Методическое пособие 820

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ

УДК 629.063.2

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОСЕЛКОВЫХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

О. Н. Медведева1, Н. С. Бессонова2

Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина, строительно-архитектурно-дорожный институт1, 2

Россия, г. Саратов

1Д-р техн. наук, проф. кафедры теплогазоснабжения, вентиляции, водообеспечения и прикладной гидрогазодинамики, тел.: (8452)99-88-93, e-mail: medvedeva-on@mail.ru

2Аспирант кафедры теплогазоснабжения, вентиляции, водообеспечения и прикладной гидрогазодинамики,

тел.: (8452)99-88-93

Постановка задачи. Важным резервом снижения материалоемкости газовых сетей является повышение эксплуатационного давления в газораспределительных системах. Внедрение в проектную практику систем газоснабжения с домовыми стабилизаторами давления требует наработки научно обоснованных методов их расчетов и проектирования.

Результаты. Годовая экономия газового топлива за счет стабилизации давления по данным экспериментальных исследований авторов составляет 2—3 %. Установка домовых стабилизаторов давления газа обеспечивает также экономию газового топлива. При наличии стабилизаторов газоиспользующие установки работают при давлении газа, близком к номинальному, то есть при максимальном коэффициенте полезного действия.

Выводы. Результаты исследования позволяют сделать вывод об эффективности использования сетей среднего давления газа с последующим редуцированием до требуемых значений домовыми регуляторами давления или регуляторами-стабилизаторами.

Ключевые слова: газораспределительные сети, регулятор давления газа, стабилизатор давления газа, годовые приведенные затраты, номинальное давление, энергоэффективность.

Введение. В настоящее время одной из важнейших задач обеспечения потребителей топливными ресурсами является разработка и применение новейших технологий энергоснабжения, эффективность которых не может быть обоснована только оптимизацией параметров по минимуму стоимости и материалоемкости. В связи с этим разработка комплексных мероприятий по энергоснабжению населения с обоснованием и выбором орга- низационно-технических решений, реализация которых позволит обеспечить необходимый режим распределения и потребления газового топлива, является весьма актуальной научной задачей.

В современной газовой практике при газоснабжении населенных пунктов широкое распространение получили двухступенчатые системы газоснабжения на базе пунктов редуциро-

© Медведева О. Н., Бессонова Н. С., 2017

21

Научный журнал строительства и архитектуры

вания газа шкафного типа (ПРГШ), которые устанавливаются на группу потребителей. Указанные системы включают газораспределительные сети высокого (от 0,3 до 0,6 МПа (II категория) и от 0,6 до 1,2 МПа (I категория)) или среднего (от 0,1 до 0,3 МПа) давления, а также газораспределительные сети низкого давления (0,1 МПа включительно до регулятора давления).

Распределительные сети низкого давления обычно рассчитываются на пропуск необходимых объемов газа при заданной величине потери давления, обусловленной требованиями к устойчивой работе газоиспользующих установок.

Согласно рекомендациям [11], расчетный перепад давлений от ПРГШ до газоиспользующего прибора в условиях максимального часового газопотребления составляет:

для приборов с номинальным давлением Рномприб = 2000 Па: Рр = 150 Па;

для приборов с номинальным давлением Рномприб = 1300 Па: Рр = 596 Па.

Существующая практика эксплуатации распределительных газопроводов низкого давления обусловливает низкую величину расчетного перепада давлений и, как следствие, повышенную материалоемкость газовых сетей. Одним из путей снижения материалоемкости газовых сетей, как известно, является повышение эксплуатационного давления в газораспределительных системах. Следует отметить, однако, что повышение эксплуатационного давления в газовых сетях негативно отражается на работе газоиспользующих установок. Возникает опасность отрыва и погасания пламени, что создает предпосылки для аварийной ситуации.

