(超)高層住宅燃氣內(nèi)管高程變化的附加壓頭控制研究

上海燃氣工程設(shè)計研究有限公司 沈良

0 前言

改革開放以來，隨著城市中高層、超高層建筑日益增多，高層、超高層建筑燃氣內(nèi)管系統(tǒng)早已成為燃氣業(yè)內(nèi)的熱門話題。

我公司在這一領(lǐng)域的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，金茂大廈的燃氣內(nèi)管設(shè)計，以及在此基礎(chǔ)上撰寫的《超高層燃氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計研究》論文獲得上海及國家科技重大獎項。

我公司在設(shè)計實踐中總結(jié)出一整套的設(shè)計方法，其中許多內(nèi)容出現(xiàn)在我公司主編的上海市工程建設(shè)規(guī)范《城市煤氣、天然氣管道工程技術(shù)規(guī)程》(DGJ 08—10—2004)(簡稱上海規(guī)范)相關(guān)條款中，對于高層、超高層燃氣內(nèi)管設(shè)計具有很大的指導(dǎo)意義。

但是，這些設(shè)計方法在高層、超高層建筑燃氣內(nèi)管系統(tǒng)設(shè)計進一步的運用過程中，卻發(fā)現(xiàn)若要生搬硬套，還存在一定的局限性，特別是高層、超高層住宅更應(yīng)針對其每一層均有用戶的特點，而需要作適當?shù)恼{(diào)整、改進。

現(xiàn)就具體實例進行介紹：這是一棟 31層的高層住宅樓，每層住宅的廚房上下對齊，樓層中無技術(shù)設(shè)備層，管道供應(yīng)低壓人工煤氣。

1 消除立管附加壓頭影響的方案

1.1 高層住宅人工煤氣附加壓頭對灶前壓力影響

低壓燃氣管網(wǎng)的運行壓力、管徑的確定，是圍繞灶具的工作壓力展開的，按照上海規(guī)范，人工煤氣灶具前的額定工作壓力pn為1 000 Pa，最大工作壓力pmax為1 500 Pa，最小工作壓力pmin為800 Pa，中、低壓調(diào)壓器出口最大壓力為1 500 Pa，低壓煤氣管道總的計算壓力降為700 Pa。

為了使灶具始終在安全的工作壓力下運行，人工煤氣低壓管網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)能確保用氣高峰時灶具前壓力大于灶具的最小工作壓力(pmin=800 Pa)；用氣低谷時灶具前壓力小于灶具的最大工作壓力(pmax=1 500 Pa)。

上海規(guī)范中對人工煤氣低壓管網(wǎng)的壓力降分配值的條文規(guī)定，詳見表1：

表1 人工煤氣低壓管網(wǎng)的壓力降分配值單位：Pa

在以往單層、多層、小高層建筑的人工煤氣低壓管網(wǎng)系統(tǒng)中，這兩點要求很容易通過管徑計算得到滿足，但在高層建筑中卻遇到麻煩。

人工煤氣的密度為0.71 kg/m3，空氣的密度為1.293 kg/m3，煤氣在立管中向上運行會產(chǎn)生附加壓頭，使煤氣壓力隨高程增大而增大，附加壓頭的上升率為5.72 Pa/m，本例中的第31層立管頂部標高為95.2 m，附加壓頭值為544.3 Pa，該值遠遠大于室內(nèi)支管的允許壓力降100 Pa，比計量表前低壓管網(wǎng)允許壓力降500 Pa(干管壓力降300 Pa、引入管壓力降100 Pa、室內(nèi)支管壓力降100 Pa)還大8.8%。

在用氣低谷時(此時立管起點的壓力可近似為調(diào)壓器出口壓力1 500 Pa)水力計算詳見表2：

表2 用氣低谷壓力(相對)計算單位：Pa

通過分析表2可以發(fā)現(xiàn)，在用氣低谷時，第1~8樓層的灶前壓力滿足規(guī)范的灶前工作壓力要求，但第9樓層及以上則隨樓層增加而愈加超出灶前最大工作壓力，使灶具不能正常工作，會產(chǎn)生安全隱患。

按照上海規(guī)范中第4.4.11款第3條規(guī)定：“燃氣立管超過下列高度時，應(yīng)采取消除附加壓力的措施，人工煤氣57 m；天然氣81 m。”而在其條文說明中，就消除附加壓力的措施推薦了如下三條：

(1)增加管道阻力，即縮小立管的管徑或在立管上增設(shè)截流閥。……缺點是當頂層有極少數(shù)用戶用氣時，其附加壓力幾乎沒有減少。

(2)在燃氣立管上設(shè)置低—低壓調(diào)壓器(即低壓穩(wěn)壓器)。

(3)在立管的橫支管上設(shè)置低—低壓調(diào)壓器(在達到某一高度以上的各個橫支管上分別設(shè)置)。……對于住宅大樓，因每層都有用戶，采用此法投資較大，設(shè)備的安裝空間和檢修都有困難，因此，住宅大樓以采用第2種方法為宜。

