天然气中压管网水力设计计算书

天然气中压管网水力设计计算书——××市滨河新区中压燃气管网工程工程编号：RQ-2026-ZY-018设计阶段：施工图设计文件类型：设计计算书压力级制：中压（A级）编制：____________________审核：____________________批准：____________________××市政燃气工程设计研究院有限公司二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h1工程概况 11.1项目背景 11.2设计范围与内容 11.3供气规模与气源条件 12设计依据 22.1主要标准与规范 22.2基础资料 22.3计算原则 23设计基础参数 33.1燃气组分与物性参数 33.2压力级制与设计压力 33.3管材与管径 33.4敷设与计算条件 34燃气需用量计算 44.1居民生活用气量 44.2商业及公共建筑用气量 44.3未预见量与管网漏损 44.4年用气量与计算流量 55管网布置与计算流量分配 65.1管网拓扑与节点编号 65.2节点计算流量分配 66管径选择 76.1控制流速原则 76.2管径初步选择 77水力计算 87.1水力计算基本公式 87.2局部阻力计算 87.3环网平差计算 87.4管段水力计算成果 97.5节点压力计算 97.6支管水力计算 108校核计算 118.1流速校核 118.2压力校核 118.3管道强度校核 118.4管网储气与调峰能力 128.5埋深与安全间距 129结果分析 139.1水力工况分析 139.2管径方案比选 139.3敏感性分析 139.4与规范控制指标对比 1410工程指导意义与建议 1510.1设计与施工要点 1510.2运行调节建议 1510.3进一步优化方向 1511结论 1612免责声明 17第15页1工程概况1.1项目背景××市滨河新区位于××市城区东部，规划定位为以居住、商业及公共服务功能为主的城市新区。为实现新区管道天然气的安全、稳定供应，需配套建设中压燃气输配管网。本工程气源由城市次高压管网经新区综合调压站引入，经调压后接入中压一级管网，向区内居民用户及公共建筑用户供气。受建设单位委托，编制本中压燃气管网水力设计计算书。1.2设计范围与内容本计算书的范围为滨河新区中压（A级）燃气管网的水力设计计算，主要内容包括：燃气需用量预测与计算流量确定、管网布置与节点流量分配、管径选择、管网水力计算（含环网平差）、节点压力计算、流速与压力校核、管道强度校核、管网储气与调峰能力分析、结果分析及工程指导建议。本计算书不包含门站及调压站工艺、调压装置及用户户内管道的设计。1.3供气规模与气源条件新区规划居民用户约10000户，并配建一定规模的商业及公共建筑用户（餐饮、宾馆、办公、学校等）。气源为管道天然气（12T），由城市次高压管网经综合调压站引入，调压站出口中压管网工作压力取0.30MPa（表压），管网设计压力取0.40MPa（表压，中压A级）。2设计依据2.1主要标准与规范本计算书依据下列现行国家标准及行业标准编制：GB50028—2006《城镇燃气设计规范》（2020年版）GB55009—2021《燃气工程项目规范》GB/T13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》GB15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第1部分：管材》CJJ63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》GB17820—2018《天然气》CJJ33—2005《城镇燃气输配工程施工及验收规范》GB/T50811—2012《燃气系统运行安全评价标准》2.2基础资料（1）新区控制性详细规划图及燃气管网规划图；（2）1∶500地形图及道路、市政管线资料；（3）气源方提供的天然气组分、热值及供气压力参数；（4）新区用户发展规模及用气负荷预测资料。上述基础资料作为本计算书的计算条件。2.3计算原则管网按计算月高峰小时最大用气量进行水力计算；燃气在管道内按等温稳定流动处理；中压管道计入摩阻损失，局部阻力按沿程摩阻损失的一定比例计入；环状管网按环方程法进行平差计算。计算温度取埋地管道设计温度10℃。由于管网运行压力低于1.2MPa（表压），压缩因子取Z=1.0。3设计基础参数3.1燃气组分与物性参数本工程气源天然气以甲烷为主，其典型组分及标准状态下主要物性参数见表3-1。