Моделирование и обоснование рациональных поселковых систем газоснабжения

Актуальность. Сельские населенные пункты занимают важное место в социально-экономической структуре страны, обусловленное специфическими особенностями производственной и аграрной деятельности населения и социально-историческим развитием. В них проживает в настоящее время около трети населения страны. В то же время социально-бытовые условия и инженерное благоустройство сельских поселков существенно уступают достигнутому уровню в городах.

Важнейшим направлением развития инженерной инфраструктуры сельских населенных пунктов является широкое внедрение современных систем топливо-энергоснабжения и, в первую очередь, на базе сетевого природного газа.

Согласно Президентской программе «Социальное развитие села до 2012 года» от 03.12.2002 № 858 (ред. от 31.01.2009) планируется полностью обеспечить сельское население страны газовым топливом.

Огромные масштабы природного газа, направляемые на развитие агропромышленного комплекса, способствуют выполнению его основных задачдостижения устойчивого роста сельскохозяйственного производства и надежного обеспечения страны продуктами питания.

Наряду с этим использование газа на бытовые и хозяйственные нужды населения способствует преобразованию сел и деревень в благоустроенные поселки, отвечающие современным требованиям к инженерному оборудованию зданий.

В настоящее время газораспределительные системы сельских населенных пунктов представляют собой сложный технологический комплекс, включающий в себя газовые сети различного давления, газорегуляторные пункты, газовые приборы и установки, использующие топливо на различные потребительские нужды.

Указанное обстоятельство предопределяет многообразие системообразующих связей и сложный характер взаимодействия факторов, определяющих механизм функционирования газораспределительных систем.

К этим факторам относятся: гидравлические режимы эксплуатации распределительных газопроводов и оборудования газорегуляторных пунктов, энергетическая эффективность использования газа на бытовые и хозяйственные нужды населения, архитектурно-планировочные решения сельских поселков и технические характеристики газоснабжаемых зданий, газовое оборудование квартир и режимы его эксплуатации и др.

Вопросу эффективного функционирования распределительных систем газоснабжения населенных пунктов посвящено большое количество научных публикаций. Полученные авторами решения и разработанные на их основе рекомендации отличаются постановкой задачи, глубиной проработки исходных предпосылок, алгоритмами её реализации. Указанные рекомендации носят фрагментарный, часто противоречивый характер, поскольку не учитывают всю полноту и многообразие взаимодействия системообразующих факторов. Они разработаны, как правило, на базе газовой техники 60−70 годов прошлого столетия и поэтому не могут быть востребованы в полном объеме в современной газовой практике.

В этой связи, разработка научных основ расчета и проектирования распределительных систем газоснабжения сельских поселков представляет собой актуальную научно-техническую задачу, реализация которой требует обобщенной постановки и глубокого анализа с учетом многообразия системообразующих факторов и специфических особенностей современных систем газоснабжения.

Цель диссертационной работы заключается в моделировании и обосновании рациональных поселковых систем газоснабжения.

Задачи исследования. Поставленная цель реализуется путем решения следующих задач:

1) экспериментальное исследование и математическое моделирование тепловой эффективности бытовых газоиспользующих приборов;

2) разработка математической модели обоснования однои двухступенчатых поселковых систем газоснабжения;

3) разработка методики выбора и обоснования оптимальных параметров и схемных решений поселковых систем газоснабжения;

4) разработка экономико-математической модели обоснования рациональной области применения однои двухступенчатых систем газоснабжения при газификации сельских населенных пунктов.

Новизну диссертационных исследований составляют следующие научные положения, выносимые на защиту:

1) разработана математическая модель тепловой эффективности бытовых газоиспользующих приборов, в которой зависимость между тепловой эффективностью и гидравлическими режимами эксплуатации была определена экспериментальным путем;

2) разработана математическая модель, позволяющая провести обоснование однолибо двухступенчатых систем газоснабжения;

3) разработаны математическая модель и методика выбора оптимальной величины потерь давления газа в поселковых системах газоснабжения;

4) разработана экономико-математическая модель, учитывающая характер застройки сельских поселков и плотность населения. В основе модели лежит целевая функция минимизации приведенных затрат.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием фундаментальных положений теории и практики газоснабжения, 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 исследований.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что ее результаты позволяют снизить затраты на сооружение газопроводов и получить экономию газа при их эксплуатации.

Результаты научных исследований внедрены в головном научно-исследовательском и проектном институте ОАО «Гипрониигаз» и рекомендованы научно-техническим советом института для использования в его проектной практике (приказ № 342 от 30.09.2010 г.).

По материалам диссертационных исследований разработан СТО-3 321 549−005−2010.

