浅谈城市燃气管网规划设计
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技术探讨
CONSTRUCTION
第 4 卷 第 26 期 2014 年 9 月
浅谈城市燃气管网规划设计
周顺青
临沂中石油昆仑天然气输配有限公司 山东 256000
摘 要：天然气是高效清洁的能源，也是理想的城市气源。城市燃气作为城市重要的公用基础设施是现代文明城市的重要标志之一，同时又 是国家能源建设的重要组成部分。发展城市燃气是实现城市可持续战略、优化能源结构、保护环境的重要举措。因此进行城市管网规划设计的研 究具有重大的实际意义。 关键词：天然气管网；城市燃气；年用气量 中图分类号：U473 文献标识码：A
级别，延长管道使用寿命，降低维护和更新管道的费用。 随着城市化进程的发展，城市燃气的工业、民用需求不断增 加，城市天然气管网规模不断扩大，利用先进的科学技术提高城市 燃气管网管理水平显得尤为重要。采用计算机测控和数据通信技术 的城市燃气 SCADA 系统应尽早在燃气公司普及。提高管网运行调 度的自动化水平，加快紧急事件反应时间，保证安全供气。 三、PE 燃气管的应用 1、耐腐蚀 聚乙烯为惰性材料，除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的 侵蚀。无电化学腐蚀，不需要防腐层。 2、不泄漏 聚乙烯管道主要采用熔接连接（热熔连接或电熔连接） ，本质 上保证接口材质、结构与管体本身的同一性，实现了接头与管材的 一体化。试验证实，其接口的抗拉强度及爆破强度均高于管材本 体，可有效地抵抗内压力产生的环向应力及轴向的拉伸应力。因此 与橡胶圈类接头或其他机械接头相比，不存在因接头扭曲造成泄漏 的危险。 3、高韧性 聚乙烯管是一种高韧性的管材，其断裂伸长率一般超过 500%， 对管基不均匀沉降的适应能力非常强。也是一种抗震性能优良的管 道。在 1995 年日本的神户地震中，聚乙烯燃气管和供水管是唯一 幸免的管道系统。正因为如此，日本震后大力推广 PE 管在燃气领 域的使用。 4、聚乙烯管具有优良的挠性 聚乙烯的挠性是一个重要的性质，它极大地增强了该材料对于 管线工程的价值。聚乙烯的挠性使聚乙烯管可以进行盘卷，并以较 长的长度供应，不需要各种连接管件。用于不开槽施工，聚乙烯管 道的走向容易依照施工方法的要求进行改变；聚乙烯材料的挠性， 使其可在施工前改变管材的形状，插入旧管后恢复原来的大小和尺 寸。 5、聚乙烯管道具有良好的抵抗刮痕能力 采用不开槽施工技术，无论是铺设新管或旧管道的修复或更 新，刮痕是无法避免的。刮痕造成材料的应力集中，引发管道的破 坏。管材抵抗刮痕的能力，与管材的慢速裂纹增长（SCG）行为关 系密切，研究证明，PE80 等级的聚乙烯管具有较好的抵抗 SCG 的 能力和耐刮痕能力。PE100 聚乙烯管材料则具有更加出色的抵抗刮 痕能力。 6、良好的快速裂纹传递抵抗能力 管道的快速开裂是指在管道偶然发生开裂时，裂纹以几百 m/ 秒的速度迅速增长，瞬间造成几十米甚至上千米管道破坏的大事 故。快速开裂是一种偶发事故，但其后果是灾难性的。早在五十年
n = n1 t1 − t 2 t1 − t 3
（4-37）
