高層民用建筑天然氣附加壓力解決方案

鄧 勇

(廣州廣燃設計有限公司，廣東廣州510030)

1 概述

截至目前，廣州市已出現的最高民用建筑為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配套工程，也必須順應高層建筑的發展。天然氣附加壓力問題成為高層民用建筑天然氣安全穩定供應必須解決的問題。本文根據廣州市天然氣供應現狀，通過計算、測量及分析，提出適合廣州市高層民用建筑天然氣附加壓力問題的解決方案。

2 相關規范要求

根據GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》(以下簡稱GB 50028—2006)第10.2.2條，民用低壓天然氣用氣設備的燃燒器的額定壓力宜為2.0 kPa。根據該規范第10.4.1條，居民生活的各類用氣設備應采用低壓燃氣，用氣設備前(燃具前)的燃氣壓力應在(0.75～1.5)pn的范圍內(pn為燃具的額定壓力)。

當燃具前的壓力在1 500～3 000 Pa范圍內波動時，仍能滿足燃具燃燒要求。當燃具前的壓力超出此范圍，燃具的熱效率低，燃燒噪聲大，燃燒不穩定，可能產生脫火或回火等現象。另外，由于燃氣不完全燃燒，煙氣中CO含量超標，可能引發事故[1]。

3 廣州市附加壓力的計算及測量

3.1 廣州市基礎數據

本文的研究范圍是天然氣戶內管(包括室外立管及室內管)。廣州市平均氣溫取23 ℃，平均氣壓(絕對壓力)取101.325 kPa。燃氣管道內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，平均絕對壓力取103.825 kPa。

在23 ℃、101.325 kPa時，空氣的密度為1.193 kg/m3。

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

膜式燃氣表的阻力約為130 Pa。根據廣州市新建樓盤的戶內天然氣管道設計規律，膜式燃氣表與燃具之間的管道長度約為5 m，天然氣經過該段管道的阻力約為5 Pa。二者合計135 Pa。

區域調壓柜的中-低壓調壓器(以下簡稱區域調壓器)的出口壓力一般設定為2 500 Pa，關閉壓力為2 800 Pa。

夜間低峰時段實測的區域調壓器的出口壓力為2 750 Pa。

3.2 附加壓力計算

天然氣的附加壓力可按式(1)計算。

Δpadd=(ρair-ρgas)gΔh

(1)

式中 Δpadd——天然氣的附加壓力，Pa

ρair——在23 ℃、101.325 kPa時空氣的密度，kg/m3

ρgas——在23 ℃、103.825 kPa時天然氣的密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2

Δh——天然氣管道的終點高程與起點高程之差，m

將廣州市基礎數據代入式(1)，計算可得式(2)。

Δpadd=4.5Δh

(2)

用戶燃具前壓力可由式(3)計算。

psto=preg+Δpadd-Δpmet-Δppip

(3)

式中psto——燃具前壓力，Pa

preg——區域調壓器出口壓力，Pa

Δpmet——膜式燃氣表及表后至燃具前管道的阻力，Pa，取135 Pa

Δppip——由區域調壓器出口至用氣點之間的天然氣管道的阻力，Pa

用氣高峰時段，管道阻力Δppip達到最大值，一般設計時均按用氣高峰考慮，來選取天然氣管道的管徑，故能保證此時所有用戶的燃具前壓力處于1 500～3 000 Pa的范圍內，以滿足GB 50028—2006的要求。

夜間用氣低峰時段，管道阻力Δppip趨近于0，且區域調壓器出口壓力preg達到最大值，接近關閉壓力(2 800 Pa)。根據式(3)，此時的灶前壓力psto將達到最大值。假設住宅層高為2.9 m，將式(2)代入式(3)，可計算出夜間低峰時段燃具前壓力，見表1。

表1 夜間低峰時段燃具前壓力

由表1可以看出，夜間低峰時段，27層及以上樓層的燃氣壓力會超過3 000 Pa。

3.3 附加壓力的測量

2019年11月，在廣州市某小區選取了第31層、40層、50層共3個居民用戶，連續監測燃氣表的表前壓力。夜間低峰時段表前壓力理論值與實測值見表2。

表2 夜間低峰時段表前壓力理論值與實測值

由表2可以看出，實測值均小于理論值，兩者存在88.2～161.0 Pa的差值。考慮原因為：

測量小區為已建成小區，整個小區由1臺調壓設備供應燃氣，無法控制整個小區天然氣流量為0，故調壓設備至測量點間的燃氣管道壓力損失大于0，實測值會偏小。

4 附加壓力解決方案比選

4.1 方案1：降低區域調壓器的出口壓力

廣州市現狀區域調壓器的出口壓力一般設定為2 500 Pa，關閉壓力為2 800 Pa。本方案需要降低區域調壓器的出口壓力，區域調壓器將天然氣由中壓調至2.35 kPa(關閉壓力為2.6 kPa)，經庭院管、戶內管輸送至各用戶。

