Развёрнутые в последние годы работы, направленные на оптимизацию затрат и повышение экономической эффективности систем газоснабжения, сделали актуальным вопрос совершенствования подходов к проектированию, строительству и эксплуатации газораспределительных станций (ГРС) [1, 3 и др.]. Современные исследования, касающиеся энергоснабжения ГРС, посвящены вопросам совершенствования схемных решений их энергетических систем, использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ), применению детандер-генераторных агрегатов (ДГА), тепловых насосных установок (ТНУ), исследованию процессов «квази-изотермического» истечения газов при дросселировании и др.

В связи с развитием работ по использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для автономного энергоснабжения [2] стали актуальными вопросы их применения в системах газоснабжения [4]. В формируемой в ПАО «Газпром» программе создания в перспективе автоматизированных газораспределительных станций нового поколения (АГРС-НП) определены общие требования [3]:

- электроснабжение от источника, расположенного на территории АГРС-НП и использующего принцип преобразования энергии сжатого (транспортируемого) газа и/или возобновляемые источники энергии;

- применение технологий, исключающих постоянное присутствие обслуживающего персонала, использование газа в качестве топлива для подогрева транспортируемого газа и др.

С принятием в России законодательных и организационных мер по стимулированию развития цифровой экономики и энергетики существенно активизируются работы по интеллектуализации инженерной инфраструктуры, в том числе для вдоль трассовых потребителей в системе транспорта газа [3].

С учётом этого, актуальными становятся следующие направления исследований:

- оптимизация системы энергоснабжения ГРС с использованием энергоустановок на основе возобновляемых и нетрадиционных видов энергии (ВиНВЭ);

- разработка на основе ВиНВЭ схемных решений и алгоритмов интеллектуального управления технологически связанными энергетическими элементами и системами газораспределительных станций, имеющих функции прогнозирования режимов работы объекта, прихода энергии от ВиНВЭ и параметров систем управления спросом на тепловую и электроэнергию энергоприёмников ГРС.

Эксплуатационной особенностью ГРС является возможность использования потенциальной энергии газа, поступающего на станцию. Поэтому значительное число работ [4, 5, 10] посвящено таким исследованиям.

Как известно, энергии, вырабатываемой детандер-генераторными агрегатами (ДГА), недостаточно для подогрева требуемого количества газа и обеспечения собственных нужд станции. В соответствии с этим автономная бестопливная система энергоснабжения [4], использование которой возможно на АГРС-НП, должна иметь в своём составе источник (или несколько источников) энергии, использующего теплоту окружающего ГРС грунта, воздуха, солнечную энергию, а также энергию движущихся потоков воздуха (ветра), то есть возобновляемые источники энергии (ВИЭ).

Анализу схемных решений ГРС с установками ВИЭ для энергоснабжения ГРС посвящены работы [4, 10]. В них исследованы системы энергоснабжения с использованием потенциала внешних источников (грунтовых теплообменников, гелиосистем и др.) и тепловых насосов. Однако в цитируемых работах не в полной мере рассмотрены вопросы оптимизации установок ДГА с ВИЭ и грунтовыми теплообменниками (ГТО) для обеспечения автономным гибридным энергокомплексом (ГЭК) только собственных нужд ГРС.

Переменный характер выработки электрической энергии с помощью гелиои ветроустановок определяет необходимость разработки схемных решений ГЭК на основе ВИЭ, которые при требуемой надёжности, были бы эффективными с учётом конкретных местных условий. Для этого АСУ ГЭК должна быть «интеллектуальной» и адаптивной к возмущающим воздействиям, а алгоритмы её функционирования должны обеспечивать бесперебойное энергоснабжение ГРС.

Более эффективному решению сформулированной задачи способствует в том числе использование накопителей тепловой и электрической энергии. В таком случае выбор установленной мощности автономного источника электроэнергии ГЭК производится по среднему значению нагрузки, а покрытие пиков нагрузки осуществляется использованием электроэнергии аккумуляторной батареи, заряжаемой в периоды провалов графика нагрузки. Тепловой аккумулятор выравнивает тепловую нагрузку. Этим самым снижаются затраты на оборудование ГЭК и улучшаются его эксплуатационные показатели. Использование подобного рода бестопливного ГЭК на ГРС позволяет отказаться от внешнего электроснабжения.

