Методическое пособие 205

На правах рукописи

Медведева Оксана Николаевна

РАЗРАБОТКАЭФФЕКТИВНЫХ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Саратов – 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Официальные оппоненты: Ерёмкин Александр Иванович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»,

кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция», заведующий кафедрой

Кущев Леонид Анатольевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный

технологический университетим. В.Г. Шухова», кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция», профессор кафедры

Защита состоится «28» мая 2015 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном ар- хитектурно-строительном университете по адресу: 394006, Воронеж, ул. 20-

летия Октября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220; тел./факс: (473)271-53-21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте http://edu.vgasu.vrn.ru.

Автореферат разослан 25 февраля 2015 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности системы газоснабжения начинается с процесса проектирования, где формируются мероприятия по обеспечению полного и надежного газоснабжения на всех этапах сооружения и эксплуатации системы. Непрерывный рост масштабов и уровня централизации систем, усложнение их структуры выдвинули на первый план системные задачи расчета и оптимизации, определяющие экономическую эффективность и надежность.

По оптимизации систем газоснабжения выполнено значительное количество работ как в нашей стране, так и за рубежом. Обеспечение оптимальности функционирования разрабатываемых объектов и разрешение возникающих противоречий нашло отражение в трудах отечественных и зарубежных ученых: Д. Хедли, Л.А. Мелентьева, В.А. Смирнова, Д.Б. Баясанова, Е.И. Берхмана, А.А. Ионина, А.М. Левина и других. Однако изыскания, проведенные во второй половине прошлого века в рассматриваемой научной области, выполнены преимущественно в техникотехнологическом аспекте, технико-экономической части должного внимания не уделялось. Помимо этого, большинство задач были решены укрупненно, без учета многочисленных вариантов и особенностей систем газоснабжения, были выполнены в других экономических условиях и не могут отвечать используемой в настоящее время оценке экономической эффективности газораспределительных систем.

В связи с расширяющейся газификацией страны большой интерес представляют вопросы оптимизации систем газоснабжения небольших населенных пунктов и коттеджных поселков, так как в настоящее время в сельских и загородных районах строительство осуществляется в широких масштабах. Указанное обстоятельство требует разработки и внедрения прогрессивных систем инженерного оборудования для обеспечения требуемого уровня благоустройства жилых домов.

Газораспределительная система относится к сложным системам: выполняет большое количество различных функций, обладая сложностью функционирования и высокой степенью автоматизации. Поэтому проблема оптимизации систем снабжения природным газом требует решения целого ряда взаимосвязанных задач, к числу которых относятся: выбор оптимальных параметров поселковых и межпоселковых систем газоснабжения; определение удельных стоимостных показателей элементов системы с учетом современных требований; выбор величины давления в газовых сетях; выбор оптимальной схемы подключения потребителей к сетям разной категории давления; оптимальное распределение расчетного перепада давления в распределительных сетях; определение оптимального количества источников газоснабжения и др. Этот неполный перечень задач показывает,

3

как широк круг вопросов, подлежащих решению при оптимизации системы снабжения природным газом в целом. Обоснованное решение данных задач на практике ограничено осуществимостью используемых методик и технологий. В этой связи рассматривается лишь малая часть допустимых вариантов, из которых выбирается оптимальный. Между тем при таком упрощении наилучший вариант может не попасть в число сопоставимых, и принятое к реализации решение будет считаться условно оптимальным. Этот факт обусловливает необходимость разработки методов альтернативного проектирования систем газоснабжения населенных пунктов и проведения многофакторного изучения их развития. Следует также учесть, что точность разрабатываемых методик, математических моделей и надежность полученных результатов напрямую зависит от подготовки исходных данных и их неоднозначности.

В соответствии с изложенным цель работы заключается в разработке научно обоснованной концепции и методов проектирования эффективных газораспределительных систем населенных пунктов, направленных на повышение надежности и экономичности снабжения потребителей природным газом.

Задачи исследований. Достижение данной цели предполагает решение следующих взаимосвязанных задач:

формирование подхода к оптимизации геометрических и технических параметров проектируемых систем по величине дисконтированных затрат на предпроектной стадии обоснования решений;

оптимизация режимов потребления газа и технико-экономическое обоснование энерго- и ресурсосберегающих систем газораспределения и газопотребления;

теоретическое обоснование и оптимизация схемных решений одноступенчатых и двухступенчатых систем газоснабжения населенных пунктов на базе индивидуальных регуляторов давления и пунктов редуцирования газа шкафного типа;

выявление оптимальной величины централизации газораспределительных систем на базе пунктов редуцирования газа шкафного типа;

обоснование и оптимальное распределение расчетного перепада давления в газовых сетях;

разработка комплексной математической модели оптимального функционирования региональных (межпоселковых) систем газоснабжения;

выбор масштабов и зон применения сетевого природного газа при газификации сельской местности;

разработка научного подхода к решению задачи техникоэкономической эффективности автономного газоснабжения потребителей на базе сжиженного природного газа.

