城市天然气管网的设计之浅见
【摘 要】：改革开放的不断深入，经济的快速增长，带动了城市化进程的加快。城市的建设离不开居民，居民的生活离不开燃气，因此城市天然气管网的建设必须符合城市的长远规划，在设计城市天然气管网时的科学合理，对管网的耐久性预测出城市天然气管道的安全运行时间，为工程实际提供可靠的参考依据，并及时有效地对城市天然气管道进行检测和维护，确保城市天然气管道的安全运营，发挥城市天然气管道的最高经济效益。
【关键词】：城市天然气；管网；设计
中图分类号：F407.22
1.科学合理规划管网的设计
1.1能源消费总量与用气量的预测
一个城市的年度能源消费总量主要受国民经济发展情况、人口、产值单耗、产业结构等因素的影响。这些因素均在不同程度上影响着城市能源消费总量的变化。一个城市国内生产总值、第二产业产值、第三产业产值对能源消费总量的影响，采用相关系数计算国民经济发展情况与能源消费总量之间的关系。并根据城市发展的历史能耗角度来预测规划年的能源消费总量。
1.2利用回归法分析城市天然气负荷
回归分析法是从研究天然气负荷与其影响因素的相关关系入手，通过回归分析建立回归模型进行负荷预测。该方法适用于中、长期预测，预测精度较高。
2.天然气管网管径的选择
2.1管段初始流量的确定
管段初始流量是在连枝流量一定的条件下，通过调用基本关联矩阵求解而得到的。所谓连枝，是针对环状管网而言的。如果把一个环状管网去掉某些管段后，该管网变成枝状管网，那么去掉的这些管段就称为连枝。连枝流量采用按照管段长度比例分摊原则确定。
2.2管径的初选
根据管段的计算流量和管段的单位压力降，可以计算机软件调用中的“初选管径”菜单进行管径的初选。单位压力降由从气源点到零速点的允许压力降与管路长度的比值确定，零速点的确定按照天然气总是从气源点流向最远点的原则确定。
2.3经济管径的选择
根据初始的规格化管径和管段的计算流量求解管段的压力降，并由气源点的压力求各个节点的压力，调用修正各节点压力，计算得出经济压降。根据此压降和计算流量，调用软件中的“管径优选”菜单进行管径优选。
2.4城市管道耐久性原则选择
整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规范的某一功能要求，此特定状态称为该功能的“极限状态”，即“临界状态”。城市天然气管道耐久性作为一项功能，也存在着耐久性极限状态：承载能力极限状态和正常使用极限状态。对城市天然气管道耐久性寿命准则的合理选择是进行耐久性评估与寿命预测的重要前提。
2.4.1城市天然气管道反腐蚀性选择。因城市天然气管道属于半永久性设施，投产后维修或维护较难进行，故要求耐久性要好。在城市天然气管道表面涂敷防腐层就是为了隔绝腐蚀介质、切断腐蚀电池的外部电路，是城市天然气管道防腐蚀的第一道防线。采用城市天然气管道腐蚀寿命准则的理由，主要是考虑城市天然气管道开始腐蚀，在一定的腐蚀量和腐蚀时间下就足以使得城市天然气管道产生各种腐蚀缺陷。但是对大多数城市天然气管道而言，以城市天然气管道开始腐蚀作为寿命终止标准，显得过于保守，也是不现实的。
2.4.2管道承载力。承载力寿命理论是考虑城市天然气管道腐蚀引起的抗力退化，当城市天然气管道的承压能力下降到不足以抵抗城市天然气管道压力的荷载作用时，城市天然气管道就达到了承载力失效的状态，这一界限值作为城市天然气管道的耐久性极限状态。
