市政煤氣管網(wǎng)升壓及配套設(shè)施建設(shè)方案探討

趙安洲

（中科路恒工程設(shè)計有限公司，山西 太原 030006）

在市政工程建設(shè)過程中，作為配套的燃氣管網(wǎng)是其不可或缺的組成部分。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求以及煤氣的特點，市政煤氣管網(wǎng)一般采用兩級供氣方式，即中低壓供氣。由于這種供氣方式的供氣能力有限，特別是在管網(wǎng)運行壓力較低的情況下，對于冬季高峰負荷用氣極為不利，經(jīng)常出現(xiàn)管網(wǎng)中缺氣甚至無氣現(xiàn)象，從而導致用戶正常用氣需求得不到有效的保障。通過對靈石縣現(xiàn)有的市政煤氣管網(wǎng)資料進行排查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有煤氣管網(wǎng)具備較強的供氣能力但是卻沒有得到較好的利用，主要是因為現(xiàn)行市政煤氣管網(wǎng)實際運行較低所導致。因此，充分發(fā)掘并利用現(xiàn)有市政中壓煤氣管網(wǎng)的供氣能力成為最優(yōu)選擇，對縣城市政中壓煤氣管網(wǎng)升壓勢在必行。

1 供氣現(xiàn)狀概況

靈石縣市政煤氣管網(wǎng)氣源為天星焦化廠。天星焦化廠內(nèi)部已建加壓機房，由加壓機房出口的中壓煤氣管道沿城東路向東北方向一路進入靈石縣煤氣化公司現(xiàn)狀城東儲配站，另一路繼續(xù)沿城東路向北進入現(xiàn)狀靜升儲配站。市政煤氣主干道中壓敷設(shè)，接中壓支線經(jīng)調(diào)壓柜調(diào)壓計量后低壓供氣。用戶主要為居民用戶、機關(guān)單位食堂、飯店、區(qū)域供暖鍋爐房等，暫無工業(yè)用戶。

目前，由于靈石縣的快速發(fā)展，煤氣用戶越來越多，用氣需求越來越大，對于靈石縣現(xiàn)有市政煤氣管網(wǎng)建設(shè)、供氣能力、運行維護及配套設(shè)施提出了嚴峻的考驗。同時，由于煤氣中含有較多的苯、萘、焦油等雜質(zhì)，長期運行會在管道內(nèi)部集聚，造成管道內(nèi)部管徑變小，降低市政煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)的供氣能力。通過數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，目前其市政管網(wǎng)入口處壓力約為25～27kPa，末端最不利點出壓力只有14kPa左右，遠遠低于實際設(shè)計壓力，具有較大的提升空間。鑒于以上幾個方面的考慮，現(xiàn)決定對靈石縣市政中壓煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)進行升壓，以提高市政煤氣管網(wǎng)的供氣能力，滿足日益增加的用氣需求。

2 水力計算

2.1 水力計算方法

燃氣管網(wǎng)水力計算數(shù)值計算迭代主要有三種，分別是解環(huán)方程法、節(jié)點法、解管段方程法，本次計算主要采用節(jié)點法。前期對相關(guān)資料數(shù)據(jù)進行收集：包括市政煤氣管網(wǎng)干線管道長度、管徑，管道支線長度、管徑，調(diào)壓站位置，用戶類型及用氣量等，繪制市政煤氣管網(wǎng)水力計算圖紙和各個管段用氣量，通過水力計算軟件分析，得出最不利點的位置。

用氣量確定：用戶主要有鍋爐、食堂飯店以及居民戶，鍋爐額定用氣量按150m/T*h，食堂大灶按10m/灶具*h，居民戶按1.4m/h*戶，再選擇戶數(shù)所對應(yīng)的相應(yīng)同時工作系數(shù)，將計算的額定用氣量作為支線額定用氣量。

