автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Разработка энергосберегающмх систем газоснабжения малых населенных пункотов на базе сжиженного углеводородного газа

На правах рукописи

ГГо ОЙ

2 2 /¿Н 1X3

МЕДВЕДЕВА ОКСАНА НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ МАЛЫХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ НА БАЗЕ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА

Специальность 05.23.03- Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2000

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете

Научный руководитель

- доктор технических наук профессор Курицын Б. Н.

Научный консультант

доктор технических наук профессор Усачев А. П.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук . Фастов Л. М.

- кандидат технических наук доцент Лысенко Э. Н.

Ведущее предприятие

-Головной научно-исследовательский институт ОАО «Гипрониигаз», г. Саратов

Защита состоится 3 ноября 2000 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 063.79.02 по техническим наукам при Воронежской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 394046, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84 (ВГАСА), корпус 1, ауд.20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежской государственной архитектурно-строительной академии.

Автореферат разослан 3 октября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

О.П. Фомин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Значительные территории и относительно невысокая плотность населения сельских районов России обусловливают свойственную рыночной экономике тенденцию к развитию малых населенных пунктов (МНП), сопутствующих им объектов агропромышленного комплекса (АПК) и социальной инфраструктуры.

В современной отечественной и зарубежной практике все большее применение находят системы энергоснабжения потребителей с использованием сжиженного углеводородного газа (СУГ). Применение последнего в качестве энергоносителя для бытовых и хозяйственных нужд, технологических процессов и установок в полной мере отвечает социальным, экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям. Указанное обстоятельство в сочетании с высоким уровнем автономности и инженерного сервиса обусловливает широкие перспективы применения СУГ в качестве первичного энергоресурса для МНП и сопутствующих им объектов АПК, удаленных от опорных пунктов энергоснабжения. Применительно к России с ее суровыми климатическими условиями, широким диапазоном изменения географических, энергоэкономических, социальных и других аспектов постановка задачи оптимального функционирования и развития сельских систем энергоснабжения на базе СУГ является особенно актуальной.

Осуществляемый в настоящее время переход на СУГ с повышенным содержанием бутана предъявляет специфические требования к проектированию и эксплуатации систем газоснабжения, обусловливает внедрение новых технологических схем, процессов, установок. Это обстоятельство выдвигает ряд задач по необходимости теоретического обоснования новых технических решений, их оптимизации и выбору рациональной области применения.

В соответствии с изложенным, цель работы заключается в разработке и оптимизации сберегающих систем газоснабжения малых населенных пунктов и сопутствующих им объектов АПК на базе сжиженного углеводородного газа и реализуется путем оптимизации структуры и параметров сберегающих систем резервуарного газоснабжения, выбора компонентного состава СУГ в различных климатических районах его использования, определения оптимальной централизации систем газоснабжения на базе сетевого и сжиженного газа, экономического обоснования масштабов и зон применения СУГ при газификации МНП и объектов АПК.

В работе предусматривается решение следующих задач исследования:

1. Разработка и обоснование мероприятий по сбережению газообразного топлива в системах энергоснабжения малых населенных пунктов и объектов АПК.

2. Выбор рационального состава СУГ, поставляемого на бытовые и технологические нужды потребителей с учетом ресурсных ограничений и климатических условий использования продукта.

3. Теоретическое обоснование и оптимизация схемных и параметрических решений подземных резервуарных установок с естественной регази-фикацией (РУЕР) сжиженного углеводородного газа.

4. Определение оптимальных размеров централизации систем газоснаб

жения МНП на базе СУГ и сетевого природного газа.

5.Выбор рациональной области применения СУГ при газификации МНП и объектов АПК.

Положения, выносимые на защиту:

- алгоритм обоснования компонентного состава сжиженного углеводородного газа для использования в различных климатических зонах России;

-экономико-математическая модель оптимизации схемно-параметричес-ких решений подземных РУЕР;

-результаты выбора оптимальных размеров централизации резервуар-ных систем снабжения сжиженным газом с естественной и искусственной регазификацией и систем газоснабжения сетевым природным газом;

-методика определения удельных экономических показателей по отдельным элементам систем газоснабжения;

-экономико-математическая модель обоснования выбора рациональной области применения СУГ при газификации МНП и объектов АПК.

Методы исследований. В качестве методической базы исследований в работе используются основные принципы системного анализа, математическое и экономико-математическое моделирование, методы исследования функции на экстремум с использованием ЭВМ, элементы математической статистики.

Научная новизна работы:

1. Методические рекомендации и алгоритм обоснования рационального состава СУГ, позволяющие обеспечить экономию дефицитных пропа-новых фракций при их минимальном содержании в поставляемой смеси за счет одновременного увеличения доли сопутствующих этановых фракций и доли недефицитных бутановых фракций.

