КомпанииКомпаний: 7724
АккаунтыАккаунтов: 13929
Регистрация       Забыли пароль?




info@oborudka.ru
oborud-ka
Главная » Справочники » Основы городского строительства и архитектуры » Моделирование и оптимизация распределительных систем газоснабжения сетевым природным газом

Моделирование и оптимизация распределительных систем газоснабжения сетевым природным газом

Моделирование и оптимизация распределительных систем газоснабжения сетевым природным газом 

Уровень оптимизации системы, объекта, установки говорит об их совершенстве

Я.М. Торчинский

 

С точки зрения объёмов и расстояний транспортировки продукта газотранспортная система России является уникальной.

Повышения эффективности системы газоснабжения начинается с процесса проектирования, где формируются мероприятия по обеспечению полного и надёжного газоснабжения на всех этапах сооружения и эксплуатации системы.

Разработка методов оптимизации систем централизованного и децентрализованного газоснабжения является актуальной задачей, что объясняется высокими темпами развития этой отрасли энергетики. Непрерывный рост масштабов и уровня централизации систем, усложнение их структуры выдвинули на первый план системные задачи расчёта и оптимизации, определяющие экономическую эффективность и надёжность систем газоснабжения.

Проблема оптимизации систем газоснабжения охватывает широкий комплекс взаимосвязанных вопросов, касающихся оптимального проектирования систем, управления режимами работы в процессе эксплуатации, выбора вида системы (децентрализованная на базе домовых регуляторов давления) или централизованная (на базе газорегуляторных пунктов), распределения перепадов давления между участками газовой распределительной сети и многое другое. Эти задачи представляют определённую сложность, так как системы газоснабжения являются по существу подсистемами больших систем энергетики, непрерывно развиваются, характеризуются многофакторной зависимостью экономических показателей как от схемы, типа оборудования, режима работы системы газоснабжения, так и от структуры и режима работы энергетической системы в целом.

В связи с расширяющейся газификацией страны большой интерес представляют вопросы оптимизации систем газоснабжения небольших населённых пунктов, так как в настоящее время в сельских районах страны строительство малоэтажных, малоквартирных и усадебных зданий осуществляется в широких масштабах. Это обстоятельство требует разработки и внедрения прогрессивных систем инженерного оборудования, обеспечивающих необходимый уровень благоустройства квартир и санитарно-гигиенических условий жизни населения.

На выбор оптимального и наиболее надёжного варианта существенное влияние оказывает характеристика объекта газоснабжения, то есть планировка населённого пункта, плотность и этажность застройки, объёмы потребляемого газа, наличие и характеристика газопотребляющих установок, стоимость труб, оборудования и др.

Существует два варианта многоступенчатых распределительных сетей газоснабжения с жёсткой связью между элементами: кольцевые и разветвлённые. У разветвлённых сетей газоснабжения газ поступает к потребителю по одному участку (одному направлению), поэтому они являются тупиковыми системами.

В современной практике снабжения населённых пунктов сетевым природным газом широкое распространение получили двухступенчатые системы газоснабжения со шкафными газорегуляторными пунктами (ШГРП).

Степень централизации указанных систем, то есть количество квартир (зданий) подключаемых к одному ШГРП, в проектной практике обычно принимается в зависимости от пропускной способности ШГРП, трассировки распределительных газопроводов, специфики застройки посёлка и т.д. Указанное обстоятельство в силу субъективности принимаемых решений, часто приводит к перерасходу материальных и денежных средств в сооружение и эксплуатацию систем газоснабжения, поэтому оптимальное решение данного вопроса требует экономического обоснования.

Решению задачи оптимальной централизации двухступенчатых систем газоснабжения с газорегуляторными пунктами посвящено большое количество исследований. Выбор числа газорегуляторных пунктов (ГРП) является одной из актуальных задач оптимизации газораспределительных систем. Сравнительный анализ предлагаемых методик приводится в весьма концептуальной работе (Я.М. Торчинский, «Оптимизация проектируемых и эксплуатируемых газораспределительных систем», 1988), в которой автор показывает, что в существующих «оптимизационных» методиках используется ряд допущений, не учитывающих специфику реальных систем газоснабжения. В то же время, аналитическое решение задачи (А.А. Ионин «Газоснабжение», 1981) получено для газораспределительной сети с кольцевыми газопроводами низкого давления. Такая трассировка газопроводов специфична для существующих систем газоснабжения крупных населённых пунктов, на базе мощных ГРП, располагаемых в отдельно стоящих зданиях. Следует также отметить, что аналитические зависимости получены авторами при целом ряде исходных предпосылок и допущений, наличие которых обуславливает существенную погрешность решения задачи, как-то:

- постоянство затрат в сооружения и эксплуатацию шкафных газорегуляторных пунктов;

- постоянство коэффициента одновременности работы газовых приборов;

- постоянство коэффициента путевого расхода газа по трубопроводам.

