高層建筑居民天然氣供應(yīng)技術(shù)探討

摘 要

摘要：高層建筑的發(fā)展速度越來越快，給高層建筑居民天然氣供應(yīng)帶來了越來越多的挑戰(zhàn)，因此對高層建筑居民天然氣供應(yīng)技術(shù)的研究具有十分重要的意義。本文介紹了高層建筑居民天然氣
摘要：高層建筑的發(fā)展速度越來越快，給高層建筑居民天然氣供應(yīng)帶來了越來越多的挑戰(zhàn)，因此對高層建筑居民天然氣供應(yīng)技術(shù)的研究具有十分重要的意義。本文介紹了高層建筑居民天然氣供應(yīng)技術(shù)的原理、方法以及各種特殊問題的處理技術(shù)。
關(guān)鍵詞：高層建筑；天然氣供應(yīng)；處理技術(shù)
The Residents’Natural Gas Supply Engineering Research of High-Rise Construction
PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company Mid-SiChuan oil & gas mining area
Nanchong Jianeng Natural Gas Co.Ltd Yang Ying，Wei Shize
Abstract：With development of high-rise construction getting quicker and quicker，it has brought more and more challenges to the resident natural gas supply. Therefore，the resident natural gas supply technology’s research of the high-rise
construction is very important. This article introduced natural gas supply technology principle of high-rise construction and the method as well as processing technology of each kind of special question systematically.
Keywords：high-rise construction；natural gas supply；processing technology
1 引言
    當(dāng)前城市建設(shè)正處于高速發(fā)展時期，增長的人口相對于日趨緊張的建筑用地和不斷擴大的規(guī)劃城市公用設(shè)施占地之間矛盾越來越尖銳。高層建筑可以節(jié)約緊張的土地，可以形成美化城市的一道風(fēng)景線。高層建筑[1]定義：十層及十層以上的居住建筑(包括首層設(shè)置商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點的住宅)或建筑高度超過24m的公共建筑(單層主體建筑高度超過24m者除外)。高層建筑本身構(gòu)特點決定了為其配套的天然氣供氣系統(tǒng)與普通建筑有所不同[4]，解決好高層建筑居民天然氣供應(yīng)是至關(guān)重要的，若鋸決不好有可能構(gòu)成重大安全隱患，造成嚴(yán)重的后果。
2 高層居民天然氣供氣系統(tǒng)
    高層居民天然氣供氣系統(tǒng)可分為：低壓供應(yīng)系統(tǒng)、中壓供應(yīng)系統(tǒng)及中-低壓聯(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)。
    對于樓層數(shù)較少。用氣量不大的高層建筑，可由城市低壓管網(wǎng)直接供氣，采用天然氣低壓供應(yīng)系統(tǒng)，低壓供應(yīng)還包括由中壓管網(wǎng)供氣至樓幢調(diào)壓箱、調(diào)壓室、調(diào)壓柜調(diào)壓后變?yōu)榈蛪禾烊粴膺M(jìn)入建筑物內(nèi)。對于樓層數(shù)較多，用氣量較大的高層建筑，可采用天然氣中壓供應(yīng)系統(tǒng)。中壓供應(yīng)系統(tǒng)采用中壓(小于0.2MPa)天然氣進(jìn)戶，在戶內(nèi)設(shè)置戶內(nèi)調(diào)壓器將壓力調(diào)至燃燒器所需要的壓力。
