(超)高层住宅燃气内管高程变化的附加压头控制研究

2012-02-07上海燃气工程设计研究有限公司沈良

上海煤气 2012年3期

关键词：灶具压力降调压器

上海燃气工程设计研究有限公司沈良

0 前言

改革开放以来，随着城市中高层、超高层建筑日益增多，高层、超高层建筑燃气内管系统早已成为燃气业内的热门话题。

我公司在这一领域的研究处于国内领先地位，金茂大厦的燃气内管设计，以及在此基础上撰写的《超高层燃气供应系统设计研究》论文获得上海及国家科技重大奖项。

我公司在设计实践中总结出一整套的设计方法，其中许多内容出现在我公司主编的上海市工程建设规范《城市煤气、天然气管道工程技术规程》(DGJ 08—10—2004)(简称上海规范)相关条款中，对于高层、超高层燃气内管设计具有很大的指导意义。

但是，这些设计方法在高层、超高层建筑燃气内管系统设计进一步的运用过程中，却发现若要生搬硬套，还存在一定的局限性，特别是高层、超高层住宅更应针对其每一层均有用户的特点，而需要作适当的调整、改进。

现就具体实例进行介绍：这是一栋 31层的高层住宅楼，每层住宅的厨房上下对齐，楼层中无技术设备层，管道供应低压人工煤气。

1 消除立管附加压头影响的方案

1.1 高层住宅人工煤气附加压头对灶前压力影响

低压燃气管网的运行压力、管径的确定，是围绕灶具的工作压力展开的，按照上海规范，人工煤气灶具前的额定工作压力pn为1 000 Pa，最大工作压力pmax为1 500 Pa，最小工作压力pmin为800 Pa，中、低压调压器出口最大压力为1 500 Pa，低压煤气管道总的计算压力降为700 Pa。

为了使灶具始终在安全的工作压力下运行，人工煤气低压管网的设计应能确保用气高峰时灶具前压力大于灶具的最小工作压力(pmin=800 Pa)；用气低谷时灶具前压力小于灶具的最大工作压力(pmax=1 500 Pa)。

上海规范中对人工煤气低压管网的压力降分配值的条文规定，详见表1：

表1 人工煤气低压管网的压力降分配值单位：Pa

在以往单层、多层、小高层建筑的人工煤气低压管网系统中，这两点要求很容易通过管径计算得到满足，但在高层建筑中却遇到麻烦。

人工煤气的密度为0.71 kg/m3，空气的密度为1.293 kg/m3，煤气在立管中向上运行会产生附加压头，使煤气压力随高程增大而增大，附加压头的上升率为5.72 Pa/m，本例中的第31层立管顶部标高为95.2 m，附加压头值为544.3 Pa，该值远远大于室内支管的允许压力降100 Pa，比计量表前低压管网允许压力降500 Pa(干管压力降300 Pa、引入管压力降100 Pa、室内支管压力降100 Pa)还大8.8%。

在用气低谷时(此时立管起点的压力可近似为调压器出口压力1 500 Pa)水力计算详见表2：

表2 用气低谷压力(相对)计算单位：Pa

通过分析表2可以发现，在用气低谷时，第1~8楼层的灶前压力满足规范的灶前工作压力要求，但第9楼层及以上则随楼层增加而愈加超出灶前最大工作压力，使灶具不能正常工作，会产生安全隐患。

按照上海规范中第4.4.11款第3条规定：“燃气立管超过下列高度时，应采取消除附加压力的措施，人工煤气57 m；天然气81 m。”而在其条文说明中，就消除附加压力的措施推荐了如下三条：

(1)增加管道阻力，即缩小立管的管径或在立管上增设截流阀。……缺点是当顶层有极少数用户用气时，其附加压力几乎没有减少。

(2)在燃气立管上设置低—低压调压器(即低压稳压器)。

(3)在立管的横支管上设置低—低压调压器(在达到某一高度以上的各个横支管上分别设置)。……对于住宅大楼，因每层都有用户，采用此法投资较大，设备的安装空间和检修都有困难，因此，住宅大楼以采用第2种方法为宜。

作者先在48 m高度设置低压稳压器(按照“上海规范”宜设置在57 m)，稳压器的作用在于将过高的压力下降至某一定值，以防止灶前压力超过最大工作压力pmax，稳压器的选型依据为管道计算流量和灶前工作压力，根据飞澳燃气设备公司提供的资料，其低压稳压器最小的工作压力差(稳压器进、出口的压力差)为500 Pa。以下分别以低谷用气工况和用气高峰工况进行立管水力计算。

1.2 低谷用气工况

低谷用气工况，用气用户极少，且只使用双眼灶，灶前压力等于中、低压调压器出口压力1 500 Pa，内管系统装有低压稳压器，水力计算见表3：

表3 低谷用气工况压力(相对)计算单位：Pa

通过分析表3可以发现，在用气低谷时，最高压力 1 609 Pa，略超出灶前允许工作压力上限(pmax=1 500 Pa)，出现在低压稳压器的下一层(第15层)灶前；最低压力1 127 Pa，在灶前允许工作压力范围内，出现在低压稳压器的同一层(第16层)灶前。即，大楼中大多数楼层的灶具可以正常使用，少数楼层(第 9~15层)的灶具通过对灶前阀的微调可以正常使用(当然将燃气用具安全性寄希望于用户正确的调控操作不应该是我们专业技术人员想法)。表明这一方法基本满足低谷用气工况。因为这时立管内煤气流量小，管壁摩擦阻力影响很小，其压力的变化主要是受附加压头的影响，使煤气压力沿高程不断上升，低压稳压器起到一个适时减压的作用。