2.2 水力計算原則

根據(jù)市政燃氣管網(wǎng)運行單位要求，此次升壓要保證最不利點調(diào)壓柜進口壓力不小于30kPa；因此在滿足最不利點調(diào)壓柜進口壓力不小于30kPa的前提下，計算出市政管網(wǎng)入口（儲配站出口）處的最小額定壓力。在市政管網(wǎng)水力計算中，當某管段的直徑過大或流量過小時，在迭代過程中容易出現(xiàn)不收斂或收斂緩慢的情況，這極大影響了水力計算的精度，因此在計算過程中應(yīng)避免這種情況的發(fā)生?？紤]到市政管網(wǎng)運行時間較長，可能會發(fā)生雜質(zhì)堵塞管道的現(xiàn)象，故而在計算過程中，各管段所對應(yīng)的管徑都按小一號進行計算：具體為DN400按DN350，DN300按DN250，DN200按DN150，DN150按DN100，DN100按DN80計算。

2.3 水力計算軟件

本工程計算所采用的軟件為“G-NET城市燃氣管網(wǎng)水力分析軟件”，本軟件由中國市政工程華北設(shè)計研究院和北京賽遠科技發(fā)展有限公司共同開發(fā)，本軟件適用于AUT0-CAD2008版本。

3 水力算過程及結(jié)果

3.1 城東儲配站管網(wǎng)水力計算

城東儲配站（節(jié)點0）至最末端共有支線20個，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，市政管網(wǎng)最不利點為供熱六站調(diào)壓站（節(jié)點21）。當城東儲配站的出口壓力為65kPa時，最不利點供熱六站調(diào)壓柜進口壓力為28.3kPa。如表1所示。

表1 城東儲配站水力計算表

3.2 靜升儲配站管網(wǎng)水力計算（如表2所示）

表2 靜升儲配站水力計算表

注：長度單位km；流量單位Nm3/h；壓損單位0.1MPa（已考慮局部阻力損失）。

靜升儲配站（節(jié)點0）至最末端（節(jié)點30）共有支線15個和環(huán)狀管網(wǎng)路（1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-1）1個。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，市政管網(wǎng)最不利點為南浦調(diào)壓柜（節(jié)點26），當靜升儲配站的出口壓力為35kPa時，最不利點南浦調(diào)壓柜進口壓力為27.8kPa。

4 升壓方案

4.1 采用環(huán)狀管網(wǎng)

靈石縣市政管網(wǎng)以支狀管網(wǎng)為主，對于城市燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)而言，支狀管網(wǎng)具有較大的局限性和缺點；支狀管網(wǎng)由于通過較長距離的燃氣輸送，到達終端時會出現(xiàn)燃氣壓力較低、氣量不足等現(xiàn)象；且當某點發(fā)生故障時，該故障點之后的所有用戶用氣都會受到影響，而采用環(huán)狀管網(wǎng)則可以較好的解決這一問題。環(huán)狀管網(wǎng)平均管徑較支狀管網(wǎng)小，具有較好的經(jīng)濟性；另外，環(huán)狀管網(wǎng)中各點的壓力較支狀管網(wǎng)更趨于均衡。

建議在市政管網(wǎng)升壓的過程中，將從城東儲配站和靜升儲配站出來的兩路支狀管網(wǎng)連接起來形成一個閉合的環(huán)狀管網(wǎng)，這樣不但可以較好的解決城市燃氣管網(wǎng)運行過程中的輸氣量不足的問題，同時對于用氣量也具有較好的調(diào)節(jié)作用。

4.2 封閉成環(huán)的連接點

從靈石縣市政中壓管網(wǎng)拼圖上和城東站煤氣管網(wǎng)水力計算可以看出，城東儲配站管網(wǎng)系統(tǒng)最不利點位于星泰廣場（節(jié)點20），因此，建議將星泰廣場（節(jié)點20）DN200中壓煤氣管線和天星假日賓館DN200中壓煤氣管線（節(jié)點28）連接成起來；將供熱六站末端（節(jié)點21）DN200中壓煤氣管線和星泰廣場（節(jié)點20）DN200中壓煤氣管線連接起來。

城東儲配站和靜升儲配站現(xiàn)在獨立運行，在交通執(zhí)法局處將兩個獨立的市政管網(wǎng)系統(tǒng)連接起來，可以提高連接處的壓力并提高管網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