4

Научная новизна:

1.Разработана и обоснована математическая модель определения оптимальных размеров централизации газораспределительных систем, отличительной особенностью которой является системный подход к ее реализации с учетом комплекса определяющих факторов, а именно: структуры застройки населенного пункта, плотности газоснабжаемого населения, климатических условий эксплуатации, материала и способа прокладки газопровода, характеристик газоиспользующих приборов и оборудования (с использованием результатов натурного эксперимента тепловой эффективности установок в условиях динамики давления газа перед прибором). Также принципиальным отличием предложенной математической модели является учет приращения годовой стоимости газа за счет снижения КПД газопотребляющего оборудования и оптимального распределения величины располагаемого перепада давлений по участкам газовой сети.

2.Разработана математическая модель оптимизации одноступенчатых систем газоснабжения среднего давления с домовыми регуляторами давления газа, приводящая конкурирующие варианты к единообразной структуре с учетом динамики развития газораспределительных систем в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов и позволяющая обосновать целесообразную область их применения по сравнению с двухступенчатыми системами. Модель уточняет влияние комплекса определяющих факторов: вариантов застройки населенного пункта, климатических зон эксплуатации, технической оснащенности, уровня тепловой защиты газифицируемых зданий, а также системной связи между гидравлическими режимами эксплуатации газорегуляторных установок, газопроводов и тепловой эффективностью использования газового топлива. На основе разработанных теоретических положений установлены критические значения плотности газоснабжаемого населения.

3.Разработан комплекс математических моделей оптимизации параметров региональных (межпоселковых) систем газораспределения. Показано, что процесс проектирования эффективной схемы газотранспортной системы необходимо рассматривать как совокупность последовательных действий, начиная с определения оптимального радиуса действия источника (ГРС), его оптимального положения относительно расположения потребителей газового топлива и заканчивая определением оптимальной трассировки межпоселковых газопроводов. Впервые обосновано положение о том, что наиболее объективными характеристиками оптимальной централизации межпоселковых систем газоснабжения являются плотность населения газоснабжаемой территории, численность жителей и расход топлива (определяемый в зависимости от климатических условий эксплуатации системы, инженерного оборудования зданий, гидравлических режимов эксплуата-

5

ции газоиспользующих приборов и тепловой эффективности использования газового топлива).

4.Получен алгоритм решения комплекса уравнений математических моделей эффективного функционирования региональных (межпоселковых) систем газоснабжения. Математические модели реализованы в виде программного комплекса с языком программирования Си-Шарп. Программный комплекс отличается от имеющихся аналогов корректировкой расчетного перепада давления по участкам сети, что позволяет получить снижение диаметров газопроводов и, в конечном итоге, уменьшение конечной стоимости строительства системы. Кроме того, программное обеспечение позволяет учесть типы застройки населенных пунктов и мест, а также характеристики газового оборудования и гидравлические режимы эксплуатации.

5.На основе полученных научных результатов предложено новое конструктивное решение отопительной газовой печи. Установлено, что устройство в печи воздушного канала для вентиляции топочного объема (патент №2490552) позволяет снизить потери теплоты с вентиляционным воздухом и сэкономить до 15% газового топлива. При этом дополнительные капитальные вложения в реконструкцию окупаются за 2,7 года.

6.Разработана новая схема безопасного редуцирования газа на ГРС, позволяющая избежать образования гидратов углеводородных газов за счет включения в нее регуляторов давления со встроенным теплогенератором. При этом значительно уменьшается площадь теплообмена (в 1,3÷1,6 раза) за счет увеличения его интенсивности.

7.Предложена новая мониторная схема редуцирования газа на ГРС с установкой разных по функциональному назначению регуляторов: в качестве рабочего регулятора – регулятор, который при выходе из строя оказывается нормально открытым, а в качестве регулятора-монитора – регулятор, выполняющий две функции: функцию регулятора и функцию предохрани- тельно-запорного клапана. Благодаря этому из узла редуцирования исключается наиболее ненадежный элемент (КПЗ), при этом самый металлоемкий, что значительно уменьшает габаритные размеры установки.

8.Обосновано использование газового топлива в сжиженном виде. Предложен оригинальный способ автономной газификации потребителей, удаленных от магистралей сетевого природного газа, сжиженным природным газом и разработаны рекомендательные материалы по выбору зон применения сетевого природного, сжиженного природного и сжиженного углеводородного газов. Предложен критерий, представляющий собой предель-

ное расстояние l , при котором потребителя, газифицированного, сжи-

КР

женным газом, целесообразно перевести на сетевой газ.

