摘 要

社会经济的发展给我们生活带来了很多便利，燃气的应用越来越被重视起来了，燃气输配系统中小区燃气管网的设计更是成为城市建设中的重要组成部分。该设计采用天然气为气源。首先根据小区人口情况对该小区的燃气需用量及规划要求进行管网设计。本设计为仙林2007G84地块住宅小区燃气工程，小区共有24栋11层建筑，计有1676户。输送介质为天然气，天然气引入管设计压力：低压5KPa。根据小区管网的布置要求，再经过水力计算等一系列步骤确定管径，再将管径作为已知条件，选取确定其他数据以满足供应压力的要求。

关键词：天然气 管网 用气量 管径 水力计算

Residential district gas project in xianlin 2007G84 block

Abstract：With the development of social economy, gas has been more and more recognized by users, and the application of gas has been paid more and more attention. The design of community gas official website in gas transmission and distribution system has become an important part of urban construction. The design uses natural gas as a source of gas. First of all, according to the population of the community, the gas demand and planning requirements of the community are designed for the official website. This project is designed for the Phoenix and Hexi Phase II Civilian Construction. There are six 18-storey buildings with a total of 648 households. The gas source is connected to the De315 low-pressure pipeline in the first phase of the north side of the plot, and the resident population is calculated by 3.6 people per household. According to the layout requirements of the residential pipe network, a series of steps such as hydraulic calculation are used to determine the pipe diameter, and then the pipe diameter is taken as a known condition, and other data are selected to meet the supply pressure requirement.

Key words: natural gas, official website, gas volume, diameter, hydraulic calculation

第一章 建筑概况及基础资料

1.1 建筑概况

本设计为仙林2007G84地块住宅小区燃气工程，小区共有24栋11层建筑，计有1676户。输送介质为天然气，天然气引入管设计压力：低压5KPa。

1.2 设计参数

气源：西气东输一线天然气：

天然气成分表 表1-1

成分	体积百分比％	成分	体积百分比％
CH4	94.242	IC5H12	0.032
C2H6	2.819	NC5H12	0.027
C3H8	0.62	C6	0.065
IC4H10	0.101	N2	1.379
NC4H10	0.117	CO2	0.595

运动粘度 ：γ=1.38×10^-5m²/s；

密度：ρ=0.75kg/m³；

引入管设计压力：0.005MPa

低发热值:H_L=36216kJ/m³

1.3 用户灶具设置

每一个居民用户室内装设一台燃气双眼灶和一台热水器，双眼灶选用老板 JZT-9B17，额定供气压力为2000Pa，额定热负荷为8kW，额定流量: Q=w/Hl=8x3600/36200=0.8Nm3/h；热水器选用日本樱花 JSQ24燃气热水器，额定热负荷24kW，额定流量 Q=w/Hl=24x3600/36200=2.4Nm3/h，适用水压为0.02-0.8MP.

1. 庭院管道设计因素

2.1 管材选用

2.1.1 钢管、铸铁管和 PE 管的比较

（1）燃气庭院管道设计中通常会采用聚乙烯管和钢管。

①例如危险程度高或着被损坏的几率大的时候，必须使用钢管。

②对可能会出现地面下沉的地方，应该优先使用钢管或聚乙烯管。

③聚乙烯管不应设在地面以上的位置及其它被日光照射到的位置和有溶剂及有害化学品的地方。

（2）钢管及管件

①符合 API 5L、BS3601、GB8163、GB3091 或同等标准的钢管，可应用于压力不超过 0.4MPa 的主干管/分支管。

②如操作压力超过 0.2MPa，须采用焊接口或法兰接口。

③法兰接口一般须符BS4504 PN16、BS3293、BS1560 、ANSI 150 、GB/T9112-9124 、GB/T13402 、 HG20592-20635 或同等标准。绝缘法 兰、绝缘接头应符合 SY/T0516 或同等标准。

