中小城鎮(zhèn)天然氣配氣管網(wǎng)的壓力級(jí)別選擇

孔 川

1.重慶大學(xué) 2.四川大學(xué)

孔川. 中小城鎮(zhèn)天然氣配氣管網(wǎng)的壓力級(jí)別選擇.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：152-156.

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中小城鎮(zhèn)天然氣配氣管網(wǎng)的壓力級(jí)別選擇

孔 川1,2

1.重慶大學(xué) 2.四川大學(xué)

孔川. 中小城鎮(zhèn)天然氣配氣管網(wǎng)的壓力級(jí)別選擇.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：152-156.

摘 要中小城鎮(zhèn)是我國當(dāng)前天然氣利用快速發(fā)展的區(qū)域，工程設(shè)計(jì)中其天然氣管網(wǎng)多采用中壓A級(jí)配氣管網(wǎng)，而忽略了中壓B級(jí)管網(wǎng)具有的特性。為此，比較了中壓B級(jí)和中壓A級(jí)管道的爆破能量比和泄漏質(zhì)量流量比，分析了壓能轉(zhuǎn)移利用的貢獻(xiàn)，對(duì)中壓A級(jí)管道所需的最小街道寬度進(jìn)行了定量分析，論證了中壓B級(jí)管道的適用性。進(jìn)而用虛擬環(huán)網(wǎng)覆蓋中小城鎮(zhèn)供氣區(qū)域，推導(dǎo)出等流速工況下中壓天然氣配氣管網(wǎng)管徑表達(dá)式，計(jì)算了相同管網(wǎng)構(gòu)成時(shí)不同供氣規(guī)模、不同最大管路長度時(shí)，中壓B級(jí)管網(wǎng)與中壓A級(jí)管網(wǎng)的管材耗量比。結(jié)果表明：中小城鎮(zhèn)天然氣配氣管網(wǎng)采用中壓B級(jí)比采用中壓A級(jí)投資增加20%以上，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差；但中壓B級(jí)在壓力安全和敷設(shè)條件方面卻具有明顯的優(yōu)勢。因此對(duì)于老城古鎮(zhèn)等區(qū)域較窄的街道，要考慮各種方案并綜合決策。結(jié)論認(rèn)為：中壓B級(jí)配氣管網(wǎng)在中小城鎮(zhèn)的應(yīng)用具有廣闊的前景。

關(guān)鍵詞中小城鎮(zhèn) 天然氣 配氣管網(wǎng) 中壓B級(jí)管道 壓力安全 中壓A級(jí)管道 壓力級(jí)別選擇

中國自20世紀(jì)80年代中期開始探索中壓供氣方式[1]，四川省、重慶市等地的城鎮(zhèn)燃?xì)獯罅坎捎昧酥袎号錃夤芫W(wǎng)[2]；至20世紀(jì)90年代末期，我國大中型城市的天然氣利用快速發(fā)展，使中壓配氣系統(tǒng)得以形成、完善和廣泛應(yīng)用[3-6]；隨著天然氣利用進(jìn)一步普及，中小城鎮(zhèn)天然氣供應(yīng)也成了研究和關(guān)注的重點(diǎn)[7-8]。中小城鎮(zhèn)一般泛指人口不超過20萬的小城市和中心鎮(zhèn)，這類城鎮(zhèn)是我國近年來天然氣利用發(fā)展最強(qiáng)勁的區(qū)域。

2006年GB50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》將中壓級(jí)別劃分為中壓A級(jí)別和中壓B級(jí)別[9]。由于中壓A級(jí)管網(wǎng)比中壓B級(jí)管網(wǎng)的可資利用壓力降大，輸配氣量更多，且管網(wǎng)的管徑減小，在相同輸配氣量和管徑下可增加供氣面積，于是在城鎮(zhèn)管網(wǎng)的建設(shè)中，中壓A級(jí)配氣的應(yīng)用成為首選，原本為中壓B級(jí)的管網(wǎng)也紛紛改建為中壓A級(jí)[10-11]。受此影響，大多數(shù)中小城鎮(zhèn)在天然氣供應(yīng)壓力級(jí)別的選擇上，也都將配氣管網(wǎng)壓力級(jí)別定為中壓A級(jí)。經(jīng)初步調(diào)查，四川省許多縣城，如大竹縣、渠縣、南部縣、西充縣、峨眉山市、井研縣、榮縣、屏山縣、高縣、資中縣、通江縣等等，其天然氣經(jīng)營企業(yè)都在設(shè)計(jì)的中壓A級(jí)管網(wǎng)基礎(chǔ)上，出于安全考慮而降壓配氣，普遍的實(shí)際配氣壓力為0.3 MPa，甚至達(dá)到0.2 MPa，接近或達(dá)到中壓B級(jí)。另一方面，經(jīng)走訪調(diào)查和實(shí)測表明，在許多中小城鎮(zhèn)既有的街道上敷設(shè)管網(wǎng)，有較多地段難以達(dá)到《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)燃?xì)夤艿琅c建筑物間距的強(qiáng)制性要求。這迫使相關(guān)部門按照規(guī)范要求，采取一定的“有效措施”，提高了建設(shè)成本，而由于定性的“有效措施”難以量化，燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)還需要擔(dān)負(fù)采取的措施可能不被認(rèn)可的風(fēng)險(xiǎn)。分析認(rèn)為，中小城鎮(zhèn)采用中壓B級(jí)管網(wǎng)是解決這些問題的一個(gè)有效思路，為此做以下幾方面的探討。

