各类用户高峰小时流量的分离与燃气管网改造

杨晓嵘， 唐 杉

(中国市政工程西北设计研究院有限公司新疆分院，新疆乌鲁木齐830000)

1 概述

本文各类用户包括居民用户、商业用户、热水炉供暖用户、锅炉供暖用户、工业用户。其中居民用户用气量为居民生活用气量，热水炉供暖用户用气量包括居民生活用气量和热水炉供暖用气量。

西北某市，现状人口为58×104人，天然气工程经过2009—2018年的建设，已建成门站1座，中压主干管网144.6 km，燃气调压箱1 435 台。各类燃气用户分布如下:居民用户为119 529 户，供暖热水炉供暖用户(以下简称热水炉供暖用户)为6 616户；商业用户138 户；燃气锅炉房供暖用户(以下简称锅炉供暖用户)61户；工业用户2 户。2015—2017年，各年天然气总流量(不含汽车流量)分别为2 071.00×104m3/a、3 598.87×104m3/a、3 972.18×104m3/a。本文涉及的天然气用量均为压力为101 325 Pa，温度为20 ℃标准状态下的用量。

目前运营问题主要集中在两方面，一是冬夏用气量波峰与波谷比值已达5∶1；二是近年来尤其是2017—2018年冬季用气高峰时期，处于管网末端的燃气锅炉房出现压力低至0.08 MPa，无法启动的情况。前者由于供暖用户占有一定比例，是北方城市普遍特点；后者需以水力计算为基础，进行管网改造。

2 现状管网建模

① 基础参数处理

该市地形平缓，北高南低，现状为单门站供气，气源来自西气东输二线、三线，燃气主管道公称直径为400、300、200 mm。由于水力计算软件运行中，需要对实际的燃气管道进行一定的梳理与精简，特作如下假设[1]。

a.水力计算用气点只计算到主要三通阀门井处(即小区控制阀门井处)。

b.将末端用户前长度小于50 m的支线简化为节点，便于建立模型。此节点前管道长度乘以1.1～1.2的系数。

c.管网支线较多，材料分为钢管和PE管，根据材料的不同分别选取相应的粗糙度；摩擦阻力系数由水力计算软件计算。

d.不考虑温度对流体运动及状态的影响。

e.管道内天然气的状态参数由BWRS方程确定。

f.居民流量依据人口(住宅户数、住宅密度、商业集中区)按照等概率分布确定高峰小时流量。

② 高峰小时流量确定

由于该市现状调压箱抄表数据均为一日一抄，不能直接作为水力计算中各节点的高峰小时流量。应首先根据城市流量记录数据确定计算周，然后结合当地气象参数及现状各类用户用气特点，将计算周内的流量处理成各类用户的高峰小时流量[2]。

a.计算周的确定

根据该市门站的2017—2018年冬季供暖期中每日气温和城市各类用户高峰小时流量资料，综合确定2018年2月12日至2月18日为计算周，计算周相关气象资料见表1。计算周每日小时流量见表2。由于该市天然气工业用户只有两家，经实地调研，高峰小时流量合计为600 m3/h，运行平稳，且产量一直平稳，表2中每小时的流量数据中已将其分离出去。因此表2为居民用户、商业用户、供暖用户的计算周每日小时流量。

表1 计算周相关气象资料

表2 计算周每日小时流量 m3/h

续表2 m3/h

b.供暖高峰小时流量的分离

根据表2，分析每日流量的共同规律，得出4:00—7:00为用气低谷时间段，结合该市天然气以居民为主的用户结构可判定该时间段仅为供暖用户用气。19:00—22:00为用气高峰期，该时间段内用户类型为居民用户、商业用户和供暖用户。室内计算温度为20 ℃，依据4:00—7:00及19:00—22:00的平均温度分别计算两个时段的室内外温差，依据4:00—7:00的平均小时流量计算得出19:00—22:00供暖部分平均小时流量。考虑供暖平均小时流量与供暖高峰小时流量的比值为0.85，得出19:00—22:00供暖高峰小时流量。由此将供暖高峰小时流量与居民、商业合计高峰小时流量分离，见表3。

