市政煤气管网升压及配套设施建设方案探讨

赵安洲

（中科路恒工程设计有限公司，山西 太原 030006）

在市政工程建设过程中，作为配套的燃气管网是其不可或缺的组成部分。根据相关规范要求以及煤气的特点，市政煤气管网一般采用两级供气方式，即中低压供气。由于这种供气方式的供气能力有限，特别是在管网运行压力较低的情况下，对于冬季高峰负荷用气极为不利，经常出现管网中缺气甚至无气现象，从而导致用户正常用气需求得不到有效的保障。通过对灵石县现有的市政煤气管网资料进行排查发现，现有煤气管网具备较强的供气能力但是却没有得到较好的利用，主要是因为现行市政煤气管网实际运行较低所导致。因此，充分发掘并利用现有市政中压煤气管网的供气能力成为最优选择，对县城市政中压煤气管网升压势在必行。

1 供气现状概况

灵石县市政煤气管网气源为天星焦化厂。天星焦化厂内部已建加压机房，由加压机房出口的中压煤气管道沿城东路向东北方向一路进入灵石县煤气化公司现状城东储配站，另一路继续沿城东路向北进入现状静升储配站。市政煤气主干道中压敷设，接中压支线经调压柜调压计量后低压供气。用户主要为居民用户、机关单位食堂、饭店、区域供暖锅炉房等，暂无工业用户。

目前，由于灵石县的快速发展，煤气用户越来越多，用气需求越来越大，对于灵石县现有市政煤气管网建设、供气能力、运行维护及配套设施提出了严峻的考验。同时，由于煤气中含有较多的苯、萘、焦油等杂质，长期运行会在管道内部集聚，造成管道内部管径变小，降低市政煤气管网系统的供气能力。通过数据监测发现，目前其市政管网入口处压力约为25～27kPa，末端最不利点出压力只有14kPa左右，远远低于实际设计压力，具有较大的提升空间。鉴于以上几个方面的考虑，现决定对灵石县市政中压煤气管网系统进行升压，以提高市政煤气管网的供气能力，满足日益增加的用气需求。

2 水力计算

2.1 水力计算方法

燃气管网水力计算数值计算迭代主要有三种，分别是解环方程法、节点法、解管段方程法，本次计算主要采用节点法。前期对相关资料数据进行收集：包括市政煤气管网干线管道长度、管径，管道支线长度、管径，调压站位置，用户类型及用气量等，绘制市政煤气管网水力计算图纸和各个管段用气量，通过水力计算软件分析，得出最不利点的位置。

用气量确定：用户主要有锅炉、食堂饭店以及居民户，锅炉额定用气量按150m/T*h，食堂大灶按10m/灶具*h，居民户按1.4m/h*户，再选择户数所对应的相应同时工作系数，将计算的额定用气量作为支线额定用气量。

2.2 水力计算原则

根据市政燃气管网运行单位要求，此次升压要保证最不利点调压柜进口压力不小于30kPa；因此在满足最不利点调压柜进口压力不小于30kPa的前提下，计算出市政管网入口（储配站出口）处的最小额定压力。在市政管网水力计算中，当某管段的直径过大或流量过小时，在迭代过程中容易出现不收敛或收敛缓慢的情况，这极大影响了水力计算的精度，因此在计算过程中应避免这种情况的发生。考虑到市政管网运行时间较长，可能会发生杂质堵塞管道的现象，故而在计算过程中，各管段所对应的管径都按小一号进行计算：具体为DN400按DN350，DN300按DN250，DN200按DN150，DN150按DN100，DN100按DN80计算。

2.3 水力计算软件

本工程计算所采用的软件为“G-NET城市燃气管网水力分析软件”，本软件由中国市政工程华北设计研究院和北京赛远科技发展有限公司共同开发，本软件适用于AUT0-CAD2008版本。

3 水力算过程及结果

3.1 城东储配站管网水力计算

城东储配站（节点0）至最末端共有支线20个，经计算发现，市政管网最不利点为供热六站调压站（节点21）。当城东储配站的出口压力为65kPa时，最不利点供热六站调压柜进口压力为28.3kPa。如表1所示。

