CC BY
71
О.Н. Медведева к.т.н.
Саратовский государственный технический университет, Строительно-архитектурно-дорожный институт, кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»,
Россия, Саратов, medvedeva-on@mail.ru
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
В работе представлены результаты технико-экономического исследования распределительных систем газоснабжения на базе шкафных газорегуляторных установок (ШГРП) и домовых регуляторов.
Ключевые слова: газовая сеть, регулятор давления, целевая функция
Проблема эффективного функционирования распределительных систем газоснабжения населенных пунктов с учетом всех системообразующих факторов является достаточно актуальной. В существующей практике газификации широкое распространение получили двухступенчатые системы газоснабжения, включающие в себя следующие элементы: газовые сети высокого (среднего) давления - газорегуляторные пункты (ГРП) - газовые сети низкого давления. В 50-60-е годы прошлого столетия (в начальный период газификации) в качестве опорных пунктов газораспределительных систем использовались крупные ГРП, размещаемые в отдельно стоящих зданиях. Указанное обстоятельство предопределяло высокую степень централизации систем газоснабжения и соответствующую структуру распределительных газопроводов, сочетающую короткие газопроводы высокого (среднего) давления и протяженные газовые сети низкого давления. Наличие протяженной сети газопроводов низкого давления в сочетании с большими диаметрами труб обусловливает повышенную материалоемкость газораспределительных систем, а, следовательно, высокую стоимость сооружения и эксплуатации систем. Дальнейшее развитие распределительных систем газоснабжения связано с широким использованием шкафных ГРП [1,2].
Вопросы оптимальной централизации многоступенчатых систем газоснабжения освещаются в работах Гофмана-Захарова П.М., Ионина А.А., Левина А.М., Ляукониса А.Ю., Скафтымова М.А., Смирнова В.А., Торчинского Я.М. и многих других исследователей. Полученные авторами решения и разработанные на их основе рекомендации отличаются постановкой задачи, полнотой учета определяющих факторов, алгоритмами ее реализации и часто носят весьма противоречивый характер. Следует отметить также, что известные решения привязаны к городским населенным пунктам с квартальной планировкой и многоэтажной застройкой и совершенно неприемлемы к сельским поселкам, характерной особенностью которых является широкое разнообразие планировки и преимущественная застройка малоэтажными (одноквартирными) жилыми зданиями. Вместе с этим, существующие рекомендации не учитывают целый ряд определяющих факторов, существенно влияющих на конечные результаты расчетов. К ним относятся: характер планировки населенного пункта, плотность газоснабжаемого населения, географические и климатические условия эксплуатации, газовое оборудование квартир, режимы его использования. 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.
Суммарная протяженность газовых сетей в значительной степени определяется структурой застройки населенного пункта [3]. Для современных проектных решений характерны следующие варианты застройки: квартальная - для крупных поселков; тупиковая
- с размещением жилых домов вдоль тупиковых проездов - для средних и малых поселков и ленточная застройка, обычно применяемая в малых поселках [4]. В качестве целевой функции задачи примем удельные (на одну газифицируемую квартиру) интегральные затраты по комплексу: сети высокого (среднего) давления, Зс / д, ШГРП, Зшгрп, сети
низкого давления, Зн / д. Критерию оптимальности соответствует минимум целевой функции:
3 = - [Зс/д (п) + Зшгрп (п) + Зн/д (п)\ =тт , (1)
п п
где п - количество газоснабжаемых квартир от одного ШГРП.
В целях разработки расчетной модели системы газоснабжения рассмотрим два варианта застройки населенных пунктов, обеспечивающих наименьшие и наибольшие затраты в распределительные газопроводы: многорядная (квартальная) и ленточная (с двух-и однорядным расположением зданий). Для газопроводов низкого давления работающих в режиме «гладких» труб можно записать:
&гм = а0
0,21
гм Д368 ср
і.
ч 0.21
АР
V гм у
(2)
ґ
&
„0,21
отв
а
отв \0.368
(осот)
і
\
0.21
\АРн - АРгм У
(3)
0 і °ср
где ,&отв ~ диаметры головной магистрали и ответвления, см; а0 - коэффициент
в
— ГПРТТНТ/ГТ/Г ПЯГУПТТ ГЯ’ЗЯ НЯ ГПТТПКНПТ/І
ср
ґ^гм у^отв
пропорциональности; о , о
ответвлении, м3/ч; і,,,, і
ср
отв
средний расход газа на головной магистрали и
протяженности головной магистрали и ответвления, м; АРн -нормативные потери давления в распределительном газопроводе, Па; АРгм - потеря давления в головной магистрали; АРотв = АРн — АРгм - потеря давления в ответвлении. Материальная характеристика газовой сети определяется по выражению:
М = а
0,21
0
І1,
368
I,
,0.21
\АРгм У
7 1
' 1гм + а0
0,21
(✓-) отв | • \°ср )
368
ч 0,21
\АРн -АРгм У
' 1отв. (4)
Для нахождения оптимального распределения потерь давления между магистральным участком и ответвлением на расчетной ветке газопровода продифференцируем уравнение (4). В результате имеем:
АРор =
^ гм
АР
1 +
-1,21
(5)
гм 0 ,368 ( °сп / (1 гм )
1,21
*ср
АРор = АР -АРор
1“ ЛИ1/7 *—“ и І“ ОТІЛ
(6)
Для поиска оптимального решения воспользуемся методом вариантных расчетов. Задаваясь рядом значений числа газифицируемых квартир определяем затраты в систему
газоснабжения. Минимальному значению затрат соответствует оптимальное количество газоснабжаемых квартир.