表3-1天然气主要物性参数（标准状态：0℃，101.325kPa）参数名称符号数值单位甲烷体积分数—95.2%低热值H_L35.6MJ/m³密度ρ0.75kg/m³相对密度（对空气）d0.555—运动黏度ν15×10⁻⁶m²/s动力黏度μ10.6×10⁻⁶Pa·s爆炸下限（体积分数）—5.0%3.2压力级制与设计压力依据GB50028—2006第6.1.6条，城镇燃气管道按设计压力分为七级，其中中压A级为0.2MPa<P≤0.4MPa。本工程管网属中压A级，设计压力取0.40MPa，调压站出口工作压力取0.30MPa（表压）。3.3管材与管径中压管网管材选用燃气用埋地聚乙烯管（PE100，SDR11），其对流体阻力小、耐腐蚀、柔韧性好。管径计算以内径为准，PE管公称外径与内径的关系为d=d_e(1−2/SDR)，其中SDR=11。3.4敷设与计算条件管网采用埋地敷设，设计温度取土壤温度10℃（283.15K）；燃气流动按等温稳定流处理；管道内壁当量绝对粗糙度K对PE管取0.01mm；局部阻力按沿程摩阻损失的8%计入。4燃气需用量计算4.1居民生活用气量居民生活用气量按用气量指标法计算，其计算式为：Q式中：Q₁——居民用户年用气量（m³/a）；N——居民用户户数（户），取10000户；k——户均人口（人/户），取3.2人/户；q——居民生活用气量指标（MJ/(人·a)），取2700MJ/(人·a)；H_L——燃气低热值（MJ/m³），取35.6MJ/m³。代入得：Q即居民年用气量约为242.70万m³/a。4.2商业及公共建筑用气量商业及公共建筑用户的年用气量按居民生活用气量的一定比例估算。结合本新区商业与公共服务功能的配比，取比例系数0.30，则商业及公共建筑年用气量为：Q即商业及公共建筑年用气量约为72.81万m³/a。4.3未预见量与管网漏损考虑未预见用户用气及管网漏损，按前两项之和的5%计取：Q即未预见量与管网漏损约为15.78万m³/a。年用气量构成汇总于表4-1。表4-1年用气量构成汇总用户类别计算依据年用气量（万m³/a）占比（%）居民生活用户10000户，2700MJ/(人·a)242.7073.3商业及公共建筑按居民用气量30%72.8122.0未预见量与漏损按前两项之和5%15.784.7合计—331.28100.04.4年用气量与计算流量新区管网年用气量为：Q燃气管道的计算流量按计算月的小时最大用气量确定，其计算式与年燃气最大负荷利用小时数n的计算式如下：Q式中：Q_h——燃气小时计算流量（m³/h）；Q_a——年用气量（m³/a）；n——年燃气最大负荷利用小时数（h）；K_m——月高峰系数，取1.2；K_d——日高峰系数，取1.1；K_h——小时高峰系数，取2.8。代入得：n=即管网总计算流量Q_h取1400m³/h，作为后续水力计算的节点流量分配依据。5管网布置与计算流量分配5.1管网拓扑与节点编号新区中压管网采用环枝结合的形式：以调压站出口节点A为气源点，沿新区主干道敷设A—B—C—D—E—A闭合主环，形成环状干管，提高供气可靠性；在各环网节点处引出枝状支管，接至区域调压柜，形成“环网输配＋枝状支管”的供气格局。主环各管段长度及节点流量见表5-1。5.2节点计算流量分配管网总计算流量1400m³/h按各节点所承担的用户规模进行分配，分配结果见表5-1。表5-1主环管段长度与节点计算流量管段长度（m）节点节点流量（m³/h）A—B500B330B—C550C340C—D480D390D—E520E340E—A560合计14006管径选择6.1控制流速原则中压燃气管道的经济流速一般为6～10m/s，为保证管网运行安全、降低噪音与磨损，控制管段流速不超过12m/s。管内流速与管径的关系为：v=式中：v——管内燃气平均流速（m/s）；Q——管段计算流量（m³/h）；d——管道内径（mm）。由此可得管径的估算式：d=6.2管径初步选择按主环各管段计算流量及控制流速要求，初选主环干管为PE100de200（SDR11，内径163.6mm），各节点支管选用PE100de160（SDR11，内径130.9mm）。管径初步选择结果见表6-1。