Методическое пособие 775

фициент; Мхлад — масса хладоносителя, т; сэл — стоимость электроэнергии, руб./МВт∙ч; ρпг — плотность газа, кг/м3.

а)

Рис. 2. Схема доставки сжиженного газа потребителям:

а) схема доставки СПГ от потребителя до установки по сжижению; 1 — криогенная цистерна; 2 — криогенный насос; 3 — насос для перекачки хладоносителя;

4 — накопительная емкость СПГ; 5 — накопительная емкость для хладоносителя; 6, 7 — теплообменный аппарат

41

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

б)

Рис. 2. Схема доставки сжиженного газа потребителям:

б) схема доставки СПГ от установки по сжижению до потребителя

При этом удельные дополнительные затраты на электроэнергию принимаются со знаком минус, поскольку в результате использования нового способа доставки затраты на электроэнергию снижаются.

Количество сэкономленной электроэнергии определяется разницей затрат электроэнергии, расходуемой компрессором, по сравниваемым вариантам, кВт ·ч/ 1000 м3.

Удельный расход электроэнергии определяется по следующему соотношению:

где Lиз — работа изотермического сжатия, кгм; aп — поправочный коэффициент на температуру и давление; εиз, εдв, εпер — изотермический КПД компрессора, электродвигателя и передачи соответственно.

Количество сэкономленной удельной электроэнергии определяется по формуле

42

Выпуск № 4 (44), 2016 ISSN 2072-0041

где P1 — давление на всасывающем патрубке компрессора, атм.; P2 — давление, развиваемое компрессором, атм.; vнач — начальный объем всасываемого газа, м3; rд — удельный вес газа, кг/м3.

Результаты расчета представлены на рис. 3.

Рис. 3. График зависимости Э f М хлад , кВт ·ч/ м3

Границе эффективности разработанного способа доставки СПГ будет соответствовать наибольшая удаленность газифицируемого объекта от опорного пункта (завода по сжижению):

Результаты расчетов представлены на рис. 4.

Экономический эффект от использования новой конструкции криогенной цистерны определим по выражению

где К1р, К2р — капитальные вложения в сравниваемые варианты доставки, руб.; m, n — номер и количество очередных капитальных вложений; t = mt0 — год очередных капитальных вложений; t0 — срок службы системы, лет; α — коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год; И1, И2 — эксплуатационные расходы на обслуживание по сравниваемым вариантам, руб./год; t — номер года эксплуатации; Т — срок службы системы, лет; Е — норма дисконта, 1/год.

Интегральные затраты по варианту доставки СПГ при помощи существующей криогенной цистерны за весь срок эксплуатации составят: З1 = 20116756 руб.

Для определения затрат энергии компрессора gэ при различных соотношениях масс хладоносителя и сжиженного газа было получено следующее выражение:

43

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Интегральные затраты за весь срок эксплуатации разработанной конструкции цистерны составят: З2 = 17517235 руб.

Рис. 4. Границы эффективности использования предлагаемого способа доставки СПГ

Чистый дисконтированный доход по альтернативным вариантам доставки:

T

Z Z эл Z топл Z экспл 1 Е , (7)

1

где τ — номер года эксплуатации; Z эл — экономия затрат на электроэнергию при производстве СПГ, руб.; Z топл — стоимостная оценка эффекта при сравнении затрат на топливо при транспортировке СПГ, руб.; Z экспл — разница затрат на эксплуатацию цистерны по альтернативным вариантам доставки, руб.

где сэ — стоимость 1 МВт ч электроэнергии, расходуемой компрессором, руб./МВт ч; gэ — количество электроэнергии, потребляемой компрессором, по сравниваемым вариантам, кВт ч/(кг СПГ); mспг — масса перевозимого СПГ, кг; ηг — продолжительность эксплуатации компрессора.