Предложенные авторами рекомендации не учитывают в полной мере специфики архитектурных решений зданий и их теплозащиту, оснащённости зданий газовыми приборами и режимов их эксплуатации, материал и способ прокладки распределительных газопроводов. Полученные авторами решения не учитывают специфику вариантов застройки селитебной зоны, возможности снижения металлоёмкости распределительных сетей за счёт оптимизации перепадов давления по участкам газовой сети. Кроме того, количественные рекомендации по оптимальной централизации систем газоснабжения получены на базе устаревших технико-экономических показателей и требуют корректировки с учётом новых технических решений и корреляционного анализа современных сметных материалов.

Широкое применение недорогих шкафных газорегуляторных пунктов обуславливает тенденцию к качественному изменению структуры газораспределительной сети. Её характерной особенностью являются разветвлённые (кольцевые) сети среднего давления в сочетании с короткими (тупиковыми) сетями низкого давления. Решение задачи в такой постановке приводится в работах (Б.Н. Курицын «Оптимизация систем теплогазоснабжения и вентиляции», 1992 и Б.Н. Курицын, А.В. Казьмина, О.Н. Медведева «Оптимальная централизация систем газоснабжения от шкафных ГРП. Повышение эффективности систем теплогазоснабжения и вентиляции, 1999).

Проведение аналитических исследований газораспределительных сетей с целью определения общих закономерностей и связей между их параметрами, оптимизация этих параметров и т.д., применительно к условиям реальных сетей, взятых из практики проектирования, является сложной и трудоёмкой задачей. Поэтому при технико-экономических исследованиях прибегают к искусственной расчётной модели. Многолетний опыт ведущих проектных и научно-исследовательских организаций показывает, что перенос закономерностей, полученных с помощью расчётной модели, на реальные газораспределительные сети обеспечивает достаточно хорошие результаты.

В данном случае в качестве расчётной модели рассматривается условный (гипотетический) населённый пункт. Принимая во внимание данное допущение, задача исследования может быть сформулирована следующим образом: разработка научно-обоснованной и практически применимой методики определения оптимальной централизации систем газоснабжения сетевым природным газом на базе шкафных ГРП.

Суммарная протяжённость газовых распределительных сетей в значительной степени определяется структурой застройки населённого пункта.

Согласно (Ш.А. Иссамухамедова «Повышение экономической эффективности проектных решений теплогазоснабжения сельских посёлков», 1986) для современных проектных решений характерны следующие варианты застройки: квартальная для крупных населённых пунктов; тупиковая - с размещением жилых домов вдоль тупиковых проездов - для средних и малых населённых пунктов и ленточная (строчная) застройка, обычно применяемая в малых посёлках. Расчётные схемы газовых сетей разработаны с учётом методических положений (О.Н. Медведева «Оптимальная централизация систем газоснабжения малых населённых пунктов на базе сетевого природного газа», 2004).

С увеличением централизации систем газоснабжения (с уменьшением количества ШГРП в посёлке) снижаются затраты по самим ШГРП, а также затраты в поселковые сети высокого (среднего) давления за счёт уменьшения их протяжённости. Вместе с тем увеличиваются затраты в сети низкого давления за счёт увеличения их среднего диаметра.

В качестве целевой функции задачи рассмотрим удельные (на одну газифицируемую квартиру) интегральные затраты по комплексу: сети высокого (среднего) давления, ШГРП, сети низкого давления. Критерию оптимальности соответствует минимум целевой функции.

Материал доступен в бумажной версии издания.] соответствует оптимальное количество квартир n(opt) газоснабжаемых от одной шкафной газорегуляторной установки.