作者先在48 m高度設(shè)置低壓穩(wěn)壓器(按照“上海規(guī)范”宜設(shè)置在57 m)，穩(wěn)壓器的作用在于將過高的壓力下降至某一定值，以防止灶前壓力超過最大工作壓力pmax，穩(wěn)壓器的選型依據(jù)為管道計算流量和灶前工作壓力，根據(jù)飛澳燃氣設(shè)備公司提供的資料，其低壓穩(wěn)壓器最小的工作壓力差(穩(wěn)壓器進、出口的壓力差)為500 Pa。以下分別以低谷用氣工況和用氣高峰工況進行立管水力計算。

1.2 低谷用氣工況

低谷用氣工況，用氣用戶極少，且只使用雙眼灶，灶前壓力等于中、低壓調(diào)壓器出口壓力1 500 Pa，內(nèi)管系統(tǒng)裝有低壓穩(wěn)壓器，水力計算見表3：

表3 低谷用氣工況壓力(相對)計算單位：Pa

通過分析表3可以發(fā)現(xiàn)，在用氣低谷時，最高壓力 1 609 Pa，略超出灶前允許工作壓力上限(pmax=1 500 Pa)，出現(xiàn)在低壓穩(wěn)壓器的下一層(第15層)灶前；最低壓力1 127 Pa，在灶前允許工作壓力范圍內(nèi)，出現(xiàn)在低壓穩(wěn)壓器的同一層(第16層)灶前。即，大樓中大多數(shù)樓層的灶具可以正常使用，少數(shù)樓層(第 9~15層)的灶具通過對灶前閥的微調(diào)可以正常使用(當然將燃氣用具安全性寄希望于用戶正確的調(diào)控操作不應(yīng)該是我們專業(yè)技術(shù)人員想法)。表明這一方法基本滿足低谷用氣工況。因為這時立管內(nèi)煤氣流量小，管壁摩擦阻力影響很小，其壓力的變化主要是受附加壓頭的影響，使煤氣壓力沿高程不斷上升，低壓穩(wěn)壓器起到一個適時減壓的作用。

1.3 高峰用氣工況

高峰用氣工況，立管起點壓力按表1壓力降分配值定為1 100 Pa，立管計算流量按同時工作系數(shù)確定，內(nèi)管系統(tǒng)裝有低壓穩(wěn)壓器，水力計算見表4：

表4 高峰用氣工況壓力(相對)計算單位：Pa

通過分析表4可以發(fā)現(xiàn)，在用氣高峰時，最高壓力980 Pa，在灶前允許工作壓力范圍內(nèi)，出現(xiàn)在低壓穩(wěn)壓器的下面四層(第 12層)灶前；最低壓力475 Pa，遠低于灶前允許工作壓力范圍(pmin=750 Pa)，出現(xiàn)在低壓穩(wěn)壓器的同一層(第 16層)灶前。第17層~第31層(高程在48.7~95.2 m)灶前壓力在478~527 Pa，即，大樓中半數(shù)樓層的灶具無法正常使用，表明這一方法無法滿足高峰用氣工況。因為這時立管內(nèi)煤氣流量大，管壁摩擦阻力影響大，其壓力的變化同時受摩阻壓損和附加壓頭的雙重影響，這2個因素對壓力的作用分別為一減、一增，相互抵消的結(jié)果，使煤氣壓力沿高程變化量不大，且處于額定壓力pn之下950 Pa左右，在低壓穩(wěn)壓器的減壓的作用下便會大幅度降低至低于最小工作壓力pmin。

如果在用氣高峰時取消低壓穩(wěn)壓器，結(jié)果會如何呢？

1.4 取消低壓穩(wěn)壓器后高峰用氣工況

立管起點壓力按表1壓力降分配值定為1 100 Pa，立管計算流量按同時工作系數(shù)確定，內(nèi)管系統(tǒng)取消低壓穩(wěn)壓器，水力計算見表5：

