高层建筑燃气供应

高层建筑燃气供应

摘要:高层建筑作为现今城市发展中土地集约利用的一种有效解决方案，越来越普遍为城市规划部门所鼓励，

越来越多被地产开发商所采用。高层建筑中燃气供应的安全性与可靠性也越来越受到业界的重视。但高层建

筑燃气供应过程中，具有一般建筑所不具有的特殊性,特别是安全性问题十分突出。因此，高层建筑燃气供

应设计的技术研究具有十分重要的意义。

关键词：高层建筑燃气供应

高层建筑是指：lO层及10层以上的居住建筑或建筑高度超过24m的公共建筑(单层主体建筑高度超过24m者除外)，其特点决定了为其配套的天然气供气系统与普通建筑有所不同，解决好高层建筑居民天然气供应是至关重要的。

1 高层建筑供气的特点

高层建筑各类用户多供气要求高，与一般的建筑的供气系统相比高层供气的安全性问题突出。高层建筑供气主要特点如下：

(1)高层建筑自重大，楼本身自然沉降量大，对燃气进户引入管危害很大。建筑物基础外围回填

土沉降也对进户管有影响。

(2)燃气立管及支管较长，自重较大，很容易引起管道压缩和弯曲应力突变，而环境温度变化易

引起的管道内应力突变，使管道沉降断裂、扭曲，致使燃气泄露，发生事故。

(3)供气的高度高，产生的附加压力很大，会引起燃具燃烧不稳定，燃气泄露，以至导致火灾。

(4)风载荷和地震(主要针对安阳地区)均使管道产生较大侧位移，使管道发生弯曲沉降，危害极

大。

(5)发生火灾时，由于报警系统自动化程度较低，会造成很大的财产损失及人员伤亡。

２高层居民天然气供气系统

２．1 低压供应系统

对于楼层数较少，用气量不大的高层建筑，可由城市低压管网直接供气，采用天然气低压供应系统。低压供应还包括由中压管网供气至楼幢调压箱、调压室、调压柜调压后变为低压天然气进入建筑物内。一般在建筑物进气的总入口设计量设备(如图1)。

２．2 中压供应系统

对于楼层数较多，用气量较大的高层建筑，可采用天然气中压供应系统。中压供应系统采用中压(小于0．2 MPa)天然气进户，在户内设置户内调压器将压力调至燃烧器所需要的压力。中压供应系统可分为：总表计量中压供应系统、户内计量中压供应系统(如图2).

2．3 中、低压联合供应系统

当高层建筑内既有厨房使用低压气的设备又有锅炉等中压用气设备时，则可由城市中压譬网引入建筑物燃气供应系统，并分为二路：一路中压直接供锅炉等设备：另一路到调压室降至低压再供给厨房设备。锅炉等设备如无炉前调压器时，可在煤气表前增设调压器。其供气方式被称为：中-低压联合供应系统(图3)。

2．4 液化石油气瓶组供气

采用液化石油气作为供气气源

时，由于高层建筑用气量较大，不

可能单瓶或双瓶供气，一般用50Kg

钢瓶布置成两组。一组是使用部分，

称为使用侧，另一组是待用部分称

为待用侧。瓶组的多少应按用户高

峰时耗气量计算，瓶组供气有高低

压调压器系统(图4)、高、中压调压

器系统及自动切换调压器系统.

2．5贮罐集中供气

贮罐集中供气可对大型多层民用住宅、住宅群及居民小区供气，也可对多幢高层建筑供气。贮罐可设在居民区内的地上或地下，用管道集中供气。也可单独的气化站集中供气，根据用气量大小供应距离远近、可采用强制管道集中供气。也可采用单独的气化站集中供气，根据用气量大小及供应距离远近、可采用强制气化，也可采用自然气化，可低压输气也可中压输气。

