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【摘要】城市燃气管道与城市的建设、城市的经济发展以及居民的正常生活存在着密切的联系。因此在城市燃气管网设计时要认真总结并运用好学习考察的成果和经验，对城市对燃气的需求进行合理性地预测，实现经济、合理、科学的管网设计，并且提升管网输送的安全性能。
【关键词】城市燃气；管网；设计
中图分类号：S611文献标识码： A
一、前言
目前，天然气已经成为我国城市的主要气源之一。城市燃气是城市能源供应的一个重要组成部分，搞好城市燃气的发展设计不仅仅是城市总体规划的工作任务，也是燃气市场自然发展的需要。天然气管网规划设计必须科学化，不仅要满足用户和工艺设计的要求，而且要使城镇天然气系统工程所需的投资费用最少，保证整个城镇天然气管网运行经济、安全和可靠。
二、城市燃气管网概述
城市燃气管网是面向全社会的市政工程。其主要功能要求是在任何时间将足够数量的燃气输送，分配给用气点(用户)，并应具有合乎标准的供气质量。其主要指标即是维持用气点在允许的压力范围内，对燃气管网的其他技术要求是应具有足够的安全裕度。在个别管段因损坏或其他原因需加截断的情况下仍能维持接近正常的供气。因此，燃气管网一般都设计成环形，而且环形管网的相邻管网的相邻管段尽量避免管径规格的突然变化，整个系统构造(配量及管径)尽可能均匀。从设计工作进行的中间阶段上依次可分为管网布置、负荷计算、管径确定、水力工况计算(俗称水力平差)、管网优化、绘图等环节。
传统的管网设计所有这些环节都依靠手工进行。计算的规模和速度都受到极大的限制。例如进行管网水力工况计算，对30~50个环路的情况，手工计算需7~10日以上，并且只能得到精度很差的结果。对超过30~50环的管网往往只能“拆环”计算或采取将整体分块单独计算，在块间相连边界上做到水力工况的接近，即认为满足要求。实际上根本也无法对所设计的管网进行优化。在计算机应用到这个设计领域后，情况发生了根本的变化，计算的规模和速度空前扩大。除管网布置仍主要依赖于人的经验外，处理其他各计算环节都具有很高的自动化程度，但是又有很灵活的人机对话条件便于人工干预。
三、 科学合理规划管网的设计
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。根据《城市总体发展战略规划》，城市人口达到一定程度，经济发展到一定规模，能源消费总量也将趋于一定水平。一般城市能源消费总量将呈现出3个增长阶段:先是缓慢 增 加，然后快速增加，最后逐渐趋于稳定。根据城市能耗的这一发展规律我们把城市能耗做一个合理科学的预测，对城市燃气管网设计提供依据。
2. 利用回归法分析城市燃气负荷
回归分析法是从研究燃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。
四、燃气管网管径的选择
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. 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，零速点的确定按照燃气总是从气源点流向最远点的原则确定。
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。
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”。城市燃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。对城市燃气管道耐久性寿命准则的合理选择是进行耐久性评估与壽命预测的重要前提。
（一）城市燃气管道反腐蚀性选择。因城市燃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。在城市燃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，是城市燃气管道防腐蚀的第一道防线。采用城市燃气管道腐蚀寿命准则的理由，主要是考虑城市燃气管道开始腐蚀，在一定的腐蚀量和腐蚀时间下就足以使得城市燃气管道产生各种腐蚀缺陷。但是对大多数城市燃气管道而言，以城市燃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。