    當(dāng)高層建筑內(nèi)既有居民生活用氣又有公共建筑用氣設(shè)備時，則可將天然氣由城市中壓管網(wǎng)引至高層建筑天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，并分為二路：一路供公共建筑用氣設(shè)備；另一路樓幢調(diào)壓箱、調(diào)壓室、調(diào)壓柜調(diào)壓后變?yōu)榈蛪禾烊粴膺M(jìn)入建筑物內(nèi)供居民生活用氣。這樣的供氣方式被稱為：中-低壓聯(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)。
3 高層居民天然氣供應(yīng)系統(tǒng)中的特殊問題及處理技術(shù)
   高層建筑自身的特點決定了高層天然氣供氣系統(tǒng)的特殊性。在高層天然氣供應(yīng)系統(tǒng)中要注意的幾個特殊問題。
3.1 高層建筑沉降問題及解決方法
    高層建筑的自重很大，土壤的承載能力有限，一般高層建筑地基都有一定數(shù)值的允許沉降量。地基產(chǎn)生大小不同的沉降，將給天然氣管道在建筑物內(nèi)的設(shè)置帶來一定的難度，特別是對天然氣引入管的影響非常大。由于建筑物沉降時，天然氣引入管是相對靜止的，因此天然氣引入管道要承受建筑物作用產(chǎn)生的切應(yīng)力，當(dāng)切應(yīng)力超過極限時，管道就會斷裂、脫開等，造成天然氣泄漏，容易發(fā)生安全事故?？朔邔咏ㄖ两档姆椒ǎ?/span>
    (1) 在立管(或穿墻管)前的水平管上加設(shè)一個波紋管補償器，利用補償器的補償能力來減小引入管的切應(yīng)力；
    (2) 在立管(或穿墻管)前的水平管上加設(shè)幾個彎頭(最好用煨彎)，相當(dāng)于加設(shè)一個方型補償器，用彎頭的自然補償來減少引入管的受力。此種方法簡單易行，但是受位置的限制；
    (3) 在立管(或穿墻管)前的水平管上加設(shè)彎曲管、蛇形管等撓性管，用撓性管自然補償來減少引入管的受力；
    (4) 在引入管穿越墻體時加設(shè)鋼套管，鋼套管保證燃?xì)夤艿赖纳喜颗c鋼套管的間隙大于建筑物的最大沉降量，下部也應(yīng)留有一定的間隙。
3.2 高層建筑的水平位移問題及補償措施
    在風(fēng)載荷的作用下，高層及超高層建筑物上部會發(fā)生水平位移。建筑物表面所受風(fēng)載荷不同，則建筑物的振動周期不同。振動頻率也不同。當(dāng)建筑物振動頻率與天然氣供應(yīng)系統(tǒng)管道的振動頻率接近時，有可能發(fā)生共振現(xiàn)象，會造成嚴(yán)重的后果。高層建筑在不同的高度產(chǎn)生的水平位移不同，使整個高層建筑在高度方向呈弧狀，則整個天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的豎直立管和橫向支管均發(fā)生位移。
    天然氣供應(yīng)系統(tǒng)豎直的立管和橫管在進(jìn)行伸縮補償時，不論豎管還是橫管，必須在其上設(shè)置錨固點，以限定補償?shù)姆秶?，并且在橫管錨固點之前設(shè)伸縮補償器。而天然氣穩(wěn)壓器、閥門等管道設(shè)備應(yīng)設(shè)于橫管錨固定點后，應(yīng)視作相對于建筑是無水平位移，使這些管道設(shè)備免受天然氣管道位移的影響。
豎直管道上錨固點之間的距離由風(fēng)載荷在立管上產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。校核壓縮應(yīng)力及彎曲應(yīng)力(考慮地震對立管影響時)這3個應(yīng)力的合力與該立管鋼材的許用應(yīng)力來確定。最后再考慮該段管道的熱漲，以便考慮熱補償措施，并據(jù)此來校核建筑結(jié)構(gòu)承受管道自重的能力，最終調(diào)整豎直管道上的錨固定點的個數(shù)。
 
