宁波市城市天然气转换技术的研究.docx
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宁波市城市天然气转换技术的研究
宁波市城市天然气转换技术的研究
一、概述
自二十世纪中期以来，世界各国广泛开发石油天然气资源，发达国家的煤气工业逐步向天然气方向发展。
美国、法国、英国，日本等国先后经过十至二十年的期间完成了天然气的转换。
在我国随着天然气资源的不断开发，国家加快了天然气管网建设，已建成的西气东输、陕京二线、忠武线、涩宁兰线等对我国天然气事业发展带来了前所未有的机会。
随着国家天然气工程的全面实施，必然对城市原有燃气供应系统，包括气源、管网及用户相关设施改造提出了全方位的技术要求。
宁波管道燃气气源主要有两种：
液化石油气及液化石油气混空气。
相比其它人工煤气管网设施供应城市而言转换工作相对要简单。
2005年底东海天然气登陆宁波，2006年2月份进行首次天然气转换。
本文主要结合宁波市天然气转换实施方案及转换实践，将天然气转换相关技术进行探讨。
二、天然气转换技术要求及转换技术措施
天然气转换技术包括燃气转换、输配管网转换、燃器具和工业用气设备的转换等内容。
在转换工作的实施以前必须做好相关的准备工作如：
1、城市管网水力计算；2、天然气转换区域（片区）的划分；3、天然气转换调压器、流量计的更换改造；4天然气转换转换管网阀门的更新改造；5、燃器具及工业设备的更换、改造。
1、城市中低压力管网水力计算
由于天然气与人工煤气、液化石油气及液化石油气混空气的输配压力、热值、等相关参数不同，通过对城市中低压管网水力计算，以确保转换后管网供应天然气能稳定运行。
同时也可以对应急气源供气能力和规模的核算，以确保天然气转换后管网运行工况的稳定供气。
1.1 管网的基本概况
宁波市（中心城区）从1996年发展城市管道燃气以来，建成的管道管径最大为DN400，一般在DN300～DN100左右。
管网基本呈支状，少量中压管道成环。
根据天然气工程建设进度，一期工程建成二座天然气门站及4座高中压调压站，17公里DN500的高压管线，目前均已投入生产运行。
但由于工程建设政策处理上的困难，中压主管相互之间尚未连通，近期主城区的天然气供应由一座高调压站供应，给转换及安全稳定供气带来更大的困难。
现状中压管网主要技术指标：
A、管道设计压力：
中压——0.2MPa、0.3MPa、0.4Mpa，
低压——5000Pa；
B、设计输送介质按接轨天然气考虑，目前输送介质为液化石油气或空混气；
C、设计温度：
常温；
D、管材：
无缝钢管、直缝钢管和PE管。
宁波市城市天然气管网简图
1.2 计算参数和计算公式
A、管网压力级制：
中压B；
B、燃气设计温度：
288.15K；
C、燃气密度：
1.83Kg/m3；
D、燃气运动粘度：
25×10-6 m2/s；
E、压缩因子：
1；
F、管道粗糙度K：
0.10mm（钢管），0.01mm（PE管）；
J、计算精度：
0.01。
根据《城镇燃气设计规范（2002年版）》（GB50028-93）5.2.5规定，中压燃气管道单位长度的摩擦阻力损失应按下式计算（摩擦阻力系数按柯氏公式计算）：
节点流量，对整个管网转换区域划分做理论上的校核。
通过计算所得数据分析，需保证宁波市天然气管网转换区域划分的科学合理性和可操作性。
宁波市城市天然气管网负荷分布简图
（2）应急气源供应核算
由于宁波近期供应的仅东海气，东气与西气管网尚未连通。
