民用戶內(nèi)燃氣管道設(shè)備與管徑選型

摘 要

摘要：針對大負荷用氣設(shè)備供氣壓力不足問題，對中壓入戶的民用戶內(nèi)燃氣管道設(shè)備和管徑選型進行了理論計算和實際測試，對理論數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果分析對比后，提出了燃氣設(shè)備及管徑選型的
摘要：針對大負荷用氣設(shè)備供氣壓力不足問題，對中壓入戶的民用戶內(nèi)燃氣管道設(shè)備和管徑選型進行了理論計算和實際測試，對理論數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果分析對比后，提出了燃氣設(shè)備及管徑選型的建議。
關(guān)鍵詞：戶內(nèi)燃氣管道；用戶調(diào)壓器；燃氣表
Lectotype of Indoor Gas Pipe Equipment and Diameter for Domestic User
YANG Haixiang，ZHANG Wanjie，LUO Bin，LIU Jian
Abstract：Aimed at the insufficient gas supply pressure of gas equipment with large load，the theoretical calculation and practical testing for lectotype of indoor gas pipe equipment and diameter for domestic user with medium pressure service are performed.After comparing the theoretical data and experimental results，some suggestions on lectotype of gas pipe equipment and diameter are proposed.
Key words：indoor gas pipe；service regulator；gas meter
1 概述
    深圳市民用住宅中高層建筑較多，用氣高峰時段，用戶用氣總量較大。為保證用氣穩(wěn)定，深圳市民用燃氣管道系統(tǒng)一直采取中壓入戶、分戶調(diào)壓、分戶計量的供應(yīng)方式。
    隨著居民生活質(zhì)量的提高，民用燃具的熱負荷越來越大，但戶內(nèi)燃氣管道系統(tǒng)長期按照經(jīng)驗選取管徑為DN 15mm，選取家用調(diào)壓器和G2.5膜式燃氣表。這使得一些大負荷用氣設(shè)備(如大容量熱水器、燃氣壁掛爐等)由于供氣壓力不足，經(jīng)常出現(xiàn)無法點火和燃燒不充分的情況，給用戶的正常生活和安全帶來威脅。此外，燃氣表、調(diào)壓器等設(shè)備選型偏小，長期過載運行極易損壞。
    為正確選取調(diào)壓器、燃氣表和管道管徑，以滿足大負荷用氣設(shè)備的正常用氣，筆者進行了理論計算和實驗測試，在對結(jié)果進行對比分析的基礎(chǔ)上，提出了大負荷民用戶內(nèi)燃氣管道系統(tǒng)設(shè)備與管徑的選型方法。
2 理論數(shù)據(jù)收集
    ① 理論情況下燃氣表的選型
    燃氣表的選型原則：考慮量程范圍、燃氣表的壓力損失以及量程范圍內(nèi)的計量精度。
    我公司使用的某品牌燃氣表參數(shù)見表1。由表1可知：在量程范圍內(nèi)，燃氣表誤差在規(guī)定的允許范圍內(nèi)(B級)；當計量介質(zhì)為天然氣時，燃氣表壓力損失不大于150Pa。精度及壓力損失均符合GB/T 6968—1997《膜式煤氣表》的要求[1]，故在理論情況下選擇燃氣表時，只需考慮燃氣表的量程范圍。
    ② 理論情況下調(diào)壓器的選型
    當調(diào)壓器進口壓力一定時，出口壓力隨著通過流量的增大而降低；當通過流量一定時，調(diào)壓器進口壓力越大，出口壓力也越大。
表1 燃氣表參數(shù)
型號
最大流量/(m3·h-1)
最小流量/(m3·h-1)
計量介質(zhì)為天然氣時的壓力損失/Pa
精度等級
G2.5
4
0.025
≤150
B級
G6
10
0.060
≤150
B級
G10
16
0.100
≤150
B級