表6-1管径初步选择结果部位计算流量（m³/h）选用管径公称内径（mm）设计流速（m/s）主环干管709de200163.69.37节点支管330～390de160130.96.8～8.17水力计算7.1水力计算基本公式中压燃气管道（P≥0.01MPa）单位长度的摩擦阻力损失按GB50028—2006附录C采用下式计算：P式中：P₁、P₂——管段起点、终点的绝对压力（kPa）；L——管段计算长度（km）；Q——管段计算流量（m³/h）；d——管道内径（mm）；ρ——燃气密度（kg/m³）；T——设计温度（K）；T₀——标准状态温度，273.15K；Z——压缩因子；λ——摩阻系数。管内燃气流动的雷诺数按下式计算：Re式中：Re——雷诺数（无量纲）；ν——燃气运动黏度（m²/s）。当Re>3500时燃气处于紊流状态，摩阻系数λ按柯列勃洛克（Colebrook）公式计算：1式中：K——管道内壁当量绝对粗糙度（mm），PE管取0.01mm。计算中，该式为隐函数，采用Swamee-Jain显式近似式迭代求解，其与柯列勃洛克公式的偏差小于1%，满足工程精度要求。7.2局部阻力计算中压管网的局部阻力（弯头、三通、阀门、变径等）按沿程摩擦阻力的8%计入，即局部阻力损失ΔP_j=0.08ΔP_y，其中ΔP_y为管段沿程摩擦阻力损失。7.3环网平差计算环状管网需同时满足节点连续性方程与环能量方程。对任一节点，流入与流出流量之差等于该节点的节点流量；对任一闭合环路，各管段压降的代数和应为零。环网平差采用环方程法，各管段流量按节点连续性初分配后，按校正流量逐次修正：ΔQ=-式中：ΔQ——环校正流量（m³/h）；Q_i——第i管段流量（m³/h）。经迭代计算，环网闭合差趋于零，平差结果见表7-1、表7-2。表7-1环网平差迭代过程（主环，de200）迭代步各管段流量（m³/h）闭合差（kPa²）校正流量（m³/h）初分配760.0/430.0/90.0/−300.0/−640.0173.765−45.23第1次714.77/384.77/44.77/−345.23/−685.2319.263−5.12第2次709.66/379.66/39.66/−350.34/−690.341.989−0.53收敛709.07/379.07/39.07/−350.93/−690.930.000—注：管段顺序为A—B、B—C、C—D、D—E、E—A，流量正负号表示流向与环向一致或相反。7.4管段水力计算成果表7-2主环管段水力计算成果管段长度（m）流量（m³/h）流速（m/s）雷诺数摩阻系数λΔP²（kPa²）压降（kPa）A—B500709.079.371021700.01815384.10.48B—C550379.075.01546200.02062137.10.17C—D48039.070.5256290.036602.30.00D—E520−350.934.64505660.02096113.00.14E—A560−690.939.13995570.01824410.50.51表中ΔP²表示管段起点与终点绝对压力平方差（P₁²−P₂²）；负流量表示该管段实际流向与设定环向相反。7.5节点压力计算已知气源节点A的绝对压力，沿管段逐段推算各节点绝对压力，其计算式为：P气源节点A工作压力取0.30MPa（表压），折算绝对压力为401.30kPa。各节点压力计算结果见表7-3。表7-3各节点压力计算结果节点绝对压力（kPa）表压（MPa）备注A（气源）401.300.3000调压站出口B400.820.2995—C400.650.2994—D400.650.2993—E400.510.2992环网最低点7.6支管水力计算各节点引出de160枝状支管接至区域调压柜，支管水力计算结果见表7-4。表7-4节点支管水力计算成果支管管长（m）流量（m³/h）流速（m/s）摩阻系数λ末端表压（MPa）备注B—柜2203306.810.020320.2994—C—柜2603407.020.020190.2992—D—柜2003908.050.019630.2992—E—柜2403407.020.020190.2990最不利点8校核计算8.1流速校核各管段流速校核结果见表8-1。主环各管段最大流速为9.37m/s，出现在A—B段，未超过12m/s的控制流速，处于经济流速范围内。表8-1管段流速校核管段流速（m/s）控制流速（m/s）校核结论说明A—B9.37≤12满足经济流速内B—C5.01≤12满足偏低C—D0.52≤12满足环网中段，流量小D—E4.64≤12满足—E—A9.13≤12满足经济流速内8.2压力校核中压管网末端（各区域调压柜入口）压力应不低于调压装置允许的最低进口压力。本工程各调压柜入口最低压力出现在E节点支管末端，其值为0.2990MPa（表压），远高于中压管网末端通常要求的0.05～0.10MPa，压力校核结果见表8-2。