上游浙江省公司不保证天然气供气的连续稳定，需由宁波市自行解决停气或减少气量等情况下的应急问题，为此宁波市将二座液化气混空气站做为应急气源站。
计算为中压B级水力管网环状运行工况及平差计算；
气源点以液化气混气站一个气源点；
管道试算起点压力：
分别按0.25Mpa（绝）和0.30Mpa（绝）进行测算；
管道末端最低点压力：
要求在0.15Mpa（绝）以上；
管道计算总流量：
8100Nm3/h。
从计算结果来看：
输送压力为0.3Mpa（绝）时尚可满足输送要求，但输送压力为0.25Mpa（绝）时则不能满足输送要求，须提高压力运行。
2、转换区域（片区）的划分
天然气转换是一项周期较长、安全性要求高的工作，需将整个天然气管网转换工程分成相对独立的区域，在科学合理的测算分析之后完成转换区域的划分。
区域划分应遵循以下原则：
A、按天然气的走向划分；
B、以先新后旧、先易后难的形式进行划分；
C、确保管网压力工况稳定来划分；
D、对用户生活、生产的影响最小来划分
E、以公司能组织的转换服务人员的力量来划分
宁波市在转换中将空混气用户以3000---6000户为一片区进行转换；液化气片区以3000户左右为一片进行转换。
3、天然气转换调压器、流量计（表具）的改造
3.1 调压设施的改造
在宁波市燃气输配系统中，调压设施主要采用的区域调压箱、楼栋调压箱、高层建筑采用户内调压器。
早期使用的大丰调压箱内部的切断阀门是油密封旋塞阀，部分弯头、三通管材用的是铸铁管件，部分区域调压箱不带切断功能，并且均为一调一旁通，从近几年来的运行情况来看油密封旋塞阀切断性能差，往往关不死给检修、管网安全运行带来很大的麻烦，为此对此类区域调压箱均考虑更新改造。
为确保天然气转换后区域调压箱的安全稳定运行，对大丰调压箱采取了整体更换调压箱的措施，功能上均按一主一付调压器加一旁通进行配置，以确保供气的连续可靠。
对春晖调压箱采取更换主调弹簧的办法进行改造。
对户内调压器采用更换两用调压器提前更换的办法解决。
3.2 流量计（表具）的改造
由于液化石油气的热值约为天然气热值的3倍，因此，在天然气置换液化石油气时，在用气设备热负荷不变的情况下，原计量液化石油气流量的燃气表显然不适宜于计量天然气流量。
一般情况下，以原计量液化石油气流量的燃气表流量上限的2倍以上，作为选择天然气燃气表的流量上限（Qmax）的依据；将实际的最小负荷量作为选择天然气燃气表的流量下限（Qmin）值。
针对宁波市目前燃气表的使用主要为皮膜表的情况，在天然气置换时，更换大流量燃气表的措施可以考虑以下方案：
（1）、天然气置换前，应对所有燃气客户端的燃气用气设备进行充分的普查，统计分析客户的用气负荷和用气规律，据此分析出用气设备的最大负荷、额定负荷和最小负荷，在天然气转换时或之前将其更换。
（2）、当同一台燃气表下端装有多台用气设备时，如果单台燃气表的量程范围不能覆盖客户的用气设备组的最大流量和最小流量时，应考虑对客户的用气设备组进行分组配置燃气表或对特殊燃气设备单独配置燃气表。
经过以上调查和统计分析，对居民用户额定流量1.6万和2.5立方米/小时的皮膜表不进行更换。
对部分公建用户的皮膜表需要更换或对管道进行重新配置、增设流量计。
4、转换区域管网设施及阀门改造
4.1 阀门改造
阀门的改造应在充分调查的基础上做出正确决策，阀门改造主要包括以下内容：
（1）、油密封旋塞式阀门由于密封性能不好，尤其在中压管网上的阀门应考虑更新闸板阀门或球阀，以保证密封性。
