楊曉嶸， 唐 杉

(中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)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(shè)，已建成門站1座，中壓主干管網(wǎng)144.6 km，燃?xì)庹{(diào)壓箱1 435 臺(tái)。各類燃?xì)庥脩舴植既缦?居民用戶為119 529 戶，供暖熱水爐供暖用戶(以下簡(jiǎn)稱熱水爐供暖用戶)為6 616戶；商業(yè)用戶138 戶；燃?xì)忮仩t房供暖用戶(以下簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的用量。

目前運(yùn)營(yíng)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(dá)5∶1；二是近年來尤其是2017—2018年冬季用氣高峰時(shí)期，處于管網(wǎng)末端的燃?xì)忮仩t房出現(xiàn)壓力低至0.08 MPa，無法啟動(dòng)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(diǎn)；后者需以水力計(jì)算為基礎(chǔ)，進(jìn)行管網(wǎng)改造。

2 現(xiàn)狀管網(wǎng)建模

① 基礎(chǔ)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?xì)庵鞴艿拦Q直徑為400、300、200 mm。由于水力計(jì)算軟件運(yùn)行中，需要對(duì)實(shí)際的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行一定的梳理與精簡(jiǎn)，特作如下假設(shè)[1]。

a.水力計(jì)算用氣點(diǎn)只計(jì)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(zhǎng)度小于50 m的支線簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)，便于建立模型。此節(jié)點(diǎn)前管道長(zhǎng)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(yīng)的粗糙度；摩擦阻力系數(shù)由水力計(jì)算軟件計(jì)算。

d.不考慮溫度對(duì)流體運(yùn)動(dòng)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(shí)流量。

② 高峰小時(shí)流量確定

由于該市現(xiàn)狀調(diào)壓箱抄表數(shù)據(jù)均為一日一抄，不能直接作為水力計(jì)算中各節(jié)點(diǎn)的高峰小時(shí)流量。應(yīng)首先根據(jù)城市流量記錄數(shù)據(jù)確定計(jì)算周，然后結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)及現(xiàn)狀各類用戶用氣特點(diǎn)，將計(jì)算周內(nèi)的流量處理成各類用戶的高峰小時(shí)流量[2]。

a.計(jì)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(shí)流量資料，綜合確定2018年2月12日至2月18日為計(jì)算周，計(jì)算周相關(guān)氣象資料見表1。計(jì)算周每日小時(shí)流量見表2。由于該市天然氣工業(yè)用戶只有兩家，經(jīng)實(shí)地調(diào)研，高峰小時(shí)流量合計(jì)為600 m3/h，運(yùn)行平穩(wěn)，且產(chǎn)量一直平穩(wěn)，表2中每小時(shí)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(jì)算周每日小時(shí)流量。

表1 計(jì)算周相關(guān)氣象資料

表2 計(jì)算周每日小時(shí)流量 m3/h

續(xù)表2 m3/h

b.供暖高峰小時(shí)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(shí)間段，結(jié)合該市天然氣以居民為主的用戶結(jié)構(gòu)可判定該時(shí)間段僅為供暖用戶用氣。19:00—22:00為用氣高峰期，該時(shí)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(jì)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(jì)算兩個(gè)時(shí)段的室內(nèi)外溫差，依據(jù)4:00—7:00的平均小時(shí)流量計(jì)算得出19:00—22:00供暖部分平均小時(shí)流量?？紤]供暖平均小時(shí)流量與供暖高峰小時(shí)流量的比值為0.85，得出19:00—22:00供暖高峰小時(shí)流量。由此將供暖高峰小時(shí)流量與居民、商業(yè)合計(jì)高峰小時(shí)流量分離，見表3。

表3 各類用戶的高峰小時(shí)流量 m3/h

c.各類用戶高峰小時(shí)流量的分離

選取市區(qū)榮城楓景美居等5個(gè)小區(qū)及周邊縣城巴西莊子等7個(gè)小區(qū)共計(jì)16 584 戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)高峰系數(shù)為2.7，居民用戶高峰小時(shí)流量當(dāng)量(即居民生活高峰小時(shí)流量當(dāng)量)為0.056 3 m3/(h·戶)。