Анализ представленной экономико-математической модели показывает, что оптимальная централизация распределительных газовых сетей зависит от целого ряда факторов. К их числу относятся: характер застройки посёлка жилыми зданиями; климатические условия эксплуатации систем газоснабжения; оснащённость зданий газовыми приборами и оборудованием; режимы потребления газа; материал и способ прокладки газопроводов и др.

В целях оценки влияния указанных факторов на оптимальную централизацию поселковых систем газоснабжения были проведены соответствующие расчёты. В расчётах использовались следующие исходные данные и предпосылки:

 

* застройка населенного пункта жилыми зданиями - однорядная, двухрядная и многорядная;

* климатическая зона эксплуатации - умеренно-тёплая и холодная;

* уровень теплозащиты зданий - минимальный по санитарно-гигиеническим требованиям и повышенный по требованиям энергосбережения;

* характеристики газифицируемых зданий - одноэтажные усадебного типа (общая площадь 81 м2); двухэтажные коттеджного типа (общая площадь 162 м2);

* плотность населения газоснабжаемой территории q=7,5 * 10(-3) чел/м2; q=2,5 * 10(-3) чел/м2 и q=6 * 10(-4) чел/м2 ;

* газовое оборудование зданий - газовые плиты и отопительные печи; газовые плиты, отопительные котлы и проточные водонагреватели;

* режимы эксплуатации газового отопления - отопительные печи периодического действия (2-х разовый натоп в сутки продолжительностью 3 часа); отопительные печи (котлы) непрерывного горения;

* прокладка газопроводов: подземная (из стальных и полиэтиленовых труб); надземная из стальных труб по металлическим опорам высотой 2,5 м.

По результатам проведённых исследований разработаны рекомендации по оптимальной централизации двухступенчатых систем газоснабжения на базе шкафных газорегуля-торных пунктов.

оптимальная централизация систем газоснабжения населённых пунктов изменяется в очень широких пределах от 6 квартир (ленточная застройка при плотности населения q=6 * 10 (-4) чел/м2) до 320 квартир (многорядная застройка при плотности населения q=7,5 * 10 (-3) чел/м2). Как показал анализ, оптимальная централизация распределительных систем газоснабжения существенно изменяется в зависимости от плотности населения газоснабжаемой территории (площади приусадебных участков). С увеличением плотности населения (газопотребления) уменьшается протяжённость распределительного газопровода, приходящегося на одну квартиру, и, следовательно, уменьшается расход на его обслуживание. В значительной степени уровень централизации систем газоснабжения зависит и от характера застройки зданиями (одно - и двухрядная, многорядная).

Реализация предложенной математической модели существенно улучшает структуру распределительных систем газоснабжения и обеспечивает снижение интегральных затрат в размере 10-12%, при снижении капитальных вложений до 19-20%.

Как показывают исследования, система газоснабжения среднего давления примерно на 20-30% экономичнее систем низкого давления. Такие системы с надёжными регуляторами небольшой производительности оказываются экономичными и технически более совершенными, что выражается в постоянном давлении газа у приборов и обеспечивает наилучшие условия для сжигания газа. При газоснабжении жилых зданий от сетей среднего давления важным элементом является регулятор давления. Его назначение - снижение давления уличной газораспределительной сети на низкое, используемое во внутридомовых газопроводах. При выборе производительности домового регулятора давления газа необходимо знать расход газа у потребителя (например, жилого дома) и величину входного давления.

Для обеспечения удовлетворительных условий работы регулятора его максимальная нагрузка принимается не более 80% от максимальной пропускной способности регулятора, а минимальная нагрузка составляет 10% от максимальной пропускной способности. Один регулятор давления может обслуживать как один дом (коттедж или многоэтажный), так и группу домов (в основном одно-, трёхэтажные дома).

Конструкции домовых регуляторов давления разработаны институтом «Гипрониигаз» и серийно выпускаются ОАО «Сигнал» на базе регуляторов давления РДГБ-6 и РДГК-10. Пропускная способность указанных регуляторов полностью покрывает потребности в газе отдельных жилых домов усадебного (коттеджного) типа. Шкафные ГРП с домовыми регуляторами давления просты и надёжны в эксплуатации и недороги в изготовлении.

Сравнительно небольшие объёмы газопотреблеиия в сельской, загородной местности, включая рабочие посёлки и сёла, при низкой плотности жилого фонда создают благоприятные предпосылки для применения одноступенчатых систем газоснабжения среднего давления.

