ТЭО СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

2.         ТЭО СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ.

 

Выбор оптимальной трассировки межпоселкового распределительного газопровода.

 

Выбор оптимального варианта трассы сводится к выявлению такого положения головной магистрали, при котором суммарная металлоемкость ответвлений к потребителям имеет минимальное значение. С математической точки зрения, задачи сводятся к нахождению уравнения прямой линии, расположенной на минимальном расстоянии от нескольких случайных точек.

Суть метода заключается в следующем. На генеральном плане местности наносится координатная сетка, на которой фиксируются координаты отдельных потребителей. Поскольку общая металлоемкость ответвлений прямо пропорциональна их суммарной длине и среднему диаметру, при выборе оптимального варианта трассировки головной магистрали необходимо учитывать не только количество и положение потребителей, но их нагрузки.

Для определения расчетных координат головной магистрали распределительного трубопровода используется следующее выражение:

y=a+b·x·G^m ,  (2.1.1)

где x, y – расчетные координаты магистрали;

a, b – искомые параметры прямой.

Задача заключается в нахождении наименьшей суммы квадратов отклонений расчетных значений координат по уравнению

, (2.1.2)

где n – количество ответвлений к потребителям;

x_i, y_i – заданные координаты потребителей.

Дифференцируя функцию S по искомым параметрам a и b и приравнивая полученные выражения к нулю, получаем систему следующего вида:

(2.1.3)

решая которую, находим a_opt, b_opt и оптимальную трассировку трубопровода:

В частном случае, когда нагрузки потребителей одинаковы, целевая функция задачи трансформируется в уравнение

 (2.1.4)

Нахождение искомых значений параметров аopt, вopt сводится к решению системы уравнения:

(2.1.5)

Необходимо найти оптимальную трассировку межпоселкового газопровода на четыре потребителя со следующими координатами:

x₁=2,5 км; y₁=8 км;

x₂=4,5 км; y₂=2,5км;

x₃=6,5 км; y₃=7,5 км;

x₄=10,5 км; y₄=7 км.

Нагрузки потребителей одинаковы.

Подставляя координаты в уравнение (2.1.5), получим

4a+b(2,5+4,5+6,5+10,5)-(8+2,5+7,5+7)=0

a(2,5+4,5+6,5+10,5)-b(2,5²+4,5²+6,5²+10,5²)-(2,5·8+4,5·2,5+6,5·7,5+10,5·7)=0

После преобразования имеем

4a+24b-25=0

24a+179b-153,5=0

откуда a_opt=5,65; b_opt=0,1.

Таким образом, оптимальное положение головной магистрали распределительного трубопровода определяется уравнением:

y_opt=5,65+0,1x

График полученной зависимости приведен в графической части курсовой работы.

Минимальное расстояние от потребителя до распределительной сети составляет 0,3 м, максимальное – 3,6 м.

Выбор оптимального количества очередей строительства ГРС.

 

Если строительство объекта осуществляется в течении года и в последующем выходит на проектную эксплуатацию с постоянным уровнем эксплуатационных расходов, годовые приведенные затраты определяются по формуле

З=Е_н·к+И , (2.2.1)

где З – приведенные затраты, руб/год;

Е_н – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год;

к – единовременные вложения в сооружение объекта, руб;

И – текущие издержки по эксплуатации объекта, руб/год.

В том случае, когда капитальные вложения осуществляются в течение нескольких лет, то есть распределены во времени, приведенные затраты определяются с помощью нормативного коэффициента приведения:

 , (2.2.2)

где З – суммарные приведенные затраты, руб;

t_сл – срок службы объекта;

к_t – капитальные вложения в t-том году, руб;

И_t – расходы по эксплуатации в t-том году (без отчислений на реновацию), руб;

α_t – коэффициент приведения разновременных затрат базисному году, определяемый по формуле

, (2.2.3)

где Е_нп – норматив приведения разновременных затрат, равный 0,08;

t – разность мужду годом приведения и базисным годом;

t_н – начальный год расчетного периода, определяемый началом финансирования строительства объекта.

В качестве базисного года принимается первый год эксплуатации объекта.

ГРС может быть построена сразу на полную мощность при сметной стоимости к₁=2850 тыс. рублей или в две очереди (вторая через 4 года) при сметной стоимости к₂=3762 тыс. рублей, в том числе затраты на первую очередь 1180 тыс. рублей. Переменная часть годовых эксплуатационных расходов составляет 5% от соответствующих капитальных вложений. Срок службы станции t_сл=25 лет. Необходимо определить экономически более целесообразный вариант строительства.

