中小城镇天然气配气管网的压力级别选择

孔 川

1.重庆大学 2.四川大学

孔川. 中小城镇天然气配气管网的压力级别选择.天然气工业，2016，36（1）：152-156.



中小城镇天然气配气管网的压力级别选择

孔 川1,2

1.重庆大学 2.四川大学

孔川. 中小城镇天然气配气管网的压力级别选择.天然气工业，2016，36（1）：152-156.

摘 要中小城镇是我国当前天然气利用快速发展的区域，工程设计中其天然气管网多采用中压A级配气管网，而忽略了中压B级管网具有的特性。为此，比较了中压B级和中压A级管道的爆破能量比和泄漏质量流量比，分析了压能转移利用的贡献，对中压A级管道所需的最小街道宽度进行了定量分析，论证了中压B级管道的适用性。进而用虚拟环网覆盖中小城镇供气区域，推导出等流速工况下中压天然气配气管网管径表达式，计算了相同管网构成时不同供气规模、不同最大管路长度时，中压B级管网与中压A级管网的管材耗量比。结果表明：中小城镇天然气配气管网采用中压B级比采用中压A级投资增加20%以上，经济性相对较差；但中压B级在压力安全和敷设条件方面却具有明显的优势。因此对于老城古镇等区域较窄的街道，要考虑各种方案并综合决策。结论认为：中压B级配气管网在中小城镇的应用具有广阔的前景。

关键词中小城镇 天然气 配气管网 中压B级管道 压力安全 中压A级管道 压力级别选择

中国自20世纪80年代中期开始探索中压供气方式[1]，四川省、重庆市等地的城镇燃气大量采用了中压配气管网[2]；至20世纪90年代末期，我国大中型城市的天然气利用快速发展，使中压配气系统得以形成、完善和广泛应用[3-6]；随着天然气利用进一步普及，中小城镇天然气供应也成了研究和关注的重点[7-8]。中小城镇一般泛指人口不超过20万的小城市和中心镇，这类城镇是我国近年来天然气利用发展最强劲的区域。

2006年GB50028—2006《城镇燃气设计规范》将中压级别划分为中压A级别和中压B级别[9]。由于中压A级管网比中压B级管网的可资利用压力降大，输配气量更多，且管网的管径减小，在相同输配气量和管径下可增加供气面积，于是在城镇管网的建设中，中压A级配气的应用成为首选，原本为中压B级的管网也纷纷改建为中压A级[10-11]。受此影响，大多数中小城镇在天然气供应压力级别的选择上，也都将配气管网压力级别定为中压A级。经初步调查，四川省许多县城，如大竹县、渠县、南部县、西充县、峨眉山市、井研县、荣县、屏山县、高县、资中县、通江县等等，其天然气经营企业都在设计的中压A级管网基础上，出于安全考虑而降压配气，普遍的实际配气压力为0.3 MPa，甚至达到0.2 MPa，接近或达到中压B级。另一方面，经走访调查和实测表明，在许多中小城镇既有的街道上敷设管网，有较多地段难以达到《城镇燃气设计规范》中对燃气管道与建筑物间距的强制性要求。这迫使相关部门按照规范要求，采取一定的“有效措施”，提高了建设成本，而由于定性的“有效措施”难以量化，燃气经营企业还需要担负采取的措施可能不被认可的风险。分析认为，中小城镇采用中压B级管网是解决这些问题的一个有效思路，为此做以下几方面的探讨。

1 中压B级管网的优势

1.1 降低高压风险

管道的风险因素有很多，压力较低的管道其风险无疑比压力较高的管道有所减小。以物理爆炸（破裂）和大量泄漏这两种最大的直接危害为例，在其他条件相同的情况下，天然气中压B级最高压力（0.2 MPa，表压，下同）与中压A级最高压力（0.4 MPa）相比，按照Brown提出的等熵膨胀公式[12]计算，前者的爆破能量仅为后者的43%；而两种压力下的燃气泄漏均为音速泄漏，则管道无论有无覆土等阻碍（当量泄漏系数相同），前者的泄漏质量流量为后者的60%。

基于压力安全的另一种现象是，部分城镇原有敷设的中压A级管网因种种原因有较多管段未达到规范强制性要求的净距，为此较普遍地降压使用，以保证安全。这也说明，降压使用可能会成为使管段间距达标的手段之一。