где сТ — стоимость 1 л дополнительно расходуемого дизельного топлива на перевозку хладоносителя; l — оптимальный пробег цистерны до населенного пункта и обратно на завод. При этом длина пути соответствует одной смене в день; gТ — количество дополнительно расходуемого топлива на перевозку хладоносителя, л/км (кг СПГ).

44

где К — капитальные затраты в цистерну, руб.; — доля годовых отчислений на эксплуатацию криогенной цистерны.

В результате получим:

ZΣ = 3731721 руб.

Выводы

1. Расчет экономической эффективности реализации разработанного способа автономного газоснабжения потребителей в сравнении с существующим показал, что средняя величина экономии электрической энергии в пересчете на 1 кг природного газа за счет уменьшения мощности компрессора составляет Э = 0,124 кВт ч/кг, а экономический эффект от применения разработанной конструкции цистерны в схеме доставки в размере = 13 % доказывает результативность этого способа.

2.Полученные рекомендации согласуются с результатами исследований других авторов и вместе с тем более адекватно отражают особенности функционирования газораспределительных систем с учетом многообразия системообразующих связей и факторов.

3.Применение имеющегося опыта, базирующегося на современных технологиях, в области эксплуатации систем резервного обеспечения потребителей эффективным энергоносителем обязательно приведет к росту их популярности в нашей стране.

Библиографический список

1.Архаров, А. М. Машины низкотемпературной техники. Криогенные машины и инструменты / А. М. Архаров, И. А. Архаров, А. Н. Антонов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 582 с.

2.Баранов, А. Ю. Энергоэффективные циклы сжижения природного газа / А. Ю. Баранов, К. А. Тихонов, А. М. Андреев, Н. А. Березин // Научный журнал НИУ ИТМО. Сер.: Холодильная техника и кондиционирование. — 2016. — № 1 (21). — С. 1—8.

3.Бармин, И. В. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра / И. В. Бармин, И. Д. Кунис. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. — 256 с.

4.Королев, Н. С. К построению математической модели явления ролловер в хранилище СПГ [Электронный ресурс] / Н. С. Королев // Наука и образование. — 2012. — № 3. — Режим доступа: http://technomag. edu.ru/doc/345773.html.

5.Крылов, Е. В. Газоснабжение сжиженным природным газом / Е. В. Крылов. — Саратов: СГАУ, 2003. —

156 с.

6.Медведева, О. Н. Разработка конструкции автомобильной цистерны для доставки сжиженного природного газа / О. Н. Медведева, В. О. Фролов // Нефтегазовое дело. — 2012. — № 3. — С. 108—114.

7.Медведева, О. Н. Системы автономного газоснабжения / О. Н. Медведева Фролов В. О. // Новые идеи нового века: материалы XIII междунар. форума. — Хабаровск: ТГУ, 2013. — С. 379—384.

8. Медведева, О. Н. Сравнение вариантов систем газоснабжения потребителей / О. Н. Медведева, В. О. Фролов // Вестник Саратовского государственного технического университета. — 2010. — № 4 (51), вып. 3. — С. 128—133.

9.Медведева, О. Н. Цистерна для транспортировки СПГ. Tank for the transportation of liquid natural gas /

О. Н. Медведева // Salon L`Etudiant: каталог экспозиции Министерства образования и науки Российской Федерации. — Париж, 2014. — С. 86—87.

10.Разумова, Ю. В. Внутренний рынок сжиженного природного газа: современное состояние, конъюнктурные тенденции [Электронный ресурс] / Ю. В. Разумова, И. В. Шарощенко, А. Ю. Бондаренко // Науковедение. — 2015. — Т. 7, № 2. — Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/133EVN215.pdf.

11.СТО 03321549-20-2012. Технико-экономическое обоснование параметров систем газоснабжения. — Саратов: ОАО Гипрониигаз, 2012. — 18 с.