    式中：λ—管端固定情況的參數(shù)，兩端固定時λ=4.73；
          E—鋼材的彈性模量，kg/cm2；
          I—鋼管的慣性矩，cm4；
          g—重力加速度，m/s2；
          l—管道長度，cm；
          q—單位長度管道重量，kg/m。
    管道振動頻率如果與建筑物固有頻率相等，會發(fā)生共振，管道會破壞。管道的振動頻率可以通過調(diào)整錨點間距來調(diào)整。
3.3 高層建筑天然氣供氣立管自重的問題
    高層建筑物的樓層數(shù)較多，燃?xì)饬⒐艿拈L度也較長，管道的自重較重，產(chǎn)生的壓應(yīng)力很大。為了使整個立管自重能均勻分?jǐn)偅瑧?yīng)在建筑物中每隔一定的距離設(shè)置管道的固定支架，使固定支架與建筑物成為一體，以減少立管底部壓縮應(yīng)力過于集中，防止因管道下沉而引起引入管受力折斷或變形引起倒坡。一般固定立管的做法有：
    (1) 對于室內(nèi)立管。在每隔7～10層的穿樓板處加設(shè)固定支撐，使燃?xì)夤艿?、套管以及建筑物成為一體。如圖1(圖中單位為mm)。
    (2) 對于室外立管，在每隔7～10層的高度處加設(shè)固定支撐，見圖2(圖中單位為mm)?；蚣右欢嗡焦芏危谒焦芏紊霞又Ъ?。
    (3) 在立管的底部及最高部位，采用完全固定。如圖3。
3.4 高層建筑天然氣供氣管道溫度變化熱應(yīng)力及消除措施
    高層建筑內(nèi)的天然氣供氣管道豎直管很長，由于施工時的環(huán)境溫度與管道工作時的溫度不同，會產(chǎn)生熱應(yīng)力。施工時的環(huán)境溫度與管道工作時的溫度差與高層建筑內(nèi)的天然氣供氣立管的敷設(shè)位置有關(guān)。產(chǎn)生的熱應(yīng)力會將樓板或外墻的管卡等破壞。
    高層建筑燃?xì)饬⒐芎退礁晒軕?yīng)考慮工作環(huán)境溫度下的極限變形，當(dāng)自然補償不能滿足要求時，應(yīng)設(shè)置補償器；補償器宜采用形或波紋管形，不得采用填料型。補償量計算溫差可按下列條件選?。?/span>
    (1) 有空氣調(diào)節(jié)的建筑物內(nèi)取20℃；
    (2) 無空氣調(diào)節(jié)的建筑物內(nèi)取40℃；
    (3) 沿外墻和屋面敷設(shè)時可取70℃。
    根據(jù)上述推薦的計算補償量的溫差為20℃、40℃、70℃(管道沿外墻和屋面敷設(shè)時)，由此得到的碳鋼鋼管長度為30m(相當(dāng)于10層樓高)的熱伸長量約為7mm～25mm，采用一般技術(shù)措施，并不難克服其位移。但當(dāng)管長為60m時，一般技術(shù)措施較難處理，必須采用有效的專門措施予以消除，即設(shè)置自由端或熱補償?？捎米杂晌灰?、彎管段自然補償、補償器等方法。
3.5 因密度差產(chǎn)生的附加壓力問題
    附加壓力是由于天然氣密度與空氣密度有差異，以及測壓點或用壓點與測壓基準(zhǔn)點或供壓起始點的高差引起的物理現(xiàn)象。附加壓力對高層天然氣供氣系統(tǒng)的影響還與天然氣供氣系統(tǒng)的供氣方式有關(guān)。附加壓力過大，會造成某些用戶燃具前壓力波動增大，超出燃具穩(wěn)定工作范圍，影響用戶燃具的正常燃燒，造成燃?xì)獠煌耆紵踔涟l(fā)生離焰、脫火、回火和熄火等現(xiàn)象，增大供氣不安全性[5]。控制和消除附加壓力的影響，是保證高層供氣系統(tǒng)安全正常運行的重要方面。
3.5.1天然氣供氣系統(tǒng)的供氣方式
    天然氣供氣系統(tǒng)的供氣方式可分為：上環(huán)下行供氣系統(tǒng)、下環(huán)上行供氣系統(tǒng)、上環(huán)下行+下環(huán)上行供氣系統(tǒng)：
