Система газоснабжения как подсистема в топливно-энергетическом комплексе страны. Оптимизация газораспределительных систем при их проектировании и эксплуатации.

Газовая промышленность – быстроразвивающаяся и самая молодая отрасль топливной промышленности России. Отрасль занимается добычей, транспортировкой, хранением и распределением природного газа. Она является единственной отраслью, не испытавшей тяжелого экономического кризиса и спада производства. Производимая продукция отрасли – самое экологически чистое, высококалорийное топливо и ценное сырье для химической промышленности. Природный газ так же, как и нефть, используется как топливо и как сырье для химической промышленности. Наличие значительных разведанных запасов природного газа, дешевизна его добычи, транспортировки и использования способствуют развитию отрасли. Мировая добыча природного газа постоянно растет. В структуре топливного баланса России на газ приходится около 1/2 всей добычи топлива. В перспективе доля газа может еще более увеличиться. Добыча природного газа сконцентрирована в районах, располагающих наиболее крупными и хорошо освоенными месторождениями. Особенно выделяется Тюменская область Западной Сибири (90% общероссийской добычи), где расположены крупнейшие в стране и мире газовые и газоконденсатные месторождения — Уренгойское, Ямбургское, Медвежье, Заполярное и др. Велики объемы добычи на Урале в Оренбургской области на Оренбург-ском нефтегазоконденсатном месторождении. В небольших объемах природный газ добывают в Северном районе (Вуктыльское, Войвожское и др. месторождения), в Поволжье (Астраханское газоконденсатное месторождение и др.), на Северном Кавказе (Ставропольское, Березанское и др. месторождения), в Восточной Сибири, (Марковское месторождение и др.), на Дальнем Востоке в Якутии (Усть-Вилюйское месторождение). Перспективными являются месторождения полуострова Ямал и Гыданского полуострова (Бованенковское и Харасавейс-кое), шельфовой зоны Баренцева моря (Штокмановское, Мурманское, Северо-Кильдинское) и острова Сахалин. Добыча естественного газа в России в 2000г. составила 584 млрд. м3, в том числе природного газа – 555, а попутного – 29 млрд. м3. Газовая промышленность влияет на развитие российской экономики, ее экспортный потенциал и будущие возможности. Растет доля природного газа в топливно-энергетическом комплексе России. Этот рост обусловлен относительно низкой ценой газа по сравнению с мазутом и углем. В России до 60% электростанций работают на газе, только 20% - на угле, а остальные – атомные и гидроэлектростанции. Газовая промышленность России имеет ведущие показатели в мировой экономике. Основные ресурсы и запасы газа России сконцентрированы в Северном, Северо-Кавказском, Поволжском, Уральском, Западно-Сибирском, Восточно-Сибирском и Дальневосточном экономических районах. Начальные ресурсы газа с среднем разведаны на 24,7%, при этом изменение данного показателя по районам характеризуется от нулевых значений до 70-81%. Основные прогнозные ресурсы приходятся на Западную и Восточную Сибирь, Дальний Восток, шельф Карского, Баренцева и Охотского морей. В России действует единая система газоснабжения, включающая месторождения газа, сеть газопроводов, компрессорных станций, подземных хранилищ и других сооружений. В ее состав входит несколько региональных систем газоснабжения: Центральная, Поволжская, Уральская, многониточная система (4 магистрали) Сибирь-Центр. Сеть газопроводов охватывает не только районы европейской части, Урал и Западную Сибирь России, но и территорию республик бывшего Союза (Украины, Белоруссии, Казахстана, республик Закавказья и Средней Азии). Протяженность магистральных газопроводов на территории России - 149 тыс. км, а в границах бывшего СССР — более 220 тыс. км. Через систему магистралей газ поступает в страны Восточной и Западной Европы: Венгрию, Чехию, Словакию, Польшу, Болгарию, Румынию, Финляндию, Австрию, Германию, Францию и Италию. Газопроводы идут в основном из Западной Сибири в западном, юго-западном и северо-западном направлениях для газоснабжения юго-западных районов страны, стран ближнего и дальнего зарубежья. Главные из них: Уренгой — Москва, Уренгой — Помары - Ужгород (газопровод экспортного назначения), Ямбург - Москва, Ямбург - Западная граница («Про-гресс»). Сооружается газопровод «Ямал — Европа», открывающий возможность экспорта российского газа в обход Украины, через Белоруссию и Польшу. Намечается строительство газопровода в Турцию (от газопровода Ямбург-Краснодарский край с участком по дну Черного моря) и др. В восточном направлении газопроводы идут из Тюменской области до Новосибирска, Прокопьевска (Кемеровской области).

