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摘要：本文笔者结合高层建筑的特征，分析高层建筑燃气管道安全设计需要注意的主要问题。
关键词：燃气设计；燃气管道；安全设计；附加压力
中图分类号：TU996 文献标识码： A 文章编号：
前言
随着城市化建设的不断发展，高层建筑越来越多。高层建筑集合了居民住宅楼、办公、娱乐，商务等多功能一体，内部结构复杂严格的消防及安全要求对建筑设计的标准提出了较高的求。由于高层建筑自身的特殊性，其供气与多层建筑供气有一定的差别，如燃气管道在设计中和有考虑不细致或处理不恰当，否则将造成严重的后果。
燃气的附加压力计算
1附加压力计算
根据《城镇燃气设计规范》GB 50028—2006的规定，民用低压天然气燃烧器的额定压力Pn=2000Pa。由于低压管网沿程阻力和局部阻力对用户的影响不同，允许燃具前压力在一定范围内波动。当燃具前压力在0.75Pn～1.5Pn内波动时，仍能达到燃烧器燃烧的要求。若超出此范围，燃具的热效率低，燃烧不稳定，燃烧噪声大，出现脱火或回火等现象。另外由于不完全燃烧，烟气中的CO含量超标，可能导致引发事故。
目前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ΔH。计算公式如下：
ΔH=9.8× (ρk－ρm)× h(1)
式中：ΔH——燃气的附加压力，Pa；
ρk——空气的密度，kg／Nm3；
ρm——燃气的密度，kg／Nm3；
h——燃气管道终点、起点的高程差，m。
以采用天然气为例，ρm=0.7919kg／Nm3，ρk=1.293kg／Nm3，由式(1)，得：
ΔH=4.92h
当整个低压管网只有极少数用户在用气，而高层建筑又离调压器较近时，自调压器出口管至表前的整个管段的压降微手其微，可认为引入管前压力接近于调压器出口压力。附加压力的叠加就极易使某些层以上的用户灶前压力超过其最高允许压力波动范围。这种工况是高层建筑燃气管网的最不利运行工况。
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，设定最不利工况，即只有几户用气，阻力仅为燃气表的阻力和干支管阻力(约150Pa)。设用户燃具前的压力为p2，则
p2=p1+ΔH－150Pa=1850Pa+4.92h
当p2=3000Pa时，h=233m。因此当楼层高度超过233m时，附加压力的影响会使灶前压力超过燃烧器的允许波动范围。
但为了使用户燃具前的压力波动范围变小，更接近pn，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
(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，分开设置高层供气系统和低层供气系统，以分别满足不同高度楼层用户的燃具的工作压力，使燃具前压力接近2000Pa。
(3)对于较高的高层建筑，可在用户表前设置低—低压调压器，消除楼层的附加压头，使燃具前压力接近2000Pa。
(4)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。
二、燃气立管的应力计算与热补偿
1应力计算
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。
管道自重产生的应力
管道的压力主要是由重力产生，可用下式计算应力值：
σg＝ηG·H／A(2)
式中：σg——管道自重产生的应力，MPa；
η——地震影响系数，取1.33；
G——单位长度燃气管道自重，KN / m；
H——燃气立管高度，m ；
A——立管管壁的横截面积，mm2。
⑵ 管道的熱应力
随着立管周围环境温度的变化，会产生伸缩变形和热应力。如果管道的两端均为固定支座的立管，因温差使两端固定管道的伸缩完全受到约束，因此而产生的应力。则：
σt=αΔtE(3)
式中：σt——温度产生应力，MPa；
α——钢材线性膨胀系数，m／m·℃，0℃到80℃平均线性膨胀系数为1.2X10-5m／m·℃；
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，普通钢在20℃时2.02×105MPa。
由式(3)可以看出，σt与Δt成正比关系，随着Δt增大，σt增大。可见在安装燃气管道时，Δt最小，热应力σt也最小。
2热补偿
⑴ 管道因温差产生的伸缩量
管道两端不固定时伸缩量的计算公式为:
ΔL=103×αlLΔt (4)
式中：ΔL——管道的伸缩量，mm；
α——管材的线膨胀系数，m／m·℃，通常工作状态下平均线性膨胀系数为1.2X10-5m／m·℃。
L——管道的长度，m；
Δt——管道安装时与运行中最大温差，℃。
由式(4)可以看出，随着Δt增大，ΔL增大；随着管长增大，ΔL也增大。可见在安装燃气管道时，Δt最小，管道的伸缩量也最小。
二、高层建筑的燃气计量和安全措施
1燃气计量