根據(jù)居民生活高峰小時(shí)流量當(dāng)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(shí)流量從居民生活和商業(yè)合計(jì)高峰小時(shí)流量中分離。居民生活和商業(yè)高峰小時(shí)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(jìn)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(shí)流量當(dāng)量為0.056 3 m3/(h·戶)，則可得出商業(yè)用戶高峰小時(shí)流量。根據(jù)調(diào)研現(xiàn)狀數(shù)據(jù)商業(yè)用戶設(shè)備總額定流量為55 087.3 m3/h，得出商業(yè)用戶高峰小時(shí)流量當(dāng)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(fù)荷為29.771 MW。鍋爐總額定蒸發(fā)量為318 t/h,總額定熱負(fù)荷為222.6 MW。根據(jù)表3，供暖高峰小時(shí)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(fù)荷進(jìn)行分?jǐn)?，?jì)算出鍋爐供暖用戶高峰小時(shí)流量當(dāng)量為33.284 m3·h/(h·t)，熱水爐供暖用戶供暖高峰小時(shí)流量當(dāng)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(shí)流量當(dāng)量為0.270 2 m3/(h·戶)

d.各類用戶高峰小時(shí)流量當(dāng)量及高峰小時(shí)流量

各類用戶高峰小時(shí)流量當(dāng)量及高峰小時(shí)流量見表4。

表4 各類用戶高峰小時(shí)流量當(dāng)量及高峰小時(shí)流量

3 近期高峰小時(shí)流量預(yù)測(cè)

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(jì)劃在近3年完成，第二門站的接入工程已啟動(dòng)。因此管網(wǎng)改造應(yīng)考慮近3年的分年度的流量預(yù)測(cè)，這樣更接近實(shí)際運(yùn)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(yīng)用高峰小時(shí)流量當(dāng)量預(yù)測(cè)新增高峰小時(shí)流量，見表5。根據(jù)對(duì)該市工業(yè)企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(guó)務(wù)院國(guó)發(fā)[2013]37號(hào)文《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的相關(guān)要求，應(yīng)全面整治燃煤小鍋爐，加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源供應(yīng)。為積極響應(yīng)政府號(hào)召，該市開始實(shí)施“煤改氣”工程，燃?xì)馄髽I(yè)需將此部分用氣單獨(dú)列出，用以核算補(bǔ)貼氣價(jià)。

表5 預(yù)測(cè)新增高峰小時(shí)流量

4 現(xiàn)狀管網(wǎng)水力計(jì)算及問題分析

① 現(xiàn)狀管網(wǎng)水力計(jì)算

現(xiàn)狀管網(wǎng)水力計(jì)算是以居民、商業(yè)、供暖及工業(yè)4類用戶用氣量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)建模，代入各個(gè)節(jié)點(diǎn)的高峰小時(shí)流量進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果有問題的節(jié)點(diǎn)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?xì)夤艿?，流速已達(dá)39.9 m/s，南環(huán)路管網(wǎng)最不利末端壓力為78 kPa。水力計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)實(shí)出現(xiàn)最低點(diǎn)壓力的位置及數(shù)據(jù)吻合，證明在缺少部分?jǐn)?shù)據(jù)的情形下，按氣象參數(shù)及用氣特點(diǎn)等規(guī)律確定的各類用戶高峰小時(shí)流量是符合現(xiàn)實(shí)情況的[3]。

② 流速分析

根據(jù)商業(yè)水力計(jì)算軟件對(duì)該市現(xiàn)狀中壓管網(wǎng)水力計(jì)算的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得出流速過大(實(shí)際流速超過經(jīng)濟(jì)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(shè)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(dǎo)致燃?xì)忮仩t無法正常啟動(dòng)。原因?yàn)樯嫌蝹€(gè)別道路管徑小于下游管徑，用氣高峰期間導(dǎo)致末端節(jié)點(diǎn)壓力不足。

