李智昊， 李 霞， 龔貴金

(南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江西 南昌 330031)

農(nóng)村沼氣工程輸配管網(wǎng)快速設(shè)計(jì)

李智昊， 李 霞， 龔貴金

(南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江西 南昌 330031)

沼氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)是沼氣工程中重要的組成部分，而管網(wǎng)水力計(jì)算是沼氣管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。文章通過(guò)給出在一定條件下管道的管徑、輸氣能力、管內(nèi)氣體流速之間的關(guān)系，將結(jié)果形成表格，以期為沼氣輸配管網(wǎng)的水力計(jì)算提供科學(xué)的理論依據(jù)，達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的。

沼氣工程； 輸配管網(wǎng)； 水力計(jì)算

農(nóng)村沼氣工程作為生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)模式的紐帶，將種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、庭院經(jīng)濟(jì)有機(jī)結(jié)合，在解決有機(jī)污染問(wèn)題的同時(shí)產(chǎn)生了清潔能源，促進(jìn)了生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)健康持續(xù)發(fā)展。目前，隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級(jí)政策的實(shí)施，對(duì)農(nóng)村沼氣工程的建設(shè)要求必將趨于經(jīng)濟(jì)、合理、規(guī)范化。在整個(gè)沼氣工程建設(shè)中，沼氣輸配管網(wǎng)的建設(shè)無(wú)論從投資及工程量的角度講，都占有相當(dāng)大的比重。然而目前對(duì)農(nóng)村沼氣工程輸配管網(wǎng)的設(shè)計(jì)，幾乎完全停留在經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上，這樣的設(shè)計(jì)一方面缺乏科學(xué)的理論依據(jù)，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(shè)中對(duì)管材的不必要消耗。為此，筆者以水力學(xué)理論及國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的推薦公式為基礎(chǔ)，針對(duì)農(nóng)村沼氣輸配管網(wǎng)做出水力計(jì)算，給出管道輸氣能力、管徑、管內(nèi)氣體流速的關(guān)系。最終以表格的形式為小型沼氣管網(wǎng)的建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)；以達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的。

1 管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇及依據(jù)

1.1 農(nóng)村沼氣工程輸氣管網(wǎng)的特點(diǎn)

沼氣工程是一項(xiàng)以開(kāi)發(fā)利用養(yǎng)殖場(chǎng)糞污為對(duì)象的技術(shù)。由于受到村鎮(zhèn)地域人口及經(jīng)濟(jì)條件的限制，其輸氣管網(wǎng)多具有如下特點(diǎn)：輸送半徑短；輸氣量小；輸氣管網(wǎng)多成枝狀。

1.2 管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

根據(jù)目前農(nóng)村小型沼氣工程建設(shè)實(shí)例，并參照《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028-2006)。確定沼氣輸配管網(wǎng)設(shè)計(jì)條件如下： 1)輸氣系統(tǒng)采用中低壓輸氣，其中沼氣站(管道系統(tǒng)起端)到調(diào)壓箱之間的管段采用中壓輸氣(0.1～0.2MPa)，調(diào)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?xì)夤?PE管)； 3)計(jì)算氣體密度設(shè)計(jì)為1 g·cm-3； 4)采用枝狀管網(wǎng)供氣； 5)設(shè)計(jì)燃?xì)鉁囟?5℃，壓強(qiáng)101.325 kPa； 6)管壁內(nèi)表面的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度取0.01 mm。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 沼氣管道系統(tǒng)輸氣量的確定

居民用氣和商業(yè)用氣指標(biāo)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用窈蜕虡I(yè)用氣量統(tǒng)計(jì)分析確定。無(wú)相關(guān)資料時(shí)，一般情況下居民每戶生活用氣量按1.3～1.5 m3·d-1計(jì)算，未預(yù)見(jiàn)用氣量按總用氣量的5%～10%計(jì)算。

圖2 計(jì)算程序框圖

居民生活和商業(yè)用戶燃?xì)庑r(shí)計(jì)算流量(0℃和101.325 kPa)，按公式(1)和公式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中：Qh為燃?xì)庑r(shí)計(jì)算流量，m3·h-1；Qa為年燃?xì)庥昧?；n為年燃?xì)庾畲筘?fù)荷利用小時(shí)數(shù)，h；Km為月高峰系數(shù)；Kd為日高峰系數(shù)；Kh為時(shí)高峰系數(shù)。

2.2 沼氣管道系統(tǒng)定線

沼氣管道的定線應(yīng)綜合考慮施工、管理、維護(hù)等因素；協(xié)調(diào)好與其他管線道路的關(guān)系；按照整體規(guī)劃的原則，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際科學(xué)地進(jìn)行定線，其具體細(xì)節(jié)應(yīng)遵守《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028-2006)。

