鄧 勇

(廣州廣燃設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州510030)

1 概述

截至目前，廣州市已出現(xiàn)的最高民用建筑為56層，建筑高度為169 m。天然氣管道工程作為民用建筑的一項(xiàng)配套工程，也必須順應(yīng)高層建筑的發(fā)展。天然氣附加壓力問(wèn)題成為高層民用建筑天然氣安全穩(wěn)定供應(yīng)必須解決的問(wèn)題。本文根據(jù)廣州市天然氣供應(yīng)現(xiàn)狀，通過(guò)計(jì)算、測(cè)量及分析，提出適合廣州市高層民用建筑天然氣附加壓力問(wèn)題的解決方案。

2 相關(guān)規(guī)范要求

根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 50028—2006)第10.2.2條，民用低壓天然氣用氣設(shè)備的燃燒器的額定壓力宜為2.0 kPa。根據(jù)該規(guī)范第10.4.1條，居民生活的各類(lèi)用氣設(shè)備應(yīng)采用低壓燃?xì)?，用氣設(shè)備前(燃具前)的燃?xì)鈮毫?yīng)在(0.75～1.5)pn的范圍內(nèi)(pn為燃具的額定壓力)。

當(dāng)燃具前的壓力在1 500～3 000 Pa范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，仍能滿(mǎn)足燃具燃燒要求。當(dāng)燃具前的壓力超出此范圍，燃具的熱效率低，燃燒噪聲大，燃燒不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生脫火或回火等現(xiàn)象。另外，由于燃?xì)獠煌耆紵?，煙氣中CO含量超標(biāo)，可能引發(fā)事故[1]。

3 廣州市附加壓力的計(jì)算及測(cè)量

3.1 廣州市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文的研究范圍是天然氣戶(hù)內(nèi)管(包括室外立管及室內(nèi)管)。廣州市平均氣溫取23 ℃，平均氣壓(絕對(duì)壓力)取101.325 kPa。燃?xì)夤艿纼?nèi)天然氣的溫度隨著氣溫的變化而變化，平均溫度取23 ℃，管道內(nèi)天然氣的壓力隨著溫度及管道高度的變化而變化，平均絕對(duì)壓力取103.825 kPa。

在23 ℃、101.325 kPa時(shí)，空氣的密度為1.193 kg/m3。

在23 ℃、103.825 kPa時(shí)，天然氣的密度為0.734 kg/m3。

膜式燃?xì)獗淼淖枇s為130 Pa。根據(jù)廣州市新建樓盤(pán)的戶(hù)內(nèi)天然氣管道設(shè)計(jì)規(guī)律，膜式燃?xì)獗砼c燃具之間的管道長(zhǎng)度約為5 m，天然氣經(jīng)過(guò)該段管道的阻力約為5 Pa。二者合計(jì)135 Pa。

區(qū)域調(diào)壓柜的中-低壓調(diào)壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)區(qū)域調(diào)壓器)的出口壓力一般設(shè)定為2 500 Pa，關(guān)閉壓力為2 800 Pa。

夜間低峰時(shí)段實(shí)測(cè)的區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力為2 750 Pa。

3.2 附加壓力計(jì)算

天然氣的附加壓力可按式(1)計(jì)算。

Δpadd=(ρa(bǔ)ir-ρgas)gΔh

(1)

式中 Δpadd——天然氣的附加壓力，Pa

ρa(bǔ)ir——在23 ℃、101.325 kPa時(shí)空氣的密度，kg/m3

ρgas——在23 ℃、103.825 kPa時(shí)天然氣的密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2

Δh——天然氣管道的終點(diǎn)高程與起點(diǎn)高程之差，m

將廣州市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入式(1)，計(jì)算可得式(2)。

Δpadd=4.5Δh

(2)

用戶(hù)燃具前壓力可由式(3)計(jì)算。

psto=preg+Δpadd-Δpmet-Δppip

(3)

