Введение к работе
з
Актуальность работы. Значительные территории и относительно невысокая плотность населения сельских районов России обуславливают свойственную рыночным отношениям тенденцию к развитию малых удаленных агропромышленных предприятий (АПП), сопутствующих им населенных пунктов и объектов социальной инфраструктуры^ дальнейшем -малых удаленных объектов АПК). В общем балансе малых объектов АПК значительное распространение получают животноводческие, зерноводческие и овощеводческие фермерские хозяйства, а также миницеха модульного типа по переработке сельскохозяйственной продукции.
Возрастающие объемы строительства малых объектов АПК и сопутствующих им населенных пунктов требуют разработки и внедрения новых, прогрессивных систем топливоэнергоснабжения.
В современной отечественной и зарубежной практике все более широкое применение находят децентрализованные системы сберегающего энергоснабжения с использованием сжиженного углеводородного газа (СУГ). Применение СУГ в качестве энергоносителя для технологических установок, а также для бытовых и хозяйственных нужд в полной мере отвечает социальным, экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям, способствует улучшению качества выпускаемой продукции и снижению ее себестоимости. Высокая степень диверсификации и автономности топливосберегающих систем энергоснабжения на базе СУГ в сочетании с высоким потребительским и энергетическим эффектом делают сжиженный углеводородный газ наиболее предпочтительным энергоносителем для малых объектов АПК и сопутствующих им поселений, удаленных от опорных пунктов энергоснабжения.
Цель работы - разработка теоретических основ и технических решений оптимального функционирования децентрализованных систем сберегающего энергоснабжения (ДССЭ) малых удаленных объектов АПК и сопутствующие населенных пунктов на базе сжиженного углеводородного газа.
Задачи исследований. Поставленная цель реализуется путем решения ряда взаимосвязанных задач, среди которых к числу наиболее приоритетных относятся следующие:
1. Создание методических основ оптимизации систем сберегающего
энергоснабжения малых АПП и сопутствующих населенных пунктов.
-
Выявление алгоритма выбора вида и зон применения топливно-энергетических ресурсов в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов; обоснование целесообразности использования СУГ для сберегающего энергоснабжения малых удаленных объектов АПК.
-
Разработка эффективных систем децентрализованного энергоснабжения на базе подземных резервуарных установок СУГ с вертикальным расположением сосудов, их теоретическое обоснование и оптимизация.
-
Создание новых способов и схем проточной регазификации СУГ с повышенным содержанием бутановых фракций и их теоретическое обоснование.
-
Определение оптимальной структуры и удельных экономических показателей ДССЭ.
-
Комплексная оптимизация систем сберегающего энергоснабжения малых удаленных объектов АПК на базе сжиженного углеводородного газа.
Методы исследования: системный подход при обосновании и оптимизации систем сберегающего энергоснабжения; математическое моделирование процессов оптимизации ДССЭ; физическое и математическое моделирование процессов теплообмена при хранении и регазификации СУГ; методы математической статистики при обработке результатов физических измерений; направленный поиск оптимальных параметров ДССЭ; численные методы решения дифференциальных уравнений оптимизации ДССЭ; метод декомпозиции при решении задач оптимизации и теплообмена; метод суперпозиции при решении задач теплообмена подземных резервуаров и испарителей с полуограниченным грунтовым массивом.
Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту:
1. Экономико-математическая модель обоснования и оптимизации де
централизованных систем сберегающего энергоснабжения малых удаленных
объектов АПК, при одновременном использовании первичных, вторичных и
возобновляемых энергоресурсов, позволяющая на базе системного подхода
приводить все конкурирующие варианты энергоснабжения к единой структу
ре и учитывающая динамику развития ДССЭ и иерархию функционирования
в условиях неопределенности конвертирования ценовых факторов.
2. Методические рекомендации по обоснованию вида топливно-
энергетического ресурса в условиях неопределенности конвертирования це
новых факторов, а также рациональной области и границ его применения для
малых объектов АПК.
-
Новые способы и конструкции использования сжиженного газа в вертикальных подземных сосудах и его безгидратной регазификации в проточных системах, на базе которых разработаны и внедрены вертикальные резер-вуарные установки с электрическими и грунтовыми испарителями, обеспечивающие по сравнению с существующими системами снижение металлоемкости в 1,9 раза и сокращение интегральных затрат на 65 %.
-
Экономико-математическая модель оптимизации подземных резерву-арных установок сжиженного газа, на базе которой созданы алгоритмы обоснования вертикального способа установки сосуда, его оптимальной конфигурации и выявления оптимального типоряда вертикальных резервуаров.
-
Физико-математическая модель теплового взаимодействия вертикального подземного резервуара сжиженного газа с грунтом, комплексно учитывающая влияние конфигурации сосуда, наличие собственного температурного
поля грунта, различие условий теплообмена на внутренней поверхности резервуара, контактирующей с паровой и жидкой фазами продукта, на базе которой разработана методика теплотехнического расчета подземного вертикального резервуара.
-
Комплекс физико-математических моделей теплообмена в проточном испарителе сжиженного углеводородного газа, учитывающих зависимость температурных условий кипения от компонентного состава и давления про-пан-бутанозой смеси, наличие различных способов регазификации и схем движения греющей и нагреваемой сред, необходимость нагрева жидкой фазы газа з интервале температур ее полного выкипания, а также интенсивность теплообмена применительно к грунтовым и электрическим регазификаторам.
-
Методические рекомендации по определению экономически целесообразной структуры оптимальных параметров функционирования систем сберегающего энергоснабжения малых удаленных объектов АПК.