表8-2压力校核结果校核部位计算表压（MPa）允许最低表压（MPa）校核结论最远调压柜（E—柜）0.2990≥0.10满足，富余量大环网最低节点（E）0.2992≥0.10满足8.3管道强度校核PE管道的最大允许工作压力按下式计算：p式中：p_max——最大允许工作压力（MPa）；σ_s——管材最小要求强度MRS（MPa），PE100取10MPa；C——设计系数，燃气管道一般取不小于2.5，本计算取2.5；SDR——标准尺寸比，取11。代入得：p管道最大允许工作压力0.80MPa大于本工程管网设计压力0.40MPa，强度校核满足要求，安全系数为2.0。8.4管网储气与调峰能力中压管网具有一定的储气能力，可作为小时调峰手段之一，其可释放标态气量按下式估算：V式中：V_s——管网可释放标态储气量（m³）；V_p——管网几何容积（m³）；P_max、P_min——管网最高、最低绝对压力（kPa）；P₀——标准大气压，取101.3kPa。主环几何容积为54.89m³，当管网压力由0.30MPa降至0.10MPa时，可释放的标态储气量约为108.4m³；降至0.05MPa时约为135.5m³。可见中压管网自身储气能力有限，小时调峰应以管网压力波动与上游储气设施相结合的方式实现。8.5埋深与安全间距管网埋地敷设，车行道下管顶覆土深度不小于0.9m，人行道及绿化带下不小于0.6m；中压燃气管道与建筑物基础、其他地下管线的最小水平净距按GB50028—2006第6.4节执行，并设置警示带。钢管段埋地敷设阴极保护，PE管段设置示踪线。燃气管网沿线设置阀门井、放散管，阀门间距不大于1km。9结果分析9.1水力工况分析由表7-2、表7-3可知，在计算流量1400m³/h工况下，管网总压降（气源点至最不利调压柜）为0.3000−0.2990=0.0010MPa，仅占气源点工作压力的0.33%，节点压力分布均匀，环网最低节点E的表压为0.2992MPa。这说明在所选de200主环、de160支管的管径方案下，中压管网压力储备十分充足，管网水力压降不是控制因素，管径选择主要受流速控制。9.2管径方案比选为确定合理的管径方案，对主环分别采用de160、de200、de250三种管径进行平差与压降计算，结果见表9-1。表9-1主环管径方案比选管径方案最大流速（m/s）环网总ΔP²（kPa²）流速校核评价de16014.633074.8不满足流速超限de2009.371046.9满足技术经济合理（推荐）de2505.99357.8满足管径偏大、投资增加由表9-1可知，de160方案最大流速14.63m/s超过控制流速，不可采用；de250方案流速偏低（5.99m/s）、管径偏大，建设投资增加；de200方案最大流速9.37m/s，处于经济流速范围，压降小、压力储备充足，技术经济最为合理，故推荐主环采用de200。9.3敏感性分析考虑新区远期用户发展及用气量增长，对计算流量分别按0.8、1.0、1.2、1.5倍进行敏感性分析，考察最不利节点E的压力变化，结果见表9-2。表9-2流量敏感性分析（节点E表压）流量倍率计算流量（m³/h）节点E表压（MPa）较设计工况降幅0.811180.2995—1.013980.2992—1.216770.29890.00031.520970.29830.0009由表9-2可知，即使计算流量增至设计工况的1.5倍，节点E表压仍为0.2983MPa，压力储备充足，说明所选管径可满足远期发展的用气需求。9.4与规范控制指标对比表9-3主要控制指标对比控制指标规范要求计算值结论管段流速≤12m/s最大9.37m/s满足末端调压柜入口压力≥0.10MPa最低0.2990MPa满足且富余管道最大允许工作压力≥设计压力0.40MPa0.80MPa满足管道设计压力级制中压A：0.2<P≤0.4MPa0.40MPa满足10工程指导意义与建议10.1设计与施工要点（1）主环干管推荐采用PE100de200（SDR11），支管采用PE100de160，各管段管径与流速经校核均满足规范要求。（2）中压管网埋地敷设，管顶覆土深度及与建（构）筑物、相邻管线的净距应严格按规范控制；PE管敷设时应防止机械损伤，回填采用中砂。（3）管网沿线应合理设置阀门井、放散管、示踪线及警示带，并纳入GIS与SCADA系统管理。10.2运行调节建议（1）中压管网压力储备充足，运行中可通过调压站出口压力的合理设定，兼顾稳压供