中小城鎮天然氣配氣管網的壓力級別選擇

孔 川

1.重慶大學 2.四川大學

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

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中小城鎮天然氣配氣管網的壓力級別選擇

孔 川1,2

1.重慶大學 2.四川大學

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

摘 要中小城鎮是我國當前天然氣利用快速發展的區域，工程設計中其天然氣管網多采用中壓A級配氣管網，而忽略了中壓B級管網具有的特性。為此，比較了中壓B級和中壓A級管道的爆破能量比和泄漏質量流量比，分析了壓能轉移利用的貢獻，對中壓A級管道所需的最小街道寬度進行了定量分析，論證了中壓B級管道的適用性。進而用虛擬環網覆蓋中小城鎮供氣區域，推導出等流速工況下中壓天然氣配氣管網管徑表達式，計算了相同管網構成時不同供氣規模、不同最大管路長度時，中壓B級管網與中壓A級管網的管材耗量比。結果表明：中小城鎮天然氣配氣管網采用中壓B級比采用中壓A級投資增加20%以上，經濟性相對較差；但中壓B級在壓力安全和敷設條件方面卻具有明顯的優勢。因此對于老城古鎮等區域較窄的街道，要考慮各種方案并綜合決策。結論認為：中壓B級配氣管網在中小城鎮的應用具有廣闊的前景。

關鍵詞中小城鎮 天然氣 配氣管網 中壓B級管道 壓力安全 中壓A級管道 壓力級別選擇

中國自20世紀80年代中期開始探索中壓供氣方式[1]，四川省、重慶市等地的城鎮燃氣大量采用了中壓配氣管網[2]；至20世紀90年代末期，我國大中型城市的天然氣利用快速發展，使中壓配氣系統得以形成、完善和廣泛應用[3-6]；隨著天然氣利用進一步普及，中小城鎮天然氣供應也成了研究和關注的重點[7-8]。中小城鎮一般泛指人口不超過20萬的小城市和中心鎮，這類城鎮是我國近年來天然氣利用發展最強勁的區域。

2006年GB50028—2006《城鎮燃氣設計規范》將中壓級別劃分為中壓A級別和中壓B級別[9]。由于中壓A級管網比中壓B級管網的可資利用壓力降大，輸配氣量更多，且管網的管徑減小，在相同輸配氣量和管徑下可增加供氣面積，于是在城鎮管網的建設中，中壓A級配氣的應用成為首選，原本為中壓B級的管網也紛紛改建為中壓A級[10-11]。受此影響，大多數中小城鎮在天然氣供應壓力級別的選擇上，也都將配氣管網壓力級別定為中壓A級。經初步調查，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，其天然氣經營企業都在設計的中壓A級管網基礎上，出于安全考慮而降壓配氣，普遍的實際配氣壓力為0.3 MPa，甚至達到0.2 MPa，接近或達到中壓B級。另一方面，經走訪調查和實測表明，在許多中小城鎮既有的街道上敷設管網，有較多地段難以達到《城鎮燃氣設計規范》中對燃氣管道與建筑物間距的強制性要求。這迫使相關部門按照規范要求，采取一定的“有效措施”，提高了建設成本，而由于定性的“有效措施”難以量化，燃氣經營企業還需要擔負采取的措施可能不被認可的風險。分析認為，中小城鎮采用中壓B級管網是解決這些問題的一個有效思路，為此做以下幾方面的探討。

1 中壓B級管網的優勢

1.1 降低高壓風險

管道的風險因素有很多，壓力較低的管道其風險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級最高壓力（0.2 MPa，表壓，下同）與中壓A級最高壓力（0.4 MPa）相比，按照Brown提出的等熵膨脹公式[12]計算，前者的爆破能量僅為后者的43%；而兩種壓力下的燃氣泄漏均為音速泄漏，則管道無論有無覆土等阻礙（當量泄漏系數相同），前者的泄漏質量流量為后者的60%。

基于壓力安全的另一種現象是，部分城鎮原有敷設的中壓A級管網因種種原因有較多管段未達到規范強制性要求的凈距，為此較普遍地降壓使用，以保證安全。這也說明，降壓使用可能會成為使管段間距達標的手段之一。

