1燃气管网设计施工验收讲稿.docx
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1燃气管网设计施工验收讲稿
燃气输配工程设计、施工原则与方法
1初步设计的内容
1确定供气范围、供气对象、燃气用气量好用气工况;
2确定供气方式。
在确定气种、管网压力级制、气源时应评估其可靠性;
进行管网的布置[包括燃气调峰及应急储存,调压站(箱)]。
在多方案比较的基础上选择最优方案。
关于管网优化目前初步设计所确定的管网一般有很大的经验成份。
现有的管网优化技术往往脱离工程实际,因而很少实用。
初步设计一般经过方案比较才确定管网设计,但这种极为有限数目的枚举可能离较优方案甚远。
作者建议在设计管网的基础上派生出若干个管径配置方案,参照作者在文献[5][7]中所倡导的管网综合优化原理及方法确定一个经济性和压力储备综合性更好的方案;
3进行工艺计算。
管网水力计算,确定管道管径、调压器(站、箱)的流量、工况与台数;
4提出穿、跨越河流、铁路或其他重要障碍物的处理方案。
管道穿越障碍设计在初步设计中要具体化。
特别穿越河流或立交桥等与具体的水文地质条件或地形地物条件有密切关系。
初步设计要在具体资料的基础上进行定位和确定技术方案,这一方面是落实工程的可实施性,确定施工图的主要技术和工艺,为概算提供较准确的工程量,也是落实与城镇相关部门协调和得到认可所必需;
5确定管道材质、阀门布置和设备选型;
6管道防腐方案;
7协调公用工程设计;
8防火安全设计;
9劳动卫生与保护,节能与环境保护相关设计;
⑨总说明书、总平面图和主要管道纵断面图。
主要材料、设备明细表。
⑩投资概算。
2初步设计管网系统方案问题
属于管网结构学范畴。
2.1网络图式
管网的网络图式首先取决于气源和燃气用户的分布,与城镇规模及地理特别是道路分布有密切关系。
城镇区域可归结为几种基本形态。
管网的网络图式往往取决于城镇区域的轮廓型式。
城镇区域的轮廓型式有几种类型。
①矩型。
如北京4环以内的城区,柏林,巴黎,杭州等多数城市;
②狭长型。
如兰州,荆州,十堰等基于江河谷地的城市;
③分区型。
如华沙,武汉,襄樊等受江河等地形条件影响形成的城市;
④主区-卫星区型。
如包括、通州、昌平、大兴等卫星区型城区的北京,上海,天津等多数特大型城市。
管网的网络图式在一定程度上是一种被动选择,受城区地理条件制约。
但如何实现向用户可靠而经济的供气则是主要因素。
在用气负荷有明显的重心偏移时,实际的管网会在气源和管径配置上反映出负荷分布的影响。
在研究管网的网络图式时,图论理论和方法是应充分加以利用的工具,例如应用各种算法提供管网主干管道方案,
2.2压力级制
燃气管网的网络型式的先决问题是决定管网的压力级制。
关于管网压力级制已经有十分丰富的工程经验和共识。
主要取决于燃气类别,也与城镇规模有关。
对于天然气气源则与分输管道提供的压力和城市规模有关。
最一般的是采用高中压两级或高—次高—中压三级系统。
对于大型城市或较大城市,有条件采用三级系统,高压管道可兼作储气设施而具有输储双重功能,尽量利用天然气的压力能量。
高压的天然气具有可观的能量,可以用火用加以衡量。
火用是工质(例如天然气)的状态参数,是其能量中理论上能够可逆地转换为功的最大数量,即该能量中的可用能。
因而一定状态的天然气的火用是指其具有的最大理论作功能力,对作定常流动的管道中的天然气,其参数火用可表示为:
(2-1)
式中
——天然气比火用,kJ/kg;
——天然气定压比热容,kJ/(kg•K);
——天然气温度,K;
——环境温度,K;
——摩尔气体常数,一般取8.3145kJ/(kmol·K);
——天然气的摩尔质量,kg/kmol。
——天然气压力,MPa(绝对);