    根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》，管道末端最低供氣壓力為1.5kPa[2]。為使燃具燃燒狀況盡可能好，同時預(yù)留部分流量，筆者將管道末端供氣壓力選為1.7kPa。根據(jù)CJ 274—2008《城鎮(zhèn)燃氣調(diào)壓器》，至少要保證調(diào)壓器額定出口壓力(燃氣表前壓力)為2.16kPa[3]。若燃氣表的最大壓力損失為150Pa，則可保證管道始端壓力不低于2kPa，否則由于管道始、末端壓差過小，管徑將很大。
    深圳市中壓燃氣管道的供氣壓力為0.15～0.18MPa，考慮最不利情況，調(diào)壓器進口壓力為0.15MPa，調(diào)壓器參數(shù)見表2。
表2 調(diào)壓器參數(shù)
類型
最低進口壓力/MPa
最低出口壓力/kPa
最大流量/(m3·h-1)
備注
家用調(diào)壓器
0.15
2.16
7.66
—
25m3/h調(diào)壓器
0.15
2.16
25.00
出口壓力可調(diào)
    由表2可知：在保證調(diào)壓器出口壓力大于等于2.16 kPa的前提下，當流量小于7.66m3/h時，應(yīng)選擇家用調(diào)壓器；當流量大于等于7.66m3/h且小于25m3/h時，應(yīng)選擇25m3/h調(diào)壓器。
3 建立實驗?zāi)Ｐ秃陀嬎隳Ｐ?/span>
   ① 建立實驗?zāi)Ｐ?/span>
   實驗?zāi)Ｐ鸵妶D1。根據(jù)低壓燃氣管道的流量計算公式可知，當管徑一定時，管道中的燃氣流量只與計算起點、終點間的壓力降有關(guān)，與計算終點之后管道內(nèi)的壓力變化情況無關(guān)。
 
    因此，為了方便，筆者一次性連接30m管道，在管道最末端設(shè)置閥門，分別在距離管道始端10m、15m、20m、30m處定義4個節(jié)點(分別命名為節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點3、節(jié)點4)。當管道起點壓力恒定時，通過調(diào)節(jié)最末端閥門的開度，控制管道中某節(jié)點的壓力，即控制管道起點到計算節(jié)點間的壓力降。通過燃氣表測量燃氣流量，可以得出燃氣流量與管道長度、管徑及管道進、出口壓力的關(guān)系。
    由于燃氣調(diào)壓器、燃氣表、管徑均有一定的流量范圍，故一次性連接了1臺家用調(diào)壓器，1臺25m3/h調(diào)壓器，4塊型號分別為G2.5、G6、G10、G16的燃氣表，4段管徑分別為DN 15mm、DN 20mm、DN 25mm、DN 32mm的薄壁不銹鋼管道。測試時，通過開啟不同閥門，達到使用不同組合的調(diào)壓器、燃氣表及管道的目的。在每種管徑的管道上，在節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點3、節(jié)點4處各安裝一塊壓力表(P4、P5、P6、P7)，在調(diào)壓器出口、燃氣表出口及不銹鋼管道起點也各安裝一塊壓力表(P1、P2、P3)。
    ② 建立實驗?zāi)Ｐ蛯?yīng)的計算模型
    對實驗?zāi)Ｐ瓦M行現(xiàn)場測量，將測量數(shù)據(jù)匯總編輯到EXCEL表格中，并將低壓燃氣管道流量計算的基本公式和模型基本數(shù)據(jù)在EXCEL中互相關(guān)聯(lián)，形成完整的計算模型。利用EXCEL的單變量求解功能，根據(jù)已知的節(jié)點壓力值(即供氣壓力值)，將待求數(shù)據(jù)單元格設(shè)定為可變單元格，即可求出所需的數(shù)據(jù)[4]。
4 實驗?zāi)Ｐ偷睦碚撚嬎?/span>
    ① 不同管徑的管道流通能力的理論計算
    調(diào)壓器出口壓力最小為2.16kPa，燃氣表最大壓力損失為150Pa，調(diào)壓器出口到燃氣表進口的壓力損失計為10Pa，則管道的理論進口壓力按2kPa(即P2壓力值為2kPa)代入計算模型，節(jié)點按1.7kPa(即P4、P5、P6、P7壓力值分別為1.7kPa)代入計算模型?？傻贸霾煌軓较?，距離起始端10m、15m、20m、30m處管道的理論進口壓力下計算流量，見表3。
   本文涉及3種流量：
   a. 實測流量：通過實驗測出的管道系統(tǒng)流量，經(jīng)溫度、壓力修正后的值。
    b. 理論進口壓力下計算流量：P2壓力值為2kPa(調(diào)壓器實際出口壓力及燃氣表實際壓力損失與廠家提供的數(shù)據(jù)一致)時，計算出的管道系統(tǒng)流量，見表3。
