高层建筑天然气设计探讨

1、高层建筑天然气设计有关问题探讨郑州市市政工程勘测设计研究院邢红鹏摘 要：探讨了高层建筑室内天然气管道设计中附加压力、高层建筑沉降、 立管热补偿、燃气计量、安全措施等问题。关键词：高层建筑；室内燃气管道设计；附加压力；沉降；热补偿；燃气计 量；安全措施0.前言随着城市化进程的不断发展，建筑地产业的兴盛以及国家对土地 的严格控制政策，在各大、中城市中，大量的高层建筑乃至超高层建 筑已经建成和正在建设之中。其中尤以高层普通住宅和商住用房为突 出，这类建筑要求燃气的供应必须与之配套。 鉴于高层建筑的特殊性， 在进行其燃气供应系统的设计时，就必须解决在多层建筑中对燃气管 和燃气供应影响不大而可以忽略不计

2、、 但在高层建筑中的燃气管和燃 气供应就不可忽略的一些因素。高层建筑的设计标准高，燃气管道的 设计也备受重视。在高程建筑室内燃气管道的设计中需考虑的问题较 多，如附加压力大，高层建筑沉降量大，立管较长且热伸缩量大，以 及如何保证计量的先进性和用气安全。1 .高层建筑的附加压力的影响及消除方式1.1 附加压力的计算根据城镇燃气设计规范GB 50028 2006的规定，民用低压天 然气燃烧器的额定压力Pn=2000Pa。由于低压管网沿程阻力和局部阻 力对用户的影响不同，允许燃具前压力在一定范围内波动。当燃具前 压力在0.75Pn1.5Pn内波动时，仍能达到燃烧器燃烧的要求。若超 出此范围，燃具的热

3、效率低，燃烧不稳定，燃烧噪声大，出现脱火或 回火等现象。另外由于不完全燃烧，烟气中的 CO含量超标，可能导 致引发事故。目前高层建筑的燃气设计主要采用低压进户，在计算低压燃气管 道的压力损失时，应考虑因建筑高度而引起的燃气附加压力AHO计算公式如下：AH=9.8X Gk- Rm）X h式中：AH 燃气的附加压力，Pa;余一一空气的密度，kg/Nm3;一一燃气的密度，kg/Nm3;h一一燃气管道终点、起点的高程差，m。以郑州市采用的中原油田天然气为例，的=0.7919kg/Nm3,余=1.293kg/Nm3,由式（1）,得：AH=4.92h当整个低压管网只有极少数用户在用气， 而高层建筑又离调压

4、器 较近时，自调压器出口管至表前的整个管段的压降微手其微，可认为引入管前压力接近于调压器出口压力。 附加压力的叠加就极易使某些 层以上的用户灶前压力超过其最高允许压力波动范围。这种工况是高 层建筑燃气管网的最不利运行工况。下面分析一个特例。由于附加压力的作用，当超过一定高度时， 必然使燃具前压力超过3000Pa例如某高层引入管处压力Pi=2000Pa, 设定最不利工况，即只有几户用气，阻力仅为燃气表的阻力和干支管 阻力(约150Pa%设用户燃具前的压力为P2,则p2=p1+ AH 150Pa=1850Pa+4.92h当P2=3000Pa时，h=233m。因此当楼层高度超过233m时，附力口 压

5、力的影响会使灶前压力超过燃烧器的允许波动范围。但为了使用户燃具前的压力波动范围变小，更接近普，有必要采取措施，减小附加压力的影响。1.2 附加压力影响的消除(1)对于较低的高层建筑，因附加压力小，可以用增加管道阻力的方法，如缩小立管管径和采用分段阀门来减小附加压力的影响。(2)对于较高的高层建筑，分开设置高层供气系统和低层供气系统，以分别满足不同高度楼层用户的燃具的工作压力，使燃具前压力接近2000Pa(3)对于较高的高层建筑，可在用户表前设置低 一低压调压器，消除楼层的附加压头，使燃具前压力接近 2000Pa(4)对于超高的高层建筑，采用中压进户表前调压的方式，在每个用户表前设中一低压调压器

6、，使燃具前压力接近 2000Pa2 .高层建筑沉降的影响由于地基和建筑物的自重影响，高层建筑在竣工后的数年内会产 生一定量的沉降量。高层建筑自重大，所以沉降量也比较大，可能导 致引入管的切向应力大。而建筑基础处回填土的沉降也会导致引入管 局部悬空，易引发事故。应在引入管上设置伸缩补偿接头(形式有：波纹管接头、套筒接头、铅管接头和金属软管接头)，利用自身随外 力发生挠变、吸收变形的特点，减少燃气引入管处承受的应力，达到 补偿沉降的目的。设计中允许沉降量由该建筑物的设计部门提供。 在各种设置的补 偿接头方式中，通用补偿器可通过计算选择来满足沉降量的补偿， 但 对其它方向位移的补偿能力有限波纹补偿器