（3）镀锌管及管件

①符合 BS1387(重级)、 GB8163 、 GB3091 或同等标准的镀锌管可用作敷设分支管。不超过 0.01MPa 操作压力的管道可使用螺纹口。

②管件须符合 BS143 、 BS1256 或 GB3289 或同等标准。

③镀锌管一般较容易受到湿土的腐蚀,所以不宜埋地，埋地的镀锌管应防腐处理。

（4）聚乙烯管及管件

①聚乙烯管在一般情况下应符合 GB15558.1、ISO4437、EN1555、BS7281、PL2/E 、AS/NZS4130 或同等标准。

②聚乙烯插口管件在一般情况下应符合 GB15558.2、ISO8085、EN1555、PL2/E 或同等标准。

③不应使用管材焊制的三通、四通(凝水缸)。

④当压力高于 0.2MPa，不应使用管材焊制的弯头。压力低于 0.2MPa 时，亦应考虑使用注塑弯头。

综上所述钢管承载应力大、可塑性很好、便于焊接，与其他管材相比，壁厚较薄、节省金属用量，但耐腐蚀性较差，必须采取可靠的防腐措施；铸铁管抗腐蚀性能很强，但抗拉强度、抗弯曲、抗冲击能力和焊接性能均不如钢管好；PE 管具有良好的柔韧性和耐腐蚀性，埋地敷设不需要做防腐和阴极保护，弥补了钢管的最大缺点。PE 管还具有良好的气密性，严密性优于钢管，成本低，材质轻且卫生无毒，综合以上的比较，本设计的庭院管道采用 PE管以提高输送效率以及节省防腐投入。

2.2 管道布置要求

2.2.1 城镇燃气管道布线依据

地下燃气管道宜沿城镇道路、人行变道敷设，或敷设在绿化带内。在决定不同压力燃气管道的布线问题，必须考虑下列基本情况：

（1）管道中燃气压力；

（2）街道及地下管道的密集程度和布置情况；

（3）街道交通量和路面结构情况，以及运输干线的分布情况；

（4）土壤性质，腐蚀性能；

（5）在布线时，要决定燃气管道沿城镇街道的平面与纵断面位置。由于输配系统个级管网输气压力不同，其设备和防火安全的要求也不同，而且各自的功能也有所区别，故应按各自的特点进行布置。

2.2.2 低压燃气管道布置

（1）地下燃气管道不得从建筑物和大型建筑物的下面穿越。为了保证在施工和检修时互不影响，燃气管道与建筑物、构筑物以及其他各种管道之间应保持必要的水平和垂直净距，符合现行国家标准《城镇燃气设计规范》（GB 50028）的相应规定。

（2）有条件时低压管道宜尽可能布置在街区内兼作庭院管道，以节省投资。

（3）低压管道应按规划道路布线，并应与道路轴线或建筑物的前沿相平行，尽可能避免在高级路面下敷设。

2.2.3 PE 管的安装

（1）燃气管采用PE 管连接,PE 管材和管件选用分别符合 GB15558.1-2003 与GB15558.2-2005 标准.De90 以上 PE 管材管件采用热熔连接,De90(包括 De90)以下 PE 管材管件采用电熔连接。

（2）PE 管连接时,切割端面应平整,光滑,无毛刺,端面应垂直与管轴线,每次收工时,管口应临时封堵。

（3）PE 管与金属管道连接,必须采用钢塑过渡接头连接,钢塑过渡接头钢管端与钢管焊接时,应采取降温措施。

（4）穿越地下室边界线时须加钢制套管加以保护,套管两头各伸出 1 米以上,套管选用柔性防水材料封堵。

2.3 管道敷设

2.3.1 管道敷设方式

管线全部采用沟埋方式敷设。根据地形、地貌、地质等条件 可采用弹性弯曲和工厂预制热煨弯头两种形式 以满足管道在平面和竖面上的变向要求。

2.3.2 管道埋深、管沟及回填

为确保管道安全运行不受外力破坏管道应有足够的埋设深度，本规划燃气管道最小埋设深度管顶至地面为 1.5m。管沟沟底开挖宽度根据施工方法及土壤类别和物理力学性质确定。管沟回填应先用细土回填至管顶以上 0.3m 才允许用土、砂或粒径小于 100mm 的碎石回填并压实管沟回填土高度应高出地面 0.3m。石方地段管沟应超挖 0.3m 并采用细土垫实超挖部分以保护管道外防腐层。