式中：n——采暖负荷最大利用小时数（h） ；n1——采暖期 （4-33） （h） ；t1——采暖室内计算温度（℃） ；t2——采暖室外计算温度 （℃） ；t3——采暖室外平均气温（℃） 。 天然气用量与城市国民经济发展情况、产业结构、能源结构、 城市规划人口等宏观因素有关，城市燃气管道看作是完成城市输配 气这一特定功能的复杂结构，因此在城市燃气管网规划设计时要认 真考察城市的发展，合理预测城市对燃气的需求，选择合适的管网 材料，提高管网输送的安全性为城市管网规划设计的要点。 参考文献： [1] 姚光镇 . 输气管道设计与管理［M］ . 北京：石油大学出版社， 1991 （4-34） [2] 埃贝哈德 . 燃气供应技术手册·燃气输配（第二版） ［M］. 赖 敬文译 . 四川石油管理局勘察设计研究院，1992 [3] 中华人民共和国建设部 . 城镇燃气设计规范 GBSOO28 － 93 ［S］. 中国计划出版社，1998
M ⋅ N ⋅q Qy = H1
式中：Qy——公共建筑年用气量（Nm3/a） ；N——居民人口 数；M——各类用气人数占总人口的比例数；q——各类公共建筑
文章被我刊收录，以上为全文。
6150 此文章编码：2014S
Qy = N ⋅K ⋅q H1
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。 的用气定额（KJ/ 人 .a） ；H1——低热值（KJ/Nm3） 3、工业企业年用气量 工业企业年用气量与生产规模、班制和工艺特点有关，一般只 进行粗略的估算。其方法大致有两种：一是可利用各种工业产品的 用气定额及其年产量来计算；二是在缺乏产品用气定额资料的情况 下，通常是将工业企业其它燃料的年用量折算成用气量，其折算公 式如下： （4-35） ；Gy——其它燃料 式中：Qy——公业企业年用气量（Nm3/a） ；H1—— 的年用气量（t/a） ；H1——其它燃料的低热值（KJ/Nm3） ；η、 ——其它燃料燃烧设备热效率（%） ； 燃气的低热值（KJ/Nm3） η——燃气燃烧设备热效率（%） 。 4、建筑物采暖年用气量 建筑物采暖年用气量与建筑面积、耗热指标和采暖长短有关， 一般可按下式计算： （4-36） ；F——使用燃气采暖的 式中：Qy——采暖年用气量（Nm3/a） ；n——采暖负荷最大 建筑面积；q——建筑物耗热指标（KJ/m2h） ；η——采暖 利用小时数（h） ；H1——燃气的低热值（KJ/Nm3） 系统热效率（%） 。 由于各地冬季采暖计算温度不同，因此各地区的建筑物耗热指 标 q 也不相同，其值可由采暖通风设计手册查得。采暖负荷最大利 用小时数可按下式计算：
第 4 卷 第 26 期 2014 年 9 月
代，美国输气钢管曾发生几起快速开裂事故。聚氯乙烯气管和水管 均曾发生过快速开裂事故。实际使用中尚未发现聚乙烯燃气管的快 速开裂。因而近 10 年来，国际上对塑料管道，特别聚乙烯燃气管 的快速裂纹传递进行了大量卓有成效的研究工作。结果表明，在常 用的塑料管材中，聚乙烯抵抗裂纹快速传递的能力名列前茅。如 UPVC 的动态断裂韧性 KD 为 1.8MNm-3/2，PP-R 的 KD 为 1.6MNm3/2，而 PE80 的 KD 则为 2.9MNm-3/2，PE100 的 KD 则高达 3.8MNm3/2。温度越低，管径和壁厚越大，工作压力越高，塑料管道快速开 裂的危险性越大。因此，聚乙烯管道，特别是 PE100 管更适宜做 大口径管。目前，国外的聚乙烯燃气管材标准（ISO4437-1997 和 EN1555）已将耐快速开裂扩展（RCP）列入标准之中。 7、聚乙烯管道使用寿命长，可达 50 年以上，这是国外根据聚 乙烯管材环向抗拉强度的长期静水压设计基础值（HDB）确定的， 已被国际标准确认。 此外，聚乙烯管道重量轻也是一重要因素。 四、城市燃气需用量 在进行城市燃气管网系统设计时，首先要确定燃气需用量，即 年用气量。包括居民生用气量、公共建筑用气量、采暖用气量及工 业企业用气量。年用气量是确定气源、管网和设备燃气通过能力的 依据。