（2）、旧式闸板阀门在使用液化气一段时间后，由于管道中的杂质粘附于阀底，造成阀门关闭不严，容易发生事故。
特别是作为切断分隔阀门时，必须考虑更新。
（3）、阀门的改造可以与原生产厂家或供应商联系，商讨最佳的改造方案，一般采用更换阀门和波纹膨胀节的方式改造，在改造中尽可能不动明火，确保施工安全同时应充分考虑将对用户的生活影响降到最小。
（4）、阀门更新改造的方法
a、不停气更换阀门
b、按片区停气更换
根据宁波市城市天然气转换实施方案对转换片区的划分，阀门的改造和更换采取按片区更换的方法。
更换的原则是尽量不停气，利用晚上时间集中力量批次更换。
将改造可能对用户生活、生产带来的影响降到最小。
在涉及到大面积停气的情况时，一般将改造工作安排在晚上00:
00——上午6:
00停气改造。
4.2 燃气管道改造
早期燃气管道设计是按液化石油气介质设计的，设计压力有0.2Mpa、0.3Mpa，实际运行压力液化气为0.05Mpa，空混气为0.1Mpa。
在管网资料的普查基础上对局部最不利工况进行水力计算校核。
（1）、中压进户的高层用户，委托设计校核，有条件更换成低压进户供应，没有条件，增设中中调压器，将压力由0.4MPa调至0.1MPa供气，户内再调压到低压；
（2）、通过水力计算，分析现状管网存在不足，进一步以优化城市管网供应为出发点进行必要的管道连通改造；
（3）结合阀门等更新改造，分段试压为今后管网升压运行做准备；
4.3 凝水缸改造
原来管道上有许多凝水缸，主要用于排除管道中的积水，由于天然气属干式气体，保留凝水缸，会增加天然气泄漏的机会，特别宁波市人行道上凝水缸因人行道改成车道或道路改造，而多次遇到凝水缸降低的困境和因施工损坏的抢修危险，因此可考虑减少凝水缸的设置，对于庭院小区的凝水缸可适当保留。
凝水缸改造可采取整体割除或封堵的方式。
5、燃器具的转换改造
5.1 天然气转换互换性要求
规定天然气的热值指标，实际上就是限定燃烧气体的华白指数范围，解决气源互换性的重要手段，满足华白指数在5%～10%范围内波动，有利于对燃器具燃烧各项性能满足规范规定。
5.2 民用燃器具改造分析
对燃具的改造分析，目的是通过用“东海”天然气对现有以液化气、液化石油气混气为气源的燃具分别进行燃烧分析，一方面说明天然气能否应用于目前的大多数燃具，另一方面用分析结果指导我们对现有燃具进行改造的方向。
宁波城市燃气类型主要有纯液化气和液化气掺混气这两大类，分别有对应的燃具使用上述两类燃气，使用不同类型燃气的燃具不能燃烧其它类型燃气。
考虑到燃烧以上两类燃气的燃具都很可能使用“东海”天然气，所以本节分析就是先针对天然气计算不同燃具燃烧器的调整内容，经过相应改造后再用“东海”天然气分别对不同燃具进行分析，检查这些调整措施是否适当，同时确定使用天然气燃烧器的形式。
因为天然气与液化气品质相差较大，天然气用于现有城市燃具上，必须对燃具作相应调整或改造，否则现有燃具燃烧状况达不到额定指标或根本达不到燃烧，甚至可能出现燃烧不完全中毒和爆炸等危险情况。
天然气应用后，燃具燃烧器调整分为三个方面：
（1）维持额定热负荷而调整喷嘴直径；
（2）维持稳定燃烧而调整火孔形式和尺寸；（3）一次空气系数的调整。
本节分析主要针对民用燃具，民用燃具有很多种燃具，这里选择使用较多、较为典型的家用双眼灶作天然气燃烧分析，因此相应有如下两组分析结果，见下表：
现有燃具经改造后燃烧天然气分析
Ⅰ组
本组分析调整对象是原先使用纯液化气的双眼灶。
