民用户内燃气管道设备与管径选型

摘 要

摘要：针对大负荷用气设备供气压力不足问题，对中压入户的民用户内燃气管道设备和管径选型进行了理论计算和实际测试，对理论数据与实验结果分析对比后，提出了燃气设备及管径选型的
摘要：针对大负荷用气设备供气压力不足问题，对中压入户的民用户内燃气管道设备和管径选型进行了理论计算和实际测试，对理论数据与实验结果分析对比后，提出了燃气设备及管径选型的建议。
关键词：户内燃气管道；用户调压器；燃气表
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层建筑较多，用气高峰时段，用户用气总量较大。为保证用气稳定，深圳市民用燃气管道系统一直采取中压入户、分户调压、分户计量的供应方式。
    随着居民生活质量的提高，民用燃具的热负荷越来越大，但户内燃气管道系统长期按照经验选取管径为DN 15mm，选取家用调压器和G2.5膜式燃气表。这使得一些大负荷用气设备(如大容量热水器、燃气壁挂炉等)由于供气压力不足，经常出现无法点火和燃烧不充分的情况，给用户的正常生活和安全带来威胁。此外，燃气表、调压器等设备选型偏小，长期过载运行极易损坏。
    为正确选取调压器、燃气表和管道管径，以满足大负荷用气设备的正常用气，笔者进行了理论计算和实验测试，在对结果进行对比分析的基础上，提出了大负荷民用户内燃气管道系统设备与管径的选型方法。
2 理论数据收集
    ① 理论情况下燃气表的选型
    燃气表的选型原则：考虑量程范围、燃气表的压力损失以及量程范围内的计量精度。
    我公司使用的某品牌燃气表参数见表1。由表1可知：在量程范围内，燃气表误差在规定的允许范围内(B级)；当计量介质为天然气时，燃气表压力损失不大于150Pa。精度及压力损失均符合GB/T 6968—1997《膜式煤气表》的要求[1]，故在理论情况下选择燃气表时，只需考虑燃气表的量程范围。
    ② 理论情况下调压器的选型
    当调压器进口压力一定时，出口压力随着通过流量的增大而降低；当通过流量一定时，调压器进口压力越大，出口压力也越大。
表1 燃气表参数
型号
最大流量/(m3·h-1)
最小流量/(m3·h-1)
计量介质为天然气时的压力损失/Pa
精度等级
G2.5
4
0.025
≤150
B级
G6
10
0.060
≤150
B级
G10
16
0.100
≤150
B级
    根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》，管道末端最低供气压力为1.5kPa[2]。为使燃具燃烧状况尽可能好，同时预留部分流量，笔者将管道末端供气压力选为1.7kPa。根据CJ 274—2008《城镇燃气调压器》，至少要保证调压器额定出口压力(燃气表前压力)为2.16kPa[3]。若燃气表的最大压力损失为150Pa，则可保证管道始端压力不低于2kPa，否则由于管道始、末端压差过小，管径将很大。
    深圳市中压燃气管道的供气压力为0.15～0.18MPa，考虑最不利情况，调压器进口压力为0.15MPa，调压器参数见表2。
表2 调压器参数
类型
最低进口压力/MPa
最低出口压力/kPa
最大流量/(m3·h-1)
备注
家用调压器
0.15
2.16
7.66
—
25m3/h调压器
0.15
2.16
25.00
出口压力可调
    由表2可知：在保证调压器出口压力大于等于2.16 kPa的前提下，当流量小于7.66m3/h时，应选择家用调压器；当流量大于等于7.66m3/h且小于25m3/h时，应选择25m3/h调压器。
3 建立实验模型和计算模型
   ① 建立实验模型
   实验模型见图1。根据低压燃气管道的流量计算公式可知，当管径一定时，管道中的燃气流量只与计算起点、终点间的压力降有关，与计算终点之后管道内的压力变化情况无关。
 
