Моделирование децентрализованных систем газоснабжения на базе сжиженных углеводородных газов

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) получили широкое распространение как источники газоснабжения городов и сельских населенных пунктов Российской Федерации, удаленных от магистральных газопроводов природного газа.

В настоящее время на базе СУГ газифицировано 13 млн. квартир, в т. ч. 5,8 млн. квартир в городах и поселках городского типа (45%) и 7,2 млн. квартир в сельских населенных пунктах (55%). Ежегодно на цели коммунально-бытового газоснабжения реализуется свыше 3,0 млн. тонн СУГ, в т. ч. 1,2 млн. тонн в сельской местности.

Сжиженные углеводородные газы являются основным источником газоснабжения в сельской местности. Более 60% газифицированных квартир в сельских поселках используют СУГ на бытовые и хозяйственные нужды.

В существующей практике снабжения сжиженным газом сельских поселков, а также жилых массивов городов с преимущественно одноэтажной (усадебной) застройкой, осуществляется, как правило, от индивидуальных газобаллонных установок. При этом сжиженный газ используется только в газовых плитах (на цели пищеприготовления и, отчасти, для нагрева воды на хозяйственные нужды и приготовление кормов для домашних животных). В то же время такие жизненно важные нужды как отопление и горячее водоснабжение удовлетворяются за счет использования твердого топлива (уголь, дрова). Сложившаяся структура бытового энергобаланса жилых усадебных зданий не отвечает требованиям к современному уровню инженерного сервиса и негативно сказывается на благосостоянии и жизнедеятельности населения.

Бурное развитие строительства загородных домов и коттеджей с повышенным уровнем инженерного благоустройства предъявляет дополнительные требования к качеству энергообеспечения квартир, прежде всего, на газовом топливе.

В этой связи, существующие и проектируемые системы энергообеспечения поселков, удаленных от магистралей природного газа, требуют эффективного развития в плане более полного удовлетворения потребности населения в сжиженном газе, повышения экономичности и надежности систем газоснабжения.

Характерной особенностью поселков с усадебной (коттеджной) застройкой является большая рассредоточенность потребителей при относительно небольших объемах газопотребления.

Указанное обстоятельство в сочетании с высокой стоимостью сжиженного газа обусловливает приоритетность развития газификации на базе децентрализованных систем газоснабжения и необходимость их дифференциации в зависимости от объема газопотребления и характера газоиспользующего оборудования, т. е. в зависимости от объема и качества энергообеспечения квартир.

Сжиженные углеводородные газы, используемые в качестве топлива, выпускаются отечественными предприятиями в виде трех марок продукта: пропан технический ПТ, бутан технический БТ и смесь пропан-бутана техническая СПБТ. Применение той или иной марки регламентируется ГОСТ 20 448–90 в зависимости от климатической зоны и сезонности эксплуатации потребителя, характера источника газоснабжения (баллонные или резервуарные установки) и других технических особенностей систем газоснабжения.

Поставка продукта различного компонентного содержания осложняет работу нефтегазоперерабатывающих предприятий, обусловливает повсеместный дефицит пропана (марки ПТ) при излишках бутана (марки БТ), затрудняет операции по производству и сбыту продукта.

В этой связи обоснование единого компонентного состава СУГ с минимальным содержанием дефицитного пропана, обеспечивающего надежную, безопасную и экономичную работу всех элементов систем газоснабжения независимо от сезонности и климатических условий эксплуатации представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета в рамках тематических планов следующих научно-исследовательских работ:

— Научно-техническая программа СГТУ-22 «Разработка и обоснование энергосберегающего инженерного оборудования зданий». Номер госрегистрации 1 200 314 112, 2004 г.

— Госбюджетная НИР по внутривузовскому заказ-наряду «Разработка проблем энергосбережения и эффективного использования топлива». Номер госрегистрации 1 200 003 714, 2004 г.

Цель работы заключается в моделировании децентрализованных систем газоснабжения на базе сжиженных углеводородных газов.