2.4.3城市天然气管道裂纹尺寸与锈蚀量限值。在腐蚀和内压载荷波动等因素的共同作用下，城市天然气管道的裂纹将会加速扩展。裂纹尺寸与锈蚀量限值理论是以管壁裂纹尺寸或锈蚀量达到某一控制界限值所需时间作为城市天然气管道的使用寿命。裂纹尺寸限值通常指行业或企业等相关部门规定的临界值；腐蚀量限值通常用城市天然气管道截面的损失率来表示。该寿命准则仍然偏严，限值的确定依赖实际工程和专家经验，因而存在很大的人为主观性。当城市天然气管道发生腐蚀、疲劳开裂后还允许城市天然气管道有一定的工作能力，还不至于影响城市天然气管道的安全运行。
3.加强管网的反腐层等级的设计
聚乙烯类管道防腐层的普通级与加强级差别仅在于外层厚度的差异，胶粘带、环氧粉末的普通级与加强级差别也是类似，所有施工程序是完全相同的。其实管道防腐的主要费用存于施工程序设备摊销，材料用量是次要的。对于长输管道，选用普通级可以节省一定的材料投资，由于城市天然气管道通常较短，这种节省效果有限，相比于安全要求，应弱化这方面的考虑。
实际上，城市天然气管道周边往往存在强烈的杂散电流，对在役管道的开挖检测发现，许多腐蚀坑呈马蹄型并见金属光泽，削面虽有起伏，但手感光滑，边缘也较清晰，腐蚀产物为黑色粉末状，无分层现象，就是典型的杂散电流腐蚀。因此对于城市天然气管道，即使目前土壤环境中暂时没有明显的杂散电流，考虑到未来城市的发展，防腐等级设计还是普遍采用加强级为宜。
4.做好城市天然气规划设计
4.1规划原则
在城市总体规划指导下，根据能源资源和能源政策，统筹兼顾，因地制宜，优先发展利用天然气，以提高天然气在能源消费结构中的比重，减少污染保护环境。优先发展居民用气的基础上，大力发展工业用户。天然气管网统一规划，分期分步实施。
4.2气源规划
随着政府大力推进天然气进程，天然气将替代液化气成为该市的主要气源，近期的天然气规划确定该市天然气发展方向为近期维持瓶装液化气以发展天然气为主，同时继续做好天然气输配设施的建设。中期远期以天然气为主要气源，采用分片分区启动逐步联网各天然气管网，逐步并形成统一的天然气管网。
5.做优秀的城市规划设计工作
5.1管道及管件选材
在城市天然气设计中，城市天然气的管道和管件的选材很重要。天然气输配系统中管材、管件及设备的选择和制造非常关键。尽量选择成熟工艺和材料，如工艺需要采用新工艺、新材料，要考虑新材料是否满足目前制管制造条件，需要对新型材料的力学性能和工况环境的适应性作大量的模拟试验和深入研究，新材料的运用和新工艺的设计需要成立专门的组织来审查和分析，以对其有正确的评价和定位。
5.2提高管网设计的安全系数
安全系数根本的目的是保证系统的平稳运行，避免事故和损失。城市天然气是一个系统工程，从单纯的输配管网到具有调压，调峰功能的站场，天然气的易燃易爆和有毒，决定了其风险无处不在。尽管各种相关规范中对安全系数已有规定。但要把握一个合理的安全系数并不容易。系数过大投资增加太多，系数过小潜在风险增大。对于管道系统，增加额外的管壁厚度来提供防腐的保护及预防外部伤害的防护；对于场站系统，增加备用装置及可靠的防护方案来保证其稳定运行。无论是管线还是场站的泄漏或爆炸，都对生命财产及环境污染具有重大危害。因此城市天然气设计中应提高管网设计的安全系数。
6.结语
天然气是一种高热值低污染的优质能源，具有突出的社会效益和环保效益，天然气规划确定天然气为主要气源将对降低污染提高城市环境质量具有积极的意义。天然气供应是城市公用基础设施的重要组成部分，搞好天然气规划，合理地确定指标，对于指导行业的发展，控制投资规模，合理配置资源并最大限度地发挥其潜能，具有重要的意义。通过规划的制定，为城市经济、天然气事业的发展，奠定了坚实的基础。