高层建筑室内燃气管道设计的探1

高层建筑室内燃气管道设计的探讨
摘要：探讨了高层建筑室内燃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；安全装置
中图分类号：TU996
文献标识码：B
0 引言
天津作为北方重要的经济中心，又是国际化的港口城市，近年来市政建设迅速，兴建了许多高层建筑。

其中既有功能单一的居民住宅楼，又有集商贸、办公、居住等功能于一体的综合性建筑。

高层建筑的设计标准高，燃气管道的设计也备受人们重视[1—3]。

在室内天然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
1．1 附加压力的计算
GB 50028—93《城镇燃气设计规范》规定，天然气燃具的额定压力n=2000Pa。

由于低压管网沿程阻力和局部阻力的影响，允许燃具前压力在一定范围内波动。

当燃具前压力在0．75pn～1．5Pn。

内波动时，仍能达到燃具燃烧的要求。

若超出此范围，燃具的热效率低，燃烧不稳定，燃烧噪声大，出现脱火和回火等现象。

另外由于不完全燃烧，烟气中的CO含量超标，导致引发事故。

天津市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Δpadd。

计算公式如下：
Δp add=9．81(ρai r-ρgas)h (1)
式中：Δp add——燃气的附加压力，Pa；
ρair——空气的密度，kg／m3；
ρgas——燃气的密度，kg／m3；
h——燃气管道终、起点的高程差，m。

以大港油田天然气为例，ρgas=0．839kg／m3，ρair=1．293kg／m3，由式(1)，得：
Δp add=4．45h
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p1=2000Pa，设定最不利工况，即只有几户用气，管道沿程阻力接近于0，而局部阻力仅为燃气表的阻力(约100Pa)。

设用户燃具前的压力为p2，则
p2=p1+Δp add-100Pa=1900Pa+4．45h
当p2=3000Pa时，h=247m。

但为了使用户燃具前的压力波动范围变小，更接近pn，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，可在用户表前设置低—低压调压器，使燃具前压力接近2000Pa。

(3)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—低压调压器，使燃具前压力接近2000Pa。

引入管、中压进户的流程从中压庭院支管开始，依次通过引入管、中压立管、用户中压支管、阀门、用户调压器、燃气表、低压支管、旋塞，最后到达燃具。

中压进户的优点：①具有稳定的燃具前压力。

燃具全部在接近额定压力条件下工作，保证燃具的最佳燃烧工况。

②充分利用燃气压力。

在相同输气量、相同管径条件下，中压进户方案输送距离最远。

③立管平均管径较小，降低成本。

2 高层建筑沉降的影响
随着市政建设的发展，在原来的许多低洼地、鱼池兴建了高层建筑。

由于地基松软，高层建筑在竣工后的5年内沉降速度最大，以后沉降速度逐渐降低。

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。

应在引入管上设置补偿器，利用自身随外力发生挠变的特点，减少燃气引入管处承受的应力，达到补偿沉降的目的。

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)管道自重产生的压缩应力
σ=W／A (2)
式中：σ——压缩应力，MPa；
W——燃气管道自重，N；
A——立管截面积，mm2。

例如对100m的居住高层，立管用φ57×3．5无缝钢管，A=588．3mm2，单位长度管重为45．32N／m，则σ=7．70MPa。

一般无缝钢管许用应力为127MPa，因此对于100m的高层，其立管自重产生的压缩应力很小，通常不致发生破坏。

(2)管道因温差产生的伸缩量
ΔL=103×αl L(t2-t1) (3)
式中：ΔL——管道的伸缩量，mm；
αl——管材的线膨胀系数，K-1，对普通钢管在20℃时，取1．2×10-5K-1；
L——管道长度，m；
t2——管道在计算状态下的温度，℃；
t1——管道安装时温度，℃。

(3)管道的热应力
如果管道的伸缩完全受到约束，则：
σt=αlΔtE (4)
式中：σt——热应力，MPa；
Δt——设计温差，即管道在计算状态下的温度与安装温度的差，℃；
E——管材的弹性模量，MPa，普通钢在20℃时取2．1×105MPa。

例如对100m的高层(见表1)，随着Δt提高，ΔL提高，σt也提高。

随着管长提高，ΔL也提高。

可见在春秋两季安装管道时，Δt最小，管道的伸缩量和热应力也最小。

管道的伸缩量和热应力是不可忽视的，应该采取有效的补偿措施。

3．2 补偿器的选择
表1 100m长立管的伸缩量和热应力
常用的补偿器有4种，即L形补偿器、Z形补偿器、Π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φ57×3．5钢管。

(1)Π形补偿器的计算公式
式中：L s——补偿器伸出长度，mm；
ΔL——补偿能力(取值与伸缩量相同，根据表1中Δt=20℃时，ΔL=24mm)，mm；
D——管道外径，mm；
σbw——管道许用弯曲应力，MPa，钢管取75MPa；
K——比值，按经验取1；
L1——补偿器开口长度，mm。

当设计温差取20℃时，经计算，Ls=906mm。

可选择一个补偿器伸出长度为906mm的Π形补偿器。

(2)波纹管补偿器的计算公式
n=ΔL／L com(6)
式中：n——波节数；
L com——一个波节的补偿能力，mm，一般取20mm。

当设计温差取20℃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。

(3)补偿措施
在实际工程中，每隔5～7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
(1)燃气计量
天津市过去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无需人户收费，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。

(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、燃气泄漏报警器和送排风系统等自动切断联锁装置。

尤其是25层以上的高层建筑，宜设燃气泄漏集中监视装置和压力控制装置。

5 结语
高层建筑的天然气管道设计应综合考虑，尤其是对于高度逐步增加的高层建筑，更应根据当地的气源、压力、建筑、安全、地理、环境等特点综合考虑，选择最佳的设计方案。

参考文献：
[1]刘永志．高层建筑燃气供应[J]．煤气与热力，1986，6(2)：25—35．
[2]蒋连成，李淑芬，张志忠．高层建筑燃气管道设计有关问题的探讨[J]．煤气与热力，1999，19(4)：22—24．
[3]熊正中，徐建成．高层建筑燃气泄漏报警系统的探讨与实施[J]．煤气与热力，1998，18(5)：30—32．。