Моделювання властивостей газоводневих сумішей для прогнозування параметрів витікання із розподільних мереж
DOI:
https://doi.org/10.31471/1993-9868-2025-2(44)-70-89Ключові слова:
фактор стисливості; показник адіабати; швидкість звуку; газоводнева суміш; витікання газу; фундаментальне рівняння стану газу; виробничо-технологічні витрати та втрати.Анотація
Розроблено та валідовано прості інженерні математичні моделі для визначення ключових термодинамічних властивостей, що є основою для підвищення точності прогнозування параметрів витікання газоводневих сумішей в умовах газорозподільних мереж. Для створення надійної бази еталонних даних, на основі якої проводилась розробка моделей, згенеровано вичерпний масив значень у програмному комплексі PVTsim Nova за фундаментальним рівнянням стану GERG-2008. Дослідженням охоплено п'ятдесят базових компонентних складів природного газу, що відображають варіативність його якості в реальних мережах України. Моделювання проведено для абсолютних тисків від 0,1 до 1,3 МПа та температур від 243,15 до 323,15 К, що повністю охоплює діапазон експлуатації розподільних мереж. Мольний вміст водню в складі газоводневої суміші варіювався від 0 до 20 %. На основі отриманих даних розроблено регресійні рівняння степеневого типу для розрахунку фактора стисливості, показника адіабати та швидкості звуку як функцій від тиску, температури, відносної густини суміші за повітрям та мольної концентрації водню. Розроблені моделі валідовано шляхом порівняння з еталонними даними. Встановлено високу точність та адекватність запропонованих рівнянь у всьому дослідженому діапазоні. Визначено, що для моделі фактора стисливості максимальна відносна похибка за модулем становить 0,44 %, а коефіцієнт детермінації – 0,995. Для показника адіабати відповідні значення складають 0,93 % та 0,914; для швидкості звуку – 1,5 % та 0,998. Аналіз розподілу похибок підтвердив стабільність моделей та виявив лише незначні систематичні зміщення для показника адіабати та швидкості звуку. Запропоновані математичні моделі мають просту аналітичну структуру та не потребують ітераційних процедур, що уможливлює їх пряму імплементацію в інженерні методики для оперативного розрахунку параметрів витікання та виробничо-технологічних витрат і втрат газу у розподільних мережах.
Завантаження
Посилання
1. National Renewable Energy Laboratory. (2022). Hydrogen Blending into Natural Gas Pipeline Infrastructure: Review of the State of Technology (Technical Report). Golden. URL: https://www.nrel.gov/docs/fy23osti/81704.pdf
2. European Parliament and Council. (2024, June 13). Regulation (EU) 2024/1789 of the European Parliament and of the Council of 13 June 2024 on the internal markets for renewable and natural gases and for hydrogen. Official Journal of the European Union. L, 2024/1789.
3 GH2 Green Hydrogen Organisation. (2024). Green Hydrogen Vision for Ukraine. URL: https://gh2.org/countries/ukraine Melaina, M. W., Antonia, O., & Penev, M. (2013). Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues (NREL Technical Report). URL: https://docs.nrel.gov/docs/fy13osti/51995.pdf
4. Haeseldonckx, D., & D’haeseleer, W. (2007). The use of the natural-gas pipeline infrastructure for hydrogen transport in a sustainable energy system. International Journal of Hydrogen Energy, 32(10–11), 1381–1386. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2006.10.018
5. Serediuk, M. D., & Velykyi, S. V. (2022). Analiz metodiv vyznachennia hazodynamichnoi enerhovytratnosti hazovykh merezh naselenykh punktiv [Analysis of methods for determining the gas-dynamic energy consumption of gas networks populated points]. Oil and Gas Power Engineering, (2)38, 51–61. DOI: 10.31471/1993-9868-2022-2(38)-51-61[in Ukrainian]
6. Wang, Z., Sun, J., Liu, Z., & Wang, J. (2024). Numerical Research on Leakage Characteristics of Pure Hydrogen/Hydrogen-Blended Natural Gas in Medium- and Low-Pressure Buried Pipelines. Energies, 17(12), 2951. DOI: 10.3390/en17122951
7. Natsionalna komisiia, shcho zdiisniuie derzhavne rehuliuvannia u sferakh enerhetyky ta komunalnykh posluh. (2020). Pro zatverdzhennia Metodyky vyznachennia rozmiriv normatyvnykh ta vyrobnycho-tekhnolohichnykh vtrat/vytrat pryrodnoho hazu pry zdiisnenni rozpodilu pryrodnoho hazu [On the approval of the Methodology for determining the sizes of normative and production and technological losses/expenditures of natural gas during the distribution of natural gas] Document v2033874-20, valid, current version — Revision on October 9, 2025, on the basis - v1587874-25. URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/v2033874-20[in Ukrainian]
8. Nykonorov, O. (2020). Rol hazotransportnoi infrastruktury Ukrainy v rozvytku vodnevoi enerhetyky [The role of gas transport infrastructure of Ukraine in the development of hydrogen energy]. Oil&gas industry of Ukraine, 5(47), 3–8. URL:https://www.ukrenergoexport.com/sites/default/files/2021-02/bulletin_hydrogen_1.pdf [in Ukrainian]
9. Kostohryz, K., Vysochanskyi, I., & Kolesnyk, S. (2020). Pershi vyprobuvannia ukrainskykh hazovykh merezh na vodni [The first tests of Ukrainian gas networks on hydrogen]. Oil&gas industry of Ukraine, 5(47), 24–28. https://www.naftogaz.com/ckeditor_assets/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D0%B9%20%D0%B6%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D0%BB/Journal-Naftogazova-galuz-05-2020.pdf [in Ukrainian]
