農村沼氣工程輸配管網快速設計

李智昊， 李 霞， 龔貴金

(南昌大學 建筑工程學院， 江西 南昌 330031)

農村沼氣工程輸配管網快速設計

李智昊， 李 霞， 龔貴金

(南昌大學 建筑工程學院， 江西 南昌 330031)

沼氣輸配管網系統是沼氣工程中重要的組成部分，而管網水力計算是沼氣管網系統設計的核心。文章通過給出在一定條件下管道的管徑、輸氣能力、管內氣體流速之間的關系，將結果形成表格，以期為沼氣輸配管網的水力計算提供科學的理論依據，達到快速設計的目的。

沼氣工程； 輸配管網； 水力計算

農村沼氣工程作為生態農業技術模式的紐帶，將種植業、養殖業、庭院經濟有機結合，在解決有機污染問題的同時產生了清潔能源，促進了生態農業建設健康持續發展。目前，隨著國家對農村沼氣工程轉型升級政策的實施，對農村沼氣工程的建設要求必將趨于經濟、合理、規范化。在整個沼氣工程建設中，沼氣輸配管網的建設無論從投資及工程量的角度講，都占有相當大的比重。然而目前對農村沼氣工程輸配管網的設計，幾乎完全停留在經驗值的基礎上，這樣的設計一方面缺乏科學的理論依據，不能保證供氣的安全性和可靠性;另一方面也增大了在工程建設中對管材的不必要消耗。為此，筆者以水力學理論及國家現行標準的推薦公式為基礎，針對農村沼氣輸配管網做出水力計算，給出管道輸氣能力、管徑、管內氣體流速的關系。最終以表格的形式為小型沼氣管網的建設提供設計依據；以達到快速設計的目的。

1 管網設計參數選擇及依據

1.1 農村沼氣工程輸氣管網的特點

沼氣工程是一項以開發利用養殖場糞污為對象的技術。由于受到村鎮地域人口及經濟條件的限制，其輸氣管網多具有如下特點：輸送半徑短；輸氣量小；輸氣管網多成枝狀。

1.2 管網設計參數的確定

根據目前農村小型沼氣工程建設實例，并參照《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028-2006)。確定沼氣輸配管網設計條件如下： 1)輸氣系統采用中低壓輸氣，其中沼氣站(管道系統起端)到調壓箱之間的管段采用中壓輸氣(0.1～0.2MPa)，調壓箱到用戶端采用低壓輸氣(0.01 MPa以下)； 2)輸氣管材選擇聚乙烯燃氣管(PE管)； 3)計算氣體密度設計為1 g·cm-3； 4)采用枝狀管網供氣； 5)設計燃氣溫度15℃，壓強101.325 kPa； 6)管壁內表面的當量絕對粗糙度取0.01 mm。

2 設計過程

2.1 沼氣管道系統輸氣量的確定

居民用氣和商業用氣指標應根據當地居民和商業用氣量統計分析確定。無相關資料時，一般情況下居民每戶生活用氣量按1.3～1.5 m3·d-1計算，未預見用氣量按總用氣量的5%～10%計算。

圖2 計算程序框圖

居民生活和商業用戶燃氣小時計算流量(0℃和101.325 kPa)，按公式(1)和公式(2)計算：

(1)

(2)

式中：Qh為燃氣小時計算流量，m3·h-1；Qa為年燃氣用量；n為年燃氣最大負荷利用小時數，h；Km為月高峰系數；Kd為日高峰系數；Kh為時高峰系數。

2.2 沼氣管道系統定線

沼氣管道的定線應綜合考慮施工、管理、維護等因素；協調好與其他管線道路的關系；按照整體規劃的原則，結合當地實際科學地進行定線，其具體細節應遵守《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028-2006)。

當完成管道的定線工作后，燃氣管段的計算長度已確定。

2.3 各計算管段設計流量確定

農村沼氣工程由于受到當地經濟條件制約及自身工程規模影響，采用枝狀管網供氣。各管段的設計流量計算簡圖見圖1。

圖1 管段的設計流量計算簡圖

各管段的設計流量按公式(3)計算：

(3)

