高層民用建筑天然氣附加壓力解決方案

鄧 勇

(廣州廣燃設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州510030)

1 概述

截至目前，廣州市已出現(xiàn)的最高民用建筑為56層，建筑高度為169 m。天然氣管道工程作為民用建筑的一項(xiàng)配套工程，也必須順應(yīng)高層建筑的發(fā)展。天然氣附加壓力問題成為高層民用建筑天然氣安全穩(wěn)定供應(yīng)必須解決的問題。本文根據(jù)廣州市天然氣供應(yīng)現(xiàn)狀，通過計(jì)算、測量及分析，提出適合廣州市高層民用建筑天然氣附加壓力問題的解決方案。

2 相關(guān)規(guī)范要求

根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱GB 50028—2006)第10.2.2條，民用低壓天然氣用氣設(shè)備的燃燒器的額定壓力宜為2.0 kPa。根據(jù)該規(guī)范第10.4.1條，居民生活的各類用氣設(shè)備應(yīng)采用低壓燃?xì)?，用氣設(shè)備前(燃具前)的燃?xì)鈮毫?yīng)在(0.75～1.5)pn的范圍內(nèi)(pn為燃具的額定壓力)。

當(dāng)燃具前的壓力在1 500～3 000 Pa范圍內(nèi)波動時(shí)，仍能滿足燃具燃燒要求。當(dāng)燃具前的壓力超出此范圍，燃具的熱效率低，燃燒噪聲大，燃燒不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生脫火或回火等現(xiàn)象。另外，由于燃?xì)獠煌耆紵?，煙氣中CO含量超標(biāo)，可能引發(fā)事故[1]。

3 廣州市附加壓力的計(jì)算及測量

3.1 廣州市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文的研究范圍是天然氣戶內(nèi)管(包括室外立管及室內(nèi)管)。廣州市平均氣溫取23 ℃，平均氣壓(絕對壓力)取101.325 kPa。燃?xì)夤艿纼?nèi)天然氣的溫度隨著氣溫的變化而變化，平均溫度取23 ℃，管道內(nèi)天然氣的壓力隨著溫度及管道高度的變化而變化，平均絕對壓力取103.825 kPa。

在23 ℃、101.325 kPa時(shí)，空氣的密度為1.193 kg/m3。

在23 ℃、103.825 kPa時(shí)，天然氣的密度為0.734 kg/m3。

膜式燃?xì)獗淼淖枇s為130 Pa。根據(jù)廣州市新建樓盤的戶內(nèi)天然氣管道設(shè)計(jì)規(guī)律，膜式燃?xì)獗砼c燃具之間的管道長度約為5 m，天然氣經(jīng)過該段管道的阻力約為5 Pa。二者合計(jì)135 Pa。

區(qū)域調(diào)壓柜的中-低壓調(diào)壓器(以下簡稱區(qū)域調(diào)壓器)的出口壓力一般設(shè)定為2 500 Pa，關(guān)閉壓力為2 800 Pa。

夜間低峰時(shí)段實(shí)測的區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力為2 750 Pa。

3.2 附加壓力計(jì)算

天然氣的附加壓力可按式(1)計(jì)算。

Δpadd=(ρa(bǔ)ir-ρgas)gΔh

(1)

式中 Δpadd——天然氣的附加壓力，Pa

ρa(bǔ)ir——在23 ℃、101.325 kPa時(shí)空氣的密度，kg/m3

ρgas——在23 ℃、103.825 kPa時(shí)天然氣的密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2

Δh——天然氣管道的終點(diǎn)高程與起點(diǎn)高程之差，m

將廣州市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入式(1)，計(jì)算可得式(2)。

Δpadd=4.5Δh

(2)

用戶燃具前壓力可由式(3)計(jì)算。

psto=preg+Δpadd-Δpmet-Δppip

(3)

式中psto——燃具前壓力，Pa

preg——區(qū)域調(diào)壓器出口壓力，Pa

Δpmet——膜式燃?xì)獗砑氨砗笾寥季咔肮艿赖淖枇?，Pa，取135 Pa

Δppip——由區(qū)域調(diào)壓器出口至用氣點(diǎn)之間的天然氣管道的阻力，Pa

用氣高峰時(shí)段，管道阻力Δppip達(dá)到最大值，一般設(shè)計(jì)時(shí)均按用氣高峰考慮，來選取天然氣管道的管徑，故能保證此時(shí)所有用戶的燃具前壓力處于1 500～3 000 Pa的范圍內(nèi)，以滿足GB 50028—2006的要求。

