城市燃气管网规划设计研究

2022-10-01

城市燃气管网投资规模巨大, 影响面复杂, 且大部分工程为地下基础工程, 在建成后扩建和改建难度较大。因此, 城市燃气管网建设中, 必须注意规划设计问题, 既保证城市燃气管网的技术经济性, 又保证管网布局的合理性、安全性, 同时要充分考虑维护等方面的问题, 使城市燃气管网科学化、合理化、最优化。下面, 本文从城市燃气管网的布局优化和参数优化两个方面, 利用动态规划法、神经网络法等方法, 构建城市燃气管网规划设计的数学模型, 就城市燃气管网规划设计进行浅要的探讨。

一、城市燃气管网建设特点

1. 城市燃气管网分类

城市燃气管网有多种分类方法。根据管网的用途可以分为长输管线、城市燃气管道、工业燃气管道。其中长输管线是连接产地、储存库、使用单位之间的燃气管道;城市燃气管道则包括分配管道、用户引入管道、室内燃气管道, 用于燃气的分配、用户引入和室内分配;工业企业燃气管道则用于工业企业燃气的分配和引入。根据管网的铺设方式可分为地下燃气管道和架空燃气管道, 地下燃气管道铺设于地下, 架空燃气管道多用于穿过障碍或厂区。根据管道输气压力可分为低压、中压、次高压、高压燃气管道, 不同的管道输气压力并不相同, 从小于5KPa至大于0.8MPa不等。

2. 城市燃气管网构成

目前常用的管网系统有一级管网系统, 二级管网系统、三级管网系统、混合管网系统几大类。其中, 一级管网系统只有一个压力等级, 这种管网系安全性稍差;二级管网系统具有二个压力等级, 一般一级为低压管网, 另一级为中压、次高压或高压管网;三级管网系统则由低压、中压、高压管网构成, 这类管网投资规模较大, 往往多应用于特大城市;混合管网系统是我国目前应用较为广泛的城市燃气管网系统, 利用中压或次高压输气, 经中、低压或次高压、低压调压后输送至用户管道, 具有较高的经济性和安全性, 适应能力较强。由于各类用户和区域所需燃气压力不同, 同时从安全性和经济性出发, 燃气管道往往采用不同的压力级制。

3. 城市燃气管网规划设计需考虑的问题

城市燃气管网规划设计中, 必须综合考虑气源情况、城市规模、建筑特点、用户分布、地下设施和地下管线现状等, 并充分结合城市建设总体规划和未来发展, 对管网布局、参数设定等进行科学、合理的计算, 最终得出最优化的建设方案, 以提高城市燃气管网建设的合理性、经济性和科学性, 降低管网建设对城市居民的影响, 提高施工和维护管理的便利性。

二、城市燃气管网规划设计方法

1. 基本方法

在城市燃气管网规划设计中, 常用的方法有图论法、动态规划法、神经网络法、MCST法、约束导数法、综合优化法等方法。动态规划法是对管网各节点压力进行优化, 得出最优压力来选择管网布局和元件, 但这种方法需要预先给定调压站数目和位置、管段长度、管径等数据, 应用于大型网络系统中有一定局限性。神经网络法则是引入适当能量函数确定神经元联结权, 根据网络状态变化来寻求平衡获得局部最优解的方法, 具有大规模并行处理、高容错性和自适应性、自组织性的优点, 应用于大型管网规模设计中极佳。因此, 本文综合利用动态规划法和神经网络法来建立数学模型, 用于城市燃气管网规划设计中管网布局与参数优化。

2. 城市燃气管网布线标准

城市燃气管网布线时, 高、中压管网主要用于输气, 其压力高、危险性大, 布线应充分考虑长期安全运行的需要, 因此应布设于足够安全距离的地段, 同时考虑安装和检修的便利性和对周边的影响, 低压管网是最基本的管网, 要充分考虑网路密度。管网的纵断面, 应埋设于土壤冰冻线以下, 其覆土深度应满足规划和规范要求, 并避免与自来水管、雨水管、热力管、电力管、通讯管等布设于同一地沟, 并采取好防护措施。储配站应综合考虑城市工业布局规划, 服从输气干线大走向, 尽量靠近负荷集中地带。调压计量站的布设要符合城市规划和作用半径, 尽量避免对周边地区的影响, 控制好安全距离。

三、数学计算模型建立

1. 供需平衡计算

管网规划必须考虑燃气供需平衡, 需要综合考虑城市用气量、需用工况等来取得平衡。

排除不符合安装燃气设备条件或居民点离管网距离过远的情况, 城市气化率很难达到100%, 但在考虑供需平衡时所需要考虑的不仅是城市现有用气量, 还需要考虑城市发展所增加的用气量。城市燃气用量包括居民生活用气量、公共建筑用气量、工业企业用气量、建筑采暖用气量、其它用气量等。用气量计算公式可简化为 (4-1) :