12.Цистерна для транспортировки сжиженного природного газ: пат. на полезную модель № 115309 Российская Федерация / О. Н. Медведева, В. О. Фролов. — № 2011130459. — Зарег. 21.04.2012. — 10 с.

13.Bianco, V. Current situation and future perspectives of European natural gas sector / Vincenzo Bianco, Federico Scarpa, Luca A. Tagliafico // Frontiers in Energy. — 2015. — Vol. 9, № 1. — P. 1—6.

14.BS en 1160. 1997 Installations and equipment for liquefied natural gas. General characteristics of liquefied natural gas. — British Standards, 1997. — 20 р.

15.Design and analysis of above-ground full containment LNG storage tanks [Электронный ресурс] // Prof. Robert B. Laughlin Department of Physics Stanford University, Stanford. — Режим доступа: http://large.stanford. edu/publications/coal/references/lusas.

45

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

16. Kanazawa, T. Experimental study on heat and fluid Flow in LNG Tank heated from the bottom and the sidewalls / T. Kanazawa, K. Kudo, A. Kuroda and N. Tsui // Heat Transfer-Asian Research. — 2004. — № 33 (7). —

P417—430.

17.Kim, Y. US shale revolution and Russia: shifting geopolitics of energy in Europe and Asia / Y. Kim,

S.Blank // Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015. Asia Eur J (2015). — 2014. — Vol. 13, № 1. — P. 95—112.

18.Move to improve LNG carrier design // The naval architect. — 2009. — P. 17—19.

19.Salimpour, M. R. Proposing a novel combined cycle for optimal exergy recovery of liquefied natural gas / M. R. Salimpour M. A. Zahedi // Heat and Mass Transfer. — 2012. — Vol. 48, № 8. — P. 1309—1317.

20.Sangeun, R. Numerical study of natural convection in a liquefied natural gas tank / Roh Sangeun, Gihun Son // Journal of Mechanical Science and Technology. — 2012. — Vol. 26, № 10. — P. 3133—3140.

References

1.Arkharov, A. M. Mashiny nizkotemperaturnoi tekhniki. Kriogennye mashiny i instrumenty / A. M. Arkharov, I. A. Arkharov, A. N. Antonov. — M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2011. — 582 s.

2.Baranov, A. Yu. Energoeffektivnye tsikly szhizheniya prirodnogo gaza / A. Yu. Baranov, K. A. Tikhonov, A. M. Andreev, N. A. Berezin // Nauchnyi zhurnal NIU ITMO. Ser.: Kholodil'naya tekhnika i konditsionirovanie. — 2016. — № 1 (21). — S. 1—8.

3.Barmin, I. V. Szhizhennyi prirodnyi gaz vchera, segodnya, zavtra / I. V. Barmin, I. D. Kunis. — M.: MGTU im. N. E. Baumana, 2009. — 256 s.

4.Korolev, N. S. K postroeniyu matematicheskoi modeli yavleniya rollover v khranilishche SPG [Elektronnyi resurs] / N. S. Korolev // Nauka i obrazovanie. — 2012. — № 3. — Rezhim dostupa: http://technomag.edu. ru/doc/345773.html.

5.Krylov, E. V. Gazosnabzhenie szhizhennym prirodnym gazom / E. V. Krylov. — Saratov: SGAU, 2003. —

156 s.

6.Medvedeva, O. N. Razrabotka konstruktsii avtomobil'noi tsisterny dlya dostavki szhizhennogo prirodnogo gaza / O. N. Medvedeva, V. O. Frolov // Neftegazovoe delo. — 2012. — № 3. — S. 108—114.

7.Medvedeva, O. N. Sistemy avtonomnogo gazosnabzheniya / O. N. Medvedeva Frolov V. O. // Novye idei novogo veka: materialy XIII mezhdunar. foruma. — Khabarovsk: TGU, 2013. — S. 379—384.

8. Medvedeva, O. N. Sravnenie variantov sistem gazosnabzheniya potrebitelei / O. N. Medvedeva, V. O. Frolov // Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2010. — № 4 (51), vyp. 3. —

S.128—133.