Важным резервом повышения экономической эффективности газораспределительных сетей является применение одноступенчатых систем газоснабжения. В данном случае подача газа потребителям осуществляется по газопроводам высокого (среднего) давления. Снижение давления газа перед подачей в здание производится в ПРГШ, оборудованных домовыми регуляторами давления. Такие системы с надежными регуляторами небольшой производительности оказываются экономичными и технически более совершенными, что выражается в постоянном давлении газа у приборов и обеспечивает наилучшие условия для сжигания газа. Как показывают исследования, системы газоснабжения среднего давления примерно на 20…30 % экономичнее систем низкого давления [1, 4, 10, 12, 22].

Вразных странах принимаемые давления газа в системах газоснабжения значительно отличаются (рис. 1) [13, 15—21].

Вевропейских странах, помимо регуляторов на наружных газовых сетях, практикуют установку индивидуальных редукторов непосредственно перед газоиспользующим оборудованием. Данное мероприятие обеспечивает оптимальную работу установок с максимальным значением КПД и минимизирует содержание вредных веществ в продуктах сгорания.

Кроме этого, для повышения безопасности используют запорные клапаны типа «газ — стоп». Механизм клапана распознает увеличение расхода газа, вызванное повреждением га- зопровода-ввода. Находясь внутри трубопровода, клапан не ограничивает поток газа и при нормативных колебаниях расхода остается в открытом состоянии, но как только расход газа превысит предварительно заданное значение, клапан самоактивируется и закрывается для ликвидации утечки газа, исключая возможность возгорания и взрыва. В нашей стране есть положительный опыт использования таких клапанов на распределительных системах газоснабжения.

Обеспечение необходимого давления газа на газоиспользующем оборудовании достигается в случае, когда ГРП размещается как можно ближе к абоненту, так как при этом обеспечивается:

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 негативности явлений, связанных с рельефом местности.

22

а)

б)

Рис. 1. Типовые схемы газораспределительных систем (ГРС):

а) ГРС населенного пункта России: давление у потребителей в часы номинального потребления — 130 мбар, в остальное время — 170…180 мбар,

давление на выходе из газорегуляторного пункта (ГРП) — 180 мбар; б) ГРС населенного пункта европейских стран: давление у потребителя постоянное,

соответствует номинальному давлению газа газовых приборов

23

Научный журнал строительства и архитектуры

При увеличении давления газа, на что не требуется затрат энергии, и установке регуляторов давления у потребителей можно снизить расходы на строительство и эксплуатацию в несколько раз (металлоемкость газопроводов снижается до 40 %, что обеспечивает адекватное снижение интегральных затрат по сравнению с затратами при двухступенчатой схеме газоснабжения).

Сравнительно небольшие объемы газопотребления в сельской местности, включая рабочие поселки и села, при низкой плотности жилого фонда создают благоприятные предпосылки для применения одноступенчатых систем газоснабжения среднего давления [9]. Следует отметить, однако, что приведенные в [9] рекомендации недостаточно обоснованы. Снижение металлоемкости 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 металлоемкость газовой сети, но также увеличивает расходы по ее эксплуатации. Стоимость обслуживания 1 пм газопровода среднего давления в 2,5 раза дороже стоимости обслуживания 1 пм газопровода низкого давления.

Установка пунктов редуцирования у каждого газифицированного здания резко увеличивает капитальные затраты в газорегуляторные установки и расходы по их эксплуатации. С учетом вышеизложенного целесообразность применения одноступенчатых систем газоснабжения требует более глубокого технико-экономического анализа [5].

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

При выборе оптимального варианта снабжения потребителей газом возможны следующие наиболее распространенные структурные схемы распределительной системы газоснабжения населенных пунктов, состоящих из домов с разным уровнем сервиса (разным уровнем потребления газа).

В настоящее время в нашей стране при газоснабжении сельских населенных пунктов и коттеджных поселков широко используются две основные схемы газораспределительных сетей [5, 7, 14]:

двухступенчатая схема с линейными пунктами редуцирования шкафного типа (вариант а): включает в себя распределительные сети высокого (среднего) давления, распределительные газовые сети низкого давления, а также линейные пункты редуцирования, обеспечивающие снижение давления газа с высокого на низкое;

одноступенчатая схема с индивидуальными пунктами редуцирования шкафного типа (вариант б): все газораспределительные сети эксплуатируются на высоком (среднем) давлении с последующим снижением давления газа у потребителя с помощью индивидуальных домовых регуляторов давления газа.

