庭院及室內配氣系統(tǒng)氣源轉換的探討

摘 要

摘要：天然氣置換液化石油氣時，應對現有管道系統(tǒng)進行分析和評估，以提高其可再利用程度，降低置換成本、縮短工期，取得良好的經濟效益。本文提出了現有管道利用程度的核算方法及可行
摘要：天然氣置換液化石油氣時，應對現有管道系統(tǒng)進行分析和評估，以提高其可再利用程度，降低置換成本、縮短工期，取得良好的經濟效益。本文提出了現有管道利用程度的核算方法及可行的置換措施。
關鍵詞：管道再利用；附加壓頭；所需理論管長
The Probe About the Gas Source Conversion of Courtyard and Indoor Gas Distribution Systems
Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture Cheng Jianfeng Zhan Shuhui
Yanzhou Gas Group Company Zhao Yanyong
Abstract：When the Liquefied Petroleum Gas is replaced with the Natural Gas，it is necessary to analyze and assess the existing pipeline system.To do so can improve the degree of re-utilization、reduce replacement costs、shorten the construction period and achieve good economic benefits，Accounting methods of the degree of re-utilization and feasihle replacement measures are mentioned in this paper.
Keywords：the re-utilization of the existing pipeline system；additional pressure head；the tube length required in theory
    天然氣與液化石油氣是兩種不同的城鎮(zhèn)燃氣氣源，在輸配壓力、燃具額定壓力、華白數、熱值和燃燒特性等方面存在很大差異，不具有互換性。近年來，隨著天然氣的廣泛應用，一些原有液化石油氣管道供應的區(qū)域開始被天然氣所置換。在置換過程中，必然涉及到現有管道系統(tǒng)能否繼續(xù)使用，即再利用的問題。然而，目前一些置換工程中采用了全部更換現有管道系統(tǒng)的方式，置換成本較高。如果現有管道系統(tǒng)部分或全部不經改造即可滿足用戶燃具正常使用要求，可以明顯節(jié)省置換費用。因此，對現有液化石油氣管道系統(tǒng)進行能否再利用的評估就具有非常重要的意義。
1 天然氣置換液化石油氣的理論分析
1.1 熱值與流量
    城鎮(zhèn)燃氣中，液化石油氣的熱值約為108.4MJ/Nm3，天然氣熱值為36.2MJ/Nm3～45.5MJ/Nm3。液化石油氣的熱值大約為天然氣的2倍多。在兩種氣源滿足同樣的熱負荷需求時，天然氣流量大約要增加1倍多。
1.2 壓降與燃具前壓力
    當管道流量增大，管段壓力降將△P會相應增加。在天然氣置換液化石油氣時，若管道不更換，管道壓力降就會比轉換前增大，燃具前壓力會相應下降。
    實驗與研究的結論表明：液化石油氣低壓燃具的額定壓力為2800Pa，允許壓力波動范圍為2100Pa～4200Pa，而天然氣低壓燃具的額定壓力是2000Pa，允許壓力波動范同為1500Pa～3000Pa。
1.3 置換時可能出現的情況
    基于上述兩點，若在天然氣置換液化石油氣時，現有管道如不進行更換，置換后可能出現兩種情況：