夜間用氣低峰時(shí)段，管道阻力Δppip趨近于0，且區(qū)域調(diào)壓器出口壓力preg達(dá)到最大值，接近關(guān)閉壓力(2 800 Pa)。根據(jù)式(3)，此時(shí)的灶前壓力psto將達(dá)到最大值。假設(shè)住宅層高為2.9 m，將式(2)代入式(3)，可計(jì)算出夜間低峰時(shí)段燃具前壓力，見表1。

表1 夜間低峰時(shí)段燃具前壓力

由表1可以看出，夜間低峰時(shí)段，27層及以上樓層的燃?xì)鈮毫^3 000 Pa。

3.3 附加壓力的測量

2019年11月，在廣州市某小區(qū)選取了第31層、40層、50層共3個(gè)居民用戶，連續(xù)監(jiān)測燃?xì)獗淼谋砬皦毫?。夜間低峰時(shí)段表前壓力理論值與實(shí)測值見表2。

表2 夜間低峰時(shí)段表前壓力理論值與實(shí)測值

由表2可以看出，實(shí)測值均小于理論值，兩者存在88.2～161.0 Pa的差值?？紤]原因?yàn)椋?/p>

測量小區(qū)為已建成小區(qū)，整個(gè)小區(qū)由1臺調(diào)壓設(shè)備供應(yīng)燃?xì)?，無法控制整個(gè)小區(qū)天然氣流量為0，故調(diào)壓設(shè)備至測量點(diǎn)間的燃?xì)夤艿缐毫p失大于0，實(shí)測值會偏小。

4 附加壓力解決方案比選

4.1 方案1：降低區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力

廣州市現(xiàn)狀區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力一般設(shè)定為2 500 Pa，關(guān)閉壓力為2 800 Pa。本方案需要降低區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力，區(qū)域調(diào)壓器將天然氣由中壓調(diào)至2.35 kPa(關(guān)閉壓力為2.6 kPa)，經(jīng)庭院管、戶內(nèi)管輸送至各用戶。

該方案的特點(diǎn)：在用氣高峰時(shí)段和用氣低峰時(shí)段，都可以保證每個(gè)用戶的燃具前壓力在1 500～3 000 Pa范圍內(nèi)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：無須增加設(shè)備，無須增加造價(jià)。

該方案的缺點(diǎn)：適用范圍有限，僅適用于建筑總高度≤100 m，且區(qū)域調(diào)壓器供氣范圍比較小的區(qū)域。對于區(qū)域調(diào)壓器供氣范圍較大的情況，不適用此方法，這是因?yàn)檩^長的庭院管會導(dǎo)致區(qū)域末端樓棟用戶在用氣高峰時(shí)燃具前壓力不足1 500 Pa。

4.2 方案2：全部用戶室內(nèi)安裝低-低壓調(diào)壓器

在每戶的表前安裝低-低壓調(diào)壓器。供氣流程為，區(qū)域調(diào)壓器先將天然氣由中壓調(diào)至7 kPa，經(jīng)庭院管、戶內(nèi)管輸送至各用戶后，由每戶表前的低-低壓調(diào)壓器，將天然氣壓力調(diào)至2.16 kPa，供該用戶使用。

該方案的特點(diǎn)：根據(jù)設(shè)備廠家提供的低-低壓調(diào)壓器的性能曲線，低-低壓調(diào)壓器的出口壓力在2 100～2 500 Pa范圍內(nèi)波動，因此，無論是用氣高峰時(shí)段還是用氣低峰時(shí)段，都可以保證每個(gè)用戶的燃具前壓力在1 965～2 365 Pa范圍內(nèi)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

① 使用比較廣泛，設(shè)計(jì)、運(yùn)行方面比較成熟。

② 低-低壓調(diào)壓器的出口壓力穩(wěn)定，因此用戶用氣壓力穩(wěn)定。

該方案的缺點(diǎn)：

① 每戶都需要安裝低-低壓調(diào)壓器，造價(jià)增高。

② 與現(xiàn)狀的供氣系統(tǒng)相比，入戶壓力較高，而目前小型戶用低-低壓調(diào)壓器均不含超壓切斷功能，存在安全隱患。

③ 運(yùn)行壓力較高，設(shè)備數(shù)量增加，運(yùn)行維護(hù)需要大量人力，運(yùn)行維護(hù)成本增加。

④ 目前廣州市居民用戶均為一級調(diào)壓供氣，即區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力為2.5 kPa，庭院和戶內(nèi)低壓天然氣只存在2.5 kPa這一個(gè)壓力系統(tǒng)，若再出現(xiàn)比現(xiàn)狀運(yùn)行壓力更高的7 kPa的壓力系統(tǒng)，運(yùn)行管理上容易造成混亂，運(yùn)行維護(hù)難度增加。

