摘 要

摘　要：以第三屆亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)火炬供氣工程為例，從氣源的選擇、供氣管徑的確定、調(diào)壓計(jì)量設(shè)備選型、管材選擇及敷設(shè)方式等方面論述了天然氣火炬供氣設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：亞洲沙灘

摘　要：以第三屆亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)火炬供氣工程為例，從氣源的選擇、供氣管徑的確定、調(diào)壓計(jì)量設(shè)備選型、管材選擇及敷設(shè)方式等方面論述了天然氣火炬供氣設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)  天然氣火炬供氣方案

Design of Natural Gas Torch Supply System for Third Asian Beach Games

Abstract：Taking the natural gas torch supply system for the Third Asian Beach Games for example，the design scheme of the natural gas torch supply system is described in terms of selection of gas source，determination of pipe diameter，type selection of pressure regulation and metering equipment，selection of pipe material and pipeline laying mode．

Key words：Asian Beach Games；natural gas torch；gas supply scheme

 

1　概述

海陽(yáng)市地處黃海之濱、山東半島的中南部、膠東半島南翼，南臨黃海，北接半島內(nèi)陸，位于煙臺(tái)、青島、威海三個(gè)開放窗口城市中心地帶，有“東方夏威夷”的美譽(yù)，2012年第三屆亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱亞沙會(huì))便在海陽(yáng)市旅游度假區(qū)舉行。該地區(qū)天然氣的開發(fā)和經(jīng)營(yíng)權(quán)屬我公司，給亞沙會(huì)火炬供氣即成為必然。根據(jù)公司管網(wǎng)現(xiàn)狀、氣源情況、火炬臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)及亞沙會(huì)火炬設(shè)計(jì)方所提供的技術(shù)參數(shù)及其他綜合因素，提出火炬供氣方案，見圖l。

 

2　火炬供氣氣源的確定

①主氣源一：管輸氣源

主氣源一是我公司與上游氣源公司貿(mào)易計(jì)量交接點(diǎn)，距上游氣源方門站約lo km，上游氣源方門站輸出主管規(guī)格為SDRllPE80 NOD 200mm(NOD指公稱外徑，中間尚有約2 km的SDRll PE80 NOD160mm管道)，輸出壓力為0.32MPa。主氣源一距火炬調(diào)壓計(jì)量柜約有5km的距離(其中約4km為SDRll PE80 NOD l60mm管道，1km為SDRllPE80 NOD 200mm管道)?；鹁嬲{(diào)壓計(jì)量柜距火炬距離為0.2km?；鹁嬖O(shè)計(jì)方提供的火炬高峰用氣量為4000m³／h，平均用氣量約2000m³／h。經(jīng)過(guò)計(jì)算，主氣源無(wú)法滿足火炬平均用氣量的需求，必須有補(bǔ)充氣源。

②主氣源二：新建計(jì)量站

上游氣源公司門站出站尚有另一路管道(規(guī)格為SDRl l PE80 NOD 200mm)，該路管道末端距門站約3km，距我公司城區(qū)主管網(wǎng)(規(guī)格為SDRllPE80 NOD 250mm)約2km。在該管線末端新建計(jì)量站(見圖l)，計(jì)量站后敷設(shè)規(guī)格為SDRll PEl00　NOD 200mm管道，并與我公司主管網(wǎng)對(duì)接。新建計(jì)量站距火炬支管道入口約l0km(中間含有2km的NOD 200mm管道)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，火炬支管道入口壓力為0.204MPa，最大流速為8.964m／s，完全可以滿足火炬的平均用氣量。

③氣源三：LNG氣化站

在長(zhǎng)輸管道通氣之前，LNG氣化站一直是海陽(yáng)旅游度假區(qū)的主要?dú)庠?。該氣化站是我公司?span lang="EN-US">2005年作為海陽(yáng)市招商引資項(xiàng)目投資建設(shè)的(見圖2)。主要設(shè)備有兩臺(tái)l00m³立式LNG儲(chǔ)罐，一臺(tái)2000m³／h空溫式氣化器，一臺(tái)2000m³／h水浴式氣化器，一臺(tái)200m³／h卸車增壓器，一臺(tái)400m³／h的BOG增壓器。日供氣量約10×10⁴m³／d。將LNG氣化站作為氣源三，其出口壓力為0.27MPa，出口管道規(guī)格為SDRll PE80 NOD 250mm，距離火炬調(diào)壓計(jì)量柜約7km，與主氣源一、二配合完全可以滿足火炬高峰用氣量。

 

④氣源四：CNG儲(chǔ)配站

鑒于亞沙會(huì)的重要性，為了確保亞沙會(huì)火炬順利燃燒，我們?cè)跍?zhǔn)備以上氣源的同時(shí)又投資建設(shè)了CNG橇裝儲(chǔ)配站。該CNG儲(chǔ)配站設(shè)計(jì)出口壓力為0.30～0.35MPa，儲(chǔ)配站準(zhǔn)備CNG氣瓶車6～8輛，隨時(shí)準(zhǔn)備特殊情況下對(duì)管道進(jìn)行補(bǔ)氣。