Анализ ранее выполненных работ показывает, что при применении ДГА для устойчивого снабжения ГРС тепловой и электрической энергией в достаточном количестве необходимыми могут быть установки, работающие на низкопотенциальной энергии земли, то есть геотермальные тепловые насосы, проблемам использования которых посвящено значительное число работ [6–8, 10]. Совокупность создаваемых с этой целью скважин с грунтовыми теплообменниками и окружающим массивом грунта представляет собой систему сбора данной низкопотенциальной энергии.

По результатам многочисленных исследований установлено, что значения теплового потока в грунтовых теплообменниках колеблются от 20 до 70 Вт с 1 м скважины. Использование аналитических моделей расчёта позволяет учесть специфику грунта в месте строительства и, соответственно, позволяет создать более эффективный (по капиталовложениям) источник тепловой энергии [6].

Анализируя проведённые исследования в области использования низкопотенциальной тепловой энергии грунта для геотермальных теплонасосных систем теплои холодоснабжения зданий и сооружений [7, 8], можно сделать вывод, что, несмотря на фундаментальность и всесторонность исследований, вопросы динамики процессов теплосъёма и аккумулирования теплоты в грунтовых теплообменниках в суточном режиме рассмотрены не в полном объёме. Кроме того, отсутствует методика оптимизации системы сбора низкопотенциальной энергии грунта (СНЭГ) для целей теплоснабжения АГРС, учитывающая индивидуальные особенности энергопотребления АГРС, генерации электроэнергии ДГА и энергопоступления от ВИЭ.

Ранее проведённые исследования показывают, что стоимость непосредственно ГТО для теплоснабжения зданий соизмерима со стоимостью остальной части гибридных энергокомплексов. Поэтому актуальна задача по снижению стоимости грунтовых теплообменников путём реализации технических решений:

1. Перевод ГТО в режим циклической знакопеременной работы. Результаты функционирования системы теплоснабжения с ГТО энергоэффективного здания в знакопеременном режиме и данные [11] показывают (рис. 1), что теплопроизводительность ГТО существенно снижается в первые пять-десять дней. Периодическая подача избыточной теплоты от ВИЭ и ДГА в этом периоде может компенсировать теплопотребление и поэтому теплопроизводительность тепловых насосных установок (ТНУ) с ГТО сохранится на высоком уровне, что в итоге позволит снизить расчётную мощность ГТО.

2. Устройство системы интенсификации теплообмена увлажнением грунта в зоне скважин. Это решение может использоваться в критических режимах в качестве резервного, если ГТО размещён в районе с сухим водопроницаемым грунтом.

3. Снижение расчётной нагрузки на ГТО интеллектуальным управлением энергопотребления АГРС-НП, так как ряд потребителей энергии АГРС-НП имеют свойство временной избыточности, позволяющее сгладить пиковое энергопотребление для минимизации расчётной мощности ГТО и оборудования АГРС.

4. Оптимизация параметров совместной работы ГТО с альтернативным источником низкопотенциальной тепловой энергии (ВИЭ, воздушные калориферы и др.) и ДГА позволяет повысить эффективность функционирования гибридного энергокомплекса.

5. Для решения поставленной задачи используется известное [9, 10] базовое схемное решение энергокомплекса ГРС, дополненное оборудованием (ПКТО и ВТО) и связями между ними, характерными для автономного энергокомплекса АГРС-НП (рис. 2), реализующего термодинамические процедуры оптимального преобразования потенциальной энергии технологического газа и низкопотенциальной энергии ВИЭ.

Установка с ДГА и ТНУ функционирует следующим образом. Технологический газ по магистрали высокого давления поступает на ГРС. Для выработки электроэнергии используется установка ДГА, в состав которой (кроме ДГА) входит электрический пиковый теплообменник подогрева газа перед детандером ПКТО. Снижение давления в детандере осуществляется за счёт расширения потока транспортируемого газа, при этом в генераторе ДГА вырабатывается электроэнергия. Часть электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором ДГА, подаётся на привод компрессора ТНУ, остальное подаётся на ПКТО и на собственные нужды ГРС. Для основного подогрева газа перед ДГА в теплообменнике до температуры 50–80°C используется парокомпрессионная ТНУ, в состав которой входят испаритель, компрессор, дросселирующее устройство и конденсатор, являющийся одновременно теплообменником подогрева газа.

В испарителе фазовое превращение хладагента происходит за счёт теплоты низкого температурного потенциала, поступающего от грунтового аккумулятора и от воздушного теплообменника, являющихся в данном случае источниками низкопотенциальной энергии (ВИЭ). При незначительных расходах газа в ночное время и отсутствии энергопоступления от ВИЭ, бесперебойность энергоснабжения потребителей собственных нужд ГРС может быть нарушена, что влечёт за собой необходимость использования электрических аккумуляторов, не указанных на базовой схеме.

