Моделирование и обоснование рациональных поселковых систем газоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Иванов, Антон Александрович

• Иванов, Антон Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Антон Александрович

Введение

1 Состояние вопроса и научные предпосылки к реализации задачи диссертационных исследований

1.1 Современное состояние и перспективы развития газификации сельской местности Российской Федерации

1.2 Ретроспективный анализ развития распределительных систем газоснабжения населенных пунктов Российской Федерации

1.3 Анализ литературных источников и научные предпосылки к реализации задачи диссертационных исследований 15 Выводы

2 Экспериментальные исследования тепловой эффективности бытовых газоиспользующих установок в условиях динамики давления газа перед прибором

2.1 Коэффициент полезного действия бытовых газоиспользующих установок

2.2 Общие методические предпосылки к проведению экспериментальных исследований

2.3 Описание экспериментальной установки и методика проведения исследований

2.4 Анализ результатов экспериментальных исследований и оценка погрешности экспериментальных данных

2.5 Обобщение и теоретическая аппроксимация результатов экспериментальных исследований 43 Выводы

3 Оптимизация поселковых систем газоснабжения с индивидуальными шкафными газорегуляторными установками 46 3.1 Обоснование располагаемого перепада давлений в распределительных газопроводах шкафных газорегуляторных установок

3.2 Оптимизация потерь давления в распределительных газопроводах от индивидуальных шкафных газорегуляторных установок

3.3 Определение расчетных расходов газа жилыми зданиями усадебного (коттеджного) типа

3.4 Выбор оптимальной потери давления в поселковых системах газоснабжения с индивидуальными ШГРП 66 Выводы 80 4 Сравнительная эффективность распределительных систем газоснабжения сельских поселков на базе шкафных ГРП

4.1 Разработка экономико-математической модели одноступенчатых систем газоснабжения с домовыми регуляторами давления

4.2 Разработка экономико-математической модели двухступенчатых систем газоснабжения сельских поселков на базе шкафных газорегуляторных установок

4.3 Выбор рациональной области применения одно- и двухступенчатых систем газоснабжения сельских поселков 99 Выводы 107 Энергоэкономическая эффективность результатов исследований 109 Общие выводы 112 Список использованных источников 115 Приложение А 126 Приложение Б

Принятые условные обозначения - длина газопровода, м; d - диаметр газопровода, см; т — расход нагреваемой воды, кг/ч; V - объём газа, измеряемый счетчиком, м , ( расход газа по трубопроводу, м /ч); В - расход газа аппаратом, м /ч; Р - давление газа, Па; Т — время, ч; Q — теплотворная способность газа, МДж/м3; t — температура газа (воды), °С; г] — коэффициент полезного действия, %; 3 — годовые приведенные затраты, руб/год; а - стоимостной коэффициент газопровода, руб/(год-м); Ъ -стоимостной коэффициент газопровода, руб/(год-см-м); С - удельная стоимость газа, руб/м ; Т - годовая стоимость расходуемого топлива, руб/год; с — массовая теплоёмкость воды, кДж/кг, °С; в - проводимость аппарата, м3/(ч-Па0,:>); а -коэффициент пропорциональности; г — продолжительность работы газоисполь-зующей установки, ч/год; п - количество газифицированных квартир (зданий), шт.; S - коэффициент заселенности квартир, чел/кв.; q - плотность населения газифицированной территории, чел/м

Буквенные индексы

ШГРП- шкафной газорегуляторный пункт; н — низшая; в — верхний; б - барометрическое; ном — номинальное; приб - прибор; тах — максимальное; min — минимальное; рег - регулируемое; ср - среднее; сч — счетчик; р — расчетная;

ПЗК - предохранительный запорный клапан;

ИСК - предохранительный сбросной клапан;

Р — располагаемый; час — часовой; о/п — отопительная печь; г/п — газовая плита; к — котел; год — годовой;

ОСГ— одноступенчатая система газоснабжения;

ДСГ— двухступенчатая система газоснабжения;

ГС — газовая сеть;

С/Д - среднее давление;

Н/Д — низкое давление;

ДР - домовый регулятор;

ГМ- головная магистраль;

ОТВ - ответвление;

ВГ— внутридомовые газопроводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 задач -достижения 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 одно- и 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 одно- и 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 одно- либо 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-03321549-005-2010.

На защиту выносятся:

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

2) математическая модель обоснования одно- и 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».

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Иванов, Антон Александрович

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 одно- и 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 одно- и 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 4^6 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Антон Александрович, 2011 год

1. 1-й Российский конгресс по газораспределению и газопотреблению. 30 мая 2 июня 2006. - Санкт-Петербург: ЗАО «ФАРЭКСПО». - 2006. -176с.