4.3 環(huán)狀管網(wǎng)水力計算分析

將兩個支狀管網(wǎng)在末端出進行連接后，環(huán)狀管網(wǎng)的水力工況將發(fā)生變化，原支狀管網(wǎng)的最不利水力工況點可能發(fā)生變化。因此需要建立新的環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算模型，對環(huán)狀管網(wǎng)的水力進行計算分析，確定不利點，并計算在滿足最不利點運行壓力的前提下，儲配站出口處所需的最低壓力。并進一步確定相關(guān)風機、電機、變壓器、自控系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備設(shè)施的應(yīng)用情況。

通過水力計算書可以發(fā)現(xiàn)，連接成環(huán)狀管網(wǎng)最不利點為社會福利中心（靜升節(jié)點29）調(diào)壓柜入口；在城東儲配站出口壓力為65kPa和靜升儲配站出口壓力為35kPa時，最不利點壓力為26.7kPa，其余各點的壓力基本在30kPa以上。

5 配套設(shè)施建設(shè)方案

5.1 壓縮系統(tǒng)建設(shè)方案

5.1.1 城東儲配站壓縮系統(tǒng)現(xiàn)狀

城東儲配站現(xiàn)有羅茨鼓風機4臺。其中1#、2#鼓風機型號為ML72WD；入口風量85.5m/min；出口壓力19.6kPa；電機功率55kW；額定轉(zhuǎn)速980r/min。3#、4#鼓風機型號為ML41-40；入口風量44m/min；額定壓力34.3kPa；電機功率37kW；額定轉(zhuǎn)速：980r/min。

5.1.2 城東儲配站壓縮系統(tǒng)建設(shè)方案

根據(jù)水力計算結(jié)果，城東儲配站出口壓力需要提升為65kPa，現(xiàn)有的羅茨鼓風機無法滿足要求，因此需要改造羅茨式煤氣壓縮機的電機，提高軸功率，具體要求為：1#、2#鼓風機電機改造為132kW、6極防爆變頻電機；3#、4#鼓風機電機改造為75kW、6極防爆變頻電機。

改造后1#、2#鼓風機出口壓力68.6kPa，單臺額定出口流量75.2m/min；3#、4#鼓風機出口壓力68.6kPa，單臺額定出口流量39.6 m/min；總供氣能力為13776m/h，滿足市政管網(wǎng)建設(shè)升壓的工藝要求。3#、4#鼓風機由于是鑄鐵底座，潤滑油箱位于底座中，且采用強制潤滑方式，改造較為復雜，也可考慮整套設(shè)備更新。改造時與廠家配合，盡量保證鼓風機基礎(chǔ)不做改動。

5.1.3 靜升儲配站壓縮系統(tǒng)現(xiàn)狀

靜升儲配站現(xiàn)有羅茨鼓風機3臺，鼓風機型號ML41-40，入口風量44m/min；額定壓力34.3kPa；電機功率37kW；額定轉(zhuǎn)速980r/min。

5.1.4 靜升儲配站壓縮系統(tǒng)建設(shè)方案

靜升儲配站現(xiàn)在的3臺羅茨鼓風機供氣能力為量7920m/h，出口壓力為34.3kPa，基本滿足市政管網(wǎng)建設(shè)升壓工藝要求。但更換電機需要改造底座及聯(lián)軸器，考慮到在現(xiàn)場不具備加工條件，壓縮機需要返廠改造，同時可以借此機會對壓縮機進行測試和大修。

5.2 電氣部分建設(shè)方案

1）城東儲配站電氣系統(tǒng)為：電機軟啟動、電容無功補償，電機額定轉(zhuǎn)速運行，站用變壓器160kVA。靜升儲配站電氣系統(tǒng)為：電阻降壓啟動，電機額定轉(zhuǎn)速運行，站用變壓器250kVA。

2）儲配站的出口壓力控制均采用電動閥出口回流控制，電機在額定轉(zhuǎn)速下運行時能耗較大。為便于控制同時也出于節(jié)能的考慮，擬將電機改為變頻控制，通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速來控制供氣量和煤氣出站壓力。由于采用了變頻器，現(xiàn)在的軟啟動、串電阻啟動、電容無功補償不再使用。靜升站如果電氣控制改為變頻控制需要將電機改為變頻電機，其他參數(shù)不變。

