特殊構造住宅天然氣設計的研究

摘 要

　　隨著房地產業的發展，住宅建筑越來越精致。為了滿足人們對美觀和空間的雙重要求，一些不同于傳統、構造特殊的住宅也應運而生。含內天井的高層住宅，在縮小每戶面寬、節約用地
　　隨著房地產業的發展，住宅建筑越來越精致。為了滿足人們對美觀和空間的雙重要求，一些不同于傳統、構造特殊的住宅也應運而生。含內天井的高層住宅，在縮小每戶面寬、節約用地方面，已經顯示出其優越性，得到了越來越廣泛的應用。在天然氣設計中，這類住宅的水力工況、管道的自重和伸縮以及防火都是天然氣設計中需要考慮的問題。
    一、含內天井住宅的水力工況分析
    有些住宅在設計的時候，在底層為天然氣管道留了通往天井的通道，這些住宅的水力工況跟普通高層相同；但很多住宅并沒有這樣的通道，天然氣管道設計時，只能上翻到樓頂進入天井，再下翻下來為各個廚房供氣。下面就這種上翻的管道做下水力分析。
   1、附加壓力分析
   《城鎮燃氣設計規范》規定，天然氣燃具的額定壓力為2000Pa。由于低壓管網沿程阻力和局部阻力的影響，允許燃具前壓力在一定范圍內波動。當燃具前壓力在0.75Pn～1.5Pn內波動時，仍能達到燃具燃燒的要求。若超出此范圍，燃具的熱效率低，燃燒不穩定，燃燒噪聲大，出現脫火和回火等現象。另外由于不完全燃燒，煙氣中的C0含量超標，導致引發事故。
   當高層建筑的燃氣設計采用低壓進戶時，在計算低壓燃氣管道的壓力損失時，應考慮因建筑高度而引起的燃氣附加壓力△P。計算公式如下：
    △P=9.8×(ρ空氣-ρ燃氣)×h
    式中：
    △P——燃氣的附加壓力，Pa；
    ρ空氣——空氣的密度，kg/m3；
    ρ燃氣一一燃氣的密度，kg/m3；
    h——燃氣管道終、起點的高程差，m。
    按照天然氣ρ燃氣=0.79kg/m3計算，
    ρ空氣=1.29kg/m3，由計算公式得：
    △P=4.9h
    不同于普通自下而上的立管，上翻的天然氣低壓管道必須同時滿足兩個條件才能正常供氣：
    (1) 最高層用戶的灶前壓力不能高于3000Pa；
    (2) 最底層用戶的灶前壓力不能低于1500Pa。
   下面我們以嘉興的情況為例來分析。嘉興區域調壓柜的出口壓力為2400Pa，我們假設引入管離調壓柜出口很近，幾乎無壓力降，則壓力P1=2400Pa，對于上面兩個條件，我們均設立最不利工況：
   對于條件(1)，我們設定只有幾戶用氣，管道沿程阻力接近于0，而局部阻力僅為燃氣表的阻力(取150Pa)。設最高層用戶燃具前的壓力為P2，則
    P2=P1+△P-150Pa=2250Pa+4.9h
    當P2=3000Pa時，h=153m。
    對于條件(2)，我們設定所有的用戶都在用氣，燃氣表阻力取150Pa。由于已經有了條件(1)的限制，高度已經不能超過153米。我們根據常見的小區高層建立一個模型，分析下該模型的水力工況。
    模型：
    嘉興某小區高層住宅153米，立管50戶，層高3m，37～50層立管管徑DN50，19～36層立管管徑DN40，7～18層立管管徑DN32，1～6層立管管徑DN25。局部阻力系數：三通直流取1，三通分流1.5，球閥DN15取4，DN15的90°彎頭取2.2。
    在此模型下計算，從樓頂至最下層用戶燃具前的壓力降為1450Pa，加上從引入管至樓頂的沿程阻力350Pa，總壓力降達到了1800Pa，這是不允許的。
    經詳細計算，當立管戶數為43戶，樓層高度為130米時，最底層用戶燃具前的壓力約為1500Pa。
