Чепурной М.К., Легошина Д.Д., Лысова Е.П.
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ *
Аннотация:
в условиях территориально рассредоточенной застройки и невысокой плотности потребления природного газа оптимизация энергетических и экономических показателей систем газоснабжения особенно актуальна. В статье рассматриваются подходы к повышению энергоэффективности при проектировании, модернизации и эксплуатации таких систем. Приведён сравнительный анализ централизованных и автономных схем газоснабжения, предложены рекомендации по использованию современных технологий учёта и управления, а также обоснована целесообразность применения альтернативных видов газообразного топлива в удалённых поселениях.
Ключевые слова:
энергоэффективность, газоснабжение, биогаз, автономные системы
Развитие газоснабжения в регионах с низкой плотностью населения сопровождается рядом проблем: высокие капитальные затраты на строительство сетей, значительные потери в магистралях, снижение давления и, как следствие, снижение энергоэффективности. В условиях ограниченного финансирования и стремления к устойчивому развитию особое значение приобретает задача повышения энергоэффективности как одного из ключевых критериев устойчивости систем газоснабжения.Проведя анализ энергоэффективности систем газоснабжения в условиях низкой плотности потребителей, можно выявить проблемы, возникающие при использовании централизованных схем, к числу которых относятся большие капитальные затраты на строительство магистральных трубопроводов, значительные потери давления и тепла при транспортировке на большие расстояния, при этом наблюдается низкий коэффициент загрузки сети, что характерно для малонаселенных пунктов, в результате чего обслуживание такой протяжённой инфраструктуры является дорогим и нерентабельным. Решением рассматриваемой проблемы могут стать автономные системы с использованием СУГ. Эти системы не требуют подключения к централизованным магистральным газопроводам, они предназначены для индивидуального или локального обеспечения газом (одного дома, группы домов, коттеджного посёлка, предприятия). В зависимости от вида используемого газа в таких системах определяются условия его хранения, приведенные в таблице 1 [3, с. 17]. Так, для хранения СУГ используется газгольдер - Стальной цилиндрический или сферический резервуар объёмом от 2 до 10 м³, установка которого может осуществляться как надземно, так и подземно. В случае надземной установки в качестве преимущества следует выделить простоту в обслуживании, подземный способ размещения обеспечивает защиту от температурных перепадов и более эстетичен. Газгольдер должен быть оснащен редуктором давления, клапаном безопасности и уровнемером. Если речь идет об СПГ, то его хранение должно осуществляться в криоцилиндре, имеющем двойную стенку с вакуумной теплоизоляцией, значение температуры поддерживается равным −160 °C, давление равно атмосферному. Также должна быть предусмотрена испарительная установка для преобразования СПГ в газообразное состояние.Таблица 1. Условия хранения газа.В автономных системах, как и в централизованных, должен быть предусмотрен газорегуляторный пункт, обеспечивающий снижение давления газа до требуемых значений, фильтрацию, отсечку при аварии и учёт объёма потреблённого газа. Также возможно предусмотреть дистанционный мониторинг, для осуществления которого необходимо наличие GSM-модема. Не стоит забывать и про систему безопасности, включающую электромагнитные клапаны, датчики загазованности, контроллеры с функцией автоматического перекрытия подачи при утечке или сбое. Для обеспечения энергонезависимости может быть предусмотрена возможность электропитания от солнечных панелей или ИБП [2, с.172]. Транспортировка газа к потребителю осуществляется по трубопроводам.Рассмотрение конструктивных особенностей автономных систем позволило составить таблицу 2, в которой представлено сравнение централизованных и автономных систем газоснабжения.Таблица 2. Сравнение централизованной и автономной систем газоснабжения.Сравнение централизованных и автономных систем газоснабжения позволило выделить ряд преимуществ последних для применения в малых населенных пунктах: капитальные затраты при устройстве таких систем намного ниже, возможно модульное наращивание системы, низкие потери при транспортировке газа потребителю. Также следует отметить гибкость таких систем, что особенно актуально в связи с изменением сезонного потребления газа.