年用气量主要取决于用户类型、数量及用气量指标。城镇燃 气用气量主要包含以下几方面： 1、居民生活年用气量 在计算居民生活年量时，需要确定用气人数。居民用气人数取 决于城镇居民人口数及气化率。气化率是指城镇居民使用燃气的人 口数占城镇总人口数的百分比。一般城市的气化率很难达到 100%， 其原因是有的旧房屋结构不符合安装燃气设备的条件，或居民点离 管网太远等。根据居民生活用气定额、居民数、气化率即按下式计 算出居民生活年用气量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一、现有管网存在的主要问题 20 世纪敷设的燃气管道以无缝钢管为主，管道防腐采用加强 级石油沥青玻纤布防腐。这种防腐层本身具有吸水率高、老化快、 在外部环境影响下易损坏失效，使用寿命一般在 10 年 -20 年，目 前已到了老化失效期。另外当时条件限制，施工质量得不到保证， 引起的局部腐蚀加重。加上市区杂散电流干扰作用强，构成宏观腐 蚀原电池作用明显，造成这些早期建设的燃气管网腐蚀严重，急需 改造更换。随着城市的发展，城市人口不断扩大，各类燃气用户用 气量相应增加，现有燃气管网与原管网的设计相比，部分街道敷设 的管道管径偏小，局部阻力增加。由于城市建设的发展、道路改造 等，使燃气安全维护难度加大。 以上问题可以通过维护管理、制定改造计划、采用先进设备等 来逐步解决或改善，但从加强城市燃气管网规划设计的角度提前预 防更为重要。 二、加强城市燃气管网规划设计 在进行城市燃气管网规划时，要综合考虑近期建设与长期规划 的关系，充分估计城市公建、工业燃气用户的发展速度以及燃气应 用新领域（如燃气空调、燃气锅炉等）市场，加快各类用户发展。 最大限度地扩展管网覆盖面，加快燃气管网空白区域的建设。 在进行城市燃气管网设计时，需全面、详细了解本设计区域的 规划定位、气源分布、用户类型和用气要求以及管网造价情况和维 护管理情况等。严格遵守相应的国家标准，选择线路时尽量避开地 质不稳定区域，合理设计管网形式，以实现燃气供应系统安全可靠 性、经济合理性和持续扩展性的完美结合。 天然气主管道运行后，带气接管作业相对困难，因此需要对用 户燃气支管位置调查清楚，尽量预留支管，减少带气开孔作业，因 此合理的预留主干线支管预留口会给后期管网运行及扩大用户范围 起到良好的作用。受客观条件限制，部分主干线只能支管辐射，一 旦发生意外情况使其受到破坏，将严重影响管网的稳定运行，影响 正常供气，所以为了即满足安全平稳供气，又平衡各用户的正常运 行工况，城市燃气管网宜采用多气源、环状管网布置。当发生突发 事件时，便于抢修，实现气源灵活调配、保障供气安全。 燃气管道的材料选择是燃气管网规划设计的重要方面之一。聚 乙烯管（简称 PE 管）具有独特的柔韧性和优良的耐刮伤能力，容 易移动、弯曲和穿插，遇铺设路面沉降、错位也不容易断裂造成伤 害，抗震性能好，且施工方便，使用寿命可达 50 年以上。在 1995 年日本神户地震中，唯一未造成大规模损坏的管道就是 PE 燃气管 和给水管。因此有条件的情况下，城市燃气管网应采用 PE 管。 燃气管道多敷设在地下，受土壤酸碱、微生物、电流等的影 响，极易腐蚀破损，造成泄、漏气事故。因此在城市燃气管网中， 钢质管道设计应采用先进防腐技术和高性能的防腐材料，提高防腐
式中：Qy——居民生活年用气量（Nm3/a） ；N——居民人数； K——气化率（%） ；q——居民生活用气定额（KJ/ 人 .a） ；H1—— 。 燃气低热值（KJ/Nm3） 2、公共建筑年用气量 在计算公共建筑年用气量时，首先要确定各类用户的用气定额 和各类用户用气人数占总人口的比例以及气化率。对公共建筑，用 气人数取决于城镇人口数和公共建筑的设施标准。公共建筑年用气 量可按下式计算：