С целью снижения проектной мощности ГТО, предотвращения его промерзания и повышения эффективности работы ТНУ должна предусматриваться его стратифицированная «накачка» в периоды поступления энергии от ВИЭ. Таким образом осуществляется естественная балансировка процесса генерации энергии и её потребления с сохранением высокого температурного потенциала грунтовых теплообменников.

Возможность минимизации затрат на создание энергокомплекса проверяется путём имитационного моделирования процессов преобразования энергетических потоков в условиях нестационарного потребления вырабатываемой энергии и поступления возобновляемых энергетических ресурсов на основе изменения теплового баланса и статических характеристик элементов энергокомплекса по выбранному критерию минимизации.

Альтернативные варианты организации автономного бестопливного энергоснабжения при существенно отличающихся капитальных затратах имеют практически равные эксплуатационные расходы. Поиск оптимального варианта состава оборудования энергокомплекса АГРС-НП с ВИЭ по критерию минимального значения капитальных затрат осуществляется расчётным путём с использованием имитационной модели, разработанной в пакете прикладных программ MATLAB (рис. 3), в следующем порядке:

- для заданных значений мощности нагрузки, соотношения тепловых мощностей конденсатора ТНУ и ПКТО, а также параметров технологического газа, рассчитывается вырабатываемая ДГА мощность и количество тепловой энергии на подогрев газа для предотвращения критического снижения его температуры за турбиной ДГА;

- для рассчитанного количества теплоты, передаваемой газу конденсатором ТНУ, определяются параметры хладагента, расходные и мощностные характеристики ТНУ;

- по количеству теплоты, передаваемой хладагенту в испарителе ТНУ, определяются параметры теплоносителя, расходные и мощностные характеристики ГТО, обеспечивающего работу ТНУ и энергокомплекса АГРС-НП в целом;

- устанавливая в качестве исходных условий расчёта различные соотношения мощностей базового и пикового подогревателей газа (конденсатора ТНУ и ПКТО, соответственно), определяются требуемые для обеспечения генерируемой детандер-генераторным агрегатом мощности характеристики теплонасосные установки и грунтового теплообменниками.

В качестве примера выполнены расчёты генерируемой детандер-генераторным агрегатом мощности, а также характеристик ТНУ и ГТО в составе энергокомплекса АГРС-НП с ВИЭ в зависимости от соотношения мощностей базового и пикового подогревателей при заданных параметрах технологического газа: перед турбиной ДГА (давление газа — 4,5 МПа, температура газа — 0°C); за турбиной ДГА (давление газа — 1,2 МПа, минимально допустимое значение температуры газа — 5°C). Результаты расчётов приведены в табл. 1 и на рис. 4.

При поиске минимума капитальных затрат на создание энергокомплекса АГРС-НП с ВИЭ использованы значения удельных затрат на оборудование по данным [4, 5, 7, 10], которые приведены в табл. 2.

Анализ результатов расчётных режимов функционирования АГРС-НП с ВИЭ позволил определить оптимальное отношение мощностей базового и пикового подогревателей газа как 0,4 и 0,6, соответственно, по значению критерия оптимизации — минимуму капитальных затрат на создание энергокомплекса АГРС-НП с ВИЭ.

Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:

1. Создание в перспективе автоматизированных газораспределительных станций нового поколения (АГРС-НП) определяют актуальность устройства надёжных автоматизированных бестопливных систем автономного энергоснабжения ГРС.

2. На основе процессов преобразования энергетических потоков в условиях нестационарного потребления вырабатываемой энергии и поступления возобновляемых энергетических ресурсов, а также статических характеристик оборудования, разработана комплексная имитационная модель, позволяющая:

- выполнять расчёты и анализ теплового баланса энергетических установок АГРС-НП с ВИЭ;

- определять расходные и мощностные характеристики энергетического оборудования АГРС-НП с ВИЭ;

- оптимизировать состав, структуру и режимы функционирования энергетического оборудования АГРС-НП с ВИЭ по выбранному критерию оптимизации.

Анализ результатов моделирования режимов функционирования АГРС-НП с ВИЭ, для рассматриваемого примера, позволил определить оптимальное отношение мощностей базового и пикового подогревателей газа как 0,4 и 0,6, соответственно, по значению критерия оптимизации — минимум капитальных затрат на создание энергокомплекса АГРС-НП, использующего ВИЭ.