过去均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。
(1)无需入户收费，保证了住宅的私密性。
(2)由于仅用数据采集器采集用户用气量，提高了收费效率并减轻劳动强度，尤其适用于高层建筑。
(3)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。
(4)传输信号稳定，接受信号快捷，实用可靠。
(5)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。
2安全措施
由于高层建筑的特殊性，因此需采取相应的安全措施。引入管宜设快速切断阀，管道上宜设自动切断阀、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。
三、建筑物的沉降对燃气管道设计的影响
建筑物建成后都会产生大小不同的沉降，建筑物的沉降对燃气引入管的影响非常严重。由于建筑物沉降时，燃气引入管是相对静止的，因此燃气引入管要承受建筑物作用产生的切应力，当切应力超过极限时，管道就会断裂，造成燃气泄漏。因此，在燃气设计中要采取一定的措施保护引入管。
① 在立管(或穿墙管)前的水平管上加设一个波纹管补偿器，利用补偿器的补偿能力来减小引入管的切应力。
② 在立管(或穿墙管)前的水平管上加设几个弯头(最好用煨弯)，相当于加设一个方型补偿器，用弯头的自然补偿来减少引入管的受力。此种方法简单易行，但是受位置的限制。
③ 在引入管穿越墙体时加设钢套管，钢套管保证燃气管道的上部与钢套管的间隙大于建筑物的最大沉降量，下部也应留有一定的间隙。
4 其他安全措施
由于高层建筑高度高，层数多，人员密集，一旦发生火灾，人员疏散困难，因此应合理配置先进设备，采取安全措施。具体措施有：
① 在引入管处设置快速切断阀，每隔6～7层加一个分段阀门。
② 各用户设置燃气报警装置、自动切断装置、送排风系统等。燃气报警装置和自动切断装置、送排风系统应连动。
③ 高层建筑的燃气管道、燃气设备应定期检修，保障其安全运行。
四、结语
本文以上针对高层建筑燃气管道的安全设计问题进行了分析，笔者认为高层建筑的燃气道管道设计过程中，应综合考虑燃气管道安装高层建筑物的气源、压力、建筑安全环境以及消防安全，并要根据该建筑的结构特点和高层建筑长久使用等多方面的因素，因此确定准确可行性的燃气管道设计方案。高层建筑燃气管道应当与建筑主体设计同步，从而达到最佳的使用效果。当然，安全防范在各个部门中均需要进一步提高重视，只有充分认识到安全的重要性，才有可能实现优秀的安全设计。
关键词：燃气设计；燃气管道；安全设计；附加压力
中图分类号：TU996 文献标识码： A 文章编号：
前言
随着城市化建设的不断发展，高层建筑越来越多。高层建筑集合了居民住宅楼、办公、娱乐，商务等多功能一体，内部结构复杂严格的消防及安全要求对建筑设计的标准提出了较高的求。由于高层建筑自身的特殊性，其供气与多层建筑供气有一定的差别，如燃气管道在设计中和有考虑不细致或处理不恰当，否则将造成严重的后果。
燃气的附加压力计算
1附加压力计算
根据《城镇燃气设计规范》GB 50028—2006的规定，民用低压天然气燃烧器的额定压力Pn=2000Pa。由于低压管网沿程阻力和局部阻力对用户的影响不同，允许燃具前压力在一定范围内波动。当燃具前压力在0.75Pn～1.5Pn内波动时，仍能达到燃烧器燃烧的要求。若超出此范围，燃具的热效率低，燃烧不稳定，燃烧噪声大，出现脱火或回火等现象。另外由于不完全燃烧，烟气中的CO含量超标，可能导致引发事故。
目前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ΔH。计算公式如下：
ΔH=9.8× (ρk－ρm)× h(1)
式中：ΔH——燃气的附加压力，Pa；
ρk——空气的密度，kg／Nm3；
ρm——燃气的密度，kg／Nm3；
h——燃气管道终点、起点的高程差，m。
以采用天然气为例，ρm=0.7919kg／Nm3，ρk=1.293kg／Nm3，由式(1)，得：
ΔH=4.92h
当整个低压管网只有极少数用户在用气，而高层建筑又离调压器较近时，自调压器出口管至表前的整个管段的压降微手其微，可认为引入管前压力接近于调压器出口压力。附加压力的叠加就极易使某些层以上的用户灶前压力超过其最高允许压力波动范围。这种工况是高层建筑燃气管网的最不利运行工况。
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，设定最不利工况，即只有几户用气，阻力仅为燃气表的阻力和干支管阻力(约150Pa)。设用户燃具前的压力为p2，则
p2=p1+ΔH－150Pa=1850Pa+4.92h
当p2=3000Pa时，h=233m。因此当楼层高度超过233m时，附加压力的影响会使灶前压力超过燃烧器的允许波动范围。
但为了使用户燃具前的压力波动范围变小，更接近pn，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