2. Абдурашитов С.А., Тупиченков A.A., Рагимов А.Р. Проектирование газоснабжения сельских районов АзССР// Газовая промышленность, 1968. -№1. С. 33-35

3. Багдасаров В.А. Внутридомовые газовые сети и оборудование. Изд. 2-е перераб. и доп. JL: «Недра», Ленингр. Отделение. — 1974. - 152с.

4. Баясанов Д.Б. Автоматическое регулирование и управление в городских газовых сетях. М.: Стойиздат. 1970. - 192с.

5. Баясанов Д.Б., Ионин A.A. Распределительные системы газоснабжения. -М.: Стройиздат. 1977. - 407с.

6. Берхман Е.И. Экономика систем газоснабжения. JL: Недра. - 1975. -375с.

7. Богуславский Л.Д. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат. - 1990. - 624с.

8. Брюханов О.Н. Газоснабжение: учеб. пособие/ О.Н. Брюханов, В.А. Жила, А.И. Плужников. М.: ИЦ «Академия». - 2008. - 448с.

9. Брюханов О.Н., Кузнецов В.А. Газифицированные котельные агрегаты. — М.: ИНФРА-М. 2005. - 392с.

10. Герчиков C.B., Докукина Е.В. Определение расчетных перепадов давлений до нулевых точек в газовой сети с несколькими ГРП// Использование газа в народном хозяйстве. Саратов: Коммунист. - 1965. - С. 50-56.

11. Голик В.Г., Курицын Б.Н. Технико-экономическое обоснование систем газоснабжения. Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та. - 1997. - 82с.

12. Горелов С.А., Гориянов Ю.А. Сооружение и реконструкция распределительных систем газоснабжения. М.: ООО «Недра-бизнесцентр». - 2002. - 294с.

13. ГОСТ Р 51847-2001 Аппараты водонагревательные проточные газовые бытовые типа А и С. Общие технические условия. — М.: Госстандарт России.^- 2001. 26с.

14. ГОСТ 20219-74 Аппараты отопительные газовые бытовые с водяным контуром. Технические условия. М.: Издательство стандартов. — 1974. — 25с.

15. ГОСТ Р 50696-2006 Национальный стандарт Российской Федерации. Приборы газовые бытовые для приготовления пищи. Общие технические требования и методы испытания М.: Стандартинформ. - 2006. - 106с.

16. ГОСТ 16569-86 Устройства газогорелочные для отопительных бытовых печей. Технические условия. М.: Издательство стандартов. - 1986. -17с.

17. Гофман-Захаров П.М. О технико-экономических предпосылках построе1.ния газоразводящих систем низкого давления// Газовая промышленность. №11. 1956.-С. 22-28.

18. Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства. М.: Недра. - 1972. - 376с.

19. Ионин A.A. Газоснабжение. М.: Стройиздат. - 1989. - 439с.

20. Ионин A.A. Горелки для сжигания газа. М.: Изд-во МКХ РСФСР. -1951. -108с.

21. Ионин A.A., Фастов Л.М. Технико-экономическое обоснование систем промышленного газоснабжения. В сб.: Экономика, организация и управление в газовой промышленности. - Л.: Недра. - 1972. №10

22. Иссерлин A.C. Газовое отопление. Л.: Недра. - 1971. - 136с.

23. Иссерлин A.C. Газовые горелки. Л.: Недра. - 1973. - 192с.

24. Иссерлин A.C. Основы сжигания газового топлива. JL: Недра. - 1980. -271с.

25. Иссерлин A.C. Условия устойчивой работы инжекционных газовых горелок// Газ. пром-ть, №5. 1962. - С. 25-31.

26. Иссерлин A.C., Певзнер М.И. Теория и практика сжигания газа. Л.: Недра. - 1975. - 552с. •

27. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. — М.: Наука. -1970. -104с.

28. Красовский Б.М. Расчет кольцевых распределительных газопроводов с предварительным назначением узловых давлений// Газовая промышленность. №10. 1962. - С. 24-27.

29. Кряжев Б.Г., Дудин И.В., Мерлин А.Е. Справочник для работников газовых служб в сельском хозяйстве. — М.: Недра. 1986. - 320с.

30. Кузьмин П.А., Иссерлин A.C. Характеристика работы инжекционных газовых горелок по данным экспериментальных исследований. Л.: Гос-топтехиздат. - 1959. - С. 49-70.

31. Куприянов М.С. Рациональные системы газоснабжения городов. М.: Стройиздат. 1971. — 145с.

32. Курицын Б.Н., Медведева О.Н. К вопросу оптимизации расчетных перепадов давления между участками газовой сети// Специализированный журнал «Газ», №2, 2006. Саратов: ООО «Газ-медиа». - С. 26-28.

33. Курицын Б.Н., Медведева О.Н. Оптимизация распределительных систем газоснабжения малых населенных пунктов// Научно-технический журнал Инженерные системы, АВОК Северо-Запад, №3, Санкт-Петербург: НПСЗ Центр АВОК. - 2006. - С. 36-40.

