高层建筑燃气管道设计有关问题的探讨及应用

上海金山天然气有限公司 孔令云

随着城市规划和建设的发展，为缓解现代人的居住环境，高层民用住宅也越来越多。如何安全可靠地为高层住宅供气，已成为我们面临的重任之一。鉴于高层建筑的设计标准高及管道燃气的供应特点，燃气管道的设计需要综合考虑燃气工艺、用气安全、气源特性、建筑结构等诸多因素。本文对高层建筑燃气管道设计中涉及的几个问题，结合金山石化城区高层建筑及地质环境等特点进行如下分析及探讨。

1 高层建筑燃气管道的工艺设计

1.1 高层建筑沉降的影响及其补偿措施

高层建筑因自重会产生一定量的沉降量，建筑的沉降对燃气引入管的影响非常重要。高层建筑燃气管道供气的方式主要有两种：

一种是中压进户，入户后再分别调压，见图1。

图1 高层建筑上环下行分户调压

另一种是楼栋集中调压，再低压进户；这种方式又可分为地面调压和楼顶调压，见图2、图3。

图2 高层建筑上环下行地面调压

图3 高层建筑上行下环楼顶调压

两种方式均采取上行下给的供气方式，即燃气自上升管至楼顶成环状或支状，再通过各下降立管至燃器具。结合金山石化城区25 层高层住宅临潮、临波大楼的液化气管道改造经验，总结出在设计及施工中应考虑以下措施：

在上升管与庭院管连接处，燃气钢管尽可能采取煨弯减少焊缝。庭院管与上升管的连接口应在高层建筑建成沉降一段时间后，并在室内管全部竣工后施工安装，以减少沉降对接口处的应力作用。鉴于高层住宅临波大楼是对原有液化气供气管道的改造，故在设计施工时只考虑了在上升管出庭院地面0.3～0.5 m 处设置了波纹管补偿器来补偿高层建筑及庭院管的沉降减小引入管的切应力。

1.2 燃气立管的应力计算及其补偿措施

高层建筑因立管较长，管道自重大，管道上会产生压缩应力。因受环境温度变化的影响，立管会产生变形和热应力。金山石化城区地处沿海，加之多采用室外敷设的形式，在对高层建筑燃气设计时这些应力均是不可忽视的，设计不当就有可能使管道自身和支架达到破坏程度，造成管弯曲、断裂等引起的燃气事故。

1.2.1 压缩应力及补偿措施

临潮、临波大楼改造后燃气的供应采用将调压器安装在楼顶(室外)，中压立管上升至楼顶，经调压器调压后再上环下行低压进户的方式。中压立管和低压立管分别采用管径D60×3.5 和D48×3.0 不锈钢管，其材质为304(0Cr18Ni9)。

管道自重产生的压缩应力：

式中：σ—压缩应力，MPa；

G—燃气管道自重，N；

S—立管截面积，mm2。

304(0Cr18Ni9)不锈钢在≤100℃时的许用应力为137 MPa(执行《钢制压力容器》(GB 150—1998))。对不同管径的钢管(按不锈钢管)进行允许管长的计算，结果见表1。

表1 不锈钢管允许的管长

计算结果表明：在无承重支撑时，立管底部的压缩应力要达到允许应力，管长超过1 765 m，而如此高的立管长度对于一般高层建筑是不可能的。为此，只要解决立管自重产生的应力，采取补偿措施。

补偿措施：在临潮、临波大楼燃气管道改造中为使立管自重得到均匀分摊，在实际施工中每一层(按标准层层高)设置1 支架，以承受立管的自重，同时避免立管底部的压缩应力过大。

