城市燃气用量的计算

5.2　城市燃气用量的计算

终端用户对燃气一个时段内的需用量以及用气量随时间的变化统称为燃气负荷。在进行城镇燃气规划时，首先要确定燃气用气负荷，这是确定燃气气源、输配管网和设备通过能力的依据。城镇燃气用气负荷主要取决于用户类型、数量及用气量指标。

用气负荷具有随机性、周期性等特征，应对燃气负荷进行科学的预测以在安全、可靠、经济的条件下满足城市用气的要求。

目前城市燃气的用气领域主要有居民用户、商业用户(含公共建筑用户)、工业企业用户、采暖空调用户、燃气汽车用户等。

计算城市燃气用量的目的，是确定城市燃气的总需要量，从而根据需要和可能性来确定城市燃气供应系统的规模。

5.2.1　供气原则

供气原则不仅涉及国家及地方的能源与环保政策，而且与当地气源条件等具体情况有关。因此，应该从提高热效率和节约能源、保护环境等方面综合考虑。一般要根据燃气气源供应情况、输配系统设备利用率、燃气供应企业经济效益、燃气用户利益等方面的情况，分析并制定合理的供气原则。

城镇居民及商业用户是城镇燃气供应的基本用户。在气源不够充足的情况下，一般应考虑优先供应这两类用户用气。解决了这两类用户的用气问题，不但可以提高居民生活水平、减少环境污染、提高能源利用率，还可减少城市交通运输量，取得良好的社会效益。

1．居民用户及商业用户的供气原则

一般应优先满足城镇居民的炊事及生活热水用气，尽量满足与城镇居民配套建设的公共建筑用户(如托幼园所、学校、医院、食堂、旅馆等)的用气。其他商业用户(如宾馆、饭店、科研院所、机关办公楼等)也应优先供应燃气。

2．工业用户供气原则

1)采用人工燃气为城镇燃气气源

对于工业用户，当采用人工燃气为城镇燃气气源时，一般按两种情况分别处理。

(1)靠近城镇燃气管网，用气量不很大，但使用燃气后产品的产量及质量都会有很大提高的工业企业，可考虑由城镇管网供应燃气;合理发展高精尖工业和生产工艺必须使用燃气，且节能显著的中小型工业企业等。

(2)用气量很大的工业用户(如钢铁企业等)可考虑自行产气。

2)采用天然气为城镇燃气气源

当采用天然气为城镇燃气气源且气源充足时，应大力发展工业用户。

由于工业用户用气较稳定，且燃烧过程易于实现自动控制，是理想的燃气用户。当配用合适的多燃料燃烧器时，工业用户还可以作为燃气供应系统的调峰用户。因此，在可能的情况下，城镇燃气用户中应尽量包含一定量的工业用户，以提高燃气供应系统的设备利用率，降低燃气输配成本，缓解供、用气矛盾，取得较好的经济效益。

工业与民用燃气的用气量，如果具有适当的比例，将有利于平衡城镇燃气的供需矛盾，减少储气设施的设置。

3．燃气采暖与空调供气原则

我国有几十万台中小型燃煤锅炉分布在各大城镇，担负采暖或供应蒸汽的任务。这些锅炉热效率一般小于55%，是规模较大的城镇污染源。在制定城镇燃气供应规划时，如果气源为人工燃气，一般不考虑发展采暖与空调用气;当气源为天然气且气源充足时，可发展燃气采暖与空调、制冷用户，但应采取有效的调节季节性不均匀用气的措施。天然气采暖主要有集中采暖和单户独立采暖两种形式。

燃气空调和以燃气为能源的热、电、冷三联供的分布式能源系统已经引起广泛关注，它对缓解夏季用电高峰、减少环境污染、提高天然气管网利用率、保持用气的季节平衡、降低天然气输送成本都有很大帮助，是今后燃气空调发展的方向。

4．燃气汽车及其他用户供气原则

汽车尾气污染是城市大气污染的主要原因之一。为了降低大气污染、缓解石油紧张等原因，我国许多城市已经开始或即将发展燃气汽车用户，燃气汽车的气体燃料可采用压缩天然气、液化天然气和液化石油气等。从天然气的合理利用、环境保护和经济发展等方面来看，应努力发展天然气汽车、天然气发电等用气大户。

5.2.2　用气量指标

用气量指标又称为用气定额(或耗气定额)，是进行城市燃气规划、设计、估算燃气用气量的主要依据，其准确性和可靠性决定了用气量计算的准确性和可靠性。因为各类燃气的热值不同，所以常用热量指标来表示用气量指标。

