（环境工程专业论文）燃气气源更换后城市管网系统供气能力的计算机分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 城市天然气化是深圳市不远的将来所面临的现实之一，随着广东省的液化天 然气工程启动，深圳市的燃气气源由液化石油气转化为天然气的过程已经开始。 城市燃气的气源由液化石油气向天然气的转化过程中，气源的置换将导致的许多 技术问题，如设备、用具的适应性等非常重要，但同时输配管网的结构调整也是 非常复杂的问题之一。 由于历史的原因，深圳市的燃气管网是由小区管网联网而成的。小区管道的 设计过程中考虑到了天然气更替的可能，因此，面临天然气气源置换的问题从管 网结构的方面应该不会存在很大的问题。 但由于深圳市的燃气管网在从小区管网系统向城市大型管网系统的过渡过程 中，小区之间的连接并没有完全考虑整体管网的适应性，因此在气源更换后管网 的整体输气能力是一个值得关注的问题。 本文介绍了管网分析的计算机方法，并进行了管网平差计算的计算机程序编 写。在此基础上，通过利用计算机分析的方法，对深圳市的现有燃气管网系统进 行了较为详细的水力工况分析，特别是针对天然气气源接入城市管网的过程中， 系统的接入点对管网输气能力的影响进行了计算，计算结果对充分利用现有城市 管网的输气能力，选择合适的天然气进入接口位置，将提供较为可靠和实用的科 学依据。 另外，深圳市现在并没有城市外输气干管，在天然气系统建成时，城市的外 环输气干管是不可缺少的，通过计算分析的结果，对如何能有效的发挥城市高压 管线的输气作用，确定深圳市城市天然气管网的高压管线走向提供了一定得理论 依据。 关键词：天然气，输配管网，水力平差 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t u s i n gn a t u r a lg a s ( b r i e f l yn g ) a st h em a i nf u e li so n eo ft h er e a l i t i e st h a ts h e n z h e n w i l lt of a c eb e f o r el o n g ，w i t ht h es t a r t i n go fl p gp r o j e c t t h ec h a n g ef r o ml p gi n t o n go fs h e n z h e n sg a ss o u r c ei si np r o c e s s i n g i nt h ep r o c e s so fc h a n g ef r o ml p gi n t o n go fc i t y sg a ss o u r c e ，r e p l a c e m e n to fg a ss o u r c ew i l ll e a d st oal o to ft e c h n i c a l p r o b l e m s ，s u c ha s ：t h ea d a p t a t i o no ft h ee q u i p m e n t s 、a p p a r a t u si sv e r yi m p o r t a n t m e a n w h i l et h ea d j u s t m e n to ft h ep i p e - s y s t e m sf l a m ei sa l s oa v e r yd i f f i c u l tp r o b l e m f o rt h eh i s t o r i c a lr e a s o n s ，t h eg a sp i p e s y s t e mo fs h e n z h e ni sf o r m e db ys m a l l w a r d sp i p e s y s t e m t h ep o s s i b i l i t yo fr e p l a c e m e n to fn gh a sb e e nt a k e ni n t oa c c o u n t i nt h es m a l lw a r d sp i p e s y s t e md e s i g n ，h e n c e ，i nt e r r ao ft h ep i p e - s y s t e m sf r a m e ，t h e r e s h o u l dn o tb em u c ht r o