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第 4 卷 第 26 期 2014 年 9 月
浅谈城市燃气管网规划设计
周顺青
临沂中石油昆仑天然气输配有限公司 山东 256000
摘 要：天然气是高效清洁的能源，也是理想的城市气源。城市燃气作为城市重要的公用基础设施是现代文明城市的重要标志之一，同时又 是国家能源建设的重要组成部分。发展城市燃气是实现城市可持续战略、优化能源结构、保护环境的重要举措。因此进行城市管网规划设计的研 究具有重大的实际意义。 关键词：天然气管网；城市燃气；年用气量 中图分类号：U473 文献标识码：A
级别，延长管道使用寿命，降低维护和更新管道的费用。 随着城市化进程的发展，城市燃气的工业、民用需求不断增 加，城市天然气管网规模不断扩大，利用先进的科学技术提高城市 燃气管网管理水平显得尤为重要。采用计算机测控和数据通信技术 的城市燃气 SCADA 系统应尽早在燃气公司普及。提高管网运行调 度的自动化水平，加快紧急事件反应时间，保证安全供气。 三、PE 燃气管的应用 1、耐腐蚀 聚乙烯为惰性材料，除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的 侵蚀。无电化学腐蚀，不需要防腐层。 2、不泄漏 聚乙烯管道主要采用熔接连接（热熔连接或电熔连接） ，本质 上保证接口材质、结构与管体本身的同一性，实现了接头与管材的 一体化。试验证实，其接口的抗拉强度及爆破强度均高于管材本 体，可有效地抵抗内压力产生的环向应力及轴向的拉伸应力。因此 与橡胶圈类接头或其他机械接头相比，不存在因接头扭曲造成泄漏 的危险。 3、高韧性 聚乙烯管是一种高韧性的管材，其断裂伸长率一般超过 500%， 对管基不均匀沉降的适应能力非常强。也是一种抗震性能优良的管 道。在 1995 年日本的神户地震中，聚乙烯燃气管和供水管是唯一 幸免的管道系统。正因为如此，日本震后大力推广 PE 管在燃气领 域的使用。 4、聚乙烯管具有优良的挠性 聚乙烯的挠性是一个重要的性质，它极大地增强了该材料对于 管线工程的价值。聚乙烯的挠性使聚乙烯管可以进行盘卷，并以较 长的长度供应，不需要各种连接管件。用于不开槽施工，聚乙烯管 道的走向容易依照施工方法的要求进行改变；聚乙烯材料的挠性， 使其可在施工前改变管材的形状，插入旧管后恢复原来的大小和尺 寸。 5、聚乙烯管道具有良好的抵抗刮痕能力 采用不开槽施工技术，无论是铺设新管或旧管道的修复或更 新，刮痕是无法避免的。刮痕造成材料的应力集中，引发管道的破 坏。管材抵抗刮痕的能力，与管材的慢速裂纹增长（SCG）行为关 系密切，研究证明，PE80 等级的聚乙烯管具有较好的抵抗 SCG 的 能力和耐刮痕能力。PE100 聚乙烯管材料则具有更加出色的抵抗刮 痕能力。 6、良好的快速裂纹传递抵抗能力 管道的快速开裂是指在管道偶然发生开裂时，裂纹以几百 m/ 秒的速度迅速增长，瞬间造成几十米甚至上千米管道破坏的大事 故。快速开裂是一种偶发事故，但其后果是灾难性的。早在五十年
n = n1 t1 − t 2 t1 − t 3
（4-37）