2. Экономико-математическая модель оптимизации подземных РУЕР СУГ, комплексно учитывающая собственную испарительную способность сосудов, взаимное тепловое влияние резервуаров, временную динамику и неопределенность конвертирования стоимостных факторов и позволяющая выявить оптимальные технологические параметры РУЕР: объем одиночного резервуара, количество резервуаров в групповой резервуарной установке, расчетный уровень заполнения резервуаров газом перед очередной заправкой в зависимости от величины расчетного газопотребления.

3. Экономико-математические модели оптимальной централизации систем газоснабжения на базе СУГ и сетевого природного газа, комплексно учитывающие вид газообразного топлива, плотность населения газо-снабжаемой территории, характер застройки населенного пункта, климатические условия эксплуатации систем газоснабжения, способ регазифи-кации СУГ, использование газа в квартирных условиях на все хозяйственные и бытовые нужды, неопределенность исходной экономической информации в условиях перехода к рыночной экономике.

4. Методика выбора удельных технико-экономических показателей по отдельным элементам систем снабжения сетевым природным и сжиженным углеводородным газами в условиях оптимальной централизации систем газоснабжения.

5. Экономико-математическая модель обоснования выбора вида и зон применения газообразного топлива в условиях постоянного и временного

использования СУГ, комплексно учитывающая удаленность потребителя от опорного пункта газоснабжения, годовой объем потребления газа, продолжительность его использования, плотность населения газоснабжаемой территории, соотношение промышленного и бытового газопотребления.

Практическая ценность. Разработанные теоретические и практические положения обеспечивают научно обоснованноеразвитие сберегающих систем энергоснабжения МНП и сопутствующих им объектов А11К на базе СУГ путем реализации и внедрения научно обоснованных мероприятий и технических решений по сбережению газообразного топлйва в децентрализованных системах энергоснабжения зданий; предложений по рациональному составу сжиженного газа, поставляемого в различные климатические зоны России; рекомендаций по выбрру схемно-параметрических решений подземных РУЕР сжиженного газа; выбору оптимальных размеров централизации систем газоснабжения сжиженным и сетевым природным газами; рекомендаций по выбору рациональной области применения двух конкурирующих вариантов систем газоснабжения в условиях постоянного и временного использования СУГ.

Работа выполнялась в соответствии со следующими планами и программами: по плану гранта Министерства образования России за 19981999 годы, раздел С-098, направление 06, проект «Разработка методов экономии природного газа при создании децентрализованных источников и систем энергоснабжения малых промышленных предприятий и населенных пунктов»; по хоздоговору НТП «Волга-техника» СГТУ «Разработка рекомендаций по определению паропроизводительности подземных индивидуальных резервуаров сжиженного газа».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного технического университета (г. Саратов, 199 8,1999,2000); на Международной научно-практической конференции «Современное строительство» (г. Пенза, 1998); на научно-техническом совете АК Росгазстрой (г. Москва, 1999); на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Саратовского государственного аграрного университета (г. Саратов, 2000); на Международной научно-практической конференции Ростовского государственного строительного университета «Строительство-2000» (г. Ростов -на- Дону, 2000).

Реализация результатов работы. Рекомендации по выбору оптимальных параметров подземных резервуарных установок, а также по определению оптимальных размеров централизации резервуарных систем снабжения сжиженным газом, приведенные в третьей и четвертой главах диссертационной работы, включены в окончательную редакцию Свода Правил СП 42-101-00 по разделу 7 «Резервуарные и баллонные установки СУГ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов. Список использованной литературы включает 223 наименования. Общий объем диссертационной работы 227 страниц, включая 31рисунок,23 таблицы, 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, раскрывается необходимость разработки и обоснования сберегающих систем энергоснабжения малых населенных пунктов на базе СУГ, сформулированы цель и задачи исследования, методы их решения, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих систем энергоснабжения малых населенных пунктов России и основных тенденций их развития; сформулированы проблемы, присущие данной отрасли топливно-энергетического комплекса.

В общем балансе сельских поселений РФ преобладают малые населенные пункты численностью до 100-200 человек, застроенные, как правило, индивидуальными жилыми домами усадебного типа. Развивающиеся в настоящее время новые формы ведения сельскохозяйственного производства обусловливают тенденцию к увеличению доли малых поселений, включая сооружения индивидуальных фермерских хозяйств, хуторов и сопутствующих им объектов АПК.