Достоверность результатов базируется на основных положениях системных исследований в энергетике, математическом и экономико-

6

математическом моделировании. Содержательные исследования основаны на натурных и вычислительных экспериментах, конструкторских разработках и практических расчетах. Основные допущения, принятые при разработке математических моделей, широко используются в научных разработках других авторов. Также достоверность обеспечивается публикацией и обсуждением результатов работы на научно-технических мероприятиях различного уровня.

Научная значимость результатов диссертационных исследований определяется разработкой математических моделей для совершенствования существующих газораспределительных систем с детальным учетом разновидностей конфигурации газовых сетей, климатических особенностей эксплуатации системы, технико-экономических показателей, гидравлических режимов работы газоиспользующего оборудования, приращения годовой стоимости газа за счет снижения КПД газопотребляющего оборудования, зависимости относительного КПД газоиспользующего оборудования от величины относительного давления газа перед ним, оптимального распределения величины располагаемого перепада давлений по участкам газовой сети

иобоснования оптимальной потери давления газа в распределительных газопроводах. На этой основе разработаны основные положения по оптимальному функционированию системы газораспределения и газопотребления.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования определяется разработкой алгоритмов и программ расчета оптимальных параметров газораспределительных систем (местоположения источника, трассировки газопроводов), а также проектно-конструкторских решений газоиспользующего оборудования и схем безопасного редуцирования газа на ГРС. Внедрение разработанных методических положений и технических рекомендаций на практике позволит повысить эффективность

инадежность основных элементов системы.

Реализация результатов научных исследований. Результаты работы внедрены Головным научно-исследовательским и проектным институтом по распределению и использованию газа ОАО «Гипрониигаз» (ОАО «Росгазификация») и используются в проектной практике (согласно приказам №342 от 30.09.2010, №278 от 24.06.2011, №318 от 06.09.2012, №220 от 16.06.2014) в виде стандартов организации.

Предложенные рекомендации были использованы при разработке ГОСТ Р 54983-2012 «Системы газораспределительные. Сети газораспределения природного газа. Общие требования к эксплуатации. Эксплуатационная документация»:

раздел 6 (пункт 6.7.1) в части уточнения радиуса действия действующих пунктов редуцирования газа;

раздел 8 (подпункты 8.1.5) в части уточнения параметров настройки редукционной арматуры пунктов редуцирования газа с учетом потерь давления газа в распределительных газопроводах, диапазона рабочего давления

7

перед газоиспользующим оборудованием потребителей, колебаний давления газа в сети газораспределения, обусловленных неравномерностью газопотребления;

раздел 8 (подпункты 8.1.10, 8.1.11) в части определения нижнего предела настройки защитной арматуры с учетом потерь давления газа в газопроводе и его минимального давления перед газоиспользующим оборудованием.

Материалы 2, 3, 4 глав диссертации выполнялись по гранту «СГТУ344» «Моделирование и оптимизация энергосберегающих систем газо-, теплоснабжения и строительной климатотехники» в соответствии с тематическим планом по заданию Министерства образования и науки РФ в рамках мероприятия 1 «Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов».

Представленные в работе методики, алгоритмы и рекомендации использованы в практике проектирования распределительных газовых сетей

вООО «ГазРегионЗащита», ЗАО «Союз-Лес», ОАО «Газпромгазораспределение Саратовская область», о чем имеются акты внедрения.

На оригинальное техническое решение по реконструкции газовой отопительной печи получен охранный документ: патент на изобретение №2490552. Газовая отопительная печь. Под руководством автора (в соавторстве с Фроловым В.О.) разработан способ автономного газоснабжения потребителей сжиженным природным газом с использованием оригинальной криогенной цистерны, защищенной свидетельством на полезную модель №115309 «Цистерна для транспортировки сжиженного природного газа».

Научные результаты исследований используются в учебном процессе

вСаратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. в программе курсов «Газоснабжение», «Технико-экономическая оптимизация систем газотеплоснабжения, теплогенерирующих установок», «Системы автономного газоснабжения». Часть материала включена в монографии «Надежность систем газоснабжения» и «Газоснабжение населенных пунктов», а также в учебное пособие «Технико-экономическая оптимизация систем теплоснабжения».

На защиту выносятся следующие результаты:

1.Техническое решение по реконструкции отопительной газовой печи, позволяющее повысить коэффициент полезного действия за счет уменьшения потерь теплоты из-за вынужденной продувки дымовых каналов.

2.Математическая модель оптимального распределения перепада давления по участкам газовой сети с учетом системной связи между гидравлическими режимами работы источников газоснабжения, газопроводами и тепловой эффективностью использования газа.

