高层建筑室内燃气管道设计的探讨.doc

1、高层建筑室内燃气管道设计的探讨摘要:高层住宅楼的燃气管道 设计与普通的普通住宅楼(6 层以内)相比,要考虑建筑沉降量、附加压力大、热伸缩量大等诸 多影响因素。关键词: 沉降量 附加 压力 应力 热伸缩量1 前言盐城作为长江以北的重要的经济城市，近年来市政建设迅速，兴建了许多高层建筑。其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，燃气管道设计也备受人们重视。在室天然气管道的设计中需考虑的问题较多，如附加压力大，高层建筑沉降量大，立管较长且热伸缩量大，以及如何保证计量的先进性和用气安全。2 高层建筑的附加压力2.1 附加压力的计算 城镇燃气设计

2、规范GB93（2002 年版）规定，天然气灶具的额定压力 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。当燃具前压力在 0.75Pn1.5Pn 内波动时，仍能达到燃具燃烧的要求。若超出此范围，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。盐城市高层建筑的燃气设计主要采用低压进户，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H。计算公式如下：H=9.81（k-m）h (1)式中：H燃气的附加压力（Pa）；k空气的密度（kg/m 3）；2m燃气的密度（

3、kg/m 3）；h 燃气管道终、起点的高程差（m）。以盐城市区天然气为例，空气的密度（ k）为 1.293 kg/m3，天然气的密度（ m）为 0.75 kg/m3, ,由式 (1)，得：H=5.327h下面分析一个特例。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 3000Pa。例如某高层引入管处压力 P1=2000Pa，设定最不得工况，即只有几户用气，管道沿程阻力接近于 0，而局部阻力仅为燃气表的阻力（约 100Pa）。设用户燃具前的压力为 P2，则P2=P1+H-100Pa=1900Pa+5.327h当 P2=3000 Pa 时，h=206.50m。但为了使用户燃具前的压力

4、波动范围变小，更接近 Pn，有必要用取措施，减小附加压力的影响。2.2 附加压力影响的消除(1)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。(2) 对 于较 高的高层建筑，可在用户表前设置低低压调压器，使燃具前压力接近 2000Pa。(3) 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。引入管、中压进户的流程从中压庭院支管开始，依次通过引入管、中压立管、用户 中压支管、阀门、用 户调压器、燃气表、低 压支管、旋塞 阀，最后到达燃具。中压进户的优点：具有

5、 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。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。立管平均管径较小，降低成本。3 高层建筑沉降的影响3随着市政建设的发展，在原来的许多低洼地、鱼池、河沟等地区都兴建了高层建筑。由于地基松软，高层建筑在竣工后的 5 年内沉降速度最大，以后沉降速度逐渐降低。高层建筑自重大，所以沉降量也比较大，可能导致引入管的切向应力大。而建筑基础处回填土地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。4 燃气立管的应

6、力计算与热补偿高层建筑立管长，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，造成管道扭曲、断裂、引发事故。4.1 管道自重产生的压缩应力=W/A （2）式中：压缩应力(Mpa) ；W 燃气管道自重(N)；A立管截面积(mm 2)。例如：对 100m 的居住高层，立管用 D573.5 无缝钢管，A=588.3mm 2，单位长度管重为 45.32N/m，则 =7.70MPa。一般无缝钢管许用应力为127MPa，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。4.2 管道因温差产生的伸缩量L=103l (t2-t1 ) （3）式中：

7、L 管道的伸缩量（mm ）；l管材的线膨胀系数，K-1，对普通钢管在 20C 时，取 1.210-5K-1；L管道长度（m）；T2管道在计算状态下的温度（）；T1管道安装时温度（）。44.3 管道的热应力如果管道的伸缩完全受到约束，则：t=ltE （4）式中：t热应力（Mpa）；t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）普通钢在 20时取2.1105MPa。例如对 100m 的高层（见表 1），随着 t提高，L 提高，t 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。管道的伸缩量和热应力是不可忽视的