2.4 燃气的附加压力

2.4.1 消除燃气附加压力的必要性

高层建筑高程较高，燃气立管较长，由于城市燃气的密度与空气密度不同，在立管中就会产生较大的附加压力。附加压力过大，会造成某些用户燃具前压力波动增大，超出燃具稳定工作范围，影响用户燃具的正常燃烧，造成燃气不完全燃烧，甚至发生离焰、脱火、回火和熄火等现象。控制和消除附加压力的影响，是保证高层供气系统安全正常运行的重要方面。附加压力为正值，说明燃气自下而上流动时，附加压力相当于上浮力；若附加压力为负值，则说明燃气自下而上流动时，附加压力相当于阻力。

2.4.2 消除燃气附加压力的措施

①每隔一定层数设一节流阀，这种方法简便、经济、易操作。但是，当只有顶层极少数用户用气时，附加压力减少不明显；管内流量随用户数的多少而变化，流量的变化致使立管的阻力也随之变化，造成用户燃具前压力波动。

②在立管上设置低-低压调压器。通常将调压器装设在附加压力超过200Pa 的楼层。通过调压器调压，稳定燃具前压力，消除附加压头影响。

③每户装设阀门，根据各楼层不同的燃气压力，分别调整阀门的开度，节流调压，克服附加压力的影响，从而满足每户燃具所需正常工作压力。但由于阀门开度不好控制，故这种做法很少采用。

④在用户表前设置用户低-低压调压器，使燃具前压力稳定在额定工作压力范围内。

2.5 建筑物的沉降对燃气管道的影响

建筑物建成后都会产生大小不同的沉降，建筑物的沉降对燃气引入管的影响非常严重。由于建筑物沉降时，燃气引入管是相对静止的，因此燃气引入管要承受建筑物作用产生的切应力，当切应力超过极限时，管道就会断裂，造成燃气泄漏。因此，在燃气设计中要采取一定的措施保护引入管。

（1）在立管(或穿墙管)前的水平管上加设一个波纹管补偿器，利用补偿器的补偿能力来减小引入管的切应力。

（2）在立管(或穿墙管)前的水平管上加设几个弯头(最好用煨弯)，相当于加设一个方型补偿器，用弯头的自然补偿来减少引入管的受力。此种方法简单易行，但是受位置的限制。

（3）在引入管穿越墙体时加设钢套管，钢套管保证燃气管道的上部与钢套管的间隙大于建筑物的最大沉降量，下部也应留有一定的间隙。

（4）室内引入管采用金属软管，目前很多小区的燃气设计都采用这种方式来平衡建筑物沉降对燃气管道产生的影响，本次设计采用此种方式。

1. 庭院管道设计水力计算

3.1 绘制管道水力计算图

水力计算图包括以下内容：

（1）庭院管道布置；

（2）管段编号；

（3）计算流量；

（4）管段长度；

（5）管径；见下图

图 3-1 庭院管道水力计算图

3.2 不均匀系数法和同时工作系数法的比较

确定燃气输配系统的小时计算流量的意义：

（1）城市燃气输配系统的管径及设备（包括储气罐的设置）不能直接用燃气的年用气量来确定；应按燃气计算月的小时最大流量进行计算。

（2）小时计算流量的确定：影响燃气输配的经济性和可靠性。小时计算流量定得偏高，将会增加输配系统的金属用量和基建投资；小时计算流量定得偏低，影响用户的正常用气。

（4）应用不均匀系数法计算小时最大用气量计算公式如下：

（3-1）式中：

——计算流量（）；

——年用气量 （ ）;