u b l ei nt h er e p l a c e m e n to fn gs o u r c e h o w e v e r , t h ec o n j u n c t i o nb e t w e e nw a r d sd i d n tc a r et h ea d a p t a t i o no ft h ew h o l e p i p e - s y s t e m ，i nt h ec o u r s eo fs h e n z h e n sg a sp i p e s y s t e m sc h a n g ef r o ms m a l lw a r d p i p e 。s y s t e m i n t oc i t y s l a r g es c a l ep i p e 。s y s t e m ，a sar e s u l t ，a f t e rr e p l a c e m e n to fg a s s o u r c e ，t h ea t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt ot h ee n t i r et r a n s p o r tc a p a c i t yo ft h ep i p e s y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ec o m p u t e rm e t h o do fp i p e s y s t e m sa n a l y s i si si n t r o d u c e d ，a l s ot h e c o m p u t e rp r o g r a mo fp i p e s y s t e m sc h e c k i n gi sg i y e no u t t h e nm o r ed e t a i l e da n a l y s i s o nh y d r a u l i cs t a t eo fc u r r e n ts h e n z h e n s g a sp i p e s y s t e mc a nb ed o n eb yc o m p u t e r a n a l y t i cm e t h o d s ，e s p e c i a l l yw h e nt h eg a ss o u r c ei sc o n n e c t e dt oc i t y sp i p e s y s t e m ，t h e i n f l u e n c er e s u l t e db yj u n c t i o n so nt h et r a n s p o r tc a p a c i t yo fp i p e s y s t e mh a sb e e n c o m p u t e d t h er e s u l t sw i l lo f f e rr e l i a b l ea n ds c i e n t i f i cr e f e r e n c et oh o wt ou s et h ec i t y s p i p e s y s t e m st r a n s p o r tc a p a c i t yc o m p l e t e l ya n dh o wt os e l e c tap r o p e rj u n c t i o n a d d i t i o n a l l y , o u t s i d eo fs h e n z h e nt h e r ei sn og a st r a n s p o r tm a i np i p e ，w h e nt h en g s y s t e mw a sc o n s t r u c t e d t h eo u t e rp i p e s y s t e mi sd i s p e n s a b l e a f t e ra n a l y s i so nc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，i tw i l lo f f e rs o m et h e o r e t i cr e f e r e n c et oh o w t oe x p l o i tt h ef u n c t i o no fh i g hp r e s s u