式中：n——采暖负荷最大利用小时数（h） ；n1——采暖期 （4-33） （h） ；t1——采暖室内计算温度（℃） ；t2——采暖室外计算温度 （℃） ；t3——采暖室外平均气温（℃） 。 天然气用量与城市国民经济发展情况、产业结构、能源结构、 城市规划人口等宏观因素有关，城市燃气管道看作是完成城市输配 气这一特定功能的复杂结构，因此在城市燃气管网规划设计时要认 真考察城市的发展，合理预测城市对燃气的需求，选择合适的管网 材料，提高管网输送的安全性为城市管网规划设计的要点。 参考文献： [1] 姚光镇 . 输气管道设计与管理［M］ . 北京：石油大学出版社， 1991 （4-34） [2] 埃贝哈德 . 燃气供应技术手册·燃气输配（第二版） ［M］. 赖 敬文译 . 四川石油管理局勘察设计研究院，1992 [3] 中华人民共和国建设部 . 城镇燃气设计规范 GBSOO28 － 93 ［S］. 中国计划出版社，1998
M ⋅ N ⋅q Qy = H1
式中：Qy——公共建筑年用气量（Nm3/a） ；N——居民人口 数；M——各类用气人数占总人口的比例数；q——各类公共建筑
文章被我刊收录，以上为全文。
6150 此文章编码：2014S
Qy = N ⋅K ⋅q H1
技术探讨
CONSTRUCTION
。 的用气定额（KJ/ 人 .a） ；H1——低热值（KJ/Nm3） 3、工业企业年用气量 工业企业年用气量与生产规模、班制和工艺特点有关，一般只 进行粗略的估算。其方法大致有两种：一是可利用各种工业产品的 用气定额及其年产量来计算；二是在缺乏产品用气定额资料的情况 下，通常是将工业企业其它燃料的年用量折算成用气量，其折算公 式如下： （4-35） ；Gy——其它燃料 式中：Qy——公业企业年用气量（Nm3/a） ；H1—— 的年用气量（t/a） ；H1——其它燃料的低热值（KJ/Nm3） ；η、 ——其它燃料燃烧设备热效率（%） ； 燃气的低热值（KJ/Nm3） η——燃气燃烧设备热效率（%） 。 4、建筑物采暖年用气量 建筑物采暖年用气量与建筑面积、耗热指标和采暖长短有关， 一般可按下式计算： （4-36） ；F——使用燃气采暖的 式中：Qy——采暖年用气量（Nm3/a） ；n——采暖负荷最大 建筑面积；q——建筑物耗热指标（KJ/m2h） ；η——采暖 利用小时数（h） ；H1——燃气的低热值（KJ/Nm3） 系统热效率（%） 。 由于各地冬季采暖计算温度不同，因此各地区的建筑物耗热指 标 q 也不相同，其值可由采暖通风设计手册查得。采暖负荷最大利 用小时数可按下式计算：
第 4 卷 第 26 期 2014 年 9 月
代，美国输气钢管曾发生几起快速开裂事故。聚氯乙烯气管和水管 均曾发生过快速开裂事故。实际使用中尚未发现聚乙烯燃气管的快 速开裂。因而近 10 年来，国际上对塑料管道，特别聚乙烯燃气管 的快速裂纹传递进行了大量卓有成效的研究工作。结果表明，在常 用的塑料管材中，聚乙烯抵抗裂纹快速传递的能力名列前茅。如 UPVC 的动态断裂韧性 KD 为 1.8MNm-3/2，PP-R 的 KD 为 1.6MNm3/2，而 PE80 的 KD 则为 2.9MNm-3/2，PE100 的 KD 则高达 3.8MNm3/2。温度越低，管径和壁厚越大，工作压力越高，塑料管道快速开 裂的危险性越大。因此，聚乙烯管道，特别是 PE100 管更适宜做 大口径管。目前，国外的聚乙烯燃气管材标准（ISO4437-1997 和 EN1555）已将耐快速开裂扩展（RCP）列入标准之中。 7、聚乙烯管道使用寿命长，可达 50 年以上，这是国外根据聚 乙烯管材环向抗拉强度的长期静水压设计基础值（HDB）确定的， 已被国际标准确认。 此外，聚乙烯管道重量轻也是一重要因素。 四、城市燃气需用量 在进行城市燃气管网系统设计时，首先要确定燃气需用量，即 年用气量。包括居民生用气量、公共建筑用气量、采暖用气量及工 业企业用气量。年用气量是确定气源、管网和设备燃气通过能力的 依据。年用气量主要取决于用户类型、数量及用气量指标。