Анализ экономико-математической модели показывает, что оптимальная централизация распределительных газовых сетей зависит от целого ряда факторов: характера застройки поселка; климатических условий эксплуатации систем; оснащенности зданий газовыми приборами; режимов потребления газа; материала и способа прокладки газопроводов и др. В целях оценки влияния указанных факторов на оптимальную централизацию систем газоснабжения были разработаны рекомендации (таблица).
Таблица - Оптимальная централизация систем газоснабжения от ШГРП
Плотность населения q, чел/м2 Централизация поселковых систем газоснабжения, кв, при характере застройки поселков
Многорядная одно или двухрядная
оптимальное значение ^opt допустимый интервал значений оптимальное значение ^opt допустимый интервал значений
Усадебные здания с существующим уровнем теплозащиты Газовое оборудование - газовые плиты, газовые отопительные котлы
0.6-10-3 80 5 0 т 5 6 7 - 5
2.5-10-3 100 83-132 10 3 -1 8
7.5-10-3 120 5 5 т 7 12 6 -1 0
Усадебные и коттеджные здания с повышенным уровнем теплозащиты: Газовое оборудование - газовые плиты, газовые водонагреватели, газовые котлы
0.6-10-3 120 5 5 т 5 8 0 -1 6
2.5-10-3 150 120-182 11 -1
7.5-10-3 170 137-238 15 12-20
В таблице представлены как детерминированные значения оптимума, так и допустимый диапазон централизации с учетом зон экономической неопределенности (погрешность исчисления затрат ±3%). Как видно из таблицы, оптимальная централизация систем газоснабжения поселков изменяется в достаточно широких пределах от 7 до 170 квартир в зависимости от плотности населения и типа застройки.
Важным резервом повышения экономической эффективности газораспределительных сетей является применение одноступенчатых систем газоснабжения, когда подача газа потребителям осуществляется по газопроводам высокого (среднего) давления. Значительным преимуществом одноступенчатых систем с домовыми регуляторами является возможность стабилизации давления газа перед газоиспользующими установками. Это позволяет эксплуатировать газовое оборудование при давлениях газа, близких к номинальной величине, обеспечивает работу газовых приборов с максимальным КПД и вскрывает значительные резервы газосбережения. Рациональная область применения двухступенчатых и одноступенчатых систем газоснабжения определяется уравнением:
'З(ч)
П
Ш1П
= Зоа, (7)
дсг
где
0/ ,-|Ш1П
З(д)
- минимальные удельные (на одну квартиру) интегральные затраты в
дсг
П
двухступенчатую систему газоснабжения в условиях ее оптимальной централизации, принимаются по таблице, руб/год-кв; Зосг - удельные (на одну квартиру) интегральные
затраты в одноступенчатую систему газоснабжения, руб/год-кв.
Как показывают конкретные расчеты, одноступенчатые системы газоснабжения экономически целесообразны в поселках с однорядной застройкой при плотности населения до 7-10-3 чел/м2 (площадь приусадебного участка более 4 соток). Для поселков с двухрядной застройкой область рационального применения одноступенчатых систем газоснабжения ограничивается плотностью населения до 410-3 чел/м2 (площадь приусадебного участка более 7 соток). Для поселков с многорядной застройкой одноступенчатые системы газоснабжения экономически оправданы при плотности населения до 210-3 чел/м2 (площадь приусадебного участка более 15-20 соток). Во всех остальных случаях целесообразно использовать двухступенчатые системы газоснабжения в условиях их оптимальной централизации.
Внедрение результатов исследований в проектную и эксплуатационную практику снижает интегральные затраты в сооружение и эксплуатацию газораспределительных систем на 20-25% и на 3-7% снижает годовое газопотребление зданиями.
Список литературы:
1. Ляуконис А.Ю. Оптимизация городского газоснабжения. - Л.: Недра, 1989.- 302с.
2. Удовенко В.Е. Технологическая структура энергоснабжающих систем// Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: материалы Межд. научн.-техн. конф. - М.: МГСУ, 2005. - С.17-22.
3. Курицын Б.Н., Медведева О.Н. Оптимизация распределительных систем газоснабжения малых населенных пунктов // Инженерные системы, АВОК- Северо-Запад.
- 2006. - №3.- С.36-40.
4. Медведева О.Н. Оптимизация систем газоснабжения городов на базе шкафных газорегуляторных пунктов// Найновите научни постижения - 2009: материалы 5-ой Международной научно-практической конференции. - София, Белград: «БялГРАД-БГ», 2008. - С.33-36.