8、，应该采取有效的补偿措施。表 1 立管（100m）的伸缩和热应力表4.4 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、 形补偿器和波纹管补偿器。在燃气管道设计中常用后两种补偿器。下面以 100m 的居住高层为例进行讨论，立管采用 D573.5 钢管。(1) 形补偿器的计算公式Ls=1.5LED/bw(1+6K) (5)K=L1/Ls式中：Ls补偿器伸出长度，mm ；L补偿能力（取值与伸缩量相同，根据表 1 中=20C 时，L=24mm ），mm；序号 温差（） 伸缩量（mm） 热应 力（ Mpa）1 10 12 25.22 20 24 50.43 30 36 75.65

9、D管道外径，mm；bw 管道许用弯曲应力，MPa， 钢管取 75MPa；K比值，按经验取 1；L1补偿器开口长度，mm ；当设计温差取 20时，经计算，Ls=906mm。可选择一个补偿器伸出长度为 906mm 的 形补偿 器。(2) 波 纹管 补偿器的计算公式n=L/Lcom (6)式中：n波节数；Lcom一个波节的补偿能力，mm ，一般取20mm。当设计温差取 20时，100m 的高层建筑需在 15 层处设 1 个双波节的补偿器，即可消除立管伸缩的影响。若更大限度地消除热应力，需适当增加补偿器的数量。(3) 补偿 措施在实际工程中，每隔 57 层设稳定的固定管座，以承受立管自重，同时避免底部

10、压缩应力过大。并设 1 个波纹管补偿器和 1 个分段阀门，克服管道因温差而引起的应力和形变，便于维修。5 高层建筑的燃气计量和安全措施5.1 燃气计量盐城市在 2002 年前使用管道液化气混空气时采用人工逐户抄表收费的方式，这 种方式劳动强度大、效率低、 扰民、不便于管理。近年来出现的和 IC 卡燃气表和无线智能型燃气抄表系统，集成了传感计量、无线数据传输技术和单片机控制技术，具有以下优点。无需入 户收费，保 证了住宅的私密性。由于 仅用数据采用集用户用气量，提高收费效率并减轻劳动强度，尤其适用于高层建筑。6借助计算机收费管理系统，通过银行自动扣除相应气费，提高整体管理水平。传输 信号稳定，接

11、受信号快捷， 实用可靠。实现 了计量数据远传、测控及抄读，并具备数据动态分析的功能。5.2 安全措施由于高层建筑的特殊性，因此需采用相应的安全措施。引入管宜设快速切断阀，管道上宜设自动世断阀、燃气泄漏报警器和送排风系统等自动切断联锁装置。尤其是 25 层以上的高层建筑，宜设燃气泄漏集中监视装置和压力控制装置。6 结语高 层 建 筑 的 天 然 气 管 道 设 计 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

12、案 。7天然气调压与安全的探讨盐城新奥燃气有限公司 罗旺兵1 前言有些中小城镇的天然气工程由于缺少技术支持和管理经验，资金短缺，不能像大型城镇的天然气工程那样，进行充分论证 和精心设计，而往往是在没有合理统筹规划和工程设计的情况下匆匆上 马，工艺过程不理想，设备配置比较简化，更没有能力步建设耗资巨大的用于 专门储气调峰的设施，以至于不可避免地在运行操作和设备安全等方成存在 这样或那样的弊端和隐患。本文对有关问题进行探讨。2 分输站、门站的布局和工艺设计2.1 方案确定天然气分输站和门站功能的确定、设备配置以及分输管道的设计压力等技术方案，一定要结合门站选址以及两站间的地理 环境和距离等实际情况

13、进行。中小城镇天然气工程分输站和门站的布局和工 艺设计，基本上有以下两种方案。（1）门站靠近分输站，相对远离市区，基本上没有分输管道，但门站到城镇管网的输气干管较长。这种情况下，通常采用的方案 为：分输站不需要压力控制，仅设 关断和管道超压保护。分输管道可按 输气管道的要求设计，多采用与长输管道相同的压力等级。在城镇门站中，要求具 备压力调节、安全切断和安全放散等功能，门站中调压设备承压能力必 须与长输管道选取相同的压力等级， 调压器的工作能力要保证在长输 管道的最低运行压力下，能够满足城镇高峰用气的需求，储气调峰可以完全由上游承担。（2）门站远离分输站，尽量靠近市区，分输管道较长，但门站到城