當(dāng)完成管道的定線工作后，燃?xì)夤芏蔚挠?jì)算長(zhǎng)度已確定。

2.3 各計(jì)算管段設(shè)計(jì)流量確定

農(nóng)村沼氣工程由于受到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件制約及自身工程規(guī)模影響，采用枝狀管網(wǎng)供氣。各管段的設(shè)計(jì)流量計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 管段的設(shè)計(jì)流量計(jì)算簡(jiǎn)圖

各管段的設(shè)計(jì)流量按公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Qn為管段計(jì)算流量；Qh為供氣區(qū)域總?cè)?/p>

氣小時(shí)計(jì)算流量；qi為各節(jié)點(diǎn)流量。

2.4 沼氣輸配管網(wǎng)的水力計(jì)算

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028-2006)，低壓燃?xì)夤艿绬挝婚L(zhǎng)度的摩擦阻力應(yīng)按公式(4)計(jì)算，高壓、次高壓和中壓燃?xì)夤艿赖膯挝婚L(zhǎng)度摩擦阻力損失。按公式(5)計(jì)算：

(4)

(5)

(6)

式中：△p為燃?xì)夤艿滥Σ磷枇p失，Pa；λ為燃?xì)夤艿滥Σ磷枇ο禂?shù)，按公式(6)計(jì)算；l為燃?xì)夤艿赖挠?jì)算長(zhǎng)度，m；Q為燃?xì)夤艿赖挠?jì)算流量，m3·h-1；d為管道內(nèi)徑，mm；ρ為燃?xì)饷芏?，kg·m-3；T為設(shè)計(jì)中燃?xì)馑捎玫臏囟?，K；T0為273.15 K；P1為燃?xì)夤艿榔瘘c(diǎn)壓力(絕對(duì)壓力)，kPa；P2為燃?xì)夤艿澜K點(diǎn)壓力(絕對(duì)壓力)，kPa。

通過(guò)之前的步驟，至此已經(jīng)知道計(jì)算管段的長(zhǎng)度及流量Q。計(jì)算管段起端，末端壓力在實(shí)際過(guò)程中分別對(duì)應(yīng)沼氣站的輸氣壓力，用戶末端壓力或調(diào)壓箱的進(jìn)口壓力，這些都是設(shè)計(jì)值，即已知量。

然而在水力計(jì)算過(guò)程中，不可避免的要解公式(6)，一個(gè)隱函數(shù)方程，給計(jì)算帶來(lái)了極大的障礙。要求借助計(jì)算機(jī)工具，采用MATLAB，其軟件框圖見(jiàn)圖2。

具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1 低壓輸氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算參考表

表2 0.1 MPa輸氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算參考表

表3 0.2 MPa輸氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算參考表

注：1)表格的結(jié)果是在計(jì)算出沿程阻力的基礎(chǔ)上乘以一定的安全系數(shù)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(wǎng)的起端壓力，起端到調(diào)壓箱為中壓輸氣管網(wǎng)，中壓輸氣管網(wǎng)的末端壓力設(shè)計(jì)為0.05 MPa(參考調(diào)壓箱的進(jìn)口壓力要求)。3)從調(diào)壓箱到用戶端為低壓輸氣管網(wǎng)(表1)，低壓輸氣管網(wǎng)的管道壓力允許損失值根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50028-2006第6.2.8條計(jì)算，本表設(shè)計(jì)允許損失值為900 Pa。4)考慮到本表在實(shí)際工程的實(shí)用性，低壓管網(wǎng)以輸送距離為首要制約因素；在中壓輸氣管網(wǎng)中則以經(jīng)濟(jì)流速為主要制約因素。5)計(jì)算表的所有計(jì)算參數(shù)均在文章1.2節(jié)交待。

3 總結(jié)

水力計(jì)算的最終目的是合理地選擇管段管徑，在實(shí)際工程中，管道的選擇限制于標(biāo)準(zhǔn)管徑(可選擇的管徑是有限并且固定的)。同時(shí)，管道內(nèi)氣體流速需滿足經(jīng)濟(jì)流速的要求?；谶@樣的實(shí)際情況，借助于MATLAB，運(yùn)用上述軟件框圖，即可得到一定情況下，行業(yè)內(nèi)各標(biāo)準(zhǔn)管道管徑、輸氣能力、輸送距離之間的關(guān)系。 一旦這些數(shù)據(jù)以上述表格的形式給出，那么管網(wǎng)水力計(jì)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(shè)計(jì)的工作量，為初步設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1] 郝先榮. 中國(guó)沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)牧業(yè)通訊,2011,12:28-31.

[2] GB 50028-2006，城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB/T51063-2014，大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 付祥釗，肖益民.流體輸配管網(wǎng)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：45-52.

[5] 錢(qián) 煒. 提高燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)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(yáng)縣人，本科在讀，研究方向?yàn)榱黧w輸配管網(wǎng)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