各類用戶高峰小時流量的分離與燃氣管網改造

楊曉嶸， 唐 杉

(中國市政工程西北設計研究院有限公司新疆分院，新疆烏魯木齊830000)

1 概述

本文各類用戶包括居民用戶、商業用戶、熱水爐供暖用戶、鍋爐供暖用戶、工業用戶。其中居民用戶用氣量為居民生活用氣量，熱水爐供暖用戶用氣量包括居民生活用氣量和熱水爐供暖用氣量。

西北某市，現狀人口為58×104人，天然氣工程經過2009—2018年的建設，已建成門站1座，中壓主干管網144.6 km，燃氣調壓箱1 435 臺。各類燃氣用戶分布如下:居民用戶為119 529 戶，供暖熱水爐供暖用戶(以下簡稱熱水爐供暖用戶)為6 616戶；商業用戶138 戶；燃氣鍋爐房供暖用戶(以下簡稱鍋爐供暖用戶)61戶；工業用戶2 戶。2015—2017年，各年天然氣總流量(不含汽車流量)分別為2 071.00×104m3/a、3 598.87×104m3/a、3 972.18×104m3/a。本文涉及的天然氣用量均為壓力為101 325 Pa，溫度為20 ℃標準狀態下的用量。

目前運營問題主要集中在兩方面，一是冬夏用氣量波峰與波谷比值已達5∶1；二是近年來尤其是2017—2018年冬季用氣高峰時期，處于管網末端的燃氣鍋爐房出現壓力低至0.08 MPa，無法啟動的情況。前者由于供暖用戶占有一定比例，是北方城市普遍特點；后者需以水力計算為基礎，進行管網改造。

2 現狀管網建模

① 基礎參數處理

該市地形平緩，北高南低，現狀為單門站供氣，氣源來自西氣東輸二線、三線，燃氣主管道公稱直徑為400、300、200 mm。由于水力計算軟件運行中，需要對實際的燃氣管道進行一定的梳理與精簡，特作如下假設[1]。

a.水力計算用氣點只計算到主要三通閥門井處(即小區控制閥門井處)。

b.將末端用戶前長度小于50 m的支線簡化為節點，便于建立模型。此節點前管道長度乘以1.1～1.2的系數。

c.管網支線較多，材料分為鋼管和PE管，根據材料的不同分別選取相應的粗糙度；摩擦阻力系數由水力計算軟件計算。

d.不考慮溫度對流體運動及狀態的影響。

e.管道內天然氣的狀態參數由BWRS方程確定。

f.居民流量依據人口(住宅戶數、住宅密度、商業集中區)按照等概率分布確定高峰小時流量。

② 高峰小時流量確定

由于該市現狀調壓箱抄表數據均為一日一抄，不能直接作為水力計算中各節點的高峰小時流量。應首先根據城市流量記錄數據確定計算周，然后結合當地氣象參數及現狀各類用戶用氣特點，將計算周內的流量處理成各類用戶的高峰小時流量[2]。

a.計算周的確定

根據該市門站的2017—2018年冬季供暖期中每日氣溫和城市各類用戶高峰小時流量資料，綜合確定2018年2月12日至2月18日為計算周，計算周相關氣象資料見表1。計算周每日小時流量見表2。由于該市天然氣工業用戶只有兩家，經實地調研，高峰小時流量合計為600 m3/h，運行平穩，且產量一直平穩，表2中每小時的流量數據中已將其分離出去。因此表2為居民用戶、商業用戶、供暖用戶的計算周每日小時流量。

表1 計算周相關氣象資料

表2 計算周每日小時流量 m3/h

續表2 m3/h

b.供暖高峰小時流量的分離

根據表2，分析每日流量的共同規律，得出4:00—7:00為用氣低谷時間段，結合該市天然氣以居民為主的用戶結構可判定該時間段僅為供暖用戶用氣。19:00—22:00為用氣高峰期，該時間段內用戶類型為居民用戶、商業用戶和供暖用戶。室內計算溫度為20 ℃，依據4:00—7:00及19:00—22:00的平均溫度分別計算兩個時段的室內外溫差，依據4:00—7:00的平均小時流量計算得出19:00—22:00供暖部分平均小時流量。考慮供暖平均小時流量與供暖高峰小時流量的比值為0.85，得出19:00—22:00供暖高峰小時流量。由此將供暖高峰小時流量與居民、商業合計高峰小時流量分離，見表3。