14、镇管网的输气干管较短。 这种情况下多采用以下方案：分 输站设压力控制，并配备相应的安全切断和安全放散等装置。分输管道按城市燃气管道的要求 进行设计，其设计压 力采用城市燃气管道允许的等级 （尽可能高一些为好）.但是，8城镇燃气部门上出于安全考虑，在门站同样也要配备压力调节及相应的安全切断和安全放散等装置。这种情况下，确定调压器工作能力的进口压力尽力尽可能低一些，这样，可利用的分输管道和上游长输管道的储气调峰能力就越大。2.2 方案比较与第二种方案相比，第一种方案工程的总投资少，并且可以充分地利用长输管道的储气功能，城市管网设计压力等级可 选范围也更大些，这对下游城市管网工程的实施更为有利，因此

15、尽可能优先 选用。但是，有的中小城镇天然气工程不是按以上的方案进行实施，常常出 现以下几种不合理的状况：分输 站和 门站虽然相邻，但各自都配置了调压设备 ，形成二级调压系统；分输 站没有 调压功能，门站调压系统的前端（ 进气端）压力等级却低于长输管道压力等级，门站调压进口有可能出现超压 的危险，形成了事故隐患；两站 调压设备选 型时，用于调压能力计算的进 口压力取值不合理，有的为了减小调压器和配套设备的规格，取值过高，造成调压器配置过小。3 调压系统安全装置3.1 调压系统安全装置的要求由于安全装置的合理配置对城镇燃气输配系统的安全稳定运行具有至关重要的意义，不 仅选用的安全装置本身必须性能可

16、靠，而且配置方案也要功能齐全，只有如此，才能确保系统的运行安全和事故的零概率。由于我国现行的城镇燃气设计规范(GB50028-93 2002 年版)对调压站安全装置的配置只作了一些原则性的要求，对安全装置的配置数量、性能和关 闭泄漏量没有明确的规定，建 议在规范没有做出明确具体 规定的情况下，安全装置的选型和配置可以参照国外标准，并结合实际情况，适当地提高档次，并在工程的验收中严格把关。3.2 德国调压系统安全装置配置的有关规定3.2.1 调压器进口压力 P1 为 0.01MPa0.4MPa 时（1）主安全装置9配备同时具有在规定的超压 P0 和欠压 PU 值下动作的安全切断阀，或者配备具有在

17、最大进口压力 p1 下放散量达到调压 系统能通过的最大流量QMAX 的安全放散阀。（2）辅助安全装置配备满足调压器系统本身可能的泄漏流量的放散量的安全放散阀，或者配备满足调压设备因温度变化，造成系统气体膨 胀时需求进行泄压的放散量的安全放散阀。3.2.2 调压器进口压力 P1 为 0.4MPa10MPa 时（1）主安全装置包括绝对必要的和必要的主安全装置绝对 必要的主安全装置：配备在规定的超压 PO 和欠压 PU 下都能动作的安全切断阀；必备 、要的主安全装置（视进出口压差而异）。配备只在规定的超压PO 下动作的安全切断 阀。或者配备调压器,或者配 备满足调压器在最大时口压力 P1 下放散量通

18、 过能力 QMAX 的的安全放散 阀。（2）辅助安全装置配备满足保证调压站加热系统安全要求的安全切断阀，或者配备满足调压产系统因温度变化导致介质膨胀时进行泄 压需求的放散量的安全放散阀，或者配 备满足调压器关闭过程中出现超压现 象时进行放散要求的安全放散阀。4 调压器对管道储气调峰的影响按照城镇燃气设计规范(GB50028-93 2002 年版)要求，对来气压力较高的天然气系统宜采用管道储气方式，这对用管道 储气调峰能力有很大关系，因此，管道储气 调峰不是单纯加大输气管道管径就能解决 问题。管道储气是压气储气的一种，调用管道储气的过程是使上游管道降压过程，允许的 压力降越大，可用的调峰气量就越