В современной газовой практике все более широкое распространение получает также третий вариант газораспределительных систем (вариант в), предусматривающий двухступенчатый вариант системы газоснабжения с линейными пунктами редуцирования и домовыми стабилизаторами давления газа. В данном варианте газовые сети низкого давления эксплуатируются при повышенном (до 0,1 МПа) давлении газа с последующим его снижением перед газоиспользующими приборами до номинальной величины (2000 Па) с помощью домовых стабилизаторов давления газа.

Описанные расчетные схемы газораспределительных систем приводятся на рис. 2.

1. Обоснование расчетного перепада давления в системе газораспределения. К

числу важнейших предпосылок к расчету поселковых газораспределительных систем следует отнести обоснование расчетного перепада давлений в распределительных газопроводах при наличии домовых стабилизаторов давления газа.

24

Рис. 2. Современные схемы газораспределительных систем:

— домовой регулятор давления

а) двухступенчатая схема с линейными пунктами редуцирования; б) одноступенчатая система с индивидуальными пунктами редуцирования шкафного типа;

в) двухступенчатая схема с линейными пунктами редуцирования и домовыми стабилизаторами давления газа

25

Научный журнал строительства и архитектуры

Как известно, оптимальная работа газовых приборов обеспечивается при давлении газа, близком к номинальной величине. Газовые приборы, используемые в быту, такие как газовые плиты, водонагреватели, отопительные котлы и т. д., выпускаются отечественными предприятиями для двух номинальных давлений газа Рномприб = 1300 и 2000 Па. Рабочее давле-

ние газа перед прибором в основном имеет разницу с номинальной величиной. Если газовый прибор подключен к трассе распределительного газопровода в ее начале, то прибор будет работать на повышенном давлении газа. Соответственно на пониженном давлении газа работают приборы, подключенные в конце трассы распределительного газопровода.

Предельно допустимый диапазон изменения давленияв системегазоснабжения составляет:

Pminприб = 650 Па.

Таким образом, максимально допустимый перепад давлений:

при номинальном давлении 2000 Па: Pmaxприб = 800 Па;

при номинальном давлении 1300 Па: Pmaxприб = 1114 Па.

То, что во втором случае диапазон возможного перепада давления увеличился, объясняется тем, что приборы с пониженным номинальным давлением газа более устойчивы к явлениям проскока и отрыва пламени. Это показывает нам, что применение приборов с номинальным давлением газа 1300 Па наиболее предпочтительно.

В настоящее время пункты редуцирования шкафного типа включают в себя комплекс технологического оборудования, обеспечивающего регулирование давления газа и безопасные режимы эксплуатации систем газоснабжения, в том числе регуляторы давления газа, а также клапаны предохранительные запорные (КПЗ) и предохранительные сбросные клапаны (ПСК).

По требованиям безопасности верхний предел срабатывания КПЗ Pкпзверх отвечает условию:

Как правило, клапан КПЗ настраивается на давление срабатывания, превышающее регулируемое давление газа на 25 %, а клапан ПСК настраивается на давление срабатывания, превышающее регулируемое давление на 15 % [20]:

где Рmaxрег — максимальное давление газа на выходе из регулятора давления.

ПРГШ оснащаются регуляторами давления газа прямого действия. Эти регуляторы не обеспечивают строгого постоянства выходного давления. При максимальном входном давлении газа и его расходе, близком к нулю, выходное давление достигает максимальной величины Рmaxрег . При минимальном входном давлении газа и его максимальном расходе входное

давление достигает минимального значения Рminрег . Степень неравномерности регулирования,

у данного типа регуляторов давления газа, ±10 % от входного давления во всем диапазоне изменения расхода газа при колебаниях входного давления ±25 % от его средней величины.

