农村沼气工程输配管网快速设计

李智昊， 李 霞， 龚贵金

(南昌大学 建筑工程学院， 江西 南昌 330031)

农村沼气工程输配管网快速设计

李智昊， 李 霞， 龚贵金

(南昌大学 建筑工程学院， 江西 南昌 330031)

沼气输配管网系统是沼气工程中重要的组成部分，而管网水力计算是沼气管网系统设计的核心。文章通过给出在一定条件下管道的管径、输气能力、管内气体流速之间的关系，将结果形成表格，以期为沼气输配管网的水力计算提供科学的理论依据，达到快速设计的目的。

沼气工程； 输配管网； 水力计算

农村沼气工程作为生态农业技术模式的纽带，将种植业、养殖业、庭院经济有机结合，在解决有机污染问题的同时产生了清洁能源，促进了生态农业建设健康持续发展。目前，随着国家对农村沼气工程转型升级政策的实施，对农村沼气工程的建设要求必将趋于经济、合理、规范化。在整个沼气工程建设中，沼气输配管网的建设无论从投资及工程量的角度讲，都占有相当大的比重。然而目前对农村沼气工程输配管网的设计，几乎完全停留在经验值的基础上，这样的设计一方面缺乏科学的理论依据，不能保证供气的安全性和可靠性;另一方面也增大了在工程建设中对管材的不必要消耗。为此，笔者以水力学理论及国家现行标准的推荐公式为基础，针对农村沼气输配管网做出水力计算，给出管道输气能力、管径、管内气体流速的关系。最终以表格的形式为小型沼气管网的建设提供设计依据；以达到快速设计的目的。

1 管网设计参数选择及依据

1.1 农村沼气工程输气管网的特点

沼气工程是一项以开发利用养殖场粪污为对象的技术。由于受到村镇地域人口及经济条件的限制，其输气管网多具有如下特点：输送半径短；输气量小；输气管网多成枝状。

1.2 管网设计参数的确定

根据目前农村小型沼气工程建设实例，并参照《城镇燃气设计规范》(GB 50028-2006)。确定沼气输配管网设计条件如下： 1)输气系统采用中低压输气，其中沼气站(管道系统起端)到调压箱之间的管段采用中压输气(0.1～0.2MPa)，调压箱到用户端采用低压输气(0.01 MPa以下)； 2)输气管材选择聚乙烯燃气管(PE管)； 3)计算气体密度设计为1 g·cm-3； 4)采用枝状管网供气； 5)设计燃气温度15℃，压强101.325 kPa； 6)管壁内表面的当量绝对粗糙度取0.01 mm。

2 设计过程

2.1 沼气管道系统输气量的确定

居民用气和商业用气指标应根据当地居民和商业用气量统计分析确定。无相关资料时，一般情况下居民每户生活用气量按1.3～1.5 m3·d-1计算，未预见用气量按总用气量的5%～10%计算。

图2 计算程序框图

居民生活和商业用户燃气小时计算流量(0℃和101.325 kPa)，按公式(1)和公式(2)计算：

(1)

(2)

式中：Qh为燃气小时计算流量，m3·h-1；Qa为年燃气用量；n为年燃气最大负荷利用小时数，h；Km为月高峰系数；Kd为日高峰系数；Kh为时高峰系数。

2.2 沼气管道系统定线

沼气管道的定线应综合考虑施工、管理、维护等因素；协调好与其他管线道路的关系；按照整体规划的原则，结合当地实际科学地进行定线，其具体细节应遵守《城镇燃气设计规范》(GB 50028-2006)。

当完成管道的定线工作后，燃气管段的计算长度已确定。

2.3 各计算管段设计流量确定

农村沼气工程由于受到当地经济条件制约及自身工程规模影响，采用枝状管网供气。各管段的设计流量计算简图见图1。

图1 管段的设计流量计算简图

各管段的设计流量按公式(3)计算：

(3)

式中：Qn为管段计算流量；Qh为供气区域总燃

气小时计算流量；qi为各节点流量。

2.4 沼气输配管网的水力计算

根据《城镇燃气设计规范》(GB 50028-2006)，低压燃气管道单位长度的摩擦阻力应按公式(4)计算，高压、次高压和中压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失。按公式(5)计算：

(4)

(5)

(6)

式中：△p为燃气管道摩擦阻力损失，Pa；λ为燃气管道摩擦阻力系数，按公式(6)计算；l为燃气管道的计算长度，m；Q为燃气管道的计算流量，m3·h-1；d为管道内径，mm；ρ为燃气密度，kg·m-3；T为设计中燃气所采用的温度，K；T0为273.15 K；P1为燃气管道起点压力(绝对压力)，kPa；P2为燃气管道终点压力(绝对压力)，kPa。

通过之前的步骤，至此已经知道计算管段的长度及流量Q。计算管段起端，末端压力在实际过程中分别对应沼气站的输气压力，用户末端压力或调压箱的进口压力，这些都是设计值，即已知量。

然而在水力计算过程中，不可避免的要解公式(6)，一个隐函数方程，给计算带来了极大的障碍。要求借助计算机工具，采用MATLAB，其软件框图见图2。

具体计算结果见表1～表3。

表1 低压输气管网设计计算参考表

表2 0.1 MPa输气管网设计计算参考表

表3 0.2 MPa输气管网设计计算参考表

注：1)表格的结果是在计算出沿程阻力的基础上乘以一定的安全系数得到的(考虑到局部阻力损失和供气的安全性)。2)表头上0.1，0.2 MPa(表2和表3)指输气管网的起端压力，起端到调压箱为中压输气管网，中压输气管网的末端压力设计为0.05 MPa(参考调压箱的进口压力要求)。3)从调压箱到用户端为低压输气管网(表1)，低压输气管网的管道压力允许损失值根据《城镇燃气设计规范》GB 50028-2006第6.2.8条计算，本表设计允许损失值为900 Pa。4)考虑到本表在实际工程的实用性，低压管网以输送距离为首要制约因素；在中压输气管网中则以经济流速为主要制约因素。5)计算表的所有计算参数均在文章1.2节交待。

3 总结

水力计算的最终目的是合理地选择管段管径，在实际工程中，管道的选择限制于标准管径(可选择的管径是有限并且固定的)。同时，管道内气体流速需满足经济流速的要求。基于这样的实际情况，借助于MATLAB，运用上述软件框图，即可得到一定情况下，行业内各标准管道管径、输气能力、输送距离之间的关系。 一旦这些数据以上述表格的形式给出，那么管网水力计算工作即可以查表的形式完成。这样的表格极大地减少了设计的工作量，为初步设计提供了理论依据。

[1] 郝先荣. 中国沼气工程发展现状与展望[J].中国牧业通讯,2011,12:28-31.

[2] GB 50028-2006，城镇燃气设计规范[S].

[3] GB/T51063-2014，大中型沼气工程技术规范[S].

[4] 付祥钊，肖益民.流体输配管网[M].北京：中国建筑工业出版社，2009：45-52.

[5] 钱 炜. 提高燃气管网运行能力的途径[J].上海煤气,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，汉族，陕西省略阳县人，本科在读，研究方向为流体输配管网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