Методическое пособие 205

Несмотря на положительное решение отдельных вопросов научного и прикладного характера, полученные результаты в значительной степени устарели и не могут в полной мере использоваться в современной инженерной практике. В этой связи эффективное решение задачи требует проведения комплекса научных исследований на базе системного подхода с учетом многообразия определяющих факторов и специфических особенностей современных газораспределительных систем и оборудования. В качестве методических предпосылок к постановке диссертационной работы были использованы некоторые математические модели, представленные в кандидатской диссертации автора.

Во второй главе излагаются основные положения техникоэкономической оптимизации схемных решений систем газоснабжения потребителей. Как показывает анализ, при выборе оптимального и надежного варианта системы газоснабжения принципиально важное значение имеют следующие факторы: планировка и застройка городских и сельских поселений, этажность и процент (плотность) застройки, расход газового топлива, технические характеристики используемого газового оборудования, стоимостные параметры используемых материалов и прочие. В качестве сравниваемых вариантов застройки, обеспечивающих максимальные и минимальные затраты, рассматривались следующие виды: групповая (многорядная) и строчная (одно- и двухрядная).

Одной из задач исследования является разработка научнообоснованного и практически применимого метода установления размеров оптимальной централизации газораспределительных систем на базе пунктов редуцирования шкафного типа. С увеличением централизации систем газоснабжения снижаются затраты по самим источникам, а также затраты в газораспределительные сети высокого (среднего) давления вследствие уменьшения их протяженности. Вместе с тем увеличиваются затраты в газопроводы низкого давления вследствие увеличения их среднего диаметра.

Целевая функция представляет собой удельные (на одно газоснабжаемое жилое здание) дисконтированные затраты по комплексу: газопроводы высокого (среднего) давления, пункты редуцирования, газопроводы низкого давления.

Условию оптимальности отвечает минимум целевой функции:

где n – количество жилых зданий, подключенных к одному пункту редуцирования, кв.; Q – расход газа, определяемый с учетом технических характеристик зданий, климатических условий эксплуатации, установленного газового оборудования и режимов его работы, м3/ч; q – число жителей, приходящихся на 1км2 газоснабжаемой территории (плотность населения);

11

∆Р – оптимальные потери давления в газовых сетях низкого давления, Па; РГ – давление газа перед газоиспользующим оборудованием, Па; Г – коэффициент полезного действия газоиспользующего оборудования; Vгод – годовой объем газа при длительной работе установки, м3/год; Т – приращение годовой стоимости газа за счет снижения КПД газопотребляющего оборудования, руб/(год·кв.).

Как показывает практика, газовые приборы с пониженным номинальным давлением газа (Pномприб = 1300 Па) более устойчивы к проскоку и отрыву пламени, к тому же снижение номинального давления газа повышает уровень безопасности газораспределительных систем, что делает применение приборов в газовой практике более предпочтительным и целесообразным. Тогда наименьший располагаемый перепад давления в газопроводе при минимальном значении регулируемого давления определяется следующим образом:

и минимальное значения регулируемого давления газа, соответственно;

– максимальное и минимальное разрешенные давления газа перед газовым прибором и установкой, соответственно.

В качестве рекомендательных предлагаются следующие значения располагаемого перепада давления в газораспределительной сети для газоиспользующего оборудования с величиной номинального давления Pномприб =

1300 Па: РminР 596 Па, РmaxР 914Па.

Как показывает практика, давление газа перед газоиспользующим оборудованием оказывает значительное влияние на величину КПД. И чем больше колебания данного давления от установленной нормативными документами номинальной величины Pномприб , тем меньше коэффициент полезного действия использования газа. Согласно результатам совместных исследований, проведенных с Ивановым А.А., экспериментальная зависимость относительного КПД газоиспользующего прибора от относительного давления газа перед ним описывается следующим приближенным выражением:

Топливная составляющая целевой функции (1), или приращение годовой стоимости газа определяется по формуле

12

где СГ – удельная стоимость газа, руб./м3; Го , Г – КПД газовой установки соответственно при отсутствии и при наличии гидравлического сопротивления в газопроводе, находятся путем пересчета по формулам:

где ηном – КПД прибора при его работе на номинальном давлении газа. Исследования, проведенные автором, показали, что дополнительным

резервом снижения стоимости газораспределительной системы является оптимальное распределение расчетного перепада давления между участками сети в зависимости от характера планировки и застройки. По предварительным расчетам данное мероприятие позволит снизить материалоемкость газораспределительных сетей до 10÷15% при уменьшении их стоимости до 4÷5%.