34. Курицын Б.Н., Медведева О.Н., Иванов A.A. Влияние давления газа на эффективность его использования// Приволжский научный журнал. — Н.Новгород: ННГАСУ. 2009. №3 (11). - С. 65-69.

35. Кутателадзе С.С. Моделирование теплоэнергетического оборудования / Кутателадзе С.С., Ляховский Д.Н., Пермяков В.А. М.; JL: Энергия. -1966. - 350 с. - Библиогр.: - С. 342-347.

36. Кучин Б.Л. Научно-техническое прогнозирование развития систем газоснабжения. М.: Недра. — 1987. 255с.

37. Лебедев В.И., Хаванов П.А. Расчет и проектирование теплогенерирую-щих установок систем теплоснабжения. — М.: Стройиздат. 1992. - 360с.

38. Левин A.M. Исследование процессов распределения и сжигания газа в городских системах газоснабжения. Автореферат дис. М. - 1967. - 34с.

39. Левин A.M. Определение оптимального количества ГРП на газовых сетях низкого давления// Новое в эксплуатации и проектировании газового хозяйства городов. Киев: Гостехиздат УССР. - 1956. - С. 99-109.

40. Левин A.M. Принципы рационального сжигания газа. Л.: Недра. - 1977.- 277с.

41. Левин A.M. Расчетные режимы давления газа в сетях низкого давления. -Газовая промышленность. 1956, №4. - С. 24-30.

42. Левин A.M., Смирнов В.А. Расчет газовых сетей на минимум металла. -Газовая промышленность. — 1966. — С. 28-32.

43. Ляуконис А.Ю. Оптимизация городского газоснабжения. Л.: Недра. -1989.-302с.

44. Манушин А.К. Испытание котельных установок, работающих на газообразном топливе. -М.: Стройиздат. 1961. - 70с.

45. Марков С.А. Определение экономических параметров городских газовых сетей. Киев: Госстройиздат УССР. — 1960. — 62с.

46. Медведева О.Н., Обидина E.B. Технико-экономическая оптимизация перепадов давления тупиковых газовых сетей// Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: Сб.научн.трудов. — Саратов: изд-во СГТУ. — 2008. С. 78-85.

47. Мешков В.В. Расчет инжекционных газовых горелок. Саратов: ОАО «Приволжское книжное издательство». - 2006. - 40с.

48. Михеев В.П. Сжигание природного газа в промышленных установках — JL: Гостоптехиздат. 1962. - 232с.

49. Михеев В.П., Медников Ю.П. Сжигание природного газа. Л.: Недра. -1975.-392с.

50. Пелипенко В.П. Бытовые газовые плиты Тольятти: ТГУ. - 2007. - 48с.

51. Преображенский Н.И. Контроль за рациональным использованием газа. -Л.: Недра.- 1983.-368с.

52. Равич М.Б. Упрощенная методика тепловых расчетов. М.: Наука. -1966.-407с.

53. Равич М.Б. Эффективность использования топлива. М.: Наука. - 1977. -344с.

54. Ревин А.И., Адинсков Б.П. Регулирующее и предохранительное оборудование для современных систем газоснабжения Саратов: СГУ. - 1989. -136с.

55. Рекомендации по выбору оптимальных параметров при проектировании систем газоснабжения. — Саратов: Гипрониигаз. 1993. — 58с

56. Рекомендации по проектированию и строительству систем газоснабжения малых и средних городов и населенных пунктов сельской местности. -Саратов: Гипрониигаз. 1985. - 144с.

57. Рыпс Г.С. Экономические проблемы распределения газа. Л.: Недра. -1978.-231с.

58. Сафронова И.П. Эффективная схема газораспределения// Полимергаз. -1998. -№2.-С. 35-36.

59. Скафтымов М.А. Основы газоснабжения. Л.: Недра. - 1975. - 343с.

60. Смирнов А.П. Использование газообразного топлива в отопительных печах. М.: Стройиздат. - 1964. - 108с.

61. Смирнов В.А. Оптимальные перепады давления в газопроводах// Использование газа в народном хозяйстве. — Саратов: Коммунист. 1965. - С. 26-33.

62. Смирнов В.А. Расчет на минимум капиталовложений городских газовых сетей// Использование газа в народном хозяйстве. — Саратов: Коммунист.- 1965.-С. 57-63.

63. Смирнов В.А. Технико-экономическое обоснование схем газоснабжения.- М.: Стройиздат. 1964. - 220с.

64. Смирнов В.А., Адская И.Н. Оптимальное распределение перепадов давления в закольцованных сетях низкого давления// Использование газа в народном хозяйстве. — Саратов: Коммунист. — 1962.

65. Смирнов В.А., Ляхова Р.П. Оптимальные перепады давления в газопроводах. В кн.: Использование газа в народном хозяйстве. - Саратов: Коммунист. - 1965. - С. 26-33.82,83.84,85,86,87,88,89,90