——环境压力,MPa(绝对)。
环境温度、系统压力等因素的变化都将对高压天然气火用产生影响。
随着高压天然气输气压力的增大,天然气火用将增大;同样,随着排出压力的减小,可供利用的天然气火用也将增大。
天然气压力能是天然气火用的一部分,即式(2-1)中压力比对数项。
对高压天然气来说,压力高是其显著标志。
因此一般将天然气火用的利用称为压力能利用。
为了解高压天然气具有的热力学能量价值,进行下列关于天然气可利用火用的计算。
设输气压力为p1=4MPa,温度T1=293.15K,(绝热膨胀)降至p2=0.8MPa,T2=210.15K,环境温度T0=293.15K,。
因此天然气可供出火用为:
(2-2)
=1.93(293.15-210)-293.15
=217.09kJ/kg
以2006年西气东输管道共计供气99×108m3/a为例进行计算,则该管道天然气可供利用的火用为:
Ex=217.09×99×108×0.7174×273.15/293.15=20025.6×108kJ,相当于装机容量接近N=20025.6×108/8760/3600≈6×104kW的电站一年的发电量。
由此可见,高压天然气蕴含着相当大的高位能量。
系统中的中压管道供气至小区调压柜或楼栋调压箱,经中低压调压后进入低压街坊管与室内管。
也可中压管道直接进入用户由用户调压器调压,可使用户用具前的压力更为稳定。
2.3气源及调压站设置
气源指天然气门站或上一级管网调压站。
对于各种城镇区域型式,可能有很多的设置方案。
天然气门站的设置取决于天然气输气管道的线路。
门站一般即设在供气线路与城区之间靠近城区的位置。
门站数量与城市天然气负荷有关。
大型城市可能设置不少于2个门站,而中小城镇则一般只设一个门站。
对于设两个以上门站的大型管网,门站最佳设置方式是对置。
这对于各种城区类型都是一样的。
门站设置的原则是:
①考虑天然气干线及分输站条件;②靠近负荷中心;③靠近城区对称中心线;④符合城市规划和发展要求;⑤具有建设条件。
调压站(高—中压调压站)的设置有数量和位置问题。
数量:
主要取决于调压站负荷。
比较经济合理的调压站负荷是一个研究课题。
实际工程中高中压调压站的负荷一般在2
104~4
104m3/h范围。
位置:
高中压调压站的位置主要受城区高压管道的敷设条件限制,向调压站供气的高压、次高压管道不能伸入市区。
在采取比较均衡的高中压调压站负荷量的条件下,高中压调压站的供气范围会相应比较均衡。
有条件连接高压、次高压管道。
2.4枝状及环状管网型式及环网密度
为提高管网的供气可靠性,燃气分配管网一般需设计为环型。
枝状管网与环网在供气可靠性方面的差别可通过对图1、图2的简单例子的分析作出比较。
S—气源,U1—用户1,U2—用户2,U3—用户3
图2-1枝状管网
S—气源,U1—用户1,U2—用户2,U3—用户3
图2-2环网管网
只考虑单一事件故障,则供气可靠性分别为:
枝状管网可靠度:
R(t)=0.96079
环状管网可靠度:
R(t)=0.99846
供气可靠度:
环状R(t)>枝状R(t)近3.8个百分点
但枝状管网比环状管网在造价上较节省,采用Σ(l•D)作造价指标,则造价指标环状是枝状的7.6/4.28=1.78倍。
由上述简单例举中可以看到,用管网供气可靠度来衡量,环状管网较枝状管网供气可靠度高,但管网造价会显著增加。
环网的作用在于当环网供气链路上某一管段故障时,经由其他链路可以补偿性地提高燃气流量,以部分满足各用气点的用气需要。
但管网中的管段在输送气量上是不等效的,管段的输气能力取决于所在输送链路。
所以环网的具体成环方案会产生不同的效果。
在管网成环方面有如下几点:
①管网成环有助于提高管网的供气可靠性,提高管网供气的有效性。
②管网成环会加大管网造价。