1．居民生活用气量指标

居民生活用气量指标是城市居民每人每年平均燃气用量。

影响居民生活用气指标的因素很多，如住宅用气设备的设置情况、公共生活服务网(食堂、熟食店、饮食店、浴室、洗衣房等)的发展程度、居民的生活水平和生活习惯、居民每户平均人数、地区的气象条件、燃气价格、住宅内有无集中供暖设备和热水供应设备等。

通常，住宅内用气设备齐全，地区的平均气温低，则居民生活用气量指标越高，随着公共生活服务网的发展以及燃具的改进，居民生活用气量又会下降。

上述各种因素对居民生活用气量指标的影响无法精确确定。通常都是根据对各种典型用户用气进行调查和测定，并通过综合分析得到平均用气量，作为用气量指标。

我国一些地区和城市的居民生活用气量指标列于表5－2，对于新建燃气供应系统的城市，其居民生活用气量指标可以根据当地的燃料消耗、生活习惯、气候条件等具体情况，并参照相似城市的用气量指标确定。

表5－2　居民生活用气量指标　　MJ/(人·年)

2．商业用气量指标

商业用气量指标指单位成品或单位设施或每人每年消耗的燃气量(折算为热量)。影响商业用气量指标与用气设备的性能、热效率、商业单位的经营状况和地区的气候条件等因素有关。商业用气量的指标，应该根据商业用气量的统计分析确定。表5－3为商业用气量指标参考值。

表5－3　商业用户的用气量指标

3．工业企业用气量指标

工业企业用气量指标可由产品的耗气定额或其他燃料的实际消耗量进行折算，也可按同行业的用气量指标分析确定。部分工业产品的用气量指标如表5－4。

表5－4　部分工业产品的用气量指标

续表

4．采暖和空调用气量指标

可按《城市热力网设计规范》CJJ34或当地建筑物耗热量指标确定。

5．汽车用气量指标

与汽车种类、车型和单位时间运营里程有关，应当根据当地燃气汽车种类、车型和使用量的统计数据分析确定。当缺乏用气量的实际统计资料时，可按已有燃气汽车城镇的用气指标分析确定。表5－5列出了天然气汽车用气量指标。

表5－5　天然气汽车用气量指标

5.2.3　燃气需用工况

城镇燃气供应的特点是供气基本均匀，而用户的用气是不均匀的。用户用气不均匀性与许多因素有关，如各类用户的用气工况及其在总用气量中所占的比例，当地的气候条件，居民生活作息制度，工业、企业和机关的工作制度，建筑物和工厂车间用气设备的特点等。显然，这些因素对用气不均匀性的影响不能用理论计算方法确定。最可靠的办法是在相当长的时间内收集和系统地整理实际数据，才能得到用气工况的可靠资料。

用气不均匀性对燃气供应系统的经济性有很大影响。用气量较小时，气源的生产能力和长输管线的输气能力不能充分发挥和利用，从而提高了燃气的成本。

用气不均匀情况可用季节或月不均匀性、日不均匀性、小时不均匀性描述。

1．月用气工况

影响月用气工况的主要因素是气候条件，一般冬季各类用户的用气量都会增加。居民生活及商业用户加工食物、生活热水的用热会随着气温降低而增加;而工业用户即使生产工艺及产量不变化，由于冬季炉温及材料温度降低，生产用热也会有一定程度的增加。采暖与空调用气属于季节性负荷，只有在冬季采暖和夏季使用空调的时候才会用气。显然，季节性负荷对城镇燃气的季节或月不均匀性影响最大。北京地区已出现采暖期用气负荷为夏季用气负荷的5～6倍的情况。

1年中各月的用气不均匀情况可用月不均匀系数表示，K_m是各月的用气量与全年平均月用气量的比值，但这不确切，因为每个月的天数在28～31天的范围内变化。因此月不均值可按下式确定:

12个月中平均日用气量最大的月，也即月不均匀系数值最大的月，称为计算月。并将月最大不均匀系数K_mmax称为月高峰系数。

2．日用气工况

一个月或一周中日用气的波动主要由以下因素决定:居民生活习惯，工业、企业的工作和休息制度，室外气温变化等。

居民生活的炊事和热水日用气量具有很大的随机性，用气工况主要取决于居民生活习惯，平日和节假日用气规律各不相同。即使居民的日常生活有严格的规律，日用气量仍然会随室外温度等因素发生变化。工业、企业的工作和休息制度，也比较有规律。而室外气温在一周中的变化却没有一定的规律性，气温低的日子里，用气量大。采暖用气的日用气量在采暖期内随室外温度变化有一些波动，但相对来讲是比较稳定的。

用日不均匀系数表示一个月(或一周)中日用气量的变化情况，日不均匀系数可按下式计算:

计算月中日不均匀系数的最大值K_dmax称为该计算月的日高峰系数。K_dmax所在日称为计算日。

3．小时用气工况

城市中各类用户在一昼夜中各小时的用气量有很大变化，特别是居民和商业用户。居民用户的小时不均匀性与居民的生活习惯、供气规模和所用燃具等因素有关。一般会有早、中、晚3个高峰。商业用户的用气与其用气目的、用气方式、用气规模等有关。工业、企业用气主要取决于工作班制、工作时数等。一般三班制工作的工业用户，用气工况基本是均匀的。其他班制的工业用户在其工作时间内，用气也是相对稳定的。在采暖期，大型采暖设备的日用气工况相对稳定，单户独立采暖的小型采暖炉多为间歇式工作。

城市燃气管网系统的管径及设备，均按计算月小时最大流量计算。通常用小时不均匀系数表示一日中小时用气量的变化情况，小时用气工况变化对燃气管网的运行以及计算平衡时不均匀性所需储气容积都很重要。小时不均匀系数可按下式计算:

计算日的小时不均匀系数的最大值K_hmax称为计算日的小时高峰系数。

5.2.4　城市燃气年用量的计算

年用气量根据燃气的用户类型、数量及各类用户的用气指标确定，由于各类用户的用气指标单位不同，因此，城市燃气年用气量一般按用户类型分别计算后汇总。

1．居民生活用气量

在计算居民生活年用气量时，需要确定用气人数。居民用气人数取决于城市居民人口数和气化率。气化率是指城市居民使用燃气的人口数占城市总人口数的百分比。一般城市的气化率很难达到100%，其原因是有些旧房屋结构不符合安装燃气设备的条件，或居民点离管网太远等。

根据居民生活年气量指标、居民数、气化率即可按以下公式计算:

式中　Q_y————居民生活年用气量，m³/a;

　N————居民人数，人;

　k————气化率，%;

　q_j————居民生活用气量定额，MJ/(人·a);

　H_l————燃气低热值，MJ/m³。

2．商业用气量

计算商业年用气量时，首先应该了解现状(如建筑设施的床位，幼儿园和托儿所的入园、入托人数等)和规划商业的数量、规模(如饮食业的座位、营业额、用粮数)，医院、旅馆设施的标准(如入园、入托人数比例，医院、旅馆的床位和饮食业座位的千人指标等)，然后结合表5－3的用气量指标进行计算。

当不能取得商业建筑设施的用气统计资料和规划指标时，可向煤炭供应部门搜集上述用户的现状年耗煤量，并考虑自然增长(据历年统计资料推算增长率)进行计算。在折算时要考虑燃气和烧煤的热效率不同。

商业年用气量计算公式:

式中　Q_y————商业用户年用气量，m³/a;

　N————居民人数，人;

　M————各类用气人数占总人口的比例数;

　q_g————各类商业用气量定额，MJ/(人·a);

　H_l————燃气低热值，MJ/m³。

3．燃气采暖用气量

房屋采暖年用气量与使用燃气采暖的建筑面积、采暖耗热指标和年采暖期长短等因素有关，一般可按下式计算:l

式中　Q_c————年采暖用气量，m³/a;

　F————使用燃气采暖的建筑面积，m²;

　q_H————建筑物的耗热指标，MJ/(m²·h);

　n————采暖负荷最大利用小时，h/a;

　H_l————燃气低热值，MJ/m³;

　η————燃气采暖系统热效率，%。

其中采暖负荷最大利用小时数n可用下式计算:

式中　n————采暖负荷最大利用小时，h;

　n₁————采暖期，h;

　t₁————采暖期室内设计温度，℃;

　t₂————采暖期室外空气平均温度，℃;

　t₃————采暖期室外计算温度，℃。

由于各个地区的冬季室外采暖计算温度不同，各种建筑物对室内温度又有不同的要求，所以各地的耗热指标q_H是不一样的，一般可由实测确定。η值因采暖系统不同而异，一般可达70%～80%。

4．工业用气量

工业用气量的确定与工业企业的生产规模、工作班制和工艺特点有关。在规划阶段，由于各种原因，很难对每个工业用户的用气量进行精确计算，往往根据其煤炭消耗量折算煤气用量，折算时应考虑自然增长率、使用不同燃料时热效率的差别。一般工业用户用气量可根据中小企业现状及发展趋势，同时也要考虑对燃气价格的承受能力，若有条件时，可利用各种工业产品的用气定额来计算工业用气量。

在缺乏产品用气量指标资料的情况下，通常是将工业企业其他燃料的年用量，折算成燃气用气量，其折算公式如下:

式中　Q_y————工业年用气量，m³/a;

　G_y————其他燃料年用量，t/a;