1 中壓B級(jí)管網(wǎng)的優(yōu)勢

1.1 降低高壓風(fēng)險(xiǎn)

管道的風(fēng)險(xiǎn)因素有很多，壓力較低的管道其風(fēng)險(xiǎn)無疑比壓力較高的管道有所減小。以物理爆炸（破裂）和大量泄漏這兩種最大的直接危害為例，在其他條件相同的情況下，天然氣中壓B級(jí)最高壓力（0.2 MPa，表壓，下同）與中壓A級(jí)最高壓力（0.4 MPa）相比，按照Brown提出的等熵膨脹公式[12]計(jì)算，前者的爆破能量僅為后者的43%；而兩種壓力下的燃?xì)庑孤┚鶠橐羲傩孤瑒t管道無論有無覆土等阻礙（當(dāng)量泄漏系數(shù)相同），前者的泄漏質(zhì)量流量為后者的60%。

基于壓力安全的另一種現(xiàn)象是，部分城鎮(zhèn)原有敷設(shè)的中壓A級(jí)管網(wǎng)因種種原因有較多管段未達(dá)到規(guī)范強(qiáng)制性要求的凈距，為此較普遍地降壓使用，以保證安全。這也說明，降壓使用可能會(huì)成為使管段間距達(dá)標(biāo)的手段之一。

1.2 管位易獲取

街道的寬度對(duì)燃?xì)夤艿啦贾每臻g的限制是壓力級(jí)別選擇必須考慮的問題。狹窄的街道往往難以使用較高的壓力以降低配氣管網(wǎng)的投資，因此部分大城市的歷史街區(qū)受地下空間限制，也考慮采用專設(shè)的中壓B級(jí)管道。中小城鎮(zhèn)特別是古城、老鎮(zhèn)的街道比較窄，如成都市洛帶古鎮(zhèn)主街道寬度介于6.0~8.0 m，次要街道寬度介于4.0~5.0 m[13]，黃龍溪古鎮(zhèn)的“主街—街—巷”的道路結(jié)構(gòu)中，主街寬度僅約為4.0 m，一般街道為2.5~4.0 m[14]。一些縣城如榮縣、犍為縣等，其老城區(qū)內(nèi)較窄的聯(lián)絡(luò)街道多，也需要敷設(shè)天然氣管道。分析認(rèn)為，在只敷設(shè)最低要求的給水和排水管道而無其他管線的情況下，中壓A級(jí)管道至少需要4.1 m寬的街道，如圖1所示，各管道按最小管徑計(jì)，燃?xì)夤艿琅c周邊的間距為《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》強(qiáng)制性規(guī)定，而給水和排水管與非燃?xì)夤艿拈g距僅僅是基本要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到給排水規(guī)范的要求（雖然不是強(qiáng)制性規(guī)定）。而中壓B級(jí)管道則可在同等條件下布置于3.6 m寬的街道上，如果有更嚴(yán)格的限制，則只能選擇低壓配氣系統(tǒng)。因此，對(duì)于較窄的街道，中壓B級(jí)配氣管網(wǎng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