表3 各类用户的高峰小时流量 m3/h

c.各类用户高峰小时流量的分离

选取市区荣城枫景美居等5个小区及周边县城巴西庄子等7个小区共计16 584 户进行统计分析，这些小区无热水炉供暖用户。得出居民日均用气量为0.5 m3/户，小时高峰系数为2.7，居民用户高峰小时流量当量(即居民生活高峰小时流量当量)为0.056 3 m3/(h·户)。

根据居民生活高峰小时流量当量及居民用户和热水炉供暖用户数量，将居民生活高峰小时流量从居民生活和商业合计高峰小时流量中分离。居民生活和商业高峰小时流量为9 068.3～11 725.2 m3/h，考虑到春节期间非常住人口的流入，本文按照10 886 m3/h进行估值。居民用户和热水炉供暖用户之和为126 145户，居民生活高峰小时流量当量为0.056 3 m3/(h·户)，则可得出商业用户高峰小时流量。根据调研现状数据商业用户设备总额定流量为55 087.3 m3/h，得出商业用户高峰小时流量当量为0.068 7 m3·h/(h·m3)。

本论文中热水炉供暖用户为6 616户，热水炉总额定热负荷为29.771 MW。锅炉总额定蒸发量为318 t/h,总额定热负荷为222.6 MW。根据表3，供暖高峰小时流量为7 553.3～151 15.7 m3/h,取12 000 m3/h，热水炉与锅炉按额定热负荷进行分摊，计算出锅炉供暖用户高峰小时流量当量为33.284 m3·h/(h·t)，热水炉供暖用户供暖高峰小时流量当量为0.214 0 m3/(h·户)。

热水炉供暖用户流量包括居民生活流量和热水炉供暖流量，热水炉供暖用户高峰小时流量当量为0.270 2 m3/(h·户)

d.各类用户高峰小时流量当量及高峰小时流量

各类用户高峰小时流量当量及高峰小时流量见表4。

表4 各类用户高峰小时流量当量及高峰小时流量

3 近期高峰小时流量预测

考虑到目前主城区发展比较充分，气化工作已基本完成，用户变化较大的是部分煤改气锅炉供暖用户，均计划在近3年完成，第二门站的接入工程已启动。因此管网改造应考虑近3年的分年度的流量预测，这样更接近实际运行情况。至2020年，城市天然气新增用户包含新增的居民用户、商业用户、锅炉供暖用户及煤改气锅炉供暖用户，应用高峰小时流量当量预测新增高峰小时流量，见表5。根据对该市工业企业的现场调研，现状主城区不再新增工业企业，现状2家工业用户维持已有生产规模不变。根据国务院国发[2013]37号文《大气污染防治行动计划》的相关要求，应全面整治燃煤小锅炉，加快调整能源结构，增加清洁能源供应。为积极响应政府号召，该市开始实施“煤改气”工程，燃气企业需将此部分用气单独列出，用以核算补贴气价。

表5 预测新增高峰小时流量

4 现状管网水力计算及问题分析

① 现状管网水力计算

现状管网水力计算是以居民、商业、供暖及工业4类用户用气量为基础进行计算。对现状管网建模，代入各个节点的高峰小时流量进行运算，计算结果有问题的节点主要集中在市区西南角，最大流速出现在伊犁河路DN 200 mm燃气管道，流速已达39.9 m/s，南环路管网最不利末端压力为78 kPa。水力计算结果与现实出现最低点压力的位置及数据吻合，证明在缺少部分数据的情形下，按气象参数及用气特点等规律确定的各类用户高峰小时流量是符合现实情况的[3]。

② 流速分析

根据商业水力计算软件对该市现状中压管网水力计算的结果，统计得出流速过大(实际流速超过经济流速上限即20 m/s)的管段有6根。

③ 问题分析

a.中心城区管道断头路较多

中心城区存在多处断头路，因而管道敷设也随之中断，影响管网流量合理的分配，使城市管网局部压力过低。

b.城市管网管径瓶颈过多

2017年至2018年供暖期，位于南环路恒大绿洲小区锅炉房附近中压管网压力低至0.08 MPa，导致燃气锅炉无法正常启动。原因为上游个别道路管径小于下游管径，用气高峰期间导致末端节点压力不足。

