高层建筑天然气管道附加压力应对措施的成本初析及建议

高层建筑天然气管道附加压力应对措施的成本初析及建议

王博

武汉市车都天然气有限公司 湖北武汉 430000

摘要：对高层建筑天然气管道为消除附加压力影响采取的措施进行经济成本分析及建议。

关键词：高层建筑 天然气 附加压力 低低压调压器 建设成本

一、高层建筑天然气管道附加压力的影响及解决措施

随着国内经济高速发展，中国城市建设从2002年开始快速发展，城市居住人口逐渐增多。城市的进化基本遵循马太效应—-大城市会越来越大，城市用地资源日趋紧张，故城市建筑逐步向高空扩展。摩天大楼某种程度上象征着一个城市的容积、效率和发达程度，它是一种更高级的城市形态。一座好的摩天大楼甚至就是个小城市。据初步统计，到2016年武汉市高度在100米以上的超高层建筑有466栋。2016年《第一财经周刊》统计了中国338个地级以上城市高度超过150米的超高层建筑数量，其中武汉市排名第10拥有35个超高层建筑。大量已建成或在建高层建筑(十层以上建筑)乃至超高层建筑(四十层以上或高100米以上)的出现，带来天然气用户每年以十万户以上规模增长，其中尤以高层普通住宅和商用住房为主，这为高层建筑配套天然气管道设计、施工和运行带来了新的课题。

由于天然气自身的特殊性，天然气管道配套设计时需采取必要的措施解决在高层建筑中天然气供应不可忽略的一些影响因素。如：每隔6～8层变一次管径并分段设置调节阀门或加设低低压调压装置以消除因天然气与空气比重差异产生的附加压力的影响；采取每隔7～10层的高度处设置固定支撑、波纹补偿器、门形弯、用不锈钢金属波纹软管替代钢管等方式，进行燃气引入管的沉降量补偿、防止燃气立管的自重引起的压缩应力、管道因环境温度变化产生的热应力、因地震和风荷载造成燃气管道产生弯曲应力的影响；通过在引入管穿越墙体时加设钢套管以减小建筑变形对燃气引入管的影响等。下面重点探讨天然气附加压力的影响。

二、解决天然气附加压力影响的主要措施

对于高层天然气管道系统，附加压力造成的影响是一个十分重要的问题。因天然气密度比空气密度小，高层建筑高程较高，燃气立管较长，在立管中会产生较大的附加压力。附加压力一旦超过允许值，会造成高层居民用户燃具前压力波动增大，超出燃具稳定工作范围，造成燃气不完全燃烧，产生大量的一氧化碳，燃烧噪音大，甚至发生离焰、脱火和熄火等现象，增大了供气的不安全性，为居民安全用气带来较大隐患。

目前武汉市民用建筑天然气供应基本采用低压气入户，由下而上的供应方式。国内为控制和消除高层建筑天然气附加压力的影响，主要采取以下两种措施：

1、庭院登高管上设置楼栋低低压调压器（即低压减压阀）。通过调压器调压，稳定各楼层用户家用燃具前压力在额定工作压力范围内，消除附加压力影响。但此方法对建筑高度有要求，楼层过高不适用。结合以往的燃气供气经验，此法适用于建筑物总层数29层至37层之间。

2、在民用户燃气表前设置户内低低压调压器，使燃具前压力稳定在额定工作压力范围内。结合国内多个城市的燃气供气经验，一般民用建筑燃气管道工程中1-26层楼的用户可不安装户内低低压调压器，可以从27层开始安装户内低低压调压器（设计人员在进行管道设计时需要结合小区实际情况进行）。

三、以上两种解决附加压力措施的经济分析：

以武汉市一个居民小区（果岭公园小区）2号楼为例。设计一栋32层高层建筑燃气管道系统，用气户数为155户，每户安装1台燃气灶具和1台10L燃气热水器（非采暖），燃气灶具和热水器额定压力均为2000Pa。区域调压箱出口压力2700 Pa，至楼前压力为2499 Pa，外立管5根，通气2-32层。因燃气立管长度和规格与流量大小、楼层高度有关，与低低压调压器型号无关，故燃气立管长度和规格不需要进行经济对比，只进行调压器对比，具体分析如下：

1. 设置楼栋低低压调压器

根据GB50028《城镇燃气设计规范》燃气立管流量计算

公式：Qh=ΣkNQn

式中：Qh—燃气管道的计算流量（m³/h）；

N—同种燃具或成组燃具的数目；

k—燃具同时工作系数，燃具为双眼灶和热水器；

Qn—燃具额定流量，Qn=2.8m³/h。

经计算：Qh=155×2.8×0.165=72m³/h（k=0.165）

根据计算结果，选用型号为F31155的楼栋低低压调压器。

安装1台型号为F31155的楼栋低低压调压器系统（楼栋低低压调压器系统含调压器、短管、管件、阀门、外保护箱）：主材费为7205元，建安费为1060元。

工程成本=7205+1060=8265元

2、设置户内低-低压调压器：

每户用气量为2.8m³/h，选用型号为J42（流量6m³/h）户内低低压调压器。

安装1台户内低低压调压器：主材费为57元，建安费为48元。 工程成本=57+48=105元

根据楼前压力为2499 Pa，通过计算可从27层开始安装户内低低压调压器，则有30户需要安装。

工程成本=105元/户×30户=3150元

成本对比分析：

经计算，这栋楼的天然气供应如采用楼栋低低压调压器系统，成本为8265元。采用从27层开始安装户内低低压调压器工程成本为3150元，故采用从27层开始安装户内低低压调压器比较经济。

