2. Схемы городских многоступенчатых систем газоснабжения

Современные схемы городских систем газоснабжения имеют ярко выраженную иерархичность в построении, которая увя­зывается с приведенной выше классификацией газопроводов по давлению. Верхний иерархический уровень составляют газопроводы высокого давления. Они представляют собой главный костяк городской газовой сети. Сеть высокого дав­ления должна быть резервированная, лишь для небольших систем можно ограничиться тупиковыми схемами. Резерви­руют сети кольцеванием или дублированием с обязательной проверкой пропускной способности при наиболее напряжен­ных гидравлических режимах. Сеть высокого давления гид­равлически соединяется с остальной частью системы через регуляторы давления, оснащенные предохранительными уст­ройствами, предотвращающими повышение давления после регуляторов. Таким образом, вся система разделяется на не­сколько иерархических уровней, на каждом уровне авто­матически поддерживается максимально допустимое давление газа. С переходом на более низкий иерархический уро­вень давление газа снижается (дросселируется) на клапанах регуляторов, которые поддерживают давление после себя по­стоянным, но более сниженным соответственно нормам.

Помимо основного фактора — необходимости иерархии в построении схемы — совместное применение нескольких ступеней давления газа в городах объясняется следующими причинами.

1. В городе имеются потребители, для которых требуются различные давления. Так, в жилых и общественных зданиях, для предприятий бытового обслуживания непроизводствен­ного характера разрешается только низкое давление газа, а для многих промышленных предприятий необходимо среднее или высокое давление.

2. Необходимость в среднем или высоком давлении возни­кает также вследствие значительной протяженности городских газопроводов, несущих большие нагрузки.

3. В центральных районах городов со старой застройкой ширина улиц и проездов небольшая и прокладка газопрово­дов высокого давления может оказаться неосуществимой. Кроме того, при высокой плотности населения по условиям безопасности и удобства эксплуатации прокладка газопрово­дов высокого давления нежелательна.

4. Шкафные газорегуляторные пункты, располагаемые на стенах общественных зданий непроизводственного харак­тера и жилых зданий, разрешается присоединять к газопро­водам с давлением до 0,3 МПа, т.е. к газопроводам среднего давления.

5. Наличие нескольких ступеней давлений газа объясняет­ся также тем, что системы газоснабжения больших городов строили, расширяли и реконструировали в течение многих лет и газопроводы в центральной части города были запроек­тированы на меньшие давления, чем те, которые разрешают в настоящее время.

Провести строгую классификацию городских газопроводов по назначению представляется задачей достаточно сложной, так как структура и построение сетей в основном определя­ются иерархическими уровнями.

Распределительные газопроводы, по которым газ транс­портируют по снабжаемой газом территории и подают его промышленным потребителям, коммунальным предприятиям и в районы жилых домов бывают высокого, среднего и низ­кого давления, кольцевые и тупиковые, а их конфигурация зависит от планировки города.

Основные городские распределительные газопроводы вы­сокого и среднего давления проектируют как единую сеть, подающую газ промышленным предприятиям, отопительным котельным, коммунальным потребителям и в сетевые ГРП. Проектирование единой сети экономически выгоднее раз­дельной, что объясняется большей стоимостью прокладки па­раллельных газопроводов, чем одного газопровода, несущего ту же нагрузку.

Приведенные данные подтверждают экономическую эф­фективность проектирования единой распределительной сети высокого и среднего давления. Даже при выделении про­мышленной зоны часто целесообразно соединять ее газопро­воды с городской сетью высокого давления, что существенно повышает надежность сети и незначительно увеличивает ее стоимость. Только для крупных промышленных объектов и электростанций может оказаться целесообразным проектиро­вать специальные газопроводы.

На выбор системы газоснабжения города оказывают влия­ние многие факторы, к основным из которых относятся: раз­меры города, особенности его планировки и застройки, плот­ность населения; число и характер промышленных потреби­телей и электростанций; наличие больших естественных или искусственных препятствий для прокладки газопроводов (рек, озер, железнодорожных узлов и пр.); перспективный план развития города. При проектировании системы газоснабже­ния разрабатывают различные варианты и производят их технико-экономические сравнения. Для строительства при­меняют наиболее выгодный вариант.

По числу ступеней давления, применяемых в газовых се­тях, системы газоснабжения подразделяются на следующие:

одноступенчатые с подачей различным потребителям газа только по газопроводам одного давления;

двухступенчатые с подачей потребителям по газопроводам газа двух давлений — среднего и низкого, высокого и низко­го, высокого (до 0,6 МПа) и среднего;

трехступенчатые с подачей газа потребителям по газопро­водам трех давлений — низкого, среднего и высокого (до 0,6 МПа);

многоступенчатые с подачей потребителям по газопрово­дам газа низкого, среднего и высокого (до 0,6 и до 1,2 МПа) давлений.

