摘要：由于城市建設的快速發(fā)展，大中型城市普遍存在著“有限的土地資源與大量的天然氣基礎設施建設”相矛盾的現(xiàn)象，隨著天然氣需求量的增加，這一矛盾更為突出。如何利用現(xiàn)有管網(wǎng)設施提高管網(wǎng)輸送能力。是目前亟待解決的問題。本文結(jié)合北京市天然氣管網(wǎng)運行現(xiàn)狀和未來天然氣發(fā)展規(guī)劃，系統(tǒng)分析了提高管網(wǎng)輸氣能力的方法。提出了提高管網(wǎng)輸送能力的幾種方法，如升壓運行，中低壓轉(zhuǎn)換，擴大管徑，源點增設，并行于管增設，連通線增設，成環(huán)改造等。最后，用統(tǒng)計理論的方法得到管線長度和天然氣銷售量回歸方程，并分析了北京天然氣管網(wǎng)利用率。本文研究結(jié)果，可為城市燃氣管網(wǎng)改造提供科學的依據(jù)。
關鍵詞：天然氣；管網(wǎng)改造輸氣能力；管網(wǎng)利用率
Methods to Improve the Transmission Capacity of Beijing Existing Natural Gas Pipeline Network
Beijing Gas Group Co.，Ltd，Beijing Zhi Xiaoye，Liu Yan
Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture，Beijing Du Xueping
Abstract：Due to the rapid development of urban construction. There is a contradiction between limited land resources and a large number of natural gas infrastructures，this phenomenon is common in our large and medium-sized cities. And with the increasing demand of natural gas the contradiction is becoming more evident. The urgent problem to solve is how to utilize existing gas facilities to improve the transmission capacity in natural gas pipeline network. According to both present running status and future development planning about Beijing natural gas distributing system，methods of improving pipe network transmission capacity are systemically analyzed in this paper. Such as improving the pipeline operating pressure，transferring low pressure to medium pressure，enlarging pipe diameter，adding source point，increasing parallel lines，connecting the near mainstay pipeline，making into ring pipe network，etc. Lastly in accordance with mathematic and statistic methods，the linear equation of total pipeline length and natural gas sales volume is obtained and utilization factor of gas distributing system is analyzed too. Results from this paper can serve as a scientific reference for gas distributing system alteration.
Keywords：natural gas；pipeline network alterations；gas transmission capacity；gas distributing system utilization factor
1 引言
北京燃氣事業(yè)始于1958年焦化廠人工煤氣向城區(qū)的供應。經(jīng)過50余年的發(fā)展歷程，特別是1997年陜甘寧天然氣進京后的10余年，北京燃氣已具有相當?shù)囊?guī)模，擁有360萬用戶、管網(wǎng)11000、供應量55億m3/a、壓力級制5級。
隨著城市建設的發(fā)展，清潔能源使用量的增加，北京天然氣的發(fā)展仍具有廣闊的空間。目前，北京人均天然氣使用量為260m3/a，美國2006年人均天然氣使用量為2200m3/a。世界平均水平為430m3/a。若按北京2000萬人口計算，北京天然氣人均使用量達到美國2006年水平，天然氣年消耗量為440億m3，如達到目前世界平均水平，天然氣年消耗量為86億m3。根據(jù)北京城市總體規(guī)劃，2020年北京天然氣需求量應為120億m3。要達到這一目標。就需要
建立一套完善的保障天然氣安全穩(wěn)定供應的管網(wǎng)輸配體系。而當務之急就是增加天然氣輸配能力以適應日益加大的天然氣供應量。
眾所周知，北京是千年歷史古都，需要保護的歷史古跡眾多。但為改善首都居民生活水平，實現(xiàn)城市發(fā)展總體目標，加快基礎設施的建設是不可或缺的。這就出現(xiàn)了有限的土地資源與大量的基礎設施建設相矛盾的現(xiàn)象。為此，挖掘現(xiàn)有設施潛力以適應城市快速發(fā)展的需求，是專業(yè)人員積極探索的問題。
2 北京天然氣管網(wǎng)輸送能力分析
截至2008年，北京天然氣管線總長為10892km，共有5種壓力級制，高壓A(4.0MPa)管線125km，高壓B(2.5MPa)管線315km，次高壓(1.0MPa)管線506kin，中壓(0.1MPa至0.4MPa)4100km，低壓管線(小于5kPa)5827km。北京天然氣管線中有60%是由原人工煤氣置換過來的。目前，仍有超過100kin管線運行年限超過20年。
2008年—2009年冬季高峰日輸送氣量為4230萬m3，小時高峰輸送量為210萬m3。自1997年以來，年高峰日輸送量平均增長率超過40%。若實現(xiàn)北京市120億m3天然氣供應量目標，據(jù)測算，高峰輸送量為10500萬m3，高峰小時輸送量為580萬m3。在現(xiàn)有管網(wǎng)最大運行壓力下，提高輸送能力的方法。一是增加進氣點既建調(diào)壓站，二是增加管線建設。北京天然氣高壓以上管線僅占總管線長度的8.6%，合理增建高壓管線是有必要的，也是有條件的。但中壓管線已占總管線長度的40%，中壓天然氣管線幾乎遍布市區(qū)所有主干公路，據(jù)北京天然氣管網(wǎng)規(guī)劃。2020年中壓管網(wǎng)輸送能力將由目前150萬m3增加到255萬m3。單靠增加中壓管線建設提高管網(wǎng)輸送能力即不經(jīng)濟也不現(xiàn)實。因此，如何提高現(xiàn)有管網(wǎng)的輸送能力，是我們亟待解決的問題。