表1 城东储配站水力计算表

3.2 静升储配站管网水力计算（如表2所示）

表2 静升储配站水力计算表

注：长度单位km；流量单位Nm3/h；压损单位0.1MPa（已考虑局部阻力损失）。

静升储配站（节点0）至最末端（节点30）共有支线15个和环状管网路（1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-1）1个。经计算发现，市政管网最不利点为南浦调压柜（节点26），当静升储配站的出口压力为35kPa时，最不利点南浦调压柜进口压力为27.8kPa。

4 升压方案

4.1 采用环状管网

灵石县市政管网以支状管网为主，对于城市燃气管网系统而言，支状管网具有较大的局限性和缺点；支状管网由于通过较长距离的燃气输送，到达终端时会出现燃气压力较低、气量不足等现象；且当某点发生故障时，该故障点之后的所有用户用气都会受到影响，而采用环状管网则可以较好的解决这一问题。环状管网平均管径较支状管网小，具有较好的经济性；另外，环状管网中各点的压力较支状管网更趋于均衡。

建议在市政管网升压的过程中，将从城东储配站和静升储配站出来的两路支状管网连接起来形成一个闭合的环状管网，这样不但可以较好的解决城市燃气管网运行过程中的输气量不足的问题，同时对于用气量也具有较好的调节作用。

4.2 封闭成环的连接点

从灵石县市政中压管网拼图上和城东站煤气管网水力计算可以看出，城东储配站管网系统最不利点位于星泰广场（节点20），因此，建议将星泰广场（节点20）DN200中压煤气管线和天星假日宾馆DN200中压煤气管线（节点28）连接成起来；将供热六站末端（节点21）DN200中压煤气管线和星泰广场（节点20）DN200中压煤气管线连接起来。

城东储配站和静升储配站现在独立运行，在交通执法局处将两个独立的市政管网系统连接起来，可以提高连接处的压力并提高管网运行的稳定性。

4.3 环状管网水力计算分析

将两个支状管网在末端出进行连接后，环状管网的水力工况将发生变化，原支状管网的最不利水力工况点可能发生变化。因此需要建立新的环状管网的水力计算模型，对环状管网的水力进行计算分析，确定不利点，并计算在满足最不利点运行压力的前提下，储配站出口处所需的最低压力。并进一步确定相关风机、电机、变压器、自控系统等相关设备设施的应用情况。

通过水力计算书可以发现，连接成环状管网最不利点为社会福利中心（静升节点29）调压柜入口；在城东储配站出口压力为65kPa和静升储配站出口压力为35kPa时，最不利点压力为26.7kPa，其余各点的压力基本在30kPa以上。

5 配套设施建设方案

5.1 压缩系统建设方案

5.1.1 城东储配站压缩系统现状

城东储配站现有罗茨鼓风机4台。其中1#、2#鼓风机型号为ML72WD；入口风量85.5m/min；出口压力19.6kPa；电机功率55kW；额定转速980r/min。3#、4#鼓风机型号为ML41-40；入口风量44m/min；额定压力34.3kPa；电机功率37kW；额定转速：980r/min。

5.1.2 城东储配站压缩系统建设方案

根据水力计算结果，城东储配站出口压力需要提升为65kPa，现有的罗茨鼓风机无法满足要求，因此需要改造罗茨式煤气压缩机的电机，提高轴功率，具体要求为：1#、2#鼓风机电机改造为132kW、6极防爆变频电机；3#、4#鼓风机电机改造为75kW、6极防爆变频电机。

改造后1#、2#鼓风机出口压力68.6kPa，单台额定出口流量75.2m/min；3#、4#鼓风机出口压力68.6kPa，单台额定出口流量39.6 m/min；总供气能力为13776m/h，满足市政管网建设升压的工艺要求。3#、4#鼓风机由于是铸铁底座，润滑油箱位于底座中，且采用强制润滑方式，改造较为复杂，也可考虑整套设备更新。改造时与厂家配合，尽量保证鼓风机基础不做改动。