城镇燃 气用气量主要包含以下几方面： 1、居民生活年用气量 在计算居民生活年量时，需要确定用气人数。居民用气人数取 决于城镇居民人口数及气化率。气化率是指城镇居民使用燃气的人 口数占城镇总人口数的百分比。一般城市的气化率很难达到 100%， 其原因是有的旧房屋结构不符合安装燃气设备的条件，或居民点离 管网太远等。根据居民生活用气定额、居民数、气化率即按下式计 算出居民生活年用气量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一、现有管网存在的主要问题 20 世纪敷设的燃气管道以无缝钢管为主，管道防腐采用加强 级石油沥青玻纤布防腐。这种防腐层本身具有吸水率高、老化快、 在外部环境影响下易损坏失效，使用寿命一般在 10 年 -20 年，目 前已到了老化失效期。另外当时条件限制，施工质量得不到保证， 引起的局部腐蚀加重。加上市区杂散电流干扰作用强，构成宏观腐 蚀原电池作用明显，造成这些早期建设的燃气管网腐蚀严重，急需 改造更换。随着城市的发展，城市人口不断扩大，各类燃气用户用 气量相应增加，现有燃气管网与原管网的设计相比，部分街道敷设 的管道管径偏小，局部阻力增加。由于城市建设的发展、道路改造 等，使燃气安全维护难度加大。 以上问题可以通过维护管理、制定改造计划、采用先进设备等 来逐步解决或改善，但从加强城市燃气管网规划设计的角度提前预 防更为重要。 二、加强城市燃气管网规划设计 在进行城市燃气管网规划时，要综合考虑近期建设与长期规划 的关系，充分估计城市公建、工业燃气用户的发展速度以及燃气应 用新领域（如燃气空调、燃气锅炉等）市场，加快各类用户发展。 最大限度地扩展管网覆盖面，加快燃气管网空白区域的建设。 在进行城市燃气管网设计时，需全面、详细了解本设计区域的 规划定位、气源分布、用户类型和用气要求以及管网造价情况和维 护管理情况等。严格遵守相应的国家标准，选择线路时尽量避开地 质不稳定区域，合理设计管网形式，以实现燃气供应系统安全可靠 性、经济合理性和持续扩展性的完美结合。 天然气主管道运行后，带气接管作业相对困难，因此需要对用 户燃气支管位置调查清楚，尽量预留支管，减少带气开孔作业，因 此合理的预留主干线支管预留口会给后期管网运行及扩大用户范围 起到良好的作用。受客观条件限制，部分主干线只能支管辐射，一 旦发生意外情况使其受到破坏，将严重影响管网的稳定运行，影响 正常供气，所以为了即满足安全平稳供气，又平衡各用户的正常运 行工况，城市燃气管网宜采用多气源、环状管网布置。当发生突发 事件时，便于抢修，实现气源灵活调配、保障供气安全。 燃气管道的材料选择是燃气管网规划设计的重要方面之一。聚 乙烯管（简称 PE 管）具有独特的柔韧性和优良的耐刮伤能力，容 易移动、弯曲和穿插，遇铺设路面沉降、错位也不容易断裂造成伤 害，抗震性能好，且施工方便，使用寿命可达 50 年以上。在 1995 年日本神户地震中，唯一未造成大规模损坏的管道就是 PE 燃气管 和给水管。因此有条件的情况下，城市燃气管网应采用 PE 管。 燃气管道多敷设在地下，受土壤酸碱、微生物、电流等的影 响，极易腐蚀破损，造成泄、漏气事故。因此在城市燃气管网中， 钢质管道设计应采用先进防腐技术和高性能的防腐材料，提高防腐
式中：Qy——居民生活年用气量（Nm3/a） ；N——居民人数； K——气化率（%） ；q——居民生活用气定额（KJ/ 人 .a） ；H1—— 。 燃气低热值（KJ/Nm3） 2、公共建筑年用气量 在计算公共建筑年用气量时，首先要确定各类用户的用气定额 和各类用户用气人数占总人口的比例以及气化率。对公共建筑，用 气人数取决于城镇人口数和公共建筑的设施标准。公共建筑年用气 量可按下式计算：