    (1) 轉換后燃具前的壓力在其允許的壓力波動范圍之內。管道可不更換，可全部再利用，經濟性好。
    (2) 轉換后燃具前的壓力不在其允許的壓力波動范圍內。如果不改造管道，將造成用戶燃具不能正常燃燒。這種情況下，必須對原有管道進行部分或全部更換。此時，哪部分管道需要更換，哪部分管道可以再利用，將直接涉及到置換的投資、工期等諸多方面，應進行詳盡分析，以保證置換的經濟性。
2 典型的液化石油氣管道供氣方式
2.1 供氣方式1
    即管道通過區(qū)域調壓站或者樓棟調壓柜(箱)后，室外總立管沿建筑物外墻敷設至樓頂，經樓頂集中表箱后，分出若干根低壓下降立管，沿著靠近用氣房間的建筑外墻或陽臺向下引至各層用戶的供氣方式。
2.2 供氣方式2
    即管道通過區(qū)域調壓站或者樓棟調壓柜(箱)后，經過底層集中表箱后沿建筑外墻引若干低壓上升立管分別進入各層用戶或經過室內總立管、各用戶支管和戶內燃氣計量表引至末端設備的供氣方式。
2.3 供應方式3
    即調壓裝置和集中表箱都設置在天面，即中壓管道沿建筑物外墻敷設至樓頂，經樓頂中-低壓調壓箱調壓后，進入集中表箱后，分出若干根低壓下降立管，沿著靠近用氣房間的建筑外墻或陽臺向下引至各層用戶的供氣方式。
3 現有管道系統(tǒng)可再利用程度的核算及相應解決措施
3.1 調整調壓裝置的出口壓力
    以末端燃具前為計算起點，利用各計算管段已知量，即計算流量、管徑、管長和天然氣相關性質參數，根據雷諾數和管材選擇相應的水力計算公式，計算各管段的摩擦阻力損失，再考慮局部阻力損失和附加壓頭，從而可以逐段反算出調壓裝置出口壓力，然后調整調壓裝置的出口壓力值等于該計算值即可。
    然而，若各層燃具前壓力取同一值時，由于各層戶內管長度不一，可知各層用戶所需的調壓裝置出口壓力各異；若各層用戶燃具前壓力設定值不同時，調壓裝置出口壓力能穩(wěn)定在某一壓力值的幾率比較小，并且此解決措施計算量很大，調整值也很難準確確定，故從理論上說，該解決措施的可操作性差。
3.2 對部分管段，調整管徑或者增減阻力等措施
    保持現有液化石油氣管道供氣系統(tǒng)時調壓裝置出口壓力值不變，由于庭院管大都埋地敷設，為避免管網的再次開挖，增加造價，埋地庭院管盡量完全再利用。因而埋地庭院管的壓力降是既定的，再結合燃具前允許壓力波動范圍，即可求得剩余壓力降值，通過調整剩余管段的管徑和增減阻力等措施來消耗此剩余壓力降，確保燃具穩(wěn)定燃燒。
    由燃氣管道摩擦阻力損失計算公式可知，在其他條件不變的情況下，管段摩擦阻力是管段內徑和計算長度的函數。設定燃具前的壓力和求得的剩余壓力降值，然后考慮局部阻力損失和附加壓頭后，導出該管段的摩擦阻力，再利用剩余管段的已知參數(含管徑)計算出該摩擦阻力所對應的理論管長，即可定量確定現有液化石油氣管道系統(tǒng)的再利用程度。核算結果可能出現兩種情況：
    (1) 所需理論管長大于剩余管段實際管長，若該管段不做改造，末端燃具前壓力會增大。如果出現超過天然氣末端燃具前的最大允許壓力，在不調整剩余管段管長的情況下，可對該段部分管段逐級縮減管徑或采取增阻措施，來增大剩余段的壓力降，反復核算直至到末端燃具前壓力回落到允許波動范圍。
    (2) 所需理論管長小于剩余管段實際管長，若該管段不做改造，末端燃具前壓力會降低，如果出現低于天然氣末端燃具前的最小允許壓力，在不調整該管段管長的情況下，可對該段部分管段逐級增大管徑或采取減阻措施，來減少剩余段的壓力降，反復核算直至到末端燃具前壓力回落到允許波動范圍。
    需要特別指出，如果調整剩余管段管徑和增減阻力等措施受到限制，那么就必須改造前部分甚至是埋地管段了，現有管道系統(tǒng)的可再利用程度就降低了。
4 各典型供氣方式應注意的問題
4.1 計算管段的分界點選取
    一般地，計算起點選在調壓裝置出口，終點選在末端燃具前。不便于改動的管段命名為第一計算管段，例如部分埋地管和爬墻管等，而此后到燃具前命名為第二計算管段即剩余計算段。其中第二計算管段是重點討論的。
