上海中心大廈燃氣系統(tǒng)設計關鍵技術研究報告

上海燃氣工程設計研究有限公司 陳瓊琰 楊世宏

上海中心大廈燃氣系統(tǒng)設計關鍵技術研究報告

上海燃氣工程設計研究有限公司 陳瓊琰 楊世宏

通過對超高層建筑燃氣系統(tǒng)設計的關鍵點，即立管的應力分析、高立管的柔性設計、燃氣泄漏自動報警和自動切斷系統(tǒng)進行了深入的研究，并依此做出了相應設計方案，解決了在超高層建筑內燃氣應用的難題。

超高層 燃氣 系統(tǒng)設計 自動報警

目前雖然超高層建筑在全球加速建設，但在這些建筑的高區(qū)設置使用燃氣的廚房是上海乃至中餐影響區(qū)域所特有的?，F(xiàn)今世界上燃氣供應技術較領先的其他國家均無該領域的應用實例，因此，超高層建筑的燃氣系統(tǒng)在面臨臺風、地震、火災時如何確保安全正常的供應是本課題研究的重點。本課題以上海中心大廈為例，著重對高差最大的燃氣管道——自B1層上至120層，高差約550米的低壓燃氣管道，開展這方面的研究。

1 上海中心大廈天然氣用氣的基本概況

1.1 天然氣用氣情況

上海中心大廈的天然氣主要應用于三個領域：燃氣鍋爐、冷熱電三聯(lián)供及廚房。主要用氣項目及其用氣量見表1。

表1 主要用氣項目及其用氣量

1.2 上海中心天然氣供應系統(tǒng)

上海中心天然氣供應系統(tǒng)分為三大系統(tǒng)：

(1)20 kPa冷熱電三聯(lián)供燃氣供應系統(tǒng)；

(2)10 kPa鍋爐燃氣供應系統(tǒng)；

(3)2 kPa低壓燃氣供應系統(tǒng)。

根據(jù)立管的流量通過水力計算確定B1層至120層的低壓燃氣立管的管徑為DN150。

2 附加壓力的計算及解決方案

根據(jù)國家標準的規(guī)定，低壓燃氣具的額定壓力：人工煤氣為1 000 Pa±50%；天然氣為2 000 Pa±50%。因此，低壓燃氣具允許最高壓力：人工煤氣為1 500 Pa；天然氣為3 000 Pa。

上海中心大廈120層使用燃氣的餐廳高度為550米，而天然氣密度按0.803 kg/m3(東海天然氣)，每升高1米，附加壓力增加4.81 Pa，則附加壓力約為2 650 Pa，調壓器出口運行壓力實際在2 300 Pa左右，當?shù)蛪汗苤挥袠O少數(shù)用戶在用氣(例如在深夜)，而上海中心大廈使用專用調壓站，自調壓站出口管至進戶管前整個管段的壓力降很小，此時進戶管前的壓力接近于調壓站出口壓力(2 300 Pa)。則上海中心120層天然氣壓力在4 950 Pa，遠遠超過灶具的額定壓力，必須采取措施降低高層燃氣供應壓力：

(1)可通過減小燃氣立管管徑或增設立管節(jié)流閥來增加管道的阻力。

(2)當燃氣立管在某一高度的壓力達到1.5Pn時，在此高度的立管上設置低—低壓調壓器。

(3)在立管的每層水平支管上均設置低—低壓調壓器。

上述方法雖然可解決一些問題，但也存在一些缺陷，上海中心大廈采用如下方法：

(4)上海中心大廈在附加壓力的消除方法上，借鑒箱式調壓器常設兩路調壓單元(一開一備)的方式，將相近的幾層合并使用兩路低—低壓調壓器，一開一備，即節(jié)省了投資，又提高了用氣的安全性，見圖1。

圖1 上海中心大廈低—低壓調壓器設置方式

3 燃氣高立管應力分析

我們對高立管在各種情況下的應力進行理論分析及實踐。主要作了如下的研究：

3.1 管道內壓應力分析

管道內壓應力分析得出內壓作用下管道的應力，計算結果遠小于許用壓力，故其影響可忽略不計。

3.2 管道自重應力分析

管道自重應力分析得出自重引起的管道應力較小，當固定支架間距(立管長度)達到2 350 m時，立管自重應力才達到鋼材的屈服強度(235 μPa)。

3.3 溫度作用下立管應力分析

溫度作用下立管應力分析得出當溫度變化確定時，鋼立管的熱變形量與兩固定支架之間的距離(立管長度)成正比，需增加方形補償器來吸收變形量；設置方形補償器后鋼管的固定推力、鋼管的熱應力、補償器的熱應力均與以下三個因素有關：