3　火炬支管道管徑的確定

從輸配主管網(wǎng)到跨海大橋始端還有1.15km的距離，跨海大橋(始端)距火炬臺(tái)中心火炬(該段以下簡(jiǎn)稱跨海大橋段)有0.05km，火炬的高峰用氣量為4000m³／h，用氣壓力為l5～20kPa?？紤]到施工和運(yùn)行方便，決定火炬支管道前段l.15km采用SDRll PEl00聚乙烯燃?xì)夤艿缆竦胤笤O(shè)，后段0.05km跨海大橋段設(shè)計(jì)兩種方案：鋼管架空敷設(shè)于橋身下面或聚乙烯管海底敷設(shè)。

因尚要在火炬支管道上距支管道起點(diǎn)lkm處設(shè)置調(diào)壓計(jì)量柜(見圖l)，以滿足火炬用氣壓力，因此，管徑的確定即分為兩段：調(diào)壓前與調(diào)壓后。調(diào)壓計(jì)量柜進(jìn)口壓力應(yīng)不小于0.16MPa。

①調(diào)壓前管道管徑

當(dāng)整個(gè)城市主管網(wǎng)輸氣系統(tǒng)采用環(huán)狀供氣時(shí)，火炬支管道入口處進(jìn)氣壓力為0.26MPa。

將NOD l60、200、250mm管徑分別代入水力計(jì)算公式計(jì)算，得出以下數(shù)據(jù)：

NOD l60mm管道出口壓力為0.144MPa，平均流速為27.9m／s；

NOD 200mm管道出口壓力為0.225MPa，平均流速為15.9m／s；   

NOD 250mm管道出口壓力為0.248MPa，平均流速為9.8m／s。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，決定采用SDRll PEl00 NOD 200mm聚乙烯管為火炬調(diào)壓前管道。管道設(shè)計(jì)壓力為0.4MPa，設(shè)計(jì)使用年限不少于30年，設(shè)計(jì)溫度為-20～30℃。

②調(diào)壓后管徑

火炬用氣壓力為15～20kPa，火炬調(diào)壓計(jì)量柜出151壓力為20kPa，火炬調(diào)壓計(jì)量柜出口至火炬距離為200m。將NOD 250、315、355mm管徑分別代入水力計(jì)算公式計(jì)算，得出以下數(shù)據(jù)：

NOD 250mm管道出口壓力為14.2kPa，平均流速為29.8m／s；

NOD 315mm管道出口壓力為18.1kPa，平均流速為18.5m／s；

NOD 355mm管道出口壓力為19.0kPa，平均流速為14.5m／s。

選用SDRll PEl00 NOD 315mm聚乙烯管為火炬調(diào)壓后管道。

③跨海大橋段管材及敷設(shè)方式的選擇

亞沙會(huì)火炬安裝在跨海大橋末端火炬圓臺(tái)中心，火炬距離大橋始端直線距離為0.05km，大橋下方一直存在海水沖刷。根據(jù)這一特殊環(huán)境，我們擬定了兩個(gè)方案。

方案一：用鋼管架空敷設(shè)于跨海大橋橋身下面，長(zhǎng)度為50m的Æ325×7鋼管質(zhì)量約3000kg，加上相關(guān)支架等附件和管道天然氣，總質(zhì)量不超過(guò)4t，通過(guò)咨詢亞沙會(huì)組委會(huì)，橋梁設(shè)計(jì)承重完全可以滿足管道的敷設(shè)。

鋼管架空敷設(shè)優(yōu)勢(shì)是緊貼橋身下面，不容易受到海水沖刷和腐蝕，但鋼管吊裝、固定施工難度大。

方案二：聚乙烯管埋設(shè)于海底。管道抗漂浮計(jì)算公式如下^[1]：

W ≥ KFs               (1)

式中W——單位長(zhǎng)度管段總重量，包括管自重、保護(hù)層重、加重層重，不含管內(nèi)介質(zhì)重，N／m

K——穩(wěn)定安全系數(shù)，大中型工程取1.2

Fs——單位長(zhǎng)度管段靜水浮力，N/m

經(jīng)過(guò)計(jì)算，單位長(zhǎng)度管段總重量不應(yīng)小于645N／m，即質(zhì)量為66kg／m，而NOD 315mm管材質(zhì)量為27kg／m，因此，管道埋地必須增加質(zhì)量不低于39kg／m的加重層。

聚乙烯管埋地敷設(shè)施工中溝槽開挖、管道接口、固定難度大，而且在淺沙灘受海水沖刷影響大，長(zhǎng)時(shí)間埋在海水中很容易出現(xiàn)管道移位甚至漂浮的情況，對(duì)供氣造成嚴(yán)重的安全隱患。