3.Математические модели определения оптимальных размеров централизации одно- и двухступенчатых систем газоснабжения на базе домовых пунктов редуцирования газа шкафного типа.

8

4.Усовершенствованный метод выбора целесообразной области применения двух- и одноступенчатых газораспределительных систем, максимально адаптированный к специфическим особенностям строительства и эксплуатации газораспределительных систем в сельской местности и коттеджных поселках.

5.Алгоритмы и программы поиска оптимальных решений в системах регионального и межпоселкового распределения газового топлива: оптимального радиуса действия и оптимального местоположения ГРС, выбора оптимальной трассировки межпоселковых газопроводов.

6.Модернизированная схема двухступенчатого редуцирования газа на ГРС с включением в первую ступень регулятора со встроенным теплогенератором, решающая проблему гидратообразования углеводородных газов.

7.Модернизированная мониторная схема редуцирования газа на газораспределительной станции с установкой разных по функциональному назначению регуляторов давления.

8.Оригинальный способ автономной газификации потребителей сжиженным природным газомс обоснование зон его эффективного использования.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались: на научно-технических конференциях ППС кафедры ТГВ СГТУ имени Гагарина Ю.А.; научно-технических советах ОАО «Гипрониигаз»; на международных научно-практических конференциях, в том числе Международной НТК «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (Москва, МГСУ, 2005, 2007, 2009, 2011); Международной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2011); 14 Международной НПК «Экология. Человек. Общество» (Киев, 2011); Международной НПК «Научное пространство на Европа – 2008» (София, Белград, 2008); Международной НК «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». (Волгоград, 2008; Польша, Кошалин, 2011; Будапешт, 2012; Ханой, Вьетнам, 2013); Международной НТК «Энерго- и материалосберегающие экономически чистые технологии» (Беларусь, Гродно, 2009, 2011, 2013); Международной конференции «НЕФТЕГАЗ-ИНТЕХЭКО-2009» (Москва, 2009); Международном форуме «Новые идеи нового века» (Хабаровск, 2013); Международной конференции «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе» (Саратов, 2013, 2014)

Публикации. Результаты диссертации изложены в 166 опубликованных работах объемом 47,75 п.л., из них 37,88 п.л. принадлежат лично автору, в том числе 25 работ, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК РФ: Вестник Саратовского государственного технического университета; Научный вестник Воронежского государственного архитектурностроительного университета; Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета; Вестник Московского государственного строительного университета; Нефтегазовое дело; Вестник граж-

9

данских инженеров; Фундаментальные исследования; Вестник Поволжья; Известия Самарского научного центра РАН; Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова; Приволжский научный журнал; Архитектура и строительство России; Вестник Южно-Уральского государственного университета.

В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, изложены основные результаты диссертационного исследования: в работах [1, 5, 6, 24] рассматривается комплекс энергосберегающих мероприятий применительно к жилым домам усадебного (коттеджного) типа; в работах [8, 9, 12, 15, 16, 18] представлены результаты сравнительного анализа использования различных вариантов систем газоснабжения; в работах [2, 7, 10, 11] представлены математические модели оптимизации межпоселковых (региональных) систем газоснабжения; в работах [3, 4, 13, 14, 19, 21, 25] рассмотрены вопросы проектирования распределительных систем газоснабжения; в работах [17, 20, 22, 23] представлены рекомендации по автономному снабжению потребителей на базе СПГ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертация содержит: 447 страниц текста, 78 рисунков, 32 таблицы, 9 приложений, список литературы из 422 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается значимость и актуальность исследуемых проблем, определяются цель работы и основные задачи исследования. Представлены положения, выносимые автором на защиту и составляющие научную новизну и практическую значимость диссертационной работы.

В первой главе проведен сравнительный анализ структуры региональных и поселковых систем газоснабжения сетевым природным газом. Широкое внедрение современного инженерного оборудования в сельских населенных пунктах представляет сложную задачу ввиду большого числа и разнообразия типов поселков, жилых и общественных зданий, низкой тепловой плотности. Эти особенности требуют решений, отличных от городской практики, для разнообразных конкретных условий. Так, если в городах системы энергоснабжения выполняются, как правило, централизованными, то в поселках экономически целесообразным представляется применение как централизованных, так и децентрализованных систем.

Анализ литературных источников позволяет сделать следующие выводы: в большинстве работ использовались типовые математические модели, решаемые стандартными оптимизационными методами; некоторые предлагаемые «универсальные» модели, стремящиеся учесть все аспекты оптимального развития системы газоснабжения, представляются достаточно сложными, громоздкими, информационно не обеспеченными, а при практическом применении дающими неадекватные результаты.

10