圖1 敷設(shè)中壓A級(jí)燃?xì)夤艿赖淖畹徒值缹挾确治鰣D

1.3 合理利用壓能

充分利用上游來氣壓力，將其合理地分配到輸氣管網(wǎng)、儲(chǔ)氣設(shè)施和配氣管網(wǎng)上，是城鎮(zhèn)天然氣供氣系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的重要體現(xiàn)。大城市高中壓調(diào)壓站的負(fù)荷較大，配氣管網(wǎng)選擇中壓A級(jí)是合理的，這在實(shí)踐中也得到了大量的證實(shí)。對(duì)于中小城鎮(zhèn)特別是小城鎮(zhèn)，當(dāng)門站距接氣點(diǎn)較遠(yuǎn)（以縣城為中心的城鄉(xiāng)一體化供氣系統(tǒng)往往如此）時(shí)，輸氣管道壓降和配氣管道的壓降分配十分重要，需要結(jié)合具體情況分析計(jì)算后確定。分析和實(shí)踐結(jié)果表明，門站與接氣點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，輸氣管道（附帶還需要利用其儲(chǔ)存一部分調(diào)峰用氣）需要的壓力降占總壓降的比例就越大，因此距門站或接氣點(diǎn)較遠(yuǎn)的小城鎮(zhèn)的配氣管網(wǎng)壓力級(jí)別選中壓B級(jí)最為合適，而選擇中壓A級(jí)以降低配氣管網(wǎng)投資的方案次之。根據(jù)這一結(jié)論，選擇中壓B級(jí)燃?xì)夤芫W(wǎng)的小城鎮(zhèn)可能會(huì)越來越多。

2 投資增加分析與決策

2.1 中壓B級(jí)配氣管網(wǎng)投資增加分析

2.1.1 中小城鎮(zhèn)天然氣環(huán)狀管網(wǎng)供氣規(guī)模

中小城鎮(zhèn)的CNG站、工業(yè)、集中采暖、分布式能源站等用戶的用氣量相對(duì)較大，具有集中負(fù)荷的特點(diǎn)，且多分布在城鎮(zhèn)邊緣，對(duì)其采用單獨(dú)的供氣輸配方案是安全、經(jīng)濟(jì)的，在實(shí)際操作中也大多如此。而對(duì)居民用戶和公共建筑的配氣管網(wǎng)，一般隨城鎮(zhèn)道路網(wǎng)絡(luò)成環(huán)狀布置。由此可認(rèn)為，中小城鎮(zhèn)天然氣輸配管網(wǎng)宜建成以民用氣為主負(fù)荷的環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其他用戶供氣則采用專線枝狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形式。

對(duì)不采用燃?xì)夥謶舨膳哪戏街行〕擎?zhèn)（特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚居地），環(huán)網(wǎng)負(fù)荷可只測算居民家庭用氣和公共建筑用氣。以居民每戶年均日耗天然氣當(dāng)量指標(biāo)（將公共建筑用氣折算到居民家庭用戶的指標(biāo)）為1.0~1.5 m3計(jì)，不大于20萬人口的中小城鎮(zhèn)環(huán)狀天然氣配氣管網(wǎng)的供氣規(guī)模一般不大于10×104m3/d，對(duì)應(yīng)管網(wǎng)最大小時(shí)流量約為1.7×104m3/h，折算為4.72 m3/s。筆者以此作為中小城鎮(zhèn)環(huán)網(wǎng)供氣負(fù)荷的最大值做分析。

2.1.2 管網(wǎng)投資增大解析

為便于分析，筆者對(duì)中小城鎮(zhèn)的燃?xì)夤芫W(wǎng)做如下簡化：①基于中小城鎮(zhèn)民用建筑容積率變化不大，對(duì)應(yīng)燃?xì)庳?fù)荷相對(duì)均勻，故假定供氣區(qū)域內(nèi)面積負(fù)荷qa相同；②在供氣區(qū)域中，假定從門站到最遠(yuǎn)點(diǎn)的管路有n條虛擬主管路并聯(lián)形成環(huán)網(wǎng)，每條虛擬管路可根據(jù)實(shí)際街道的情況通過串、并聯(lián)關(guān)系，分解為實(shí)際管道；③構(gòu)成環(huán)網(wǎng)的n條管路具有對(duì)稱性質(zhì)。這些假定雖不能得到實(shí)際工程量，但對(duì)水力工況分析有利。

中壓環(huán)網(wǎng)的水力計(jì)算基本模型為管段阻力損失基本公式和以各環(huán)壓力損失閉合差為零[15]為約束條件的方程組，可寫為：式中dp為管路上任一微小管段長dl的壓力降；λ為沿程阻力系數(shù)；ρ為燃?xì)饷芏龋籫為重力加速度；u為燃?xì)饬魉伲籨為管道內(nèi)徑。下標(biāo)lj表示以管道軸心線l構(gòu)成的j環(huán)上的封閉曲線。

