对建筑地上燃气管道设计中几个难点问题的浅析

　　摘要：探讨了建筑室内燃气管道设计中附加压力、建筑沉降对燃气管道的影响、燃气立管应力和热补偿以及建筑内非常规厨房的燃气设计等问题。
　　 关键词：室内燃气管道设计附加压力沉降应力热补偿开放式厨房 密闭式厨房
　　引言
　　 深圳作为南方重要的经济中心，又是国际化的港口城市，一直保持着高速高效的发展步伐，近年来不管是市政基础设施还是超高层的建筑组团建设都非常迅速，高层建筑中既有功能单一的居民住宅楼，又有集商贸、办公、居住等功能于一体的综合性建筑，高层建筑的设计标准高，燃气管道的设计也备受人们重视，在建筑小区地上天然气管道的设计中需考虑的问题较多，本文主要针对地上燃气管道的附加压力、建筑沉降对燃气管道的影响、燃气立管热伸缩量、以及建筑内部非常规用气厨房燃气设计等问题进行分析。
　　一、建筑低压供气燃气管道的附加压力
　　1、附加压力的计算
　　 GB50028-2006《城镇燃气设计规范》规定，天然气燃具的额定压力pn=2000Pa,由于低压管网沿程阻力和局部阻力的影响,允许燃具前压力在一定范围内波动,燃气进户压力的使用范围：
　　 灶具压力：（1.60~2.40）KPa＋户内管道和流量表
　　 阻力0.2 KPa＝（1.80~2.60）KPa
　　若超出此范围，就会导致燃具的热效率低，燃烧不稳定，燃烧噪声大，出现脱火和回火等现象，另外由于不完全燃烧，烟气中的CO含量超标，导致引发事故。因此，在计算低压燃气管道的压力损失时，应考虑因建筑高度而引起的燃气附加压力，计算如下：
　　高程差所引起的低压燃气管道附加压头：
　　 △H＝10×（ρ空－ρ燃气）×h(Pa)
　　 式中：ρ空—空气密度，1.293 kg/m3；
　　 ρ燃气—燃气密度，天然气0.82 kg/m3；
　　 h—燃气管道（终点、起点）的高程，m。
　　 △H＝±4.73 h(Pa)（上行为正、下行为负）
　　进户燃气管道压力：
　　P进户＝P1＋△H－1.1△P（立管阻力损失）
　　式中：P1—立管计算起点压力，Pa。
　　 由于附加压力的作用，当超过一定高度时，必然使燃具前压力超过使用压力范围，但为了使用户燃具前的压力波动范围变小，更接近pn值，有必要采取措施减小附加压力的影响。
　　2、附加压力影响的消除
　　 对于较低的高层建筑，因附加压力小，可以用增加管道阻力的方法，如缩小立管管径和采用分段阀门来减小附加压力的影响。对于较高的建筑，可在用户表前设置低--低压调压器，使燃具前压力接近2000Pa。对于超高的高层建筑，采用中压进户表前调压的方式，在每个用户表前设中--低压调压器，使燃具前压力接近2000Pa。
　　 深圳地区建筑燃气供气系统基本采用中压进户的供气方式，有效的减小了附加压力的影响。
　　 中压进户的优点：a.具有稳定的燃具前压力。燃具全部在接近额定压力条件下工作，保证燃具的最佳燃烧工况。b.充分利用燃气压力。在相同输气量，相同管径条件下，中压进户方案输送距离最远。c.立管平均管径较小,降低成本。
　　二、建筑沉降的影响
　　 伴随城市建设的快速发展，导致了城市土地资源的稀缺，因此，在原来的许多低洼地、鱼池以及填海地区也兴建了建筑群。建筑文库wk.yl1001.com/jz/由于地基松软，建筑在竣工后的5年内沉降速度最大，以后沉降速度逐渐降低。尤其是高层建筑，建筑本身自重大，所以沉降量也比较大，可能导致燃气引入管的切向应力大。而建筑基础处回填土的沉降也会导致引入管局部悬空，易引发事故。应在引入管上设置补偿器，利用自身随外力发生挠变的特点，减少燃气引入管处承受的应力，达到补偿沉降的目的。
　　三、燃气立管的应力与热补偿
　　1、应力
　　 （1）管道自重产生压缩应力
　　 高层建筑燃气管道设计中，燃气立管长，其自重和环境温度的变化导致管道受到重力产生的应力和热应力的作用，当应力达到一定程度时，容易造成管道扭曲、断裂，引发事故。
　　 管道自重产生压缩应力，该力等于燃气管道自重与立管截面积的比值，一般钢管许用应力远大于管道自重产生压缩应力，因此对于100m的高层，其立管自重产生的压缩应力很小，通常不致发生破坏。