Задачи исследования. Поставленная цель реализуется путем решения ряда взаимосвязанных задач:

— обоснование компонентного состава СУГ, поставляемого на нужды коммунально-бытового газоснабжения;

— моделирование децентрализованных систем снабжения сжиженным газом на базе индивидуальных баллонных установок;

— моделирование децентрализованных систем снабжения сжиженным газом на базе индивидуальных резервуарных установок;

— выбор рациональной области применения баллонных и резервуарных установок в системах децентрализованного снабжения сжиженным газом.

Научную новизну диссертационного исследования составляют: алгоритм оптимизации компонентного состава СУГ, поставляемого на нужды коммунально-бытового газоснабжения, реализация которого обеспечивает комплексный подход к решению задачи с учетом специфических особенностей производства и сбыта продукта, а также требований к надежности, безопасности и экономичности систем газоснабженияматематическая модель функционирования децентрализованной системы снабжения СУГ по комплексу: расходная емкость-регулятор давлениягазовая горелка, отличительной особенностью которой является системная постановка задачи, численная реализация которой позволяет выявить зависимость эксплуатационных параметров газогорелочных устройств от комплексного воздействия физических процессов, имеющих место в других элементах газоснабжающей системыматематическая модель и алгоритм расчета паропроизводительности индивидуальных баллонных (резервуарных) установок с естественной регазифи-кацией СУГ. По сравнению с известными аналогами предложенная модель учитывает суточную динамику газопотребления в сочетании с тепловой аккумуляцией системы жидкость-металл, что вскрывает дополнительные резервы паропроизводительности установокматематическая модель теплообмена подземного резервуара сжиженного газа в системе грунт-атмосферный воздух. В отличие от известных аналогов предложенная модель более адекватно отражает реальные тепловые режимы эксплуатации резервуарных установок в холодный период времени года и обеспечивает научно обоснованные предпосылки к обоснованию оптимального уровня их тепловой защитыэкономико-математическая модель выбора рациональной области применения баллонных и резервуарных установок в системах децентрализованного снабжения сжиженным газом. Отличительной особенностью модели является обобщенная постановка задачи в рамках технологического комплекса: газонаполнительная станция-газовый прибор и системный подход к ее реализации.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием фундаментальных положений теории тепло-массообмена и химической термодинамики, современных методов математического и экономико-математического моделирования, а также результатов экспериментальных работ. Основные положения и выводы диссертационной работы коррелируются с данными других исследователей.

Практическое значение и реализация результатов.

Разработанные в диссертации теоретические и практические положения обеспечивают повышение эффективности и надежности поселковых систем газоснабжения на базе децентрализованных установок сжиженного газа путем реализации и внедрения:

— рекомендаций по рациональному составу СУГ, поставляемого на нужды коммунально-бытового потребления:

— математических моделей и разработанных на их основе инженерных методов расчета паропроизводительности баллонных и резервуарных установок сжиженного газа;

— рекомендаций по выбору оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров децентрализованных систем снабжения сжиженным газом и рациональной области их применения.

Результаты научных исследований переданы для внедрения в головной научно-исследовательский институт ОАО «Гипрониигаз» и рекомендованы научно-техническим Советом для использования в проектной практике института (см. Приложение, А и Приложение Г).

Материалы исследований используются в лекционном курсе «Системы снабжения сжиженным газом», читаемом на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета, а также в курсовом и дипломном проектировании студентов. На защиту выносятся:

— алгоритм оптимизации компонентного состава СУГ, поставляемого на нужды коммунального газоснабжения;

— математическая модель функционирования децентрализованной системы снабжения сжиженным газом по комплексу расходная емкость-газовая горелка;

— математическая модель и алгоритм расчета паропроизводительности индивидуальных баллонных (резервуарных) установок с естественной регазифи-кацией СУГ;

— математическая модель теплообмена подземного резервуара сжиженного газа в системе грунт-атмосферный воздух и разработанная на ее основе экономико-математическая модель оптимизации теплозащиты подземных резервуарных установок;

— экономико-математическая модель выбора рациональной области применения баллонных и резервуарных установок в системах децентрализованного снабжения сжиженным газом.