5 管網(wǎng)改造方案

① 改造思路

新建及改擴(kuò)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(shè)；二是現(xiàn)狀斷頭路的連接，對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)某些由于歷史原因未連通的管道進(jìn)行連接，以達(dá)到改善管網(wǎng)水力工況的目的；三是瓶頸管道的改擴(kuò)建，主要考慮對(duì)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(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，計(jì)算分配各節(jié)點(diǎn)的流量，對(duì)2018—2020年的管網(wǎng)建模并進(jìn)行水力計(jì)算，對(duì)水力計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)合城市建設(shè)管理部門的年度道路建設(shè)計(jì)劃等外部因素，確定分年度管網(wǎng)改造與新建工程計(jì)劃[4]。

② 2018年度管網(wǎng)水力計(jì)算

2018年度的水力計(jì)算應(yīng)考慮新增用戶的流量，重點(diǎn)解決現(xiàn)狀個(gè)別節(jié)點(diǎn)冬季用氣高峰壓力較低的問題。氣源點(diǎn)高峰小時(shí)流量為29 227.4 m3/h，管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力為225.13 kPa。

③ 2019年度管網(wǎng)水力計(jì)算

新建二門站的選址等前期手續(xù)已批復(fù)，于2018年4月啟動(dòng)建設(shè)，但二門站在2019年度投產(chǎn)供氣的具體時(shí)間不確定，所以水力計(jì)算應(yīng)考慮兩種情形，分別為一門站單獨(dú)供應(yīng)、兩門站聯(lián)合供應(yīng)。

a.一門站單獨(dú)供應(yīng)

2019年度氣源點(diǎn)高峰小時(shí)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(diǎn)壓力為190.54 kPa。

b.兩門站聯(lián)合供應(yīng)

2019年度氣源點(diǎn)高峰小時(shí)流量合計(jì)為36 435.6 m3/h，其中一門站高峰小時(shí)流量為5 000 m3/h，二門站高峰小時(shí)流量為31 435.6 m3/h，管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力為198.03 kPa。

④ 2020年度管網(wǎng)水力計(jì)算

2020年度管網(wǎng)水力計(jì)算見圖1。2020年度由于二門站已投產(chǎn)運(yùn)行，為兩門站聯(lián)合供應(yīng)。2020年度氣源點(diǎn)高峰小時(shí)流量合計(jì)為43 654.5 m3/h，其中一門站高峰小時(shí)流量為10 000 m3/h，二門站高峰小時(shí)流量為33 654.5 m3/h，管網(wǎng)最不利點(diǎn)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(jì)算

2018年對(duì)輸配系統(tǒng)管道進(jìn)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(kuò)建管道4.05 km。2019年繼續(xù)對(duì)輸配系統(tǒng)管道進(jìn)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(kuò)建管道0.5 km。2020年繼續(xù)對(duì)輸配系統(tǒng)管道進(jìn)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(jié)語

① 分析西北某市燃?xì)夤芫W(wǎng)現(xiàn)狀，存在用氣高峰時(shí)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(diào)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(shí)流量。

② 工業(yè)用戶采用工廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。認(rèn)為4:00—7:00只有供暖小時(shí)流量，根據(jù)4:00—7:00及19:00—22:00兩個(gè)時(shí)段的室內(nèi)外溫差，依據(jù)4:00—7:00的平均小時(shí)流量計(jì)算得出19:00—22:00的供暖平均小時(shí)流量，考慮平均小時(shí)流量與高峰小時(shí)流量的比值，得到供暖高峰小時(shí)流量，將供暖高峰小時(shí)流量與居民生活和商業(yè)合計(jì)高峰小時(shí)流量分離。根據(jù)12個(gè)小區(qū)的調(diào)研數(shù)據(jù)，得到居民用戶(居民生活)高峰小時(shí)流量當(dāng)量，將居民生活高峰小時(shí)流量從居民和商業(yè)合計(jì)高峰小時(shí)流量中分離，剩余高峰小時(shí)流量為商業(yè)高峰小時(shí)流量。熱水爐供暖用戶與鍋爐供暖用戶按額定熱負(fù)荷分?jǐn)?，?jì)算熱水爐供暖、鍋爐供暖高峰小時(shí)流量。

③ 應(yīng)用商業(yè)水力計(jì)算軟件對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算，通過增加門站以及對(duì)現(xiàn)有燃?xì)夤芫W(wǎng)中壓管道新建、斷頭路連接、改擴(kuò)建進(jìn)行改造，改造后的管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果均滿足要求。