寶雞中燃城市燃氣發(fā)展有限公司 郭丹丹

天然氣供暖是清潔供暖的主要方式。2017年12月，國家發(fā)展和改革委員會等十部委發(fā)布了發(fā)改能源［2017］2100號文《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》，以推進我國北方地區(qū)冬季清潔供暖工作。其中要求到 2021年，北京、天津 2個直轄市以及石家莊、唐山等 26個北方重點城市的農(nóng)村清潔供暖率達到60%以上[1]。農(nóng)村煤改氣時間緊、任務(wù)重，并且農(nóng)村低壓燃氣管道的鋪設(shè)非常龐大和錯綜復(fù)雜。因而在農(nóng)村燃氣管道新建和擴建工程中，進行準確、快速的燃氣管網(wǎng)水力計算是實行高質(zhì)量管網(wǎng)設(shè)計、施工以及運行調(diào)度的必要條件。

1 農(nóng)村氣代煤的意義

1.1 減少環(huán)境污染，優(yōu)化空氣質(zhì)量

煤炭是我國北方農(nóng)村地區(qū)使用的主要能源。煤的燃燒會給環(huán)境造成一定的污染，目前導致我國霧霾天氣加劇的主要原因是煤炭的不合理使用。煤炭主要由碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素構(gòu)成，富含大量的無機質(zhì)。煤炭燃燒時，會產(chǎn)生大量的CO2和部分SO2等氣體。如果煤炭燃燒后產(chǎn)生的大量爐渣沒有進行有效處理，必定占用農(nóng)村大片寶貴耕地，進而產(chǎn)生一系列問題。因此要在農(nóng)村采取氣代煤供氣的方式來提高能源利用率，同時可以減少溫室氣體和對人體有害氣體的排放。地方政府統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展時，必須把農(nóng)村的節(jié)能減排問題放在首位。

1.2 改善社會環(huán)境，提高生活質(zhì)量

我國農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施落后、管理水平較低、缺乏公共服務(wù)理念，這些客觀存在因素大大限制了我國農(nóng)村地區(qū)生活條件。如果在農(nóng)村實行氣代煤供氣，將會在很大程度上改善農(nóng)村地區(qū)的生活質(zhì)量。氣代煤供氣方式的供暖安全系數(shù)更高，相比于以往的分散式供暖費用支出更少，更有助于提高農(nóng)民的生活水平。目前我國正處在城市化進程不斷推進階段，農(nóng)村人口大多為一些老人和兒童，因此應(yīng)當采取一定的安全措施來保障他們的日常生活，氣代煤供氣的方式就可以很好地達到這一目標。做好氣代煤工作還能造福后代，還他們一片藍天。

2 燃氣管道水力計算理論

2.1 流量計算

根據(jù)GB 50028－2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(簡稱《設(shè)計規(guī)范》)中的 10.2.9條，居民生活用燃氣計算流量公式為：

式中：Qh——燃氣管道的計算流量，m3/h；

k——燃具同時工作系數(shù)，居民生活用燃具可按《設(shè)計規(guī)范》附錄F確定；

N——同種燃具或成組燃具的數(shù)目；

Qn——燃具的額定流量，m3/h。

2.2 摩擦阻力損失計算

根據(jù)GB 50028－2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》中的 6.2.5條，低壓燃氣管道單位長度的摩擦阻力損失計算公式為：

式中：Δp——燃氣管道摩擦阻力損失，Pa；

λ——燃氣管道摩擦阻力系數(shù)；

l——燃氣管道的計算長度，m；

Q——燃氣管道的計算流量，m3/h；

d——管道內(nèi)徑，mm；

ρ——燃氣的密度，kg/m3；

T——設(shè)計中所采用的燃氣溫度，K；

T0——273.15 K。

城鎮(zhèn)燃氣低壓管道從調(diào)壓站到最遠燃具管道允許阻力損失計算公式：

式中：Δpd——從調(diào)壓站到最遠燃具的管道允許阻力損失，Pa；

pn——低壓燃具的額定壓力，Pa。

3 農(nóng)村燃氣管道水力計算的主要影響因素

在設(shè)計農(nóng)村燃氣管道時，基本思路是將中壓管線埋到地下，然后經(jīng)過調(diào)壓箱將中壓調(diào)成低壓后進行管線架空敷設(shè)，最終將天然氣輸送到各家各戶，達到為用戶供氣的目標。

一般需根據(jù)農(nóng)村居民宅基地的大小分布、壁掛爐的安裝以及調(diào)壓設(shè)施的布局來綜合考慮計算燃氣管道管徑的大小。首先，農(nóng)村住戶有分散有集中，集中的住戶調(diào)壓箱所帶的戶數(shù)就相對多一些，反之就少。其次，農(nóng)村用戶燃氣具比較單一，一般就考慮家用灶以及壁掛爐采暖用氣。根據(jù)各個村民的居住率和壁掛爐的使用情況綜合考慮村莊的灶具安裝戶數(shù)和壁掛爐的安裝率，同時，同一個調(diào)壓箱出口到不同支管末端的壓力根據(jù)不同的支管管徑、管線長度也不同。因此根據(jù)農(nóng)村實際情況進行設(shè)計時，從調(diào)壓箱各個分支所帶的戶數(shù)、管徑、流量不同，摩擦阻力損失和流速也相應(yīng)會不同。寶雞市某村莊的一個調(diào)壓箱以及燃氣管道設(shè)計見圖1。