Одноступенчатые схемы газоснабжения используют в ос­новном при газификации небольших населенных пунктов с малоэтажной застройкой (рис. 12.1).

Для средних и небольших городов обычно принимают двух­ступенчатую систему с газопроводами высокого (до 0,6 МПа) и низкого давления.

На рис. 12.2 показана двухступенчатая система газоснабже­ния, характерная для средних и малых городов, а также по­селков. Основные газопроводы выполнены для подачи газа под высоким давлением и закольцованы. Газ подают в город по двум магистральным газопроводам через ГРС. В качестве аккумулирующей емкости используют концевые участки ма­гистральных газопроводов. Жилые дома и мелкие потребите­ли получают газ от кольцевой сети низкого давления. На га­зопроводах среднего давления устанавливаются отключаю­щие устройства перед ГРП и для отключения отдельных уча­стков газопроводов. При пересечении газопроводом железно­дорожных путей его помещают в футляр.

Пересечение рек осуществляется в две нитки. Если в цен­тральной части города невозможно проложить газопроводы высокого давления, то применяют трехступенчатую систему: высокое (до 0,6 МПа), среднее и низкое давление (рис. 12.3). В этом случае высокое давление заменяют средним только частично: в центральной, наиболее плотно застроенной и насе­ленной части города. Выбор того или иного варианта опреде­ляют технико-экономическим расчетом.

Многоступенчатые системы газоснабжения с газопровода­ми давлением более 0,6 МПа применяют только в крупных городах и областных системах. Для крупных и средних горо­дов сети проектируют кольцевыми, а для мелких городов как высокая ступень давления, так и низкая может быть запроек­тирована тупиковой. Диаметры распределительных газопро­водов обычно изменяются в пределах 50-400 мм.

Трассы газопровода проектируют с учетом транспортиро­вания потребителям газа кратчайшим путем, т.е. из условия минимальной протяженности сети. Точки встречи потоков газа устанавливают на границе зон соседних ГРП. Сети низ­кого давления состоят из кольцевых и тупиковых газопрово­дов и абонентских ответвлений. Основные газопроводы про­ектируют при разработке технического проекта, а ответвле­ния — при рабочем проектировании.

В городах и поселках с большой разностью геодезических отметок, т.е. расположенных в холмистой и гористой местно­стях, при размещении ГРП и трассировке газопроводов необходимо учитывать гидростатическое давление. Если исполь­зуемый газ легче воздуха, то ГРП и основные линии распре­делительных газопроводов следует прокладывать по проездам с наименьшими геодезическими отметками. Жилые и обще­ственные здания, коммунально-бытовые потребители, а также мелкие предприятия непосредственно присоединяют к рас­пределительным сетям. Поэтому на вводах газопроводов в зданиях устанавливают только отключающие устройства.

В зависимости от характера планировки жилых масси­вов и плотности населения сети низкого давления выполня­ют из газопроводов, прокладываемых по проездам и улицам в виде сплошных кольцевых сетей, или из газопроводов, прокладываемых преимущественно внутри кварталов с закольцованными только основными линиями. Первая схе­ма характерна для районов города со старой планиров­кой, когда кварталы имеют сплошную застройку по пери­метру и состоят из отдельных замкнутых владений. В этом случае газопроводы прокладывают по каждой улице, переулку и проезду; пересекаясь между собой они образуют кольца. От уличных газопроводов в каждое владение идут вводы.

Вторая схема свойственна городским районам с новой планировкой. Жилые здания располагают равномерно по всей площади микрорайонов с соблюдением необходимых разрывов, а отдельные микрорайоны группируют в жилые массивы. При такой планировке газопроводы прокладыва­ют внутри микрорайонов. В большинстве случаев их проек­тируют тупиковыми, разветвленными. Закольцовывают толь­ко основные линии так, чтобы получить единую сеть с не­сколькими точками питания, число которых равно числу ГРП.

Для возможности отключения сетей низкого давления от­дельных микрорайонов при производстве ремонтных работ на газопроводах устанавливают отключающие устройства. На газопроводах среднего и высокого давления отключающие устройства устанавливают так, чтобы можно было выключить из работы отдельные участки. Отключающие устройства ус­танавливают перед отдельными жилыми, общественными и производственными зданиями, наружными газопотребляющими установками и ГРП, на пересечениях водных преград, железнодорожных и автомобильных магистралей. Число от­ключающих устройств должно быть строго обоснованным и минимально необходимым для возможности оперативного управления распределительной системой при производстве ремонтных работ, реконструкциях, а также при аварийном отключении отдельных газопроводов. Каждое отключающее устройство характеризуется определенной вероятностью от­каза в работе, что снижает надежность системы, но их нали­чие позволяет в аварийных ситуациях отключать меньше по­требителей, что повышает надежность.