Расчетные затраты по вариантам определяем, используя формулу (2.2.2):

А) При строительстве ГРС в одну очередь

=2850+131,94+122,17+113,12+104,74+96,98+89,8+83,15+76,99+71,29+66+61,12+56,59+52,4+48,52+44,92+41,59+38,51+35,66+33,02+30,57+28,31+26,21+24,27+22,47+20,81=4371,13 тыс. руб.

Б) При строительстве ГРС в две очереди

=2280+1089,31+105,56+97,74+90,5+138,26+128,02+118,53+109,75+101,62+94,1+87,13+80,67+74,7+69,16+64,04+59,3+54,9+50,84+47,07+43,59+40,36+37,37+34,6+32,04+29,66+27,47=5186,28 тыс.руб.

Вывод: экономически целесообразным является строительство ГРС в одну очередь.

Определение оптимальной мощности и радиуса действия газорегуляторного пункта.

 

С увеличением радиуса действия ГРП (с уменьшением количества ГРП в жилом массиве) снижаются приведенные затраты по самим ГРП, а так же по распределительным сетям высокого давления. Вместе с тем возрастают затраты в распределительной сети низкого давления за счет увеличения их среднего диаметра. Под радиусом действия ГРП R подразумевают расстояние по прямой от ГРП до точки встречи потоков газа на границе между соседними ГРП. Выявим связь между радиусом действия ГРП R и радиусом действия газопровода Rr. Рассмотрим два варианта размещения ГРП на газоснабжаемой территории: шахматный и коридорный.

В качестве расчетной модели газоснабжаемой территории примем жилой массив с квадратной конфигурацией, с квадратными кварталами и кольцевыми сетями низкого давления.

— - газопровод низкого давления

→ - радиус действия ГРП

● - ГРП

---→ - радиус действия газопровода Rr.

- граница газоснабжаемой территории.

Рис. 2. Схемы размещения ГРС на территории населенного пункта.

Rr=R Rr=R

Rr=L*R L=1/ L=1,3.

Выявим связь между радиусом действия ГРП R, их количеством n и площадью газоснабжаемых территорий F.

R= L , (2.3.1)

L=½ .  (2.3.2)

Подставим (2.3.2) в (2.3.1).

 , (2.3.3)

. (2.3.4)

Капитальные вложения в ГРП определяются по формуле:

Кгпр = К' · n (2.3.5)

или с учетом (2.3.4)

Кгпр = К'гпр , (2.3.6)

где К'гпр – удельные капитальные вложения в один ГРП, руб.

Затраты по эксплуатации ГРП могут быть выражены в виде годовых отчислений от капитальных вложений.

И_грп=φ·К_грп (2.3.7)

Приведенные затраты в газорегуляторные пункты с учетом (2.3.6) и (2.3.7) определяются функцией:

Згпр = Е_н· Кгпр + Игпр = (Е_н + φ) К'гпр (2.3.8)

Определим расчетные затраты в сети низкого давления. Полагаем, что газопроводы работают в режиме гладких труб.

d=a·Q( , (2.3.9)

где d – диаметр газопровода, см;

а – коэффициент пропорциональности, зависящий от состава газа;

Q – расход газа по трубопроводу, м³/ч;

L – длина газопровода, м;

ΔΡ – потеря давления в газопроводе, Па.

Введем подстановку: d = dср; L = Rr = α·R; Q = Qср; ΔΡ = ΔΡн.

получим для среднего диаметра распределительных газопроводов низкого давления

dср= a·Qср, (2.3.10)

где ΔΡ_н – нормативный перепад давлений в уличных распределительных сетях, Па.

Полагаем, что газопроводы несут только путевую нагрузку, можно записать для среднего расхода газа:

Qср=0,55·q· Rr=0,55·q· R·α , (2.3.11)

где q – удельный путевой расход газа, м³/(ч м).

Численные значения указанного параметра определяются по формуле

, (2.3.12)

где ∑Q – максимальный часовой расход газа жилым массивом;

- суммарная протяженность уличных газопроводов низкого давления.

Подставив (2.3.11) в (2.3.10) и преобразуя полученное выражение, имеем

(2.3.13)

Удельные капитальные вложения в 1 м газопровода определяются по формуле:

К'н/д=а+в·d , (2.3.14)

где а,в – стоимостные параметры 1 м газопровода, руб/м;

d – диаметр газопровода, см.

