庭院及室內(nèi)配氣系統(tǒng)氣源轉(zhuǎn)換的探討

摘 要

摘要：天然氣置換液化石油氣時(shí)，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有管道系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)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(jīng)濟(jì)效益。本文提出了現(xiàn)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(shí)，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有管道系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)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(jīng)濟(jì)效益。本文提出了現(xiàn)有管道利用程度的核算方法及可行的置換措施。
關(guān)鍵詞：管道再利用；附加壓頭；所需理論管長(zhǎng)
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?xì)鈿庠?，在輸配壓力、燃具額定壓力、華白數(shù)、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(yīng)用，一些原有液化石油氣管道供應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)有管道系統(tǒng)的方式，置換成本較高。如果現(xiàn)有管道系統(tǒng)部分或全部不經(jīng)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(fèi)用。因此，對(duì)現(xiàn)有液化石油氣管道系統(tǒng)進(jìn)行能否再利用的評(píng)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?xì)庵?，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(fù)荷需求時(shí)，天然氣流量大約要增加1倍多。
1.2 壓降與燃具前壓力
    當(dāng)管道流量增大，管段壓力降將△P會(huì)相應(yīng)增加。在天然氣置換液化石油氣時(shí)，若管道不更換，管道壓力降就會(huì)比轉(zhuǎn)換前增大，燃具前壓力會(huì)相應(yīng)下降。
    實(shí)驗(yàn)與研究的結(jié)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(dòng)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(dòng)范同為1500Pa～3000Pa。
1.3 置換時(shí)可能出現(xiàn)的情況
    基于上述兩點(diǎn)，若在天然氣置換液化石油氣時(shí)，現(xiàn)有管道如不進(jìn)行更換，置換后可能出現(xiàn)兩種情況：
    (1) 轉(zhuǎn)換后燃具前的壓力在其允許的壓力波動(dòng)范圍之內(nèi)。管道可不更換，可全部再利用，經(jīng)濟(jì)性好。
    (2) 轉(zhuǎn)換后燃具前的壓力不在其允許的壓力波動(dòng)范圍內(nèi)。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(duì)原有管道進(jìn)行部分或全部更換。此時(shí)，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(yīng)進(jìn)行詳盡分析，以保證置換的經(jīng)濟(jì)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(diào)壓站或者樓棟調(diào)壓柜(箱)后，室外總立管沿建筑物外墻敷設(shè)至樓頂，經(jīng)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(tái)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(diào)壓站或者樓棟調(diào)壓柜(箱)后，經(jīng)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(jìn)入各層用戶或經(jīng)過室內(nèi)總立管、各用戶支管和戶內(nèi)燃?xì)庥?jì)量表引至末端設(shè)備的供氣方式。
2.3 供應(yīng)方式3
    即調(diào)壓裝置和集中表箱都設(shè)置在天面，即中壓管道沿建筑物外墻敷設(shè)至樓頂，經(jīng)樓頂中-低壓調(diào)壓箱調(diào)壓后，進(jìn)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(tái)向下引至各層用戶的供氣方式。
3 現(xiàn)有管道系統(tǒng)可再利用程度的核算及相應(yīng)解決措施
3.1 調(diào)整調(diào)壓裝置的出口壓力
    以末端燃具前為計(jì)算起點(diǎn)，利用各計(jì)算管段已知量，即計(jì)算流量、管徑、管長(zhǎng)和天然氣相關(guān)性質(zhì)參數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)和管材選擇相應(yīng)的水力計(jì)算公式，計(jì)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(diào)壓裝置出口壓力，然后調(diào)整調(diào)壓裝置的出口壓力值等于該計(jì)算值即可。