19、多；另一方面，随着上游管道压力的下降，调压器的通过能力能否满足调峰时 的用气负荷。这就在调压站设计中，进 行调压器选型时提出了一个重要的课题 调压器进出口的设计10压力和调压站的最大工作能力如何确定。如果简单地按上游工艺提供压力参数、下游的高峰用气负荷以及下游管网的允许运行压力进行调压器选型，忽略了用气高峰对管道调峰的需求以及管网工况可能的变化，就不能充分发挥管道调峰的功能。因此，提出一个有利于管道调峰能力的设计思路。（1）调压站的设计流通能力不低于下游用气高峰负荷。（2）调压站的上下游和设计压差取上下游的最小差压，即：调压站的下游压力=下游管网的 设计压力；调压站的上游 压力=下游管网的设计

20、压力+调压器的最小启 动压 差+ 调压器工作压差的裕度。多数调压器的最小启动压差为 0.05MPa（视调压器的类型而不同），调压器工作差压的裕度要尽量小一些，根椐实际情况可以取 0.05 MPa0.10MPa。应该指出，这样做， 调压器的规模必须加大或对调压站通过能力留有发展余地。有时为了避免在高进口压力和用气低谷 时调压器出现不稳定现象，需要减小调压器规格和尺寸，采用增加调压器数量的方法来达到增加 调压站通过能力的目的，因此导致调压站的占地和投 资相应增加，但是，由此可以取得充分利用管道储气调峰能力的效果。压缩天然气供应工艺及规模的探讨11盐城新奥燃气有限公司 罗旺兵摘要：介绍了压缩天然气

21、（CNG）供应城镇的工艺流程，通过对压缩天然气及长输管道两种输送方式的分析和比较，提出在不同供气 规模，不同运距条件下两种方式的适用范围以及 CNG 技术在城镇供气中的应用前景。关键词：压缩天然气 燃气汽车 供气规模1 前言天然气是优质高效清洁的能源，管道输送是天然气的基本方式。实践证明，大规模天然气输送，采用管道是最经济和有效的输送方式。此外，还可采用其他两种输送方式。一种是液化天然气（LNG），是将天然气液化后再进行储运；另一种是压缩天然气（CNG）。由于输 气干线的建设受城市气化条件，经济实力，用 户气价承受能力等综合因素的限制，使得输气干线难以联网，供应范围受到限制，并且只能向长输管道

22、沿线城镇供气。因此如何满足长输管线周边中小规模城镇的天然气需求，将成为一个新的研究课题。压缩天然气（CNG ），是将天然气 净化压缩后，储存在 专门的容器内用汽车运送。我国目前除了应用于天然气汽车之外，对城镇的天然气供应也已陆续开始。以下就 CNG 技术应用于城 镇燃气供应进行探讨 。2 CNG 系统工艺流程CNG 系统供应城镇方式源自天然气汽 车加气的子母站系 统。由于子母站系统技术成熟，灵活方便，而且投资比建独立加气站少，因而提出借鉴子母站系统的运行方式采用 CNG 供应城镇燃气。CNG 城镇燃气供应系 统主要由取气点加压 站，CNG 钢瓶拖车，城镇卸气站，城镇输 配管网组成。12天然气首

23、先经计量，调压后进入净化装置，脱除水，硫化氢，二氧化碳，达到标准要求。经压缩机加压至 1525MPa，通过加压站的高压胶管和快装接头向 CNG 钢瓶拖车 充气，当钢瓶压力达到 设定值后， 压缩机自动停机。CNG 钢瓶拖车通过公路运 输到达城镇卸气站，通 过卸报站的高压胶管和快装接头卸气， CNG 首先进入一级换热器加热 （防止天然气通过调压器减压时温降过大，影响后续设备及管网的正常运行），再进入一级调压器减压，之后依次经过二级换热器，二级调压器，三级调压器，将压力调至城镇管网运行压力， 经计量，加臭后进入城镇输配管网。卸气装置的加热和调压级数应综合钢瓶拖车最高工作压力，调压装置卸气能力，城镇管