    c. 實測進口壓力下計算流量：利用實際測出的P2壓力值計算出來的管道系統(tǒng)流量。
表3 管道末端壓力為1.7kPa時，不同管道系統(tǒng)的理論進口壓力下計算流量   m3/h
管長/m
管徑
DN 15mm
DN 20mm
DN 25mm
DN 32mm
10
2.382
5.675
10.965
17.147
15
2.034
4.560
8.870
13.688
20
1.782
3.906
7.617
11.692
30
1.524
3.227
6.344
9.758
② 理論情況下的設(shè)備及管徑選型
    已知流量，根據(jù)表1、2可以選定燃氣表、調(diào)壓器；已知管長和流量，根據(jù)表3可以選定管徑。故在理論情況下，調(diào)壓器、燃氣表和管徑的選取互不影響。
5 實驗?zāi)Ｐ偷膶嶋H測試及數(shù)據(jù)分析
5.1 測試步驟
    ① 保證系統(tǒng)所有閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。
    ② 打開測試管道(管徑為DN 15mm、DN 20mm、DN 25mm、DN 32mm中的任一條)上的7個壓力表前閥門。
    ③ 打開本組測試選取的調(diào)壓器、燃氣表及管道的前后閥門，使測試管道全線暢通。
    ④ 稍微開啟最末端閥門，打開放散燃燒器上的閥門，點燃放散燃燒器。
    ⑤ 調(diào)節(jié)最末端閥門的開度，控制管道中某節(jié)點的壓力表讀數(shù)，使其穩(wěn)定在設(shè)定值(實驗設(shè)定的不同管道末端壓力分別為1.5kPa、1.7kPa等)。
    ⑥ 待管道內(nèi)燃氣流動穩(wěn)定后，記錄P1、P2、P3及部分節(jié)點處的壓力值，記錄溫度和一段時間前后的燃氣表讀數(shù)，計算出工況流量，并通過記錄的溫度、壓力對工況流量進行修正，計算出實測的標況流量。
    ⑦ 利用上述方法測出不同管道末端壓力時所有組合工況下的流量。
5.2 3種流量的對比
    由于實測數(shù)據(jù)眾多，筆者僅將管道長度為30m，管道末端壓力為1.7kPa，不同管徑、調(diào)壓器、燃氣表組合工況下的實測流量與理論進口壓力下計算流量、實測進口壓力下計算流量進行對比，見圖2。
 

    由圖2可知：理論進口壓力下計算流量的誤差遠大于實測進口壓力下計算流量的誤差，說明管道實際進口壓力(P2壓力值)遠小于理論進口壓力。
5.3 調(diào)壓器出口壓力分析
    由圖1可知，壓力表P1的讀數(shù)近似等于調(diào)壓器出口壓力，家用調(diào)壓器進口壓力為0.15MPa時，出口壓力隨流量的變化見圖3，家用調(diào)壓器出口壓力的理論值與實測值對比見表4。
 

表4 家用調(diào)壓器出口壓力的理論值與實測值對比
數(shù)據(jù)來源
出口壓力/kPa
天然氣流量/(m3·h-1)
備注
廠家提供
≥2.16
≤7.66
—
實際測量
≥2.16
≤4.54
調(diào)壓器通過流量達7.52m3/h時，測得的實際出口壓力僅為1.78kPa
    由表4可知，要保證家用調(diào)壓器的出口壓力達到要求，其通過流量必須為其理論最大流量的60%左右。25m3/h調(diào)壓器的基本特性與家用調(diào)壓器一致。
5.4 燃氣表壓力損失分析
    將P1、P2的壓力表讀數(shù)代入計算模型，減去管道壓力損失，可得到燃氣表的壓力損失。
    G2.5燃氣表的壓力損失隨流量的變化見圖4，壓力損失的理論值與實測值對比見表5，不同流量區(qū)間的壓力損失變化率見表6。表6中，k1表示流量小于額定流量且大于最小流量的區(qū)間的壓力損失變化率，k2表示流量大于額定流量且小于最大流量的區(qū)間的壓力損失變化率。

表5 G2.5燃氣表壓力損失的理論值與實測值對比
數(shù)據(jù)來源
壓力損失/Pa
天然氣流量/(m3·h-1)
備注
廠家提供
≤150
≤4
—
規(guī)范要求
≤220
—
—
實際測量
≤150
≤1.43
燃氣表通過流量達4.08m3/h時，測得的實際壓力損失為541.7Pa
≤220
≤1.99
表6 G2.5燃氣表不同流量區(qū)間的壓力損失變化率
 
流量/(m3·h-1)
壓力損失/Pa
斜率
測得最小值
1.425
203.574
k1
118.539
額定值
2.476
328.160
k2