1.2 管位易获取

街道的宽度对燃气管道布置空间的限制是压力级别选择必须考虑的问题。狭窄的街道往往难以使用较高的压力以降低配气管网的投资，因此部分大城市的历史街区受地下空间限制，也考虑采用专设的中压B级管道。中小城镇特别是古城、老镇的街道比较窄，如成都市洛带古镇主街道宽度介于6.0~8.0 m，次要街道宽度介于4.0~5.0 m[13]，黄龙溪古镇的“主街—街—巷”的道路结构中，主街宽度仅约为4.0 m，一般街道为2.5~4.0 m[14]。一些县城如荣县、犍为县等，其老城区内较窄的联络街道多，也需要敷设天然气管道。分析认为，在只敷设最低要求的给水和排水管道而无其他管线的情况下，中压A级管道至少需要4.1 m宽的街道，如图1所示，各管道按最小管径计，燃气管道与周边的间距为《城镇燃气设计规范》强制性规定，而给水和排水管与非燃气管的间距仅仅是基本要求，远远达不到给排水规范的要求（虽然不是强制性规定）。而中压B级管道则可在同等条件下布置于3.6 m宽的街道上，如果有更严格的限制，则只能选择低压配气系统。因此，对于较窄的街道，中压B级配气管网具有更强的适应性。

图1 敷设中压A级燃气管道的最低街道宽度分析图

1.3 合理利用压能

充分利用上游来气压力，将其合理地分配到输气管网、储气设施和配气管网上，是城镇天然气供气系统技术经济的重要体现。大城市高中压调压站的负荷较大，配气管网选择中压A级是合理的，这在实践中也得到了大量的证实。对于中小城镇特别是小城镇，当门站距接气点较远（以县城为中心的城乡一体化供气系统往往如此）时，输气管道压降和配气管道的压降分配十分重要，需要结合具体情况分析计算后确定。分析和实践结果表明，门站与接气点距离越远，输气管道（附带还需要利用其储存一部分调峰用气）需要的压力降占总压降的比例就越大，因此距门站或接气点较远的小城镇的配气管网压力级别选中压B级最为合适，而选择中压A级以降低配气管网投资的方案次之。根据这一结论，选择中压B级燃气管网的小城镇可能会越来越多。

2 投资增加分析与决策

2.1 中压B级配气管网投资增加分析

2.1.1 中小城镇天然气环状管网供气规模

中小城镇的CNG站、工业、集中采暖、分布式能源站等用户的用气量相对较大，具有集中负荷的特点，且多分布在城镇边缘，对其采用单独的供气输配方案是安全、经济的，在实际操作中也大多如此。而对居民用户和公共建筑的配气管网，一般随城镇道路网络成环状布置。由此可认为，中小城镇天然气输配管网宜建成以民用气为主负荷的环状网络结构，其他用户供气则采用专线枝状网络结构的形式。

对不采用燃气分户采暖的南方中小城镇（特别是乡镇聚居地），环网负荷可只测算居民家庭用气和公共建筑用气。以居民每户年均日耗天然气当量指标（将公共建筑用气折算到居民家庭用户的指标）为1.0~1.5 m3计，不大于20万人口的中小城镇环状天然气配气管网的供气规模一般不大于10×104m3/d，对应管网最大小时流量约为1.7×104m3/h，折算为4.72 m3/s。笔者以此作为中小城镇环网供气负荷的最大值做分析。

2.1.2 管网投资增大解析

为便于分析，笔者对中小城镇的燃气管网做如下简化：①基于中小城镇民用建筑容积率变化不大，对应燃气负荷相对均匀，故假定供气区域内面积负荷qa相同；②在供气区域中，假定从门站到最远点的管路有n条虚拟主管路并联形成环网，每条虚拟管路可根据实际街道的情况通过串、并联关系，分解为实际管道；③构成环网的n条管路具有对称性质。这些假定虽不能得到实际工程量，但对水力工况分析有利。

中压环网的水力计算基本模型为管段阻力损失基本公式和以各环压力损失闭合差为零[15]为约束条件的方程组，可写为：式中dp为管路上任一微小管段长dl的压力降；λ为沿程阻力系数；ρ为燃气密度；g为重力加速度；u为燃气流速；d为管道内径。下标lj表示以管道轴心线l构成的j环上的封闭曲线。

基于假定③的对称性，式（2）自然成立，于是用式（1）分析最外单条虚拟管路即可。设有n条管路相近地承担配气负荷即管网的最大小时流量为Q0（下标“0”表示标准状态，下同），每条管路上的负荷近似平均为Q0/n，则长度为L的外缘虚拟管路上距管网零点或终点相距l处的流量为：

燃气管网的运行在等流速和等管径两种水力工况之间，而城镇燃气配气管网不采用等管径配置，以下仅分析等流速工况。当u为常数时，d随l变化，在l点处，据流量与流速关系式、状态方程和质量守恒方程ρ0u0=uρ得：