式中psto——燃具前壓力，Pa

preg——區(qū)域調(diào)壓器出口壓力，Pa

Δpmet——膜式燃?xì)獗砑氨砗笾寥季咔肮艿赖淖枇Γ琍a，取135 Pa

Δppip——由區(qū)域調(diào)壓器出口至用氣點(diǎn)之間的天然氣管道的阻力，Pa

用氣高峰時(shí)段，管道阻力Δppip達(dá)到最大值，一般設(shè)計(jì)時(shí)均按用氣高峰考慮，來(lái)選取天然氣管道的管徑，故能保證此時(shí)所有用戶(hù)的燃具前壓力處于1 500～3 000 Pa的范圍內(nèi)，以滿(mǎn)足GB 50028—2006的要求。

夜間用氣低峰時(shí)段，管道阻力Δppip趨近于0，且區(qū)域調(diào)壓器出口壓力preg達(dá)到最大值，接近關(guān)閉壓力(2 800 Pa)。根據(jù)式(3)，此時(shí)的灶前壓力psto將達(dá)到最大值。假設(shè)住宅層高為2.9 m，將式(2)代入式(3)，可計(jì)算出夜間低峰時(shí)段燃具前壓力，見(jiàn)表1。

表1 夜間低峰時(shí)段燃具前壓力

由表1可以看出，夜間低峰時(shí)段，27層及以上樓層的燃?xì)鈮毫?huì)超過(guò)3 000 Pa。

3.3 附加壓力的測(cè)量

2019年11月，在廣州市某小區(qū)選取了第31層、40層、50層共3個(gè)居民用戶(hù)，連續(xù)監(jiān)測(cè)燃?xì)獗淼谋砬皦毫?。夜間低峰時(shí)段表前壓力理論值與實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 夜間低峰時(shí)段表前壓力理論值與實(shí)測(cè)值

由表2可以看出，實(shí)測(cè)值均小于理論值，兩者存在88.2～161.0 Pa的差值?？紤]原因?yàn)椋?/p>

測(cè)量小區(qū)為已建成小區(qū)，整個(gè)小區(qū)由1臺(tái)調(diào)壓設(shè)備供應(yīng)燃?xì)猓瑹o(wú)法控制整個(gè)小區(qū)天然氣流量為0，故調(diào)壓設(shè)備至測(cè)量點(diǎn)間的燃?xì)夤艿缐毫p失大于0，實(shí)測(cè)值會(huì)偏小。

4 附加壓力解決方案比選

4.1 方案1：降低區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力

廣州市現(xiàn)狀區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力一般設(shè)定為2 500 Pa，關(guān)閉壓力為2 800 Pa。本方案需要降低區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力，區(qū)域調(diào)壓器將天然氣由中壓調(diào)至2.35 kPa(關(guān)閉壓力為2.6 kPa)，經(jīng)庭院管、戶(hù)內(nèi)管輸送至各用戶(hù)。

該方案的特點(diǎn)：在用氣高峰時(shí)段和用氣低峰時(shí)段，都可以保證每個(gè)用戶(hù)的燃具前壓力在1 500～3 000 Pa范圍內(nèi)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)須增加設(shè)備，無(wú)須增加造價(jià)。

該方案的缺點(diǎn)：適用范圍有限，僅適用于建筑總高度≤100 m，且區(qū)域調(diào)壓器供氣范圍比較小的區(qū)域。對(duì)于區(qū)域調(diào)壓器供氣范圍較大的情況，不適用此方法，這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的庭院管會(huì)導(dǎo)致區(qū)域末端樓棟用戶(hù)在用氣高峰時(shí)燃具前壓力不足1 500 Pa。

4.2 方案2：全部用戶(hù)室內(nèi)安裝低-低壓調(diào)壓器

在每戶(hù)的表前安裝低-低壓調(diào)壓器。供氣流程為，區(qū)域調(diào)壓器先將天然氣由中壓調(diào)至7 kPa，經(jīng)庭院管、戶(hù)內(nèi)管輸送至各用戶(hù)后，由每戶(hù)表前的低-低壓調(diào)壓器，將天然氣壓力調(diào)至2.16 kPa，供該用戶(hù)使用。

