УДК 621.644.01
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический
университет имени », Россия, Саратов,
к. т.н., доцент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция,
водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика»
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический
университет имени », Россия, Саратов,
аспирант
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический
университет имени », Россия, Саратов,
магистрант
ОПТИМИЗАЦИЯ МЕЖПОСЕЛКОВОГО ТРАНСПОРТА ГАЗА
Аннотация. Все чаще при составлении схем газоснабжения населенных пунктов возникает необходимость в определении оптимальных параметров систем межпоселкового распределения газового топлива. К таким параметрам можно отнести: оптимальное количество сел, подключаемых к одной газораспределительной станции, ее оптимальное размещение, оптимальную трассировку межпоселкового газопровода на плане газоснабжаемой территории, количество отводов от межпоселкового газопровода, места их врезки и т. д. В настоящее время указанные параметры систем газоснабжения определяются, как правило, вариантными расчетами, либо принимаются произвольно.
Ключевые слова: система газоснабжения, оптимизация, газораспределительная станция, газопровод.
Medvedeva Oksana Nikolaevna
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education
«Yuri Gagarin State Technical University of Saratov», Russia, Saratov,
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department
of «Heat, ventilation, water supply and applied fluid dynamics»
Gmurov Aleksandr Vyacheslavovich
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education
«Yuri Gagarin State Technical University of Saratov», Russia, Saratov,
Postgraduate student
Kapustina Mariya Aleksandrovna
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education
«Yuri Gagarin State Technical University of Saratov», Russia, Saratov,
undergraduate
THE OPTIMIZATION OF INTER-SETTLEMENT TRANSPORT
OF NATURAL GAS
Annotation. Increasingly, in the preparation schemes of gas supply of settlements is necessary to determine the optimal parameters of the distribution systems of inter-settlement gas fuel. These parameters include: the optimal number of villages to be connected to a gas distribution station, the optimal placement of the gas distribution station, the optimum tracing gas pipelines on the territory of the gas supply, the number of taps of the gas pipelines, where they tie, etc. Currently, these parameters of gas supply systems are determined, as a rule, alternative calculations or are randomly selected.
Keywords: gas supply system, optimization, distribution station, gas pipeline.
Проблема оптимального развития и функционирования газотранспортной системы не раз затрагивалась на страницах отечественной и зарубежной литературы. История вопроса в России и СССР насчитывает более 40 лет научных исследований, изысканий и разработок ученых и специалистов газовой промышленности. Основные разработки по данной тематике выполнены в период 1960-1980-х годов. Работы велись в учреждениях и филиалах АН СССР: в Иркутске (СЭИ), в Москве (ИКТЭП и ИНЭИ), в Киеве (ИПМЭ), в Харькове (УкрНИИгаз); а также в вузах, отраслевых научно-исследовательских институтах (ВНИИЭГАЗПРОМ, ВНИИГАЗ, ВНИПИТРАНСГАЗ) и других научных и проектных организациях. Большинство задач были решены укрупненно, без учета многочисленных вариантов и особенностей систем газоснабжения, были выполнены в других экономических условиях и не могут отвечать используемой в настоящее время оценке экономической эффективности газораспределительных систем.
Сельские населенные пункты занимают важное место в социально - экономической структуре страны, обусловленное специфическими особенностями производственной и аграрной деятельности населения и социально-историческим развитием. Опорным пунктом межпоселковых систем газоснабжения являются газораспределительные станции (ГРС), которые получают природный газ от магистрального газопровода-отвода. При большом количестве населенных пунктов, требующих обеспечения природным газом, и их значительном рассредоточении определение рационального местоположения ГРС требует проведения предварительных технико-экономических исследований.
С увеличением радиуса действия станции (с увеличением количества населенных пунктов, подключаемых к ГРС) снижаются удельные затраты в сооружение и эксплуатацию ГРС. Вместе с тем, возрастают удельные затраты в сооружение и эксплуатацию межпоселковых газопроводов, а также газопроводов-отводов вследствие увеличения их протяженности и диаметра [1].
В качестве целевой функции задачи рассматривались удельные (на 1 человека газифицируемого населения) дисконтированные затраты по технологической цепочке: газопровод-отвод – газораспределительная станция – межпоселковый газопровод. Для наиболее распространенного в газовой практике радиально-лучевого варианта трассировки межпоселковых газопроводов (рис. 1) оптимальный радиус действия станции определится по выражению 1:
, (1)
где 
− средняя численность жителей в населенном пункте, чел; 
− плотность сельского населения, чел/км2.