5.1.3 静升储配站压缩系统现状

静升储配站现有罗茨鼓风机3台，鼓风机型号ML41-40，入口风量44m/min；额定压力34.3kPa；电机功率37kW；额定转速980r/min。

5.1.4 静升储配站压缩系统建设方案

静升储配站现在的3台罗茨鼓风机供气能力为量7920m/h，出口压力为34.3kPa，基本满足市政管网建设升压工艺要求。但更换电机需要改造底座及联轴器，考虑到在现场不具备加工条件，压缩机需要返厂改造，同时可以借此机会对压缩机进行测试和大修。

5.2 电气部分建设方案

1）城东储配站电气系统为：电机软启动、电容无功补偿，电机额定转速运行，站用变压器160kVA。静升储配站电气系统为：电阻降压启动，电机额定转速运行，站用变压器250kVA。

2）储配站的出口压力控制均采用电动阀出口回流控制，电机在额定转速下运行时能耗较大。为便于控制同时也出于节能的考虑，拟将电机改为变频控制，通过调整电机的转速来控制供气量和煤气出站压力。由于采用了变频器，现在的软启动、串电阻启动、电容无功补偿不再使用。静升站如果电气控制改为变频控制需要将电机改为变频电机，其他参数不变。

3）城东站设4台变频控制柜，1台控制盘及自控计算机系统。静升站设3台变频控制柜，1台控制盘及自控计算机系统。相应的配电盘以及电缆等现场设备做改造。润滑油系统等保护、电气控制系统需重新设计、改造。

4）城东储配站用变压器为杆上安装变电站，需增容改造，容量需在核定站内其他用电设备后计算确定，需协调当地供电部门及供货厂商二次设计。

5.3 自控部分建设方案

1）储配站目前具备较完善的自控系统，系统以工业自动化仪表组成。在控制室的操作盘上主要完成压缩机油压监控、保护、出站压力、流量、温度监控及积算、出站压力调节等功能。随着电机改为变频控制，相应的自控系统也要改造。

2）市政煤气管网入口压力通过压缩系统电机变频器调节，自控系统设出站压力自动控制系统，该系统可使站出口压力按照预定的曲线运行，或者按照人工定值运行。

3）采用远程智能测压终端检测，利用现有通信和高精度的压力检测技术，实现管道压力的实时检测具有重要的现实意义。将重要的市政管网运行数据引入储配站操作室，方便运行人员根据管网的运行情况及时调整出站压力，稳定供气。

4）自控系统改造采用PLC+工控机系统；自控系统与电气控制联合设计。单台压缩机运行时负荷在电机的额定转数50%以上。小于50%时切换到供气量小的压缩机。单台压缩机工作时采用变频控制调节出站压力。当一台压缩机不能满足负荷要求时，启动另外的压缩机并联运行，其中一台（或多台）额定负荷运行，另一台变负荷运行。

5）现有的一次仪表（压力变送器、热电阻等）不动，依据控制要求适当增加测点，设计阶段确定系统规模。

5.4 工艺部分建设方案

由于灵石中压燃气管网全部按照中压A进行设计，即设计压力为0.4MPa，完全能够满足管网升压的要求，因此不需要对中压管网系统进行更换和重新设计。仅根据水力计算结果对部分枝状管网连接封闭成环。

6 结语

本文在实际调研和资料收集的前提下，通过水力计算分析，找出实际运行过程中的最不利工况点。针对最不利工况点的用气压力和用气量需求，指出市政燃气管网及配套设施在实际建设及运行过程中可能存在的问题，在实际市政管网升压过程中予以重视并采取必要的安全保护措施；同时也为储配站内的相关设备及配套设施的建设方案提供理论依据。

在市政管网升压及配套设施建设过程中，应注意储配站内压缩机、电机等新设备或增容设备在试运行过程中可能产生的意外情况，做好安全保护措施，以免发生事故对人体产生影响，造成不必要的伤害和损失。