　　 （2）管道因温差产生的伸缩量
　　 ΔL=103xalxL(t2-t1)
　　 式中: ΔL------管道的伸缩量,mm;
　　 al ------管材的线膨胀系数,K-1;
　　 L------管道长度,m;
　　 t2 -----管道在计算状态下的温度，℃;
　　 t1 -----管道在安装时的温度，℃;
　　 （3）管道的热应力
　　 如果管道的伸缩完全受到约束则
　　 бt=alxΔtxE
　　式中:􀁽бt------热应力,MPa;
　　 Δt------设计温差,即管道在计算状态下的温度与安装温度的差，℃；
　　 E------管材的弹性模量, MPa ;
　　 可见，燃气管道的热应力与Δt（设计温差）有关系，设计温差越大，管道的热应力值越大；同时，热应力值也与燃气立管的长度L成正比关系，L越大ΔL越大，ΔL越大热应力值也就越大。在春秋两季安装管道时Δt最小，管道的伸缩
　　量和热应力也最小。
　　 深圳地区因四季温差较北方小，管道因温差产生的伸缩量也相对较小。管道的伸缩量和热应力是不可忽视的，应该采取有效的补偿措施。
　　2、补偿
　　 （1）补偿器的选择
　　 常用的补偿器有4种，即L形补偿器，Z形补偿器, П形补偿器和波纹管补偿器。补偿器的选用应根据各类建筑实际风格和要求经过计算确定，П形补偿器的伸出长度应根据补偿能量和相关参数进行计算确定，波纹管补偿器的波节数为总的补偿能力与一个波节的补偿能力的比值。在燃气管道设计中常用后两种补偿器。
　　 （2）补偿措施
　　 在实际工程中，对于四季温差较大的地区和超高层建筑中，燃气立管施工时每隔5~7层设稳定的固定管座，以承受立管自重，同时避免底部压缩应力过大。同时可采取波纹管补偿器和分段阀门，以克服管道因温差而引起的应力和形变，同时也便于维修。
　　四、建筑内非常规厨房的燃气设计
　　1、开放式厨房
　　 开放式厨房即燃气厨房与客厅直通，或燃气厨房与卧室直通的住宅厨房，因建筑风格的提升或建筑内部布局多样化的需求，在建筑室内燃气管道设计中，常遇见此类厨房，而建设单位或业主往往要求此类厨房使用管道天然气，所以在燃气管道设计过程中应采取保证安全用气的解决办法。
　　 在前期建筑主体设计阶段，在住宅建设单位的主持下，燃气管道设计人员应与建筑主体设计人员进行充分的协调和沟通，根据相关规范和燃气供气单位安全供气要求对建筑厨房的设计风格提出合理意见，尽量做到：燃气厨房和客厅均设有外门或外窗，一览建筑文库wk.yl1001.com/jz/客厅与卧室之间设门有效隔断，厨房和客厅均具备良好的自然通风条件；若因建筑风格要求不能满足上述条件，若厨房仍需使用燃气，则：各户应设燃气泄漏报警探头及燃气电磁阀，宜采用燃气泄漏报警及其联动控制中央系统，报警主机设于消防值班室，燃气电磁阀设于流量表后；调压计量设备设于室外（阳台或入户花园内），尽量避免设于厨房；燃气管道和灶具不得设于客厅或封闭式入户花园内；厨房内燃气热水器排烟管应接到室外；当厨房与卧式直通时，该户型不得使用燃气。建议在住宅设计中尽量避免出现开放式燃气厨房，以符合《城镇燃气技术规范》（GB50494-2009）中相关要求。
　　2、密闭式厨房
　　 燃气厨房无外门（通阳台）或外窗，仅有通客厅和卧室的门，固定采光玻璃窗不视做外窗，该类厨房即为密闭式厨房。该厨房不能使用燃气，应采用电灶具或改变建筑风格使厨房变为非密闭式厨房。
　　五、结语
　　 随着人民生活水平的提高，人们对能源的需求量越来越大。由于煤炭的污染非常严重，给城市环境带来不利影响，燃煤正在被燃气所取代。因此，燃气的用量和用气范围正在逐步的扩大。燃气属于易燃易爆气体，如果在生活中大量使用必然要造成很多安全隐患。为了使用气舒适程度最大化和安全程度最大化，在进行建筑的天然气管道设计时应综合考虑，尤其是对于高度逐步增加的高层建筑，更应根据当地的气源、压力、建筑、安全、地理、环境等特点综合考虑，选择最佳的设计方案。