7、的安装要求也高于其它几种方式。套筒接头当管道下沉时，管道同轴度和密封材料会发生变 形，从而影响其气密性。铅管在弯曲过程中易于扁平，从而影响管道 的通过能力。因此，选择何种方式必须根据当地的具体情况。本文中认为，金 属软管接头是进行燃气引入管的沉降量补偿的最佳方式。3 .燃气立管的应力计算与热补偿3.1 应力计算高层建筑立管长，自重和环境温度的变化导致管道受到重力产生 的应力和热应力的作用。当应力达到一定程度时，造成管道扭曲、断 裂，引发事故。(1)管道自重产生的应力管道的压力主要是由重力产生，可用下式计算应力值：(Tg=YGWA(2)式中：eg管道自重产生的应力，MPa;刀一一地震影响系数，取

8、1.33;G一一单位长度燃气管道自重，KN / m ;H燃气立官局度，m ;A立管管壁的横截面积，mm2。例如对100m的居住高层，立管用0 57X5无缝钢管，A=588.3mm2, 密度为4.62Kg / m,单位长度管重为 45.32KN/m,贝U(rT0.25MPa。 一般热轧正火无缝钢管，温度小于 150c的情况，许用应力许用应力 为112MPa,因此对于100m的高层建筑燃气，具立管自重产生的压 缩应力很小，故该应力对管材的破坏性可不预考虑，但在考虑管道推力和综合应力时则不可忽视，为此必须将立管重量采用分层支撑的方 式给予均摊。管道的热应力随着立管周围环境温度的变化，会产生伸缩变形和

9、热应力。如果管道的两端均为固定支座的立管，因温差使两端固定管道的 伸缩完全受到约束，因此而产生的应力。则：产 tE(3)式中：ct温度产生应力，MPa;-钢材线性膨胀系数，m/m-C, 0c到80c平均线性膨胀 系数为 1.2X10-5m/m-C；At 一卡计温差，即管道在计算状态下的温度与安装温度的 差，C；E管材的弹性模量，MPa,普通钢在20c时2.02 X05MPa。 由式(3)可以看出，q与成正比关系，随着增大，a增大。可见在春秋两季安装燃气管道时,最小，热应力也最小。例如对100m的高层(见表1),管道的热应力是不可忽视的，应该采取有效的补偿措施来消除热应力，通常采用的措施为在立管

10、中间 安装补偿装置。3.2热补偿 管道因温差产生的伸缩量管道两端不固定时伸缩量的计算公式为： L=10X iLA t(4)式中：AL 管道的伸缩量，mm;管材的线膨胀系数，m/m-C,通常工作状态下平均线性 膨胀系数为1.2X10-5m/mC。L管道的长度，m;At 一窄道安装时与运行中最大温差，C。由式(4)可以看出，随着增大，AL增大；随着管长增大，AL 也增大。可见在春秋两季安装燃气管道时，最小，管道的伸缩量也最小。例如对100m的高层(见表1),管道的伸缩量是不可忽视的，应该 采取有效的补偿措施，通常采用的措施为在立管中间安装补偿装置来 吸收变形。表1100m长立管的伸缩量、热应力与温

11、差对照表项目温差10C20 c30 c40 c伸缩里/mm12243648热应力/MPa25.250.475.6100.8补偿器的选择常用的补偿器有4种，即L形补偿器、Z形补偿器、口形补偿器 和波纹管补偿器。在燃气管道设计中常用后两种补偿器。下面以100m 的居住高层为例进行讨论，立管采用 0 57X5钢管。口形补偿器的计算公式15：回.二 bw(1 6K)K=L1/Ls式中：Ls补偿器伸出长度，mm; L-#偿能力(取值与伸缩量相同，根据表1中t=2(T时， L=24mm) mm;D管道外径，mm;询一一管道许用弯曲应力，MPa,钢管取75MPa;K一一比值，按经验取1;Li补偿器开口长度，

12、mm。当设计温差取20 c时，经计算，Ls=906mm。可选择一个补偿器伸 出长度为906mm的口形补偿器。波纹管补偿器的计算公式n= A L/Lcom(6)式中：n波节数；Lcom一个波节的补偿能力，mm, 一般取20mm。当设计温差取20c时，100m的高层建筑需在15层处设1个双波 节的补偿器，即可消除立管伸缩的影响。若更大限度地消除热应力， 需适当增加补偿器的数量。补偿措施在实际工程中，每隔57层设稳定的固定管座，以承受立管自 重，同时避免底部压缩应力过大。并设1个波纹管补偿器和1个分段 阀门，克服管道因温差而引起的应力和形变，便于维修。4 .高层建筑的燃气计量和安全措施4.1 燃气计

13、量过去均采用人工逐户抄表收费的方式，这种方式劳动强度大、效 率低、扰民、不便于管理。近年来出现的无线智能型燃气抄表系统， 集成了传感计量、无线数据传输技术和单片机控制技术，具有以下优 点。(1)无需入户收费，保证了住宅的私密性。(2)由于仅用数据采集器采集用户用气量，提高了收费效率并减轻 劳动强度，尤其适用于高层建筑。(3)借助计算机收费管理系统，通过银行自动扣除相应气费，提高 整体管理水平。(4)传输信号稳定，接受信号快捷，实用可靠。(5)实现了计量数据远传、测控及抄读，并具备数据动态分析的功 能。4.2 安全措施由于高层建筑的特殊性，因此需采取相应的安全措施。引入管宜设快速切断阀，管道上宜设自动切断阀、燃气泄漏报警