулирования краткосрочных балансов газа без учета межсистемных связей

Рис. 5. Зоны действия ПХГ, эффективные с точки зрения компенсации краткосрочных (менее 48 ч) колебаний потребления газа

Рис. 6. Степень обеспеченности балансовых зон резервами газа из ПХГ для регулирования краткосрочных балансов газа с учетом системных связей

равно имеют дефицит возможностей с точки зрения компенсации краткосрочных колебаний потребления газа и регулируются преимущественно за счет изменения поставок газа по трубопроводам.

Описанный в статье подход является достаточно упрощенным и не учитывает всех аспектов, влияющих на динамическую устойчивость функционирования ЕСГ, которые принимаются во внимание более детальными и точными моделями, применяемыми в диспетчерском управлении. К числу факторов, не рассмотренных в статье, можно отнести запасы газа в магистральных

газопроводах, участие объектов добычи в процессах компенсации краткосрочной неравномерности потребления газа и возможности диспетчерских служб по оперативному управлению потоками и запасами газа в ЕСГ. Однако, несмотря на принятые допущения, указанный подход может быть использован для оценки с системных позиций потенциальной устойчивости ЕСГ к воздействию краткосрочной неравномерности газа, а также для разработки предложений по развитию подсистемы подземного хранения газа и межсистемных связей.

A role of underground gas storages in provision of stable functioning of the Unified System of Gas Supply of Russia

D.V. Lyugay1, S.I Dolgov1*, G.S. Rakitina1

1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninsky district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: S_Dolgov@vniigaz.gazprom.ru

Abstract. Adjusting of seasonal unevenness in gas consumption and support of winter peak demand of gas are used to be considered the main missions of underground gas storages (UGSs). Exactly these UGSs' tasks are taken into account when the necessary amounts of gas reserves and maximal gas extraction amounts per day are being substantiated.

The paper suggests somewhat different view of the UGSs' destination within the framework of the Unified System of Gas Supply (USGS) operation and related fresh approach to estimation of necessary day amounts of gas extraction from a UGS. Authors created a regional balance USGS model, which helps to asses outlooks for UGS application for compensation of short-term fluctuations in gas consumption. The regional balance zones were selected within the actual borders of the service zones of the gas-transport LLCs.

Using this model the USGS's reaction to short-term variability of day gas consumption due to temperature changes was assessed for different regions of Russia. According to the acquired results each balance zone was assessed by criterion of sufficiency of its local means for regulation of gas consumption unevenness (i.e. by correspondence of UGSs's scopes to the potential short-term fluctuations of gas demand). Depending on the level of adjustment means provision all zones were divided into three groups: not having UGS, undersupplied, oversupplied.

The paper doesn't examine such factors as presence of gas reserves inside the main pipelines, participation of the production facilities in compensation of the short-term consumption fluctuations, and the ability of the dispatching services to control gas flows and reserves in USGS in real time. Nevertheless, despite the concerned assumptions, this approach could be used for system estimation of the potential USGS resistance to the influence of the short-term gas demand leaps, as well as for working out recommendations on development of an underground gas storing subsystem and interregional communications.

Keywords: unevenness of gas consumption, structure of gas consumption, underground gas storage.