Апробация. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: научных семинарах и конференциях в СГТУ, СГАУ (Саратов, 2002;2006) — международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» БГТУ (Белгород, 2003) — Российской научно-технической конференции «Перспективы использования сжиженных углеводородных газов» Гипрониигаз (Саратов, 2003) — первой Всероссийской конференции молодых специалистов «Актуальные научно-технические проблемы совершенствования систем газораспределения и газопотребления» Гипрониигаз (Саратов, 2005) — международной научной конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» МГСУ (Москва, 2005). Публикации. По теме диссертации опубликовано работ 9 общим объемом 52 страниц. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит 34 страницы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Предложен алгоритм оптимизации компонентного состава СУГ, поставляемого на нужды коммунально-бытового газоснабжения, отличительной особенностью которого является комплексный подход к решению задачи с учетом ограниченности ресурсов пропана при одновременных излишках этан-бутановых фракций, а также требований к надежности, безопасности и экономичности систем газоснабжения. Для использования в газовой практике рекомендуется СУГ единого фракционного состава: 10 мол% этана, 50 мол% пропана, 40 мол% бутана. Применение СУГ рекомендуемого состава на 20 и более процентов расширяет объемы реализации этан-бутановых фракций при одновременном сокращении потребления пропана. При этом улучшается структура производства и сбыта продукта и обеспечиваются безопасные режимы эксплуатации установок хранения, транспорта и регазификации СУГ.

2. Разработана математическая модель функционирования децентрализованной системы снабжения СУГ по комплексу: расходная емкость-газовая горелка. По сравнению с известными аналогами предложенная модель отражает системную взаимосвязь физических процессов регазификации СУГ многокомпонентного состава в замкнутом объеме, дросселирования паровой фазы СУГ в регуляторах давления, сжигания многокомпонентной газовой смеси в горелках атмосферного типа. Численная реализация модели позволила выявить зависимость эксплуатационных параметров газого-релочных устройств бытовых газовых приборов от комплексного воздействия физических процессов, имеющих место в других элементах газоснабжающей системы. Как показывают результаты исследований, применение СУГ рекомендуемого состава обеспечивает надежную и безопасную работу бытовых газовых приборов (без переналадки газогорелочных устройств), необходимую полноту сгорания газа и высокий КПД во всем диапазоне отбора паров из расходной емкости.

3. Предложены математическая модель и алгоритм расчета естественной паропроизводительности индивидуальных баллонных (резервуарных) установок СУГ. В отличие от известных решений предложенная модель учитывает суточную динамику газопотребления в сочетании с тепловой аккумуляцией системы: жидкая фаза СУГ — металл, что вскрывает дополнительные резервы паропроизводительности баллонных (резервуарных) установок. Численная реализация модели применительно к системам газоснабжения жилых усадебных (коттеджных) зданий позволила обосновать необходимые типоразмеры расходных емкостей, величину остаточного уровня заполнения, требуемую частоту заправок сжиженным газом и другие эксплуатационные параметры в зависимости от технических характеристик зданий, климатических условий эксплуатации, газового оборудования квартир и режимов газопотребления.

4. Разработана математическая модель теплообмена в системе: грунт-подземный резервуар сжиженного газа. В отличие от известных аналогов предложенная модель учитывает тепловое взаимодействие горловины резервуара и фланца распределительной головки с атмосферным воздухом. Адекватность модели подтверждается результатами натурных наблюдений. Численная реализация модели позволила выявить влияние теплопотерь в холодный период времени года на паропроизводительность резервуарных установок и обосновать необходимую толщину тепловой изоляции.

5. В целях обоснования рациональной области применения баллонных и резервуарных установок в системах децентрализованного снабжения сжиженным газом разработана соответствующая экономико-математическая модель, отличительной особенностью которой является системный подход к решению задачи в рамках технологического комплекса газонаполнительная станция-газовый прибор, что обеспечивает получение более достоверных научных результатов. Как показывают исследования, при использовании СУГ на все бытовые нужды, включая пользовании СУГ на все бытовые нужды, включая отопление, целесообразно применение резервуарных систем газоснабжения на всей территории обслуживаемой ГНС, а при использовании СУГ только на цели пище-приготовления — баллонные системы газоснабжения. При использовании СУГ на нужды пищеприготовления и горячего водоснабжения баллонные установки следует применять при удаленности потребителей от ГНС на расстояние до 50 км, при большей удаленности — резервуарные установки.