现准备用天然气替换，在燃烧前需对燃具作如下调整：
（1）.为维持额定热负荷
调整燃烧器喷嘴直径d天然气=1.37d液化气。
（2）.为维持稳定燃烧
天然气替换液化气后，燃烧势和火焰速度变化较大，为维持稳定燃烧需适当调整燃烧器火孔形式和尺寸，见下表。
（3）.校核一次空气系数
燃烧器调整详见下表。
Ⅰ组试验燃烧器调整表
Ⅱ组
本组分析调整对象是原先使用掺混气的双眼灶。
现准备用天然气替换，在燃烧前需对燃具作如下调整：
（1）.为维持额定热负荷
调整燃烧器喷嘴直径d天然气=0.8d空混气。
（2）.为维持稳定燃烧
天然气替换掺混气后，燃烧势和火焰速度变化较大，为维持稳定燃烧需适当调整燃烧器火孔形式和尺寸，见下表。
（3）.校核一次空气系数
燃烧器调整详见下表。
Ⅱ组试验燃烧器调整表
燃气种类
液化石油气混空气（原先参数）
天然气（改造参数）
燃烧器喷嘴直径（mm）
1.8
1.5
火孔尺寸（mm）
园孔dp
3.2
3.2
火孔中心间距s（mm）
8
8
火孔深度h（mm）
8
8
火孔排数
两排
两排
火孔热强度qp×10-3（kW/mm2）
7.73
7.73
火孔出口流速vp（Nm/s）
1.2
1.2
主燃烧器热负荷Q（kW）/（kcal/h）
3.8/3273
3.8/3273
一次空气系数α
0.65
0.65
对燃具改造分析结果总结于下表所示：
现有燃具天然气改造分析
试验项目
分析Ⅰ
分析Ⅱ
热负荷
3.8Kw
3.8Kw
热效率
>55%
>55%
燃烧稳定性
离焰
无
无
回火
无
无
黄焰
无
无
不完全燃烧
低
低
产物排放
CO
<0.05%
<0.05%
NOX
极少
极少
SO2
极少
极少
通过理论计算结果来看需要调整喷嘴直径，但实际对空混气用户的天然气转换中，更多地采取对区域调压器的压力适当调低，来满足使用天然气后热负荷增加太多CO含量大幅上升的情况；其次原使用空混气的用户大部分购置的是天然气的炉具，因此无需改造。
对部分原使用人工煤气或液化气的炉具已进行过一次空混气改造的，若改造后喷嘴直径过大，本次天然气转换需要更换喷嘴。
三、天然气转换过程中应注意的几个问题
1、现状管网存在问题及分析
宁波早期的燃气管网设计压力为0.2MPa或0.3MPa，而目前管道设计压力为：
0.4MPa。
根据《宁波市天然气利用工程初步设计》，燃气管道近期运行压力0.3MPa，远期为0.4MPa。
严格意义上说，设计压力低的管道不能输送压力高的介质。
为此，我们从技术层面分析一下原有管道运行高压力下的可行性。
首先，从材料选型方面来看：
早期燃气管道选用管材全部采用无缝钢管和PE管，其管材、阀门、调压箱的选用与目前0.4MPa设计压力下的材料、设备相同，满足新压力下的材料要求。
其次，从施工工艺方面来看：
管道连接都采用焊接工艺，并按比例固定焊30%，转动焊15%比例进行X射线检测，另外早期钢管管材防腐材料为PE胶带和单层环氧粉末喷涂也能满足现形规范的要求。
最后，从验收标准方面来看：
按城镇燃气设计规范及相关工程标准进行施工和验收，并在质量技术监督局的监检下完成，符合国家的验收规范，因此从整体来看，早期敷设的管道从材料、设备、施工到验收都符合燃气规范的要求，不同之处在于管道强度试验和气密试验的压力大小不一样。
因此，若将原设计压力等级较低的管道不重新做强度和气密性试验，直接升压运行，管材和焊缝的强度是能够满足要求的，在管道上的各焊缝接口出现泄漏的可能性几乎没有，但可能会在阀门井内法兰面和凝水缸的丝口处出现泄漏。