Как уже было сказано выше, для обеспечения энергетической независимости и повышения энергоэффективности для питания автоматики ГРП могут быть применены гибридные системы с использованием альтернативных источников энергии – солнечных панелей, благодаря чему обеспечивается электропитание автоматики газорегуляторного пункта, включая датчики давления и температуры, системы сигнализации утечек и клапаны отсечки. К техническим особенностям таких систем следует отнести наличие аккумуляторных накопителей для круглосуточной работы. Управление системой может осуществляться на базе Arduino, Raspberry Pi, PLC, а для дистанционного мониторинга следует предусмотреть поддержку интерфейсов, например GSM или LoRa. Таким образом, применение альтернативных источников энергии позволяет снизить эксплуатационные расходы, обеспечить независимость от перебоев в электроснабжении, тем самым повысив уровень безопасности.Говоря о повышении энергетической эффективности систем газоснабжения, нельзя не упомянуть о внедрении цифровых платформ управления распределением газа и учётом его потребления. К основным функциям цифровых платформ относятся: сбор данных с интеллектуальных счётчиков (по GSM, Wi-Fi, Zigbee), анализ в реальном времени, позволяющий выявить утечки, несанкционированный отбор и неравномерное потребление, дистанционное управление клапанами, маршрутизация доставки СПГ. Также внедрение цифровизации открывает возможности для предиктивного обслуживания: необходимость замены оборудования предсказывается алгоритмами. Для обеспечения работы цифровых платформ необходимо наличие определенной технологической базы, включающей облачные сервисы (например, IoT-платформы типа ThingsBoard, Huawei IoT) и Big Data с машинным обучением для прогнозирования нагрузки. Не стоит забывать и о необходимости интеграции с GIS-системами [1, с. 179-183].Если речь идет о малых населенных пунктах с развитым сельским хозяйством с наличием животноводчества, то имеет смысл рассмотреть стимулирование локального производства биогаза как экологически нейтральной альтернативы. Так как биогаз образуется при анаэробном разложении органических веществ (навоз, растительные остатки, пищевые отходы и др.) без доступа кислорода и представляет собой газовую смесь, содержащую метан (CH₄) в объеме 50-87%, то его применение для рассматриваемого случая является довольно перспективным направлением [3, с. 22]. Установка по производству биогаза имеет определенные конструктивные особенности, ее основными элементами являются биореактор (ферментатор), газгольдер, система очистки газа и система утилизации. Рассмотрим каждый из элементов подробнее.Биореактор представляет собой герметичный резервуар, где происходит процесс сбраживания. Объем ферментатора может варьироваться от 5 до 100 м³ и более, температура, поддерживаемая в нем, находится в диапазоне 35–55 °C (мезофильный или термофильный режим). Для равномерного перемешивания субстрата предусмотрена мешалка, способ обогрева биореактора зависит от его конструктивных особенностей и объема, также необходима теплоизоляция и защита от коррозии.Образовавшийся в ферментаторе биогаз на правляется к следующему элементу – газгольдеру, который может быть двух типов: мембранный (двухслойная ПВХ-оболочка) и металлический резервуар под давлением (при очистке газа).Система очистки газа предназначена для удаления сероводорода, водяного пара и CO₂. Очистка осуществляется путем использования фильтров с активированным углём, водяных скрубберов и осушителей.Неотъемлемой частью такой системы является система утилизации: оставшийся после сбраживания перебродивший осадок используется как органическое удобрение высокого качества, может компостироваться или подаваться в почву напрямую.Использование биогаза допускает применение различных технологических схем, представленных в таблице 3.Таблица 3. Технологические схемы применения биогаза.Таким образом, к числу преимуществ использования биогаза следует отнести снижение выбросов парниковых газов, утилизацию органических отходов, замещение ископаемого топлива, позволяющее снизить зависимость от СУГ и природного газа, развитие сельских территорий, получение удобрения в виде дигестата — альтернативы минеральным.Исходя из сказанного выше, следует, что локальное производство биогаза — это перспективное направление для повышения энергетической автономии и экологической устойчивости в сельских и отдалённых районах. При достаточной поддержке и внедрении типовых решений биогаз может полноценно заменить или дополнить традиционное газоснабжение, особенно в рамках гибридных энергосистем.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 4
Ссылка для цитирования:
Чепурной М.К., Легошина Д.Д., Лысова Е.П. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ // Вестник науки №5 (86) том 4. С. 2154 - 2162. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23544 (дата обращения: 15.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+