1.3 高峰用气工况

高峰用气工况，立管起点压力按表1压力降分配值定为1 100 Pa，立管计算流量按同时工作系数确定，内管系统装有低压稳压器，水力计算见表4：

表4 高峰用气工况压力(相对)计算单位：Pa

通过分析表4可以发现，在用气高峰时，最高压力980 Pa，在灶前允许工作压力范围内，出现在低压稳压器的下面四层(第 12层)灶前；最低压力475 Pa，远低于灶前允许工作压力范围(pmin=750 Pa)，出现在低压稳压器的同一层(第 16层)灶前。第17层~第31层(高程在48.7~95.2 m)灶前压力在478~527 Pa，即，大楼中半数楼层的灶具无法正常使用，表明这一方法无法满足高峰用气工况。因为这时立管内煤气流量大，管壁摩擦阻力影响大，其压力的变化同时受摩阻压损和附加压头的双重影响，这2个因素对压力的作用分别为一减、一增，相互抵消的结果，使煤气压力沿高程变化量不大，且处于额定压力pn之下950 Pa左右，在低压稳压器的减压的作用下便会大幅度降低至低于最小工作压力pmin。

如果在用气高峰时取消低压稳压器，结果会如何呢？

1.4 取消低压稳压器后高峰用气工况

立管起点压力按表1压力降分配值定为1 100 Pa，立管计算流量按同时工作系数确定，内管系统取消低压稳压器，水力计算见表5：

表5 取消低压稳压器后高峰用气工况压力(相对)计算单位：Pa

通过分析表5可以发现，在用气高峰时，最高压力1027 Pa，出现在第31层灶前；最低压力902 Pa，出现在第1层灶前。即大楼中所有楼层的灶具均可以正常使用。但不设稳压器，不能满足用气低谷时的灶前压力工况(见表2)。由于低压稳压器进口压力较低(小于中、低压调压器出口压力1 500 Pa)，最小工作压差受到限制(不小于500 Pa)，其稳压功能无法随着煤气压力的波动或时间的变化而自动起动和停止，其调节压力的作用是僵化的，有限的。通过研究前文表1~表5发现，如果设定立管起点压力在一定范围内，则不用稳压器便可以有效地解决因高程附加压力而引起的灶前煤气压力波动大的问题。

1.5 立管起点压力1 150 Pa低谷工况

设立管起点压力1 150 Pa，不设稳压器，低谷工况水力计算结果详见表6：

表6 立管起点压力1 150 Pa低谷用气工况压力(相对)计算单位：Pa

通过分析表6可以发现，在用气低谷时，灶前最高压力1 536 Pa，略微超出灶前允许工作压力上限，出现在第31层灶前；最低压力1 013 Pa，在灶前允许工作压力范围内，出现在第1层灶前。即，大楼中所有楼层的灶具均可以正常使用。

1.6 立管起点压力950 Pa高峰工况

设定立管起点压力 950 Pa(考虑到高峰时调压器出口到立管起点的压力降为200 Pa，则1 150-200 =950 Pa)，不设稳压器，高峰工况水力计算结果详见表7：

表7 立管起点压力950 Pa高峰用气工况压力(相对)计算单位：Pa

通过分析表7可以发现，在用气高峰时，灶前最高压力882 Pa，属于灶前允许工作压力范围，出现在第31层灶前；最低压力752 Pa，略低于灶前允许工作压力的下限，出现在第1层灶前。即，大楼中所有楼层的灶具均可以正常使用。

因此，高层住宅小区低压管网的规划设计中，只要调低中、低压调压器的出口压力至1 150 Pa，最多不超过1 200 Pa，同时加大干、支管和引入管管径，并减小中、低压调压器的作用半径，这样即可在不设置立管稳压器的情况下，将高程附加压头的不利影响消除。其缺点是增大了干、支管和引入管的工程费用，或减小了调压器的作用半径，增加了调压器的数量进而增加设备费用。从技术、经济的角度，我更倾向于选择楼栋箱式调压器，这样因小区内中压管直接配气到楼栋立管，可减小管径，节省管道工程费用，又可控制立管起点压力稳定在1 050 Pa，从而使高层住宅各层的灶前压力得到更好的满足。对于超高层住宅立管设计，则需在高层住宅立管方案的基础上作进一步改进，即在楼栋箱式调压器出口设置二根立管，一根只供应 33层及以下的楼层，另一根在33层设置稳压器降压570 Pa后专供34层~66层，更高层也可以此类推。这一方法除了满足高层、超高层各层厨房灶前压力在工作压力范围内以外，可以在箱式调压器内设置紧急切断阀，并与楼内燃气探头连锁以防止煤气泄漏，还可以保证发生火灾、或地震时能及时切断气源以防止灾难加重升级，以满足高层、超高层住宅对安全的要求。