表3 各類用戶的高峰小時流量 m3/h

c.各類用戶高峰小時流量的分離

選取市區榮城楓景美居等5個小區及周邊縣城巴西莊子等7個小區共計16 584 戶進行統計分析，這些小區無熱水爐供暖用戶。得出居民日均用氣量為0.5 m3/戶，小時高峰系數為2.7，居民用戶高峰小時流量當量(即居民生活高峰小時流量當量)為0.056 3 m3/(h·戶)。

根據居民生活高峰小時流量當量及居民用戶和熱水爐供暖用戶數量，將居民生活高峰小時流量從居民生活和商業合計高峰小時流量中分離。居民生活和商業高峰小時流量為9 068.3～11 725.2 m3/h，考慮到春節期間非常住人口的流入，本文按照10 886 m3/h進行估值。居民用戶和熱水爐供暖用戶之和為126 145戶，居民生活高峰小時流量當量為0.056 3 m3/(h·戶)，則可得出商業用戶高峰小時流量。根據調研現狀數據商業用戶設備總額定流量為55 087.3 m3/h，得出商業用戶高峰小時流量當量為0.068 7 m3·h/(h·m3)。

本論文中熱水爐供暖用戶為6 616戶，熱水爐總額定熱負荷為29.771 MW。鍋爐總額定蒸發量為318 t/h,總額定熱負荷為222.6 MW。根據表3，供暖高峰小時流量為7 553.3～151 15.7 m3/h,取12 000 m3/h，熱水爐與鍋爐按額定熱負荷進行分攤，計算出鍋爐供暖用戶高峰小時流量當量為33.284 m3·h/(h·t)，熱水爐供暖用戶供暖高峰小時流量當量為0.214 0 m3/(h·戶)。

熱水爐供暖用戶流量包括居民生活流量和熱水爐供暖流量，熱水爐供暖用戶高峰小時流量當量為0.270 2 m3/(h·戶)

d.各類用戶高峰小時流量當量及高峰小時流量

各類用戶高峰小時流量當量及高峰小時流量見表4。

表4 各類用戶高峰小時流量當量及高峰小時流量

3 近期高峰小時流量預測

考慮到目前主城區發展比較充分，氣化工作已基本完成，用戶變化較大的是部分煤改氣鍋爐供暖用戶，均計劃在近3年完成，第二門站的接入工程已啟動。因此管網改造應考慮近3年的分年度的流量預測，這樣更接近實際運行情況。至2020年，城市天然氣新增用戶包含新增的居民用戶、商業用戶、鍋爐供暖用戶及煤改氣鍋爐供暖用戶，應用高峰小時流量當量預測新增高峰小時流量，見表5。根據對該市工業企業的現場調研，現狀主城區不再新增工業企業，現狀2家工業用戶維持已有生產規模不變。根據國務院國發[2013]37號文《大氣污染防治行動計劃》的相關要求，應全面整治燃煤小鍋爐，加快調整能源結構，增加清潔能源供應。為積極響應政府號召，該市開始實施“煤改氣”工程，燃氣企業需將此部分用氣單獨列出，用以核算補貼氣價。

表5 預測新增高峰小時流量

4 現狀管網水力計算及問題分析

① 現狀管網水力計算

現狀管網水力計算是以居民、商業、供暖及工業4類用戶用氣量為基礎進行計算。對現狀管網建模，代入各個節點的高峰小時流量進行運算，計算結果有問題的節點主要集中在市區西南角，最大流速出現在伊犁河路DN 200 mm燃氣管道，流速已達39.9 m/s，南環路管網最不利末端壓力為78 kPa。水力計算結果與現實出現最低點壓力的位置及數據吻合，證明在缺少部分數據的情形下，按氣象參數及用氣特點等規律確定的各類用戶高峰小時流量是符合現實情況的[3]。