3 高层居民天然气供应系统中的特殊问题及处理技术

高层建筑供气系统设计有其特殊性，这实际上是由高层建筑的特点决定的。根据高层建筑的特点，在燃气供应系统设计中应考虑的主要因素为：

(1)高层建筑由于层数比较多，建筑体积比较大，比较高，所以建筑物自重很大撤应解决建筑物

的沉降问题；

(2)高层建筑的水平位移，由于建筑物的高度很高，风荷载的作用会使建筑出现水平位移．同时

使得建筑内的管道系统有被破坏的可能性。

(3)高层建筑由于太高，立管比较长，管道的自重大，因而作用于下层管道的力比较大．为此应

考虑采用的管材不因受重力破坏的因素。

(4)高层建筑管道太长，由于安装温度与管道工作温度不同，因而管道工作温度是变化的，应当

考虑由于温度应力对管道作用力。尤其是对南方建筑，较多的管线(包括立管)安装在室外，因大气温度的变化管线内有不同应力。

(5)高层建筑因楼层很高，燃气由于容重与空气不同，将形成重力与浮力，会影响燃气的输配及

燃烧设备的正常工作，应当使用具前压力限制在一定范围内波动。

(6)应从安全、卫生及防火角度，在保证燃气用具正常条件下，组织好燃烧所必须的进排气系统。

3．1 高层建筑沉降问题

高层建筑因自重会产生一定的沉降量，从而可能导致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，容易引发事故。一般情况下，高层建筑在竣工后5年内的沉降速度最大，以后沉降速度逐渐降低。《城镇燃气设计规范》中规定：“建筑物设计沉降量大于50 rain时，可对燃气引入管采取如下补偿措施：(1)加大引入管穿墙处的预留洞尺寸；(2)引入管穿墙前水平或垂直弯曲2次以上；(3)引入管穿墙前设置金属柔性管或波纹补偿器。”其中方式(1)和(2)有损建筑外立面效果，一般采用方式(3)，但(3)中安装金属柔性软管时应注意，软管前出地燃气管道不得进行固定；软管必须水平安装，不得有扭曲和弯曲现象，并使其处于自然伸展状态。连接方法见(图5).

3．2 高层建筑的水平位移

超高层建筑的高度，应该说是不言而喻的，也正是这个高度在风载荷的作用下，特别是台风等恶劣气候条件下，此超高层所具有的风动力特性，在风载作用下建筑受到的风力加速度，建筑上都会发生水平位移，且根据风速的不同，其建筑的振动周期也不同,在不同的高度产生的水平位移不同，使整个高层建筑在高度方向呈弧状，则整个天然气供应系统的竖直立管和横向支管均发生位移。采用高层建筑水平位移的补偿措施是：

天然气供应系统竖直的立管和横管在进行伸缩补偿时，不论竖管还是横管，必须在其上设置锚固点，以限定补偿的范围，并且在横管锚固点之前设伸缩补偿器，而天然气稳压器、阀门等管道设备应设于横管锚固定点后，应视作相对于建筑是无水平位移，使这些管道设备免受天然气管道位移的影响。

竖直管道上锚固点之间的距离由风载荷在立管上产生的弯曲应力，校核压缩应力及弯曲应力(考虑地震对立管影响时)这3个应力的合力与该立管钢材的许用应力来确定。最后再考虑该段管道的热涨，以便考虑热补偿措施，并据此来校核建筑结构承受管道自重的能力，最终调整竖直管道上的锚固定点的个数。

管道振动频率：q

EIg

l 01.02f 22πλ= （hz ） (1)

式(1)中：λ一管端固定情况的参数，两端固定时λ=4．73；

E 一钢材的弹性模量，kg ／cm2； I 一钢管的惯性矩，cm4； g 一重力加速度，m ／s2； Z 一管道长度，cm ；

q —单位长度管道重量，kg ／m 。

管道振动频率如果与建筑物固有频率相等，会发生共振，管道会破坏。管道的振动频率可以通过调整锚点间距来调整。

3．3 高层建筑内燃气竖直管道自重的克服

由于建筑高度的原因，使超高层建筑内的竖直燃气管道的自重很大，便产生了很大的压应力。对于钢管，工作温度在200摄氏度以下，普通碳素铜的允许应力[σg]=12公斤／平方毫米。只有立管高度在700～800米左右，立管底部压缩应力才能达到允许应力，故一般高层建筑可不考虑立管自重产生的应力破坏，但计算推力或综合时不能忽略。

为了使整个立管自重能均匀分摊，在建筑物图

中每层(或每隔几层)设置支撑点，由这些支撑点来均摊立管的自重，以减少立管底部压缩应力过于集

中。如东京新宿的中央大厦，1978年建成综合办公大楼共53层，高216米。煤气管道放置在地下室至顶层的综合管井中。在地下一层及最高部位，采用完全固定(图6)，中间隔层设置一个固定卡子，以固定立管。压应力的计算公式如下：