r es y s t e mi ng a s t r a n s p o r ta n dh o wt os e l e c t s h e n z h e n sh i 曲p r e s s u r en g p i p e s y s t e mr o u t e k e y w o r d s ：n g , t r a n s p o r t i n ga n dd i s t r i b u t i n gp i p e s y s t e m ，h y d r a u l i cc h e c k i n g l l 重庆大学硕士学位论文1 概论 1 概论 1 1 城市概况 深圳市地处广东省南部沿海，位于北回归线以南。东邻大棚湾，西连珠江口， 南与香港新界接壤，北靠东莞、惠州两市。全景地势东北高，西南低，大部分为 三前坡状台地，兼以平缓的岗地，沿海一带为海滨平原。i l l 全市总面积2 0 2 0 平方公里，其中特区面积3 2 7 5 平方公罩。整个地区低山站 9 2 ，丘陵占3 9 6 7 ，台地占2 2 6 ，阶地及平原占2 6 1 7 。 深圳市辖经济特区内外6 区，1 9 9 7 年术常住人口3 7 9 6 4 万，其中户籍人口 1 0 9 4 6 万人，暂住人口2 7 0 ，1 8 万人。 1 2 天然气气源现状与规划 1 2 1 气源现状 。 深圳市现状城市燃气气源主要是液化石油气。1 9 9 7 年，全市液化石油气销售 量为3 5 3 4 万吨，深圳市自用8 0 左右，其余2 0 销往珠江三角洲地区。供应方 式分钢瓶应和管道供应两种。管道气供应约占总供应量的1 5 。目前，深圳市已 基本实现了城市燃气化，居民气化率接近1 0 0 。i t 液化石油气的来源约9 6 由中东及东南亚地区进口，少量由内地调入作为补 充。深圳市现有液化石油气经营单位几十家，主要骨干企业有：深圳市燃气集团、 赤湾壳牌公司、乐意液化仓储有限公司、岩谷气体机具有限公司，深南燃气有限 公司、招商局蛇口石化公司、南油石化公司、宝安石化公司、深长股份公司等。 目前，深圳市已拥有初具规模的液化石油气接收基地和储存设施，建有三个液化 石油气接收码头，拥有三艘8 0 0 吨级的液化石油气槽船，四条铁路专用线，6 0 余 辆2 5 吨级的铁路槽车：建成液化石油气储存站2 0 余座，贮罐的总储存能力超过2 万立方米。年储存能力1 0 0 万吨的下洞低温常压液化石油气储存基地已建成投产。 目前深圳市钢瓶供应由2 0 余座储配站罐瓶后，通过设在市区的钢瓶供应站向 用户供应；管道气则由已建成的气化站供气。气化站又分为区域气化站、小区气 化站和瓶组气化站三类，区域气化站和小区气化站分布在罗湖、福田和南山区内， 三区内同时拥有少量的瓶组气化站。宝安区目前的管道气主要由瓶组气化站供应， 龙岗则全部是钢瓶供气。 目前深圳市的气化站规模及占地情况如下表所示： 重庆大学硕士学位论文1 概论 表1 1 气化站规模及占地一览表 t a b l e1 1s c a l eo ft h ev a p o r i z i n gs t a t i o n 序号 气化站名称罐容( 个x m 3 )占地( m 2 )备注 1 罗湖5 x 1 05 0 0 0 2 白沙岭6 x 1 0 08 0 0 0 3罗芳6 x 1 0 01 2 2 5 8 4华侨城4 x 1 0 06 3 0 0 5松屏山2 x 1 52 1 0 0 6南山中心区4 x 1 32 2 1 5 7 南油6 x 5 04 0 4 2 8东乐花吲3 1 0 5 0 0 9金湖3 1 02 0 0 0 1 0 术头龙2 0 0 0停运 1 1滨河2 0 0 0 停运 1 2莲花二村3 x 1 02 0 0 0 1 3 梅林6 x 1 0 04 5 1 7 5 1 4龙岗中心1 0 1 5 01 3 5 5 8 1 2 2 天然气气源规划 在深圳市最初发展城市燃气的过程中，作为城市气源，大力发展液化石油气 管道供应是符合实际的。建设区域气化站，发展管道气用户投资少，建设周期短， 见效快，同时又为今后大规模发展天然气管道供应做好了准备。 但是，随着城市的发展，城市范围的不断扩大，人口的增加，液化石油气供 应的局限性显露了出来。一是液化气本身的性质决定具较天然气安全性较差，二 是其输送压力较低，难以大规模发展。而且气化站的增多，必将在市区内增加大 量的液化石油气贮罐，对城市安全构成威胁。 众所周知，天然气是一种热值高、非常清洁、便于输送的优质燃料，做为城 市气源有其无可比拟的优越性。