    一般地，對于室外集中掛表，分界點選在集中表箱，對于室內分戶掛表，以引入管(戶內管)與庭院分配管連接點為分界點。
4.2 第一計算管段有小分支流量的處理方法
    在工程應用中，小流量的用戶對水力計算的結果影響比較小。對于該管段中南相同管徑和管材組成的一段管段。可把其上的小流量用戶當作途泄流量來考慮，并把它們分配到與之相鄰的節(jié)點流量中，就能有效減少管網節(jié)點數，減少水力計算工作量[1]。
4.3 供應方式1的分析
    計算分界點選在天面的集中表箱，第一計算管段對各層用戶來說都一樣的，即集中表箱出口的壓力相同，但該計算管段中的沿建筑物外墻的低壓上升立管要考慮附加壓頭的影響。對于該供氣方式的第二計算段(低壓下降立管至末端燃具前)，天然氣的附加壓頭是負值，因此，該管段的最大壓力損失在最底層，最小壓力損失在最高層，最高層燃具前的壓力高于最
底層，所以，最高層末端主要防止超壓工作即大于燃具前最大允許壓力，而最底層主要防低于燃具最小允許壓力，即小區(qū)內最不利用戶點在最高和最低層，中間必有一臨界層用戶末端燃具前壓力和天然氣燃具額定壓力相當，此樓層現有管道系統(tǒng)可完全利用。
    但需指出的是，附加壓力所占份額取決于建筑物的高度，如果是高層建筑，其所占份額會更大。
4.4 供應方式2的分析
    在底層外墻設置集中表箱的供氣方式的第一計算管段基本上是埋地的庭院管，第二計算管段(外墻低壓上升立管至末端燃具前)，天然氣產生的附加壓頭是正值，該管段的最大壓力損失在最底層，最小壓力損失在最高層。
    對于戶內掛表的下環(huán)上行供氣方式，庭院管作為第一計算管段，戶內管作為第二計算管段。
4.5 供應方式3的分析
    建筑外墻外的中壓上升立管不在此文討論范圍。此供氣方式的第二計算管段同供氣方式1的第二計算管段的分析方法和結論一致。
5 案例
某小區(qū)原液化石油氣供應系統(tǒng)，采用樓棟調壓供應4棟居民樓26戶，其分布示意岡見圖1。1號、29；及3號居民樓采用供氣方式2，4號樓采用供氣方式1。如果保持該小區(qū)樓棟調壓柜出口壓力為3100Pa，設定各層天然氣管道末端燃具前壓力為1500Pa，即最小允許壓力。家用膜式燃氣表阻力損失取120Pa。每個用戶裝設一臺燃氣雙眼灶(26MJ/h)和一臺10升燃氣熱水器(84MJ/h)，所需天然氣流量為2.77m3/h，天然氣密度ρ=0.802kg/Nm3，運動粘度υ=12.56×10-6m2/s(計算值)。
 
    從樓棟調壓柜到最遠集中表箱作為第一計算管段，集中表箱出口引出10根低壓下降立管到各層用戶末端燃具前看做各樓層的第二計算管段。部分第一計算管段采用埋地敷設，第二計算管段各樓層長度不同，因此，首選第二種核算方法和解決措施。
    基于上述的理論分析和參數設定，第一計算管段水力計算結果和第二計算管段所需理論管長的計算結果分別見表1、表2。
    從表1、表2可以看出，第一計算管段末即集中表箱出口壓力為1709Pa(含表壓降)，第二計算管段的核算過程相當于對該管段進行等壓降設計，即各層用戶末端燃具前壓力均為1500Pa。
表1 第一計算管段的水力計算結果
管段號
額定流量
(Nm3/h)
同時工作系數
計算流量
(Nm3/h)
管徑
(mm)
管段管長
(m)
單位長度壓力降
(Pa/m)
摩擦阻力損失
(Pa)
管段壓力降
(Pa)
管段標高差
(m)
附加壓頭
(Pa)
實際壓力損失
(Pa)
2-1
72 02
0.216
15.56
50
80
1.12
89.82
94.32
0
0.00
94.32
3-2
58.17
0.219
12.19
40
80
2.49
198.90
208.84
0
0.00
208.84
4-3
44.32
0.236
10.46
32
80
3.21
256.64
269.47
0
0.00
269.47
5-4
27.7
0.270
7.48
25
100
8.02
802.00