133.400
測得最大值
4.077
541.703
—
—
    由表5可知，要保證G2.5燃氣表的壓力損失達到規(guī)范要求，其通過流量必須為其最大流量的50%左右。
    由表6可知，由于k2＞k1，故在額定流量至最大流量區(qū)間，G2.5燃氣表的壓力損失變化率更大。G6、G10、G16燃氣表的基本特性與G2.5燃氣表一致。
5.5 3種流量的誤差原因分析
    引起實測進口壓力下計算流量與理論進口壓力下計算流量誤差的原因為：①調(diào)壓器實際出口壓力比理論值低，導(dǎo)致P2值較理論值偏小。對于家用調(diào)壓器，在理論情況下，其通過流量只要小于7.66m3/h，出口壓力即可達到2.16kPa以上。但實測數(shù)據(jù)顯示，僅在流量小于4.54m3/h時，出口壓力才可達到2.16kPa以上。當調(diào)壓器的通過流量達到7.52m3/h時，測得的實際出口壓力僅為1.78kPa。②燃氣表壓力損失比理論值大，導(dǎo)致P2值較理論值偏小。在理論情況下，各種型號燃氣表在最大量程范圍內(nèi)的壓力損失均小于150Pa，實測數(shù)據(jù)顯示，G2.5燃氣表的通過流量達到4.08m3/h時，實際壓力損失為541.7Pa；G6燃氣表通過流量達到9.90m3/h時，實際壓力損失為390.37Pa；G10燃氣表通過流量達到17.5m3/h時，實際壓力損失為265.25Pa；G16燃氣表通過流量為17.50m3/h時，實際壓力損失為324.18Pa。
    引起實測流量與實測進口壓力下計算流量誤差的原因為：①用于實驗的壓力表(0～10kPa)精度不夠。用不同壓力表測量同一點的壓力，壓力最大相差約200Pa。②流量計量過程中，讀取時間有誤差以及燃氣表本身存在誤差。
5.6 最終選型表
   經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)的整理及誤差分析，發(fā)現(xiàn)實測流量隨管徑、管長及設(shè)備的變化趨勢與理論情況一致，部分實測流量與實測進口壓力下計算流量的誤差較大，但考慮到實驗器具的精度，此部分誤差也在容許范圍內(nèi)。故將實測流量進行如下修正后，得出民用低壓燃氣管道系統(tǒng)設(shè)備與管徑選取表，部分選取表見表7。
    ① 由于部分組合對應(yīng)的實測流量超出燃氣表量程，故將該組合對應(yīng)的實測流量調(diào)整為燃氣表最大量程流量。
   ② 對同樣的設(shè)備、管徑組合，若節(jié)點壓力相同，管長小的組合對應(yīng)的流量應(yīng)不小于管長大的組合對應(yīng)的流量。對于不滿足此條件的，按照管長小的組合對應(yīng)的流量等于管長大的組合對應(yīng)的流量進行修正。
    ③ 對相同的管長，若節(jié)點壓力相同，當設(shè)備(調(diào)壓器、燃氣表)型號及管徑變大時，通過流量應(yīng)該變大。對于不滿足此條件的，按照大型號設(shè)備組合對應(yīng)的流量等于小型號設(shè)備組合對應(yīng)的流量進行修正。
   ④ 估算節(jié)點壓力為1.7kPa時實際測得的不同設(shè)備組合的成本，舍棄成本較高但流量增大不多的組合。
表7 民用低壓燃氣管道系統(tǒng)設(shè)備與管徑選取(管道末端壓力為1.7kPa)
管長/m
天然氣總用氣量/(m3·h-1)
總熱流量/kW
公稱管徑/mm
調(diào)壓器類型
燃氣表型號
10
2.46
26
15
家用
G2.5
3.07
32
20
家用
G2.5
3.63
38
25
家用
G2.5
3.84
40
32
家用
G2.5
4.37
45
20
家用
G6
5.45
57
25
家用
G6
6.54
68
32
家用
G6
7.60
79
25
25m3/h
G6
9.90
103
32
25m3/h
G6
14.10
147
32
25m3/h
G10
2.24
23
15
家用
G2.5
3.O7
32
20
家用
G2.5
3.38
35
25
家用
G2.5
3.55
37
32
家用
G2.5
4.19
44
20
家用
G6
5.14
53
25
家用
G6
5.72
59
32
家用
G6
6.41
67
25
25m3/h
G6
8.63
90
32
25m3/h
G6
12.41
129
32
25m3/h
G10
   表7的使用說明：