該方案的特點(diǎn)：根據(jù)設(shè)備廠家提供的低-低壓調(diào)壓器的性能曲線，低-低壓調(diào)壓器的出口壓力在2 100～2 500 Pa范圍內(nèi)波動(dòng)，因此，無(wú)論是用氣高峰時(shí)段還是用氣低峰時(shí)段，都可以保證每個(gè)用戶(hù)的燃具前壓力在1 965～2 365 Pa范圍內(nèi)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

① 使用比較廣泛，設(shè)計(jì)、運(yùn)行方面比較成熟。

② 低-低壓調(diào)壓器的出口壓力穩(wěn)定，因此用戶(hù)用氣壓力穩(wěn)定。

該方案的缺點(diǎn)：

① 每戶(hù)都需要安裝低-低壓調(diào)壓器，造價(jià)增高。

② 與現(xiàn)狀的供氣系統(tǒng)相比，入戶(hù)壓力較高，而目前小型戶(hù)用低-低壓調(diào)壓器均不含超壓切斷功能，存在安全隱患。

③ 運(yùn)行壓力較高，設(shè)備數(shù)量增加，運(yùn)行維護(hù)需要大量人力，運(yùn)行維護(hù)成本增加。

④ 目前廣州市居民用戶(hù)均為一級(jí)調(diào)壓供氣，即區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力為2.5 kPa，庭院和戶(hù)內(nèi)低壓天然氣只存在2.5 kPa這一個(gè)壓力系統(tǒng)，若再出現(xiàn)比現(xiàn)狀運(yùn)行壓力更高的7 kPa的壓力系統(tǒng)，運(yùn)行管理上容易造成混亂，運(yùn)行維護(hù)難度增加。

4.3 方案3：高樓層立管安裝大流量低-低壓調(diào)壓器

按照前述方法計(jì)算出最低的超壓樓層(例如表1的結(jié)果是第27層)，在該樓層立管的始端處安裝大流量低-低壓調(diào)壓器，根據(jù)不同建筑高度設(shè)定大流量低-低壓調(diào)壓器的出口壓力。供氣流程為，區(qū)域調(diào)壓器先將天然氣由中壓調(diào)至2.5 kPa，經(jīng)庭院管、戶(hù)內(nèi)管輸送至各用戶(hù)，在該樓層以下的用戶(hù)，保持原供氣系統(tǒng)不變；在該樓層及以上樓層的用戶(hù)，由該樓層立管始端處安裝的大流量低-低壓調(diào)壓器，將天然氣壓力調(diào)至適當(dāng)值后，再向各用戶(hù)供氣。

該方案的特點(diǎn)：在用氣低峰時(shí)段，可以保證每個(gè)用戶(hù)的燃具前壓力在1 500～3 000 Pa范圍內(nèi)；在用氣高峰時(shí)段，大流量低-低壓調(diào)壓器的進(jìn)口壓力過(guò)低，大流量低-低壓調(diào)壓器的阻力數(shù)據(jù)待測(cè)試。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

① 維持了目前廣州市居民用戶(hù)低壓2.5 kPa的壓力系統(tǒng)，便于統(tǒng)一運(yùn)行管理。

② 1根立管僅設(shè)2臺(tái)大流量低-低壓調(diào)壓器(1開(kāi)1備)[2]，造價(jià)較低。

該方案的缺點(diǎn)：

由于大流量低-低壓調(diào)壓器體積較大，安裝位置難選定，安裝有大流量低-低壓調(diào)壓器的用戶(hù)意見(jiàn)大，入戶(hù)運(yùn)行維護(hù)不方便[2]。

