高層建筑天然氣設計探討

1、 高層建筑天然氣設計有關問題探討 鄭州市市政工程勘測設計研究院 邢紅鵬 摘要：探討了高層建筑室內(nèi)天然氣管道設計中附加壓力、高層建筑沉降、立管熱補償、燃氣計量、安全措施等問題。關鍵詞：高層建筑；室內(nèi)燃氣管道設計；附加壓力；沉降；熱補償；燃氣計量；安全措施0. 前言隨著城市化進程的不斷發(fā)展，建筑地產(chǎn)業(yè)的興盛以及國家對土地的嚴格控制政策，在各大、中城市中，大量的高層建筑乃至超高層建筑已經(jīng)建成和正在建設之中。其中尤以高層普通住宅和商住用房為突出，這類建筑要求燃氣的供應必須與之配套。鑒于高層建筑的特殊性，在進行其燃氣供應系統(tǒng)的設計時，就必須解決在多層建筑中對燃氣管和燃氣供應影響不大而可以忽略不計、但在高

2、層建筑中的燃氣管和燃氣供應就不可忽略的一些因素。高層建筑的設計標準高，燃氣管道的設計也備受重視。在高程建筑室內(nèi)燃氣管道的設計中需考慮的問題較多，如附加壓力大，高層建筑沉降量大，立管較長且熱伸縮量大，以及如何保證計量的先進性和用氣安全。1. 高層建筑的附加壓力的影響及消除方式1.1 附加壓力的計算根據(jù)城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范GB 500282006的規(guī)定，民用低壓天然氣燃燒器的額定壓力Pn=2000Pa。由于低壓管網(wǎng)沿程阻力和局部阻力對用戶的影響不同，允許燃具前壓力在一定范圍內(nèi)波動。當燃具前壓力在0.75Pn1.5Pn內(nèi)波動時，仍能達到燃燒器燃燒的要求。若超出此范圍，燃具的熱效率低，燃燒不穩(wěn)定，燃燒噪聲

3、大，出現(xiàn)脫火或回火等現(xiàn)象。另外由于不完全燃燒，煙氣中的CO含量超標，可能導致引發(fā)事故。目前高層建筑的燃氣設計主要采用低壓進戶，在計算低壓燃氣管道的壓力損失時，應考慮因建筑高度而引起的燃氣附加壓力H。計算公式如下：H=9.8× (km)× h (1)式中：H燃氣的附加壓力，Pa； k空氣的密度，kgNm3； m燃氣的密度，kgNm3； h燃氣管道終點、起點的高程差，m。以鄭州市采用的中原油田天然氣為例，m=0.7919kgNm3，k=1.293kgNm3，由式(1)，得： H=4.92h當整個低壓管網(wǎng)只有極少數(shù)用戶在用氣，而高層建筑又離調(diào)壓器較近時，自調(diào)壓器出口管至表前的整個

4、管段的壓降微手其微，可認為引入管前壓力接近于調(diào)壓器出口壓力。附加壓力的疊加就極易使某些層以上的用戶灶前壓力超過其最高允許壓力波動范圍。這種工況是高層建筑燃氣管網(wǎng)的最不利運行工況。下面分析一個特例。由于附加壓力的作用，當超過一定高度時，必然使燃具前壓力超過3000Pa。例如某高層引入管處壓力p1=2000Pa，設定最不利工況，即只有幾戶用氣，阻力僅為燃氣表的阻力和干支管阻力(約150Pa)。設用戶燃具前的壓力為p2，則p2=p1+H150Pa=1850Pa+4.92h當p2=3000Pa時，h=233m。因此當樓層高度超過233m時，附加壓力的影響會使灶前壓力超過燃燒器的允許波動范圍。但為了使用

5、戶燃具前的壓力波動范圍變小，更接近pn，有必要采取措施，減小附加壓力的影響。 1.2 附加壓力影響的消除(1)對于較低的高層建筑，因附加壓力小，可以用增加管道阻力的方法，如縮小立管管徑和采用分段閥門來減小附加壓力的影響。(2)對于較高的高層建筑，分開設置高層供氣系統(tǒng)和低層供氣系統(tǒng)，以分別滿足不同高度樓層用戶的燃具的工作壓力，使燃具前壓力接近2000Pa。(3)對于較高的高層建筑，可在用戶表前設置低低壓調(diào)壓器，消除樓層的附加壓頭，使燃具前壓力接近2000Pa。(4)對于超高的高層建筑，采用中壓進戶表前調(diào)壓的方式，在每個用戶表前設中低壓調(diào)壓器，使燃具前壓力接近2000Pa。2. 高層建筑沉降的影響

6、由于地基和建筑物的自重影響，高層建筑在竣工后的數(shù)年內(nèi)會產(chǎn)生一定量的沉降量。高層建筑自重大，所以沉降量也比較大，可能導致引入管的切向應力大。而建筑基礎處回填土的沉降也會導致引入管局部懸空，易引發(fā)事故。應在引入管上設置伸縮補償接頭（形式有：波紋管接頭、套筒接頭、鉛管接頭和金屬軟管接頭），利用自身隨外力發(fā)生撓變、吸收變形的特點，減少燃氣引入管處承受的應力，達到補償沉降的目的。設計中允許沉降量由該建筑物的設計部門提供。在各種設置的補償接頭方式中，通用補償器可通過計算選擇來滿足沉降量的補償，但對其它方向位移的補償能力有限波紋補償器的安裝要求也高于其它幾種方式。套筒接頭當管道下沉時，管道同軸度和密封材料會