Основным предприятием, занимающимся добычей и транспортировкой газа в России, является АО «Газпром». Оно обеспечивает работу единой системы газоснабжения. «Газпром» - самая крупная в мире газодобывающая компания, производящая 8% ВВП России, обеспечивающая поставку 20% всего потребляемого в мире газа. Благодаря надежной сырьевой базе, созданной в газовой промышленности, многие годы она может развиваться за счет уже открытых месторождений. К сдерживающим факторам развития газовой промышленности относятся:  трудности транспортировки газа (ограниченные возможности поставки труб большого диаметра, газоперекачивающих агрегатов большой мощности и специальной арматуры);  все большее продвижение отрасли на север, где природные условия имеют экстремальный характер;  недостаточное количество подземных газохранилищ для регулирования сезонной и суточной неравномерности потребления и повышения надежности системы газоснабжения, а также переработка газа в целях получения наиболее легких жидких фракции для моторного топлива (бензин) и сырья для химической промышленности. Большая часть добытого газа потребляется промыш-ленностью и идет на удовлетворение коммунальных нужд населения страны. В значительном количестве газ экспортируется (до 200 млрд. куб. м в год). Основными потребителями российского газа в странах бывшего Советского Союза являются Украина (до 75% от объема поставок в страны СНГ) и Белоруссия, в Европе - Германия (до 30% экспортных поставок в страны дальнего зарубежья), Италия, Франция. На природный газ возлагаются большие надежды как на наиболее дешевое высокоэкологическое топливо в период подготовки к переходу на более широкое использование альтернативных нетрадиционных видов электроэнергии (ветра, солнца, приливов, внутреннего тепла земли).