Для подземных газопроводов низкого давления допускается применение упрощенной зависимости:

К'н/д ≈в·d (2.3.15)

Общие капитальные вложения в сети низкого давления:

Кн/д= К'н/д (2.3.16)

Расходы на эксплуатацию одного м подземного газопровода низкого давления определяются по формуле:

И'н/д= 0,033К'н/д+0,2 (2.3.17)

Суммарные расходы на эксплуатацию сетей низкого давления:

Ин/д= И'н/д· (2.3.18)

Или с учетом (2.3.13) и (2.3.15)

(2.3.19)

Приведенные затраты в сети низкого давления

Зн/д = Е_н· Кн/д + Ин/д =f(R) (2.3.20)

Определим затраты в сети высокого (среднего) давления. Изменение радиуса действия ГРП мало сказывается но общей конфигурации сети высокого (среднего) давления. В основном изменяется количество и протяженность ответвлений от ГРП к потребителю.

Суммарная протяженность ответвлений определяется количеством ГРП и их радиусом по формуле

 (2.3.21)

Капитальные вложения в сети среднего давления:

 (2.3.22)

или с учетом (2.3.15)

 , (2.3.23)

где d_ср – средний диаметр ответвлений, см.

Подставив в уравнение (2.3.23) уравнения (2.3.21) и (2.3.4) получим

 (2.3.24)

 Расходы по эксплуатации одного м газопровода среднего, высокого давления :

И'с/д=0,033Кс/д+0,5 (2.3.25)

Переменная часть эксплуатационных затрат по сетям высокого (среднего) давления

Ис/д = И'с/д (2.3.26)

или с учетом (2.3.15), (2.3.21) и (2.3.4)

(2.3.27)

Переменная часть приведенных затрат по сетям высокого (среднего) давления

Зс/д = Е_н· Кс/д + Ис/д (2.3.28)

Подставляя приведенные выражения в исходную целевую функцию получим:

З = Згпр + Зс/д + Зн/д =f(R) (2.3.29)

Для нахождения оптимального радиуса действия ГРП необходимо взять первую производную от затрат и приравнять ее к нулю.

В результате детальной проработки приведенных уравнений получится следующее выражение для оптимального радиуса действия ГРП:

 , (2.3.30)

где μ – коэффициент плотности сети низкого давления, 1/м;

q – удельная нагрузка сети низкого давления, м³/ч м.

На основании статистического анализа технико-экономических показателей реальных проектов газоснабжения предложены следующие расчетные уравнения:

, (2.3.31)

 , (2.3.32)

где m – плотность населения газоснабжаемой территории, чел/га;

l – удельный часовой расход газа на одного человека, м³/(ч чел);

ΣQ – максимальный часовой расход газа населенным пунктом, м³/ч;

F – площадь газоснабжаемой территории, га.

Положив в уравнении (2.3.30) b=0,55 руб/м см, получим с учетом (2.3.31) и (2.3.32):

(2.3.33)

При известном значении радиуса R_opt оптимальную нагрузку ГРП находим по формуле

(2.3.34)

Оптимальное количество ГПР:

  (2.3.35)

Определим оптимальный радиус действия, количество и оптимальную пропускную способность ГПР для систем газоснабжения со следующими исходными данными:

1.         Стоимость одного ГПР К’гпр =142500 руб.

2.         Нормируемый перепад давлений в уличных газопроводах низкого давления ΔΡн=1200 Па.

3.         Плотность населения m=684 ч/га.

4.         Удельный головной расход газа на отдельного человека l=0,08 м³/(ч чел).

5.         Площадь газоснабжаемой территории F=779 га.

Коэффициент плотности сети низкого давления:

μ=(75+0,3·684)10=280,2·10 1/м

Оптимальный радиус действия ГРП:

 м

Оптимальная пропускная способность 1 ГРП:

м³/ч.

Оптимальное количество ГРП:

 шт.

Оптимальный радиус действия 1555,3 м, оптимальная пропускная способность 26472,2 м³/ч и оптимальное количество – 2 штук.

Определение оптимальной мощности и радиуса действия газонаполнительной станции сжиженного газа.

 

Примем в качестве критерия оптимальности минимум удельных приведенных затрат по комплексу ГНС – потребитель:

З_гнс-п=З_гнс+З_а.т.+З_псг=min , (2.4.1)

где З_гнс – удельные приведенные затраты по ГНС, руб/т;

З_а.т – то же в доставку газа автомобильным транспортом, руб/т;

З_псг – то же в поселковую систему газоснабжения, руб/т.