基于假定③的對(duì)稱性，式（2）自然成立，于是用式（1）分析最外單條虛擬管路即可。設(shè)有n條管路相近地承擔(dān)配氣負(fù)荷即管網(wǎng)的最大小時(shí)流量為Q0（下標(biāo)“0”表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同），每條管路上的負(fù)荷近似平均為Q0/n，則長度為L的外緣虛擬管路上距管網(wǎng)零點(diǎn)或終點(diǎn)相距l(xiāng)處的流量為：

燃?xì)夤芫W(wǎng)的運(yùn)行在等流速和等管徑兩種水力工況之間，而城鎮(zhèn)燃?xì)馀錃夤芫W(wǎng)不采用等管徑配置，以下僅分析等流速工況。當(dāng)u為常數(shù)時(shí)，d隨l變化，在l點(diǎn)處，據(jù)流量與流速關(guān)系式、狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒方程ρ0u0=uρ得：

聯(lián)立式（3）可得：

式中，u為常數(shù)，管網(wǎng)起點(diǎn)壓力為ps，則可得到l=L時(shí)，管段起點(diǎn)處的最大管徑：

可將阿里特蘇里公式求沿程阻力系數(shù)λ的表達(dá)式改寫為：

式中，K為管道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度；Re為雷諾數(shù)；μ0為燃?xì)鈩?dòng)力黏度；C為式中所示除d外的代數(shù)。

將C代入中壓A級(jí)或B級(jí)內(nèi)的天然氣密度（隨壓力變化而變）、天然氣的動(dòng)力黏度，經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)取u為定值，假定K=0.1 mm（如鋼管），可算得C值變化很小（u=10 m/s時(shí)不超過3.5%，u=20 m/ s時(shí)不超過1.2%），可視為常數(shù)。將式（6）、式（7）代入式（1）并對(duì)其兩端從0到L積分，對(duì)應(yīng)p為已知管段終點(diǎn)壓力（pe）和起點(diǎn)壓力（ps），變換可得該等流速：

假定管網(wǎng)末端有最小管徑限制為de，視管徑從末端de到起點(diǎn)dmax為線性變化，管道材質(zhì)相同且壁厚不變（中壓配氣管網(wǎng)幾乎都取規(guī)定最小壁厚值），則用中壓B級(jí)管道和用中壓A級(jí)管道的管網(wǎng)管材耗量比Δ為：

式中下標(biāo)A、B表示中壓A或中壓B壓力級(jí)別。

按前述對(duì)中小城鎮(zhèn)天然氣供氣規(guī)模的分析和一些合理的假定，取psA=5×105Pa（絕對(duì)壓力，下同），psB=3×105Pa，pe=1.8×105Pa，de=80 mm，n=3，計(jì)算得C≈0.0126，其他取常用數(shù)據(jù)，可以得到中小城鎮(zhèn)相同管網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，不同規(guī)模、不同最大管路長度（L）時(shí)的管材耗量比（表1）。

表1 中小城鎮(zhèn)不同燃?xì)庳?fù)荷下中壓A級(jí)和中壓B級(jí)的管材耗量比表

分析表1可知，中壓B級(jí)管網(wǎng)比中壓A級(jí)的管材耗量要增加21%~30%，主要體現(xiàn)在管道管徑變大，相應(yīng)投資增加17%~25%。對(duì)于小城鎮(zhèn)，增加的比例要稍小些，這是因?yàn)樾」軓浇咏白钚」軓较拗啤钡木壒省Ｍ瑫r(shí)，如果規(guī)范在今后能將中壓B級(jí)最高壓力確定為0.25 MPa（表壓），則管材耗量增加13%~19%，投資增加比例會(huì)相應(yīng)下降。

2.2 壓力級(jí)別選擇的決策

當(dāng)前的壓力級(jí)別選擇決策是多目標(biāo)決策。綜上分析，如果從防范較高壓力的風(fēng)險(xiǎn)而言，中壓B級(jí)管網(wǎng)有明顯的優(yōu)勢；中壓B級(jí)管網(wǎng)起點(diǎn)壓力比中壓A級(jí)低，表面上似乎沒有充分利用壓能，但它增加了上一級(jí)管網(wǎng)的壓能利用；從管網(wǎng)投資來看，中壓B級(jí)管網(wǎng)需要有相應(yīng)的增加。這需要決策者進(jìn)行綜合全面的判斷后，依據(jù)主要目標(biāo)決策。對(duì)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該注意的是，中小城鎮(zhèn)特別是小城鎮(zhèn)、古城和老鎮(zhèn)，選擇壓力級(jí)別一定要現(xiàn)場勘查地下空間可用管位，切勿依照簡單的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)即行定案。