Практическая ценность. Разработанные теоретические и практические положения обеспечивают научно обоснованное развитие децентрализованных газосберегающих систем энергоснабжения малых объектов АПК путем реализации и внедрения: рекомендаций по оптимальному функционированию ДССЭ малых удаленных объектов АПК; алгоритмов и программ выбора экономически целесообразного варианта и оптимизации его структуры и параметров; рекомендаций по выбору оптимальных типоразмеров подземных вертикальных резервуаров и определению их основных геометрических и эксплуатационных параметров; новых- технических решений и разработок в области хранения и регазификации С-УГ в резервуарных установках вертикального типа для районов с неблагоприятными климатическими и геологическими условиями; комплекса апробированных практикой инженерных методик для расчетов и оптимизации процессов, установок и технологических схем в ДССЭ малых объектов АПК на базе СУГ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Российской конференции по инженерному освоению и оборудованию застраиваемых территорий в Тюменской области (Тюмень, 1974 ); Всесоюзной научно-технической конференции « Развитие и совершенствование эксплуатации газового хозяйства в сельской местности» ( Уфа, 1976 ); Всесоюзной научно-технической конференции «Пути интенсификации газоснабжения сельской местности» (Курск, 1983 ); Всесоюзном методологическом семинаре по вопросам использования энергии в сельской местности ( Иркутск, СЭИ АН СССР, 1988 ); Всероссийском совещании Госгортехнадзора России «Повышение эффективности и надежности систем газоснабжения в городской и сельской местностях» (Саратов, 1992 ); выставке-ярмарке стран СНГ по разработке и освоению нового газового оборудования (Саратов, 1993 ); четвертом международном съезде Ассоциации инженеров по отоплению, теплоснабжению и вентиляции ( АВОК ) «Наука и практика энергоснабжения» (Москва, 1995);
6 пятом международном съезде АВОК «Стратегия и тактика развития современного энергоэффективного и экологически чистого инженерного оборудования и теплозащиты зданий в настоящем и будущем строительства России» (Москва, 1996); международной научно-технической конференции «Проблемы охраны производственной и окружающей сред» (Волгоград, 1997); международной научно-практической конференции «Современное строительство МК-52-18, секция: Инженерно-экологические системы и энергоснабжение» (Пенза, 1998 ); научно-технических советах: РПУ Оргаз (Москва, 1986, 1990, 1992); ОАО «Росгазификация» (Москва, 1990-1999); ОАО «Сигнал» (Энгельс, 1996-1997); ОАО «Сарэнергомаш» (Саратов, 1990-1999); научно-технических конференциях института «Гипро-ниигаз» (Саратов, 1978, 1980,1985,1991-1993,1997,1999); научных семинарах и конференциях проблемной лаборатории энергетического факультета (Саратов, 1995-1999 ); научных семинарах кафедры «Теплофикация и газоснабжение» МИСИ (Москва, 1978-1980); итоговых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СГГУ (Саратов, 1972-1999).
Реализация результатов работы. Предложенные способы и конструкции при транспорте, хранении и регазификации СУГ защищены авторскими свидетельствами, патентами и включены в окончательную редакцию новых строительных норм и правил СНиП 42-01-99. Газораспределение. - М.Д999. (п.7.1). Методы расчета резервуарных установок СУГ в виде номограммы и рекомендаций по хранению и регазификации СУГ включены в окончательную редакцию Свода правил по проектированию и строительству газопроводов СН 42-101-99. - М.: (п. 7.1, 7.2, 7.7-7.11). Грунтовый испаритель экспонировался на ВДНХ в 1989 году и награжден серебряной медалью.
Для практического освоения предложенных технических решений, а также рекомендаций по оптимальному функционированию систем сберегающего энергоснабжения сжиженным газом разработано шесть руководящих документов и типовых решений, утвержденных и введенных в действие Глав-газом МЖКХ РСФСР в 1977, 1986, 1987 годах, Госкомгазом Белоруссии в 1988 году и ОАО «Росгазификация» в 1994,1998 годах.
По разработанным комплектам документации на заводах Саратовэнерго-маш и Саратовгазаппарат, Сигнал, Кузполимермаш, Белгазтехника налажен выпуск вертикальных подземных резервуаров РПВ-3,5-04 (ТУ4859-007-00210714-96), головок резервуарных малогабаритных ГРМ-04 (ТУ4859-008-00210714-96), электрических испарителей с промежуточным теплоносителем ИЭПТ-ЮМ-04 (ТУ4859-009-00210714-96), клапанов безопасности КПБ-10-04 (ТУ4859-010-00210714-96), грунтовых испарителей ИГ-10 ( ТУ12 - 86-00. 00. 000).
Внедрение технических разработок, технико-экономических рекомендаций осуществляется ОАО «Росгазификация» и КТБ и ОП «Белгазтехника» в соответствии с планами технического развития газовых хозяйств России и
Белоруссии, краевыми и областными управлениями и объединениями: Хаба-ровсккрайгаз, Краснодаркрайгаз, Владимироблгаз, Саратовоблгаз, Оренбур-гоблґаз; Брестоблгаз, Минскоблгаз, Могилевоблгаз. Подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 34,5 млн. рублей в год.
По материалам диссертации в СГТУ подготовлены и читаются два спецкурса по системам сберегающего теплогазоснабжения для студентов специальности ТГСиВ (2907).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 83 печатных работы, в т.ч. 7 авторских свидетельств и патентов, шесть руководящих документов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 312 наименований, 11 приложений. Общий объем диссертационной работы 530 страниц, включая 69 рисунков, 33 таблицы, 11 приложений.
Автор приносит свою глубокую благодарность доктору технических наук, профессору А.И. Андрющенко, советы и пожелания которого во многом определили направления и результаты проведенных исследований.