③不同的管网成环方案对供气可靠性有不同的作用。
④主干管网成环位置在管网中部最好,即主干管网环处于中环位置最好。
2.5截断阀配置
传统的煤气输配系统一般为中低压两级系统。
即使是中压,也不会超过0.2MPa的供气压力。
在低压管网中出现管道或部件故障时,一般可以用简易方法进行堵漏或截断管道系统,也可以带气进行某些维修工作。
因此在低压管网上只在主干管道或关键部位设置有限数量的截断阀门。
对于天然气为气源的城市输配管网,由于压力级制普遍为中、高压,对燃气管网设置阀门的要求具有更加的重要性。
相应地,城市输配管网需要设置大量的截断阀门。
在管网中如何有效配置截断阀门,需要从功能要求,维修操作和经济性诸方面综合考虑。
采用级别为m=2,m=3的阀门规则配置。
完全规则配置阀门数为:
式中Jm——燃气管网阀门规则配置,除端阀外的阀门总数;
B——管网管段数;
H——管网环数;
T——某一级燃气管网的支管数;
m——阀门规则配置级别;
——地板函数,即取小于或等于实数x的最大正整数。
图2-3按3级规则配置的管网。
就图2所示管网(管段数B=67,环数H=14,支管数T=18),为m=3级规则配置。
规则配置阀门数:
=67+14-1-
=67+14-1-32=48
①形成规则配置,可以按任意自然数2,3…(B-T)隔离,即级数可以是直到B的任意自然数。
形成(B-T)级配置。
即管网中除端阀外无任何阀门;
②规则配置不是唯一的,能有多种型式。
③对一个管网可以采用混合级别配置。
即对一个管网分为若干部分,每部分采取不同的配置级别;
④对实际管网,规则配置在不大于3级(m≤3)时,一般余阀数为0。
实际的管网阀门配置一般都将不大于3级,因而这一性质便于我们利用规则配置阀门计数公式。
配置级别与阀门密度的关系:
式中m——规则阀门配置级别;
——相应于管网不包括端阀的阀门密度,个/km;
L——不包括支管的管网平均管段长度,km/段。
分析规则配置的各因素之间的关系。
作出图4~图7。
①管网形状。
在配置级别、管段平均长度相同的条件下,有不同的阀门密度;枝状管网阀门密度最小,接近方形的环形管网阀门密度最大,见图2-4。
图2-4阀门密度与管网形状的关系
[纵坐标:
阀门密度kLP个/km;横坐标:
配置级别m]
②管网环密度。
管网环数与管段数的比值称为管网环密度。
环密度(H/B)愈大,阀门密度愈大,见图2-5。
图2-5阀门密度与环密度的关系
[纵坐标:
阀门密度kLP个/km;横坐标:
环密度H/B]
③管段平均长度。
管段平均长度愈长,阀门密度愈小,见图2-6。
图2-6阀门密度与管段平均长度及各参数的关系
[纵坐标:
阀门密度kLP个/km;横坐标:
管段平均长度Lkm]
④配置级别。
配置级别愈大,阀门密度愈小;但对
,这种变化即不显著,见图2-5,图2-6。
⑤管网规模。
管网规模愈大,阀门密度愈小,见图2-7。
图2-7阀门密度与管网规模的关系
[纵坐标:
阀门密度kLP个/km;横坐标:
管网规模km]
讨论
①从规则配置可以看到,任一阀门故障都会影响到2m根管段。
因此规则配置级别不能太大,一般采用m=2,3;
②使管网尽量接近完全规则配置;调整节点处阀门配置使产生尽可能多的余阀,都可导致减少管网阀门配置数量。
③对一个管网可以采用多于一种配置级别;
④对较长管段,可按管段平均长度将其分为若干段;
⑤配置阀门的注意点。
配置的优先原则是:
对一节点各相关管段,优先在较小管径的管段上设阀门;使管段组尽量靠近为一小区进行阀门配置,以便于管理;可对实际配置方案作若干调整,以尽量接近充分的完全规则配置。
2.6节点管段管径配置
管网的管道配置可以从节点管段配置的特性得到启发。
从节点管段的流量分配与造价的关系对节点管段配置的特性进行讨论。
现在讨论环形管网。
