ВЫБОР И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАСЕЛЕННОГО ПУНКТА ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ НА ПРИМЕРЕ ГАЗИФИКАЦИИ ПОСЁЛКА ПРИОЗЕРНЫЙ ТВЕРСКОЙ ОБЛАСТИ

УДК 662.76 Савельев А.В. студент магистратуры Институт Архитектуры, Строительства и Энергетики, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевич Столетовых Россия, г. Владимир e-mail: aleksandr.65@List.ru Научный руководитель: Журавлева Н.В. ассистент кафедры Институт Архитектуры, Строительства и Энергетики, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевич Столетовых Россия, г. Владимир ВЫБОР И ТЕХНИКО – ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАСЕЛЕННОГО ПУНКТА ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ НА ПРИМЕРЕ ГАЗИФИКАЦИИ ПОСЁЛКА ПРИОЗЕРНЫЙ ТВЕРСКОЙ ОБЛАСТИ Аннотация: Выбор и технико-экономическое обоснование основных параметров газораспределительной системы населенного пункта природным газом на примере газификации пос. Приозерный Тверской области. Основной задачей является выбор и технико-экономическое обоснование основных параметров газораспределительной системы на примере пос. Приозерный Тверской области. Ключевые слова: выбор, обоснование, стоимость, расчёт, газораспределительные системы, высокое давление, среднее давление, низкое давление, тупиковый газопровод, ГРП. Savelyev A.V. master student Institute of Architecture, Construction and Energy, Vladimir State University named after Alexander Grigorievich and Nikolai Grigorievich Stoletov Russia, Vladimir Scientific adviser: Zhuravleva N.V. assistant of the department Institute of Architecture, Construction and Energy, Vladimir State University named after Alexander Grigorievich and Nikolai Grigorievich Stoletov 1 Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru  Russia, Vladimir SELECTION AND TECHNICAL - ECONOMIC JUSTIFICATION OF THE BASIC PARAMETERS OF THE GAS DISTRIBUTION SYSTEM OF A SETTLEMENT WITH NATURAL GAS ON THE EXAMPLE OF GASIFICATION OF THE VILLAGE PRIOSERNY TVER REGION Abstract: Selection and feasibility study of the main parameters of the gas distribution system of a settlement with natural gas on the example of gasification of the settlement. Lakeside of the Tver region. The main task is the selection and feasibility study of the main parameters of the gas distribution system on the example of the village. Lakeside of the Tver region. Key words: selection, justification, cost, calculation, gas distribution systems, high pressure, medium pressure, low pressure, dead-end gas pipeline, hydraulic fracturing. Введение Для сооружения новых систем газоснабжения и расширения, а также реконструкции существующих систем требуются значительные затраты материальных и денежных средств. Вследствие этого проблемы удешевления сооружения систем газоснабжения имеют большое значение. Проблема эффективности систем газоснабжения решается начиная с этапа проектирования, когда формируются основные параметры системы, и далее на протяжении всего времени эксплуатации систем газоснабжения. Это сводится, в конечном счете, к расчету таких параметров, выполняющих роль управляющих переменных при расчетах, как количество ГРП, перепад давления на участках систем газоснабжения, надежность и др., которые обеспечивающих оптимальные характеристики газораспределительных систем. Т.е. решение задач повышения эффективности систем газоснабжения начинается на этапе проектировании при выборе основных решений по кон- структивному облику системы, реализуемые в дальнейшем в процессе сооружения систем газоснабжения, и продолжается при ее эксплуатации, когда реализуется на практике требуемое в каждый момент времени распределение газовых потоков. Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 2 Цель задачи - Выбор и технико-экономическое обоснование основных параметров газораспределительной системы населенного пункта природным газом на примере газификации пос. Приозерный Тверской области. Объект исследования – распределительные сети газоснабжения низкого и среднего давления пос. Приозерный Тверской области. Определение числа ГРП Городские ГРП обычно являются связующим звеном между сетями среднего и низкого давления. Выбор числа ГРП является одной из наиболее исследованных задач оптимизации городских газораспределительных систем. Более того, эта задача стала своеобразной моделью, на которой отрабатываются многие методические вопросы технико-экономического обоснования газораспределительных систем. Целевые функции здесь имеют следующий вид (рисунок 1): (1) где индексы «н. д», «ГРП», «п. в. д.» относятся соответственно к сетям низкого давления, ГРП и подводам высокого (среднего) давления к ним. Часто показатели по ГРП и подводам к ним объединяют. Рисунок 1 - К определению оптимального количества ГРП: 1 - ЗГРП + Зп в д или КГРП + Кп в д; 2 – Зн.д или Кн. д; 3 - Ф =ЗГРП + Зп в д+ Зн.д или Ф = КГРП + Кп в д + Кн. д Более распространенным является аналитическое определение оптимального числа ГРП. Обычно при этом применяют один из двух основных методов. Первый из них заключается в том, что целевую функцию представляют в Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 3 ......ГРПндГРПпвдндпвдЗЗЗKKКследующем виде: (2) где - приведенные затраты или стоимость сетей низкого давления; - то же, для ГРП и подводов к ним; М - число ГРП. (3) (4) где Р - приведенные затраты или стоимость одного ГРП и подвода высокого (среднего) давления к нему, руб.; b - коэффициент пропорциональности, устанавливающий зависимость между приведенными затратами или стоимостью сети низкого давления и ее средним диаметром Dcp и протяженностью L в зоне действия одного ГРП, руб/(мкв.см); R - радиус действия ГРП, м; Q - расчетный часовой расход газа по микрорайону, м3/ч. Для определения среднего диаметра сети можно воспользоваться рекомендованными в литературе формулами [9, 13 и др.]. Все они в конечном счете могут быть представлены в следующем виде (5) сети низкого давления: p, мм вод. ст.: 1 - 150; 2 - 120; 3 - 100 Расчеты, выполненные автором [10], показали, что значения среднего диаметра, определенные по формуле (5) и по данным спецификаций реальных проектов, хорошо совпадают (расхождения не превышают 6 %). Поскольку f1(M) и есть функции от R, то из условия dФ/dR = 0 определяют значение Rопт, далее оптимальную нагрузку на ГРП Qопт и их оптимальное число Mопт= Q / Qопт . 4 Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 12()(),ФfМfМ12();4удPQfMPMRqa2(),срfMbDL0,370,580,21.удсрDpcqRЗначение Rопт [13] определяется по формуле (6) где p - расчетный перепад давления в сети низкого давления, мм вод. ст.;  - коэффициент плотности сети низкого давления, м/м2. Следует отметить, что при выводе формулы по рассмотренному методу сделан ряд допущений: - дискретная функция условно принята непрерывной; - принято, что Р есть величина постоянная, хотя в нее входят стоимостные показатели подвода высокого (среднего) давления, а они зависят от протяженности этого подвода, которая в свою очередь меняется при изменении числа ГРП; - принято, что радиус действия и нагрузка всех ГРП в микрорайоне одинаковы, а ГРП установлены в центре нагрузки, что почти никогда не обеспечивается в реальных схемах, и т. д. Следовательно, данный метод недостаточно учитывает специфику рассчитываемого микрорайона. В большей степени учитывается эта специфика во втором методе аналитического определения оптимального числа ГРП [10]. Расчеты здесь выполняются в такой последовательности: - предварительно задается некоторое число ГРП М, их средняя пропускная способность и радиус действия; - далее, исходя из этих данных, выполняется гидравлический расчет системы газопроводов и определяется ее материалоемкость G; - после этого оптимальное число ГРП определяется по формуле (7) где