К числу приоритетных направлений инженерного сервиса малых населенных пунктов относятся системы топливоэнергоснабжения, на долю которых приходятся наибольшие капиталовложения и расходы энергетических ресурсов. Высокая степень диверсификации и автономности систем энергоснабжения на базе СУГ в сочетании с высоким потребительским и экологическим эффектом делают последний наиболее предпочтительным энергоносителем для МНП и сопутствующих ему объектов АПК, удаленных от опорных пунктов энергоснабжения. Эффективное функционирование и развитие систем энергоснабжения МНП на базе СУГ предопределяет необходимость комплексного учета всех внутренних и внешних связей каждого звена газоснабжаемой системы. При этом важную роль играет динамика развития топливно-энергетического комплекса страны и его составляющего звена - коммунально-бытового энергоснабжения, перспективная динамика производства и потребления продукта на различные нужды, его компонентный состав, климатические условия использования и другие факторы, включая географические, социальные и экологические. Проведенный анализ позволил сформулировать перечень задач, подлежащих решению и определяющих общую постановку и структуру диссертационной работы (рис. 1).

Во второй главе дается анализ существующей структуры энергопотребления на бытовые и хозяйственные нужды населения и приводятся общая характеристика малых объектов АПК, объемы и структура потребления энергоносителей, рассматриваются основные тенденции энергосбережения.

Рис. 1. Общая постановка диссертационной работы

В результате рассмотрения передового отечественного и зарубежного опыта были сформулированы основные направления эффективного сбережения топливно-энергетических ресурсов и разработана схема энергосберегающих мероприятий применительно к индивидуальным жилым зданиям усадебного типа. Для выявления количественных характеристик газопотребления была разработана модель энергоэффективного жилого здания, включающая в себя комплекс энергосберегающих мероприятий при использовании СУГ на все бытовые, хозяйственные и технологиче-

ские нужды населения. Реализация предлагаемого комплекса мероприятий позволяет в 2.1 раза снизить расход газообразного топлива по сравнению с существующей системой энергоснабжения зданий (табл.1). Полученные количественные характеристики газопотребления сберегающими системами энергоснабжеия зданий обеспечивают необходимые предпосылки к последующей разработке экономико-математических моделей оптимального функционирования систем газоснабжения МНП на базе СУГ.

В третьей главе проводится обоснование состава поставляемого потребителям газа для различных климатических районов РФ и выбор расчетных эксплуатационных параметров РУЕР сжиженного газа.

В настоящее время поставки СУГ в газовые хозяйства производятся без учета климатических особенностей его использования. Как в северные, так ' и в южные районы РФ поступает газ с содержанием пропана в среднем 60+70%. Учитывая то обстоятельство, что испарительная способность подземных РУЕР зависит от процентного содержания пропана в поставляемой смеси, а также от температурных условий окружающей среды.при существующем положении сложились неравные условия для тазовых хозяйств, расположенных в различных климатических районах России. Указанный недостаток устраняет районирование территории России по поставкам газа различного компонентного содержания. Выбор рационального состава СУГ проводился дифференцированно для четырех климатических зон России согласно следующему алгоритму. Методом последовательных приближений задавалось компонентное содержание поставляемого газа в расчете на углеводороды Сг, Сз, С4. Давление паров СУГ при соответствующей температуре г определялось по формуле

РМ = ч/£ -Р^М + ^Сз -Рс50)+< -Ро40). (1)

Содержание этана в паровой фазе СУГ находилось пересчетом с использованием константы равновесия

Ус» = у?2 = Ус2 -РсЮ/Рф. (2)

По известному составу поставляемого газа 1|/С| Н конечный состав газа в резервуарах перед очередной заправкой определялся пересчетом с учетом остаточного уровня газа в резервуаре. Расчетный остаточный уровень газа ь резервуарах принимался по результатам оптимизационных исследований ф = 40%. При заданном минимальном давлении газа в резервуаре РР = 1.2 МПа(абс) и конечном составе газа перед очередной заправкой Ус,,к расчетная температура жидкой фазы СУГ 1ж находилась методом последовательных приближений по формуле (1). В качестве базового использовался вариант очень холодной зоны, обеспечивающий наиболее неблагоприятные температурные режимы эксплуатации резервуарных установок, а, следовательно, минимальный температурный напор между грунтом и СУГ: Д1 =1ГР - 1ж.

Таблица 1

Годовое энергопотребление существующим и энергосберегающим жилым зданием усадебного (коттеджного) типа (на примере умеренно-холодной климатической зоны)

Тип здания Характер энергонагрузки Отопление и вен-пияция <Зо,С?в Пище-приготовление С>пгт Горячее водоснабжение <?гв Приготовление кормов <2пк Электроснабжение (Ь Общее энергопотребление

Существующее здание Величина годовой энергонагрузки ог0д ^сущ» МВтч 33.86 2.34 4.32 3.66 9.5 53.68

В % от общей нагрузки 63.08 4.36 8.05 6.82 17.7 100

Величина годовой энергонагрузки <3™я 7.94 1.99 3.672 3.11 8.6 26.2

Энергосберегающее В % от общей нагрузки 30.3 7.6 14.0 11.87 36.2 100

здание Максимально-часовой расход энергоресурса Мтах, кВт 2.15 1.0 1.99 1.68 3.9 10.73

Предлагаемые рекомендации (таблица 2), по сравнению с другими источниками, обеспечивают экономию дефицитных пропановых фракций при их минимальном содержании в поставляемом газе за счет одновременного увеличения доли сопутствующих этановых фракций, имеющих более низкую температуру кипения, чем пропан и доли недефицитных бутановых фракций, имеющих более высокую температуру кипения, чем пропан. За счет такого комбинирования обеспечивается постоянный температурный напор между грунтом и СУГ и, как следствие, одинаковая паропроизводи-тельность установок как в северных, так и в южных районах России.