环形管网中包含很多由管段组成的回路。
但由于管网的管段从流向看都是逐次由节点分出或汇合于节点。
所以分析管网也可以从分析节点得到启发。
考察节点不同管段配置的造价区别。
考察一个管段,
管段管径由下式计算:
(5-2-1)
式中d——管道内径;
l——管段长度;
K——常数;
△P——管段压降;
Q——管段的计算流量。
n——指数,当对摩阻系数
采用谢维列夫新钢管公式,n=2.613。
现在讨论环形管网。
环形管网中包含很多由管段组成的回路。
但由于管网的管段从流向看都是逐次由节点分出或汇合于节点。
所以分析管网也可以从分析节点得到启发。
考察节点不同管段配置的造价区别。
管道造价函数取为
式中a——常系数;
b——系数;
d——管径;
l——管长。
节点只有单管段时,由式
(2)
(5-2-2)
在同一项目方案造价比较中a,b,k都与比较无关,(5-2-2)式简写为
(5-2-3)
式中
——指数,
;
——管段单位压降
记
有
(5-2-4)
考虑有2管段的节点,管段总造价
式中
——有2管段的节点,总管段流量。
采用动态规划方法得到连有2管段的节点,管段总造价极大值时的管段流量分配
由(5-2-4)式
由令对
的导数等于0,得到
式中
(5-2-5)
连有3管段的节点,管段总造价极大值时的管段流量分配
式中
——有3管段的节点,总管段流量。
由(5-2-5)式
由令对
的导数等于0,得到
依次可以得到连有k管段的节点,接出的k管段造价有极大值时,管段流量分配为
(k=2,3,i=1,k)(5-2-6)
式中
(5-2-7)
若取对该节点各管段
定值,则
(5-2-8)
即对一个节点,按相连管段流量
“均分”时,设计的管段管径配置造价最大。
2.7管道敷设
地下燃气管道与建筑物、构筑物或相邻管道之间的水平和垂直净距,应符合规范的规定。
高压燃气管道通过的地区,应按沿线居民人数和建筑物的密集程度,划分为四个地区等级,并依据地区等级作相应的管道设计。
3管道管材及设计
3.1高压与次高压管道
高压与次高压管道管材应采用钢管,其工艺计算、强度计算、当量应力校核,与径向稳定性校核,以及钢级、钢管类型选择同长输管线,但强度系数与钢管最小公称壁厚应按《城镇燃气设计规范》(GB50028)规定,见表3-1与3-2。
高压与次高压管道直径大于150mm时,一般采用焊接钢管;直径较小时采用无缝钢管,应通过技术经济比较决定钢级与管道类型。
三级与四级地区高压管道材料钢级不应低于L245。
城镇燃气管道强度设计系数表3-1
地区等级
F
地区等级
F
一级
0.72
三级
0.40
二级
0.60
四级
0.30
钢管最小公称壁厚表3-2
公称直径DN
最小公称壁厚(mm)
公称直径DN
最小公称壁厚(mm)
DN100~DN150
4.0
DN600~DN700
7.1
DN200~DN300
4.8
DN750~DN900
7.9
DN350~DN450
5.2
DN950~DN1000
8.7
DN500~DN550
6.4
DN1050
9.5
设计中,应选用不同钢种进行壁厚计算,确定采用壁厚,经技术经济比较选定采用钢种。
表3-3是某工程设计压力为1.6MPa、公称管径200mm的焊接钢管,按《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第一部分:
A级钢管》GB/T9711.1的要求,对四级地区进行钢种比较的结果。
选用不同钢种采用壁厚的比较结果表3-3
材质
L245
L290
L360
计算壁厚(mm)
2.3
1.98
1.6
采用壁厚(mm)
5.6
4.8
4.8
根据表3-3数据考虑管道稳定性、抗断性与抗震性等因素,并结合钢材价格,采用L245。