以上计算结果仅适用本案例，安装楼栋低低压调压器和安装户内调压器哪个更经济还需要进一步区分用户数和楼层数进行对比计算。

四、安装户内调压器的楼层计算

按照GB50028《城镇燃气设计规范》中燃气附加压力的计算公式：

ΔH=9.8×（ρk-ρm）×h

式中：ΔH—燃气的附加压力（Pa）；

ρk—空气的密度（kg/m³）；

ρm—燃气的密度（kg/ m³）；

h—燃气管道终、起点的高程差（m）。

武汉市供应的天然气密度ρm=0.74 kg/ m³，空气密度ρk= 1.293 kg/ m³，那么高程每增加1m，增加的附加压力为ΔH= 5.42Pa。由于天然气供应是采用由下向上的供气方式，其附加压力为正值，说明管道中产生上浮力，造成燃具前压力升高，供气系统主要应防止超压。

1、根据GB50028《城镇燃燃气设计规范》10.4.1条、CJJ12《家用燃气燃烧器具安装及验收规程》和GB16914《燃气燃烧器具安全技术条件》相关规定：用气设备燃烧器前燃气压力范围为0.75-1.5 Pn。武汉市海拔高度平均低于50米，天然气用气燃具额定压力Pn=2000Pa，即Pmin=1500Pa ，Pmax=3000Pa。燃气表压力降（含阀门、连接短管等）ΔP≈150Pa，即入户管表前最高允许压力为3150 Pa。高层楼房中一层用户用气设备前压力最小，为保证用户用气安全、燃具燃烧火焰稳定、燃烧完全，即用气燃具前压力为额定压力2000 Pa，入户管前压力为2150 Pa。理论上，仅考虑附加压力的影响，层高为3m，民用建筑楼层最多=（3150-2150）÷3÷5.42≈61层。

2、由湖北省DB42《建筑燃气安全技术规程》相关规定：用气设备燃烧器前燃气压力范围为0.8-1.4 Pn。天然气燃具Pn=2000Pa时，即Pmin=1600Pa，Pmax=2800Pa。燃气表压力降ΔP≈150Pa，即入户管前最高允许压力为2950 Pa。同时考虑一层用户用气稳定安全，入户管压力为2150 Pa。理论上，仅考虑附加压力的影响，层高为3m，民用建筑楼层最多=（2950-2150）÷3÷5.42≈49层。

3、参考标准计算的理论楼层数对比表

1、仅考虑附加压力的影响。

2、天然气用气燃具额定压力Pn=2000Pa，楼层层高为3m。

五.建议

1、为了消除高层建筑天然气附加压力的影响，登高管处安装楼栋低低压调压器成本会更高，而且其在运行过程中易发生内部积水、积灰、过滤网堵塞等现象，应尽量少用或者不用。

2、目前在楼层不超过25层时，采用在立管上6-8层变一次管径的方法，增加立管的沿程损失，减小附加压力影响；楼层超过25层时，从第26层开始在用户表前设置户内低低压调压器的方法。这是基于中低压调压柜出口压力设定较高（一般2500Pa)，并且低压管网复杂而采用的保险系数较大的一种消除天然气附加压力影响的方法。这样，既有效地消除了附加压力，保证了燃具前压力的稳定性，同时在一定程度上降低了工程成本。

3、如果能够保证楼前管道压力不超过2150Pa(甚至不低于1750Pa），同时综合考虑低压燃气管道的4种压力损失（沿程阻力、局部阻力、附加压力、燃气表压力降），49层以下的用户燃气表前均可不安装低低压调压器。故在进行居民小区庭院低压燃气管道设计时，应该尽量合理布置中低压调压柜的位置、优化庭院低压管网布置、适当降低中低压调压柜出口压力，以达到控制立管压力，减少户内调压器的安装。同一中低压调压柜供气范围内不同楼栋立管压力肯定会有区别，故不应该按统一楼层安装户内低低压调压器，应该根据水力计算确定各栋户内低低压调压器的安装层，以达到即保证安全供气又降低建设费用的目的。

4、参照国内其他城市的经验，建议燃气供应企业与高层房屋建筑开发商协商，将楼栋低低压调压器安装在建筑物内特定楼层的指定地点，分段消除附加压力。这样可同时消除附加压力影响、确保用户用气稳定、减少安全隐患、不影响用户室内美观，也方便通气后天然气公司入户安全检查和上门维修服务。

参考：

1. GB50028《城镇燃燃气设计规范》

2. CJJ12《家用燃气燃烧器具安装及验收规程》

3. GB16914《燃气燃烧器具安全技术条件》

4. 湖北省DB42《建筑燃气安全技术规程》

5. 《第一财经》“这些城市有多少高楼？”

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