С - условная стоимость единицы массы материала. Указанная формула получена приравниванием к нулю первой производной 5 Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 0,3880,0810,3880,1431,65,оптудPRbqp0,780,28M0,37,оптGМCPот суммарной стоимости газораспределительной системы, представленной в виде функции от числа ГРП. Автор [10] делает вывод о том, что в литературе описан только один случай сравнительной проверки приведенных методов при расчетах сетей по г. Малоярославец [4]: а) первый метод - 10 ГРП; б) второй - 6 ГРП; в) метод вариантных расчетов - 5 ГРП. Полученные в работе [4] показатели говорят в пользу второго метода. Расчет по второму методу. Согласно прайсу на газовые трубы газовые из полиэтилена, таблицы средней стоимости на применяемой диапазон диаметров, согласно гидравлического расчета и прайса-лита на ГРП трубы/1 пог. м. трубы, ГРП (предварительно), руб./1 пог. м. трубы, руб./1 ГРП, ГРП. Распределение расчетного перепада давления по участкам тупикового неразветвленного газопровода низкого давления. Схема тупикового неразветвленного газопровода представлена на рисунке 3, а. Рисунок 3 - Незакольцованные газопроводы: а - тупиковый; б - простой раз-ветвленный; в - сложный разветвленный. цифры на рисунке - номер расчетного участка Такие газопроводы встречаются сравнительно редко (в сельской Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 6 G724M6C801.44P26950Mопт0.37GM0.28CP0.786местности, на городских окраинах, в рабочих поселках, а также на территории промышленных предприятий). Целевая функция для оптимального распределение расчетного перепада давления по участкам такого газопровода имеет вид [10] (8) где Qi - расчетный расход газа на i-м расчетном участке; Pi-1 и Pi- - давление газа в начале и конце i-го расчетного участка. Или имеем: (9) где p - расчетный перепад давления в системе, мм вод. ст. Обозначим (10) (11) Из формулы (9) с учетом (10) и (11) (12) где i - функция от Qi и li (рисунок 4). Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 7 0371,210,2111,()ziiiiiQlpp0,371,210,8310,371,210,831(),()iiiiiiiziQlppppQl0,371,21;iiiQlM0,83.iM1,iiziipp Рисунок 4 - Зависимость материальной характеристики участка тупикового газопровода низкого давления от расхода Q и длины l [к формуле (12)]. Нижняя прямая на номограмме отвечает случаю l=const С помощью оптимального распределения расчетного перепада по участкам тупикового неразветвленного газопровода можно обеспечить эко- номию металла (по сравнению с вариантом равномерного распределения давления) на 3-6 %, при этом экономия тем больше, чем резче изменение расхода газа по длине газопровода. Расчет. Распределим расчетный перепад давления, равный 120 мм вод. ст., между тремя участками тупикового газопровода системы газоснабжение пос. Приозерный Тверской области длиной соответственно 200, 100 и 200 м и с расчетными расходами газа (161,69; 41,98; 65,85 м3/ч). Определим диаметры участков. Для удобства расчетов округлим расходы до 100, 70 и 50 м3/ч. По номограмме (рисунок 4) находим : 1=7; 2= 4; 3= 6;  = 17; p1= 120  7/17 = 49; p2 = 120  4/17 = 28; p3 = 120  6/17 = 43; p=49 + 28 + 43= 120. По формуле определяем D, мм: D1= 100; D2 = 80; D3 = 70. Распределение расчетного перепада давления по участкам разветвленной 8 Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru сети низкого давления. Некоторые варианты разветвленной газораспределительной сети представлены на рисунке 3, б, в. Сети с такой конфигурацией чаще всего находят применение при газификации небольших населенных пунктов, к которым относится пос. Приозерный Тверской области. Рассмотрим разветвленную газораспределительную сеть, представленную на рисунке 3, в. Целевая функция для этой сети [10] (13) После ряда преобразований получаем [10]: (14) (15) где і - данный расчетный участок; j - участки, питающиеся газом непосредственно от і-го расчетного участка; у - участки, через которые осуществляется питание і-го расчетного участка (рисунок 5). Рисунок 5 - Расчетная схема і-го участка в разветвленной тупиковой сети (а) и эпюра падения давления на 1-м участке (б) Для бестранзитных участков (16) 9 Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 150,211./tiiMp;1Пiiуppp0,831,210,83,(1)iijjПМПxM0.iП (17) а для участков, питающих бестранзитные, (18) Выполнение расчетов по изложенному методу сводится к выполнению последовательных арифметических и алгебраических действий Пусть нужно распределить расчетный перепад давления в тупиковом газопроводе, состоящем из двух расчетных участков i=l и i=2 с материальными характеристиками М1 и М2 (нумерация по ходу газа). Тогда (19) (20) Т.е. полученные формулы, аналогичны зависимости, полученной в предыдущем параграфе, следовательно, расчеты, проведенные в параграфе, могут быть использованы при оптимизации распределение расчетного перепада давления по участкам разветвленной сети низкого давления пос. Приозерный Тверской области. Расчетные перепады давления по мере удаления к периферии от ГРП вначале возрастают, а далее стабилизируются и убывают, т. е. кривые - параболической формы. Приведенные зависимости для нахождения оптимального перепада давления получены из допущения о том, что ГРП размещен в центре действия нагрузки и во все стороны радиусы действия ГРП одинаковы. В случае, если в реальных рассчитываемых сетях газоснабжения имеет место асимметрия относительно ГРП, то зону действия ГРП делят на сектора и рассчитывают каждый сектор по отдельности в соответствии с количеством 10 Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru ,уippp0,830,83.jiiiПМxM0,830,83211210,8320,83121110;;M1;iМpПМММMПpp0,8320,8311220,830,8320,8322111.1011iiММpppppppMppММММM()nfnрасчетных зон, составляющих сектор (рисунок 9). По рассмотренному методу был осуществлен ряд расчетов газораспределительных сетей. При этом получена потенциальная экономия материала на уровне 2-6 % и стоимости газораспределительных сетей порядка 1- 5% [12]. Определим распределение перепада давления в 120 мм вод. ст. между участками газопроводов низкого давления гипотетической газораспределительной сети пос. Приозерный Тверской области с удельной нагрузкой qуд = 0,2 м3/(чм) и длиной участка a=100 м; в радиусе действия ГРПШ семи примыкающих участков Результаты расчета распределение перепада давления между участками газопроводов низкого давления гипотетической газораспределительной сети пос. Приозерный Тверской области в радиусе действия ГРПШ семи примыкающих участков Надежность систем газораспределения отражают способность по обеспечению непрерывного круглогодичного газоснабжение всех потребителей с Dn, pn, мм n Qn, м3/ч мм вод. ст. 1 250 980 8 2 150 320 13 3 125 180 17 100 118 20 4 требуемым давлением. Соответственно, расход газа в газораспределительных 11 Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru каждый времени t, быть: сетях в 5 74 22 80 момент 70 44 22 6 должно 7 20 18 50 (21) где N - количество потребителей газораспределительных сетей. Газопотребление за год (22) где Т=8760 ч - количество принятых временных интервалов (часов). Qt на протяжении года изменяется от нуля до максимальных значений, которые могут превышать предусмотренного проектом расчетное. В случае, если потребители по какой-либо причине не обеспечиваются требуемым расходом газа - это является отказом. Разность необходимого и поставленного реально количества газа – недоотпуск, выступает численным критерием надежности системы: (23) По зависимости (23) оценивают надежность газораспределительных систем. Для народного хозяйства важно также каким образом распределится имеющееся ). Главный задачей является полное обеспечение расход газа в системе ( газом потребителей там, где его применение гарантирует максимальный эффект. Подобное обеспечение газом отражает качество