842.10
30
144.35
697.75
表2 第二計算管段所需理論管長計算結果
管段號(樓層)
額定流量
(Nm3/h)
同時工作系數
計算流量
(Nm3/h)
管徑
(mm)
各層所需理論最長管長
(m)
單位長度壓力降
(Pa/m)
摩擦阻力損失
(Pa)
管段壓力降
(Pa)
管段標高差
(m)
附加壓頭
(Pa)
實際壓力損失
(Pa)
5-6(十)
2.77
1
2.77
20
44.25
4.01
177.45
195.19
-3
-14.44
209.63
5-6(九)
2.77
1
2.77
20
40.98
4.01
164.32
180.76
-6
-28.87
209.63
5-6(八)
2.77
1
2.77
20
37.71
4.01
151.20
166.32
-9
-43.31
209 63
5-6(七)
2.77
1
2.77
20
34.43
4.01
138.08
151.88
-12
-57.74
209.63
5-6(六)
2.77
1
2.77
20
31.16
4.01
124.95
137.45
-15
-72.18
209.63
5-6(五)
2.77
1
2.77
20
27.89
4.01
111.83
123.01
-18
-86.61
209.63
5-6(四)
2.77
1
2.77
20
24.62
4.01
98.71
108.58
-21
-101.05
209.63
5-6(三)
2.77
1
2 77
20
21.34
4.01
85.58
94.14
-24
-115.48
209.63
5-6(二)
2.77
1
2.77
20
18.07
4.01
72.46
79.71
-27
-129 92
209.63
5-6(一)
2.77
1
2.77
20
14.80
4.01
59.34
65.27
-30
-144.35
209.63
   由于1500Pa是天然氣燃具前最小允許壓力，所以，計算所得管長也即是所需理論最長管長。所需理論計算管長和現有實際管長比對，會發(fā)現高樓層用戶所需理論最長管長大于現有實際管長，但是由于調壓柜出口壓力是3100Pa，天然氣末端燃具前壓力不會超過最大允許壓力，所以，高樓層的管道系統(tǒng)基本上可全部再利用。中間必存在一臨界樓層即該樓層用戶所需理論最長管長與現有實際管長相當，但臨界層以下樓層必須采取逐級增大第二計算管段部分管徑或采取減阻措施來減少壓力降，如果還不能滿足，就只有改動部分第一計算管段了。
6 結論
    在天然氣置換液化石油氣過程中，可以通過對現有管道系統(tǒng)進行評估分析，盡可能部分或全部利用，以節(jié)省置換費用、縮短工期，取得較好的經濟效益：
    (1) 在天然氣置換液化石油氣時，首先要根據新的氣源——天然氣的性質，按相應的水力計算公式，核算現有管道系統(tǒng)水力工況，是否可以滿足燃具前允許的壓力波動，以確定現有管道系統(tǒng)的可再利用程度。
    (2) 若庭院及室內液化石油氣管道供應系統(tǒng)不可完全再利用，就以不便改動管段，如埋地敷設作為第一計算管段。在假定第～計算管段不更換的情況下，核算第二計算管段。如果只更換第二計算管段的管道能夠滿足用戶要求，則第一計算管段管道可以完全再利用。
    (3) 若核算后發(fā)現，只更換第二計算管段的管道不能滿足用戶燃具的要求，此時則需要對管道進行新的水力計算與設計，改動第一計算管段甚至更換所有管道，置換成本及工期將增加。
參考文獻：
1 張寧，天貫三.中壓燃氣管網的簡化與流量折算系數的研究[J].煤氣與熱力，2007：27(7)：12-16
2 段常貴.燃氣輸配(第三版).北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001
 
(本文作者：程建鋒1 詹淑慧1 趙延勇2 1.北京建筑工程學院 100044；2.兗州市煤氣公司 272100)