考慮到亞沙會(huì)火炬供氣的重要性，一定要保證供氣的連續(xù)性，且經(jīng)過(guò)安裝隊(duì)伍現(xiàn)場(chǎng)勘查分析，我們決定采取方案一，即采用鋼管架空敷設(shè)，以避免管道在供氣過(guò)程中出現(xiàn)異常情況。經(jīng)過(guò)計(jì)算，跨海大橋段采用鋼管后，水力計(jì)算結(jié)果也滿足要求。

4　調(diào)壓計(jì)量設(shè)施的選擇

調(diào)壓計(jì)量柜內(nèi)安裝兩路調(diào)壓計(jì)量裝置，在兩路并聯(lián)的前提下增加旁通管將兩路裝置連接。火炬調(diào)壓計(jì)量柜工藝流程見圖3。燃?xì)庥?jì)量設(shè)施安裝于調(diào)壓器之前，一路采用工況(298.15K，0.26MPa)流量為l000m³／h的渦輪流量計(jì)；另一路計(jì)量采用工況(298.15K，0.26MPa)流量為650m³／h渦輪流量計(jì)：調(diào)壓器最大流量>4500m³／h。

 

5　漂管施工浮力和吊架間距的計(jì)算

鋼管沿橋身下承重梁架空敷設(shè)，鋼管的吊運(yùn)和固定成為施工的重點(diǎn)。

①鋼管浮力計(jì)算

將鋼管焊接、探傷完畢后兩端封死，將鋼管放入海水中，依靠海水浮力將鋼管移至橋下方合適位置進(jìn)行固定。單位長(zhǎng)度管段靜水浮力計(jì)算公式為^[1]：

 

式中¡W——所穿水域的海水的重度，N／m³

d——管道外直徑，m

所穿水域海水密度取1030kg／m³，管道外直徑取0.325m，經(jīng)計(jì)算得Fs=713N／m。

Æ325×7無(wú)縫鋼管單位長(zhǎng)度質(zhì)量約54.90kg／m，即重量為538N／m。

由于單位長(zhǎng)度管段靜水浮力大于管材自重，因此管道完全可以采用海水漂浮施工。

②鋼管跨度計(jì)算

管道水平架設(shè)于橋面下，所允許的最大跨度可根據(jù)以下公式心1計(jì)算，式(3)按強(qiáng)度條件計(jì)算，式(4)按剛度條件計(jì)算。

 

 

式中Lmax——管道的最大允許跨距，m

s——管材額定許用應(yīng)力，Mpa

j——管子橫向焊縫系數(shù)

W——管子斷面抗彎矩，cm³

qm——管道單位長(zhǎng)度的重量，N／m

E——在計(jì)算溫度下管材彈性模量，Mpa

J——管子斷面慣性矩，cm⁴

其中，s查表取133MPa；j查表取0.7；W查表取544.4cm³；qm取538N／m；E查表取2.05×10⁵MPa；J查表取8846cm⁴。

按強(qiáng)度條件計(jì)算，Lmax=19.95m；按剛度條件計(jì)算，Lmax=44.06m。

因此，管道水平架設(shè)最大允許跨度不應(yīng)超過(guò)19.95m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)橋梁的結(jié)構(gòu)情況及考慮管道安全系數(shù)，設(shè)計(jì)雙桿吊架的跨度與橋承重梁間距相同，即跨度為10m。每個(gè)承重梁兩側(cè)各安裝一組吊架，兩吊架固定螺栓處用槽鋼連接(施工時(shí)采用等徑圓鋼直接焊接)，見圖4。

 

6　保障措施

在火炬調(diào)壓計(jì)量柜前增設(shè)凝水缸，及時(shí)排除試運(yùn)行過(guò)程中管道中的積水及雜質(zhì)；準(zhǔn)備調(diào)壓計(jì)量柜備用過(guò)濾器和流量計(jì)；調(diào)壓后管道末端與燃燒器之間增加DN 300mm過(guò)濾器，在橋梁承重柱上增加承重支架，保證過(guò)濾器不增加吊架負(fù)荷。

7　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)與亞沙會(huì)組委會(huì)、上游氣源方及火炬設(shè)計(jì)方的全方位溝通與協(xié)作，亞沙會(huì)主火炬于2012年4月15日第一次試點(diǎn)火成功，運(yùn)行狀況良好，由此可見天然氣火炬供氣設(shè)計(jì)方案是可行的。第三屆亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)已于2012年6月16—23日成功舉辦，火炬從點(diǎn)火到熄滅堪稱完美。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)銘卿．燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：135-140．

[2]柳金海．管道工程安裝維修手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997：486-551．

 

本文作者：王文化  楊  洋  商永淼  劉  榮  楊琳娜

作者單位：淄博綠能燃?xì)夤こ逃邢薰?span lang="EN-US">