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

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)水力計算是沼氣管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的核心。文章通過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)的水力計算提供科學(xué)的理論依據(jù)，達到快速設(shè)計的目的。

沼氣工程； 輸配管網(wǎng)； 水力計算

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)濟有機結(jié)合，在解決有機污染問題的同時產(chǎn)生了清潔能源，促進了生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)健康持續(xù)發(fā)展。目前，隨著國家對農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級政策的實施，對農(nóng)村沼氣工程的建設(shè)要求必將趨于經(jīng)濟、合理、規(guī)范化。在整個沼氣工程建設(shè)中，沼氣輸配管網(wǎng)的建設(shè)無論從投資及工程量的角度講，都占有相當(dāng)大的比重。然而目前對農(nóng)村沼氣工程輸配管網(wǎng)的設(shè)計，幾乎完全停留在經(jīng)驗值的基礎(chǔ)上，這樣的設(shè)計一方面缺乏科學(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)中對管材的不必要消耗。為此，筆者以水力學(xué)理論及國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的推薦公式為基礎(chǔ)，針對農(nóng)村沼氣輸配管網(wǎng)做出水力計算，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)計依據(jù)；以達到快速設(shè)計的目的。

1 管網(wǎng)設(shè)計參數(shù)選擇及依據(jù)

1.1 農(nóng)村沼氣工程輸氣管網(wǎng)的特點

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

1.2 管網(wǎng)設(shè)計參數(shù)的確定

根據(jù)目前農(nóng)村小型沼氣工程建設(shè)實例，并參照《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028-2006)。確定沼氣輸配管網(wǎng)設(shè)計條件如下： 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氣管(PE管)； 3)計算氣體密度設(shè)計為1 g·cm-3； 4)采用枝狀管網(wǎng)供氣； 5)設(shè)計燃氣溫度15℃，壓強101.325 kPa； 6)管壁內(nèi)表面的當(dāng)量絕對粗糙度取0.01 mm。

2 設(shè)計過程

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)計分析確定。無相關(guān)資料時，一般情況下居民每戶生活用氣量按1.3～1.5 m3·d-1計算，未預(yù)見用氣量按總用氣量的5%～10%計算。

圖2 計算程序框圖

居民生活和商業(yè)用戶燃氣小時計算流量(0℃和101.325 kPa)，按公式(1)和公式(2)計算：

(1)

(2)

式中：Qh為燃氣小時計算流量，m3·h-1；Qa為年燃氣用量；n為年燃氣最大負荷利用小時數(shù)，h；Km為月高峰系數(shù)；Kd為日高峰系數(shù)；Kh為時高峰系數(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)貙嶋H科學(xué)地進行定線，其具體細節(jié)應(yīng)遵守《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028-2006)。

當(dāng)完成管道的定線工作后，燃氣管段的計算長度已確定。

2.3 各計算管段設(shè)計流量確定

農(nóng)村沼氣工程由于受到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟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)計流量計算簡圖見圖1。

圖1 管段的設(shè)計流量計算簡圖

各管段的設(shè)計流量按公式(3)計算：

(3)

式中：Qn為管段計算流量；Qh為供氣區(qū)域總?cè)?/p>

氣小時計算流量；qi為各節(jié)點流量。

2.4 沼氣輸配管網(wǎng)的水力計算

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028-2006)，低壓燃氣管道單位長度的摩擦阻力應(yīng)按公式(4)計算，高壓、次高壓和中壓燃氣管道的單位長度摩擦阻力損失。按公式(5)計算：

(4)

(5)

(6)

式中：△p為燃氣管道摩擦阻力損失，Pa；λ為燃氣管道摩擦阻力系數(shù)，按公式(6)計算；l為燃氣管道的計算長度，m；Q為燃氣管道的計算流量，m3·h-1；d為管道內(nèi)徑，mm；ρ為燃氣密度，kg·m-3；T為設(shè)計中燃氣所采用的溫度，K；T0為273.15 K；P1為燃氣管道起點壓力(絕對壓力)，kPa；P2為燃氣管道終點壓力(絕對壓力)，kPa。

通過之前的步驟，至此已經(jīng)知道計算管段的長度及流量Q。計算管段起端，末端壓力在實際過程中分別對應(yīng)沼氣站的輸氣壓力，用戶末端壓力或調(diào)壓箱的進口壓力，這些都是設(shè)計值，即已知量。

然而在水力計算過程中，不可避免的要解公式(6)，一個隱函數(shù)方程，給計算帶來了極大的障礙。要求借助計算機工具，采用MATLAB，其軟件框圖見圖2。

具體計算結(jié)果見表1～表3。

表1 低壓輸氣管網(wǎng)設(shè)計計算參考表

表2 0.1 MPa輸氣管網(wǎng)設(shè)計計算參考表

表3 0.2 MPa輸氣管網(wǎng)設(shè)計計算參考表

注：1)表格的結(jié)果是在計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)計為0.05 MPa(參考調(diào)壓箱的進口壓力要求)。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)燃氣設(shè)計規(guī)范》GB 50028-2006第6.2.8條計算，本表設(shè)計允許損失值為900 Pa。4)考慮到本表在實際工程的實用性，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)濟流速為主要制約因素。5)計算表的所有計算參數(shù)均在文章1.2節(jié)交待。

3 總結(jié)

水力計算的最終目的是合理地選擇管段管徑，在實際工程中，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，管道內(nèi)氣體流速需滿足經(jīng)濟流速的要求?；谶@樣的實際情況，借助于MATLAB，運用上述軟件框圖，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)計的工作量，為初步設(shè)計提供了理論依據(jù)。

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

[2] GB 50028-2006，城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(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：中國建筑工業(yè)出版社，2009：45-52.

[5] 錢 煒. 提高燃氣管網(wǎng)運行能力的途徑[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，陜西省略陽縣人，本科在讀，研究方向為流體輸配管網(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