9.Medvedeva, O. N. Tsisterna dlya transportirovki SPG. Tank for the transportation of liquid natural gas / O. N. Medvedeva // Salon L`Etudiant: katalog ekspozitsii Ministerstva obrazovaniya i nauki Rossiiskoi Federatsii. — Parizh, 2014. — S. 86—87.

10.Razumova, Yu. V. Vnutrennii rynok szhizhennogo prirodnogo gaza: sovremennoe sostoyanie, konˈyunkturnye tendentsii [Elektronnyi resurs] / Yu. V. Razumova, I. V. Sharoshchenko, A. Yu. Bondarenko // Naukovedenie. — 2015. — T. 7, № 2. — Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/133EVN215.pdf.

11.STO 03321549-20-2012. Tekhniko-ekonomicheskoe obosnovanie parametrov sistem gazosnabzheniya. — Saratov: OAO Giproniigaz, 2012. — 18 s.

12. Tsisterna dlya transportirovki szhizhennogo prirodnogo gaz: pat. na poleznuyu model' № 115309 Rossiiskaya Federatsiya / O. N. Medvedeva, V. O. Frolov. — № 2011130459. — Zareg. 21.04.2012. — 10 s.

13.Bianco, V. Current situation and future perspectives of European natural gas sector / Vincenzo Bianco, Federico Scarpa, Luca A. Tagliafico // Frontiers in Energy. — 2015. — Vol. 9, № 1. — P. 1—6.

14.BS en 1160. 1997 Installations and equipment for liquefied natural gas. General characteristics of liquefied natural gas. — British Standards, 1997. — 20 p.

15.Design and analysis of above-ground full containment LNG storage tanks [Elektronnyi resurs] // Prof. Robert B. Laughlin Department of Physics Stanford University, Stanford. — Rezhim dostupa: http://large.stanford. edu/publications/coal/references/lusas.

16.Kanazawa, T. Experimental study on heat and fluid Flow in LNG Tank heated from the bottom and the sidewalls / T. Kanazawa, K. Kudo, A. Kuroda and N. Tsui // Heat Transfer-Asian Research. — 2004. — № 33 (7). — P. 417—430.

17. Kim, Y. US shale revolution and Russia: shifting geopolitics of energy in Europe and Asia / Y. Kim,

S.Blank // Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015. Asia Eur J (2015). — 2014. — Vol. 13, № 1. — P. 95—112.

18.Move to improve LNG carrier design // The naval architect. — 2009. — P. 17—19.

19.Salimpour, M. R. Proposing a novel combined cycle for optimal exergy recovery of liquefied natural gas / M. R. Salimpour M. A. Zahedi // Heat and Mass Transfer. — 2012. — Vol. 48, № 8. — P. 1309—1317.

20.Sangeun, R. Numerical study of natural convection in a liquefied natural gas tank / Roh Sangeun, Gihun Son // Journal of Mechanical Science and Technology. — 2012. — Vol. 26, № 10. — P. 3133—3140.

46

SYSTEM OF BACKUP GAS FUEL SUPPLY

O. N. Medvedevа, V. O. Frolov

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Institute of Civil Engineering and Architecture

Russia, Saratov, tel.: (8452)99-88-93, e-mail: medvedeva-on@mail.ru

O. N. Medvedeva, D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply, Ventilation, Water Supply and Applied Fluid Dynamics

Ltd. «Independent Electric Network Company»

Russia, Saratov

V. O. Frolov, PhD in Engineering, Designing engineer

Statement of the problem. Development of scientific foundations of designing autonomous gas supply systems on the basis of liquefied natural gas (LNG) is an urgent scientific and technical task that takes into account the variability of the determining factors and characteristics of the modern gas supply systems. This requires technical and economic optimization of circuit-parametric solutions of autonomous consumers of gas supply systems.