3 提高北京現(xiàn)有管網(wǎng)輸氣能力方法
3.1 提高管網(wǎng)運行壓力
以提高管網(wǎng)運行壓力來增大管網(wǎng)輸送能力無疑是最便捷的方法。因此，在條件允許下，應首先給以考慮。
3.1.1管網(wǎng)升壓潛力分析
圖1所示為北京市現(xiàn)有各級管網(wǎng)最大允許壓力降，及提高運行壓力時的最大允許壓力降。根據(jù)輸氣管道穩(wěn)定流計算式可以得出起點壓力對流量影響的計算式
，假設升壓前后其它參數(shù)均不變，則輸氣能力的倍數(shù)關系為：
，假設升壓前后其它參數(shù)均不變，則輸氣能力的倍數(shù)關系為：
圖2為增加現(xiàn)有管網(wǎng)運行壓力，管網(wǎng)輸送能力提高倍數(shù)，表1是其利用式(1-1)的計算參數(shù)。計算結(jié)果表明，北京天然氣管網(wǎng)以提高運行壓力，增加管網(wǎng)輸送能力的潛力還是很大的。由于北京市天然氣管網(wǎng)受歷史發(fā)展情況的局限，管網(wǎng)升壓異常復雜，應根據(jù)實際情況進行認真分析，考慮舊有設施的最大允許壓力與實際承壓能力。切實做好各級管網(wǎng)天然氣升壓改造方案。
表1 北京市天然氣輸配管網(wǎng)升壓分析壓力參數(shù)表
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原有起點壓力P1
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原有終點壓力P2
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升壓后起點壓力P1’
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升壓后終點壓力P2’
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設計壓力
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中壓
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0.1
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0.05
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0.1-0.4
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0.05
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0.4
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次高壓
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0.7
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0.4
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0.7-1.0
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0.4
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1.0
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高壓A
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1.6
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1.0
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1.6-2.5
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1.0
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2.5
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高壓B
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3.4
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2.5
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3.5-4.0
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2.5
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4.0
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注：為了對比得出提升管網(wǎng)入口壓力的影響，這里假設管網(wǎng)升壓前后出口壓力不變，均為管網(wǎng)最低允許壓力：中壓0.05MPa、次高壓0.4MPa、高壓B1.0MPa、高壓A2.5MPa。
3.1.2提高管線運行壓力的安全風險分析
我國在2003年3月至2008年1月發(fā)生了67起重大天然氣管道事故，其原因分類見表4。從表中可知，造成天然氣管道事故的主要原因是第三方破壞，占全部事故的62.7%[4]。
實踐證明，管網(wǎng)長期低壓運行，一旦升高管網(wǎng)運行壓力將增大由于材料缺陷和腐蝕引起天然氣泄漏的機率。但是從歐洲燃氣管道的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看(圖3)。管道自身原因?qū)е碌男孤┩容^輕微(針孔和裂紋)。發(fā)生重大事故的可能性較小。因此，升壓運行帶來的風險并不大，并且完全可以通過采取必要的保護措施加以規(guī)避。
3.2 中低壓轉(zhuǎn)換