（二)管道承载力。承载力寿命理论是考虑城市燃气管道腐蚀引起的抗力退化，当城市燃气管道的承压能力下降到不足以抵抗城市燃气管道压力的荷载作用时， 城市燃气管道就达到了承载力失效的状态，这一界限值作为城市燃气管道的耐久性极限状态。
五、控制零点压力的管径优化
对某一个节点，按着流向，处于该节点前方的管段称为该节点的上游管段，全部上游管段的集合构成该节点的上游子图。上游子图中的管段，特别是处于供气点到该节点的最短路上的各管段管径改变对该节点压力影响较大。
对零点按照压力分类。规定一个适当的压力pm，存在关系pm>pmin。当零点压力低于pmin时，称为低零点；当零点压力p满足pmin≤p≤pm，称为中零点，即压力比较合适的零点；若p>pm，称为高零点。进行管网平差计算，如果存在低零点，则找出该低零点的上游子图。将管段的实际单位长度压力降Δp/L乘以该管段的权值称为计算单位长度压力降。处于供气点到该节点的最短路上的管段权值取100，其余管段权值取1，按计算单位长度压力降从大到小的顺序对全部上游管段排序，按此顺序逐一尝试放大管径，直至该节点压力高于pmin。消除低零点后，若存在高零点，进行优化。高零的上游子图中的一些管段同时属于中零点的上游子图，如果将这些管段管径缩小，就可能使中零点变成低零点。据经验，一般管段的Δp/L均大于某个值Δpl，sp。在高零点的上游子图中扣除与中零点的上游子图共有的管段及Δp/L>Δpl，sp的管段，得到可优化管段集。对其中的管段，逐一尝试缩小管径，进行平差计算。若出现低零点，则优化失败，把管径恢复原值；否则优化成功，继续优化，直至消除高零点。
六、结束语
城市燃气管道失效的危害与城市的建设、经济发展、居民的正常生活可以说是息息相关的。因此必须科学合理地对城市燃气管网进行设计，根据管网的耐久性对城市燃气管道的安全运行时间进行预测，真实反映工程的状况，并及时有效地检测以及维护城市燃气管道，保证城市燃气管道的安全运营，从而最大限度地发挥城市燃气管道的最高经济效益。
参考文献：
[1] 刘伟，李春华，陈天朝 中小城市燃气管网改造必要性及措施探析中国科技信息-2011年03期第230-231页
[2] 刘威，刘聿天 浅议城市燃气管网的设计选择与设计要点科技资讯- 2011年05期第58-60页
[3]王建强，邢滕，王文红 城市燃气管网的管径优选河北工业科技-2010年01期第49-51页
[4]田亮 浅议城市燃气管网的设计选择与设计要点中国科技博览-2012年32期第471页
【关键词】城市燃气；管网；设计
中图分类号：S611文献标识码： A
一、前言
目前，天然气已经成为我国城市的主要气源之一。城市燃气是城市能源供应的一个重要组成部分，搞好城市燃气的发展设计不仅仅是城市总体规划的工作任务，也是燃气市场自然发展的需要。天然气管网规划设计必须科学化，不仅要满足用户和工艺设计的要求，而且要使城镇天然气系统工程所需的投资费用最少，保证整个城镇天然气管网运行经济、安全和可靠。
二、城市燃气管网概述
城市燃气管网是面向全社会的市政工程。其主要功能要求是在任何时间将足够数量的燃气输送，分配给用气点(用户)，并应具有合乎标准的供气质量。其主要指标即是维持用气点在允许的压力范围内，对燃气管网的其他技术要求是应具有足够的安全裕度。在个别管段因损坏或其他原因需加截断的情况下仍能维持接近正常的供气。因此，燃气管网一般都设计成环形，而且环形管网的相邻管网的相邻管段尽量避免管径规格的突然变化，整个系统构造(配量及管径)尽可能均匀。从设计工作进行的中间阶段上依次可分为管网布置、负荷计算、管径确定、水力工况计算(俗称水力平差)、管网优化、绘图等环节。
传统的管网设计所有这些环节都依靠手工进行。计算的规模和速度都受到极大的限制。例如进行管网水力工况计算，对30~50个环路的情况，手工计算需7~10日以上，并且只能得到精度很差的结果。对超过30~50环的管网往往只能“拆环”计算或采取将整体分块单独计算，在块间相连边界上做到水力工况的接近，即认为满足要求。实际上根本也无法对所设计的管网进行优化。在计算机应用到这个设计领域后，情况发生了根本的变化，计算的规模和速度空前扩大。除管网布置仍主要依赖于人的经验外，处理其他各计算环节都具有很高的自动化程度，但是又有很灵活的人机对话条件便于人工干预。
三、 科学合理规划管网的设计