Стоимость строительства газораспределительных сетей зависит от множества таких параметров, как: стоимость трубопровода, тип разрабатываемого грунта, ширина и глубина траншеи, материал трубопроводов и т. д. Наиболее ярко зависимость капитальных затрат на строительство сети прослеживается от ее диаметра. Для городских газопроводов толщина стенки трубы всегда бывает больше величины, необходимой по условию прочности, поэтому стоимость городских газопроводов практически не зависит от давления газа. Стоимость земляных работ в меньшей степени зависит от диаметра труб, чем стоимость газопровода, а глубина его укладки вообще очень слабо зависит от диаметра. Для определения зависимости стоимости газопровода от диаметра труб составляют сметы на строительство газопроводов разных диаметров при различных условиях прокладки. Эксплуатационные издержки для городских систем газоснабжения складываются из следующих основных частей: 1) амортизационных отчислений, включая расходы на капитальный ремонт; 2) расходов на текущий ремонт и обслуживание. Амортизационные отчисления, расходы на текущий ремонт и обслуживание определяют как долю от капиталовложений. Расходы по текущему ремонту и обслуживанию городских газовых сетей в основном зависят от протяженности газопроводов и в незначительной степени от их диаметра. ГРП (газорегуляторный пункт)-комплекс технологического оборудования и устройств, предназначенный для понижения входного давления газа до заданного уровня и поддержания его на выходе постоянным независимо от расхода газа. Число ГРП для питания газом сетей низкого давления значительно влияет на размер капиталовложений на газификацию города. При увеличении числа ГРП уменьшаются расчетные диаметры газопроводов низкого давления и в связи с этим уменьшаются металловложения и стоимость сетей низкого давления. Одновременно с ростом числа ГРП повышается стоимость самих ГРП, а также сети среднего или высокого давления, которая питает эти пункты, так как увеличивается ее протяженность. Оптимальное число ГРП соответствует минимуму суммарных капиталовложений и эксплуатационных расходов в систему газоснабжения, т. е. минимуму приведенных затрат. В работах П. М. Гофмана-Захарова [5], С. А. Маркова [4], А. А. Ионина [6] для выбора оптимального числа ГРП предлагается расчетно-аналитический метод. В основу этого метода заложена теоретическая модель газовой сети с правильными квадратными кварталами одинакового размера, с равномерной плотностью газопотребления на всех участках газопроводов. П. М. Гофман-Захаров рекомендует определять оптимальное число ГРП по радиусу их действия в зависимости от удельной нагрузки в сетях низкого давления. Для схематической симметричной газовой сети можно допустить с некоторой погрешностью, что между средними расходом газа и диаметром сети низкого давления существует следующая связь: В дальнейшем расчет ведется по минимуму суммарной стоимости строительства ГРП и газопроводов: где –стоимость строительства, тыс. руб., всех ГРП, газопроводов низкого давления и одного ГРП; Недостатком данного метода оптимального числа ГРП на газовых сетях низкого давления, является то, что не учитываются изменения средней длины участка сети низкого давления, которая практически изменяется в немалом диапазоне (приблизительно от 50 до 150–300м), а также средней стоимости участков газопроводов среднего или высокого давления, подводящих газ к ГРП. В 1957 г. В. М. Калиной [4] был предложен способ расчета оптимального числа ГРП по оптимальной нагрузке на один ГРП, позволяющий определить также конструкцию ГРП и стоимость строительства: , где ; B — разница стоимости сооружения газопроводов диаметром 200 и 100 мм на 1 км, тыс.руб.; q — удельный расход газа на 1 м газопровода низкого давления, м3/ч; lср — средняя длина участка сети, м, определяемая путем деления общей длины газопроводов на число участков. Для определения оптимальной нагрузки на один ГРП формула имеет вид: . Данный способ приемлем для идеализированной схемы, где ГРП размещают в шахматном порядке, а ответвления от ГРП-правильными рядами. Вывод: из изложенного видно, что расчетно-аналитический метод позволяет выбрать оптимальное число ГРП без вариантных гидравлических расчетов сетей. Трудоемкость расчета при этом минимальная. Но, с другой стороны, расчетно-аналитический метод в силу целого ряда положенных в его основу допущений и упрощений может давать значительные погрешности. Во всяком случае этот метод совершенно не учитывает ни местных особенностей каждого города (его планировки),ни особенностей распределения нагрузок газопотребления в каждом конкретном случае, не говоря уже о существующей погрешности исходной информации в стадии проектного решения. А. М. Левин [3] и В. А. Смирнов [1] для определения оптимального числа ГРП на газовых сетях низкого давления применяют метод предварительного расчета одного варианта газопровода. В отличие от ранее описанных способов, при использовании метода предварительного расчета, во-первых, средний расход газа при любом радиусе действия определяется через заранее подсчитанный средний расход при произвольно выбранном радиусе действия и, во-вторых, металловложения в газопроводы также рассчитываются через известное для радиуса действия ГРП R. В работе А. М. Левина оптимальное число ГРП определяется по минимуму суммарных капиталовложений в газопроводы и ГРП: где , рассчитанное для некоторого числа ГРП 1;r-условная стоимость единицы массы металла.) Разработанный А. М. Левиным метод определения оптимального числа ГРП с предварительным расчетом одного варианта газовой сети позволяет в какой-то мере учесть местные особенности схемы газоснабжения города (так как требует предварительного просчета газовой сети при некотором числе ГРП, равном n1), конфигурацию и планировку жилых кварталов, характер распределения нагрузок и т. п. Однако, в данном способе не учитываются годовые эксплуатационные расходы на обслуживание ГРП и сети, а также стоимость строительства газопроводов среднего или высокого давления, подводящего газ к ГРП. Все описанные методы определения оптимального числа ГРП на газовых сетях низкого давления игнорируют фактически существующую погрешность исходной информации, которая вносит существенные поправки в принимаемые решения. Вследствие этого приведенные детерминированные расчеты являются мнимо точными. Таким образом, задача оптимизации газовых сетей сводится к оптимальной трассировке газопроводов и выбору оптимального положения и количества ГРП. Необходимо разработать инженерную методику выбора количества и расположения сетевых ГРП, лишенную выше перечисленных недостатков.