联立式（3）可得：

式中，u为常数，管网起点压力为ps，则可得到l=L时，管段起点处的最大管径：

可将阿里特苏里公式求沿程阻力系数λ的表达式改写为：

式中，K为管道内壁绝对粗糙度；Re为雷诺数；μ0为燃气动力黏度；C为式中所示除d外的代数。

将C代入中压A级或B级内的天然气密度（随压力变化而变）、天然气的动力黏度，经济流速范围内取u为定值，假定K=0.1 mm（如钢管），可算得C值变化很小（u=10 m/s时不超过3.5%，u=20 m/ s时不超过1.2%），可视为常数。将式（6）、式（7）代入式（1）并对其两端从0到L积分，对应p为已知管段终点压力（pe）和起点压力（ps），变换可得该等流速：

假定管网末端有最小管径限制为de，视管径从末端de到起点dmax为线性变化，管道材质相同且壁厚不变（中压配气管网几乎都取规定最小壁厚值），则用中压B级管道和用中压A级管道的管网管材耗量比Δ为：

式中下标A、B表示中压A或中压B压力级别。

按前述对中小城镇天然气供气规模的分析和一些合理的假定，取psA=5×105Pa（绝对压力，下同），psB=3×105Pa，pe=1.8×105Pa，de=80 mm，n=3，计算得C≈0.0126，其他取常用数据，可以得到中小城镇相同管网结构下，不同规模、不同最大管路长度（L）时的管材耗量比（表1）。

表1 中小城镇不同燃气负荷下中压A级和中压B级的管材耗量比表

分析表1可知，中压B级管网比中压A级的管材耗量要增加21%~30%，主要体现在管道管径变大，相应投资增加17%~25%。对于小城镇，增加的比例要稍小些，这是因为小管径接近“最小管径限制”的缘故。同时，如果规范在今后能将中压B级最高压力确定为0.25 MPa（表压），则管材耗量增加13%~19%，投资增加比例会相应下降。

2.2 压力级别选择的决策

当前的压力级别选择决策是多目标决策。综上分析，如果从防范较高压力的风险而言，中压B级管网有明显的优势；中压B级管网起点压力比中压A级低，表面上似乎没有充分利用压能，但它增加了上一级管网的压能利用；从管网投资来看，中压B级管网需要有相应的增加。这需要决策者进行综合全面的判断后，依据主要目标决策。对设计人员，应该注意的是，中小城镇特别是小城镇、古城和老镇，选择压力级别一定要现场勘查地下空间可用管位，切勿依照简单的技术经济指标即行定案。

3 结论

1）对于中小城镇特别是小城镇，由于其供气区域和供气负荷不大，在配气管网采用多环结构时，采用中压B级一级配气系统比采用中压A级的管材耗量将增加20%以上，经济性较差。

2）中压B级比中压A级的最大爆破能量要减少50%以上，泄漏质量流量也要减少40%，安全性显著。

3）对于街道狭窄的老城古镇，当缺乏敷设中压A级管道的条件时，要从中压B级入手且甚或采用低压配气管网。

4）对于燃气管道后置于其他地下管线而难以布置中压A级管道管位时，要综合考虑各种方案。

5）中压B级配气管网在中小城镇的应用具有广阔的前景。

符 号 说 明

dp为dl的压力降，Pa；λ为沿程阻力系数；ρ为燃气密度，kg/m3；u为燃气流速，m/s；d为管道内径，m；dl为管路上任一微小管段长，m；下标lj表示管道轴心线构成的j环；Q0,t为l断面处的流量（标准状态下），m3/s；Q0为管网的最大流量（标准状态下），m3/s；n为并联管路数；L为管路计算长度，m；l为管路上距管网零点或终点的距离，m；u0为标准状态下的燃气流速，m/s；p为绝对压力，Pa；p0为当地绝对压力，Pa；dmax为最大管内径，m；ps为管网起点绝对压力，Pa；K为管道内壁绝对粗糙度，mm；Re为雷诺数；μ0为燃气标准状态下的动力黏度，Pa·s；pe为管网终点绝对压力，Pa；de为管网终点管径，m；Δ为管网管材耗量比；下标B表示中压B级；下标A表示中压A级。

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（修改回稿日期 2015-12-02 编辑 陈 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

作者简介：孔川，1963年生，教授级高级工程师；入选第一批四川省城镇燃气行业专家库，主要从事城镇燃气教学、科研、咨询和设计方面的工作。地址：（610065）四川省成都市一环路南一段24号。ORCID:0000-0003-3698-8754。E-mail:kong_ chuan@163.com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.020