На защиту выносятся:

1) результаты экспериментальных исследований и математическая модель тепловой эффективности бытовых газовых приборов;

2) математическая модель обоснования однои двухступенчатых поселковых систем газоснабжения;

3) методика выбора и обоснования оптимальных параметров и схемных решений поселковых систем газоснабжения;

4) экономико-математическая модель, учитывающая характер застройки сельских поселков и плотность населения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

— на XII международной научно-практической конференции «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (г. Пенза, 2010 г.);

— на 3-й международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (г. Москва, 2009 г.);

— на Всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии» (г. Самара, 2009 г.);

— на научных семинарах и конференциях Саратовского государственного технического университета (г. Саратов, 2008;2009 гг.);

— на 63-й международной научно-технической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (г. С.-Петербург, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, общим объемом 44 печатных листа, из них лично автору принадлежат 29 печатных листов. Три работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ: «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура" — «Приволжский научный журнал" — «Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура».

Общие выводы.

1. Выполнен комплекс экспериментальных исследований тепловой эффективности бытовых водогрейных аппаратов при работе на газовом топливе. Анализ материалов собственных исследований, а также результатов исследований других авторов вскрывает тесную взаимосвязь между относительным КПД газоиспользующих установок и относительным давлением газа перед прибором.

Получена обобщенная теоретическая зависимость (с коэффициентом корреляции 0,88), устанавливающая взаимосвязь между гидравлическими и тепловыми режимами эксплуатации газоиспользующих установок.

2. Разработана экономико-математическая модель оптимизации располагаемого перепада давлений в распределительных газопроводах от индивидуальных шкафных газорегуляторных установок, отличительной особенностью которой является наличие системной связи между гидравлическими режимами эксплуатации газорегуляторных установок, а также распределительных газопроводов и тепловой эффективностью использования газового топлива.

Результаты численной реализации предложенной модели показывают, что оптимальная потеря давления в распределительных газопроводах изменяется в достаточно широких пределах: от 250 до 450 Па в зависимости от климатических условий эксплуатации, технических характеристик газоснабжаемых зданий, плотности населения газоснабжаемой территории (площади приусадебных участков газоснабжаемых зданий) и других определяющих факторов.

Вместе с тем, наличие значительной пологости целевой функции в районе ее экстремума позволяет с погрешностью решения задачи не более 3−5% рекомендовать в качестве обобщенных значений оптимальной потери давления 300 Па (жилые здания усадебного типа, оборудованные газовыми отопительными печами (котлами) и газовыми плитами) и 400 Па (жилые здания коттеджного типа, оборудованные газовыми котлами двухцелевого назначения и газовыми плитами).

3. Разработаны экономико-математические модели оптимального функционирования однои двухступенчатых систем газоснабжения сельских поселков на базе шкафных газорегуляторных установок. Отличительными особенностями указанных моделей являются обобщенная постановка задачи в рамках технологического комплекса: сети высокого (среднего) давления — ШГРП — сети низкого давления — газовый прибор, наличие системной связи между гидравлическими режимами эксплуатации газовых сетей и тепловой эффективностью использования газового топлива, а также комплексный подход к ее реализации с учетом многообразия системообразующих факторов и схемных решений.

4. Выявлена оптимальная централизация двухступенчатых систем газоснабжения сельских поселков. Как показывают конкретные расчеты, в зависимости от характера застройки населенного пункта и плотности населения газо-снабжаемой территории (площади приусадебных участков) оптимальная централизация поселковых систем газоснабжения изменяется от 5−15 квартир (поселки с ленточной застройкой) до 100−150 квартир (поселки с многорядной застройкой), то есть в 10−20 раз. Рекомендуемые значения коррелируются с результатами исследований других авторов и, вместе с тем, более адекватно отражают реальные особенности функционирования газораспределительных систем с учетом многообразия системообразующих связей и факторов.

5. Разработана экономико-математическая модель обоснования рациональной области применения однои двухступенчатых систем газоснабжения сельских поселков. Как показывают конкретные расчеты, экономическая целесообразность применения альтернативных систем газоснабжения обусловливается, главным образом, структурой застройки населенного пункта и плотностью населения газоснабжаемой территории (площадью приусадебных участков). Одноступенчатые системы газоснабжения целесообразно использовать преимущественно в поселках с ленточной застройкой при площади приусадебных участков 4⁶ соток и более, а также в поселках с многорядной застройкой при площади приусадебных участков 15−30 соток и более. В остальных случаях целесообразно применение двухступенчатых систем газоснабжения в условиях их оптимальной централизации.

6. Внедрение результатов исследований в проектную и эксплуатационную практику снижает приведенные затраты в сооружение и эксплуатацию поселковых газораспределительных систем на 20−25% и на 2,5−5% снижает годовое газопотребление зданиями.