10 Газораспределительные сети. Общая характеристика газовых систем и систем распределения газа.

Газораспределительной сетью называют систему трубопроводов и оборудования, служащую для транспорта и распределения газа в населенных пунктах.

аз в газораспределительную сеть поступает из магистрального газопровода через газораспределительную станцию. В зависимости отдавления различают следующие типы газопроводов систем газоснабжения:

- высокого давления (0,3...1,2 МПа);

- среднего давления (0,005...0,3 МПа);

- низкого давления (менее0,005 МПа).

В зависимости от числа ступеней понижения давления в газопроводах системы газоснабжения населенных пунктов бывают одно-, двух- и трехступенчатые:

1) одноступенчатая (рис. 16.5 а) - это система газоснабжения, при которой распределение и подача газа потребителям осуществляются по газопроводам только одного давления (как правило, низкого); она применяется в небольших населенных пунктах;

2) двухступенчатая система (рис. 16.5 б) обеспечивает распределение и подачу газа потребителям по газопроводам двух категорий: среднего и низкого или высокого и низкого давлений; она рекомендуется для населенных пунктов с большим числом потребителей, размещенных на значительной территории;

3) трехступенчатая (рис. 16.5 в) - это система газоснабжения, где подача и распределение газа потребителям осуществляются по газопроводам и низкого, и среднего и высокого давлений; она рекомендуется для больших городов.

Рисунок 16.5 - Принципиальные схемы газоснабжения населенных пунктов:

а – одноступенчатая; б – двухступенчатая; в – трехступенчатая;

1 – отвод от магистрального газопровода; 2 – газопровод низкого давления; 3 - газопровод среднего давления; 4 – газопровод высокого давления;

ГРС – газораспределительная станция; ГРП – газораспределительный пункт; ПП – промышленное предприятие

При применении двух- и трехступенчатых систем газоснабжения дополнительное редуцирование газа производится на газорегуляторных пунктах (ГРП).

Газопроводы низкого давления в основном используют для газоснабжения жилых домов, общественных зданий и коммунально-бытовых предприятий. Газопроводы среднего и высокого (до 0,6 МПа) давлений предназначены для подачи газа в газопроводы низкого давления через городские ГРП, а также для газоснабжения промышленных и крупных коммунальных предприятий. По газопроводам высокого (более 0,6 МПа) давления газ подается к промышленным потребителям, для которых это условие необходимо по технологическим требованиям.

По назначению в системе газоснабжения различают распределительные газопроводы, газопроводы-вводы и внутренние газопроводы. Распределительные газопроводы обеспечивают подачу газа от источников газоснабжения до газопроводов-вводов.Газопроводы-вводы соединяют распределительные газопроводы с внутренними газопроводами зданий. Внутренним называют газопровод, идущий от газопровода-ввода до места подключения газового прибора, теплоагрегата и т.п.

По расположению в населенных пунктах различают наружные (уличные, внутриквартальные, дворовые, межцеховые, межпоселковые) и внутренние (внутрицеховые, внутридомовые) газопроводы.

По местоположению относительно поверхности земли различают подземные и надземные газопроводы.

По материалу труб различают газопроводы металлические (стальные, медные) и неметаллические (полиэтиленовые, асбоцементные и др.).

Подключение и отключение отдельных участков газопроводов и потребителей газа осуществляют с помощью запорной арматуры - задвижек, кранов, вентилей. Кроме того, газопроводы оборудуют следующими устройствами: конденсатосборниками, линзовыми или гибкими компенсаторами, контрольно-измерительными пунктами и т.п.