4.4 方案4：高樓層用戶(hù)室內(nèi)安裝低-低壓調(diào)壓器

計(jì)算出最低的超壓樓層(同方案3)，以該樓層為界，在該樓層及以上樓層用戶(hù)的表前安裝低-低壓調(diào)壓器。供氣流程為，區(qū)域調(diào)壓器先將天然氣由中壓調(diào)至2.5 kPa，經(jīng)庭院管、戶(hù)內(nèi)管輸送至各用戶(hù)。在該樓層以下的用戶(hù)，保持原供氣系統(tǒng)不變；在該樓層及以上樓層的用戶(hù)，由各用戶(hù)的表前安裝的低-低壓調(diào)壓器，將天然氣壓力調(diào)至2.16 kPa后，再向各用戶(hù)供氣。

該方案的特點(diǎn)：在用氣低峰時(shí)段，可以保證每個(gè)用戶(hù)的燃具前壓力在1 500～3 000 Pa范圍內(nèi)；在用氣高峰時(shí)段，低-低壓調(diào)壓器進(jìn)口壓力過(guò)低，低-低壓調(diào)壓器的阻力數(shù)據(jù)待測(cè)試。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：維持了目前廣州市居民用戶(hù)低壓2.5 kPa的壓力系統(tǒng)，不需要大范圍調(diào)整供氣系統(tǒng)，僅高樓層用戶(hù)的表前增加低-低壓調(diào)壓器，造價(jià)相對(duì)較低。

該方案的缺點(diǎn)：

① 該方式很少有實(shí)際工程應(yīng)用，且市場(chǎng)上可供選擇的低-低壓調(diào)壓器種類(lèi)較少。

② 小型戶(hù)用低-低壓調(diào)壓器均不含超壓切斷功能，存在安全隱患。

③ 調(diào)壓設(shè)備數(shù)量增加較多，運(yùn)行及維護(hù)需要投入一定的人力。

4.5 方案選取

綜合比較上述4種方案，降低區(qū)域調(diào)壓器出口壓力(方案1)、高樓層用戶(hù)室內(nèi)安裝低-低壓調(diào)壓器(方案4)的方案較為適合廣州市，可以根據(jù)不同的實(shí)際情況合理選用。

5 低-低壓調(diào)壓器比選

5.1 低-低壓調(diào)壓器性能

依據(jù)方案4，目前市場(chǎng)上符合條件的低-低壓調(diào)壓器有兩個(gè)品牌，共4種型號(hào)，本文中分別以A型、B型、C型、D型表示，其性能參數(shù)見(jiàn)表3。表3中的A型低-低壓調(diào)壓器通常是不設(shè)置內(nèi)置欠壓切斷裝置的，用戶(hù)在訂貨時(shí)可以選擇是否設(shè)置內(nèi)置欠壓切斷裝置。

表3 低-低壓調(diào)壓器性能參數(shù)

由表3可以看出，A型低-低壓調(diào)壓器要求進(jìn)口壓力較高，不低于2.6 kPa，B、C、D型號(hào)的低-低壓調(diào)壓器要求進(jìn)口壓力較低，不低于2.3 kPa。

5.2 低進(jìn)口壓力下的壓力損失測(cè)試

設(shè)備廠家并未給出進(jìn)口壓力低于2.3 kPa時(shí)低-低壓調(diào)壓器的壓力損失數(shù)據(jù)，故需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)。

對(duì)于普通居民用戶(hù)的日常用氣，燃?xì)庠顔窝酃ぷ鳛樾×髁抗r，用氣量約為0.3 m3/h；燃?xì)庠?、熱水器同時(shí)工作時(shí)為大流量工況，用氣量約為3.0～4.0 m3/h。