7、發(fā)生變形，從而影響其氣密性。鉛管在彎曲過程中易于扁平，從而影響管道的通過能力。因此，選擇何種方式必須根據(jù)當?shù)氐木唧w情況。本文中認為，金屬軟管接頭是進行燃氣引入管的沉降量補償?shù)淖罴逊绞健?. 燃氣立管的應力計算與熱補償3.1應力計算高層建筑立管長，自重和環(huán)境溫度的變化導致管道受到重力產(chǎn)生的應力和熱應力的作用。當應力達到一定程度時，造成管道扭曲、斷裂，引發(fā)事故。(1) 管道自重產(chǎn)生的應力管道的壓力主要是由重力產(chǎn)生，可用下式計算應力值：gG·HA (2)式中：g管道自重產(chǎn)生的應力，MPa； 地震影響系數(shù)，取1.33； G單位長度燃氣管道自重，KN / m； H燃氣立管高度，m ； A立管管

8、壁的橫截面積，mm2。例如對100m的居住高層，立管用57×3.5無縫鋼管，A=588.3mm2，密度為4.62Kg / m，單位長度管重為45.32KNm，則=10.25MPa。一般熱軋正火無縫鋼管，溫度小于150的情況，許用應力許用應力為112MPa，因此對于100m的高層建筑燃氣，其立管自重產(chǎn)生的壓縮應力很小，故該應力對管材的破壞性可不預考慮，但在考慮管道推力和綜合應力時則不可忽視，為此必須將立管重量采用分層支撐的方式給予均攤。 管道的熱應力隨著立管周圍環(huán)境溫度的變化，會產(chǎn)生伸縮變形和熱應力。如果管道的兩端均為固定支座的立管，因溫差使兩端固定管道的伸縮完全受到約束，因此而產(chǎn)生的

9、應力。則：t=tE (3)式中：t溫度產(chǎn)生應力，MPa； 鋼材線性膨脹系數(shù)，mm·，0到80平均線性膨脹系數(shù)為1.2X10-5mm·； t設計溫差，即管道在計算狀態(tài)下的溫度與安裝溫度的差，； E管材的彈性模量，MPa，普通鋼在20時2.02×105MPa。由式(3)可以看出，t與t成正比關系，隨著t增大，t增大?？梢娫诖呵飪杉景惭b燃氣管道時，t最小，熱應力t也最小。例如對100m的高層(見表1)，管道的熱應力是不可忽視的，應該采取有效的補償措施來消除熱應力，通常采用的措施為在立管中間安裝補償裝置。3.2熱補償 管道因溫差產(chǎn)生的伸縮量管道兩端不固定時伸縮量的計算公式

10、為:L=103×lLt (4)式中：L管道的伸縮量，mm；管材的線膨脹系數(shù)，mm·，通常工作狀態(tài)下平均線性膨脹系數(shù)為1.2X10-5mm·。L管道的長度，m；t管道安裝時與運行中最大溫差，。由式(4)可以看出，隨著t增大，L增大；隨著管長增大，L也增大?？梢娫诖呵飪杉景惭b燃氣管道時，t最小，管道的伸縮量也最小。例如對100m的高層(見表1)，管道的伸縮量是不可忽視的，應該采取有效的補償措施，通常采用的措施為在立管中間安裝補償裝置來吸收變形。表1 100m長立管的伸縮量、熱應力與溫差對照表項目溫 差10203040伸縮量/mm12243648熱應力/MPa25.25

11、0.475.6100.8 補償器的選擇 常用的補償器有4種，即L形補償器、Z形補償器、形補償器和波紋管補償器。在燃氣管道設計中常用后兩種補償器。下面以100m的居住高層為例進行討論，立管采用57×3.5鋼管。 形補償器的計算公式K=L1/Ls式中：Ls補償器伸出長度，mm；L補償能力(取值與伸縮量相同，根據(jù)表1中t=20時，L=24mm)，mm；D管道外徑，mm；bw管道許用彎曲應力，MPa，鋼管取75MPa；K比值，按經(jīng)驗取1；L1補償器開口長度，mm。當設計溫差取20時，經(jīng)計算，Ls=906mm。可選擇一個補償器伸出長度為906mm的形補償器。 波紋管補償器的計算公式 n=LLc

12、om (6)式中：n波節(jié)數(shù)； Lcom一個波節(jié)的補償能力，mm，一般取20mm。當設計溫差取20時，100m的高層建筑需在15層處設1個雙波節(jié)的補償器，即可消除立管伸縮的影響。若更大限度地消除熱應力，需適當增加補償器的數(shù)量。 補償措施在實際工程中，每隔57層設穩(wěn)定的固定管座，以承受立管自重，同時避免底部壓縮應力過大。并設1個波紋管補償器和1個分段閥門，克服管道因溫差而引起的應力和形變，便于維修。4. 高層建筑的燃氣計量和安全措施4.1燃氣計量過去均采用人工逐戶抄表收費的方式，這種方式勞動強度大、效率低、擾民、不便于管理。近年來出現(xiàn)的無線智能型燃氣抄表系統(tǒng)，集成了傳感計量、無線數(shù)據(jù)傳輸技術和單片機控制技術，具有以下優(yōu)點。(1)無需入戶收費，保證了住宅的私密性。(2)由于僅用數(shù)據(jù)采集器采集用戶用氣量，提高了收費效率并減輕勞動強度，尤其適用于高層建筑。(3)借助計算機收費管理系統(tǒng)，通過銀行自動扣除相應氣費，提高整體管理水平。(4)傳輸信號穩(wěn)定，接受信號快捷，實用可靠。(5)實現(xiàn)了計量數(shù)據(jù)遠傳、測控及抄讀，并具備數(shù)據(jù)動態(tài)分析的功能。4.2 安全措施由于高層建筑的特殊性，因此需采取相應的安全措施。引入管宜設快速切斷閥，管道上宜設自動切斷閥、燃氣泄漏