   ① 表7是按照管道末端壓力為1.7kPa整理得出的，天然氣低熱值按照37.456MJ/m3進行計算。按照規(guī)范要求，只需制定管道末端壓力為1.5kPa的選型表即可[2]，但考慮到為使燃燒工況更好及適當?shù)仡A(yù)留部分流量，故制定了管道末端壓力為1.7kPa的選型表。
    ② 該選型表以管道長度及天然氣總用氣量(或總熱流量)為索引，查詢調(diào)壓器、燃氣表及管徑。
    ③ 由于25m3/h調(diào)壓器的出口壓力可調(diào)(本測試中，當25m3/h調(diào)壓器通過流量為10m3/h以下時，其設(shè)置的出口壓力為2.2kPa左右)，故本文中對應(yīng)25m3/h調(diào)壓器的流量，可能因為設(shè)置的出口壓力不同而有所不同。所以選型表中，對應(yīng)25m3/h調(diào)壓器的實測流量均可通過提高調(diào)壓器出口壓力來增大。
6 實際選型案例
    安裝大容量熱水器的民用戶內(nèi)燃氣管道系統(tǒng)設(shè)備、管徑的選型情況見表8。
    ① 天然氣總用氣量指熱水器與燃氣灶用氣量之和，一般家用燃氣雙眼灶的總熱負荷不大于10kW，則天然氣用氣量為0.96m3/h，計算中取1m3/h。根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》，查得同時工作系數(shù)為1[2]177。
    ②對于燃氣雙眼灶，按照1m3/h的流量計算，若壓力降為200Pa，則管道長度可達45m。一般情況下，民用廚房的支管不會超過45m，所以燃氣雙眼灶的支管管徑可選擇DN 15mm。
表8 大容量熱水器選型(管道末端壓力為1.7kPa)
熱水器熱水產(chǎn)量/(L·min-1)
32
38
50
60
天然氣總用氣量/(m3·h-1)
6.37
7.37
9.38
11.06
燃氣灶支管公稱管徑/mm
15
干管與熱水器支管的管道長度之和/m
10
熱水器支管公稱管徑/ram
32
25
32
32
調(diào)壓器類型
家用
25m3/h
25m3/h
25m3/h
燃氣表型號
G6
G6
G6
G10
15
熱水器支管公稱管徑/mm
25
32
*32
32
調(diào)壓器類型
25m3/h
25m3/h
25m3/h
25m3/h
燃氣表型號
G6
G6
G6
G10
20
熱水器支管公稱管徑/mm
32
32
*32
*32
調(diào)壓器類型
25m3/h
25m3/h
25m3/h
25m3/h
燃氣表型號
G6
C6
G6
G10
30
熱水器支管公稱管徑/mm
32
32
*32
*32
調(diào)壓器類型
25m3/h
25m3/h
25m3/h
25m3/h
燃氣表型號
G6
G6
G6
G10
    ③ 考慮到熱水器供氣管道在分支前和分支后流量僅相差1m3/h，為了方便，干管管徑和熱水器支管管徑均按照總流量進行選取。
    ④ 干管與熱水器支管的管道長度之和指調(diào)壓器出口至熱水器燃氣入口的全部管道長度。
    ⑤ 表8中，帶*的組合表示按照表7查詢本組合不滿足要求，但是由于25m3/h調(diào)壓器出口壓力可調(diào)，故選此組合后，可通過調(diào)節(jié)出口壓力來達到需求流量。
7 結(jié)論
    ① 大用氣量民用戶內(nèi)燃氣管道系統(tǒng)管徑的選取要和調(diào)壓器、燃氣表的選擇同時進行，選擇的燃氣設(shè)備型號不同，可能導(dǎo)致管道起點的壓力發(fā)生較大變化，從而影響管徑的選取。
    ② 調(diào)壓器出口壓力隨流量變化顯著，對于家用調(diào)壓器，為保證出口壓力不至于過低，應(yīng)控制其通過流量為理論最大流量的60%左右。對于25m3/h調(diào)壓器，因為其出口壓力可調(diào)，通過流量范圍可適當放寬。
    ③ 燃氣表的壓力損失普遍超出廠家提供的值，部分型號甚至超出了國家檢定規(guī)程的要求。燃氣表在接近最大流量時，壓力損失增加幅度更大，尤其是G2.5膜式表，在流量為4.08m3/h時，壓力損失已達542Pa。故燃氣表的選型不應(yīng)只考慮量程范圍，還應(yīng)考慮量程范圍內(nèi)的壓力損失是否符合規(guī)范要求，以及大流量區(qū)間壓力損失增加幅度更大等因素。
參考文獻：
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(本文作者：楊海翔 張萬杰 羅彬 劉健 深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518040)