　H'_l————其他燃料的低发热值，MJ/kg;

　H_l————燃气的低热值，MJ/m³;

　η'————其他燃料燃烧设备的热效率，%;

　η————燃气燃烧设备的热效率，%。

各种燃料的热效率参见表5－6。

表5－6　各种燃料的热效率

作为概略计算，也可以参照相似条件的城市的工业和民用用气量比例，取一个适当的百分数进行估算。对于新建工业开发区，尚未确定用气规模的大型工业用户，当缺乏资料时也按工业用地面积测算指标测算用气量。

5．燃气汽车用气量

天然气汽车主要包括公交车、出租车、环卫车等。燃气汽车用气量应根据当地燃气汽车的种类、车型、发展规模及耗油量等统计分析确定，当缺乏资料时，可参照已有燃气汽车的城镇的用气量指标确定。

6．未预见气量

未预见气量主要是指管网的燃气漏损量和发展过程中未预见到的供气量。一般未预见气量按总用气量的5%计算。

规划设计中，应将未来的燃气用户尽可能地考虑进去，未建成、暂不供气的用户不能一律划归未预见供气范围。

因此，城市燃气年用气量为各类用户年用气量总和的1.05倍。

5.2.5　计算用量的确定

燃气的年用量不能直接用来确定城市燃气管网、设备通过能力和储存设施容积。决定城市燃气管网、设备通过能力和储存设施容积时，需要根据燃气的需用情况确定计算月高峰小时计算流量。其中，高峰小时计算流量的确定，关系着输配系统的经济性和可靠性。高峰小时计算流量定得过高，将会增加输配系统的金属消耗和基建投资;定得过低，又会影响用户的正常用气。

确定燃气高峰小时计算流量的方法基本上有两种:不均匀系数法和同时工作系数法。对于既有居民和公共建筑用户，又有工业用户的城市，高峰小时计算流量一般采用不均匀系数法，也可采用最大负荷利用小时法确定。对于只有居民用户的居住区，尤其是庭院管网的计算，高峰小时计算流量一般采用同时工作系数法确定。

1．不均匀系数法

在规划、设计阶段估算燃气管道直径及设备容量时可使用不均匀系数法。这种方法适用于各种压力和用途的城市燃气分配管道的小时流量的计算。一般在作城市燃气供应系统的规划、设计时，燃气分配管道的小时计算流量可用下式计算:

式中　Q_j————燃气管道的计算流量，m³/h;

　Q_n————年用气量，m³/a;

　K_mmax————月高峰系数;

　K_dmax————日高峰系数;

　K_hmax————小时高峰系数。

城镇居民生活及商业用户用气的高峰系数应根据城镇用气的实际统计资料确定。当缺乏实际统计资料，或给未用气的城镇编制规划、进行设计时，可结合当地的具体情况，参照相似城镇的系数值选取，也可按下列推荐值选取:

当供气户数多时，小时高峰系数应选取低限值。

几个城市居民和商业用气高峰系数见表5－7。

表5－7　几个城市用气高峰系数

2．同时工作系数法

这种方法适用于居民小区、庭院及室内燃气管道的设计计算。

在用户的用气设备确定以后，可以用这种方法确定管道的小时计算流量。管道的小时计算流量根据燃气设备的额定流量和同时工作的概率来确定，其计算公式为

式中　K_t————不同类型用户的同时工作系数，当缺乏资料时，可取1;

　K₀————燃气灶具的同时工作系数;

　N————同一类型燃具的数目;

　Q_H————燃具的额定耗气量，m³/h。

同时工作系数K₀反映燃气灶具集中使用的程度，它与用户的生活规律、燃气灶具的种类、数量等因素密切相关。

用户的用气工况本质上是随机的，它不仅受用户类型和燃具类型的影响，还与居民户内用气人口、高峰时燃具开启程度以及能源结构等不确定性因素有关。也就是说K_t和K₀不可能理论导出，只有在对用气对象进行实际观测后用数理统计及概率分析方法确定。

同时工作系数法是考虑一定数量的燃具同时工作的概率和用户燃具的设置情况，确定燃气小时计算流量的方法。显然，这一方法并没有考虑使用同一燃具的人数差异。

各种不同工况的燃气灶具的同时工作系数是不同的，燃气灶具越多同时工作系数越小。

双眼灶同时工作系数K₀见表5－8。

表5－8　双眼灶同时工作系数K₀

续表

注:1．表中“燃气双眼灶”是指一户居民装设一个双眼灶的同时工作系数;当每一户居民装设两个单眼灶时，也可参照本表计算。

2．表中“燃气双眼灶和快速热水器”是指一户居民装设一个双眼灶和快速热水器的同时工作系数。