式中：Qn為管段計算流量；Qh為供氣區域總燃

氣小時計算流量；qi為各節點流量。

2.4 沼氣輸配管網的水力計算

根據《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028-2006)，低壓燃氣管道單位長度的摩擦阻力應按公式(4)計算，高壓、次高壓和中壓燃氣管道的單位長度摩擦阻力損失。按公式(5)計算：

(4)

(5)

(6)

式中：△p為燃氣管道摩擦阻力損失，Pa；λ為燃氣管道摩擦阻力系數，按公式(6)計算；l為燃氣管道的計算長度，m；Q為燃氣管道的計算流量，m3·h-1；d為管道內徑，mm；ρ為燃氣密度，kg·m-3；T為設計中燃氣所采用的溫度，K；T0為273.15 K；P1為燃氣管道起點壓力(絕對壓力)，kPa；P2為燃氣管道終點壓力(絕對壓力)，kPa。

通過之前的步驟，至此已經知道計算管段的長度及流量Q。計算管段起端，末端壓力在實際過程中分別對應沼氣站的輸氣壓力，用戶末端壓力或調壓箱的進口壓力，這些都是設計值，即已知量。

然而在水力計算過程中，不可避免的要解公式(6)，一個隱函數方程，給計算帶來了極大的障礙。要求借助計算機工具，采用MATLAB，其軟件框圖見圖2。

具體計算結果見表1～表3。

表1 低壓輸氣管網設計計算參考表

表2 0.1 MPa輸氣管網設計計算參考表

表3 0.2 MPa輸氣管網設計計算參考表

注：1)表格的結果是在計算出沿程阻力的基礎上乘以一定的安全系數得到的(考慮到局部阻力損失和供氣的安全性)。2)表頭上0.1，0.2 MPa(表2和表3)指輸氣管網的起端壓力，起端到調壓箱為中壓輸氣管網，中壓輸氣管網的末端壓力設計為0.05 MPa(參考調壓箱的進口壓力要求)。3)從調壓箱到用戶端為低壓輸氣管網(表1)，低壓輸氣管網的管道壓力允許損失值根據《城鎮燃氣設計規范》GB 50028-2006第6.2.8條計算，本表設計允許損失值為900 Pa。4)考慮到本表在實際工程的實用性，低壓管網以輸送距離為首要制約因素；在中壓輸氣管網中則以經濟流速為主要制約因素。5)計算表的所有計算參數均在文章1.2節交待。

3 總結

水力計算的最終目的是合理地選擇管段管徑，在實際工程中，管道的選擇限制于標準管徑(可選擇的管徑是有限并且固定的)。同時，管道內氣體流速需滿足經濟流速的要求?；谶@樣的實際情況，借助于MATLAB，運用上述軟件框圖，即可得到一定情況下，行業內各標準管道管徑、輸氣能力、輸送距離之間的關系。 一旦這些數據以上述表格的形式給出，那么管網水力計算工作即可以查表的形式完成。這樣的表格極大地減少了設計的工作量，為初步設計提供了理論依據。

[1] 郝先榮. 中國沼氣工程發展現狀與展望[J].中國牧業通訊,2011,12:28-31.

[2] GB 50028-2006，城鎮燃氣設計規范[S].

[3] GB/T51063-2014，大中型沼氣工程技術規范[S].

[4] 付祥釗，肖益民.流體輸配管網[M].北京：中國建筑工業出版社，2009：45-52.

[5] 錢 煒. 提高燃氣管網運行能力的途徑[J].上海煤氣,2002,06:7-9.

QuickDesignofGasPipelineNetworkSystemforRuralBiogasProject/

LIZhi-Hao,LIXia,GONGGui-Jin/

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,NanchangUniversity,Nanchang330031,China)

The gas pipeline network system is an important part for the biogas project, and its hydraulic calculation is the core for the gas pipeline design. This paper provided the relations among pipe diameter, gas transmission capacity and pipe gas velocity under certain conditions, and established forms based on the calculation according to their relations. With these forms, it achieved the goal of rapid design for the biogas pipeline network.

biogas project； pipeline network； hydraulic calculation

2016-07-25

2016-08-22

李智昊(1994-)，男，漢族，陜西省略陽縣人，本科在讀，研究方向為流體輸配管網工程模型建立及施工管理，E-mail：1337533569@qq.com

S216.4

B

1000-1166(2017)04-0067-04