Results. A numerical algorithm and its computer implementation for the technical-economic evaluation of the basic parameters of the suggested scheme of autonomous gas supply consumers was developed. The result of the development is an increase in the efficiency and safety of transporting LNG using a new method of transportation.

Conclusions. A special feature of the proposed method of transporting liquefied natural gas to consumers is the fact that this technology can be used as an adjunct to conventional gasification through the construction of a gas pipeline distribution network and allows one to provide potential consumers with gas fuel. The proposed method requires no significant reconstruction of a gas transportation system.

Keywords: natural gas, liquefied natural gas, transport tank, autonomous gas supply systems, technical and economic optimization.

Уважаемые коллеги!

Сообщаем, что переводная версия нашего журнала Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture включена в базу данных Emerging Sources Citation Index на платформе Web of Science (см. «Перечень рецензируемых научных изданий, входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования…» на сайте ВАК по состоянию на

01.09.2016).

WoS принадлежит компании Thompson Reuters и является на данный момент одним из наиболее авторитетных рефера- тивно-библиографических ресурсов в мире, объединяющим реферативные базы данных пуб-

ликаций в научных журналах, материалах конференций, а также патентов. WoS охватывает материалы по естественным, техническим, гуманитарным наукам и искусству.

Появление новой базы данных ESCI в 2015 году обусловлено значительным расширением мира научных цитирований, а также глобализацией науки и научной деятельности.

47

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

УДК (519.9 + 518.5) : 532.54

ОПЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ НА ОСНОВЕ ВОЗМУЩЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРОДСКОЙ СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

М. Я. Панов, Г. Н. Мартыненко, А. И. Колосов

Воронежский государственный технический университет

Россия, г. Воронеж, тел.: +7-900-304-62-51, e-mail: glen2009@mail.ru

М. Я. Панов, д-р техн. наук, проф. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела Г. Н. Мартыненко, канд. техн. наук, доц. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела А. И. Колосов, канд. техн. наук, доц. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела

Постановка задачи. Рассматривается задача регулирования газовых потоков в городских газораспределительных системах посредством оперативного управления ими.

Результаты. Разработана полная математическая модель возмущенного состояния распределительной системы газоснабжения в области обратного анализа, формализующая синтез дроссельных характеристик системы и включающая модель возмущенного состояния системы и систему нормальных уравнений. На основе синтезированных дроссельных характеристик был предложен алгоритм предварительного и точного прогноза потребления в системе.

Выводы. Полученные в результате моделирования дроссельные характеристики системы являются основой прогноза потребления газа бытовыми, коммунально-бытовыми и промышленными потребителями на базе принципов энергетического эквивалентирования.

Ключевые слова: газоснабжение, оперативное управление, анализ потокораспределения.

Введение. Состояние системы газоснабжения можно определить вектором параметров состояния Z, который включает зависимые Y и независимые X переменные.

В составе Y содержатся:

вектор расходов среды на участках Q с компонентами Qi(i {I} — полное число участков системы);

вектор узловых давлений Р с компонентами Pj(j {J} — полное число узлов);

вектор Pj ( j {Jн } — полное число энергоузлов (ЭУ) с фиксированным узловым

давлением);

вектор узловых отборов (притоков) q с компонентами q j ( j {Jq } — полное число

элементами, Si — коэффициент гидравлического сопротивления). Переменная X содержит:

вектор S с компонентами Si( i {IS } — полное число участков, исключая участки с

дросселями, {JS JD} {J} );

векторы D, L с компонентами Di, Li (диаметры и длины трубопроводов), i {I},

ит. д.

Компоненты вектора X включаются в состав так называемых условий однозначности

[2—6, 11, 13].

© Панов М. Я., Мартыненко Г. Н., Колосов А. И., 2016

48

Для нахождения искомого вектора Y необходима модель потокораспределения

U (Z) U (Y, X ) 0.