26

Выпуск № 3 (47), 2017 ISSN 2541-7592

Таким образом:

Нижний предел срабатывания КПЗ отвечает условию:

Ркпзниж Рminрег 500 Па.

Клапан срабатывает при аварийной ситуации в системе газоснабжения (разрыв или протечка газопровода).

Минимальный располагаемый перепад давления в газовой сети при минимальной величине регулируемого давления составляет:

где Рсч — потери давления в приборах учета расхода газа (счетчиках), Па.

Минимальное давление газа на выходе из ПРГШ определяется по формуле [1] и составляет:

где Рmaxрег — максимальное давление газа на выходе из ПРГШ, Па.

2. Распределительные системы газоснабжения с домовыми стабилизаторами дав-

ления газа. Основные меры по для безопасной газификации зданий регламентированы последней редакцией СП 62.13330.2011* «Газораспределительные системы» (раздел 7 и прил. Д) и предусматривают установку регуляторов-стабилизаторов (по ГОСТ Р 54824-2011 «Регуляторы давления и соединенные с ними предохранительные устройства для газовых аппаратов» и ГОСТ 54086-2010 «Стабилизаторы давления. Общие технические условия») при давлении газа во внутренних газопроводах свыше 0,0025 МПа. Регуляторы-стабилизаторы в силу конструктивных особенностей являются не только стабилизаторами давления газа, но и стабилизаторами по расходу газа и обеспечивают оптимальный режим сгорания газа. При соблюдении требований СП 62.13330.2011* в части применения стабилизаторов давления газа пик повышения давления газа во внутренних газопроводах свыше 0,1 МПа перед газоиспользующим оборудованием сгладится, а расход газа понизится до значения настройки.

Широкое внедрение двухступенчатых систем газоснабжения домовыми стабилизаторами давления газа требует наработки научно обоснованных методов, их расчетов и проектирования.

Согласно техническим требованиям к стабилизаторам давления газа [8, 14], последние обеспечивают максимальную неравномерность регулирования выходного давления в размере ±10 %.

Полагая, что

нее давление газа на входе в стабилизатор, Па.

27

Научный журнал строительства и архитектуры

Расчетный перепад давления от ПРГШ до стабилизатора с учетом потери давления в газовом счетчике потребителя Рсч [8] составляет:

Таким образом, применение двухступенчатых систем газоснабжения с домовыми стабилизаторами давления газа повышает расчетный перепад давлений в газораспределитель-

ных сетях со 150 (596) до 1000 Па, т. е. в 1,68—6,66 раз.

Поскольку диаметр распределительных газопроводов низкого давления пропорционален расчетному перепаду давлений в степени 0,21 [3], указанное увеличение расчетного перепада снижает диаметры газораспределительных систем на 12…49 % при адекватном снижении материалоемкости систем газоснабжения.

3. Технико-экономическое обоснование проектных решений. Повышенное давление газа существенно увеличивает пропускную способность распределительных газопроводов низкого давления. Указанное обстоятельство способствует уменьшению диаметров распределительных сетей и вскрывает значительные резервы снижения материало- и капиталоемкости систем газоснабжения.

Стабилизация давления газа перед газоиспользующими установками позволяет эксплуатировать последние при постоянном входном давлении, соответствующем номинальному значению. Указанное обстоятельство обусловливает работу приборов при максимальном КПД и вскрывает также дополнительные резервы в плане газосбережения.

Вцелях обоснования выбора рационального варианта газораспределительных систем сельских населенных пунктов с усадебной застройкой были проведены соответствующие технико-экономические исследования. В качестве целевой функции задачи использовались удельные (на одно здание) годовые дисконтированные затраты в систему газоснабжения по комплексу «газовые сети высокого/среднего давления — потребитель».