Развитие систем газоснабжения городов США, Германии, Дании, Франции и некоторых других стран, как правило, ба­зировалось на создании двухступенчатых схем распределения газа с давлением в сетях на подходах к газорегуляторным пунктам до 2,0 МПа (Франция) и на отходящих от них город­ских тупиковых газопроводах — до 0,4 МПа с максимальным приближением этого давления к потребителям газа и уста­новкой у них индивидуальных регуляторов давления. Приня­тая система газоснабжения от сети среднего давления (0,1-0,4 МПа) объясняется также структурой потребителей газа (преимущественно частные жилые дома, небольшие комму­нальные и промышленные предприятия) и разнообразным ассортиментом высококачественного оборудования, обеспе­чивающего необходимую степень надежности.

Эти сети должны рассчитываться на обеспечение давления газа не менее 0,1 МПа в наиболее удаленной точке системы.

Обеспечение необходимого давления газа на газоиспользующем оборудовании остается основной функцией системы газоснабжения.

Эта цель достигается тем лучше, чем ближе к абоненту размещается газорегуляторная станция (ГРС), так как при этом обеспечиваются:

стабильность давления, которая сохраняется в заданных пределах независимо от колебаний давления газа, что повы­шает надежность работы и КПД приборов у всех потребите­лей за счет равномерности подачи газа;

устранение негативных явлений, связанных с рельефом местности или планировкой зданий.

Система газоснабжения города Москвы развивалась по несколько другому пути, ориентируясь на создание двухсту­пенчатой, а затем, с увеличением объемов поступающего в столицу газа — многоступенчатой системы распределения природного газа с максимальным кольцеванием газопроводов. Это можно объяснить многими факторами, в том числе переходом на газообразное топливо тепловых и электриче­ских станций и других крупных газоемких промышленных предприятий, определяющих топливный баланс города, а также более плотной застройкой жилого сектора; более низ­кой, по сравнению с зарубежными странами, стоимостью га­за (более доступен для крупных потребителей).

Анализ развития систем газоснабжения других крупных городов России и СНГ показывает, что они в этом вопросе пошли, в основном, по пути города Москвы.

На рис. 1.4 представлена принципиальная многоступенча­тая схема газоснабжения крупных городов России (на при­мере г. Москвы).

Из магистральных газопроводов природный газ давлением р = 5,5 МПа через контрольно-распределительные пункты (КРП) поступает в газопроводы более низкой ступени с р < 2,0 МПа, откуда через систему ГРС поступает уже в ма­гистральные городские газопроводы давлением р < 1,2 МПа. От газопроводов давлением р = 1,2 МПа через систему ГРС и ГРП газ поступает в распределительные сети давлением 0,6 и 0,3 МПа.

В крупных городах имеются несколько точек питания и несколько ГРС, что повышает надежность системы газоснаб­жения. Оптимальное число ГРС определяют технико-экономическим расчетом. Из ГРС в основное городское кольцо газ поступает по нескольким ниткам. Система газоснаб­жения, представленная на рис. 12.4, - многоступенчатая. По­ток газа последовательно проходит по газопроводам высокого давления, дросселируется клапанами регуляторов, его давле­ние снижается, и он поступает в газопроводы более низкой ступени давления. Городские магистральные газопроводы давлением р = 1,2 МПа предназначены в основном для пита­ния через ГРС или ГРП сетей высокого (р = 0,6 МПа) и среднего (р = 0,3 МПа) давления и частично для питания ГРС (ГРП) крупных потребителей газа (ТЭЦ, РТС, промышленность). Газопроводы давлением р = 0,6 МПа в основном предусмотрены для транспорта газа к ГРП промышленных и крупных коммунально-бытовых предприятий, а также для подпитки сетей среднего давления р = 0,3 МПа. В старых городах до настоящего времени функционируют сети средне­го давления р = 0,1 МПа, которые обеспечивают газом мел­кие котельные и другие объекты.

Помимо системы замкнутых кольцевых газопроводов сред­него давления, от газопроводов высокого давления 1,2 и 0,6 МПа) в отдельные районы крупного города могут отхо­дить лучи, образующие между собой дополнительные кольца, в редких случаях - ответвления, представляющие собой ту­пиковую сеть.

На ответвлениях и кольцевых газопроводах через систему ГРП давление природного газа снижается со среднего (0,3 МПа) до низкого (0,002 МПа) и поступает в распределитель­ные сети низкого давления, а от них - в газовые приборы жилого сектора и мелкие коммунально-бытовые предприятия.