Затраты в распределительные газопроводы низкого давления предлагается определять по формуле

где ЗГМ ,ЗОТВ ,ЗВГ – соответственно затраты в головную магистраль распределительного газопровода, в ответвления от нее, в дворовые и внутридо-

газа на головной магистрали, ответвлении и на вводе газопровода в жилое здание соответственно.

Ограничения к целевой функции (8) имеют вид

где РminР – располагаемый минимальный перепад давлений в газовой сети, Па. Для решения задачи оптимального распределения потерь давления между участками газопровода для варианта групповой (многорядной) застройки населенного пункта использовался метод неопределенных множи-

телей Лагранжа.

В результате имеем

дисконтирующий множитель; Е – коэффициент эффективности капитальных вложений.

Удельные затраты в сети среднего давления для варианта многорядной застройки:

где S – коэффициент, учитывающий заселенность квартир жилых зданий; a,b– стоимостные параметры, руб./(год·пм) и руб./(год·пм·см); μсд – стоимость обслуживания газопровода.

Величины капитальных вложений в пункт редуцирования газа, газопроводы среднего и низкого давления (в зависимости метода прокладки, монтажа газопровода и его диаметра) принимаются по рекомендациям, разработанным автором.

Давление газа перед газоиспользующей установкой определяется по выражению

Запишем дополнительные ограничения к целевой функции (1) в виде соотношений:

– по величине давления газа РГ :

– по величине потерь давления газа в сети Р :

где dmin – значение наименьшего диаметра газопровода, мм. Приведенная модель применима не только для транзитного газопро-

вода, но также с некоторым допущением (в сторону завышения диаметра

14

газопроводов) и к разветвленной системе распределительных газопроводов. При этом давление газа перед газоиспользующими приборами будет определяться следующим образом:

Одним из вариантов развития системы газоснабжения является использование в основной распределительной сети среднего давления газа и установка на территории потребителей индивидуальных регуляторов, снижающих давление газа до рабочего. Разработкой основ проектирования и обоснованием применения одноступенчатых систем занимались Берхман Е.И., Ионин А.А., Куприянов М.С., Ляуконис А.Ю., Торчинский Я.М. и многие другие. Однако все имеющиеся на сегодняшний день рекомендации имеют приближенный характер, поскольку не учитывают взаимозависимость различных факторов, необходимых для наиболее полного и эффективного режима работы газораспределительной системы. По результатам технико-экономических расчетов было установлено, что в случае газоснабжения потребителей с использованием одноступенчатого редуцирования давления в домовых регуляторах, установленных в непосредственной близости от газоиспользующих приборов, обеспечивается значительное снижение капиталоемкости и материалоемкости системы. И еще одним немаловажным преимуществом одноступенчатых систем является стабилизация давления газа, позволяющая эксплуатировать приборы и оборудование при давлениях, близких к номинальным значениям. Указанное обстоятельство выявляет дополнительный газосберегающий потенциал и обеспечивает работу газовых приборов с максимальным коэффициентом полезного действия.

Целевая функция задачи, представляющая удельные дисконтированные затраты в одноступенчатую газораспределительную систему с домо-

осг

выми пунктами редуцирования З , определяется зависимостью, анало-

n

гичной (1). Для обоснования зоны оптимального функционирования одно- и двухступенчатых систем газоснабжения населенных пунктов с усадебной (коттеджной) застройкой используется следующий функционал:

где nopt – оптимальное количество газоснабжаемых квартир.

В качестве определяющего параметра было принято критическое значение плотности населения qкр. Для решения поставленной техникоэкономической задачи использовался метод критических точек: приравнивая значения затрат по вариантным системам, определялись значения управляющего параметра в критической точке, при котором вариантные системы будут экономически тождественны. После анализа значений дис-

15

контированных затрат в зоне q < qкр, для каждой зоны выбирался вариант с минимальными затратами, который и принимался за оптимальный.

В результате экономическая целесообразность применения одноступенчатых систем газоснабжения определится соотношением

целесообразно применение двухступенчатой системы газоснабжения в условиях её оптимальной централизации.