Вобщем случае исходные функционалы исследуемой задачи имеют следующий вид:

вариант а:

где ЗГССД ,ЗГСНД — затраты в сети высокого/среднего давления, затраты в сети низкого давле-

ния, включая внутридворовые и домовые газопроводы, руб./(год.·кв); Зпргш — затраты в газорегуляторные установки, руб./(год.·кв); Зсд — затраты в домовые стабилизаторы давления газа, руб./(год.·кв); T — годовая стоимость дополнительно расходуемого газа вследствие эксплуатации газоиспользующих установок при давлении газа, отличном от номинального значения, руб./(год.·кв); q — плотность населения в газоснабжаемом поселке, чел./м2; s — средняя заселенность квартир, чел./кВ.; n — оптимальное количество квартир (домов), подключаемых к одному пункту редуцирования, кв. (принимается по рекомендациям [11]); V — максимальный часовой расход газа одной квартирой, м3/(ч·кв.) (принимается по рекомендациям [11] в зависимости от характера газоиспользующего оборудования и режимов его эксплуатации); Vгод — годовой расход газа одной квартирой, м3/(год.·кв) [11]; P — расчетный перепад давления в распределительных газопроводах низкого давления, Па (принимает-

28

ся по рекомендациям [4, 6, 11]); ηг — КПД газоиспользующих установок, % (принимается по рекомендациям [11] в зависимости от давления используемого газа Рг).

Врезультате проведенных исследований были разработаны теоретические зависимости, раскрывающие конкретное содержание компонентов целевых функций (10…12).

Вцелях численной реализации целевых функций были проведены соответствующие расчеты. В качестве объекта газоснабжения принят сельский населенный пункт с усадебной застройкой, расположенный в умеренно холодной климатической зоне. В качестве газового оборудования квартир приняты газовые плиты и отопительные печи, эксплуатируемые в режиме периодических натопов.

Результаты расчетов представлены в таблице.

Как видно из таблицы, наиболее экономичным является вариант двухступенчатой системы газоснабжения с домовыми стабилизаторами давления газа (вариант в). Применение указанного варианта обеспечивает снижение годовых дисконтированных затрат в сооружение и эксплуатацию поселковой системы газоснабжения:

по сравнению с вариантом б: З = 33,3 %;

по сравнению с вариантом а: З = 23,8 %.

Отметим также, что варианты б и в газораспределительной системы обусловливают работу газоиспользующих установок при давлении газа, близком к номинальному (за счет постоянства давления на выходе из домового регулятора или квартирного стабилизатора давления газа). В то же время вариант а обусловливает работу газоиспользующих установок при пониженном давлении газа (за счет потерь давления в распределительных газопроводах). Как следствие, снижается КПД газоиспользующих установок на 2…3 % [3, 4] и адекватно увеличивается газопотребление.

Выводы. Установка домовых стабилизаторов давления газа обеспечивает также экономию газового топлива. Колебания давления газа перед приборами в размере ±10 % практически не сказываются на КПД приборов, а значит, обеспечивают работу приборов на максимальном КПД. При наличии стабилизаторов газоиспользующие установки работают при давлении газа Рг , близком к номинальному Рномприб , то есть при максимальном КПД. В

то же время при отсутствии стабилизаторов установки работают при пониженном давлении газа вплоть до минимально допустимого давления перед прибором Рminприб , то есть при ми-

нимальном КПД.

Как показывают результаты исследований [6], повышение давления газа перед приборами с Рminприб до Рномприб повышает КПД газоиспользующих установок на 2…3 % и им обеспечи-

вает адекватную экономию газового топлива.

29

Научный журнал строительства и архитектуры

Таким образом, применение двухступенчатых систем газоснабжения с домовыми стабилизаторами давления газа представляет актуальную альтернативу существующим системам газоснабжения и вскрывает существенные резервы снижения материало- и энергоемкости поселковых систем газораспределения и газопотребления.

Библиографический список

1.Баясанов, А. Б. Расчет и проектирование городских газовых сетей среднего и высокого давления Д. Б. Баясанов, З. Я. Быкова. — М.: Стройиздат, 1972. — 207с.

2.Курицын, Б. Н. Математическая модель оптимального функционирования межпоселковых систем газоснабжения / Б. Н. Курицын, О. Н. Медведева, Н. В. Федорова // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2009. — № 2. — С. 17—22.