本次實(shí)驗(yàn)在廣州燃?xì)饩邫z測(cè)服務(wù)有限公司進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中采用的氣體為廣州燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司管網(wǎng)內(nèi)的天然氣。因?yàn)槲覀兿Ｍ趬毫Φ陀?.3 kPa時(shí)天然氣能夠通過(guò)低-低壓調(diào)壓器，所以低-低壓調(diào)壓器應(yīng)無(wú)欠壓切斷功能，實(shí)驗(yàn)中采用的A型低-低壓調(diào)壓器沒(méi)有設(shè)置內(nèi)置欠壓切斷裝置；B型、C型、D型低-低壓調(diào)壓器本身沒(méi)有欠壓切斷功能。實(shí)驗(yàn)分為小流量工況、大流量工況兩種流量工況進(jìn)行，采用1臺(tái)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)記錄天然氣的瞬時(shí)流量，2支U型管壓力計(jì)測(cè)量低-低壓調(diào)壓器的進(jìn)、出口壓力。篩選有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，按照低-低壓調(diào)壓器進(jìn)口壓力由低到高的順序排列，天然氣分別經(jīng)過(guò)A型、B型、C型、D型低-低壓調(diào)壓器在低進(jìn)口壓力條件下的壓力損失分別見(jiàn)表4～7。

表4 低進(jìn)口壓力條件下A型低-低壓調(diào)壓器的壓力損失

表5 低進(jìn)口壓力條件下B型低-低壓調(diào)壓器的壓力損失

表6 低進(jìn)口壓力條件下C型低-低壓調(diào)壓器的壓力損失

表7 低進(jìn)口壓力條件下D型低-低壓調(diào)壓器的壓力損失

5.3 測(cè)試結(jié)果分析

由表4～7的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)果：在小流量工況時(shí)，天然氣經(jīng)過(guò)上述4種不同型號(hào)的低-低壓調(diào)壓器的壓力損失均可忽略不計(jì)；在大流量工況時(shí)，天然氣經(jīng)過(guò)上述4種不同型號(hào)的低-低壓調(diào)壓器的壓力損失相差較大，按照其壓力損失由小到大排列的順序?yàn)椋篈型、D型、B型、C型。

因此，本著壓力損失盡可能低的原則，選用A型低-低壓調(diào)壓器。

6 方案推薦

目前廣州市新建高層樓盤(pán)分為兩類(lèi)：建筑總高度≤100 m的高層民用建筑、建筑總高度>100 m的超高層民用建筑。其中，建筑總高度≤100 m的高層民用建筑占主要部分，僅少部分民用建筑總高度>100 m。

以層高為2.9 m計(jì)算，27層的建筑總高度約為78 m，按照目前廣州市的區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力設(shè)置情況，建筑總高度低于78 m的建筑，天然氣的附加壓力不會(huì)導(dǎo)致高樓層建筑居民用戶(hù)燃具前壓力超壓。

據(jù)此，推薦廣州市按以下3種情況采取相應(yīng)措施：

① 對(duì)于建筑總高度為78～100 m的高層民用建筑，在滿(mǎn)足首層用戶(hù)在用氣高峰時(shí)的燃具前壓力不低于1 500 Pa的前提下，采用降低區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力的方式來(lái)解決較高樓層的居民用戶(hù)燃具前壓力超壓的問(wèn)題，即方案1，區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力設(shè)置為2.35 kPa，關(guān)閉壓力為2.6 kPa。

② 對(duì)于建筑總高度為78～100 m的高層民用建筑，若降低區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力后，首層用戶(hù)在用氣高峰時(shí)的燃具前壓力低于1 500 Pa，則區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力仍維持現(xiàn)狀，設(shè)置為2.5 kPa，關(guān)閉壓力為2.8 kPa。在第27層及以上樓層的用戶(hù)表前安裝A型低-低壓調(diào)壓器，即方案4。

③ 對(duì)于建筑總高度>100 m的超高層民用建筑，區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力仍維持現(xiàn)狀，設(shè)置為2.5 kPa，關(guān)閉壓力為2.8 kPa。在第27層及以上樓層的用戶(hù)表前安裝A型低-低壓調(diào)壓器，即方案4。