функционирования системы газоснабжения, в том числе надежность системы газоснабжения. Зависимость (23) с учетом этого: (24) 12 Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 1,NiitiQQ0,TгодttQQ.iiiiQQHQiiQQ11(),()iiiiNiNitititQQHQгде - приоритетный коэффициент i-го потребителя. (25) где - стоимостная составляющая; - составляющая, не подлежащая стоимостной оценке. (26) где Эі - народнохозяйственный эффект от газоснабжения і-го потребителя; - среднее значение по объектам. (27) устанавливается таким образом, чтобы коэффициент был максимальный у потребителей, которые не входят в рассматриваемый перечень. При равенстве у нескольких потребителей предпочтение отдается тем потребителям, у которых имеют место большие . Заключение В ходе выполнения работы ее цель – технико-экономические обоснование уровня надежности и безопасности варианта газификации населенного пункта природным газом на примере газификации пос. Приозерный Тверской области достигнута. При этом решены задачи. 1. Аналитический обзор по теме и объекту исследования. 2. Расчет основных показателей газоснабжение объекта исследования. 3. Поиск оптимального варианта газификации. Оптимальное число ГРП – 6. Распределен расчетный перепад давления между участками тупикового газопровода системы газоснабжение пос. Приозерный Тверской области, определены диаметры участков. 13 Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru i,iiiiii/ Q,(/)iiсрЭЭQ(/)срЭQi1./Q(/)iNiсрQNЭЭiiiiДанные расчеты могут быть использованы при оптимизации распределение расчетного перепада давления по участкам разветвленной сети низкого давления пос. Приозерный Тверской области, поскольку в работе показана идентичность расчетных оптимизационных зависимостей. Осуществлен ряд расчетов газораспределительных сетей. При этом потенциальная экономия материала на уровне 2-6 % и стоимости газораспределительных сетей порядка 1-5%. Список литературы: 1. Быков, Л.И., Мустафин Ф.М., Рафиков С.К., Нечваль А.М., Лаврентьев А.Е. Типовые расчеты при сооружении и ремонте газонефтепроводов: Учеб. Пособие. СПб: Недра, 2006. 824 с. 2. Бабин Л.А., Быков Л.И., Волохов В.Я. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов. М.: Недра, 1979. 302 с. 3. Бобровский С.А., Щербаков С.Г., Яковлев Е.И. Трубопроводный транспорт газа. М.: Наука, 1976. 595 с. 4. Козаченко А.Н., Никишин В.И., Поршаков Б.П. Энергетика трубопроводного транспорта газов. М.: ГУП Издательство "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2001. 400 с. 5. Коршак А.А., Нечваль А.М. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов. СПб.: Недра, 2008. 488 с. 6. Лурье М.В. Задачник по трубопроводному транспорту нефти, нефтепродуктов и газа. М.: Недра-Бизнесцентр, 2003. 349 с. 7. Сарданашвили С.А. Расчетные методы и алгоритмы (трубопроводный транспорт газа). М.: Нефть и газ; РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 2005. 577 с. 8. Цыбульник В.Н., Рубель В.В. Комплекс моделирования и оптимизации газотранспортных систем «АСТРА» И Газовая промышленность. 2006. № 1. С. 27-29. Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 14 9. Смородинский С.С., Батин Н.Ф. Оптимизация решений на основе методов и моделей математического программирования: Учеб. пособие. Минск: БГУИР, 2003. 136 с. 10. Торчинский Я.М. Оптимизация проектируемых и эксплуатируемых газораспределительных систем. Л.: Недра, 1981. 183 с. 11. Александров А. В. Надежность систем дальнего газоснабжения. М.: Недра, 1996. 320 с. 12. Александров А. В.: Смирнов В. А.: Максимов Ю. М. Методологические вопросы обеспечения надежности единой газоснабжающей системы. Экономика, организация и управление в газовой промышленности. ВНИИЭ газпром, 1990. № 3. С. 3-13. 13. Арский А.К. Природный газ в энергетике США. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 208 с. Журнал «Трибуна ученого» Выпуск 01/2021 http://tribune-scientists.ru 15