② 流速分析

根據商業水力計算軟件對該市現狀中壓管網水力計算的結果，統計得出流速過大(實際流速超過經濟流速上限即20 m/s)的管段有6根。

③ 問題分析

a.中心城區管道斷頭路較多

中心城區存在多處斷頭路，因而管道敷設也隨之中斷，影響管網流量合理的分配，使城市管網局部壓力過低。

b.城市管網管徑瓶頸過多

2017年至2018年供暖期，位于南環路恒大綠洲小區鍋爐房附近中壓管網壓力低至0.08 MPa，導致燃氣鍋爐無法正常啟動。原因為上游個別道路管徑小于下游管徑，用氣高峰期間導致末端節點壓力不足。

5 管網改造方案

① 改造思路

新建及改擴建管道主要考慮3類需要:一是滿足新增用戶需求，即根據新增用戶所在位置考慮新建管道，沿就近道路敷設；二是現狀斷頭路的連接，對現狀管網某些由于歷史原因未連通的管道進行連接，以達到改善管網水力工況的目的；三是瓶頸管道的改擴建，主要考慮對于現狀管網流速較大的管道增大管徑。

在上述分年度流量預測的基礎上，計算分配各節點的流量，對2018—2020年的管網建模并進行水力計算，對水力計算結果對比驗證，結合城市建設管理部門的年度道路建設計劃等外部因素，確定分年度管網改造與新建工程計劃[4]。

② 2018年度管網水力計算

2018年度的水力計算應考慮新增用戶的流量，重點解決現狀個別節點冬季用氣高峰壓力較低的問題。氣源點高峰小時流量為29 227.4 m3/h，管網最不利點壓力為225.13 kPa。

③ 2019年度管網水力計算

新建二門站的選址等前期手續已批復，于2018年4月啟動建設，但二門站在2019年度投產供氣的具體時間不確定，所以水力計算應考慮兩種情形，分別為一門站單獨供應、兩門站聯合供應。

a.一門站單獨供應

2019年度氣源點高峰小時流量為36 435.6 m3/h，一門站出站主管道流速為19.82 m/s，管網最不利點壓力為190.54 kPa。

b.兩門站聯合供應

2019年度氣源點高峰小時流量合計為36 435.6 m3/h，其中一門站高峰小時流量為5 000 m3/h，二門站高峰小時流量為31 435.6 m3/h，管網最不利點壓力為198.03 kPa。

④ 2020年度管網水力計算

2020年度管網水力計算見圖1。2020年度由于二門站已投產運行，為兩門站聯合供應。2020年度氣源點高峰小時流量合計為43 654.5 m3/h，其中一門站高峰小時流量為10 000 m3/h，二門站高峰小時流量為33 654.5 m3/h，管網最不利點壓力為199.37 kPa。

⑤ 改造工程量

圖1 2020年管網優化水力計算

2018年對輸配系統管道進行改造，其中新建中壓管道7.8 km，斷頭路連接中壓管道1.84 km，改擴建管道4.05 km。2019年繼續對輸配系統管道進行改造，其中新建中壓管道14.3 km，斷頭路連接中壓管道1.7 km，改擴建管道0.5 km。2020年繼續對輸配系統管道進行改造，其中新建中壓管道5.0 km，斷頭路連接中壓管道0.4 km。

6 結語

① 分析西北某市燃氣管網現狀，存在用氣高峰時處于管網末端的鍋爐供暖用戶壓力過低的情況。通過現有調研資料得出各類用戶(居民用戶、商業用戶、熱水爐供暖用戶、鍋爐供暖用戶、工業用戶)的高峰小時流量。

② 工業用戶采用工廠實測數據。認為4:00—7:00只有供暖小時流量，根據4:00—7:00及19:00—22:00兩個時段的室內外溫差，依據4:00—7:00的平均小時流量計算得出19:00—22:00的供暖平均小時流量，考慮平均小時流量與高峰小時流量的比值，得到供暖高峰小時流量，將供暖高峰小時流量與居民生活和商業合計高峰小時流量分離。根據12個小區的調研數據，得到居民用戶(居民生活)高峰小時流量當量，將居民生活高峰小時流量從居民和商業合計高峰小時流量中分離，剩余高峰小時流量為商業高峰小時流量。熱水爐供暖用戶與鍋爐供暖用戶按額定熱負荷分攤，計算熱水爐供暖、鍋爐供暖高峰小時流量。

③ 應用商業水力計算軟件對現狀管網進行水力計算，通過增加門站以及對現有燃氣管網中壓管道新建、斷頭路連接、改擴建進行改造，改造后的管網水力計算結果均滿足要求。