    上環(huán)下行供氣系統(tǒng)是指中壓管道沿建筑物外墻敷設(shè)至樓頂，經(jīng)樓頂中-低壓調(diào)壓箱調(diào)壓后，分出若干根低壓立管，各低壓立管沿著靠近用氣房間的建筑外墻或陽臺向下引至各用戶的供氣方式。這種供氣方式的調(diào)壓設(shè)備、控制閥門及放散管都設(shè)置在屋頂，建筑外立面燃?xì)庠O(shè)施較少，且屋頂管道都為明設(shè)，方便檢修維護(hù)。由于現(xiàn)代高層建筑地面用地資源極其有限，地下管道密布，且一般都建有地下室，這就造成埋地庭院管道埋深不夠，與其他管道及建筑物間距不夠等諸多問題，給施工帶來很多困難。上環(huán)下行供氣系統(tǒng)一般一棟樓只有一條中壓管道引出地面，埋地庭院管道較短，從而有效地減少了此類問題的發(fā)生。且每棟樓都只在中壓管道引出地面處設(shè)置一個閥門箱，減少了對建筑立面的影響。因此對于屋頂有布管條件的建筑，提倡使用這種供氣系統(tǒng)。
    這種供氣方式不足之處在于天然氣密度比空氣小，由上向下輸氣壓力損失增大。而且當(dāng)建筑的屋頂為斜屋頂或屋頂為住戶私用時，沒有可供安裝燃?xì)庠O(shè)備及管道的空間。就不適合采用這種供氣系統(tǒng)。
    下環(huán)上行供氣系統(tǒng)與上環(huán)下行供氣系統(tǒng)相反，是把樓棟調(diào)壓箱放置在建筑物一層外墻上，燃?xì)饨?jīng)過調(diào)壓后，通過埋地低壓干管引至各低壓立管閥門箱前，經(jīng)各自控制閥后沿建筑外墻引上的供氣方式。
    如果建筑物屋頂沒有敷設(shè)管道和安裝調(diào)壓裝置的空間，就適合采用下環(huán)上行供氣系統(tǒng)。對于樓層較少、用戶數(shù)量不多的建筑，尤其是別墅區(qū)，采用下環(huán)上行供氣系統(tǒng)更為經(jīng)濟。可在庭院管道起點位置設(shè)置調(diào)壓箱(或柜)庭院管道全部采用低壓管道，這樣可以節(jié)約管材和調(diào)壓設(shè)備，并且低壓管道與其他管道和建筑物的間距要求較小，容易布管。但這種方式會造成庭院管道較長、埋深不足等問題。采用這種設(shè)計方案后應(yīng)做好與主體設(shè)計院的管道綜合和外立面協(xié)調(diào)工作，盡量減少與其他專業(yè)的沖突。
    對于樓層超過25層的建筑，采用上環(huán)下行+下環(huán)上行相結(jié)合的供氣系統(tǒng)，分開設(shè)置高層供氣系統(tǒng)和低層供氣系統(tǒng)。這種做法雖然會造成管道、閥門、調(diào)壓器等數(shù)量的增多，造價加大，但是保證了在有事故發(fā)生或檢修時，對用戶造成的影響盡量少。
3.5.2附加壓力消減措施
    隨著樓層升高，附加壓力逐漸增大，對由下環(huán)上行供氣系統(tǒng)的供氣方式，相當(dāng)于降低了管道阻力。要消除附加壓力的影響，須增加管道阻力。具體措施有：
    (1) 每隔一定層數(shù)設(shè)一節(jié)流閥，這種方法簡便、經(jīng)濟、易操作。但是，當(dāng)只有頂層極少數(shù)用戶用氣時，附加壓力減少不明顯；管內(nèi)流量隨用戶數(shù)的多少而變化，流量的變化致使立管的阻力也隨之變化，造成用戶燃具前壓力波動。
    (2) 在立管上設(shè)置低-低壓調(diào)壓器。通常將調(diào)壓器裝設(shè)在附加壓力超過200Pa的樓層。通過調(diào)壓器，穩(wěn)定燃具前壓力，消除附加壓頭影響。
    (3) 每戶裝設(shè)閥門，根據(jù)各樓層不同的燃?xì)鈮毫Α７謩e調(diào)整閥門的開度，節(jié)流調(diào)壓，克服附加壓力的影響，從而滿足每戶燃具所需正常工作壓力。但由于閥門開度不好控制，故這種做法很少采用。
    (4) 在用戶表前設(shè)置用戶低-低壓調(diào)壓器，使燃具前壓力穩(wěn)定在額定工作壓力范圍內(nèi)。
