高層建筑天然氣設(shè)計(jì)探討

1、 高層建筑天然氣設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題探討 鄭州市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 邢紅鵬 摘要：探討了高層建筑室內(nèi)天然氣管道設(shè)計(jì)中附加壓力、高層建筑沉降、立管熱補(bǔ)償、燃?xì)庥?jì)量、安全措施等問(wèn)題。關(guān)鍵詞：高層建筑；室內(nèi)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)；附加壓力；沉降；熱補(bǔ)償；燃?xì)庥?jì)量；安全措施0. 前言隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，建筑地產(chǎn)業(yè)的興盛以及國(guó)家對(duì)土地的嚴(yán)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(shè)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?xì)獾墓?yīng)必須與之配套。鑒于高層建筑的特殊性，在進(jìn)行其燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，就必須解決在多層建筑中對(duì)燃?xì)夤芎腿細(xì)夤?yīng)影響不大而可以忽略不計(jì)、但在高

2、層建筑中的燃?xì)夤芎腿細(xì)夤?yīng)就不可忽略的一些因素。高層建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計(jì)也備受重視。在高程建筑室內(nèi)燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計(jì)中需考慮的問(wèn)題較多，如附加壓力大，高層建筑沉降量大，立管較長(zhǎng)且熱伸縮量大，以及如何保證計(jì)量的先進(jìn)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(jì)算根據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)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(duì)用戶的影響不同，允許燃具前壓力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)燃具前壓力在0.75Pn1.5Pn內(nèi)波動(dòng)時(shí)，仍能達(dá)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(biāo)，可能導(dǎo)致引發(fā)事故。目前高層建筑的燃?xì)庠O(shè)計(jì)主要采用低壓進(jìn)戶，在計(jì)算低壓燃?xì)夤艿赖膲毫p失時(shí)，應(yīng)考慮因建筑高度而引起的燃?xì)飧郊訅毫。計(jì)算公式如下：H=9.8× (km)× h (1)式中：H燃?xì)獾母郊訅毫?，Pa； k空氣的密度，kgNm3； m燃?xì)獾拿芏?，kgNm3； h燃?xì)夤艿澜K點(diǎn)、起點(diǎn)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(dāng)整個(gè)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(shí)，自調(diào)壓器出口管至表前的整個(gè)

4、管段的壓降微手其微，可認(rèn)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(guò)其最高允許壓力波動(dòng)范圍。這種工況是高層建筑燃?xì)夤芫W(wǎng)的最不利運(yùn)行工況。下面分析一個(gè)特例。由于附加壓力的作用，當(dāng)超過(guò)一定高度時(shí)，必然使燃具前壓力超過(guò)3000Pa。例如某高層引入管處壓力p1=2000Pa，設(shè)定最不利工況，即只有幾戶用氣，阻力僅為燃?xì)獗淼淖枇透芍Ч茏枇?約150Pa)。設(shè)用戶燃具前的壓力為p2，則p2=p1+H150Pa=1850Pa+4.92h當(dāng)p2=3000Pa時(shí)，h=233m。因此當(dāng)樓層高度超過(guò)233m時(shí)，附加壓力的影響會(huì)使灶前壓力超過(guò)燃燒器的允許波動(dòng)范圍。但為了使用

5、戶燃具前的壓力波動(dòng)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(duì)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(lái)減小附加壓力的影響。(2)對(duì)于較高的高層建筑，分開設(shè)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(duì)于較高的高層建筑，可在用戶表前設(shè)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(duì)于超高的高層建筑，采用中壓進(jìn)戶表前調(diào)壓的方式，在每個(gè)用戶表前設(shè)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(huì)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(dǎo)致引入管的切向應(yīng)力大。而建筑基礎(chǔ)處回填土的沉降也會(huì)導(dǎo)致引入管局部懸空，易引發(fā)事故。應(yīng)在引入管上設(shè)置伸縮補(bǔ)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(diǎn)，減少燃?xì)庖牍芴幊惺艿膽?yīng)力，達(dá)到補(bǔ)償沉降的目的。設(shè)計(jì)中允許沉降量由該建筑物的設(shè)計(jì)部門提供。在各種設(shè)置的補(bǔ)償接頭方式中，通用補(bǔ)償器可通過(guò)計(jì)算選擇來(lái)滿足沉降量的補(bǔ)償，但對(duì)其它方向位移的補(bǔ)償能力有限波紋補(bǔ)償器的安裝要求也高于其它幾種方式。套筒接頭當(dāng)管道下沉?xí)r，管道同軸度和密封材料會(huì)

7、發(fā)生變形，從而影響其氣密性。鉛管在彎曲過(guò)程中易于扁平，從而影響管道的通過(guò)能力。因此，選擇何種方式必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況。本文中認(rèn)為，金屬軟管接頭是進(jìn)行燃?xì)庖牍艿某两盗垦a(bǔ)償?shù)淖罴逊绞健?. 燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計(jì)算與熱補(bǔ)償3.1應(yīng)力計(jì)算高層建筑立管長(zhǎng)，自重和環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致管道受到重力產(chǎn)生的應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，造成管道扭曲、斷裂，引發(fā)事故。(1) 管道自重產(chǎn)生的應(yīng)力管道的壓力主要是由重力產(chǎn)生，可用下式計(jì)算應(yīng)力值：gG·HA (2)式中：g管道自重產(chǎn)生的應(yīng)力，MPa； 地震影響系數(shù)，取1.33； G單位長(zhǎng)度燃?xì)夤艿雷灾?，KN / m； H燃?xì)饬⒐芨叨?，m ； A立管管