10. Kazda, S., & Unihovskyi, L. (2020). Naukove suprovodzhennia eksperymentiv transportuvannia sumishei vodniu ta pryrodnoho hazu rozpodilnymy hazoprovodamy [Scientific support of experiments on the transportation of hydrogen and natural gas mixtures through distribution gas pipelines]. Oil&gas industry of Ukraine, 5(47), 9–14. https://www.naftogaz.com/ckeditor_assets/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D0%B9%20%D0%B6%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D0%BB/Journal-Naftogazova-galuz-05-2020.pdf [in Ukrainian]
11. Karpash, M. O., Oliinyk, A. P., Raiter, P. M., Yavorskyi, A. V., & Unihovskyi, L. M. (2020). Doslidzhennia hermetychnosti hazorozpodilnykh merezh pry transportuvanni vodniu [Estimation of probabilities of occurrence of factors of negative influence at emergency explosion of hydrogen and hydrogen-gas mixes]. Naftohazova haluz Ukrainy, 6, 24–28. https://www.naftogaz.com/ckeditor_assets/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D0%B9%20%D0%B6%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D0%BB/Journal-Naftogazova-galuz-05-2020.pdf [in Ukrainian]
12. Serediuk, M. D., & Velykyi, S. V. (2023). Vplyv kontsentratsii vodniu na vlastyvosti hazovodniovykh sumishei ta hazodynamichni protsesy v rozpodilnykh hazovykh merezhakh [Influence of hydrogen concentration on the properties of gas-hydrogen mixtures and gas-dynamic processes in gas distribution networks]. Oil and Gas Power Engineering, 2(40), 25–37. DOI: 10.31471/1993-9868-2023-2(40)-25-37 [in Ukrainian]
13. Ghafri, S. A., Alkhaldi, M., & Charif, A. (2015). New Correlation for Hydrogen-Natural Gas Mixture Compressibility Factor. In Mechanics, Simulation and Control, 761, 667–674. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-17527-0_79
14. Lozano-Martín, D., et al. (2018). Accurate experimental (p, ρ, T) data of natural gas mixtures for the assessment of reference equations of state when dealing with hydrogen-enriched natural gas. International Journal of Hydrogen Energy, 43(49), 22356–22374. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.10.057
16. Al-Malah, A., et al. (2024). Experimental ($rho$, P, T) data of $text{H}_2 + text{CH}_4$ mixtures at temperatures from 278 to 398 K and pressures up to 56 MPa. International Journal of Hydrogen Energy, 65, 719–731. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.04.220
17. Cecchini, M., et al. (2021). Impact of hydrogen injection on thermophysical properties and measurement reliability in natural gas networks. E3S Web of Conferences, 312, 01004. DOI: 10.1051/e3sconf/202131201004
18. Derzhstandart Ukrainy. (2022). DSTU EN ISO 20765-2:2022 (EN ISO 20765-2:2018, IDT; ISO 20765-2:2015, IDT). Pryrodnyi haz. Obchysliuvannia termodynamichnykh vlastyvostei. Chastyna 2. Odnofazni vlastyvosti (haz, ridyna ta shchilnyi plyn) dlia rozshyrenykh diapazoniv zastosuvannia [Natural gas. Calculation of thermodynamic properties. Part 2. Single-phase properties (gas, liquid and dense fluid) for extended application ranges]. DP «UkrNDNTs». https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=116893 [in Ukrainian]
19. Kunz, O., & Wagner, W. (2012). GERG-2008: A New Equation of State for Natural Gas and Other Mixtures. Journal of Chemical & Engineering Data, 57(11), 3032–3091. DOI: 10.1021/je300655b
20. Calsep: official web-site. (n.d.). Retrieved October 22, 2025, from https://www.calsep.com
21. Natsionalna komisiia, shcho zdiisniuie derzhavne rehuliuvannia u sferakh enerhetyky ta komunalnykh posluh. (2015). Kodeks hazotransportnoi systemy [Gas Transmission System Code] (Postanova № 2493). URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z1378-15 [in Ukrainian]
22. Natsionalna komisiia, shcho zdiisniuie derzhavne rehuliuvannia u sferakh enerhetyky ta komunalnykh posluh. (2015). Kodeks hazorozpodilnykh system [Gas Distribution Systems Code] (Postanova № 2494). URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z1379-15 [in Ukrainian]
23. Derzhstandart Ukrainy. (2020). DSTU EN ISO 6976:2020 (EN ISO 6976:2016, IDT; ISO 6976:2016, IDT). Pryrodnyi haz. Obchyslennia teploty zhoriannia, hustyny, vidnosnoi hustyny ta chysla Vobbe na osnovi komponentnoho skladu [Natural gas. Calculation of calorific value, density, relative density and Wobbe index from compositional analysis]. DP «UkrNDNTs». [in Ukrainian]
24. International Organization for Standardization. (2012). ISO/TR 29922:2012. Natural gas – Supporting information on the calculation of physical properties according to ISO 6976. Geneva. URL: https://www.iso.org/standard/45233.html
25. Nocedal, J., & Wright, S. J. (2006). Numerical Optimization (2nd ed.). Springer.
26. Beck, A. (2024). Introduction to Nonlinear Optimization: Theory, Algorithms, and Applications with Python and MATLAB (2nd ed.). SIAM. DOI: 10.1137/1.9781611977797
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Нафтогазова енергетика
TЦя робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
.png)
1.png){kind=logo}