——月高峰系数；

——日高峰系数；

——小时高峰系数。

不均匀系数越大，小时最大用气量越大，则供气量最大利用小时数越小。城市人口越多，不均匀系数越小，用气量比较均匀，最大利用小时数较大。

（4）应用同时工作系数法计算小时最大用气量计算公式如下：

(3-2）式中：

——庭院及室内燃气管道的计算流量（Nm³/h）；

——不同类型用户同时工作系数，当缺乏资料时，可取K =1；

——相同燃具或相同燃具组合工作系数，表 2-1 得到；

——相同燃具或相同组合燃具数；

——相同燃具或相同组合燃具的额定流量(Nm³/h)。

由于同时工作系数法计算得到的小时计算流量大于不均匀系数法计算出的小时流量。设计应采用较大值，即设计建筑燃气即庭院管道和室内管道时，应采用同时工作系数法计算燃气小时计算用量。

表 3-1 居民生活用燃具的同时工作系数表

同类型燃具	燃气双眼灶	燃气双眼灶和	同类型燃具	燃气双眼灶	燃气双眼灶
数目N		和快速热水器	数目N		和快速热水器
1	1.00	1.00	40	0.39	0.18
2	1.00	0.56	50	0.38	0.178
3	0.85	0.44	60	0.37	0.176
4	0.75	0.38	70	0.36	0.174
5	0.68	0.35	80	0.35	0.172
6	0.64	0.31	90	0.345	0.171
7	0.60	0.29	100	0.34	0.17
8	0.58	0.27	200	0.31	0.16
9	0.56	0.26	300	0.30	0.15
10	0.54	0.25	400	0.29	0.14
15	0.48	0.22	500	0.28	0.138
20	0.45	0.21	700	0.26	0.134
25	0.43	0.20	1000	0.25	0.13
30	0.40	0.19	2000	0.24	0.12

3.3 庭院管道计算举例

3.3.1 计算方法

（1）将各管段按顺序编号，凡是流量变化处均应编号。

（2）确定气流方向，根据各管段下游的用户数，用同时工作系数法求出各条管段的计算流量。

（3）取得允许压降，计算求得总长，考虑局部阻力为沿程阻力的 10%。计算△P/l,又由于密度不同，需进行修正。

（4）根据流量和(△p/l) ρ=1 在图中查得管径。

（5）根据所选的标准管径，求出各管段实际阻力损失（摩擦阻力损失和局部阻力损失），进而求得干管总的阻力损失。在计算支管之前，先检查干管的计算结果，若总阻力损失趋近允许压力降，则认为计算合格；否则要适当变动某些管径，再进行计算，直到符合要求为止。

（6）因为局部阻力为沿程阻力的 10%，所以总阻力 P=△P·1.1。

（7）最后对支管进行水力计算。

3.3.2 计算举例

低压燃气管道的允许总压降见下表

低压燃气管道的允许总压降 表 3-2

燃气种类	人工煤气		天然气
压力（Pa）
燃具额定压力 Pn	800	100	2000
燃具前最大压力 Pmax	1200	1500	3000
燃具前最小压力 Pmin	600	750	1500
调压站出口最大压力	1350	1650	3150
允许总压降	750	900	1650

将各管段依次进行节点编号，取管段1-2-3-4-5...............29为干管，总长498m，根据给定的允许压力降300Pa，考虑局部阻力取10%，单位长度摩擦损失为：