В третьей главе представлен комплекс экономически целесообразных и технологически возможных энергосберегающих мероприятий, характеризующихся высокой эффективностью. Несомненно, основная экономия топлива и энергии достигается путем снижения их удельных расходов за счет реализации крупных технических и технологических мероприятий со значительными затратами на начальном этапе. Вместе с тем в общем комплексе энергосберегающих мероприятий имеют место и такие меры, которые можно осуществить в короткие строки и при гораздо меньших затратах. Динамика сбережения природного газа и капитальных вложений в энергосберегающие мероприятия представлена в табл. 1 (применительно к условиям Саратовской области).

Таблица 1 – Динамика газосбережения и капитальных вложений в газосберегающие мероприятия

Примечание: в числителе приводится экономия газа, млн. м3/год; в знаменателе – капитальные вложения в газосберегающее мероприятие, млн. руб./год.

16

Реализация газосберегающих мероприятий позволит к 2017 году снизить годовое потребление газа на 538 млн. м3 (18,4%) при ежегодных инвестициях в объеме 118,23 млн. рублей. Приведенный перечень далеко не полный, кроме этого, есть и такие мероприятия, которые практически не нуждаются в капитальных затратах.

При газификации жилищного фонда небольших городов и сельских поселков с печным отоплением отопительные печи, как правило, переводятся с твердого топлива на газообразное с сохранением периодической топки. Однако работами Академии коммунального хозяйства доказаны несомненные преимущества использования газовых отопительных печей в режиме непрерывного горения. При этом кладка печи не испытывает резких изменений температуры, поэтому срок службы ее возрастает, температура на теплоотдающих поверхностях печи не превышает 700C и обеспечивается снижение газопотребления на отопительные нужды в размере до 30%. При работе печи в режиме непрерывного горения вследствие уменьшения часового расхода газа уменьшается часовое количество продуктов сгорания.

В целях выявления минимального количества топок, а значит, максимального снижения часового газопотребления были проведены расчеты теплоустойчивости помещений при периодически действующем печном отоплении. Как следует из расчетов, двухразовая топка печей удовлетворяет санитарно-гигиеническим требованиям к температурному режиму отап-

ливаемых помещений Atв 30C во всех климатических зонах эксплуа-

тации зданий как при существующем, так и при повышенном уровне теплозащиты строительных ограждений. Вместе с тем одноразовая топка обеспечивает необходимый температурный режим помещений только для зданий с повышенным уровнем теплозащиты, эксплуатируемых в условиях умеренно-теплой и умеренно-холодной климатических зон.

Для определения численной величины снижения металлоемкости газопроводов запишем следующее соотношение диаметров:

где Vнт– часовой расход газа при эксплуатации отопительных печей в режиме непрерывной топки; Vпн – часовой расход газа при эксплуатации ото-

пительных печей в режиме периодического натопа; Kчmax– коэффициент часового максимума при периодическом натопе; zн – продолжительность топки печей; T – продолжительность цикла натоп-перерыв.

Конкретные расчеты показали, что применение газовых отопительных печей в режиме непрерывного горения снижает металлоемкость газовых распределительных сетей в 1,7÷2,2 раза.

17

При некоторых определенных условиях газовое печное отопление в загородном доме является самым оптимальным вариантом. В соответствии с правилами безопасности в газовом хозяйстве и противопожарными нормативами печи периодического действия требуют вентиляции топочного объема и дымовых каналов во избежание образования взрывоопасной смеси газа с воздухом. Для этой цели в шибере предусматриваются вентиляционные отверстия. Однако вынужденная продувка дымовых каналов в период между топками приводит к потере не менее 15% теплоты, аккумулированной кладкой печи за время натопа. В целях уменьшения потерь теплоты с вентиляционным воздухом предлагается реконструкция отопительной печи (рис. 1).