Эффективная организация снабжения потребителей СУГ от РУЕР требует научного обоснования технологических параметров последних. К числу таких определяющих параметров относятся следующие: расчетный уровень газа в РУ перед очередной заправкой <рРАСЧ, геометрический объем резервуаров Ур, их количество в ГРУ п, продолжительность эксплуатации установок между соседними заправками Тз. В качестве методической подосновы к решению задачи использовались следующие предпосылки.

Таблица 2

Компонентный состав СУГ в климатических зонах России

Климатическая зона

■очень холодная холодная умеренно-холодная умеренно-теплая

Минимальная Воздух -60 -47 -38 -24

температура при К=0.9 Грунт -8 -5 -2 +3

этан состав, предлагаемый автором 4.5 4.5 4.5 4.5

по данным ОАО "Гипрониигаз" - - -

по данным ГОСТ * - - -

Рекомендуемый состав СУГ, % вес пропан состав, предлагаемый автором 66.8 64.4 60.8 55.0

по данным ОАО "Гипрониигаз" 93 85 75 70

по данным ГОСТ 75 75 75 75

бутан состав, предлагаемый автором 28.7 31.1 34.7 40.5

по данным ОАО "Гипрониигаз" 7 15 25 30

по данным ГОСТ 25 25 25 25

В проектном режиме эксплуатации резервуарная установка должна обеспечивать необходимую паропроизводительность, обусловленную потребностью газифицируемого объекта СРАСч- При этом подразумевается, что заправка СУГ производится своевременно с периодичностью Тз по достижении расчетного уровня заполнения. Если заправка по каким-либо причинам'не может быть своевременно обеспечена, резервный запас газа в резервуара*, согласно техническим нормативам, должен гарантировать пятисуточную эксплуатацию установки с паропроизводительностью не менее 70% от номинальной величины. ''

Указанные предпосылки реализуем «¡'¿тема уравнений:

Срасч =а.;п-Ср(У1);(ррасч;Д1Дф); (3)

00„=а-п-а7(Ур;Фоа;Да^) = 0.70расч; (4)

Орасч -рп -24- х3 = Ур • п• рж • (фн - сррасч); (5)

0-7 ■ Орасч ■ рп • 24 • тост = Ур • п • рж • (срран - (рост), (6)

Выбор оптимального варианта РУ и конкретизация ее эксплуатационных характеристик требует проведения специальных технико-экономи-

ческих исследований. В качестве целевой функции задачи примем удельные (на единицу паропроизводителыюсти) интегральные затраты в сооружение и эксплуатацию резервуарной установки:

3= К+И-£(1 + Е)" (7)

1=1 «] ^ расч

К = ф/р;п); И = ^р;п;т3);

0 рас, = 1Сп;<*; ч> р«*;гр) •

При заданных значениях паропроизводительности Срдсч и количества резервуаров в групповой резервуарной установке п оптимальный объем резервуара УР находится из условия минимизации функции затрат (7). Реализация целевой функции в такой постановке требует наличия достоверной информации в части стоимостной оценки составляющих затрат.

Характерной особенностью современного этапа реформирования отечественной экономики является перевод энергоносителей на мировой уровень цен. В этой связи при реализации данной и последующих экономико-математических моделей стоимостная оценка энергоносителей осуществлялась в расчетных ценах, ориентированных на мировой уровень в соответствии с механизмом ценообразования, предложенным Энергоцентром и ИЭИ РАН, и выраженных в устойчивой валюте (долларах США). Поскольку влияние удорожания энергоресурсов на удорожание капитальных вложений и эксплуатационных расходов точно учесть не представляется возможным, в расчетах использовались две границы затрат:

1.Нижняя граница, когда удорожание энергоресурсов не влияет на стоимостную оценку затрат, поэтому коэффициент индексации принимается равным своему минимальному значению: ц = цт!п= 1.

2.Верхняя граница, когда затраты индексируются пропорционально удорожанию топливно-энергетических ресурсов, то есть коэффициент индексации принимается равным своему максимальному значению.- р = р та». Наличие двух уровней затрат обусловливает зону экономической неопределенности (ЗЭН ), в пределах которой сравниваемые варианты являются равноэкономичными. При этом, как показывает дополнительный анализ, максимальная погрешность детерминированного решения задачи при ц = ргаах / 2 составляет 10-15 %, что вполне достаточно для практики инженерных расчетов.