在确定钢种的基础上进一步选用焊接钢管的类型,其分为两类,即螺旋缝钢管和直缝钢管。
螺旋缝双面埋弧焊钢管(SAW)的焊缝与管轴线形成螺旋角、一般为45°,使焊缝热影响区不在主应力方向上,因此焊缝受力情况良好,可用带钢生产大直径管道,但由于焊缝长度长使产生焊接缺陷的可能性增加。
直缝焊接钢管与螺旋缝焊接钢管相比具有焊缝短在平面上焊接因此焊缝质量好、热影响区小、焊后残余应力小、管道尺寸较精确、易实现在线检测、以及原材料可进行100%的无损检测等优点。
直缝焊接钢管又分为直缝高频电阻焊钢管(ERW)和直缝双面埋弧焊钢管(LSAW)。
高频电阻焊是利用高频电流产生的电阻热熔化管坯对接处、经挤压熔合,其特点为热量集中,热影响区小,焊接质量主要取决于母材质量,生产成本低、效率高。
直缝双面埋弧焊钢管一般直径在DN400mm以上采用UOE成型工艺,单张钢板边缘予弯后,经U成型、O成型、内焊、外焊、冷成型等工艺,其成型精度高,错边量小,残余应力小、焊接工艺成熟,质量可靠。
直缝双面埋弧焊钢管价格高于螺旋缝埋弧焊钢管,而价格最低的是直缝高频电阻焊钢管。
天然气输配工程中采用较普遍的高(次高)压管道是直缝电阻焊钢管,直径较大时采用直缝埋弧焊钢管或螺旋埋弧焊钢管。
高压管道的附件不得采用螺旋焊缝钢管制作,严禁采用铸铁制作。
燃气管道所用钢管、管道附件材料的选择,应根据管道的使用条件(设计压力、温度、介质特性、使用地区等)、材料的焊接性能等因素,经技术经济比较后确定。
燃气管道选用的焊接钢管、无缝钢管。
钢管与钢管件的最小壁厚需符合要求。
燃气管道强度设计应根据管段所处地区等级和运行条件,按可能同时出现的永久载荷和可变载荷的组合进行设计。
按地区地震基本烈度(例如一般工程按七度,要害部门按八度设防)验算管道与设备所承受的地震载荷。
高压干管应采用牺牲阳极法保护,不采用强制电流阴极保护。
原因是燃气管道与其他金属管道或构筑物之间没有通电性,互相影响小,而外加电流阴极保护对其他金属管道干扰大,互相影响,技术处理较难,易造成自身受益,其他受害的局面。
3.2中压与低压管道
室外地下中压与低压管道有钢管、聚乙烯复合管(PE管),钢骨架聚乙烯复合管(钢骨架PE复合管)、球墨铸铁管。
室外地上中低压管道一般采用钢管。
1)钢管
钢管具有高强的机械性能,如抗拉强度、延伸率与抗冲击性等。
焊接钢管采用焊接制管与连接,气密性良好。
其主要缺点是埋地易腐蚀、需防腐措施,投资大,且使用寿命较短,一般为25年左右。
当管径大于DN200时,钢管投资少于聚乙烯管。
钢管可按《低压流体输送用焊接钢管》(GB/T3091)与《低压流体输送用大直径电焊钢管》(GB/T14980)采用直缝电阻焊钢管。
2)聚乙烯管
聚乙烯管是近年来广泛用于中、低压燃气输配系统的地下管材,具有良好的可焊性、热稳定性、柔韧性与严密性,易施工,耐土壤腐蚀,内壁当量绝对粗糙度仅为钢管的
,使用寿命达50年左右。
聚乙烯管的主要缺点是重荷载下易损坏,接口质量难以采用无损检测手段检验,以及大管径的管材价格较高。
目前已开发的第三代聚乙烯管材PE100较之以前广泛采用的PE80具有较好的快、慢速裂纹抵抗能力与刚度,改善了刮痕敏感度,因此采用PE100制管在相同耐压程度时可减少壁厚或在相同壁厚下增加耐压程度。
通常聚乙烯管道De≥110mm采用热熔连接,即由专用连接板加热接口到210℃使其熔化连接,而De<110mm时采用电熔连接,即由专用电熔焊机控制管内埋设的电阻丝加热使接口处熔化而连接。
连接质量由外观检查、强度试验与气密性试验确定。
钢骨架聚乙烯复合管的钢骨架材料有钢丝网与钢板孔网两种。
管道分为普通管与薄壁管两种,薄壁管不宜用于输送城镇燃气。
燃气用聚乙烯管道适用于工作压力不大于0.4MPa(表压),工作温度在-20℃~40℃的埋地管道。