由于目前宁波市的管道尚未成环，若将现有管道做升压强度和气密性试验，必会造成大规模的小区停气，影响居民的生活用气。
因此，为确保管网运行安全，在初期可在原设计压力下运行。
今后结合管网设施改造工程，对管网停气试压，重点检查法兰面的泄漏情况，确认无泄漏后再升压运行；升压运行后安排巡检人员对沿线管道加强检查。
2、现状管网天然气转换时区域划分及压力级制的设定
宁波市天然气转换根据天然气的来气方向，采取先易后难的原则，实际分区时根据宁波的管网分布及天然气的来源等综合考虑确定，同时在管网的区域划分，根据输配系统的特点确定，并尽可能利用现有阀门或加装分段阀门进行分区转换。
在区域划分过程中首先要做好管网水力计算以确保转换后片区的供气流量和压力，要确保管网转换过程中不出现由于天然气和液化石油气运行压力不同造成管网窜气现象（要更换好切断阀门），减少可能对转换工作带来严重的后果的一切因素。
考虑到宁波管道燃气相对其他城市而言起步较晚，管网成环较少以及管道设计压力的不同等因素，宁波市天然气供应近期根据管道设计压力情况将管网供气设置为中压A和中压B两个压力级别供应区域。
其中中压A级供应区域为中心城区以外地区，相对而言宁波市工业用户多数分布在中心城区以外地区，由外到内通过设置中中压调压设施可以解决由于早期管道设计压力为0.2MPa的管网区域。
3、天然气转换应建立应急气源
天然气利用工程供气应做到安全、稳定、可靠，同时又要经济合理。
供气要稳定可靠就必须避免由于上游停气事故，对下游城市供气的影响。
近期宁波市天然气气源为单一气源，难免因长输线路或气源的其它方面发生事故而影响供气。
当上游供气方出现无法避免的事故工况，可能造成停气时，燃气公司就必须设立自己的应急气源。
为此宁波市将两座液化气混气站进行扩建将可供15万户居民和公建用户用气，作为宁波市天然气的（短期内）应急气源。
随着东、西气管道连通及宁波LNG项目的建成，应急气源更多的将由上游公司统一考虑，以确保城市的安全稳定供应。
四、结束语
1、由于转换后天然气的管网运行压力比原来液化石油气和空混气供应压力高，所以对管网设施的提前进行改造是必要的，也是必须的。
2、为确保城市天然气供应的安全、稳定，天然气转换工程实施必须同步考虑建立应急气源。
3、管网转换时区域的划分必须保证区域切断阀门关闭的严密性，同时片区的划分必须经过管网水力计算分析。
4、转换过程中难免会造成停气，在停气后恢复供应燃气时要做好严密的安全的工作程序和措施。
5、城市天然气转换工作是一项安全要求极高的工作，因此在城市天然气转换过程中必须有充分的准备才能确保安全。
通过管网天然气的转换这项工作，是对已建城市管网设施的检查和安全的提升，有利于今后管网设施的安全运行和管理。
参考文献：
[1] 谢伟光.城市燃气管道水力计算公式的简化[J].煤气与热力，2000，20（4）；251-254
[2] 同济大学、重庆建筑大学、哈尔滨建筑大学、北京建筑工程学院合编《燃气燃烧与应用》，北京中国建筑工业出版社，2000年12月第三版
[3] CJ 3055—1995，城镇燃气用阀门的试验与检验[S]
[4] 《燃气工程技术手册》 姜正候编著 同济大学出版社 1993年
[5] 段常贵，徐彦峰，吕文哲，等.燃气管网的稳态分析[J]煤气与热力，2000，20
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