高层建筑燃气供气系统的选择

高层建筑燃气供气系统的选择
近年来，随着我国城市建设的飞速发展，高层建筑如雨后春笋般地出现，高层建筑可以使紧张的城市土地资源得到最大化的利用，并可以形成较好的城市风貌，是现代城市发展的必然现象。高层建筑本身的特点决定了为其配套的燃气供气系统与普通建筑有所不同[1]。本文针对高层建筑的特殊要求，结合现行国家规范和珠海的地方规定，对目前常见的几种高层建筑供气系统进行分析。
1 现行规范、规定及气源条件
《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)第10.2.1条规定：居民用户中压进户室内管道最高压力为0.2MPa；低压进户室内管道最高压力小于0.01MPa。珠海市建设局2007年2月1日颁布实施的《珠海市庭院及室内燃气管道工程技术指引》第2.3条规定：居民用户应采用低压进户。第4.2.2条规定：引入管后仅有唯一燃气立管的，引入管阀门即为控制阀门，每个控制阀门所控制的燃气用户数量不应超过25户。不能满足此条件时，应在便于操作及维修处设分段控制阀门。这就限定了现阶段珠海市的燃气设计都应采用低压进户的入户方式，并且要控制单根燃气立管供应用户数量不能超过25户。以下供气方式的讨论都基于这两个前提进行。
《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)第10.2.2条规定：民用低压用气设备燃烧器的额定压力，液化石油气为2800Pa，天然气为2000Pa；第6.2.8条规定：城镇燃气低压管道从调压站到最远燃具管道允许压力损失为燃具额定压力的0.75倍加上150Pa。由这两条得出使用液化石油气时低压燃气管道允许总压力降为2250Pa；使用天然气时低压燃气管道允许总压力降为1650Pa。
现阶段珠海市的管道燃气气源是气态液化石油气，远期转换为天然气。在高层建筑室内燃气管道设计中，由于两种燃气的密度与空气密度相差较大，随着楼层的增加产生附加压力，若附加压力过大会使用户燃具前压力波动超出允许波动范围。因此在燃气设计阶段必须兼顾这两种气源的不同特性。
2 高层建筑常用供气系统
2.1 上环下行供气系统
上环下行供气系统是指中压管道沿建筑物外墙敷设至楼顶，经楼顶中-低压调压箱调压后，分出若干根低压立管，各低压立管沿着靠近用气房间的建筑外墙或阳台向下引至各用户的供气方式。每条低压立管上游都应安装控制阀门，控制用户数量不超过25户。这种供气方式的调压设备、控制阀门及放散管都设置在屋顶，建筑外立面燃气设施较少，且屋顶管道都为明设，方便检修维护，比较适合对建筑外墙美观要求较高、屋顶为可上人的公共屋面的建筑。这种供气方式当用液化石油气作气源时，由于LPG密度比空气大，自上而下供气时高程差产生的附加压力可以抵消掉部分管道阻力损失，具有一定的优越性。不足之处是当转换天然气后，由于天然气密度比空气小，由上向下输气压力损失增大。而且当建筑的屋顶为斜屋顶或屋顶为住户私用时，没有可供安装燃气设备及管道的空间，就不适合采用这种供气系统。
以下分别计算在这种供气系统下使用天然气和液化石油气时低压燃气管道总压力降。
设某住宅楼共25层，层高为3m，每户安装1台双眼灶和1台燃气热水器。燃气设计采用上环下行的供气系统，见图1。

低压燃气管道压力损失计算包括以下4部分：
① 沿程阻力
沿程阻力△p1按照《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)第6.2.5式分段进行计算。液化石油气(气态)密度为2.49kg/m3，运动黏度为2.8×10-6m2/s，天然气(气态)密度为0.802kg/m3，运动黏度为15×10-6m2/s，燃气温度为298.15K。
② 局部阻力
局部阻力可由下式分段求得：