(1)與管徑成正比。

(2)與補償器的尺寸成反比。

(3)與需要補償?shù)臒嶙冃瘟砍煞幢取?/p>

需通過調整固定支架距離和補償器的尺寸確保立管熱應力和補償器的最大熱應力均小于鋼材的許用應力，課題制作了便查表以方便計算。

3.4 橫向運管系統(tǒng)分析

橫向運管同樣受重力和溫度的影響：

(1)支管自重在立管三通處產生彎矩和軸力。

(2)由于支管的支撐點不限制軸向位移，溫度作用的影響主要由立管三通位置在溫度作用下的豎向位移引起。

課題對三種支管形式制作了便查表，方便快速選出合適的支管形式和支管支撐點位置。

3.5 管道壓彎屈曲驗算

管道壓彎屈曲驗算得出相鄰限位支架的允許最大間距與管道的回轉半徑有關，即只與管道的截面尺寸(內、外徑)有關。

3.6 風荷載下立管應力分析

經研究分析，風荷載引起的鋼管最大應力與限位支架的相對位移成正比，與限位支架的間距成反比，與系數(shù)K(即直徑)成正比。

3.7 地震作用下的立管應力分析

經研究分析，得知為避免共振，限位支架的允許最大間距與管材彈性模量與密度有關，與管道截面回轉半徑(管徑)有關。作用于管身的水平地震作用產生的最大應力與限位支架間距成正比，與系數(shù)Keq(由管材和管徑決定)成正比。限位支架相對位移引起的管道最大應力與限位支架的相對位移成正比，與限位支架的間距成反比。管道口徑越大，因限位支架相對位移引起的管道最大應力也越大。

4 燃氣高立管的柔性設計

根據(jù)上述對不同荷載作用下管道的應力分析，超高層燃氣立管的設計程序如下：

(1)確定設計荷載。通過對自重、溫度作用、內荷載、地震作用的分析確定設計荷載。

(2)固定支架與補償器設置。

(3)限位支架設置。

(4)橫管系支吊架設置。

(5)強度校核。

5 燃氣泄漏自動報警和自動切斷系統(tǒng)設計

上海中心大廈的燃氣報警系統(tǒng)主要考慮如下設置：

(1)探測器的設置。在燃氣豎井內設置可燃氣體探測器，應根據(jù)燃氣豎井內樓板分隔情況進行設置，本工程每層樓板都做分隔，則每層均應設置可燃氣體探測器。

(2)報警控制器的設置。本工程報警控制器設置在地下一層消防安保總控中心，確保發(fā)生燃氣泄漏事故時，能夠及時的處理，安全使用燃氣。

(3)緊急切斷閥的設置。本工程緊急切斷閥設置原則：在調壓器后各路管道上分別設置緊急切斷閥，作為總切斷系統(tǒng)；在管道進入各廚房前設置緊急切斷閥，作為分切斷系統(tǒng)；即廚房采用總切斷加分切斷系統(tǒng)，鍋爐房、三聯(lián)供分別設置緊急切斷閥，采用總切斷系統(tǒng)。

(4)本系統(tǒng)與消防系統(tǒng)接口形式。本工程燃氣報警控制器設置在地下一層消防安?？偪刂行模敯l(fā)生火災時，經人員確認后，在該消防安保總控中心可以手動切斷調壓器后各路管道上的緊急切斷閥及各廚房分切斷閥，燃氣報警控制器也可以通過RS485通訊接口與消防系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

6 結語

本課題在對上海中心大廈充分調研的前提下，就其燃氣系統(tǒng)的設計關鍵技術進行了理論計算和分析，結合以往的設計經驗，得出的主要結論如下：

(1)低壓系統(tǒng)采用環(huán)球金融中心項目取得的專利技術——單座調壓器同時作用于超高層建筑的底部與頂部。并對整個天然氣供應系統(tǒng)運行工況進行分析，確定了管材、直徑和壁厚，并根據(jù)上海中心大廈用氣點分布特點，就消除附加壓頭提出了解決方案——相鄰的用氣樓層合并使用2個穩(wěn)壓器，保證上海中心大廈燃氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

(2)天然氣供應系統(tǒng)應力分析：①內壓作用下管道的應力遠小于許用應力，其影響可忽略不計；②管道自重所引起的應力較??；③利用制成的便查表進行固定支架和補償器設置，通過調整固定支架的距離L1和補償器的尺寸H，確保立管熱應力和補償器的最大熱應力均遠小于鋼材的許用應力；④為了控制補償器的大小，固定支架的間距不宜過大，以120米為宜；⑤利用制成的便查表(此文中略)，可以進行橫向支管設計，通過調整支管類型及支管第一支撐點位置，確保三通處應力均小于鋼材的許用應力。

(3)燃氣供應系統(tǒng)的抗風抗震分析：①為避免管道壓彎屈曲和共振，計算得出不同直徑管道限位支架最大間距表(此文中略)；②管道設計時設置合理的限位支架，可使高立管的應力控制在鋼材許用應力范圍內，保證管道安全運行。

(4)燃氣泄漏自動報警和自動切斷系統(tǒng)的設計：在燃氣系統(tǒng)中加入多級制的泄漏自動報警和自動切斷系統(tǒng)，可有效防止事故的發(fā)生和擴大。

本課題的研究可以廣泛運用于工程領域，并且有一些成果已在環(huán)球金融中心等超高層建筑上應用，如固定支架、補償器、限位支架的設置方式，運行情況良好。

Research on Key Design of Gas Systems in Shanghai Tower

Shanghai Gas Engineering＆Research Co., Ltd. Chen Qiongyan Yang Shihong

This paper makes a deep discussion on key points in the design of super high-rise gas system, especially focus on stress analysis of riser, design of flexible risers, and automatic alarm＆cut-off system for gas leakage. At the same time, it gives out the corresponding design on gas supply system in super-high-rise buildings.

Super-high-rise buildings, Design on gas system, Automatic alarm system