Рис. 1. Способ вентилирования топки газовой отопительной печи:

1 – газовая отопительная печь; 2 – топливник печи; 3 – решетка; 4 – дымовые каналы; 5 – рассекатели продуктов сгорания; 6 – газовая горелка; 7 – газопровод природного газа; 8, 9 – кран; 10 – регулятор вторичного воздуха; 11 – воздушный канал;

12 – приемная камера дымовой трубы; 13 – дымовая труба; 14 – отверстие для входа вентиляционного воздуха; 15 – отверстие для выхода вентиляционно-

го воздуха; 16 – шибер; 17 – сплошная часть шибера; 18 – часть шибера с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха; 19 – сигнализатор тяги; 20 – герметичная дверца

Поставленная задача достигается тем, что в газовой отопительной печи дополнительно устраивается приемная камера дымовой трубы с отверстием для выхода и входа вентиляционного воздуха и воздушный канал, который соединяет топливник печи и приемную камеру дымовой трубы. Шибер выполняется в виде двух частей – сплошной и с отверстиями

18

для прохода вентиляционного воздуха, при этом форма сплошной части шибера совпадает с сечением дымовой трубы, а форма части шибера с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха совпадает с сечением приемной камеры дымовой трубы. Движение дымовых газов и режим работы газовой отопительной печи зависят от положения шибера. Перед топкой его выдвигают из дымовой трубы, освобождая проход для продуктов сгорания из дымовых каналов в дымовую трубу. В то же время сплошная часть шибера перекрывает приемную камеру дымовой трубы, исключая, тем самым, движение продуктов сгорания из топливника печи в дымовую трубу по воздушному каналу, минуя дымовые каналы.

Тягу в дымовых каналах и дымовой трубе регулируют, выдвигая/задвигая сплошную часть шибера из дымовой трубы. В конце топки шибер задвигают в дымовую трубу. При этом сплошная часть шибера перекрывает сечение дымовой трубы для выхода продуктов сгорания из дымовых каналов, в то время как часть шибера с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха открывает проход для поступления вентиляционного воздуха через отверстие для входа вентиляционного воздуха из топливника печи через воздушный канал. Таким образом, при закрытом шибере дымовые каналы не сообщаются с наружным воздухом, что способствует сохранению теплоты, аккумулированной кладкой печи за время натопа. Вместе с тем открытый воздушный канал обеспечивает вентиляцию только топочного объема печи, предупреждая, тем самым, образование взрывоопасной смеси газа с воздухом.

В четвертой главе приводятся результаты численной реализации разработанных математических моделей, представленных в главе 2. При проведении расчетов для определения экономической эффективности оптимального распределения перепадов давления между участками разветвленной газовой сети использовались следующие исходные данные и предпосылки:

застройка поселка жилыми зданиями: однорядная, двухрядная и много-

рядная;

климатическая зона эксплуатации – умеренно-холодная;

уровень теплозащиты зданий – повышенный по требованиям энергосбережения;

характеристики газифицируемых зданий – одноэтажные усадебного типа; двухэтажные коттеджного типа;

площадь приусадебного участка 4 и 50 соток;

газовое оборудование зданий – газовые плиты и газовые печи периодического действия (1 вариант); газовые плиты и теплогенераторы (2 вариант).

Результаты расчетов представлены в таблице 2. Здесь же приводится величина снижения металлоемкости (материалоемкости) газовой сети за счет оптимального распределения перепадов давлений на участках газовой сети по сравнению с нормативной методикой, представленной в СП 42-101-2003.

19

Таблица 2 – Оптимальное распределение перепадов давления на участках газовой сети ( Рр 596Па)

Примечание к таблице 3: в числителе приводятся результаты расчетов для 1 варианта, в знаменателе – для второго варианта.

Согласно нормативным рекомендациям, потери давления в уличных сетях составляют 2/3 от величины располагаемого перепада давления (67%). Вместе с тем, как следует из результатов исследований, оптимальная доля потерь давления в уличных газовых сетях Рул изменяется в преде-

лах от 83 до 72% для условий многорядной застройки поселка и от 72 до 53% для условий ленточной застройки поселка. Оптимизация распределения располагаемого перепада давления по участкам сети обуславливает существенную экономию затрат на сооружение и эксплуатацию поселковых систем газоснабжения и обеспечивает снижение материалоемкости газовых сетей до 10 и более процентов.

Учитывая значительную пологость целевой функции в районе минимума с погрешностью рения задачи, не превышающей 4÷5%, в качестве обобщенных рекомендаций для проектной практики можно принять:

– для поселков с многорядной застройкой Рул = 80%;

– для поселков с ленточной застройкой Рул = 60%.

20