1. Формирование модели потокораспределения на основе возмущенного состояния системы газоснабжения. Модель потокораспределения [1, 2] отображается в условиях возмущений бинарным структурным графом (БСТГ), содержащим расчетную зону (РЗ) и абонентские подсистемы (АП).

Моделирование процессов оперативного управления в системе предлагается осуществлять на основе прогнозирования газопотребления. Задача обратного анализа — синтез дроссельных характеристик. Она строится на основе прямоугольной матрицы МВС с неизвестными величинами Si, ( i {ID }). Для определения величин Si, ( i {ID } ), необходим за-

данный режим потребления целевого продукта [14—21], в частности газа. Подобная постановка вынуждает находить линейно независимые связи, лишние по отношению к связям, которые образуют структуру модели возмущенного состояния системы. Модель возмущенного состояния получена в результате решения вариационной задачи, которая отражает принцип наименьшего действия применительно к газовой сети [2, 5, 8, 10, 12], то есть взаимосвязь между векторами Y и X является исчерпывающей. Дополнительную связь находим в недрах регрессионного анализа [5, 6, 7], такая связь устанавливается с помощью метода наименьших квадратов (МНК).

Распределительная система газоснабжения отличается сложными внутренними связями [3]. Конфигурация МВС для системы газоснабжения адаптирована к энерго- и массообмену с окружающей средой через множество Jz энергоузлов. Вопрос качества исходной информации здесь не рассматривается, поскольку это не связано с измерительной аппаратурой и ее погрешностью, то есть такие независимые переменные, как априорно заданные зна-

чения расходов фиктивных линий БСТГ ( Qjfa , j {Jн }), являются величинами, изменяющи-

мися во времени и подверженными влиянию субъективных факторов.

Известно, что МНК строится на минимизации остаточной функции F, в данном случае для множества Jн компонентов векторов Р и Q, связанных между собой зависимостью в форме уравнения Бернулли. Учитывая вышеизложенное, представим целевую функцию применительно к гидравлической системе на основе метода наименьших квадратов:

где Qjfa ,Qjf — априорно заданное и фактическое значения расхода газа через фиктивный участок j; — множитель Лагранжа; J , J — множество источников и стоков РСГ со-

ответственно. Вторая группа слагаемых (1) подтверждает правило гидравлики о том, что F должно определяться в рамках условий сплошности потоков среды.

Формируется система нормальных уравнений, исходя из условия минимума целевой функции:

будучи связанными моделью потокораспределения.

Исключение приводит к системе нормальных уравнений, удовлетворяющих условию

49

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Из (2), (3) следует, что предельное число дополнительных независимых связей на единицу меньше числа ЭУ-стоков, то есть Jн - 1.

2. Синтез дроссельных характеристик газораспределительной системы. Полная математическая модель возмущенного состояния РСГ в области обратного анализа, формализующая синтез дроссельных характеристик системы и включающая МВС [2, 4] и систему нормальных уравнений, представлена ниже в матричном виде:

C , K , A — топологические единичные матрицы цепных, контурных и узловых элемен-

тов БСТГ соответственно; — показатель степени в формуле Дарси-Вейсбаха; Р, q —

фиксированные узловые давления и отборы (включая и нулевой); Т — признак транспортирования; верхние индексы r и f соответствуют реальным (РЗ) и фиктивным (АП) сетевым структурам; нижний индекс (d) относится к элементам диагональной матрицы.

Из МВС выделен блок с нижним индексом D, причем в этом случае размер прямоугольной матрицы (4)—(6) составляет

I I ID .

Единичная матрица E f содержит в каждой строке по два единичных элемента проти-

воположного знака, число столбцов равно числу фиктивных участков, число строк на единицу меньше в силу условия (3), то есть ее размеры

Jн 1 Jн .

Размер объединенной квадратной матрицы (4) и (7) составляет

I ID I Jн 1

50