4.3 方案3：高樓層立管安裝大流量低-低壓調(diào)壓器

按照前述方法計(jì)算出最低的超壓樓層(例如表1的結(jié)果是第27層)，在該樓層立管的始端處安裝大流量低-低壓調(diào)壓器，根據(jù)不同建筑高度設(shè)定大流量低-低壓調(diào)壓器的出口壓力。供氣流程為，區(qū)域調(diào)壓器先將天然氣由中壓調(diào)至2.5 kPa，經(jīng)庭院管、戶內(nèi)管輸送至各用戶，在該樓層以下的用戶，保持原供氣系統(tǒng)不變；在該樓層及以上樓層的用戶，由該樓層立管始端處安裝的大流量低-低壓調(diào)壓器，將天然氣壓力調(diào)至適當(dāng)值后，再向各用戶供氣。

該方案的特點(diǎn)：在用氣低峰時(shí)段，可以保證每個(gè)用戶的燃具前壓力在1 500～3 000 Pa范圍內(nèi)；在用氣高峰時(shí)段，大流量低-低壓調(diào)壓器的進(jìn)口壓力過低，大流量低-低壓調(diào)壓器的阻力數(shù)據(jù)待測試。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

① 維持了目前廣州市居民用戶低壓2.5 kPa的壓力系統(tǒng)，便于統(tǒng)一運(yùn)行管理。

② 1根立管僅設(shè)2臺大流量低-低壓調(diào)壓器(1開1備)[2]，造價(jià)較低。

該方案的缺點(diǎn)：

由于大流量低-低壓調(diào)壓器體積較大，安裝位置難選定，安裝有大流量低-低壓調(diào)壓器的用戶意見大，入戶運(yùn)行維護(hù)不方便[2]。

4.4 方案4：高樓層用戶室內(nèi)安裝低-低壓調(diào)壓器

計(jì)算出最低的超壓樓層(同方案3)，以該樓層為界，在該樓層及以上樓層用戶的表前安裝低-低壓調(diào)壓器。供氣流程為，區(qū)域調(diào)壓器先將天然氣由中壓調(diào)至2.5 kPa，經(jīng)庭院管、戶內(nèi)管輸送至各用戶。在該樓層以下的用戶，保持原供氣系統(tǒng)不變；在該樓層及以上樓層的用戶，由各用戶的表前安裝的低-低壓調(diào)壓器，將天然氣壓力調(diào)至2.16 kPa后，再向各用戶供氣。

該方案的特點(diǎn)：在用氣低峰時(shí)段，可以保證每個(gè)用戶的燃具前壓力在1 500～3 000 Pa范圍內(nèi)；在用氣高峰時(shí)段，低-低壓調(diào)壓器進(jìn)口壓力過低，低-低壓調(diào)壓器的阻力數(shù)據(jù)待測試。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：維持了目前廣州市居民用戶低壓2.5 kPa的壓力系統(tǒng)，不需要大范圍調(diào)整供氣系統(tǒng)，僅高樓層用戶的表前增加低-低壓調(diào)壓器，造價(jià)相對較低。

該方案的缺點(diǎn)：

① 該方式很少有實(shí)際工程應(yīng)用，且市場上可供選擇的低-低壓調(diào)壓器種類較少。

② 小型戶用低-低壓調(diào)壓器均不含超壓切斷功能，存在安全隱患。

③ 調(diào)壓設(shè)備數(shù)量增加較多，運(yùn)行及維護(hù)需要投入一定的人力。

4.5 方案選取

綜合比較上述4種方案，降低區(qū)域調(diào)壓器出口壓力(方案1)、高樓層用戶室內(nèi)安裝低-低壓調(diào)壓器(方案4)的方案較為適合廣州市，可以根據(jù)不同的實(shí)際情況合理選用。

5 低-低壓調(diào)壓器比選

5.1 低-低壓調(diào)壓器性能

依據(jù)方案4，目前市場上符合條件的低-低壓調(diào)壓器有兩個(gè)品牌，共4種型號，本文中分別以A型、B型、C型、D型表示，其性能參數(shù)見表3。表3中的A型低-低壓調(diào)壓器通常是不設(shè)置內(nèi)置欠壓切斷裝置的，用戶在訂貨時(shí)可以選擇是否設(shè)置內(nèi)置欠壓切斷裝置。

表3 低-低壓調(diào)壓器性能參數(shù)