3）城東站設(shè)4臺變頻控制柜，1臺控制盤及自控計算機系統(tǒng)。靜升站設(shè)3臺變頻控制柜，1臺控制盤及自控計算機系統(tǒng)。相應(yīng)的配電盤以及電纜等現(xiàn)場設(shè)備做改造。潤滑油系統(tǒng)等保護、電氣控制系統(tǒng)需重新設(shè)計、改造。

4）城東儲配站用變壓器為桿上安裝變電站，需增容改造，容量需在核定站內(nèi)其他用電設(shè)備后計算確定，需協(xié)調(diào)當?shù)毓╇姴块T及供貨廠商二次設(shè)計。

5.3 自控部分建設(shè)方案

1）儲配站目前具備較完善的自控系統(tǒng)，系統(tǒng)以工業(yè)自動化儀表組成。在控制室的操作盤上主要完成壓縮機油壓監(jiān)控、保護、出站壓力、流量、溫度監(jiān)控及積算、出站壓力調(diào)節(jié)等功能。隨著電機改為變頻控制，相應(yīng)的自控系統(tǒng)也要改造。

2）市政煤氣管網(wǎng)入口壓力通過壓縮系統(tǒng)電機變頻器調(diào)節(jié)，自控系統(tǒng)設(shè)出站壓力自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使站出口壓力按照預定的曲線運行，或者按照人工定值運行。

3）采用遠程智能測壓終端檢測，利用現(xiàn)有通信和高精度的壓力檢測技術(shù)，實現(xiàn)管道壓力的實時檢測具有重要的現(xiàn)實意義。將重要的市政管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)引入儲配站操作室，方便運行人員根據(jù)管網(wǎng)的運行情況及時調(diào)整出站壓力，穩(wěn)定供氣。

4）自控系統(tǒng)改造采用PLC+工控機系統(tǒng)；自控系統(tǒng)與電氣控制聯(lián)合設(shè)計。單臺壓縮機運行時負荷在電機的額定轉(zhuǎn)數(shù)50%以上。小于50%時切換到供氣量小的壓縮機。單臺壓縮機工作時采用變頻控制調(diào)節(jié)出站壓力。當一臺壓縮機不能滿足負荷要求時，啟動另外的壓縮機并聯(lián)運行，其中一臺（或多臺）額定負荷運行，另一臺變負荷運行。

5）現(xiàn)有的一次儀表（壓力變送器、熱電阻等）不動，依據(jù)控制要求適當增加測點，設(shè)計階段確定系統(tǒng)規(guī)模。

5.4 工藝部分建設(shè)方案

由于靈石中壓燃氣管網(wǎng)全部按照中壓A進行設(shè)計，即設(shè)計壓力為0.4MPa，完全能夠滿足管網(wǎng)升壓的要求，因此不需要對中壓管網(wǎng)系統(tǒng)進行更換和重新設(shè)計。僅根據(jù)水力計算結(jié)果對部分枝狀管網(wǎng)連接封閉成環(huán)。

6 結(jié)語

本文在實際調(diào)研和資料收集的前提下，通過水力計算分析，找出實際運行過程中的最不利工況點。針對最不利工況點的用氣壓力和用氣量需求，指出市政燃氣管網(wǎng)及配套設(shè)施在實際建設(shè)及運行過程中可能存在的問題，在實際市政管網(wǎng)升壓過程中予以重視并采取必要的安全保護措施；同時也為儲配站內(nèi)的相關(guān)設(shè)備及配套設(shè)施的建設(shè)方案提供理論依據(jù)。

在市政管網(wǎng)升壓及配套設(shè)施建設(shè)過程中，應(yīng)注意儲配站內(nèi)壓縮機、電機等新設(shè)備或增容設(shè)備在試運行過程中可能產(chǎn)生的意外情況，做好安全保護措施，以免發(fā)生事故對人體產(chǎn)生影響，造成不必要的傷害和損失。