发达国家无论有无天然气，城市燃气的气源基本 上都采用天然气，天然气的输配技术及设备已日趋成熟。 目前，珠江三角洲的天然气二程及深圳秤头角l n g 工程前期工作正在紧张进 行，初步确定一期工程的天然气来源，一是海南大然气从珠海高栏登陆，二是秤 头角l n g 接收基地，形成对置气源，供应整个珠江三角洲，输气能力为3 4 1 亿立 方米年；二期工程气源全部由珠海高栏岛首站解决，输气能力5 3 8 亿立方米 年。因此，深圳市大规模发展天然气势在必行。根据“广东省珠江三角洲经济 特区l n g 规划研究报告”，一期工程3 4 1 亿立方米的天然气供应压力3 1 m p a 。 重庆大学硕士学位论文1 概论 二期工程到达深朝l 市的压力为2 8 m p a ，这就为深圳市选择优质的天然气气源提 供了机遇和可能。 1 1 因此，深圳市的城市燃气气源选择液化石油气和天然气，远期规划气源为天 然气。首先结合城市的发展，建设液化石油气区域气化站，发展液化石油气管道 供应系统，同时建设钢瓶供应站，供应钢瓶气用户，天然气引进后，将建设天然 气高中压调压站或改造区域气化站发展天然气供应系统，代替液化石油气。天然 气普及后，仍然有少量钢瓶供气作为城市补充气源。 珠江三角洲地区天然气工程的总体气源规划如下： 一期工程 因 ，-_一l-i-，-一l-一 卤 二期工程 i 高岚岛首站卜叫珠海r 叫中山卜- 叫江门 i 秤头角l n g 接收站 深圳卜1 1 樟木头 士 燃气发电厂 惠州 1 3 深圳市城市燃气管网结构的现状 深圳市的燃气管网是由小区管网联网而成的。小区管道的设计过程中考虑到 了天然气更替的可能，因此，面i 临天然气气源置换的问题从管网结构的方面应该 不会存在很大的问题。 但由于深圳市的燃气管网在从小区管网系统向城市大型管网系统的过渡过程 中，小区之间的连接并没有完全考虑整体管网的适应性，因此在气源更换后管网 重庆大学硕七学位论文1 概论 的整体输气能力是一个值得关注的问题。 餐 簟 蕃 凼 撄 证 按照深圳市的天然气规划，深圳市2 0 1 0 年的天然气总计算流量为：3 7 6 万立 方米小时。 葵群嗅话酶扩越匿缸随州璧i痒聪 重庆大学硕士学位论文2 燃气管网供气能力分析 2 燃气管网供气能力分析方法 2 1 燃气管网供气能力的计算机分析基础 2 1 1 燃气管网水力计算基本资料 燃气管网水力计算的基本资料，包括年用气量、小时计算流量以及管网压力 级制的确定。 年用气量的确定：【2 j 城市燃气用户一般包括居民生活用气、公共建筑用气、工业企业生产用气建 筑物采暖用气。其年用气量便是这叫类用户年用气量之和再加未预见量，而居民 生活年用气量是根据用气量指标、居民数以及汽化百分率计算得出；而公共建筑 的年用气量则是根据用气量指标、居民数以及公共设施标准、规模计算；工业企 业用气量可利用各种工业产品用气定额以及年用气量计算：建筑采暖年用气量则 是根据建筑面积、耗热指标以及采暖期长短计算：未预见量按总用量的5 计算。 城市燃气小时计算流量：1 2 】 城市燃气小时计算流量是燃气管道通过能力的计算依据，其确定关系燃气输配 的经济性与可靠性。计算方法有两种：不均匀系数法和同时工作系数法。 不均匀系数法：管道的计算流量是按计算月的小时最大用气量计算的，其计算 公式为： q = 熹k l m ：x 舛“玛一 q 一小时计算流量( m 3 h ) q v 一年用气量( m 3 f g ) k 1 、k 2 、k 3 一分别为月高峰系数、日高峰系数、小时高峰系数 同时工作系数法：对于独立小区和庭院的燃气支管的计算流量，应根据燃具的 额定流量及同时工作系数计算。计算公式为： q = ：足o 幺 q 庭院及室外燃气管道的计算流量( m 3 h ) q h 相同燃具或相同组合燃具的额定流量( m 3 h ) k o 相同燃具或相同组合燃具的同时工作系数 n 相同燃具或相同组合燃具数 城市燃气管道压力级制：【2 】 城市燃气管道压力级制按压力输送分为五级：即高压a 、b ，中压a 、b ，以 5 重庆大学硕士学位论文 2 燃气管网供气能力分析 及低压，其中高压a 为0 8 m p p 1 6 m p ，b 为0 4 m p p 0 8 m p ；中压a 为 0 2 m p p 0 4 m p ，b 为0 0 5 m p i 高、中压配气：p h = 1 中 压配气：p h 1 低压配气； 2 2 3 管段流量的计算程序编写 在节点法的平差计算中，由管段流量确定管网管径之后，然后再进香平差计 算，这样在平差计算中的随意性减少精确性好，则迭代次数少，收敛速度电较 重庆大学硕十学位论文2 燃气管网供气能力分析 快。 