表5 取消低壓穩(wěn)壓器后高峰用氣工況壓力(相對)計算單位：Pa

通過分析表5可以發(fā)現(xiàn)，在用氣高峰時，最高壓力1027 Pa，出現(xiàn)在第31層灶前；最低壓力902 Pa，出現(xiàn)在第1層灶前。即大樓中所有樓層的灶具均可以正常使用。但不設(shè)穩(wěn)壓器，不能滿足用氣低谷時的灶前壓力工況(見表2)。由于低壓穩(wěn)壓器進口壓力較低(小于中、低壓調(diào)壓器出口壓力1 500 Pa)，最小工作壓差受到限制(不小于500 Pa)，其穩(wěn)壓功能無法隨著煤氣壓力的波動或時間的變化而自動起動和停止，其調(diào)節(jié)壓力的作用是僵化的，有限的。通過研究前文表1~表5發(fā)現(xiàn)，如果設(shè)定立管起點壓力在一定范圍內(nèi)，則不用穩(wěn)壓器便可以有效地解決因高程附加壓力而引起的灶前煤氣壓力波動大的問題。

1.5 立管起點壓力1 150 Pa低谷工況

設(shè)立管起點壓力1 150 Pa，不設(shè)穩(wěn)壓器，低谷工況水力計算結(jié)果詳見表6：

表6 立管起點壓力1 150 Pa低谷用氣工況壓力(相對)計算單位：Pa

通過分析表6可以發(fā)現(xiàn)，在用氣低谷時，灶前最高壓力1 536 Pa，略微超出灶前允許工作壓力上限，出現(xiàn)在第31層灶前；最低壓力1 013 Pa，在灶前允許工作壓力范圍內(nèi)，出現(xiàn)在第1層灶前。即，大樓中所有樓層的灶具均可以正常使用。

1.6 立管起點壓力950 Pa高峰工況

設(shè)定立管起點壓力 950 Pa(考慮到高峰時調(diào)壓器出口到立管起點的壓力降為200 Pa，則1 150-200 =950 Pa)，不設(shè)穩(wěn)壓器，高峰工況水力計算結(jié)果詳見表7：

表7 立管起點壓力950 Pa高峰用氣工況壓力(相對)計算單位：Pa

通過分析表7可以發(fā)現(xiàn)，在用氣高峰時，灶前最高壓力882 Pa，屬于灶前允許工作壓力范圍，出現(xiàn)在第31層灶前；最低壓力752 Pa，略低于灶前允許工作壓力的下限，出現(xiàn)在第1層灶前。即，大樓中所有樓層的灶具均可以正常使用。

因此，高層住宅小區(qū)低壓管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計中，只要調(diào)低中、低壓調(diào)壓器的出口壓力至1 150 Pa，最多不超過1 200 Pa，同時加大干、支管和引入管管徑，并減小中、低壓調(diào)壓器的作用半徑，這樣即可在不設(shè)置立管穩(wěn)壓器的情況下，將高程附加壓頭的不利影響消除。其缺點是增大了干、支管和引入管的工程費用，或減小了調(diào)壓器的作用半徑，增加了調(diào)壓器的數(shù)量進而增加設(shè)備費用。從技術(shù)、經(jīng)濟的角度，我更傾向于選擇樓棟箱式調(diào)壓器，這樣因小區(qū)內(nèi)中壓管直接配氣到樓棟立管，可減小管徑，節(jié)省管道工程費用，又可控制立管起點壓力穩(wěn)定在1 050 Pa，從而使高層住宅各層的灶前壓力得到更好的滿足。對于超高層住宅立管設(shè)計，則需在高層住宅立管方案的基礎(chǔ)上作進一步改進，即在樓棟箱式調(diào)壓器出口設(shè)置二根立管，一根只供應(yīng) 33層及以下的樓層，另一根在33層設(shè)置穩(wěn)壓器降壓570 Pa后專供34層~66層，更高層也可以此類推。這一方法除了滿足高層、超高層各層廚房灶前壓力在工作壓力范圍內(nèi)以外，可以在箱式調(diào)壓器內(nèi)設(shè)置緊急切斷閥，并與樓內(nèi)燃氣探頭連鎖以防止煤氣泄漏，還可以保證發(fā)生火災(zāi)、或地震時能及時切斷氣源以防止災(zāi)難加重升級，以滿足高層、超高層住宅對安全的要求。

2 結(jié)束語

燃氣行業(yè)的技術(shù)規(guī)范的首要原則是安全、可靠，其條文是在總結(jié)大量的技術(shù)工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提煉而成的。但隨實際情況的變化而不斷出現(xiàn)新的技術(shù)問題，使我們不能完全按照現(xiàn)成的規(guī)范條文解決，這就要求我們在掌握規(guī)范原則的基礎(chǔ)上，對具體問題進行具體分析，不斷提高實際工作水平。

另外，在新出版的《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)將低壓級制提高到<10 000 Pa，并在6.1.6條2款說明中表述：“此系統(tǒng)需要在用戶燃氣表前設(shè)置低—低壓調(diào)壓器”，如果低壓供氣系統(tǒng)能按此實施，則本文所述高層、超高層住宅燃氣供應(yīng)的種種難題便會迎刃而解。