    然而，若各層燃具前壓力取同一值時(shí)，由于各層戶內(nèi)管長(zhǎng)度不一，可知各層用戶所需的調(diào)壓裝置出口壓力各異；若各層用戶燃具前壓力設(shè)定值不同時(shí)，調(diào)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(jì)算量很大，調(diào)整值也很難準(zhǔn)確確定，故從理論上說，該解決措施的可操作性差。
3.2 對(duì)部分管段，調(diào)整管徑或者增減阻力等措施
    保持現(xiàn)有液化石油氣管道供氣系統(tǒng)時(shí)調(diào)壓裝置出口壓力值不變，由于庭院管大都埋地敷設(shè)，為避免管網(wǎng)的再次開挖，增加造價(jià)，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(jié)合燃具前允許壓力波動(dòng)范圍，即可求得剩余壓力降值，通過調(diào)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?xì)夤艿滥Σ磷枇p失計(jì)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(nèi)徑和計(jì)算長(zhǎng)度的函數(shù)。設(shè)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(dǎo)出該管段的摩擦阻力，再利用剩余管段的已知參數(shù)(含管徑)計(jì)算出該摩擦阻力所對(duì)應(yīng)的理論管長(zhǎng)，即可定量確定現(xiàn)有液化石油氣管道系統(tǒng)的再利用程度。核算結(jié)果可能出現(xiàn)兩種情況：
    (1) 所需理論管長(zhǎng)大于剩余管段實(shí)際管長(zhǎng)，若該管段不做改造，末端燃具前壓力會(huì)增大。如果出現(xiàn)超過天然氣末端燃具前的最大允許壓力，在不調(diào)整剩余管段管長(zhǎng)的情況下，可對(duì)該段部分管段逐級(jí)縮減管徑或采取增阻措施，來增大剩余段的壓力降，反復(fù)核算直至到末端燃具前壓力回落到允許波動(dòng)范圍。
    (2) 所需理論管長(zhǎng)小于剩余管段實(shí)際管長(zhǎng)，若該管段不做改造，末端燃具前壓力會(huì)降低，如果出現(xiàn)低于天然氣末端燃具前的最小允許壓力，在不調(diào)整該管段管長(zhǎng)的情況下，可對(duì)該段部分管段逐級(jí)增大管徑或采取減阻措施，來減少剩余段的壓力降，反復(fù)核算直至到末端燃具前壓力回落到允許波動(dòng)范圍。
    需要特別指出，如果調(diào)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(xiàn)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(yīng)注意的問題
4.1 計(jì)算管段的分界點(diǎn)選取
    一般地，計(jì)算起點(diǎn)選在調(diào)壓裝置出口，終點(diǎn)選在末端燃具前。不便于改動(dòng)的管段命名為第一計(jì)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(jì)算管段即剩余計(jì)算段。其中第二計(jì)算管段是重點(diǎn)討論的。
    一般地，對(duì)于室外集中掛表，分界點(diǎn)選在集中表箱，對(duì)于室內(nèi)分戶掛表，以引入管(戶內(nèi)管)與庭院分配管連接點(diǎn)為分界點(diǎn)。
4.2 第一計(jì)算管段有小分支流量的處理方法
    在工程應(yīng)用中，小流量的用戶對(duì)水力計(jì)算的結(jié)果影響比較小。對(duì)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(dāng)作途泄流量來考慮，并把它們分配到與之相鄰的節(jié)點(diǎn)流量中，就能有效減少管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)，減少水力計(jì)算工作量[1]。
4.3 供應(yīng)方式1的分析
    計(jì)算分界點(diǎn)選在天面的集中表箱，第一計(jì)算管段對(duì)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(jì)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(duì)于該供氣方式的第二計(jì)算段(低壓下降立管至末端燃具前)，天然氣的附加壓頭是負(fù)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(nèi)最不利用戶點(diǎn)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(dāng)，此樓層現(xiàn)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(huì)更大。
4.4 供應(yīng)方式2的分析
    在底層外墻設(shè)置集中表箱的供氣方式的第一計(jì)算管段基本上是埋地的庭院管，第二計(jì)算管段(外墻低壓上升立管至末端燃具前)，天然氣產(chǎn)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(duì)于戶內(nèi)掛表的下環(huán)上行供氣方式，庭院管作為第一計(jì)算管段，戶內(nèi)管作為第二計(jì)算管段。
4.5 供應(yīng)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(jì)算管段同供氣方式1的第二計(jì)算管段的分析方法和結(jié)論一致。
5 案例