Результаты исследований по выбору оптимальных параметров резер-вуарных установок представлены на рис.2,3. Внедрение результатов исследований в проектную и эксплуатационную практику существенно повышает экономичность РУЕР сжиженного газа и снижает затраты в сооружение и эксплуатацию установок (в расчете на единицу паропроизводи-тельности) в среднем на 30-40%.

800

и

I I 700

И

" о Лй

I &

3 8 соо

500

400

У\1=2,0 6

_____ 1 1

\ 1 1

\ 1 I 1 !

3/От1И V 1 Ц=1,0

|

1 ) ! |Ур1 у;?

2,3

Объем резервуара V,, м* Рис.2. К выбору оптимальною объема одиночных резервуаровУр в условиях неопределенности конвертирования стоимостных факторов

46- - .ь 4- -

а-

1^.43-

2 л

5

5 Э-

I 2

д

249"'

37

& о.

<и _

и \

я ..

й ..

о

в

ю

8 ю

Е! 6 §

а

[г

/ к

V

\

А

Г

I 2 3 4 5 6

Количество резервуаров в групповой установке п, шт.

Рис.З. Оптимальные параметры групповых резервуарных установок сжиженного углеводородного газа

В четвертой главе приводятся алгоритм и результаты экономического обоснования выбора оптимальных размеров централизации систем резервуарного снабжения с естественной и искусственной регазификацией СУГ. В качестве объектов оптимизации были приняты три вида систем централизованного снабжения СУГ на базе резервуарных установок: с ее-

в

тественной регазификацией СУГ в расходных резервуарах; с естественной регазификацией СУГ в грунтовых испарителях; с искусственной регазификацией СУГ в электрических испарителях. В качестве критерия оптимальности принят минимум удельных интегральных затрат в систему газоснабжения в расчете на одну газифицируемую квартиру: 3 = 3/n=min.

Суммарная протяженность газовых распределительных сетей (РГ) в значительной степени определяется структурой застройки населенного пункта. В целях разработки расчетной модели системы газоснабжения были рассмотрены в качестве полярных два варианта застройки МНП: многорядная (квартальная); двухрядная (ленточная), обеспечивающих наибольшие и наименьшие затраты в РГ. Тогда условие оптимальности системы газоснабжения по комплексу РУЕР- РГ реализует следующее уравнение:

3 / п = — (ЗрУЕр + 3РГ) = min. п

(8)

Аналогично по комплексу ГРУ-РГ- испаритель (грунтовый, электрический): 3

= 3j-py 3«qj -f 3РГ = min;

3ГРУ (п) = 209.977п - 295.483;

оГРУНТ(ЭЛ) _

^исп -

зМН.3

Эрг

КИсп+Иисп-Х(1 + ЕГ

(а + b • В • п°473 125 + 0.182^)7

0.368

•(1 + Д-ф)+Д-ц

L

1

п

•.t'

в

мн.з

t=T (1 + Е) f 0.75af

ДР

0.21 ^g\0.IO5

Ятах(пг) Чтах(впг)Ятах(от.к)

10.368

>J ;

Вдв.з _|'0-125а0^ АР

он /<^0105

■

(?)

■ (0.2в[к ■ (q + q„¿(еог) ) + Ч тм(от.к) ])

0.368

(10)

Важным элементом расчетных зависимостей является норма дисконта Е. Последняя принимается равной приемлемой для инвестора норме дохода на капитал, при отсутствии соответствующей информации принимается равной процентной ставке банковского кредита.

Достоверность предлагаемой аналитической модели подтверждается результатами сопоставительного анализа со статистической моделью, разработанной ОАО «Гипрониигаз», (рис.4). Как видно из графиков, аналити-

ческая и статистическая модели оптимальной централизации достаточно хорошо согласуются друг с другом. Среднее расхождение результатов по затратам составляет 8.9% с уровнем доверительной вероятности 95%. Повышенное расхождение результатов по оптимальному количеству квартир, снабжаемых газом от одной РУ, в размере 19.4%, также вполне оправдано и объясняется значительной пологостью целевой функции в районе экстремума. Проведенный сравнительный анализ подтверждает достоверность предлагаемых аналитических зависимостей и позволяет рекомендовать их к практическому использованию. В целях количественной оценки предложенной модели были проведены соответствующие расчеты на ПЭВМ (программа численного решения задачи приводится в диссертации). Результаты расчетов представлены в таблице 3.

Как видно из таблицы, оптимальная централизация систем снабжения СУГ обусловливается, главным образом, влиянием двух определяющих факторов: плотности населения газоснабжаемой территории и способа ре-газификации газа. Наличие ЗЭН расширяет границы централизованных систем газоснабжения: от 8 до 43 квартир (РУЕР); от 15 до 99 квартир (установки, оборудованные электрическими испарителями).