式中△p2——局部阻力，Pa
∑ζ——计算管段中局部阻力系数总和
w——燃气流速，m/s
ρ——燃气的密度，kg/m3
其中局部阻力系数通常由实验测得，可查相关局部阻力系数表。
③ 附加压力△p3
由高程差而引起的燃气附加压力卸，按《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)第10.2.13式计算得出，空气密度取1.29kg/m3。
④ 燃气表的压力降△p4
燃气表的压力降△p4一般取值为120Pa。
液化石油气低热值为114.26MJ/m3，天然气低热值为36.96MJ/m3。双眼燃气灶的热负荷为5.83kW，燃气热水器热水出水量为10L/min，则每户天然气计算流量为2.03m3/h，每户液化石油气计算流量为0.64m3/h。燃气低压立管选用Ф57×3.5的无缝钢管，用户支管选用Ф22×3.5无缝钢管，燃气表后管道为DN15mm镀锌钢管。设调压器出口至第25层用户支管的三通距离为5m，上下相邻两户用户支管三通间距为3m，首层用户支管三通距远端燃具距离为2m。以屋顶调压箱出口为起点，首层用户远端燃具为终点，分段进行水力计算，整条低压管道压力降见表1。
表1 低压管道压力降
项目 天然气 液化石油气
沿程阻力/Pa 55 15
局部阻力/Pa 39 12
附加压力/Pa 368 -906
燃气表的压力降/Pa 120 120
总压力降/Pa 582 -759
是否合格 合格 合格
由表1计算结果可知，在低压进户的前提下，当建筑物层数不大于25层，层高不大于3m时，考虑两种气源，采用上环下行供气系统并选择合理的低压管道管径，低压管道总压力降在允许范围内，离调压器出口最近及最远端用户的燃具都能正常使用。
2.2 下环上行供气系统
下环上行供气系统与上环下行供气系统相反，是把楼栋调压箱放置在建筑物一层外墙上，燃气经过调压后，通过埋地低压干管引至各低压立管阀门箱前，经各自控制阀后沿建筑外墙引上的供气方式。下环上行供气系统见图2。

这种供气系统一般在屋顶没有布管条件时可优先考虑采用，且远期转换天然气后，由于天然气密度比空气小，由下向上供气的方式更为优越。在具体设计时，可根据燃气供应楼层数的不同，通过计算选用最经济的管径。调压箱应尽量选择在与各条立管的距离相差不多的位置安装，若相邻立管距离较远，可考虑增设调压箱。
2.3 上环下行+下环上行供气系统
这种供气系统结合以上两种供气系统，分开设置高层供气系统和低层供气系统。例如1座30层的建筑，用下环上行系统供应1～12层，用上环下行系统供应13～30层。这种做法主要是为了解决单根低压立管供应用户数量超过25户的情况。
3 高层建筑供气系统选择原则
① 由于现代高层建筑地面用地资源极其有限，地下管道密布，且一般都建有地下室，这就造成埋地庭院管道埋深不够，与其他管道及建筑物间距不够等诸多问题，给施工带来很多困难。上环下行供气系统一般一栋楼只有一条中压管道引出地面，埋地庭院管道较短，从而有效地减少了此类问题的发生。且每栋楼都只在中压管道引出地面处设置一个阀门箱，减少了对建筑立面的影响。因此对于屋顶有布管条件的建筑，提倡使用这种供气系统。
② 如果建筑物屋顶没有敷设管道和安装调压装置的空间，就适合采用下环上行供气系统。对于楼层较少、用户数量不多的建筑，尤其是别墅区，采用下环上行供气系统更为经济。可在庭院管道起点位置设置调压箱(或柜)庭院管道全部采用低压管道，这样可以节约管材和调压设备，并且低压管道与其他管道和建筑物的间距要求较小，容易布管。但这种方式会造成庭院管道较长、埋深不足等问题。采用这种设计方案后应做好与主体设计院的管道综合和外立面协调工作，尽量减少与其他专业的冲突。
③ 对于楼层超过25层的建筑，采用两种方式结合的供气系统是有效的办法。这种做法虽然会造成管道、阀门、调压器等数量的增多，造价加大，但是保证了在有事故发生或检修时，对用户造成的影响尽量少。
④ 为了使建筑物上下各层的燃具都能在允许的压力波动范围内正常工作，还可以将楼栋调压箱出口压力设为7.5kPa左右，在每户燃气表前安装低-低压调压器。这种做法虽然每户增加造价约100元，但是确保了每户燃具都能在接近额定压力条件下工作，并且充分利用了燃气压力，立管平均管径较小，降低了成本，也是值得推广的做法。