3 結(jié)論

1）對(duì)于中小城鎮(zhèn)特別是小城鎮(zhèn)，由于其供氣區(qū)域和供氣負(fù)荷不大，在配氣管網(wǎng)采用多環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，采用中壓B級(jí)一級(jí)配氣系統(tǒng)比采用中壓A級(jí)的管材耗量將增加20%以上，經(jīng)濟(jì)性較差。

2）中壓B級(jí)比中壓A級(jí)的最大爆破能量要減少50%以上，泄漏質(zhì)量流量也要減少40%，安全性顯著。

3）對(duì)于街道狹窄的老城古鎮(zhèn)，當(dāng)缺乏敷設(shè)中壓A級(jí)管道的條件時(shí)，要從中壓B級(jí)入手且甚或采用低壓配氣管網(wǎng)。

4）對(duì)于燃?xì)夤艿篮笾糜谄渌叵鹿芫€而難以布置中壓A級(jí)管道管位時(shí)，要綜合考慮各種方案。

5）中壓B級(jí)配氣管網(wǎng)在中小城鎮(zhèn)的應(yīng)用具有廣闊的前景。

符 號(hào) 說 明

dp為dl的壓力降，Pa；λ為沿程阻力系數(shù)；ρ為燃?xì)饷芏龋琸g/m3；u為燃?xì)饬魉伲琺/s；d為管道內(nèi)徑，m；dl為管路上任一微小管段長，m；下標(biāo)lj表示管道軸心線構(gòu)成的j環(huán)；Q0,t為l斷面處的流量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），m3/s；Q0為管網(wǎng)的最大流量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），m3/s；n為并聯(lián)管路數(shù)；L為管路計(jì)算長度，m；l為管路上距管網(wǎng)零點(diǎn)或終點(diǎn)的距離，m；u0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的燃?xì)饬魉?，m/s；p為絕對(duì)壓力，Pa；p0為當(dāng)?shù)亟^對(duì)壓力，Pa；dmax為最大管內(nèi)徑，m；ps為管網(wǎng)起點(diǎn)絕對(duì)壓力，Pa；K為管道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度，mm；Re為雷諾數(shù)；μ0為燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的動(dòng)力黏度，Pa·s；pe為管網(wǎng)終點(diǎn)絕對(duì)壓力，Pa；de為管網(wǎng)終點(diǎn)管徑，m；Δ為管網(wǎng)管材耗量比；下標(biāo)B表示中壓B級(jí)；下標(biāo)A表示中壓A級(jí)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（修改回稿日期 2015-12-02 編輯 陳 嵩）

Pressure rank selection of natural gas distribution networks in medium-small towns

Kong Chuan1,2
(1. Chongqing University, Chongqing 401331, China; 2. Sichuan University, Chengdu 610065, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.152-156， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:In medium and small-sized towns of China, natural gas utilization is developing fast. In engineering design, medium pressure A distribution networks are mostly adopted, but medium pressure B distribution networks are seldom used. In view of this, blasting energy ratio and leakage mass flow ratio between medium pressure B and A pipelines were compared, and an analysis was performed on the contribution of pressure transferring utilization. Quantitative analysis was also conducted on the minimum street width required by medium pressure A pipelines and the applicability of medium pressure B pipelines was demonstrated. Then, a pipe diameter expression for mediumpressure natural gas distribution networks at constant flow rate was developed by covering the gas supplying regions in medium and smallsized towns with virtual looped networks. On the basis, pipe consumption ratios of medium pressure B and A networks were calculated for the networks with the same constitutions by varying gas supply scale and maximum pipeline length. It is shown that the investment rises by more than 20% when medium pressure B is adopted in natural gas distribution networks of medium and small-sized towns. It is indicated that medium pressure B is economically worse than medium pressure A, but much more superior in terms of pressure safety and laying conditions. As for the old towns with narrower streets, therefore, it is necessary to analyze and compare various programs comprehensively so as to reach the final decision. It is concluded that medium pressure B distribution networks are prospective in medium and small-sized towns.

Keywords:Medium-small towns; Natural gas; Distribution network; Medium pressure B pipelines; Pressure safety; Medium pressure A pipelines; Pressure rank selection

作者簡介：孔川，1963年生，教授級(jí)高級(jí)工程師；入選第一批四川省城鎮(zhèn)燃?xì)庑袠I(yè)專家?guī)?，主要從事城?zhèn)燃?xì)饨虒W(xué)、科研、咨詢和設(shè)計(jì)方面的工作。地址：（610065）四川省成都市一環(huán)路南一段24號(hào)。ORCID:0000-0003-3698-8754。E-mail:kong_ chuan@163.com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.020