а

и

В

О

ЕГ п)

Л §

р. я

Ы § £¡13 3 Й

3 о я О

2000

1600--

400

Ё О

V

3 я я

<и м

>4 с « Йп к

О-г-"

Е-5

'5 ?!

£ Н Л св

х ^ я1 аз к

3

1

\

V >

> Чь 1 1

3/п <

о 2 3 4 5 б 7 8 9 Этажность населенного пункта Рнс.4. Оптимальные^араметры резервуарных систем снабжения СУ1 (искусственная регазифихацня) —— по данным статистики ® по данным аналитических исследований В пятой главе приводится алгоритм определения оптимальной централизации систем газоснабжения МНП на базе сетевого природного газа, дается технико-экономическое обоснование выбора вида газообразного топлива при газификации малых населенных пунктов и сопутствующих объектов АПК.

Выбор оптимальной централизации систем газоснабжения сетевым природным газом (выбор числа ГРП) является одной из наиболее исследо-

ванных задач оптимизации городских газораспределительных систем. Однако все предложенные методы определения оптимального числа ГРП в городских условиях малоприемлемы для условий сельской местности. Поэтому проектные организации определяют число ГРП для сельских населенных пунктов путем вариантных расчетов.

Экономико-математическую модель оптимальной централизации сельских систем газоснабжения на базе сетевого природного газа реализует следующая система уравнений:

- = - [з с.д (п) + Зщгрл (и) + 3Нд (n)] = min;

ШТРП

1

= - (К ШГРП' • О + ФШГРП • Д)) = i(n); п п

>мн.з 5с.д

0.75-VS-n/q

п

[(а + b • dCP Xl + Д • ф)+ Д • mJ

[(а -(- b • dCP Xl + Д ■ <р) + Д • ц}

(И)

Программа численного решения задачи приводится в диссертации. Результаты проведенных расчетов по определению оптимальных и допустимых размеров централизации приводятся в таблице 3.

Таблица 3

Оптимальная централизация систем газоснабжения МНП

Система газоснабжения Оптимальное количество квартир, газифицируемых от одной установки при плотности населения с^чел/м2 Допустимый диапазон централизации при плотности населения q, чел/м2

5-10"3 2.5-10"3 1.2-IQ"3 6-10'4 5-Ю"3 2.5-10"3 1.2-10"3 610"4

РУЕР 32 22 16 15 15-43 10-39 9-28 8-19

Резервуариые установки СУГ с искусственной ре-газификацией 78 62 53 36 36-99 20-78 17-72 15-48

Система газоснабжения сечевым природным газом на базе ШГРП 90 80 62 46 38-139 32-100 25-83 18-74

П

п

Задача обоснования вида газообразного топлива при газификации населенных пунктов обычно решается в статической постановке: при наличии или отсутствии природного газа в опорном пункте энергоснабжения (крупный поселок или промышленное предприятие, расположенные в непосредственной близости от рассматриваемого объекта, межпоселковый газопровод и т.д.). Интенсивное развитие газотранспортной системы при-

родного газа требует решения задачи в динамической постановке. При этом особую актуальность приобретает технико-экономическое обоснование двухстадийной газификации объектов: сначала (при отсутствии сетевого природного газа) газоснабжение СУГ, затем (по мере подключения опорного пункта к магистралям природного газа) перевод потребителей со сжиженного на сетевой природный газ.

В качестве альтернативных вариантов систем газоснабжения примем: снабжение потребителей СУГ на базе ГРУ; снабжение потребителей СУГ от ГРУ с последующим (через (:0 лет) снабжением сетевым природным газом от ШГРП.

Для сравнения вариантов воспользуемся целевой функцией затрат в сооружение и эксплуатацию систем газоснабжения.

Тогда для варианта снабжения сжиженным углеводородным газом имеем

39г=Кчг + У,св.Ичг. (12)

Аналогично для варианта снабжения сжиженным углеводородным газом с последующим (через 10 лет) переводом на сетевой природный газ Зс>г,пг=Ксг+У1сл -Исуг+а,о •(К„г-Лсуг)+(У,СЛ -У,0)-Ипг. (13) Приравнивая целевые функции затрат (12) и (13), находим предельное расстояние 1кр, при котором потребителя, газифицированного сжиженным

газом, целесообразно перевести на природный газ

(Исуг-^^)-(У1сл-У,0)+ Лсуг

л ,с" (1 + Е)'0

К.