1.2 管位易獲取

街道的寬度對燃氣管道布置空間的限制是壓力級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的投資，因此部分大城市的歷史街區受地下空間限制，也考慮采用專設的中壓B級管道。中小城鎮特別是古城、老鎮的街道比較窄，如成都市洛帶古鎮主街道寬度介于6.0~8.0 m，次要街道寬度介于4.0~5.0 m[13]，黃龍溪古鎮的“主街—街—巷”的道路結構中，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，其老城區內較窄的聯絡街道多，也需要敷設天然氣管道。分析認為，在只敷設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，燃氣管道與周邊的間距為《城鎮燃氣設計規范》強制性規定，而給水和排水管與非燃氣管的間距僅僅是基本要求，遠遠達不到給排水規范的要求（雖然不是強制性規定）。而中壓B級管道則可在同等條件下布置于3.6 m寬的街道上，如果有更嚴格的限制，則只能選擇低壓配氣系統。因此，對于較窄的街道，中壓B級配氣管網具有更強的適應性。

圖1 敷設中壓A級燃氣管道的最低街道寬度分析圖

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、儲氣設施和配氣管網上，是城鎮天然氣供氣系統技術經濟的重要體現。大城市高中壓調壓站的負荷較大，配氣管網選擇中壓A級是合理的，這在實踐中也得到了大量的證實。對于中小城鎮特別是小城鎮，當門站距接氣點較遠（以縣城為中心的城鄉一體化供氣系統往往如此）時，輸氣管道壓降和配氣管道的壓降分配十分重要，需要結合具體情況分析計算后確定。分析和實踐結果表明，門站與接氣點距離越遠，輸氣管道（附帶還需要利用其儲存一部分調峰用氣）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較遠的小城鎮的配氣管網壓力級別選中壓B級最為合適，而選擇中壓A級以降低配氣管網投資的方案次之。根據這一結論，選擇中壓B級燃氣管網的小城鎮可能會越來越多。

2 投資增加分析與決策

2.1 中壓B級配氣管網投資增加分析

2.1.1 中小城鎮天然氣環狀管網供氣規模

中小城鎮的CNG站、工業、集中采暖、分布式能源站等用戶的用氣量相對較大，具有集中負荷的特點，且多分布在城鎮邊緣，對其采用單獨的供氣輸配方案是安全、經濟的，在實際操作中也大多如此。而對居民用戶和公共建筑的配氣管網，一般隨城鎮道路網絡成環狀布置。由此可認為，中小城鎮天然氣輸配管網宜建成以民用氣為主負荷的環狀網絡結構，其他用戶供氣則采用專線枝狀網絡結構的形式。

對不采用燃氣分戶采暖的南方中小城鎮（特別是鄉鎮聚居地），環網負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量指標（將公共建筑用氣折算到居民家庭用戶的指標）為1.0~1.5 m3計，不大于20萬人口的中小城鎮環狀天然氣配氣管網的供氣規模一般不大于10×104m3/d，對應管網最大小時流量約為1.7×104m3/h，折算為4.72 m3/s。筆者以此作為中小城鎮環網供氣負荷的最大值做分析。

2.1.2 管網投資增大解析

為便于分析，筆者對中小城鎮的燃氣管網做如下簡化：①基于中小城鎮民用建筑容積率變化不大，對應燃氣負荷相對均勻，故假定供氣區域內面積負荷qa相同；②在供氣區域中，假定從門站到最遠點的管路有n條虛擬主管路并聯形成環網，每條虛擬管路可根據實際街道的情況通過串、并聯關系，分解為實際管道；③構成環網的n條管路具有對稱性質。這些假定雖不能得到實際工程量，但對水力工況分析有利。

中壓環網的水力計算基本模型為管段阻力損失基本公式和以各環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；ρ為燃氣密度；g為重力加速度；u為燃氣流速；d為管道內徑。下標lj表示以管道軸心線l構成的j環上的封閉曲線。

基于假定③的對稱性，式（2）自然成立，于是用式（1）分析最外單條虛擬管路即可。設有n條管路相近地承擔配氣負荷即管網的最大小時流量為Q0（下標“0”表示標準狀態，下同），每條管路上的負荷近似平均為Q0/n，則長度為L的外緣虛擬管路上距管網零點或終點相距l處的流量為：

燃氣管網的運行在等流速和等管徑兩種水力工況之間，而城鎮燃氣配氣管網不采用等管徑配置，以下僅分析等流速工況。當u為常數時，d隨l變化，在l點處，據流量與流速關系式、狀態方程和質量守恒方程ρ0u0=uρ得：