在低壓管網(wǎng)運行區(qū)域內(nèi)，若需要建設較大規(guī)模的燃氣鍋爐房，此鍋爐房必須使用中壓管網(wǎng)供氣，且現(xiàn)有區(qū)域內(nèi)又確無條件敷設新的中壓管線，這時可考慮將現(xiàn)有帶用戶較少的低壓管線壓力升為中壓。此方法首先須將此管線上低壓用戶接到相鄰管線上，如沒有條件可為低壓用戶安裝樓前調(diào)壓設施。低壓管線升為中壓管線一般采用舊有管道中插入新管的改造方法，即管道插入法。
由于聚乙烯(PE)管具有摩阻系數(shù)低、壽命長、經(jīng)濟性好等特點，在中壓以下管網(wǎng)中被廣泛使用，因此，一般新管常使用聚乙烯(PE)管。插管法與傳統(tǒng)的施工方法相比具有非開挖施工的優(yōu)點，尤其是在舊有管道地處鬧市或穿越河流、重要道路時，施工快捷，成本較低。因此，可以說插入法是利用原有管道提高輸送壓力有效和實際的辦法之一。
表2 2003年3月至2008年1月我國天然氣管道事故原因分類
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事故原因分類
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事故原因
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起數(shù)
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占事故總數(shù)的比例%
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比例合計%
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第三方破壞
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挖掘機挖斷
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22
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32.8
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67.1
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工程施工不當
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20
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29.9
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車輛撞擊
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3
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4.5
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材料缺陷
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管道故障
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6
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9
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15
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試壓
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2
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3
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氣溫變化
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2
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3
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腐蝕
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腐蝕
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2
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3
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3
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土體移動
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塌陷
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2
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3
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3
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誤操作
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處理不當
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1
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1.5
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1.5
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其它
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原因不明
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7
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10.4
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10.4
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合計