    因此，为了方便，笔者一次性连接30m管道，在管道最末端设置阀门，分别在距离管道始端10m、15m、20m、30m处定义4个节点(分别命名为节点1、节点2、节点3、节点4)。当管道起点压力恒定时，通过调节最末端阀门的开度，控制管道中某节点的压力，即控制管道起点到计算节点间的压力降。通过燃气表测量燃气流量，可以得出燃气流量与管道长度、管径及管道进、出口压力的关系。
    由于燃气调压器、燃气表、管径均有一定的流量范围，故一次性连接了1台家用调压器，1台25m3/h调压器，4块型号分别为G2.5、G6、G10、G16的燃气表，4段管径分别为DN 15mm、DN 20mm、DN 25mm、DN 32mm的薄壁不锈钢管道。测试时，通过开启不同阀门，达到使用不同组合的调压器、燃气表及管道的目的。在每种管径的管道上，在节点1、节点2、节点3、节点4处各安装一块压力表(P4、P5、P6、P7)，在调压器出口、燃气表出口及不锈钢管道起点也各安装一块压力表(P1、P2、P3)。
    ② 建立实验模型对应的计算模型
    对实验模型进行现场测量，将测量数据汇总编辑到EXCEL表格中，并将低压燃气管道流量计算的基本公式和模型基本数据在EXCEL中互相关联，形成完整的计算模型。利用EXCEL的单变量求解功能，根据已知的节点压力值(即供气压力值)，将待求数据单元格设定为可变单元格，即可求出所需的数据[4]。
4 实验模型的理论计算
    ① 不同管径的管道流通能力的理论计算
    调压器出口压力最小为2.16kPa，燃气表最大压力损失为150Pa，调压器出口到燃气表进口的压力损失计为10Pa，则管道的理论进口压力按2kPa(即P2压力值为2kPa)代入计算模型，节点按1.7kPa(即P4、P5、P6、P7压力值分别为1.7kPa)代入计算模型。可得出不同管径下，距离起始端10m、15m、20m、30m处管道的理论进口压力下计算流量，见表3。
   本文涉及3种流量：
   a. 实测流量：通过实验测出的管道系统流量，经温度、压力修正后的值。
    b. 理论进口压力下计算流量：P2压力值为2kPa(调压器实际出口压力及燃气表实际压力损失与厂家提供的数据一致)时，计算出的管道系统流量，见表3。
    c. 实测进口压力下计算流量：利用实际测出的P2压力值计算出来的管道系统流量。
表3 管道末端压力为1.7kPa时，不同管道系统的理论进口压力下计算流量   m3/h
管长/m
管径
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 理论情况下的设备及管径选型
    已知流量，根据表1、2可以选定燃气表、调压器；已知管长和流量，根据表3可以选定管径。故在理论情况下，调压器、燃气表和管径的选取互不影响。
5 实验模型的实际测试及数据分析
5.1 测试步骤
    ① 保证系统所有阀门处于关闭状态。
    ② 打开测试管道(管径为DN 15mm、DN 20mm、DN 25mm、DN 32mm中的任一条)上的7个压力表前阀门。
    ③ 打开本组测试选取的调压器、燃气表及管道的前后阀门，使测试管道全线畅通。
    ④ 稍微开启最末端阀门，打开放散燃烧器上的阀门，点燃放散燃烧器。
    ⑤ 调节最末端阀门的开度，控制管道中某节点的压力表读数，使其稳定在设定值(实验设定的不同管道末端压力分别为1.5kPa、1.7kPa等)。
    ⑥ 待管道内燃气流动稳定后，记录P1、P2、P3及部分节点处的压力值，记录温度和一段时间前后的燃气表读数，计算出工况流量，并通过记录的温度、压力对工况流量进行修正，计算出实测的标况流量。
    ⑦ 利用上述方法测出不同管道末端压力时所有组合工况下的流量。
5.2 3种流量的对比
    由于实测数据众多，笔者仅将管道长度为30m，管道末端压力为1.7kPa，不同管径、调压器、燃气表组合工况下的实测流量与理论进口压力下计算流量、实测进口压力下计算流量进行对比，见图2。
 

    由图2可知：理论进口压力下计算流量的误差远大于实测进口压力下计算流量的误差，说明管道实际进口压力(P2压力值)远小于理论进口压力。
5.3 调压器出口压力分析
    由图1可知，压力表P1的读数近似等于调压器出口压力，家用调压器进口压力为0.15MPa时，出口压力随流量的变化见图3，家用调压器出口压力的理论值与实测值对比见表4。
 