5 管网改造方案

① 改造思路

新建及改扩建管道主要考虑3类需要:一是满足新增用户需求，即根据新增用户所在位置考虑新建管道，沿就近道路敷设；二是现状断头路的连接，对现状管网某些由于历史原因未连通的管道进行连接，以达到改善管网水力工况的目的；三是瓶颈管道的改扩建，主要考虑对于现状管网流速较大的管道增大管径。

在上述分年度流量预测的基础上，计算分配各节点的流量，对2018—2020年的管网建模并进行水力计算，对水力计算结果对比验证，结合城市建设管理部门的年度道路建设计划等外部因素，确定分年度管网改造与新建工程计划[4]。

② 2018年度管网水力计算

2018年度的水力计算应考虑新增用户的流量，重点解决现状个别节点冬季用气高峰压力较低的问题。气源点高峰小时流量为29 227.4 m3/h，管网最不利点压力为225.13 kPa。

③ 2019年度管网水力计算

新建二门站的选址等前期手续已批复，于2018年4月启动建设，但二门站在2019年度投产供气的具体时间不确定，所以水力计算应考虑两种情形，分别为一门站单独供应、两门站联合供应。

a.一门站单独供应

2019年度气源点高峰小时流量为36 435.6 m3/h，一门站出站主管道流速为19.82 m/s，管网最不利点压力为190.54 kPa。

b.两门站联合供应

2019年度气源点高峰小时流量合计为36 435.6 m3/h，其中一门站高峰小时流量为5 000 m3/h，二门站高峰小时流量为31 435.6 m3/h，管网最不利点压力为198.03 kPa。

④ 2020年度管网水力计算

2020年度管网水力计算见图1。2020年度由于二门站已投产运行，为两门站联合供应。2020年度气源点高峰小时流量合计为43 654.5 m3/h，其中一门站高峰小时流量为10 000 m3/h，二门站高峰小时流量为33 654.5 m3/h，管网最不利点压力为199.37 kPa。

⑤ 改造工程量

图1 2020年管网优化水力计算

2018年对输配系统管道进行改造，其中新建中压管道7.8 km，断头路连接中压管道1.84 km，改扩建管道4.05 km。2019年继续对输配系统管道进行改造，其中新建中压管道14.3 km，断头路连接中压管道1.7 km，改扩建管道0.5 km。2020年继续对输配系统管道进行改造，其中新建中压管道5.0 km，断头路连接中压管道0.4 km。

6 结语

① 分析西北某市燃气管网现状，存在用气高峰时处于管网末端的锅炉供暖用户压力过低的情况。通过现有调研资料得出各类用户(居民用户、商业用户、热水炉供暖用户、锅炉供暖用户、工业用户)的高峰小时流量。

② 工业用户采用工厂实测数据。认为4:00—7:00只有供暖小时流量，根据4:00—7:00及19:00—22:00两个时段的室内外温差，依据4:00—7:00的平均小时流量计算得出19:00—22:00的供暖平均小时流量，考虑平均小时流量与高峰小时流量的比值，得到供暖高峰小时流量，将供暖高峰小时流量与居民生活和商业合计高峰小时流量分离。根据12个小区的调研数据，得到居民用户(居民生活)高峰小时流量当量，将居民生活高峰小时流量从居民和商业合计高峰小时流量中分离，剩余高峰小时流量为商业高峰小时流量。热水炉供暖用户与锅炉供暖用户按额定热负荷分摊，计算热水炉供暖、锅炉供暖高峰小时流量。

③ 应用商业水力计算软件对现状管网进行水力计算，通过增加门站以及对现有燃气管网中压管道新建、断头路连接、改扩建进行改造，改造后的管网水力计算结果均满足要求。