图例说明： ( ) ： 节点编号；_ ： 集中负荷 管段 环网用气人数： 彳”b i 、i i 图2 6 计算管网结构示意图 f i g2 6 s k e t c hm a do fc a l c u l a t e dp i p en e t w o r k s 环网流向 环网编号 在管段流量的计算中，其分高( 中) 压管网以及低压管网系统的计算，同时， 在程序编写时，需要到两个数组，即转输流量分配系数数组以及导向数组，在这 2 0 重庆大学硕士学位论文 2 燃气管网供气能力分析 里不再重复。 2 2 4 算例 本计算程序，原则上适用于高、中、低压系统。 本例中，以低压管网为例，来说明程序的运行方式以及结果。 现某城镇规划采用一低压管网系统。管网布置、管段长度、用户分布如图2 5 所示。 环网中，节点( 1 1 ) 基准气源点，节点( 1 3 ) 为给定压力的气源点，在节点 ( 2 ) 、( 7 ) 以及管段2 、1 4 上有集中负荷，管段4 、6 环外有用户，零点数为2 ， 即为节点( 1 ) 、( 8 ) 。 数据元素的准备 1 ) 管网基本情况 在运行本程序时，需要输入系列有关管网的基本情况数据，见表2 1 。 表2 1 数据是程序运行的基础，根据用户要求，适用于不同气质、不同管网的 计算。 2 ) 基本数组数据 在程序的运行过程中，我们需要用到一系列的数组，根据图2 5 的管网，按 各数组的特点以及编制原则，我们将在程序运行过程中需要用到的数组逐一列于 下列各表格： 各环人数数组o w ( m m ) 数据：见表2 2 。 表2 1 管网基本资料 项目标识符 数据说明 节点数a n 1 0 管段总数b n 1 5 环数m n5 压降回路数s n4 压力p h0 低压 材质g k0 铸管 燃气密度m d0 4 s 运动粘度系数 n z 2 5 e 一6 零点数目 q 2 集中负荷数e n4 精度要求 x ro o l 2 1 重庆大学硕士学位论文 2 燃气管网供气能力分析 基准气源压力p a1 5 0 0 ( p 。) 管网零速点压力p b 1 1 0 0 ( p ，) 给定压力气源数q nl 给定流量气源数q q n0 位于仃点上的集中负荷数w n2 人均小时用气量c co 0 6 环外有用户的管段数t t2 途泄流量计算标识符t x1有途泄流量 表2 2 各环人数数组 i 。23 d 5 l i1 8 0 0 01 9 0 0 02 0 0 0 01 9 0 0 02 0 0 0 0 l 注：本例中，分配4 、6 管段的环外人数为1 5 0 0 。 环号数组q m ( 2 ，w ) 数据：见表2 3 表2 3 环号数组 t a b l e2 3 a r r a yo fc i r c l e sn u m b e r l 一1 112 2 34 3 3一d3 d 5 5 5i io o2ooo一2040o一500oi 连接矩阵数组a ( a n ，b n ) 数据：见表2 4 表2 4 连接矩阵 t a b l e2 4 j o i n i n ga r r a y 1l000 o 0o0ooo000 一l0110o0o00ooo00 01100000000o000 0o01011o一100oooo 0000o001o0 1 0ooo 000o0o00101一l一10o ooooooooo1o1o一1o 0o0oo000000001l o00o0oo0000o10 一l o0ooo 一1 0 1 o000o00 重庆大学硕士学位论文2 燃气管网供气能力分折 管长数组l ( b n ) 数据：见表2 5 表2 5 管睦数组 t a b l e2 5 a r r a yo fp i p el e n g t h l ， 23 4 5 6789 1 0 1 1 1 21 31 41 5 l5 0 0 9 0 0 7 0 0 3 0 04 0 07 0 0 8 0 0 6 0 0 5 0 04 0 0 7 0 08 0 07 0 0 5 0 0 8 0 0 注：第一行为管段号：第二行元素为管段长度数据。 分配系数数组k k ( b n ) 数据：见表2 - 6 表2 6 分配系数数组 t a b l e2 6 a r r a yo fd i s t r i b u t i n gc o e f f i c i e n t l ， 2 3 庄 5 67 89 1 01 11 21 31 41 5 i ， 10ll0 50 51o 5 lo5 olll 注：第一