表4 家用调压器出口压力的理论值与实测值对比
数据来源
出口压力/kPa
天然气流量/(m3·h-1)
备注
厂家提供
≥2.16
≤7.66
—
实际测量
≥2.16
≤4.54
调压器通过流量达7.52m3/h时，测得的实际出口压力仅为1.78kPa
    由表4可知，要保证家用调压器的出口压力达到要求，其通过流量必须为其理论最大流量的60%左右。25m3/h调压器的基本特性与家用调压器一致。
5.4 燃气表压力损失分析
    将P1、P2的压力表读数代入计算模型，减去管道压力损失，可得到燃气表的压力损失。
    G2.5燃气表的压力损失随流量的变化见图4，压力损失的理论值与实测值对比见表5，不同流量区间的压力损失变化率见表6。表6中，k1表示流量小于额定流量且大于最小流量的区间的压力损失变化率，k2表示流量大于额定流量且小于最大流量的区间的压力损失变化率。

表5 G2.5燃气表压力损失的理论值与实测值对比
数据来源
压力损失/Pa
天然气流量/(m3·h-1)
备注
厂家提供
≤150
≤4
—
规范要求
≤220
—
—
实际测量
≤150
≤1.43
燃气表通过流量达4.08m3/h时，测得的实际压力损失为541.7Pa
≤220
≤1.99
表6 G2.5燃气表不同流量区间的压力损失变化率
 