由表3可以看出，A型低-低壓調(diào)壓器要求進(jìn)口壓力較高，不低于2.6 kPa，B、C、D型號的低-低壓調(diào)壓器要求進(jìn)口壓力較低，不低于2.3 kPa。

5.2 低進(jìn)口壓力下的壓力損失測試

設(shè)備廠家并未給出進(jìn)口壓力低于2.3 kPa時(shí)低-低壓調(diào)壓器的壓力損失數(shù)據(jù)，故需通過實(shí)驗(yàn)來檢測。

對于普通居民用戶的日常用氣，燃?xì)庠顔窝酃ぷ鳛樾×髁抗r，用氣量約為0.3 m3/h；燃?xì)庠?、熱水器同時(shí)工作時(shí)為大流量工況，用氣量約為3.0～4.0 m3/h。

本次實(shí)驗(yàn)在廣州燃?xì)饩邫z測服務(wù)有限公司進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中采用的氣體為廣州燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司管網(wǎng)內(nèi)的天然氣。因?yàn)槲覀兿Ｍ趬毫Φ陀?.3 kPa時(shí)天然氣能夠通過低-低壓調(diào)壓器，所以低-低壓調(diào)壓器應(yīng)無欠壓切斷功能，實(shí)驗(yàn)中采用的A型低-低壓調(diào)壓器沒有設(shè)置內(nèi)置欠壓切斷裝置；B型、C型、D型低-低壓調(diào)壓器本身沒有欠壓切斷功能。實(shí)驗(yàn)分為小流量工況、大流量工況兩種流量工況進(jìn)行，采用1臺熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)記錄天然氣的瞬時(shí)流量，2支U型管壓力計(jì)測量低-低壓調(diào)壓器的進(jìn)、出口壓力。篩選有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，按照低-低壓調(diào)壓器進(jìn)口壓力由低到高的順序排列，天然氣分別經(jīng)過A型、B型、C型、D型低-低壓調(diào)壓器在低進(jìn)口壓力條件下的壓力損失分別見表4～7。

表4 低進(jìn)口壓力條件下A型低-低壓調(diào)壓器的壓力損失

表5 低進(jìn)口壓力條件下B型低-低壓調(diào)壓器的壓力損失

表6 低進(jìn)口壓力條件下C型低-低壓調(diào)壓器的壓力損失

表7 低進(jìn)口壓力條件下D型低-低壓調(diào)壓器的壓力損失

5.3 測試結(jié)果分析

由表4～7的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)果：在小流量工況時(shí)，天然氣經(jīng)過上述4種不同型號的低-低壓調(diào)壓器的壓力損失均可忽略不計(jì)；在大流量工況時(shí)，天然氣經(jīng)過上述4種不同型號的低-低壓調(diào)壓器的壓力損失相差較大，按照其壓力損失由小到大排列的順序?yàn)椋篈型、D型、B型、C型。

因此，本著壓力損失盡可能低的原則，選用A型低-低壓調(diào)壓器。

6 方案推薦

目前廣州市新建高層樓盤分為兩類：建筑總高度≤100 m的高層民用建筑、建筑總高度>100 m的超高層民用建筑。其中，建筑總高度≤100 m的高層民用建筑占主要部分，僅少部分民用建筑總高度>100 m。

以層高為2.9 m計(jì)算，27層的建筑總高度約為78 m，按照目前廣州市的區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力設(shè)置情況，建筑總高度低于78 m的建筑，天然氣的附加壓力不會導(dǎo)致高樓層建筑居民用戶燃具前壓力超壓。

據(jù)此，推薦廣州市按以下3種情況采取相應(yīng)措施：

① 對于建筑總高度為78～100 m的高層民用建筑，在滿足首層用戶在用氣高峰時(shí)的燃具前壓力不低于1 500 Pa的前提下，采用降低區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力的方式來解決較高樓層的居民用戶燃具前壓力超壓的問題，即方案1，區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力設(shè)置為2.35 kPa，關(guān)閉壓力為2.6 kPa。

② 對于建筑總高度為78～100 m的高層民用建筑，若降低區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力后，首層用戶在用氣高峰時(shí)的燃具前壓力低于1 500 Pa，則區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力仍維持現(xiàn)狀，設(shè)置為2.5 kPa，關(guān)閉壓力為2.8 kPa。在第27層及以上樓層的用戶表前安裝A型低-低壓調(diào)壓器，即方案4。

③ 對于建筑總高度>100 m的超高層民用建筑，區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力仍維持現(xiàn)狀，設(shè)置為2.5 kPa，關(guān)閉壓力為2.8 kPa。在第27層及以上樓層的用戶表前安裝A型低-低壓調(diào)壓器，即方案4。