    (5) 采用中壓管道直接進(jìn)入建筑物，在戶內(nèi)燃?xì)獗砬凹又?低壓調(diào)壓器，這樣用戶之間的影響較小，用氣高峰時壓力波動也不明顯，而且調(diào)壓器后的低壓管段較短，燃具基本上是處在額定壓力下工作，運行工況較佳，比較好地消除附加壓力的影響。但是戶內(nèi)有一部分中壓管道，安全性比低壓管道有所降低，并且工程造價也較高，所以一般不主張采用。
    隨著樓層升高。附加壓力逐漸增大，對由上環(huán)下行供氣系統(tǒng)的供氣方式，相當(dāng)于增加了管道阻力，要消除附加壓頭的影響，須降低管道阻力，或提高供氣系統(tǒng)壓力。具體措施有：
    (1) 根據(jù)管道水力計算，可采用較大管徑的立管，以減小管道阻力；
    (2) 根據(jù)管道水力計算，可采用提高供氣系統(tǒng)壓力保證低壓進(jìn)戶，以抵消管道阻力；
    (3) 采用中壓進(jìn)戶的供應(yīng)方式。用中壓直接進(jìn)入建筑物，在戶內(nèi)燃?xì)獗砬凹又?低壓調(diào)壓器，消除了附加壓力的影響。但戶內(nèi)有一部分中壓管道，安全性比低壓管道有所降低，并且工程造價也較高。
    在實際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場的各種實際情況選擇最優(yōu)消減附加壓力的方法，確保高層天然氣供應(yīng)的安全平穩(wěn)。
3.6 高層建筑因天然氣泄漏的防護(hù)問題
    由于高層建筑高度較高，層數(shù)較多，人員較密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散困難，為了確保高層天然氣用戶能安全平穩(wěn)的使用天然氣，必須合理配置先進(jìn)設(shè)備，輔以燃?xì)獍踩珗缶妥詣涌刂葡到y(tǒng)，采取安全措施。具體防護(hù)措施有：
    (1) 在引入管處設(shè)置快速切斷閥，每隔6～7層加一個分段閥門；
    (2) 各用戶設(shè)置燃?xì)鈭缶b置、自動切斷裝置、送排風(fēng)系統(tǒng)等。燃?xì)鈭缶b置和自動切斷裝置、送排風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)連動：
    (3) 高層建筑的燃?xì)夤艿?、燃?xì)庠O(shè)備應(yīng)定期檢修，保障其安全運行；
    (4) 當(dāng)高層建筑的樓層數(shù)較多高度較高時(如樓層數(shù)超過25層)，宜設(shè)燃?xì)饧斜O(jiān)控裝置。
4 結(jié)論
   為了保證高層建筑居民天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟、合理，在設(shè)計方案方面必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庠?、壓力、建筑、安全、地理、環(huán)境等特點綜合考慮，優(yōu)化設(shè)計施工方案。目前我國高層建筑居民天然氣供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)在實際運用中還存在一些問題：
    (1) 在設(shè)計和施工驗收方面沒有專門針對高層建筑燃?xì)夤?yīng)的規(guī)范；
    (2) 高層建筑燃?xì)夤?yīng)技術(shù)在克服高層建筑的沉降、附加壓頭的消減、燃?xì)庑孤﹫缶釕?yīng)力的消除等方面的經(jīng)驗較少；
    (3) 在高層建筑燃?xì)夤?yīng)抗震方面的研究還不夠，沒有形成系統(tǒng)的研究處理方案；
    (4) 高層建筑燃?xì)夤?yīng)在進(jìn)行設(shè)計和現(xiàn)場施工過程中同供水、供電等其它行業(yè)的溝通協(xié)調(diào)工作還不夠。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：楊瑩 魏世澤 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦 637005)