1кр =-1--(м)

И-(У. -У, ) + -■ лг ^ 1сл (1+Е)'0

В частном случае, при 10= 0, то есть когда на момент газификации потребителя опорный пункт энергоснабжения располагает сетевым газом, получим, положив У ,о = 0 и ЛС>Г=КС)Т:

Спг • (2год Ксуг + (Исуг ) • У |сл

1к>='-к +и -У-■ (15)

пг т пг ■* ^

Экономическая эффективность конвертирования систем газоснабжения определяется разностью затрат:

Эф =Зсуг-Зсуг-пг(и0). (16)

При выборе оптимальных параметров функционирования систем газоснабжения важную роль играют удельные экономические показатели. Предлагаемые в работе удельные экономические показатели по отдельным элементам систем резервуарного снабжения СУГ и систем снабжения се-

тевым природным газом на базе ШГРП, в отличие от известных аналогов, комплексно учитывают: влияние архитектурно-планировочных решений населенных пунктов и их инженерного обеспечения; рекомендации по оптимальной централизации систем газоснабжения МНП; плотность населения газоснабжаемой территории; оптимальный типоразмер подземных ре-зервуарных установок; способ регазификации СУГ; влияние нагрузки по отоплению и горячему водоснабжению; динамику изменения цен на топливно-энергетические ресурсы, сырье и материалы в условиях рыночной экономики; климатические условия эксплуатации систем газоснабжения; возможность перехода в перспективном периоде от одного вида энергоносителя к другому. Предлагаемые показатели в должной мере отвечают современным требованиям и обеспечивают достоверность последующих аналитических расчетов.

Методику выбора рациональной области применения двух конкурирующих вариантов систем энергоснабжения в условиях временного использования СУГ иллюстрирует график (рис.5).

Рис.5. Область применения сетевого природного и сжиженного углеводородного газа для малых населенных пунктов и объектов /ШК (Ота=1,5 ) Обозначения: 1 - при плотности населения ч=5-10".чел/м?;

2 - при плотности населения 4=610* чел/м

Как видно из графиков (рис.5), с увеличением срока отдаленности газификации опорного пункта ^ возможности конвертирования систем газоснабжения существенно сокращаются (то есть сокращается зона перевода потребителей с СУГ на сетевой газ). Если отдаленность газификации опорного пункта соизмерима со сроком службы системы газоснабжения, перевод потребителей на сетевой газ нецелесообразен при любой удаленности последнего от опорного пункта энергоснабжения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. По результатам технико-экономического анализа сберегающих, мероприятий, получивших наиболее широкое распространение в мировой практике энергоснабжения, получены количественные характеристики потребления СУГ малыми населенными пунктами, позволяющие в 2.1 раза сократить расход этого дефицитного топлива и значительно расширить область его использования.

2. Разработана методика выбора компонентного состава сжиженного углеводородного газа для систем резервуарного газоснабжения малых населенных пунктов в различных климатических районах, позволяющая обеспечить экономию дефицитных пропановых фракций при их минимальном содержании в поставляемой смеси за счет одновременного увеличения доли сопутствующих этановых фракций, имеющих более низкую температуру кипения, чем пропан, и доли недефицитных бутановых фракций, имеющих более высокую температуру кипения, чем пропан, и обеспечивающая за счет такого комбинирования необходимую паропроизводи-тельность РУЕР как в южных, гак и в северных районах России.

3. Разработана экономико-математическая модель оптимизации схем-но-параметрических решений подземных РУЕР СУГ вертикального типа, комплексно учитывающая геометрические размеры и конфигурацию резервуаров, их количество в групповой установке, уровень заполнения резервуаров газом, температурные условия эксплуатации, взаимное тепловое влияние резервуаров при размещении в группе и другие технологические параметры, на базе которой предложен оптимальный типоряд групповых установок с учетом неопределенности исходной экономической информации и выявлены оптимальные параметры их эксплуатации. Внедрение полученных результатов в производственную практику снижает затраты в сооружение и эксплуатацию установок (в расчете на единицу паропроиз-водительности) на 35+40 %.

4. Разработаны экономико-математические модели оптимальной централизации систем газоснабжения на базе сжиженного и сетевого природного газов, комплексно учитывающие вид газообразного топлива, способ регазификации сжиженного углеводородного газа, плотность населения газоснабжаемой территории, характер застройки населенного пункта, климатические условия эксплуатации, характер потребителей газа и направления его использования. Достоверность предложенных моделей подтверждается результатами сопоставительного анализа со статистической моделью. Среднее расхождение затрат составляет 8.9 % с уровнем доверительной вероятности 95 %.

5. Реализация моделей оптимальной централизации систем газоснабжения путем численного решения задачи на ПЭВМ позволила выявить оптимальное количество квартир, подключаемых к одной резервуарной (га-зорегуляторной) установке, допустимый диапазон централизация поселковых систем'газоснабжения с учетом неопределенности исходной экономической информации, область рационального применения децентрализованных и централизованных систем газоснабжения.

6. Разработаны удельные экономические показатели по отдельным элементам систем газоснабжения сжиженным углеводородным и сетевым природным газами в условиях их оптимальной централизации в зависимости от плотности населения газоснабжаемой территории и величины годового энергопотребления МНП.