（3-3）

以29-28管段为例，额定流量q=3.2m3/h，用户数N=9户，查表3-1得同时工作系数k=0.25，管段计算流量为：

（3-4）

需要进行密度修正：

（3-5）

由Q=7.2m3/h，在0.74Pa/m附近查得d=50mm， ；对应实际密度下的单位长度摩擦阻力损失：

该管段长6.5m，摩擦阻力损失 ：

其它管段计算方法相同，将上述结果列于庭院水力计算表（附表 1）中，支管水力计算方法同干管水力计算见表（附表2）中；

3.4用户引入管管径确定

由于各引入管计算流量相差不大，且各引入管长度较小，对管道阻力损失影

响较小，为简化计算，统一选择管径为 DN50 的钢管。

第四章 室内燃气管道水力计算

4.1室内管道设计依据

室内燃气管道是指从引入管到管道末端燃具前的管道，其阻力损失应不大于下表的规定。

燃气种类	从建筑物引入管至管段末端阻力损失Pa
			单层建筑	多层建筑
	人工煤气，等	150	250
天然气	250	350
液化石油气	350	600

表4-1低压燃气管道允许的阻力损失

在水力计算前，必须根据燃气用具的数量和布置的位置，画出管道平面图和系统图，以后的步骤与室外枝状管网基本相同。室内管道部件较多，局部阻力要一一计算，由于高程变化大，管道的附加压头也要计算在内。

4.2基础资料

以一号楼立管1为例，一号楼共有居民 54户，每家用户安装燃气双眼灶和燃气快速热水器各一台。燃具选型与庭院管道设计相同。

4.3设计计算

4.3.1管段编号

在系统图上将各管段按顺序编号，立管图见下图

图4-1 立管1

4.3.2设计流量计算

在计算庭院管道时进行流量计算时提到，由于居民住宅使用燃气的数量和使用时间变化较大，故室内和庭院燃气管道的计算流量一般都按燃气用具的额定耗气量和同时工作系数 K0 来确定。用同时工作系数法求管道计算流量的公式如下：

（4-1）

——庭院及室内燃气管道的计算流量（Nm³/h）；

——不同类型用户同时工作系数，当缺乏资料时，可取K =1；

——相同燃具或相同燃具组合工作系数，表 2-1 得到；

——相同燃具或相同组合燃具数；

——相同燃具或相同组合燃具的额定流量(Nm³/h)。

根据各管段供气的用具数得同时工作系数值，求得各管段的计算流量。以管段 0-1 为例，管段 0-1 所带的用气设备为燃气双眼灶和燃气快速热水器各一台，额定用气量 Q n =3.2Nm³/h，由表查得 1 台燃气双眼灶和 1 台燃气快速热水器组合的同时工作系数 K0=1.0，则管段8-9的计算流量为：

（4-2）

4.3.3 设计计算举例

将各管段进行节点编号，标出各管段的长度；根据各管段的用具数及同时工作系数，计算管段的计算流量；估计室内管道的局部阻力为摩擦阻力的50%，根据允许压力降350Pa和最长管线30.9m，得单位长度平均摩擦损失为：

（4-3）

以0-1管段为例：热水器和燃气双眼灶额定流量q=3.2m3/h，对一户而言，同时工作系数k=1.00，计算流量为Q=3.2 m3/h，需要进行密度修正：

（4-4）

由Q=3.2m3/h，在10.1Pa/m附近查得d=20mm（天然气支管管径不得小于15mm）；对应实际密度下的单位长度摩擦阻力损失：

（4-5）

采用当量长度法计算局部阻力损失。查书上图6-6知，d=20mm、ζ=1时的当量长度l2=0.51m，管段计算长度6.21m。则管段压降Pa：

（4-6）

根据下表，可查出各管件局部阻力系数

表 4-2 局部阻力系数表

局部阻力名称	ξ	局部阻力名	不同直径（mm）的ξ值
管径相差一级的	0.35	称	15	20	25	32	40	≥50
减缩变径管	1	直角弯头	2.2	2.2	2	1.8	1.6	1.1
三流直通	1.5	旋塞	4	2	2	2	2	2
三流分通	2	截止阀	11	7	6	6	6	5
四通直流	3	闸板阀	d=50~100		d=175~200		d≥300
四通分流	0.3		0.5		0.25		0.15

