高層建筑居民天然氣供應(yīng)技術(shù)探討

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)。
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(shí)期，增長的人口相對于日趨緊張的建筑用地和不斷擴(kuò)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(gè)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(shí)，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(shí)，管道就會(huì)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(gè)波紋管補(bǔ)償器，利用補(bǔ)償器的補(bǔ)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(gè)彎頭(最好用煨彎)，相當(dāng)于加設(shè)一個(gè)方型補(bǔ)償器，用彎頭的自然補(bǔ)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(bǔ)償來減少引入管的受力；
    (4) 在引入管穿越墻體時(shí)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(bǔ)償措施
    在風(fēng)載荷的作用下，高層及超高層建筑物上部會(huì)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(dòng)周期不同。振動(dòng)頻率也不同。當(dāng)建筑物振動(dòng)頻率與天然氣供應(yīng)系統(tǒng)管道的振動(dòng)頻率接近時(shí)，有可能發(fā)生共振現(xiàn)象，會(huì)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(gè)高層建筑在高度方向呈弧狀，則整個(gè)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(bǔ)償時(shí)，不論豎管還是橫管，必須在其上設(shè)置錨固點(diǎn)，以限定補(bǔ)償?shù)姆秶?，并且在橫管錨固點(diǎn)之前設(shè)伸縮補(bǔ)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(diǎn)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(diǎn)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(shí))這3個(gè)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(bǔ)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(diǎn)的個(gè)數(shù)。
 
    式中：λ—管端固定情況的參數(shù)，兩端固定時(shí)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(dòng)頻率如果與建筑物固有頻率相等，會(huì)發(fā)生共振，管道會(huì)破壞。管道的振動(dòng)頻率可以通過調(diào)整錨點(diǎn)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(gè)立管自重能均勻分?jǐn)?，?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)夤艿馈⑻坠芤约敖ㄖ锍蔀橐惑w。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(shí)的環(huán)境溫度與管道工作時(shí)的溫度不同，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。施工時(shí)的環(huán)境溫度與管道工作時(shí)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(huì)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(bǔ)償不能滿足要求時(shí)，應(yīng)設(shè)置補(bǔ)償器；補(bǔ)償器宜采用形或波紋管形，不得采用填料型。補(bǔ)償量計(jì)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(shí)可取70℃。
    根據(jù)上述推薦的計(jì)算補(bǔ)償量的溫差為20℃、40℃、70℃(管道沿外墻和屋面敷設(shè)時(shí))，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(shí)，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(bǔ)償?？捎米杂晌灰?、彎管段自然補(bǔ)償、補(bǔ)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(diǎn)或用壓點(diǎn)與測壓基準(zhǔn)點(diǎn)或供壓起始點(diǎn)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(huì)造成某些用戶燃具前壓力波動(dòng)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?，甚至發(fā)生離焰、脫火、回火和熄火等現(xiàn)象，增大供氣不安全性[5]?？刂坪拖郊訅毫Φ挠绊懀潜ＷC高層供氣系統(tǒng)安全正常運(yùn)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(tái)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(gè)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(shí)，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(jì)?？稍谕ピ汗艿榔瘘c(diǎn)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(huì)造成庭院管道較長、埋深不足等問題。采用這種設(shè)計(jì)方案后應(yīng)做好與主體設(shè)計(jì)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(huì)造成管道、閥門、調(diào)壓器等數(shù)量的增多，造價(jià)加大，但是保證了在有事故發(fā)生或檢修時(shí)，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(jì)、易操作。但是，當(dāng)只有頂層極少數(shù)用戶用氣時(shí)，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(dòng)。
    (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?。分別調(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(shí)壓力波動(dòng)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(yùn)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(jià)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(jì)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(jì)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(jià)也較高。
    在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場的各種實(shí)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?bào)警和自動(dòng)控制系統(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(gè)分段閥門；
    (2) 各用戶設(shè)置燃?xì)鈭?bào)警裝置、自動(dòng)切斷裝置、送排風(fēng)系統(tǒng)等。燃?xì)鈭?bào)警裝置和自動(dòng)切斷裝置、送排風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)連動(dòng)：
    (3) 高層建筑的燃?xì)夤艿馈⑷細(xì)庠O(shè)備應(yīng)定期檢修，保障其安全運(yùn)行；
    (4) 當(dāng)高層建筑的樓層數(shù)較多高度較高時(shí)(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(jì)、合理，在設(shè)計(jì)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(diǎn)綜合考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)際運(yùn)用中還存在一些問題：
    (1) 在設(shè)計(jì)和施工驗(yàn)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﹫?bào)警、熱應(yīng)力的消除等方面的經(jīng)驗(yàn)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(jì)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)
1 中華人民共和國公安部主編.高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范.北京：中國計(jì)劃出版社.2005
2 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究院主編.城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006
3 袁宗明。謝英，梁光川主編.城市配氣.北京：石油工業(yè)出版社.2004
4 蔣連成.李淑芬，張志忠主編.高層建筑燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)有關(guān)問題的探討[J].煤氣與熱力，1999，19(4)：22-24.
5 段常貴.燃?xì)廨斉?第3版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001
 
(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)