聯立式（3）可得：

式中，u為常數，管網起點壓力為ps，則可得到l=L時，管段起點處的最大管徑：

可將阿里特蘇里公式求沿程阻力系數λ的表達式改寫為：

式中，K為管道內壁絕對粗糙度；Re為雷諾數；μ0為燃氣動力黏度；C為式中所示除d外的代數。

將C代入中壓A級或B級內的天然氣密度（隨壓力變化而變）、天然氣的動力黏度，經濟流速范圍內取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時不超過3.5%，u=20 m/ s時不超過1.2%），可視為常數。將式（6）、式（7）代入式（1）并對其兩端從0到L積分，對應p為已知管段終點壓力（pe）和起點壓力（ps），變換可得該等流速：

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

式中下標A、B表示中壓A或中壓B壓力級別。

按前述對中小城鎮天然氣供氣規模的分析和一些合理的假定，取psA=5×105Pa（絕對壓力，下同），psB=3×105Pa，pe=1.8×105Pa，de=80 mm，n=3，計算得C≈0.0126，其他取常用數據，可以得到中小城鎮相同管網結構下，不同規模、不同最大管路長度（L）時的管材耗量比（表1）。

表1 中小城鎮不同燃氣負荷下中壓A級和中壓B級的管材耗量比表

分析表1可知，中壓B級管網比中壓A級的管材耗量要增加21%~30%，主要體現在管道管徑變大，相應投資增加17%~25%。對于小城鎮，增加的比例要稍小些，這是因為小管徑接近“最小管徑限制”的緣故。同時，如果規范在今后能將中壓B級最高壓力確定為0.25 MPa（表壓），則管材耗量增加13%~19%，投資增加比例會相應下降。

2.2 壓力級別選擇的決策

當前的壓力級別選擇決策是多目標決策。綜上分析，如果從防范較高壓力的風險而言，中壓B級管網有明顯的優勢；中壓B級管網起點壓力比中壓A級低，表面上似乎沒有充分利用壓能，但它增加了上一級管網的壓能利用；從管網投資來看，中壓B級管網需要有相應的增加。這需要決策者進行綜合全面的判斷后，依據主要目標決策。對設計人員，應該注意的是，中小城鎮特別是小城鎮、古城和老鎮，選擇壓力級別一定要現場勘查地下空間可用管位，切勿依照簡單的技術經濟指標即行定案。

3 結論

1）對于中小城鎮特別是小城鎮，由于其供氣區域和供氣負荷不大，在配氣管網采用多環結構時，采用中壓B級一級配氣系統比采用中壓A級的管材耗量將增加20%以上，經濟性較差。

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

3）對于街道狹窄的老城古鎮，當缺乏敷設中壓A級管道的條件時，要從中壓B級入手且甚或采用低壓配氣管網。

4）對于燃氣管道后置于其他地下管線而難以布置中壓A級管道管位時，要綜合考慮各種方案。

5）中壓B級配氣管網在中小城鎮的應用具有廣闊的前景。

符 號 說 明

dp為dl的壓力降，Pa；λ為沿程阻力系數；ρ為燃氣密度，kg/m3；u為燃氣流速，m/s；d為管道內徑，m；dl為管路上任一微小管段長，m；下標lj表示管道軸心線構成的j環；Q0,t為l斷面處的流量（標準狀態下），m3/s；Q0為管網的最大流量（標準狀態下），m3/s；n為并聯管路數；L為管路計算長度，m；l為管路上距管網零點或終點的距離，m；u0為標準狀態下的燃氣流速，m/s；p為絕對壓力，Pa；p0為當地絕對壓力，Pa；dmax為最大管內徑，m；ps為管網起點絕對壓力，Pa；K為管道內壁絕對粗糙度，mm；Re為雷諾數；μ0為燃氣標準狀態下的動力黏度，Pa·s；pe為管網終點絕對壓力，Pa；de為管網終點管徑，m；Δ為管網管材耗量比；下標B表示中壓B級；下標A表示中壓A級。

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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，教授級高級工程師；入選第一批四川省城鎮燃氣行業專家庫，主要從事城鎮燃氣教學、科研、咨詢和設計方面的工作。地址：（610065）四川省成都市一環路南一段24號。ORCID:0000-0003-3698-8754。E-mail:kong_ chuan@163.com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.020