圖1 寶雞市某村莊一個調(diào)壓箱的燃氣管道設(shè)計

3.1 管徑的選擇

此區(qū)域總戶數(shù)為120戶，每戶用氣量按2.5 m3/h計算，壁掛爐安裝率按20%計算，總用氣量為59.2 m3/h。選擇RX80/0.4-40調(diào)壓箱，出口壓力為3 000 Pa，灶具額定用氣壓力為2 000 Pa。由于此區(qū)域廚房位置基本就在宅基地門口外墻處，室內(nèi)壓損≤100 Pa，因此設(shè)計時室外低壓架空管道末端節(jié)點壓力至少要達到2 100 Pa。現(xiàn)選擇此調(diào)壓箱出口處3條支線進行節(jié)點標記逐步計算對比研究分析，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 調(diào)壓箱左側(cè)支線節(jié)點各參數(shù)與戶數(shù)的關(guān)系

圖3 調(diào)壓箱中間支線節(jié)點各參數(shù)與戶數(shù)的關(guān)系

圖4 調(diào)壓箱右側(cè)支線節(jié)點各參數(shù)與戶數(shù)關(guān)系

為了節(jié)約資源，降低成本消耗，本次設(shè)計農(nóng)村室外低壓管道管徑主要規(guī)格有DN65、DN50、DN40和 DN32。農(nóng)村低壓埋地管道比較少，并且埋地管道基本都采用DN63的管道。戶數(shù)越多，流量越大，管徑也就越大，單位壓降和流速在變徑的位置處變化較大。當調(diào)壓箱支線管徑變化時，由于用氣量是隨戶數(shù)逐漸增加的，每個管徑管道的用氣量是有一定范圍的，所以當用氣量增加時，必然能達到管徑對應(yīng)的最大用氣量，同時單位壓降和流速也會突然變大。

這3條支線分別所帶的戶數(shù)、管徑、總長度有很大的差異，每條支線要滿足室外低壓架空管道末端節(jié)點壓力至少要達到2 100 Pa、流速在6 m/s以下。由圖2～圖4中的數(shù)據(jù)可知，要滿足末端壓力及管道流速的要求，左支線51戶與中間支線24戶的耗氣量使得起點均需用DN50管道，右支線69戶的耗氣量使得起點要用DN65管道。對比發(fā)現(xiàn)DN50管道的最大用氣量為32.11 m3/h，在低壓架空的長度一定的情況下，DN50的管道能帶63戶。

3.2 節(jié)點壓力的平衡

3條支線各節(jié)點壓力與戶數(shù)、壓力與管徑的對比關(guān)系見圖5和圖6。

圖5 3條支線各節(jié)點壓力與戶數(shù)的對比關(guān)系

圖6 3條支線各節(jié)點壓力與管徑的對比關(guān)系

管徑越大，流量越大，壓力也就越大.由于3條支線總長度不同，各個節(jié)點個數(shù)也不同，因此它們的管徑差異較大，但是從圖 5和圖 6可以看出：DN32的管道能帶7戶，DN40的管道能帶20戶左右，DN50的管道能帶63戶。

在農(nóng)村設(shè)計中不僅戶數(shù)、管徑對各節(jié)點壓力有影響，總的支線長度對各節(jié)點壓力也有很大影響，三條支線總長分別為358 m、409 m、399 m，右側(cè)支線的長度長、節(jié)點多、戶數(shù)大，末端壓力和流速要保證用戶正常使用壓力，因此DN50管道一直敷設(shè)到末端，否則將不能保證用戶正常用氣。理論上要將調(diào)壓箱放在用氣片區(qū)的中間位置，但由于農(nóng)村住戶分布區(qū)域較廣、中壓管道敷設(shè)進村破壞農(nóng)村路面等問題，各村住戶均不允許破壞路面、妨礙村中出行等問題，現(xiàn)根據(jù)實際情況調(diào)壓箱基本都敷設(shè)在村子最靠邊的位置。每條支線管道敷設(shè)考慮因素非常多且復(fù)雜，種種客觀因素使得農(nóng)村低壓燃氣管道設(shè)計非常困難。

4 結(jié)語

在農(nóng)村推廣氣代煤供氣是一個建設(shè)量大、涉及面廣的項目，過程中必須要有可靠的項目質(zhì)量保證體系，對項目設(shè)計、施工、驗收及后期的維護管理過程都要進行嚴格的監(jiān)控，確保每個過程質(zhì)量。只有讓群眾可以切身感受到氣代煤供氣系統(tǒng)使用的優(yōu)點，才可以真正實現(xiàn)氣代煤供氣方案實施的意義，進而達到節(jié)能減排、清潔空氣的目的。農(nóng)村氣代煤工程是國家正在推行實施的一項重要的利民政策，工程的復(fù)雜性要求初設(shè)計時一定要全面考慮各項因素，對各個調(diào)壓箱支線進行嚴密的水力計算分析，高效、合理地完成農(nóng)村燃氣管道設(shè)計工作，以便如期完成農(nóng)村氣代煤工程。