Однако, снижение металлоёмкости газовых сетей является хотя и важным, но не единственным фактором, определяющим экономическую эффективность систем газоснабжения. Замена газопроводов низкого давления на газопроводы среднего давления не только снижает металлоёмкость газовой сети, но также увеличивает расходы по её эксплуатации. Стоимость обслуживания 1 им газопровода среднего давления в 2,5 раза дороже стоимости обслуживания 1 пм газопровода низкого давления.

Установка шкафных ГРП у каждого газифицированного здания резко увеличивает капитальные затраты в газорегуляторные установки и расходы по их эксплуатации. С учётом вышеизложенного, целесообразность применения одноступенчатых систем газоснабжения требует более глубокого технико-экономического анализа.

В качестве базового варианта рассмотрим двухступенчатую систему газоснабжения со шкафными ГРП в условиях оптимальной централизации. В качестве альтернативного варианта - одноступенчатую систему газоснабжения с домовыми регуляторами давления.

В качестве целевой функции задачи примем удельные (на 1 квартиру) интегральные затраты в систему газоснабжения.

Удельные интегральные затраты в двухступенчатую систему газоснабжения в условиях её оптимальной централизации находятся путём численной реализации математической модели.

Удельные интегральные затраты в одноступенчатую систему газоснабжения с домовыми регуляторами давления определяются следующей зависимостью:

- удельные интегральные затраты в газопроводы среднего давления, руб/(год * кв).

В общем случае протяжённость газопроводов среднего давления l (с/д) определяет заселённость квартир S, плотность населения на газоснабжаемой территории q, а также количество газифицируемых зданий п (численность населённого пункта). Следует отметить, однако, что влияние численности населённого пункта на удельную протяжённость газопроводов среднего давления весьма незначительно и составляет примерно 3-17%.

Целесообразно применение двухступенчатой системы газоснабжения в условиях её оптимальной централизации.

Как показали результаты практических расчётов по данной экономико-математической модели, многорядная застройка посёлков жилыми зданиями обуславливает целесообразность применения двухступенчатых систем газоснабжения. Так например, при плотности населения g=0,0075 чел/м2 (площадь приусадебного участка 4 сотки) удельные интегральные затраты в одноступенчатую систему газоснабжения примерно на 15-25% меньше затрат в двухступенчатую систему.

При ленточной застройке посёлков жилыми домами варианты одно - и двухступенчатых систем газоснабжения взаимно конкурентно способны. Так, например, при двухрядной застройке одно - и двухступенчатая система газоснабжения имеют практически одинаковые экономические показатели только для посёлков расположенных холодной климатической зоне и застроенных жилыми домами усадебного типа с существующим уровнем теплозащиты строительных ограждений (газовое оборудование квартир газовые плиты и отопительные печи периодического действия, прокладка газопроводов - подземная). Во всех остальных случаях целесообразно применение двухступенчатых систем газоснабжения. При этом достигается значительная экономия интегральных затрат.

Так например, при плотности населения g=0,0075 чел/м2 (площадь приусадебного участка 4 сотки) удельные затраты в одноступенчатую систему газоснабжения примерно на 45% меньше затрат в двухступенчатую систему.

При однорядной застройке одно-, и двухступенчатые системы газоснабжения имеют практически одинаковые экономические показатели только для населённых пунктов, расположенных в умеренно-тёплой климатической зоне и застроенных жилыми домами усадебного типа с повышенным уровнем теплозащиты строительных ограждений (газовое оборудование - газовые плиты и отопительные печи (котлы) непрерывного действия, прокладка газопроводов - надземная). Во всех остальных случаях целесообразно применение одноступенчатых систем газоснабжения. Практические расчёты показывают, что реализация предложенных мероприятий обеспечивает значительную экономию газового топлива.

Разработанные теоретические и практические положения по определению оптимальных зон применения одно - и двухступенчатых систем газоснабжения обеспечивают научно-обоснованное развитие сберегающих систем энергоснабжения сельских населённых пунктов.

Как показывает опыт наиболее развитых стран мира производство энергоресурсов на душу населения и их рациональное потребление - это не только основа эффективной экономики и высокого уровня жизни, но и рационального потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и внедрения энергосберегающих технологий.

 

Текущая страница: Основы городского строительства и архитектуры » Моделирование и оптимизация распределительных систем газоснабжения сетевым природным газом