农村气代煤低压燃气管道水力计算实例

宝鸡中燃城市燃气发展有限公司 郭丹丹

天然气供暖是清洁供暖的主要方式。2017年12月，国家发展和改革委员会等十部委发布了发改能源［2017］2100号文《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》，以推进我国北方地区冬季清洁供暖工作。其中要求到 2021年，北京、天津 2个直辖市以及石家庄、唐山等 26个北方重点城市的农村清洁供暖率达到60%以上[1]。农村煤改气时间紧、任务重，并且农村低压燃气管道的铺设非常庞大和错综复杂。因而在农村燃气管道新建和扩建工程中，进行准确、快速的燃气管网水力计算是实行高质量管网设计、施工以及运行调度的必要条件。

1 农村气代煤的意义

1.1 减少环境污染，优化空气质量

煤炭是我国北方农村地区使用的主要能源。煤的燃烧会给环境造成一定的污染，目前导致我国雾霾天气加剧的主要原因是煤炭的不合理使用。煤炭主要由碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素构成，富含大量的无机质。煤炭燃烧时，会产生大量的CO2和部分SO2等气体。如果煤炭燃烧后产生的大量炉渣没有进行有效处理，必定占用农村大片宝贵耕地，进而产生一系列问题。因此要在农村采取气代煤供气的方式来提高能源利用率，同时可以减少温室气体和对人体有害气体的排放。地方政府统筹城乡发展时，必须把农村的节能减排问题放在首位。

1.2 改善社会环境，提高生活质量

我国农村地区基础设施落后、管理水平较低、缺乏公共服务理念，这些客观存在因素大大限制了我国农村地区生活条件。如果在农村实行气代煤供气，将会在很大程度上改善农村地区的生活质量。气代煤供气方式的供暖安全系数更高，相比于以往的分散式供暖费用支出更少，更有助于提高农民的生活水平。目前我国正处在城市化进程不断推进阶段，农村人口大多为一些老人和儿童，因此应当采取一定的安全措施来保障他们的日常生活，气代煤供气的方式就可以很好地达到这一目标。做好气代煤工作还能造福后代，还他们一片蓝天。

2 燃气管道水力计算理论

2.1 流量计算

根据GB 50028－2006《城镇燃气设计规范》(简称《设计规范》)中的 10.2.9条，居民生活用燃气计算流量公式为：

式中：Qh——燃气管道的计算流量，m³/h；

k——燃具同时工作系数，居民生活用燃具可按《设计规范》附录F确定；

N——同种燃具或成组燃具的数目；

Qn——燃具的额定流量，m³/h。

2.2 摩擦阻力损失计算

根据GB 50028－2006《城镇燃气设计规范》中的 6.2.5条，低压燃气管道单位长度的摩擦阻力损失计算公式为：

式中：Δp——燃气管道摩擦阻力损失，Pa；

λ——燃气管道摩擦阻力系数；

l——燃气管道的计算长度，m；

Q——燃气管道的计算流量，m³/h；

d——管道内径，mm；

ρ——燃气的密度，kg/m3；

T——设计中所采用的燃气温度，K；

T0——273.15 K。

城镇燃气低压管道从调压站到最远燃具管道允许阻力损失计算公式：

式中：Δpd——从调压站到最远燃具的管道允许阻力损失，Pa；

pn——低压燃具的额定压力，Pa。

3 农村燃气管道水力计算的主要影响因素

在设计农村燃气管道时，基本思路是将中压管线埋到地下，然后经过调压箱将中压调成低压后进行管线架空敷设，最终将天然气输送到各家各户，达到为用户供气的目标。

一般需根据农村居民宅基地的大小分布、壁挂炉的安装以及调压设施的布局来综合考虑计算燃气管道管径的大小。首先，农村住户有分散有集中，集中的住户调压箱所带的户数就相对多一些，反之就少。其次，农村用户燃气具比较单一，一般就考虑家用灶以及壁挂炉采暖用气。根据各个村民的居住率和壁挂炉的使用情况综合考虑村庄的灶具安装户数和壁挂炉的安装率，同时，同一个调压箱出口到不同支管末端的压力根据不同的支管管径、管线长度也不同。因此根据农村实际情况进行设计时，从调压箱各个分支所带的户数、管径、流量不同，摩擦阻力损失和流速也相应会不同。宝鸡市某村庄的一个调压箱以及燃气管道设计见图1。