流量/(m3·h-1)
压力损失/Pa
斜率
测得最小值
1.425
203.574
k1
118.539
额定值
2.476
328.160
k2
133.400
测得最大值
4.077
541.703
—
—
    由表5可知，要保证G2.5燃气表的压力损失达到规范要求，其通过流量必须为其最大流量的50%左右。
    由表6可知，由于k2＞k1，故在额定流量至最大流量区间，G2.5燃气表的压力损失变化率更大。G6、G10、G16燃气表的基本特性与G2.5燃气表一致。
5.5 3种流量的误差原因分析
    引起实测进口压力下计算流量与理论进口压力下计算流量误差的原因为：①调压器实际出口压力比理论值低，导致P2值较理论值偏小。对于家用调压器，在理论情况下，其通过流量只要小于7.66m3/h，出口压力即可达到2.16kPa以上。但实测数据显示，仅在流量小于4.54m3/h时，出口压力才可达到2.16kPa以上。当调压器的通过流量达到7.52m3/h时，测得的实际出口压力仅为1.78kPa。②燃气表压力损失比理论值大，导致P2值较理论值偏小。在理论情况下，各种型号燃气表在最大量程范围内的压力损失均小于150Pa，实测数据显示，G2.5燃气表的通过流量达到4.08m3/h时，实际压力损失为541.7Pa；G6燃气表通过流量达到9.90m3/h时，实际压力损失为390.37Pa；G10燃气表通过流量达到17.5m3/h时，实际压力损失为265.25Pa；G16燃气表通过流量为17.50m3/h时，实际压力损失为324.18Pa。
    引起实测流量与实测进口压力下计算流量误差的原因为：①用于实验的压力表(0～10kPa)精度不够。用不同压力表测量同一点的压力，压力最大相差约200Pa。②流量计量过程中，读取时间有误差以及燃气表本身存在误差。
5.6 最终选型表
   经过对实验数据的整理及误差分析，发现实测流量随管径、管长及设备的变化趋势与理论情况一致，部分实测流量与实测进口压力下计算流量的误差较大，但考虑到实验器具的精度，此部分误差也在容许范围内。故将实测流量进行如下修正后，得出民用低压燃气管道系统设备与管径选取表，部分选取表见表7。
    ① 由于部分组合对应的实测流量超出燃气表量程，故将该组合对应的实测流量调整为燃气表最大量程流量。
   ② 对同样的设备、管径组合，若节点压力相同，管长小的组合对应的流量应不小于管长大的组合对应的流量。对于不满足此条件的，按照管长小的组合对应的流量等于管长大的组合对应的流量进行修正。
    ③ 对相同的管长，若节点压力相同，当设备(调压器、燃气表)型号及管径变大时，通过流量应该变大。对于不满足此条件的，按照大型号设备组合对应的流量等于小型号设备组合对应的流量进行修正。
   ④ 估算节点压力为1.7kPa时实际测得的不同设备组合的成本，舍弃成本较高但流量增大不多的组合。
表7 民用低压燃气管道系统设备与管径选取(管道末端压力为1.7kPa)
管长/m
天然气总用气量/(m3·h-1)
总热流量/kW
公称管径/mm
调压器类型
燃气表型号
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的使用说明：
   ① 表7是按照管道末端压力为1.7kPa整理得出的，天然气低热值按照37.456MJ/m3进行计算。按照规范要求，只需制定管道末端压力为1.5kPa的选型表即可[2]，但考虑到为使燃烧工况更好及适当地预留部分流量，故制定了管道末端压力为1.7kPa的选型表。
    ② 该选型表以管道长度及天然气总用气量(或总热流量)为索引，查询调压器、燃气表及管径。
    ③ 由于25m3/h调压器的出口压力可调(本测试中，当25m3/h调压器通过流量为10m3/h以下时，其设置的出口压力为2.2kPa左右)，故本文中对应25m3/h调压器的流量，可能因为设置的出口压力不同而有所不同。所以选型表中，对应25m3/h调压器的实测流量均可通过提高调压器出口压力来增大。
6 实际选型案例
    安装大容量热水器的民用户内燃气管道系统设备、管径的选型情况见表8。
    ① 天然气总用气量指热水器与燃气灶用气量之和，一般家用燃气双眼灶的总热负荷不大于10kW，则天然气用气量为0.96m3/h，计算中取1m3/h。根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》，查得同时工作系数为1[2]177。
    ②对于燃气双眼灶，按照1m3/h的流量计算，若压力降为200Pa，则管道长度可达45m。一般情况下，民用厨房的支管不会超过45m，所以燃气双眼灶的支管管径可选择DN 15mm。
表8 大容量热水器选型(管道末端压力为1.7kPa)
热水器热水产量/(L·min-1)
32
38
50
60
天然气总用气量/(m3·h-1)
6.37
7.37
9.38
11.06
燃气灶支管公称管径/mm
15
干管与热水器支管的管道长度之和/m
10
热水器支管公称管径/ram
32
25
32
32
调压器类型
家用
25m3/h
25m3/h
25m3/h
燃气表型号
G6
G6
G6
G10
15
热水器支管公称管径/mm
25
32
*32
32
调压器类型
25m3/h
25m3/h
25m3/h
25m3/h
燃气表型号
G6
G6
G6
G10
20
热水器支管公称管径/mm
32
32
*32
*32
调压器类型
25m3/h
25m3/h
25m3/h
25m3/h
燃气表型号
G6
C6
G6
G10
30
热水器支管公称管径/mm
32
32
*32
*32
调压器类型
25m3/h
25m3/h
25m3/h
25m3/h
燃气表型号
G6
G6
G6
G10
    ③ 考虑到热水器供气管道在分支前和分支后流量仅相差1m3/h，为了方便，干管管径和热水器支管管径均按照总流量进行选取。
    ④ 干管与热水器支管的管道长度之和指调压器出口至热水器燃气入口的全部管道长度。
    ⑤ 表8中，带*的组合表示按照表7查询本组合不满足要求，但是由于25m3/h调压器出口压力可调，故选此组合后，可通过调节出口压力来达到需求流量。
7 结论
    ① 大用气量民用户内燃气管道系统管径的选取要和调压器、燃气表的选择同时进行，选择的燃气设备型号不同，可能导致管道起点的压力发生较大变化，从而影响管径的选取。
    ② 调压器出口压力随流量变化显著，对于家用调压器，为保证出口压力不至于过低，应控制其通过流量为理论最大流量的60%左右。对于25m3/h调压器，因为其出口压力可调，通过流量范围可适当放宽。
    ③ 燃气表的压力损失普遍超出厂家提供的值，部分型号甚至超出了国家检定规程的要求。燃气表在接近最大流量时，压力损失增加幅度更大，尤其是G2.5膜式表，在流量为4.08m3/h时，压力损失已达542Pa。故燃气表的选型不应只考虑量程范围，还应考虑量程范围内的压力损失是否符合规范要求，以及大流量区间压力损失增加幅度更大等因素。
参考文献：
[1] 机械工业部上海工业自动化仪表研究所.GB/T 6968—1997膜式煤气表[S].北京：中国标准出版社，1997：6-7.
[2] 中国市政工程华北设计研究院.GB 50028—2006城镇燃气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[3] 中国市政工程华北设计研究院，上海飞奥燃气设备有限公司，国家燃气用具质量监督检验中心，等.CJ 274—2008城镇燃气调压器[S].北京：中国标准出版社，2008：9.
[4] 刘小伟，温培和，俞慎泉.Excel2007电子表格处理实用教程[M].北京：电子工业出版社，2007：225-226.
 
(本文作者：杨海翔 张万杰 罗彬 刘健 深圳市燃气集团股份有限公司 广东深圳 518040)