1.2.2 伸缩量与热应力及补偿措施

以临潮、临波大楼液化气管道改造立管为例，对伸缩量及热应力进行分析。管道自由膨胀时，伸缩量按下式计算：

式中：ΔL—管道伸缩量，m；

α—管材膨胀系数(304 不锈钢管管壁在≤100℃时为10.3×10-6m/ m℃)；

t1—管道安装温度，℃；

t2—燃气温度，℃；

L—管长度，m。

如果将管道两端固定，所产生的热应力为：

式中：σt—热应力，MPa；

E—弹性模数(304 不锈钢管取1.98×105 MPa)。

热应力只与管道材质和温度变化有关，与管长、管径无关。不锈钢管在不同温差下的伸缩量及热应力计算结果见表2。

表2 不锈钢管的伸缩量及热应力

高层建筑燃气管道存在一定的伸缩量及热应力，在设计中是不容忽视的问题。因此必须对此采取有效的补偿措施，在临潮、临波大楼液化气改造工程中，已结合管道在不同温差下的伸缩量及热应力，每隔3～6 层设置1 固定支架，并在上升中压立管采用安装了1 个波纹管补偿器和1 个分段阀门，既克服管道因温差而引起的应力和变形，又便于维修。

1.3 燃气管道支架的设计

临潮、临波大楼及燃气管道是沿建筑外墙敷设的，在实际施工中采用每隔一层层高(2.8～3.0 m)设置1 个支架。除在设计位置安装固定支架外，其余均采用管卡式活动支架。通过研究验证，此方式适合金山石化城区高层建筑燃气管道的设计要求。

1.4 附加压力的影响及供气方式的选择

1.4.1 附加压力的影响

高层建筑高程较高，燃气立管较长，由于燃气密度与空气不同，在立管中就会产生较大的附加压力。如果采取区域调压，低压进户形式，必须考虑附加压力。附加压力按下式计算：

式中：Δp—附加压力，Pa；

ρa—空气密度(取1.293 kg/m3)；

ρb—燃气密度，kg/m3；

H—燃气管道终、起点的高程差，m；

g—重力加速度。

金山石化城区现在气源为液化石油气，远期气源为天然气。以临波大楼下降立管为例，气源为液化石油气时，产生的附加压力Δp值为正；气源为天然气时，产生的附加压力Δp 为负。

假设天然气的密度约为0.74 kg/m3，液化石油气的密度约为2.351 kg/m3。那么高程每升高1 m，产生的附加压力为：天然气为5.42 Pa，液化石油气为-10.37 Pa.

以上升立管为例，对石化高层建筑供应液化石油气、天然气所产生的附加压力进行分析如下表：

表3 高层建筑供应液化石油气、天然气所产生的附加压力

以上分析表明：如果采用地面区域调压，低压进户方式，气源为液化石油气时，随楼层增高，附加压力减小，达到一定高度时，会使室内低压燃气管道阻力损失超过允许值，显然这种供气方式建筑物层高不应超过6～9 层。通过分析，高层建筑燃气管道供气的方式主要有2 种：一种是中压进户，入户后再分别调压；另一种是楼栋集中调压，再低压进户。鉴于临潮、临波这两幢金山石化城区最早采用地面调压中压进户供气方式的25 层高层住宅，供气模式经十年左右的实际运行，已暴露出几点问题：

(1)缺少检修平台，立管检修无法进行；

(2)室内用户调压器的故障率比较高，且是采用中压进户，一旦泄漏其危害性较低压进户大；

(3)调压器安装在室内，不利于运行维护，一旦发生调压器失灵，存在较大的危险性。因此，根据临潮、临波大楼建筑特点和居住户数，最后采取将调压器安装在室外顶层，中压立管上升到屋顶，通过楼顶调压器调压后，再经上环下行向用户供气的方式是合理的。

1.4.2 选用合适管径消除附加压力的影响

以临波大楼为例，1～25 层每层层高3 m，每层用户8 户，将调压器安装在顶层，以1 根管径为D60×3.5 的中压立管上升到屋顶，通过调压器调压后，再上环下行经管径为D48×3.0 的8 根低压立管分别向用户供气，入户管管径D22×2.5。