24、网设计压力等因素确定。卸气站的调峰可采用多种方式，如管束储气， 储罐储气，设调峰气源以及利用钢瓶拖车等。由于每辆钢瓶拖车的载气能力为 30006000Nm3，具有一定的调 峰能力，利用 CNG 钢瓶拖车调峰不失为一种经济，灵活的调峰手段。3 供应方案比较由于受拖车数量，运输条件，运距，气候等因素限制，决定了 CNG 系统供气规模不宜过大。现以供气规模为 2 万户和 5 万户居民为例，分析 CNG供应和长输管道供应两种方式的适用范围，见表 1。13方案一为 CNG 供气方案，包括取气点加 压站，钢瓶拖车，城镇卸气站，城镇输配管网。方案二为长输管道方案，包括长输管道，城镇门站，城镇输配管网。两种方

25、案均暂不考虑供应沿线城镇，从而得出不同输送方式与供气规模，运距（以 10500Km 为限），投资及成本等因素的相互关系。其中城镇输配管网方案相同，调峰储气设施根据不同方案分别考虑，长输管道输送方案的储存容积根据用户计算月平均日用气量确定，CNG 方案储存容积由于目前尚无规范可依，考虑该供气方式的特点，暂按 23 天计算月平均日用气量考虑。天然气原料价格暂按 0.55 元/Nm 3计算。通过方案比较分析如下：(1)供气 规模相同的情况下，随着运距的加大，CNG 输送和长输管道输送的投资及成本均呈增长趋势，其中长输管道的增幅较大。(2)随着供气规模的扩大，长输管道的投资增加幅度相对较小，成本的下降

26、趋势较为明显，而 CNG 输送的投资增加幅度 较大，成本降低 趋势不明显，可见供气 2 规模对 CNG 输送方式的投资影响 较大。(3)当供气 规 模 2 万户左右，成本控制在一点六元每立方米以内时，运距在 80 千米以内采用长输管道输送较为合理；而在 80250Km 范围内采用CNG 方案在用户承受能力，投 资和成本上较 占优势。（4）当供气规模在 5 万户左右时，300Km 以内宜采用长输管道输送，300400Km 范围内可采用 CNG 输送。但考 虑到供气规模较大，应结合当地气源状况，运输条件等具体情况，在确保能够安全稳定供应 CNG 的前提下采用该方案。（5）随着供气规模的扩大，由于受

27、拖车数量，运距等条件制约，CNG 输送方式的适用范围逐步缩小，供气规模不宜过大，宜控制在 5 万户以内。（6）通过定量分析两种供应方式，当城镇供气规模过大或供气距离过长时，宜采用其他供气方案。14（7）以上 CNG 城镇供应 方式是在将取气点设 气田附近（原料价格 0.55元/Nm 3）这一特定条件下进行比较的，如果考 虑从长输管道所连接的就近城市取气，其原料价格将会增加（据初步估计到城市门站的天然气价格为1.11.3 元/Nm 3），如果销售的平均气价不变（1.8 1.9 元/Nm 3），CNG 供气方式的供气范围将会缩小。建议 CNG 取气点在气田附近以便能 够得以廉价的 CNG，或可以将 这一供应方式应用于气价承受能力 较大的城镇。4 结论（1）CNG 为缺能城镇提供了一种新的供 应方式，也 为天然气在国内市场开发出一片新的领域。（2）CNG 供应城镇系统 具有工艺简单，投资 省，成本低，工期短， 见效快的优点， 适于向距气源较近的中小城镇供应燃气。通过实际应用，证明CNG 城镇燃气供应方式具有一定的推广价值。（3）由于影响 CNG 城镇 供应方式的因素较多， 应综合考虑其供气规模，用气性质，气源位置及数量，原料价格，运距等因素，合理地确定供气方案。