3.Медведева, О. Н. Влияние давления газа на эффективность его использования / О. Н. Медведева, Б. Н. Курицын, А. А. Иванов // Приволжский научный журнал. — 2009. — № 3 (11). — С. 65—69.

4.Медведева, О. Н. Оптимизация распределительных систем газоснабжения малых населенных пунктов / О. Н. Медведева, Б. Н Курицын // Инженерные системы АВОК-Северо-Запад. — 2006. — № 3. — С. 36— 40.

5.Медведева, О. Н. Оптимизация систем газоснабжения городов на базе шкафных газорегуляторных пунктов / О. Н. Медведева // Материалы 5-й Междунар. науч.-практ. конф. «Найновите научни постижения — 2009». — София, Белград: «БялГРАД-БГ», 2008. — Т. 23. Здание и архитектура.— С. 33—36.

6.Медведева, О. Н. Повышение эффективности использования газового топлива / О. Н. Медведева, Б. Н. Курицын // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2009. — Т. 11 (27),

№5 (2). — С. 284—286.

7.Медведева, О. Н. Рекомендации по выбору оптимальных параметров систем газоснабжения населенных пунктов / О. Н. Медведева // Вестник МГСУ. — 2011 — № 7. — С. 515—519.

8.Промышленное газовое оборудование: справочник. — 6-е изд., перераб. и доп. — Саратов: Газовик, 2013. — 1280 с.

9.Рекомендации по проектированию и строительству систем газоснабжения малых и средних городов и населенных пунктов в сельской местности. — Саратов: Гипрониигаз, 1985. — 144 с.

10.Смирнов, В. А. Технико-экономическое обоснование схем газоснабжения / В. А. Смирнов. — М.: Стройиздат, 1964. — 220 с.

11.СТО 03321549-005. Выбор параметров систем газоснабжения сельских населенных пунктов на базе природного и сжиженного углеводородного газов / О. Н. Медведева, Б. Н. Курицын [и др.]. — Саратов: Гипрониигаз, СГТУ, 2010. — 17 с.

12.Торчинский, Я. М. Оптимизация проектируемых и эксплуатируемых газораспределительных систем / Я. М. Торчинский. — Л.: Недра, 1988. — 239 с.

13.Удовенко, В. Е. Технологическая структура энергоснабжающих систем / В. Е. Удовенко // Мате-

риалы Междунар. научн.-техн. конф. «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». — М.: МГСУ, 2005. — С. 17—22.

14.Энергосбережение в коммунально-бытовой сфере. Новые разработки ЭПО «Сигнал» // Газ России. — 2012. — № 1. — С. 64—65.

15.El, Golli Rami. Modelling of a pressure regulator / El Golli Rami, Bezian Jean-Jacques, Delenne Bruno // International Journal of Pressure Vessels and Piping. — 2007. — Vol. 84, Issue 4. — P. 234—243.

P.128—129.

18.Nogueira, T. Advanced techniques for facility location problem in natural gas network / T. Nogueira,

Z.Vale et al. // ICKEDS’06. — Lisbon, 2006. — P. 347—351.

19.Nogueira, T. A heuristic approach for optimal location of gas supply unitsin transportation system / T. Nogueira, R. Mendes, Z. Vale, J. Cardoso // 22nd International scientific meeting of gas experts. — 2007. — Vol. 1. — P. 303—311.

20.Nogueira, T. Optimal Location of Gas Supply Units in Natural Gas System Network / Teresa Nogueira, Zita Vale // Handbook of Networks in Power Systems II. — Part of the series Energy Systems, 30 October. — 2011. — P. 61—75.

21. Sannomiya, N. Optimal gas supply for joint electric power plant / N. Sannomiya, Y. Nishikawa,

K.Akimoto, T. Tsuda, M. Okubo // Trans. IEE Japan. — 1989. — Vol. 109. — P. 254—261.

22.Sukharev, M. G. Reliability models for gas supply systems / M. G. Sukharev, A. M. Karasevich // Automation and Remote Control. — 2010. — Vol. 71, Issue 7. — P. 1415—1424.

30