图1 宝鸡市某村庄一个调压箱的燃气管道设计

3.1 管径的选择

此区域总户数为120户，每户用气量按2.5 m3/h计算，壁挂炉安装率按20%计算，总用气量为59.2 m3/h。选择RX80/0.4-40调压箱，出口压力为3 000 Pa，灶具额定用气压力为2 000 Pa。由于此区域厨房位置基本就在宅基地门口外墙处，室内压损≤100 Pa，因此设计时室外低压架空管道末端节点压力至少要达到2 100 Pa。现选择此调压箱出口处3条支线进行节点标记逐步计算对比研究分析，结果如图2～图4所示。

图2 调压箱左侧支线节点各参数与户数的关系

图3 调压箱中间支线节点各参数与户数的关系

图4 调压箱右侧支线节点各参数与户数关系

为了节约资源，降低成本消耗，本次设计农村室外低压管道管径主要规格有DN65、DN50、DN40和 DN32。农村低压埋地管道比较少，并且埋地管道基本都采用DN63的管道。户数越多，流量越大，管径也就越大，单位压降和流速在变径的位置处变化较大。当调压箱支线管径变化时，由于用气量是随户数逐渐增加的，每个管径管道的用气量是有一定范围的，所以当用气量增加时，必然能达到管径对应的最大用气量，同时单位压降和流速也会突然变大。

这3条支线分别所带的户数、管径、总长度有很大的差异，每条支线要满足室外低压架空管道末端节点压力至少要达到2 100 Pa、流速在6 m/s以下。由图2～图4中的数据可知，要满足末端压力及管道流速的要求，左支线51户与中间支线24户的耗气量使得起点均需用DN50管道，右支线69户的耗气量使得起点要用DN65管道。对比发现DN50管道的最大用气量为32.11 m3/h，在低压架空的长度一定的情况下，DN50的管道能带63户。

3.2 节点压力的平衡

3条支线各节点压力与户数、压力与管径的对比关系见图5和图6。

图5 3条支线各节点压力与户数的对比关系

图6 3条支线各节点压力与管径的对比关系

管径越大，流量越大，压力也就越大.由于3条支线总长度不同，各个节点个数也不同，因此它们的管径差异较大，但是从图 5和图 6可以看出：DN32的管道能带7户，DN40的管道能带20户左右，DN50的管道能带63户。

在农村设计中不仅户数、管径对各节点压力有影响，总的支线长度对各节点压力也有很大影响，三条支线总长分别为358 m、409 m、399 m，右侧支线的长度长、节点多、户数大，末端压力和流速要保证用户正常使用压力，因此DN50管道一直敷设到末端，否则将不能保证用户正常用气。理论上要将调压箱放在用气片区的中间位置，但由于农村住户分布区域较广、中压管道敷设进村破坏农村路面等问题，各村住户均不允许破坏路面、妨碍村中出行等问题，现根据实际情况调压箱基本都敷设在村子最靠边的位置。每条支线管道敷设考虑因素非常多且复杂，种种客观因素使得农村低压燃气管道设计非常困难。

4 结语

在农村推广气代煤供气是一个建设量大、涉及面广的项目，过程中必须要有可靠的项目质量保证体系，对项目设计、施工、验收及后期的维护管理过程都要进行严格的监控，确保每个过程质量。只有让群众可以切身感受到气代煤供气系统使用的优点，才可以真正实现气代煤供气方案实施的意义，进而达到节能减排、清洁空气的目的。农村气代煤工程是国家正在推行实施的一项重要的利民政策，工程的复杂性要求初设计时一定要全面考虑各项因素，对各个调压箱支线进行严密的水力计算分析，高效、合理地完成农村燃气管道设计工作，以便如期完成农村气代煤工程。