其中, Qy为城市年燃气用量, Sy为居民生活年用气量, Zy为公共建筑年用气量, Gy为工业企业年用气量, Jy为建筑采暖年用气量, Fy为其它用气量。

城市燃气需用工况随时间、季节变化而不断变化, 通常表现为月不均匀性、日不均匀性和时不均匀性, 城市燃气需用工况与各类用户需用工况和在总用气量中的比重有关。在计算时, 需要分别对月用气工况、日用气工况和时用气工况进行计算, 以把握用气量峰值变化情况和变化规律。虽然城市燃气需用工况不均匀, 但气源供应量是均匀的, 因此需要在两者之间取得平衡, 保证各类用户都有足够的流量和正常燃气压力, 可根据实际情况采用缓冲用户、储气平衡、机动气源平衡的方法来进行平衡。

2. 管网压力降计算

管网压力降包括低压管网允许压力降和中、高压管网压力降。对于采用区域调压站的低压供气系统, 由于末端用户与调压站的距离不同压力相差极大, 要保证末端用户必要的燃烧效率和热负荷能力, 需要根据末端用户允许压力波动范围和热负荷来确定低压管网压力降。其计算公式可以采用 (4-2) 进行:

其中, Pmax、Pmin为末端用户最大、最小允许压力, K1、K2为最大、最小压力系数, Pn为末端用户的额定压力。

中、高压管网的压力降, 除了根据投资和运行维护费用进行技术经济比选外, 还需要考虑城市规模、发展规划、运行能力等。由于中、高压管网通过调压器再与低压管网或用户连接, 中、高压管网压力波动对低压用户燃气压力并造成影响, 因此只需要确保中、高压管网末端最小压力能满足高峰用气量即可。

3. 管段流量计算

燃气管道各管段与用户连接情况并不相同, 可分为管段沿途不输出燃气、管段与大量用户相连以及既有传输流量又有途泄流量的管段连接形式。

沿途不输出燃气用户连接于管段末端的连接形式中, 管段燃气流量为常数, 与传输流量相等。管段与大量用户相连的连接形式中, 管段燃气在途中全部传输给用户, 管段只有途泄流量, 燃气流量与途泄流量相等。第三种形式中, 管段燃气既有传输流量, 又有途泄流量, 管段燃气流量为途泄流量与传输流量之和。管段流量可以通过公式 (4-3) 计算获得:

其中, Q为管段计算流量, Q1为管段途泄流量, Q2为管段传输流量, 为支管相关系数, 通常取0.55。

四、案例实践研究

1. 案例概述

某市城区规划面积48平方公里, 建成面积21.9平方公里, 城区人口19.4万。过去较长时间里以煤、液化石油气、电能源为主, 为了提高城市居民生活质量和城市品味, 改善城市生态环境, 提升城市整体综合实力, 拟引入天然气。气源选择LNG气源, 项目包括2座LNG撬装站、中压管网及配套设施, 供应能力为15万NM3/d, 计划发展天然气居民用户10万户。

2. 基本参数确定

以居民用气定额2000MJ/人年, 户均人口3.74人, 公建用户用气量占居民用气量30%计算, 该市年用气量为2730万NM3。以月高峰系数1.20, 日高峰系数1.25, 小时高峰系数3.0计算, 该市日高峰用气量为11.18万NM3, 小时高峰用气量为1.40万NM3。综合考虑不可预见量和未来城市发展需求, 该市燃气管网规划供气规模为日供气15万NM3。

3. 管网布置

根据中压管网压力限制, 中压管网布设应尽量靠近大用气量企业, 以保证用较短线路长度实现同样的供气效果, 考虑供气安全和布局合理性, 管网尽量减少穿跨越工程, 采用支状管网布设, 以使新设管网与城市发展建设同步。管材选择上, 考虑地区特点采用聚乙烯管作为城镇低压管网管材, 采用热熔连接与电熔连接结合的方式。同时, 建立物理模型, 将供气范围分为若干区块, 对管网节点、路径进行优化, 在保障供气安全、可靠性的基础上, 尽量降低管网建设成本。

摘要：城市燃气管网建设工程投资巨大, 管网结构复杂, 且随着供求关系的变化对管网有着不同的要求, 必须科学规划设计才能降低建设成本, 降低对城市居民生活的影响, 提高城市燃气管网的经济性、安全性和灵活性, 推动城市管网建设、守护地下生命线。本文综合运用动态规划法、神经网络法等多种方法, 建立城市燃气管网规划设计的数学模型, 应用于城市燃气管网布局优化、参数设计之中, 有很高的实践应用价值。

关键词：城市燃气管网,规划设计,模型优化