8、壁的橫截面積，mm2。例如對(duì)100m的居住高層，立管用57×3.5無(wú)縫鋼管，A=588.3mm2，密度為4.62Kg / m，單位長(zhǎng)度管重為45.32KNm，則=10.25MPa。一般熱軋正火無(wú)縫鋼管，溫度小于150的情況，許用應(yīng)力許用應(yīng)力為112MPa，因此對(duì)于100m的高層建筑燃?xì)猓淞⒐茏灾禺a(chǎn)生的壓縮應(yīng)力很小，故該應(yīng)力對(duì)管材的破壞性可不預(yù)考慮，但在考慮管道推力和綜合應(yīng)力時(shí)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(yīng)力隨著立管周圍環(huán)境溫度的變化，會(huì)產(chǎn)生伸縮變形和熱應(yīng)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(yīng)力。則：t=tE (3)式中：t溫度產(chǎn)生應(yīng)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(shè)計(jì)溫差，即管道在計(jì)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(shí)2.02×105MPa。由式(3)可以看出，t與t成正比關(guān)系，隨著t增大，t增大。可見在春秋兩季安裝燃?xì)夤艿罆r(shí)，t最小，熱應(yīng)力t也最小。例如對(duì)100m的高層(見表1)，管道的熱應(yīng)力是不可忽視的，應(yīng)該采取有效的補(bǔ)償措施來(lái)消除熱應(yīng)力，通常采用的措施為在立管中間安裝補(bǔ)償裝置。3.2熱補(bǔ)償 管道因溫差產(chǎn)生的伸縮量管道兩端不固定時(shí)伸縮量的計(jì)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(zhǎng)度，m；t管道安裝時(shí)與運(yùn)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(zhǎng)增大，L也增大?？梢娫诖呵飪杉景惭b燃?xì)夤艿罆r(shí)，t最小，管道的伸縮量也最小。例如對(duì)100m的高層(見表1)，管道的伸縮量是不可忽視的，應(yīng)該采取有效的補(bǔ)償措施，通常采用的措施為在立管中間安裝補(bǔ)償裝置來(lái)吸收變形。表1 100m長(zhǎng)立管的伸縮量、熱應(yīng)力與溫差對(duì)照表項(xiàng)目溫 差10203040伸縮量/mm12243648熱應(yīng)力/MPa25.25

11、0.475.6100.8 補(bǔ)償器的選擇 常用的補(bǔ)償器有4種，即L形補(bǔ)償器、Z形補(bǔ)償器、形補(bǔ)償器和波紋管補(bǔ)償器。在燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中常用后兩種補(bǔ)償器。下面以100m的居住高層為例進(jìn)行討論，立管采用57×3.5鋼管。 形補(bǔ)償器的計(jì)算公式K=L1/Ls式中：Ls補(bǔ)償器伸出長(zhǎng)度，mm；L補(bǔ)償能力(取值與伸縮量相同，根據(jù)表1中t=20時(shí)，L=24mm)，mm；D管道外徑，mm；bw管道許用彎曲應(yīng)力，MPa，鋼管取75MPa；K比值，按經(jīng)驗(yàn)取1；L1補(bǔ)償器開口長(zhǎng)度，mm。當(dāng)設(shè)計(jì)溫差取20時(shí)，經(jīng)計(jì)算，Ls=906mm?？蛇x擇一個(gè)補(bǔ)償器伸出長(zhǎng)度為906mm的形補(bǔ)償器。 波紋管補(bǔ)償器的計(jì)算公式 n=LLc

12、om (6)式中：n波節(jié)數(shù)； Lcom一個(gè)波節(jié)的補(bǔ)償能力，mm，一般取20mm。當(dāng)設(shè)計(jì)溫差取20時(shí)，100m的高層建筑需在15層處設(shè)1個(gè)雙波節(jié)的補(bǔ)償器，即可消除立管伸縮的影響。若更大限度地消除熱應(yīng)力，需適當(dāng)增加補(bǔ)償器的數(shù)量。 補(bǔ)償措施在實(shí)際工程中，每隔57層設(shè)穩(wěn)定的固定管座，以承受立管自重，同時(shí)避免底部壓縮應(yīng)力過(guò)大。并設(shè)1個(gè)波紋管補(bǔ)償器和1個(gè)分段閥門，克服管道因溫差而引起的應(yīng)力和形變，便于維修。4. 高層建筑的燃?xì)庥?jì)量和安全措施4.1燃?xì)庥?jì)量過(guò)去均采用人工逐戶抄表收費(fèi)的方式，這種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、擾民、不便于管理。近年來(lái)出現(xiàn)的無(wú)線智能型燃?xì)獬硐到y(tǒng)，集成了傳感計(jì)量、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)無(wú)需入戶收費(fèi)，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(fèi)效率并減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其適用于高層建筑。(3)借助計(jì)算機(jī)收費(fèi)管理系統(tǒng)，通過(guò)銀行自動(dòng)扣除相應(yīng)氣費(fèi)，提高整體管理水平。(4)傳輸信號(hào)穩(wěn)定，接受信號(hào)快捷，實(shí)用可靠。(5)實(shí)現(xiàn)了計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、測(cè)控及抄讀，并具備數(shù)據(jù)動(dòng)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(yīng)的安全措施。引入管宜設(shè)快速切斷閥，管道上宜設(shè)自動(dòng)切斷閥、燃?xì)庑孤?/p>