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。根据《城市总体发展战略规划》，城市人口达到一定程度，经济发展到一定规模，能源消费总量也将趋于一定水平。一般城市能源消费总量将呈现出3个增长阶段:先是缓慢 增 加，然后快速增加，最后逐渐趋于稳定。根据城市能耗的这一发展规律我们把城市能耗做一个合理科学的预测，对城市燃气管网设计提供依据。
2. 利用回归法分析城市燃气负荷
回归分析法是从研究燃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。
四、燃气管网管径的选择
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. 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，零速点的确定按照燃气总是从气源点流向最远点的原则确定。
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。
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”。城市燃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。对城市燃气管道耐久性寿命准则的合理选择是进行耐久性评估与壽命预测的重要前提。
（一）城市燃气管道反腐蚀性选择。因城市燃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。在城市燃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，是城市燃气管道防腐蚀的第一道防线。采用城市燃气管道腐蚀寿命准则的理由，主要是考虑城市燃气管道开始腐蚀，在一定的腐蚀量和腐蚀时间下就足以使得城市燃气管道产生各种腐蚀缺陷。但是对大多数城市燃气管道而言，以城市燃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。
（二)管道承载力。承载力寿命理论是考虑城市燃气管道腐蚀引起的抗力退化，当城市燃气管道的承压能力下降到不足以抵抗城市燃气管道压力的荷载作用时， 城市燃气管道就达到了承载力失效的状态，这一界限值作为城市燃气管道的耐久性极限状态。
五、控制零点压力的管径优化
对某一个节点，按着流向，处于该节点前方的管段称为该节点的上游管段，全部上游管段的集合构成该节点的上游子图。上游子图中的管段，特别是处于供气点到该节点的最短路上的各管段管径改变对该节点压力影响较大。
对零点按照压力分类。规定一个适当的压力pm，存在关系pm>pmin。当零点压力低于pmin时，称为低零点；当零点压力p满足pmin≤p≤pm，称为中零点，即压力比较合适的零点；若p>pm，称为高零点。进行管网平差计算，如果存在低零点，则找出该低零点的上游子图。将管段的实际单位长度压力降Δp/L乘以该管段的权值称为计算单位长度压力降。处于供气点到该节点的最短路上的管段权值取100，其余管段权值取1，按计算单位长度压力降从大到小的顺序对全部上游管段排序，按此顺序逐一尝试放大管径，直至该节点压力高于pmin。消除低零点后，若存在高零点，进行优化。高零的上游子图中的一些管段同时属于中零点的上游子图，如果将这些管段管径缩小，就可能使中零点变成低零点。据经验，一般管段的Δp/L均大于某个值Δpl，sp。在高零点的上游子图中扣除与中零点的上游子图共有的管段及Δp/L>Δpl，sp的管段，得到可优化管段集。对其中的管段，逐一尝试缩小管径，进行平差计算。若出现低零点，则优化失败，把管径恢复原值；否则优化成功，继续优化，直至消除高零点。
六、结束语
城市燃气管道失效的危害与城市的建设、经济发展、居民的正常生活可以说是息息相关的。因此必须科学合理地对城市燃气管网进行设计，根据管网的耐久性对城市燃气管道的安全运行时间进行预测，真实反映工程的状况，并及时有效地检测以及维护城市燃气管道，保证城市燃气管道的安全运营，从而最大限度地发挥城市燃气管道的最高经济效益。
参考文献：
[1] 刘伟，李春华，陈天朝 中小城市燃气管网改造必要性及措施探析中国科技信息-2011年03期第230-231页
[2] 刘威，刘聿天 浅议城市燃气管网的设计选择与设计要点科技资讯- 2011年05期第58-60页
[3]王建强，邢滕，王文红 城市燃气管网的管径优选河北工业科技-2010年01期第49-51页
[4]田亮 浅议城市燃气管网的设计选择与设计要点中国科技博览-2012年32期第471页