Поскольку затраты в поселковые системы газоснабжения в сравниваемых вариантах остаются неизменными, примем в качестве целевой функции переменную часть удельных приведенных затрат:

З_гнс-п=З_гнс+З_а.т.=min (2.4.2)

Полагая, что потребители сжиженного газа распределены равномерно по всей территории, прилегающей к ГНС, можно записать:

 , (2.4.3)

где q – плотность газопотребления на территории, обслуживаемой станцией, т/(год км²);

N – мощность станции, т/год;

F - площадь газоснабжаемой территории, км².

Связь между мощностью станции и радиусом ее действия устанавливается уравнением:

 , (2.4.4)

где R₀ – радиус действия станции, км.

Доставка сжиженного газа с населенные пункты осуществляется:

·         по кратчайшему расстоянию от ГНС до потребителя (радиальная дорожная сеть);

·         по наиболее протяженному маршруту (прямоугольная дорожная сеть).

dR

a

R

a

R₀

Рис. 3. Расчетная схема доставки сжиженного газа потребителям.

При среднем варианте доставки продукта

l≈1,2R (2.4.5)

Удельные приведенные затраты в ГНС определяются по формуле:

 ,  (2.4.6)

где А – стоимостной параметр,, численное значение которого зависит от способа реализации сжиженного газа.

Удельные приведенные затраты в автомобильный транспорт сжиженного газа

 , (2.4.7)

где а и в – стоимостные параметры, руб/т, численные значения которых зависят от способа доставки сжиженного газа, дорожных условий и других обстоятельств.

Подставив (2.4.5) в (2.4.7) имеем

(2.4.8)

Прирост реализации сжиженного газа соответствует приращению радиуса газоснабжения на величину dR:

Согласно (2.4.8), переменная часть транспортных затрат составляет 1,2вR. Таким образом, общее приращение затрат по доставке сжиженного газа на всей территории, прилегающей к ГНС:

, (2.4.9)

где R₀ – радиус действия газонаполнительной станции, км, или в перерасчете на 1 т реализуемого газа по (2.4.4)

(2.4.10)

Подставив (2.4.10) в (2.4.8), имеем

(2.4.11)

Тогда с учетом (2.4.6) и (2.4.11) целевая функция задачи (2.4.2) примет следующий вид:

(2.4.12)

Выразим мощность станции через радиус ее действия по уравнению (2.4.4):

(2.4.13)

Для нахождения оптимального радиуса действия ГНС возьмем первую производную от целевой функции и приравняем ее к нулю:

(2.4.14)

откуда

(2.4.15)

а оптимальная мощность станции по (2.4.4) будет

(2.4.16)

Населенный пункт снабжают сжиженным газом от ГНС по следующей схеме:

·         85% квартир – от баллонных установок;

·         15% квартир – от резервуарных установок.

1.     Средняя плотность потребления газа на территории, обслуживаемой станцией q= 5 т/(год км²)_.

2.     Удельные экономические показатели баллонных систем газоснабжения А_б=3477000; в_б=16,017 руб/(Т км).

3.     Удельные экономические показатели резервуарных систем газоснабжения А_р=1858200; в_р=3,135 руб/(Т км).

Оптимальный радиус действия ГНС:

·            Для баллонного варианта

км

·            Для резервуарного варианта

км

При заданном соотношении баллонного и резервуарного газоснабжения

км

Оптимальная мощность станции:

тыс.т/год.

Заключение.

В результате технико–экономический расчетов, проведенных по критерию минимума приведенных затрат:

1. Обоснованы оптимальные технические решения и проектные разработки в области ТГС и В, получены оптимальные параметры технологического оборудования, систем и установок.

2. Изучено влияние фактора времени и неопределенности исходной информаций.

3. Проведена экономическая оценка полученных результатов и выявлена экономическая эффективность оптимизации.

Список литературы.

1.         Богуславский Л.Д. Экономика теплогазоснабжения и вентиляции. – М.: Стройиздат, 1988. – 351 с.

2.         Ионин А.А. Газоснабжение. – М.: Стройиздат, 1989 – 438 с.

3.         Ионин А.А., Хлынов Б.М., Братенков В.Н., Терлецная Е.Н. Теплогазоснабжение. – М. Стройиздат 1982 – 162 с.

4.         Курицын Б.Н. Оптимизация систем теплогазоснабжения и вентиляции .- Саратов: Издательство СГТУ, 1992 – 162 с.