Рис. 1. Расчетная схема задачи:
- газопровод-отвод; - газораспределительная станция;
- межпоселковый газопровод; - населенный пункт
Оптимальное количество населенных пунктов, подключаемых к одной ГРС:
. (2)
Как показывает анализ результатов конкретных расчетов, оптимальная централизация межпоселковых систем газоснабжения изменяется в широких пределах в зависимости от плотности населения газоснабжаемой территории и численности населенных пунктов. Так, например, при плотности населения 
10 чел/км2 и численности населенных пунктов 
=100 человек оптимальный радиус действия станции составляет 
= 5,9 км. В то же время, при 
2 чел/км2 и 
=1000 человек, оптимальный радиус действия станции 
= 21,9 км, то есть изменяется в 3,7 раза. Аналогично изменяется и оптимальное количество населенных пунктов, снабжаемых газом от одной ГРС. При 
10 чел/км2 и 
= 100 человек имеем 
= 11 сел, в то время, как при 
2 чел/км2 и 
=1000 человек оптимальное количество населенных пунктов составляет 
= 3 села, то есть изменяется в 3,7 раза [1]. Таким образом, при разработке проектов межпоселковых систем газоснабжения следует руководствоваться следующими соображениями: к одной газораспределительной станции необходимо подключать в среднем 4-5 сел при допустимом диапазоне централизации от 3 сел (при повышенной плотности населения и пониженной численности населенных пунктов) до 11 сел (при пониженной плотности населения и повышенной численности населенных пунктов) [2].
Для определения оптимального местоположения ГРС была составлена специализированная программа. Целевая функция задачи − дисконтированные затраты в строительство и эксплуатацию межпоселковых газопроводов 
. Оптимальному решению соответствует условие минимума:
, (3)
где 
− приведенные затраты в строительство и эксплуатацию 
го межпоселкового газопровода, руб/год.
Сравнительный анализ предлагаемой методики определения оптимального местоположения газораспределительной станции с реальными проектами показывает снижение годовых приведенных затрат в систему газораспределения на 15 и более процентов.
После определения оптимального количества населенных пунктов, снабжаемых газом от одной ГРС, и ее оптимального местоположения можно приступать к расчету оптимальных схем распределения газа между ГРС и населенными пунктами (потребителями газового топлива). Целевая функция задачи представляет собой дисконтированные затраты в сооружение головной магистрали и ответвлений [3, 4]:
(4)
Для решения предлагаемой задачи математические модели с помощью физико-математического пакета Mathcad с включенной системой искусственного интеллекта SmartMath в сочетании с языком программирования Си-Шарп была составлена программа, позволяющая получить уравнение оптимальной трассировки газопровода и оптимальных значений давлений по участкам сети (давления в точках врезки ответвлений). Дополнительный программный модуль позволяет получить визуальную схему трассы газопровода на плане газоснабжаемой территории.
Наряду с радиально-лучевым вариантом трассировки межпоселковых газопроводов отдельные потребители газа, расположенные на соседних лучевых газопроводах, целесообразно подключать по радиально-тупиковой схеме. Наличие комбинированной (радиально-лучевой (РЛ) и радиально-тупиковой (РТ)) схемы трассировки межпоселковых газопроводов существенно изменяет общую конфигурацию газораспределительных сетей и оптимальное местоположение газораспределительной станции. Замена нескольких лучей на один радиально-тупиковый целесообразна из-за экономии затрат [5]. Первоначально радиально-тупиковый вариант принимается при оптимальной трассировке и оптимальных диаметрах. Затем радиально-тупиковый газопровод сводится к радиально-лучевому варианту с одним потребителем из условия:
,
, (5)
. (6)
Протяженность газопровода определится по формуле:
, (7)
где 
- координаты ГРС и населенного пункта, соответственно.
(8)
После определения искомых параметров получаем новый радиально-лучевой вариант схемы и находим новую посадку ГРС. Этот итерационный процесс повторяется до тех пор, пока следующий шаг итерации уточняет решение не более чем на 2ч3 % по приведенным затратам. Для определения координат ГРС использовался метод Ньютона. Устанавливаемая трасса будет характеризоваться оптимальным соотношением между протяженностью газопровода и его диаметром. Для облегчения повторяющихся расчетов предполагается составить программу для ЭВМ.
Внедрение результатов исследований в инженерную практику позволит повысить качество проектных разработок, снизить расход материальных и денежных ресурсов по сооружению и эксплуатации распределительных межпоселковых систем газоснабжения.
ЛИТЕРАТУРА
Курицын модель оптимального функционирования межпоселковых систем газоснабжения/ , // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. − 2009. − №2. − С.17-22. Курицын централизация межпоселковых систем газоснабжения/, // Газ России. – СПб.: . − 2008. − №2. − С. 74-79. Медведева задачи оптимизации основных параметров региональных систем газоснабжения/, //Вестник гражданских инженеров. − 2010. − № 3(24). – С.131-134. Медведева трассировки газопровода на плане газоснабжаемой территории///Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. − 2010. − №3 (19). − С. 60-67.5. Медведева эффективных газораспределительных систем: автореф. дис…д-ра техн. наук/. – Воронеж, 2015. – 35 с.