某小區(qū)原液化石油氣供應(yīng)系統(tǒng)，采用樓棟調(diào)壓供應(yīng)4棟居民樓26戶，其分布示意岡見圖1。1號(hào)、29；及3號(hào)居民樓采用供氣方式2，4號(hào)樓采用供氣方式1。如果保持該小區(qū)樓棟調(diào)壓柜出口壓力為3100Pa，設(shè)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?xì)獗碜枇p失取120Pa。每個(gè)用戶裝設(shè)一臺(tái)燃?xì)怆p眼灶(26MJ/h)和一臺(tái)10升燃?xì)鉄崴?84MJ/h)，所需天然氣流量為2.77m3/h，天然氣密度ρ=0.802kg/Nm3，運(yùn)動(dòng)粘度υ=12.56×10-6m2/s(計(jì)算值)。
 
    從樓棟調(diào)壓柜到最遠(yuǎn)集中表箱作為第一計(jì)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(jì)算管段。部分第一計(jì)算管段采用埋地敷設(shè)，第二計(jì)算管段各樓層長(zhǎng)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(shù)設(shè)定，第一計(jì)算管段水力計(jì)算結(jié)果和第二計(jì)算管段所需理論管長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果分別見表1、表2。
    從表1、表2可以看出，第一計(jì)算管段末即集中表箱出口壓力為1709Pa(含表壓降)，第二計(jì)算管段的核算過程相當(dāng)于對(duì)該管段進(jìn)行等壓降設(shè)計(jì)，即各層用戶末端燃具前壓力均為1500Pa。
表1 第一計(jì)算管段的水力計(jì)算結(jié)果
管段號(hào)
額定流量
(Nm3/h)
同時(shí)工作系數(shù)
計(jì)算流量
(Nm3/h)
管徑
(mm)
管段管長(zhǎng)
(m)
單位長(zhǎng)度壓力降
(Pa/m)
摩擦阻力損失
(Pa)
管段壓力降
(Pa)
管段標(biāo)高差
(m)
附加壓頭
(Pa)
實(shí)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(jì)算管段所需理論管長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果
管段號(hào)(樓層)
額定流量
(Nm3/h)
同時(shí)工作系數(shù)
計(jì)算流量
(Nm3/h)
管徑
(mm)
各層所需理論最長(zhǎng)管長(zhǎng)
(m)
單位長(zhǎng)度壓力降
(Pa/m)
摩擦阻力損失
(Pa)
管段壓力降
(Pa)
管段標(biāo)高差
(m)
附加壓頭
(Pa)
實(shí)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(jì)算所得管長(zhǎng)也即是所需理論最長(zhǎng)管長(zhǎng)。所需理論計(jì)算管長(zhǎng)和現(xiàn)有實(shí)際管長(zhǎng)比對(duì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)高樓層用戶所需理論最長(zhǎng)管長(zhǎng)大于現(xiàn)有實(shí)際管長(zhǎng)，但是由于調(diào)壓柜出口壓力是3100Pa，天然氣末端燃具前壓力不會(huì)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(zhǎng)管長(zhǎng)與現(xiàn)有實(shí)際管長(zhǎng)相當(dāng)，但臨界層以下樓層必須采取逐級(jí)增大第二計(jì)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(dòng)部分第一計(jì)算管段了。
6 結(jié)論
    在天然氣置換液化石油氣過程中，可以通過對(duì)現(xiàn)有管道系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估分析，盡可能部分或全部利用，以節(jié)省置換費(fèi)用、縮短工期，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益：
    (1) 在天然氣置換液化石油氣時(shí)，首先要根據(jù)新的氣源——天然氣的性質(zhì)，按相應(yīng)的水力計(jì)算公式，核算現(xiàn)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(dòng)，以確定現(xiàn)有管道系統(tǒng)的可再利用程度。
    (2) 若庭院及室內(nèi)液化石油氣管道供應(yīng)系統(tǒng)不可完全再利用，就以不便改動(dòng)管段，如埋地敷設(shè)作為第一計(jì)算管段。在假定第～計(jì)算管段不更換的情況下，核算第二計(jì)算管段。如果只更換第二計(jì)算管段的管道能夠滿足用戶要求，則第一計(jì)算管段管道可以完全再利用。
    (3) 若核算后發(fā)現(xiàn)，只更換第二計(jì)算管段的管道不能滿足用戶燃具的要求，此時(shí)則需要對(duì)管道進(jìn)行新的水力計(jì)算與設(shè)計(jì)，改動(dòng)第一計(jì)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(xiàn)：
1 張寧，天貫三.中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的簡(jiǎn)化與流量折算系數(shù)的研究[J].煤氣與熱力，2007：27(7)：12-16
2 段常貴.燃?xì)廨斉?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(xué)院 100044；2.兗州市煤氣公司 272100)