該方案的特點：在用氣高峰時段和用氣低峰時段，都可以保證每個用戶的燃具前壓力在1 500～3 000 Pa范圍內。

該方案的優點：無須增加設備，無須增加造價。

該方案的缺點：適用范圍有限，僅適用于建筑總高度≤100 m，且區域調壓器供氣范圍比較小的區域。對于區域調壓器供氣范圍較大的情況，不適用此方法，這是因為較長的庭院管會導致區域末端樓棟用戶在用氣高峰時燃具前壓力不足1 500 Pa。

4.2 方案2：全部用戶室內安裝低-低壓調壓器

在每戶的表前安裝低-低壓調壓器。供氣流程為，區域調壓器先將天然氣由中壓調至7 kPa，經庭院管、戶內管輸送至各用戶后，由每戶表前的低-低壓調壓器，將天然氣壓力調至2.16 kPa，供該用戶使用。

該方案的特點：根據設備廠家提供的低-低壓調壓器的性能曲線，低-低壓調壓器的出口壓力在2 100～2 500 Pa范圍內波動，因此，無論是用氣高峰時段還是用氣低峰時段，都可以保證每個用戶的燃具前壓力在1 965～2 365 Pa范圍內。

該方案的優點：

① 使用比較廣泛，設計、運行方面比較成熟。

② 低-低壓調壓器的出口壓力穩定，因此用戶用氣壓力穩定。

該方案的缺點：

① 每戶都需要安裝低-低壓調壓器，造價增高。

② 與現狀的供氣系統相比，入戶壓力較高，而目前小型戶用低-低壓調壓器均不含超壓切斷功能，存在安全隱患。

③ 運行壓力較高，設備數量增加，運行維護需要大量人力，運行維護成本增加。

④ 目前廣州市居民用戶均為一級調壓供氣，即區域調壓器的出口壓力為2.5 kPa，庭院和戶內低壓天然氣只存在2.5 kPa這一個壓力系統，若再出現比現狀運行壓力更高的7 kPa的壓力系統，運行管理上容易造成混亂，運行維護難度增加。

4.3 方案3：高樓層立管安裝大流量低-低壓調壓器

按照前述方法計算出最低的超壓樓層(例如表1的結果是第27層)，在該樓層立管的始端處安裝大流量低-低壓調壓器，根據不同建筑高度設定大流量低-低壓調壓器的出口壓力。供氣流程為，區域調壓器先將天然氣由中壓調至2.5 kPa，經庭院管、戶內管輸送至各用戶，在該樓層以下的用戶，保持原供氣系統不變；在該樓層及以上樓層的用戶，由該樓層立管始端處安裝的大流量低-低壓調壓器，將天然氣壓力調至適當值后，再向各用戶供氣。

該方案的特點：在用氣低峰時段，可以保證每個用戶的燃具前壓力在1 500～3 000 Pa范圍內；在用氣高峰時段，大流量低-低壓調壓器的進口壓力過低，大流量低-低壓調壓器的阻力數據待測試。

該方案的優點：

① 維持了目前廣州市居民用戶低壓2.5 kPa的壓力系統，便于統一運行管理。

② 1根立管僅設2臺大流量低-低壓調壓器(1開1備)[2]，造價較低。

該方案的缺點：

由于大流量低-低壓調壓器體積較大，安裝位置難選定，安裝有大流量低-低壓調壓器的用戶意見大，入戶運行維護不方便[2]。

4.4 方案4：高樓層用戶室內安裝低-低壓調壓器

計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的表前安裝低-低壓調壓器。供氣流程為，區域調壓器先將天然氣由中壓調至2.5 kPa，經庭院管、戶內管輸送至各用戶。在該樓層以下的用戶，保持原供氣系統不變；在該樓層及以上樓層的用戶，由各用戶的表前安裝的低-低壓調壓器，將天然氣壓力調至2.16 kPa后，再向各用戶供氣。

該方案的特點：在用氣低峰時段，可以保證每個用戶的燃具前壓力在1 500～3 000 Pa范圍內；在用氣高峰時段，低-低壓調壓器進口壓力過低，低-低壓調壓器的阻力數據待測試。