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67
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100
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3.3 增加管網(wǎng)氣源點
增設新的氣源點既增建調(diào)壓站是改善目前北京天然氣運行工況，提高管網(wǎng)輸送能力的有效方法，但由于北京市人口稠密，土地資源緊張，一般在三環(huán)內(nèi)很難有建設新調(diào)壓站的位置，因此，可選擇地下調(diào)壓站方式。通過模擬冬季高峰運行工況進行管網(wǎng)計算，香格里拉以東三環(huán)內(nèi)可建設1座地下調(diào)壓站，以解決附近壓力偏低的情況。
3.4 擴大管徑
舊有的管網(wǎng)系統(tǒng)中管徑較小的管道有可能是制約管網(wǎng)通過能力的瓶頸。通過管網(wǎng)計算，北京市中壓管網(wǎng)主干線個別管段由于管徑較小，嚴重阻礙了管網(wǎng)輸送，應將此管段進行擴徑，如香山南路管線，管徑為DN400。全長4000m。其中有一段DN100，導致附近壓力偏低，若將此段管線改為DN400，附近壓力由0.04MPa，升到0.06MPa。圖5所示為擴大管徑對管輸能力提高倍數(shù)的影響，計算式：
d1，改造前的管內(nèi)徑，mm；
d2，擴大后的管徑，mm。
假設其它參數(shù)不變，直徑大1倍而流量為原來的5.78倍，這也是輸氣管道向大口徑發(fā)展的主要原因。
3.5 管道增設
如表3所述，在現(xiàn)有管線基礎上，增加管線建設來提高壓力的方法有并行管線，加連通線和管網(wǎng)成環(huán)。但如何使建設最短的管線達到最大的效果，這就需要對管網(wǎng)進行模擬仿真計算。下面以某一天然氣供應區(qū)為例進行分析。
表3 管線增加位置與要點
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管線增加
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在舊有干管上增設并行干管
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在確無其它低成本方法時采用
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在系統(tǒng)的主要位置增加連接管
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相交或相近的干線連接起來
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將枝狀系統(tǒng)成環(huán)，或半成環(huán)改造成全成環(huán)系統(tǒng)
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如成環(huán)管路較短，則花費較少就能提高管網(wǎng)能力
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3.5.1工程實例分析
如圖5所示為北京市某區(qū)域天然氣管網(wǎng)圖，其供氣區(qū)域約為100km2。此區(qū)域內(nèi)中壓管網(wǎng)氣源，為兩座高中調(diào)壓站，供應壓力為0.2MPa，高時總負荷70000(m3/h)，負荷點422個.根據(jù)管網(wǎng)模擬軟件計算可知末端壓力為0.131MPa。處于該區(qū)域的東部(如上圖黑管線)。根據(jù)規(guī)劃此區(qū)域內(nèi)負荷將有明顯的增加.因此.必須提早做出切實可行的管網(wǎng)改造方法。
方案1：增設平行干管
若沿原有供氣干線增設供氣管線，如圖6所示：從A點到B點大約需3km的管線?？墒构芫€末端壓力增至0.138MPa。
方案2：增加連通線
把低壓力管線與臨近的干管連接起來，連接管線長為100m。如圖7所示，將B點跨越改為連接，可使末端壓力提高至0.15MPa。
方案3：成環(huán)改造
把東北部的末端連接起來，連接管線為1.5km。如圖8所示，使供氣干線ABCD4點成為環(huán)路，末端壓力可升至0.145MPa。
通過案例分析可以看出，最好的方案是管線相交處或相鄰處管線連接起來，其次是管網(wǎng)成環(huán)，并行干管最差。但選擇哪種改造方案還要根據(jù)實際施工條件來確定。一般來說，應首先采用連通線增設和成環(huán)改造方案，可使其效益最大化。
3.5.2燃氣輸配系統(tǒng)的利用效率
大量的國內(nèi)外資料表明，城市管網(wǎng)管線長度與銷售量有明顯的線性關系，國際上常以總銷量(106m3)與系統(tǒng)總長度(km)的比值表示——燃氣輸配系統(tǒng)的利用效率[1]：
管道長度的增加是管網(wǎng)改造的主要成本之一，只有用管線總長度最小的管網(wǎng)銷售最大的用氣量，才能得到最高的系統(tǒng)利用效率。北京市天然氣用量近年來增長很大，負荷的增加與管網(wǎng)建設存在一定關聯(lián)，通過對1995年—2008年間北京市天然氣管線長度與天然氣消費量的變化進行分析，得出如下的回歸方程：
回歸系數(shù)b=148.5，其意義是若當年增加1億m3的天然氣銷售量，需要增加建設148km管線。北京市平均每建設1km管線的費用約為160萬元，那么每增加1億m3的天然氣銷售量則需要管線投資2.4億元。
我國1986年—1998年城市燃氣管道長度與銷售量回歸方程[1]為：
回歸系數(shù)b=162.5，其意義是若當年增加1億m3的天然氣銷售量，需要增加建設162.5km管線。從計算結(jié)果可知，北京天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)利用率高于全國平均水平。其主要原因應是北京天然氣發(fā)展早于全國，目前已具有了相當?shù)囊?guī)模。
4 結(jié)語
提高現(xiàn)有管網(wǎng)輸送能力是城市天然氣管網(wǎng)亟待解決的問題，由北京天然氣管網(wǎng)分析可知，提高管網(wǎng)運行壓力、增加供氣點和適當?shù)卦黾舆B通線是提高天然氣管網(wǎng)輸送能力的有效方法，但在管網(wǎng)改造實際工程中，具體采取何種方法要根據(jù)管網(wǎng)規(guī)劃負荷、路由情況、經(jīng)濟承受能力等綜合因素分析確定。
參考文獻
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(本文作者：支曉曄1 劉燕1 杜學平2 1.北京市燃氣集團有限責任公司 100035；2.北京建筑工程學院 100044)
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