管段 0-1，有 90°直角弯头一个，三通分流一个，旋塞一个，故局部阻力系数ξ=5.5，管段 0-1 的当量长度为：

（4-7）

管段 0-1 的实际长度为 L1=3.4m,则其计算长度为：

（4-8）

计算各立管的附加压头以管段0-1 为例，该管段沿燃气流动方向的终始端标高差∆h= 3.4m，求得该管段的附加压头为：

（4-9）

求各管段的实际压力损失以0-1 管段为例：

（4-10）

其余管段的相应计算方法同管段 0-1，全部计算结果列于附表3 室内燃气管道水力计算表中（附表 3）。

1. 管道防腐和附属设备

5.1 管道防腐

5.1.1 钢制燃气管道腐蚀的种类

（1）化学腐蚀：金属直接和周围介质如氧、硫化氢、二氧化硫等接触并发生化

学变化。

（2）电化学腐蚀：当金属和电解质溶液接触时，由电化学作用引起的腐蚀。

5.1.2 防腐方法

对于埋地管道，针对土壤腐蚀性的特点来讲有好多防腐措施 ，本设计采用以下途径进行防腐：

（1）绝缘层保护法：沥青是埋地管道中应用最多和效果最好的防腐材料，由于该工程的地质情况良好，采用沥青绝缘层能保证良好的防腐效果，且经济合理。

（2）电保护法：采用外加电流阴极保护法，利用外加的直流电源，通常是阴极保护站产生的直流电源，使金属管道对土壤造成负电位。这样使整个管道成为阴极，而与辅助阳极成为腐蚀电池，辅助阳极的正离子流入土壤，不断受到腐蚀，管道则受到保护。由于钢塑弯头连接室内管道前有埋地的镀锌钢管管段，所以需要采用一定的防腐措施。对于埋地管道，针对土壤腐蚀性的特点，可以通过多种途径来防止腐蚀的发生和降低腐蚀的程度。通过对各类防腐层的比较，可以挤塑聚乙烯防腐层具有明显的优越性，并且直接由工厂流水线生产避免了人为施工质量的因素，而三层结构更是结合了环氧粉末与聚乙烯两种防腐层的优点是目前较为完善的外防腐层体系，适合于在江南水网密集人口稠密的地区使用，因此，地处南京的本设计推荐使用挤塑聚乙烯三层结构防腐层。

5.2 附属设备

5.2.1 套管

立管通过各层楼板处应设套管。套管高出地面至少 50mm，套管与燃气管道之间的间隙应用沥青和油麻填料。

5.2.2 阀门

不同类型的阀门有不同的适用场合。此次设计中阀门的作用是切断燃气的输送，所以要保证其气密性，而且当发生突发事故时阀门应该能够迅速的关闭，使用灵活，阀门是造成局部阻力较大的原因，选择时应根据所选取管段管径选择阀门。在本设计中，采用旋塞阀，该种阀门动作灵活，阀杆转 90°即可达到启闭的要求。杂质沉积造成的影响比闸阀小，所以广泛应用在燃气管道上。

5.2.3 金属补偿器

补偿器的作用：1.补偿器吸收管道轴线、横向、角向热变形。2.方便阀门管道的安装与拆卸。3.吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响。4.吸收地震，地陷对管道的变形量。

5.2.4 金属软管

金属软管又称不锈钢金属软管，该产品用于天然气管道中。金属软管在天然气管道中所使用的时候同时也具有耐高温，耐腐蚀的特点。由于金属软管具备良好的柔软性，耐高压性，可用作用户引入管，减少建筑沉降对燃气管道的影响。

5.2.5 承重支撑

高层建筑因立管（上升管、下降管）较长，管道自重大，管道上会产生压缩应力,因此高层建筑要设置承重支撑。钢管的支承最大间距参考文献[5] 表2.2.15-2，燃气管道采用的支承固定方法参见文献[5] 表 2.2.16。本设计中立管管道直径均在 DN25~50 之间，且墙面均为砖砌墙壁。如 DN25 的管道，其支承最大间距为 3.5m。而各层层高大都为 2.95m（一层为 3.95m），所以在本设计中，采用每层设置一个管卡的方案，以达到支承的作用。

5.2.6 镀锌钢管套管