7. Сформулирована экономико-математическая модель двухстадийной газификации населенного пункта на базе сжиженного углеводородного газа с последующим переводом на природный газ, комплексно учитывающая удаленность потребителя от опорного пункта газоснабжения, годовой объем потребления сжиженного углеводородного газа, продолжительность его использования, плотность населения газоснабжаемой территории и другие определяющие факторы.

8. Численная реализация модели двухстадийной газификации . населенного пункта позволила определить рациональную область применения двух конкурирующих вариантов систем газоснабжения в условиях как постоянного, так и временного использования сжиженного газа. Принцип двухстадийной газификации (сначала сжиженным, потом природным газом) дает возможность обеспечить население и промышленные объекты газообразным топливом независимо от темпов развития газотранспортной системы и обусловливает значительную (до 30 %) экономию интегральных приведенных затрат.

9. Результаты научных исследований используются проектными и эксплуатационными организациями отрасли, наиболее значимые из них включены в окончательную редакцию Свода Правил СП 42-101-00 по разделу 7 «Резервуарные и баллонные установки СУГ». Их внедрение в производственную практику способствует совершенствованию структуры топливно-энергетического баланса сельских поселков, повышает уровень инженерного сервиса, улучшает социальные и экологические условия жизни населения и обеспечивает экономический эффект в размере 118 долларов на одну газифицируемую квартиру.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Курицын Б.Н., Медведева О.Н. Выбор вида газообразного топлива при газификации малых населенных пунктов и объектов агропромышленного комплекса/ЛГруды Саратовского центра Жилищно-коммунальной Академии РФ (выпуск 2).- Саратов: Изд-во «Надежда», 1998.-С.104-115.

2. Курицын Б.Н., Медведева О.Н., Осипова H.H. Оптимизация теплопотерь усадебных зданий и резервы газосбережения // Современное строительство: Сб. матер. Междунар. науч.-практич.конф. - Пенза: Изд-во Пензен. гос. архит.-строит. академии, 1998.- С.115-117.

3. Курицын Б.Н., Казьмина A.B., Медведева О.Н. Оптимальная централизация систем газоснабжения от шкафных ГРП//Повышение эффективности систем теплогазоснабжения и вентиляции: Меж-вуз.научн.сб.-Саратов: СГТУ, 1999.-С.55-62.

4. Курицын Б.Н., Медведева О.Н. Климатическое районирование территории РФ и обоснование компонентного состава сжиженного газа// Энер-

госбережение и эффективность систем теплогазоснабжения и вентиляции: Межвуз научн. сб.-Саратов: СГГУ, 2000.- С. 17-23.

5.Курицын Б.Н., Медведева О.Н. К выбору расчетных параметров групповых установок сжиженного газа с вертикальными подземными резервуарами//Научно-технические проблемы систем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения: Межвуз. научн. сб.-Воронеж: ВГАСА, 2000.-200с.

6.Курицын Б.Н., Медведева О.Н., Осипова H.H. Резервуарные установки на базе подземных вертикальных резервуаров с естественной регазифи-кацией// Строительство - 2000,- Ростов-на-Дону, 2000.-С.37-38.

7.Курицын Б.Н., Усачев А.П., Медведева О.Н. и др. Разработка предложений к Своду Правил СП 42-101-00 в части проектирования систем резервуарного газоснабжения Л Энергосбережение и эффективность систем теплогазоснабжения и вентиляции: Межвуз. научн. сб. -Саратов: СГТУ, 2000,- С. 112-116.

8.Медведева О.Н. Оптимальная централизация резервуарных систем снабжения сжиженным газом // Энергосбережение и эффективность систем теплогазоснабжения и вентиляции: Межвуз. научн. сб. - Саратов: СГТУ, 2000.- С.24-28.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Q - величина годовой энергонагрузки, (МВт-ч)/год;; с- цена единицы отпускаемой энергии, долл./(МВт-ч); Э - стоимость электроэнергии, долл.; А, В, а, р, q, b, m, n-стоимостные параметры; У10- дисконтирующий множитель.

БУКВЕННЫЕ ИНДЕКСЫ

AT- автотранспортная система; РУЕР- резервуарная установка с естественной регазификацией; МГ- межпоселковый газопровод.

Медведева Оксана Николаевна

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ МАЛЫХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ НА БАЗЕ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА

АВТОРЕФЕРАТ

Ответственный за выпуск Ю.М. Афонин

Корректор Л.А. Скворцова

Лицензия JIP Кг 020271 от 15.11.96

Подписано в печать Z6.09.00 Формат 60x84 1/16

Бум. тип. Усл.-печ.л 1.1 Уч.-изд.л. 1.0

Тираж i00 экз. Заказ 404 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054 г.Саратов, ул. Политехническая, 77 Копипринтер СГТУ, 410054 г.Саратов, ул. Политехническая, 77