Схема распределительных сетей низкого давления городов состоит в основном из замкнутых колец, по одним и тем же улицам и проездам параллельно могут проходить газопроводы высокого и низкого давления или среднего и низкого. Это вызвано тем, что сети низкого давления охватывают всю за­нятую территорию, протяженность их велика и для сокраще­ния расхода металла их питают в нескольких точках через ГРП, а газ к ГРП поступает по газопроводам высокого или среднего давления. Чем глубже внутри населенного пункта расположен ГРП, тем длиннее будет параллельная прокладка газопроводов. Необходимость в параллельной прокладке воз­никает также в тех случаях, когда в жилых районах имеются отопительные котельные (преимущественно домовые и квар­тальные) и промышленные предприятия. Это в основном от­носится к городским районам старой застройки. В жилых кварталах и микрорайонах новой застройки отсутствуют промышленные предприятия, а их теплоснабжение осуществ­ляют от ТЭЦ или от крупных районных котельных, что сво­дит к минимуму параллельные прокладки газопроводов.

Подавляющее большинство промышленных предприятий можно присоединять к газопроводам как среднего, так и вы­сокого давления, что исключает необходимость параллельной прокладки по улицам и проездам газопроводов высокого и среднего давления. Если в части города возможна прокладка газопроводов только среднего давления или такая прокладка желательна из-за большого числа шкафных ГРП или комбинированных регуляторов давления, устанавливаемых на сте­нах жилых и общественных зданий, то в этой части проекти­руют газопроводы среднего давления, которые соединяют последовательно через головные газораспределительные пункты (ГГРП) с сетью высокого давления, располагаемой в остальной части города. Газопроводы высоких давлений ста­раются прокладывать по окраинным районам города, где не­большая плотность населения и меньшее число подземных сооружений. Многоступенчатые системы являются эконо­мичными системами, так как основные потоки газа транспор­тируют под высоким давлением, что приводит к сокращению металловложений в газовые сети. К сетям высокого или среднего давления подключают крупных потребителей. В жи­лых и общественных зданиях прокладывают только газопро­воды низкого давления.

Для повышения надежности газоснабжения сети кольцу­ют. Прежде всего следует кольцевать сети высокого или среднего давления, так как они являются главными город­скими артериями. В сетях низкого давления целесообразно кольцевать только основные газопроводы, а второстепенные выполнять тупиковыми разветвленными. Для надежного газо­снабжения в кольцевых сетях должен быть обеспечен резерв давления, а основные кольца желательно выполнять постоян­ного диаметра. Сети разных ступеней давления соединяют несколькими ГРП, что обеспечивает их резервирование. Сети низкого давления питают в нескольких точках, а по низкой ступени давления объединяют газопроводами — кольцевыми или лучевыми, участки которых имеют одинаковые диаметры. Это резервирует точки питания со стороны низкой ступени давления: при выключении ГРП потоки газа от соседних ГРП будут направляться кратчайшим путем по этим газопроводам в зону действия отключенного ГРП. Такое решение газовой сети обеспечивает требуемую надежность и вместе с тем экономично, так как принято не сплошное закольцовывание, а только магистральных линий.

В современных системах газоснабжения газопроводы низ­кого давления не представляют собой единую сеть, они рас­членены на отдельные районы и микрорайоны. Такой прин­цип проектирования обусловлен тем, что газопроводами низ­кого давления нецелесообразно пересекать большие естест­венные и искусственные препятствия (например, реки, овра­ги, железнодорожные узлы, автострады и т.д.). При распреде­лении потока газа по сети низкого давления сдедует_выделить главные магистральные линии и по ним направить основные транзитные расходы. Такое решение более экономично, так как в этом случае поток газа делится на малое число основ­ных потоков, а не равномерно распределяется по всем газо­проводам. Оптимальному распределению потока газа по двум параллельным линиям соответствует случай, когда весь поток идет только по одной короткой линии.

Наибольшая стоимость будет в том случае, если поток бу­дет распределен равномерно по обеим параллельным линиям. Этот вывод справедлив и для нескольких параллельных ли­ний. Кроме того, выделение главных магистральных линий из общей сети более технологично и удобно для эксплуатации, так как магистральные линии составляют кольцевой костяк системы и для повышения надежности газоснабжения за ни­ми может быть установлен строгий контроль.

Второстепенные тупиковые газопроводы имеют местный характер, и перерывы в газоснабжении при ремонтных рабо­тах будут затрагивать небольшой круг потребителей, а сам ремонт можно произвести в достаточно короткое время.

Система газоснабжения, показанная на рис. 12.3, является надежной и гибкой в эксплуатации. В ней соблюден принцип многостороннего питания городских газовых сетей, кольце­вание основных линий сетей. Предусмотрено выравнивание суточного графика и покрытие неравномерности потребления газа с помощью потребителей-регуляторов и использования в качестве аккумулирующих емкостей концевых участков ма­гистральных газопроводов.