供气方式如图4 所示：

图4 临波大楼液化气管网改造后供气方式

以1 根低压供气立管为例，1～25 层，用户25户。

选用不锈钢管管径D48×3.0 时：

由高差产生的附加压力：

为保证安全平稳供气需选择合适管径，消除附加压力的影响。

用同时工作系数法计算管道流量：

式中：Kn—相同燃具或相同组合燃具同时工作系数，取0.43；

Qn—燃气具额定流量，取1.65 m3/h·户；

N—相同燃具或相同组合燃具数，取25 户。

根据低压液化气管道供气特点，利用公式法计算。设定流动状态为层流：

式中：Δp—燃气管道摩擦阻力损失，Pa；

Q—燃气管道的计算流量，m3/h；

d—管道内径，mm；

ρ0—燃气密度(取2.26 kg/m3)；

ν—运动粘度(取3.287×10-6m2/s)；

T—实际燃气温度，K；

T0—273 K。

取液化石油气温度为10℃，将给定数值代入(5)式得：管道内径d=40.07 mm，选择管径D48×3.0。

管道单位长度压力降：

已知Q=17.7 m3/h，查《燃气工程技术手册》高中低压钢管水力计算图表得可以选择D48×3.0。

结合临潮、临波大楼液化气管道改造后测得的低压管实际运行压力，根据液化气气源特性，经分析选择1 楼和25 楼为最佳测压方案，依据全年平均温度变化选择1～7月为最佳测压日期。测得压力如下表：

表4 临潮大楼液化气供气管道压力监控记录

表5 临波大楼液化气供气管道压力监控记录

结论：选用管径D48×3.0的不锈钢钢管是可行的。

2 高层建筑燃气管道的安全措施

由于高层建筑的特殊性，根据气源特性在设计施工中需采取相应的安全措施。

2.1 阀门系统

根据《城镇燃气设计规范》的有关要求及气源特性，高层建筑管道设计需要在上升总管设紧急切断阀。当燃气泄漏或发生事故时。可立即关闭紧急切断阀，以确保安全。在临潮、临波大楼改造中根据液化气气源特性，在上升总管设置了球阀，一旦出现液化气泄漏等安全事故，能更有效的便于抢修维护。又结合液化气在冬天容易产生积液现象，为保障安全供气，在每根立管底部采用设置球阀方式，便于及时排除积液对安全供气造成的不利影响。

2.2 防雷、防静电

高层建筑燃气管道防雷设计必须针对直接雷击、雷电波侵入采取防护措施。设计中一般要求楼顶燃气管道及阀门箱应与楼顶女儿墙避雷带连接，其中楼顶管道与避雷带连接不得小于2 处。结合燃气管道防雷接地装置的冲击接地电阻应小于10 Ω、静电接地电阻应小于100 Ω，在临潮、临波大楼改造中对每根供气立管都采取了防静电接地保护措施。以防止雷静电对燃气管道的冲击，引发事故。

3 结论

(1)高层建筑燃气管道设计必须根据当地气源，综合考虑燃气工艺、用气安全、气源特性、建筑结构及远期发展等诸多因素，确定切实可行的供气方案。在设计时还要充分考虑阀门系统、燃气报警装置、防雷、防静电等安全措施，实践证明是合理的。

(2)高层建筑立管由于自重较大，会产生压缩应力，受环境温度变化影响，立管还会产生伸缩变形和热应力。为此在设计中应采用每层设支架来分摊管道的自重，并且应设计合适的补偿器来消除热应力的影响，确保供气安全。

(3)临潮、临波2 栋25 层高层住宅的用户使用改造后的液化气后，灶具压力稳定，特别是改造后户内不再设置中压管道，在安全上有了更大的保障。经分析论证采用顶层调压、低压进户的供气方式在技术上是可行的，运行上是安全的、经济上是合理的，若考虑到远期转换天然气，根据天然气密度小于空气密度的特性还需做进一步的研究分析，如通过采用低低压燃气调压器进行转换。