压应力：=

g σf

qgl

兆帕 （2） 式中：g 一重力加速度，m ／s2； q 一单位长度管道重量，Kg ／m ； l —管道长度，m ；

f —管道截面积，rm ．r12。

3.4 燃气立管的应力影响及热补偿

高层建筑室内立管较长，自重产生的应力和环境温度变化产生的热应力都很大，两种内力共同作用，达到一定程度时，会造成主立管接口扭曲、断裂，表前管变形破坏，表接头松动，引发安全事故。

3.4.1 管道自重产生的压缩应力

A

G

=

σ （3） 式中：σ—压缩应力，MPa ；D 一为燃气管道自重，N ；A —为立管截面积，2mm 。

由表可知：当管长超过1400 m 时，因管重引起的压缩应力才会超过管材的允许应力，而如此高的立管长度对一般高层建筑是不可能的。一般钢管的许用应力为127 MPa ，因此对于100 m 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。但为了维修方便，我们仍需考虑分解管道自重的措施。

3.4.2 管道因温差产生的伸缩量

t CL L ??=?310 （4）

式中：L ?—为管道的伸缩量，m m ；

C —为管材线膨胀系数，对普通钢管在20℃时，取m)C mm/(10123

???- L 一为管道长度，m ；

t ?一为环境温差，C 。

3.4.3 管道的热应力

如果管道的伸缩完全受到约束，则管道的热应力计算公式为：

t t ?=CE σ (5)

式中：t σ—热应力，MPa ；C —为管材的线膨胀系数；

t ?—环境温差，C ；

E —管材的弹性模量，MPa ，普通钢在20℃时5101.2?MPa 。

对100m 的高层，随着t ?提高， L ?提高，t σ也提高。随着管长提高，L ?也提高。可见在春秋两季安装管道时，t ?最小，管道的伸缩量和热应力也最小。

3.4.4补偿措施

(1)加设波纹管，加设波纹管，补偿管道由温差产生的伸缩量，从而消除应力(如图7)，波纹管补偿范围的两端应固定，中间部分支架全部设计为活动支架。整根立管波纹管的数量根据管道的长度和可能达到的最大温差确定。此方法的缺点在于增加了漏气点，另外，还要防止波纹管受用户碰撞，造成波纹管失效。

(2)采用自然补偿，（如图8）所示，两个固定支架间的管道就是一个“L ”型自然补偿器。若取室内温差取20℃，每层楼高度按3 m 计算，管道外径假设为60 lnlIl ，按下式来计算短臂￡ 的大小：

5.0)300/t 012.0(1.1W D H L ?????=

式中：L —“L ”型补偿器短臂长度，m ；t ?—环境温差，C ； H 一“L ”型补偿器长臂长度，m ；Dw 一管道外径，mm 。 计算可知L ≈0．42m ，可见“L ”型补偿器短臂的长度较小，

不会影响用户的整体装修，在实际工程安装中也是切实可行的。采用此方法应注意立管采用焊接连接，因为如果采用丝口连接，由于长期进行伸缩量的补偿，将造成弯头处的丝口松动，容易引起漏气。

(3)在实际工程中，每隔6～8层在主立管上设一个门型弯，并在各分段立管底部设固定支撑，以承受立管自重，同时避免立管底部压缩应力过大。如遇建设方不同意在室内设置门型弯，则可以U 型螺栓配角铁支架固定的方式替换立管上的管卡，以分散立管自重，并在立管上分段设置波纹补偿器，克服管道因温差而引起的应力和形变，便于维修。另外，考虑立管形变对表前管的影响，我们应该用金属软管作为表前管，以避免表接口变形漏气。

4 结论

通过对高层建筑燃气供应设计技术的系统研究，结合中国高层建筑的建设发展迅速的现实情况，为了保证高层建筑的燃气供应安全、经济、合理，在针对高层建筑的燃气供应设计的技术方面，有几点是值得重视的。

（1）应该充分重视高层建筑燃气供应过程中的特殊安全要求和可能导致事故的安全隐患。从设

计规范方面加以约束。到目前为止，燃气设计的相关规范并没有针对高层建筑燃气供应的详细规范。

（2）目前高层建筑的燃气供应设计过程中，重点只是考虑了克服高层建筑的沉降、附加压头、

燃气的泄漏报警等设计的技术应用，但对于如何实现这些技术的研究并不充分，例如附加压头的 克服就没有很好的办法。

（3）在国际上许多城市的高层建筑燃气供应设计技术中，地震这样的非常规风险的消除也是在

设计过程中加以考虑的对象，但我国在这些问题上的重视程度是不够的，尤其是针对设备的处理方法是不够的，应该加以注意。

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