    但在實際工程中，由于天然氣的密度不同，而最上層的用戶燃具前壓力為3000Pa同時最底層的用戶燃具前壓力1500Pa在運行中也不可能實現。為了使用戶燃具前的壓力波動范圍變小，更接近Pn，可根據情況采取措施，減小附加壓力的影響：
    (1)對于較低的高層建筑，因附加壓力相對較小，可以在下翻管上用減少管道阻力的方法(如增大立管管徑)來減小沿程阻力和局部阻力。
    在設計此類建筑時，一定要進行嚴格的水力計算，充分考慮管道沿程阻力和局部阻力及其他影響因素，并考慮留有一定的余量，使所有用戶均能正常用氣。
   (2)對于較高的高層建筑，可以通過計算，在上面的若干戶表前設置低-低壓調壓器，使燃具前壓力接近2000Pa。
   不過此方法在運行中管理較困難，設計時應慎用。
    (3)對于較高和超高的高層建筑，也可使調壓設備出口壓力為較高的低壓(如8000Pa)，然后在每戶表前統一設置低-低壓調壓器，使燃具前壓力接近2000Pa。
    這樣做的優點：①具有穩定的燃具前壓力。燃具全部在接近額定壓力條件下工作，保證燃具的最佳燃燒工況。②充分利用燃氣壓力。在相同輸氣量、相同管徑條件下，此方案輸送距離較遠。③立管平均管徑較小，降低成本。
    二、對燃氣管道自重及伸縮的處理
    1、對自重的處理
    隨著建筑物層數的增加，燃氣立管的長度也變長，管道的自重變大，所以應設置管道的固定支架，使固定支架與建筑物成為一體，防止因管道下沉而引起引入管受力折斷或變形引起倒坡。
    由于立管是上面管徑大，下面管徑小，建議使用以下方式設置固定支撐：對于室內立管，在每隔7～10層的穿樓板處加設固定支撐；對于室外立管，在每隔7～10層的高度處加設固定支撐。
   2、對伸縮的處理
   室外管道用于溫度的影響，會熱脹冷縮。由于高層住宅燃氣立管較長，伸縮量較大，容易造成管道斷裂漏氣，燃氣管道設計中應采取一定的措施來保護管道。
    一是在立管上加設一個波紋管補償器，利用補償器的補償能力來抵消管道的收縮。二是在立管上加設幾個彎頭(最好用煨彎)，相當于加設一個Π型補償器，用彎頭的自然補償來抵消管道的收縮。這兩種方法簡單易行，在實際工程中也比較常用。
   三、用氣安全
   高層建筑高度高，層數多，人員密集，一旦發生火災，人員疏散困難，而天井內一旦著火，消防將更加困難，因此應合理配置先進設備，采取安全措施。
   根據有關資料：
   1、通天的內天井在火災時煙囪效應顯著，火焰擴散速度很快；
   2、如內天井尺寸超過13m×13m，內天井周圍是防火分隔較好的獨立房間時，經內天井向上排出的煙氣溫度較低，不足以引燃上部樓層的普通可燃物，火災一般不會在垂直方向上蔓延。
   因此，對于尺寸小于13m×13m的天井，建議采取以下措施：
   1、在引入管處設置陜速切斷閥。
   2、天井中的燃氣管道，每隔3～4層設置一探頭，探頭跟引入管處的緊急切斷閥連鎖；
   3、天井中的燃氣管道要定期檢查，保證其運行安全。
    四、結語
    未來，各種特殊構造的建筑肯定會更加層出不窮，給天然氣管道的設計帶來更多的困難和難題。天然氣管道設計應根據當地的氣源、壓力、建筑、安全、地理、環境等特點綜合考慮，選擇最佳的設計方案。
   當然，解決這些問題的最佳途徑是從房屋的整體設計予以考慮。樓房的主體設計人員在設計時，能參考下燃氣專業的意見，做好整體設計，才能更好的解決這些難點問題。
參考文獻：
[1] 呂忠良.高層建筑室內燃氣管道設計若干問題的探討.科技致富向導.2011.06
[2] 朱國慶、季經緯等.含內天井的高層建筑火災煙氣流動數值模擬.建筑科學，2007.09
[3] 城鎮燃氣設計規范GB50028—2006
 
(本文作者：黃魁清 蔣燕芳 杭州市城鄉建設設計院有限公司)