聚乙烯燃气管道分为SDR11和SDR17.6两个系列。
输送不同种类和不同工作温度的燃气,允许的工作压力应符合表3-4的规定。
聚乙烯燃气管道允许的工作压力表3-4
燃气种类
允许工作压力
SDR11
SDR17.6
天然气
-20℃<t≤0℃
0.1
0.0075
0℃<t≤20℃
0.4
0.20
20℃<t≤30℃
0.20
0.10
30℃<t≤40℃
0.10
0.0075
液化石油气(气态)
0.10
人工煤气
0.005
聚乙烯燃气管道宜采用的管材规格见表3-5。
常用聚乙烯管道规格(mm)表3-5
系列
壁厚
公称外径
SDR11
SDR17.6
32
3.0
2.3
63
5.8
3.6
110
10
6.3
160
14.6
9.1
200
18.2
11.4
250
22.7
14.2
315
28.7
17.9
注:
de315规格的管材应有耐快速开裂扩展试验合格证书和生产厂家提供的有关壁厚的验算报告。
中压聚乙烯管道采用黄色管材,低压聚乙烯管道采用黑色加黄色醒目条纹管材。
3)球墨铸铁管
球墨铸铁管采用离心铸造,接口为机械柔性接口,已采用至中压A的输配系统。
与钢管相比的主要优点是耐腐蚀,管材的电阻是钢的5倍,加之机械接口中的橡胶密封圈的绝缘作用,大大降低了埋地电化学腐蚀。
同时,其机械性能较灰铸铁管有较大提高,除延伸率外与钢管接近。
此外柔性接口使管道具有一定的可挠性与伸缩性。
球墨铸铁管的密封性取决于接口的质量,而接口的质量与使用寿命取决于橡胶密封圈的质量与使用寿命,一般采用丁睛橡胶制作。
4)管材的选用技术经济比较
对于管材的选用,应作技术经济比较。
综合考虑3个因素:
①管材单价(C),②使用年限(n),③单位压降下的流量(F),对聚乙烯管、球墨铸铁管与钢管进行比较。
定义管材费效比:
(3-1)
式中
——管材费效比;
——管材的工程单价,104元/km;
——单位压降下的流量,(104m3/h)/(kPa2/km);
——使用年限,a。
定义管材费效比的相对值:
(3-2)
式中
——第i种管材的管材费效比;
——作为比较基准管材的管材费效比。
表3-6是各种管材的单价比,设钢管(含防腐费)为1。
管材的单价比rC表3-6
公称直径(mm)
100
200
250
300
400
聚乙烯管(SDR11)
0.73
1.09
1.10
1.34
1.80
球墨铸铁管(K9)
1.18
0.92
0.96
0.90
0.81
钢管(含防腐费)
1
1
1
1
1
由表3-6可见,聚乙烯管公称直径小于200mm时较钢管便宜,而球墨铸铁管公称直径小于200mm时较钢管贵。
大管径的球墨铸铁管有一定的价格优势。
各类管材使用年限有差距,钢管按25年考虑,聚乙烯管与球墨铸铁管可按50年考虑。
此外,由于各种管材内壁当量绝对粗糙度的不同,以及相同公称管径下内径的不同,造成相同公称管径的不同管材管道输送燃气能力有差异,即在相同管长与压力降(按中压设定为绝对压力平方差)下输送流量不同。
聚乙烯管尽管内径较同公称直径的钢管小,但由于其内壁当量绝对粗糙度仅为钢管的1/10,当公称管径大于200mm时输送能力优于钢管,球墨铸铁管由于较大的内壁当量绝对粗糙度而使输送能力下降。
考虑上述3种因素,分别计算聚乙烯管(SDR11)或球墨铸铁管(K9)相对钢管(含防腐费)的各因素的比值
,
,
,由式(3-3)出管材费效比的相对值
:
(3-3)
相对于钢管作出比较如表3-7。
中压燃气管材费效比的相对值
表3-7
公称直径(mm)
100
200
250
300
400
聚乙烯管(SDR11)
0.42
0.55
0.56
0.48
0.68
球墨铸铁管(K9)
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