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(yè)用戶、熱水爐供暖用戶、鍋爐供暖用戶、工業(yè)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(xiàn)狀人口為58×104人，天然氣工程經(jīng)過2009—2018年的建設，已建成門站1座，中壓主干管網(wǎng)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(yè)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(yè)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(tài)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(wǎng)末端的燃氣鍋爐房出現(xiàn)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(wǎng)改造。

2 現(xiàn)狀管網(wǎng)建模

① 基礎參數(shù)處理

該市地形平緩，北高南低，現(xiàn)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(qū)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(jié)點，便于建立模型。此節(jié)點前管道長度乘以1.1～1.2的系數(shù)。

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

d.不考慮溫度對流體運動及狀態(tài)的影響。

e.管道內(nèi)天然氣的狀態(tài)參數(shù)由BWRS方程確定。

f.居民流量依據(jù)人口(住宅戶數(shù)、住宅密度、商業(yè)集中區(qū))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(xiàn)狀調壓箱抄表數(shù)據(jù)均為一日一抄，不能直接作為水力計算中各節(jié)點的高峰小時流量。應首先根據(jù)城市流量記錄數(shù)據(jù)確定計算周，然后結合當?shù)貧庀髤?shù)及現(xiàn)狀各類用戶用氣特點，將計算周內(nèi)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(jù)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(yè)用戶只有兩家，經(jīng)實地調研，高峰小時流量合計為600 m3/h，運行平穩(wěn)，且產(chǎn)量一直平穩(wěn)，表2中每小時的流量數(shù)據(jù)中已將其分離出去。因此表2為居民用戶、商業(yè)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(xù)表2 m3/h

b.供暖高峰小時流量的分離

根據(jù)表2，分析每日流量的共同規(guī)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(nèi)用戶類型為居民用戶、商業(yè)用戶和供暖用戶。室內(nèi)計算溫度為20 ℃，依據(jù)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(nèi)外溫差，依據(jù)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?？紤]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(yè)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(qū)榮城楓景美居等5個小區(qū)及周邊縣城巴西莊子等7個小區(qū)共計16 584 戶進行統(tǒng)計分析，這些小區(qū)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(shù)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(jù)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(shù)量，將居民生活高峰小時流量從居民生活和商業(yè)合計高峰小時流量中分離。居民生活和商業(yè)高峰小時流量為9 068.3～11 725.2 m3/h，考慮到春節(jié)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(yè)用戶高峰小時流量。根據(jù)調研現(xiàn)狀數(shù)據(jù)商業(yè)用戶設備總額定流量為55 087.3 m3/h，得出商業(yè)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(fā)量為318 t/h,總額定熱負荷為222.6 MW。根據(jù)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(qū)發(fā)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(wǎng)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(yè)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(jù)對該市工業(yè)企業(yè)的現(xiàn)場調研，現(xiàn)狀主城區(qū)不再新增工業(yè)企業(yè)，現(xiàn)狀2家工業(yè)用戶維持已有生產(chǎn)規(guī)模不變。根據(jù)國務院國發(fā)[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(yè)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(xiàn)狀管網(wǎng)水力計算及問題分析

① 現(xiàn)狀管網(wǎng)水力計算

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

② 流速分析

根據(jù)商業(yè)水力計算軟件對該市現(xiàn)狀中壓管網(wǎng)水力計算的結果，統(tǒng)計得出流速過大(實際流速超過經(jīng)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(qū)管道斷頭路較多

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

b.城市管網(wǎng)管徑瓶頸過多

2017年至2018年供暖期，位于南環(huán)路恒大綠洲小區(qū)鍋爐房附近中壓管網(wǎng)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(jié)點壓力不足。

5 管網(wǎng)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(jù)新增用戶所在位置考慮新建管道，沿就近道路敷設；二是現(xiàn)狀斷頭路的連接，對現(xiàn)狀管網(wǎng)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(wǎng)水力工況的目的；三是瓶頸管道的改擴建，主要考慮對于現(xiàn)狀管網(wǎng)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(jié)點的流量，對2018—2020年的管網(wǎng)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(wǎng)改造與新建工程計劃[4]。

② 2018年度管網(wǎng)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(xiàn)狀個別節(jié)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(wǎng)最不利點壓力為225.13 kPa。

③ 2019年度管網(wǎng)水力計算

新建二門站的選址等前期手續(xù)已批復，于2018年4月啟動建設，但二門站在2019年度投產(chǎn)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(lián)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(wǎng)最不利點壓力為190.54 kPa。

b.兩門站聯(lián)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(wǎng)最不利點壓力為198.03 kPa。

④ 2020年度管網(wǎng)水力計算

2020年度管網(wǎng)水力計算見圖1。2020年度由于二門站已投產(chǎn)運行，為兩門站聯(lián)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(wǎng)最不利點壓力為199.37 kPa。

⑤ 改造工程量

圖1 2020年管網(wǎng)優(yōu)化水力計算

2018年對輸配系統(tǒng)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(xù)對輸配系統(tǒng)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(xù)對輸配系統(tǒng)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(wǎng)現(xiàn)狀，存在用氣高峰時處于管網(wǎng)末端的鍋爐供暖用戶壓力過低的情況。通過現(xiàn)有調研資料得出各類用戶(居民用戶、商業(yè)用戶、熱水爐供暖用戶、鍋爐供暖用戶、工業(yè)用戶)的高峰小時流量。

② 工業(yè)用戶采用工廠實測數(shù)據(jù)。認為4:00—7:00只有供暖小時流量，根據(jù)4:00—7:00及19:00—22:00兩個時段的室內(nèi)外溫差，依據(jù)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(yè)合計高峰小時流量分離。根據(jù)12個小區(qū)的調研數(shù)據(jù)，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(yè)合計高峰小時流量中分離，剩余高峰小時流量為商業(yè)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(yè)水力計算軟件對現(xiàn)狀管網(wǎng)進行水力計算，通過增加門站以及對現(xiàn)有燃氣管網(wǎng)中壓管道新建、斷頭路連接、改擴建進行改造，改造后的管網(wǎng)水力計算結果均滿足要求。