該方案的優點：維持了目前廣州市居民用戶低壓2.5 kPa的壓力系統，不需要大范圍調整供氣系統，僅高樓層用戶的表前增加低-低壓調壓器，造價相對較低。

該方案的缺點：

① 該方式很少有實際工程應用，且市場上可供選擇的低-低壓調壓器種類較少。

② 小型戶用低-低壓調壓器均不含超壓切斷功能，存在安全隱患。

③ 調壓設備數量增加較多，運行及維護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，降低區域調壓器出口壓力(方案1)、高樓層用戶室內安裝低-低壓調壓器(方案4)的方案較為適合廣州市，可以根據不同的實際情況合理選用。

5 低-低壓調壓器比選

5.1 低-低壓調壓器性能

依據方案4，目前市場上符合條件的低-低壓調壓器有兩個品牌，共4種型號，本文中分別以A型、B型、C型、D型表示，其性能參數見表3。表3中的A型低-低壓調壓器通常是不設置內置欠壓切斷裝置的，用戶在訂貨時可以選擇是否設置內置欠壓切斷裝置。

表3 低-低壓調壓器性能參數

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

5.2 低進口壓力下的壓力損失測試

設備廠家并未給出進口壓力低于2.3 kPa時低-低壓調壓器的壓力損失數據，故需通過實驗來檢測。

對于普通居民用戶的日常用氣，燃氣灶單眼工作為小流量工況，用氣量約為0.3 m3/h；燃氣灶、熱水器同時工作時為大流量工況，用氣量約為3.0～4.0 m3/h。

本次實驗在廣州燃氣具檢測服務有限公司進行，實驗中采用的氣體為廣州燃氣集團有限公司管網內的天然氣。因為我們希望在壓力低于2.3 kPa時天然氣能夠通過低-低壓調壓器，所以低-低壓調壓器應無欠壓切斷功能，實驗中采用的A型低-低壓調壓器沒有設置內置欠壓切斷裝置；B型、C型、D型低-低壓調壓器本身沒有欠壓切斷功能。實驗分為小流量工況、大流量工況兩種流量工況進行，采用1臺熱式氣體質量流量計記錄天然氣的瞬時流量，2支U型管壓力計測量低-低壓調壓器的進、出口壓力。篩選有效的實驗數據后，按照低-低壓調壓器進口壓力由低到高的順序排列，天然氣分別經過A型、B型、C型、D型低-低壓調壓器在低進口壓力條件下的壓力損失分別見表4～7。

表4 低進口壓力條件下A型低-低壓調壓器的壓力損失

表5 低進口壓力條件下B型低-低壓調壓器的壓力損失

表6 低進口壓力條件下C型低-低壓調壓器的壓力損失

表7 低進口壓力條件下D型低-低壓調壓器的壓力損失

5.3 測試結果分析

由表4～7的實驗測試數據可以得出以下結果：在小流量工況時，天然氣經過上述4種不同型號的低-低壓調壓器的壓力損失均可忽略不計；在大流量工況時，天然氣經過上述4種不同型號的低-低壓調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為：A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-低壓調壓器。

6 方案推薦

目前廣州市新建高層樓盤分為兩類：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計算，27層的建筑總高度約為78 m，按照目前廣州市的區域調壓器的出口壓力設置情況，建筑總高度低于78 m的建筑，天然氣的附加壓力不會導致高樓層建筑居民用戶燃具前壓力超壓。

據此，推薦廣州市按以下3種情況采取相應措施：

① 對于建筑總高度為78～100 m的高層民用建筑，在滿足首層用戶在用氣高峰時的燃具前壓力不低于1 500 Pa的前提下，采用降低區域調壓器的出口壓力的方式來解決較高樓層的居民用戶燃具前壓力超壓的問題，即方案1，區域調壓器的出口壓力設置為2.35 kPa，關閉壓力為2.6 kPa。

② 對于建筑總高度為78～100 m的高層民用建筑，若降低區域調壓器的出口壓力后，首層用戶在用氣高峰時的燃具前壓力低于1 500 Pa，則區域調壓器的出口壓力仍維持現狀，設置為2.5 kPa，關閉壓力為2.8 kPa。在第27層及以上樓層的用戶表前安裝A型低-低壓調壓器，即方案4。

③ 對于建筑總高度>100 m的超高層民用建筑，區域調壓器的出口壓力仍維持現狀，設置為2.5 kPa，關閉壓力為2.8 kPa。在第27層及以上樓層的用戶表前安裝A型低-低壓調壓器，即方案4。