(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，分开设置高层供气系统和低层供气系统，以分别满足不同高度楼层用户的燃具的工作压力，使燃具前压力接近2000Pa。
(3)对于较高的高层建筑，可在用户表前设置低—低压调压器，消除楼层的附加压头，使燃具前压力接近2000Pa。
(4)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。
二、燃气立管的应力计算与热补偿
1应力计算
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。
管道自重产生的应力
管道的压力主要是由重力产生，可用下式计算应力值：
σg＝ηG·H／A(2)
式中：σg——管道自重产生的应力，MPa；
η——地震影响系数，取1.33；
G——单位长度燃气管道自重，KN / m；
H——燃气立管高度，m ；
A——立管管壁的横截面积，mm2。
⑵ 管道的熱应力
随着立管周围环境温度的变化，会产生伸缩变形和热应力。如果管道的两端均为固定支座的立管，因温差使两端固定管道的伸缩完全受到约束，因此而产生的应力。则：
σt=αΔtE(3)
式中：σt——温度产生应力，MPa；
α——钢材线性膨胀系数，m／m·℃，0℃到80℃平均线性膨胀系数为1.2X10-5m／m·℃；
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，普通钢在20℃时2.02×105MPa。
由式(3)可以看出，σt与Δt成正比关系，随着Δt增大，σt增大。可见在安装燃气管道时，Δt最小，热应力σt也最小。
2热补偿
⑴ 管道因温差产生的伸缩量
管道两端不固定时伸缩量的计算公式为:
ΔL=103×αlLΔt (4)
式中：ΔL——管道的伸缩量，mm；
α——管材的线膨胀系数，m／m·℃，通常工作状态下平均线性膨胀系数为1.2X10-5m／m·℃。
L——管道的长度，m；
Δt——管道安装时与运行中最大温差，℃。
由式(4)可以看出，随着Δt增大，ΔL增大；随着管长增大，ΔL也增大。可见在安装燃气管道时，Δt最小，管道的伸缩量也最小。
二、高层建筑的燃气计量和安全措施
1燃气计量
过去均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。
(1)无需入户收费，保证了住宅的私密性。
(2)由于仅用数据采集器采集用户用气量，提高了收费效率并减轻劳动强度，尤其适用于高层建筑。
(3)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。
(4)传输信号稳定，接受信号快捷，实用可靠。
(5)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。
2安全措施
由于高层建筑的特殊性，因此需采取相应的安全措施。引入管宜设快速切断阀，管道上宜设自动切断阀、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。
三、建筑物的沉降对燃气管道设计的影响
建筑物建成后都会产生大小不同的沉降，建筑物的沉降对燃气引入管的影响非常严重。由于建筑物沉降时，燃气引入管是相对静止的，因此燃气引入管要承受建筑物作用产生的切应力，当切应力超过极限时，管道就会断裂，造成燃气泄漏。因此，在燃气设计中要采取一定的措施保护引入管。
① 在立管(或穿墙管)前的水平管上加设一个波纹管补偿器，利用补偿器的补偿能力来减小引入管的切应力。
② 在立管(或穿墙管)前的水平管上加设几个弯头(最好用煨弯)，相当于加设一个方型补偿器，用弯头的自然补偿来减少引入管的受力。此种方法简单易行，但是受位置的限制。
③ 在引入管穿越墙体时加设钢套管，钢套管保证燃气管道的上部与钢套管的间隙大于建筑物的最大沉降量，下部也应留有一定的间隙。
4 其他安全措施
由于高层建筑高度高，层数多，人员密集，一旦发生火灾，人员疏散困难，因此应合理配置先进设备，采取安全措施。具体措施有：
① 在引入管处设置快速切断阀，每隔6～7层加一个分段阀门。
② 各用户设置燃气报警装置、自动切断装置、送排风系统等。燃气报警装置和自动切断装置、送排风系统应连动。
③ 高层建筑的燃气管道、燃气设备应定期检修，保障其安全运行。
四、结语
本文以上针对高层建筑燃气管道的安全设计问题进行了分析，笔者认为高层建筑的燃气道管道设计过程中，应综合考虑燃气管道安装高层建筑物的气源、压力、建筑安全环境以及消防安全，并要根据该建筑的结构特点和高层建筑长久使用等多方面的因素，因此确定准确可行性的燃气管道设计方案。高层建筑燃气管道应当与建筑主体设计同步，从而达到最佳的使用效果。当然，安全防范在各个部门中均需要进一步提高重视，只有充分认识到安全的重要性，才有可能实现优秀的安全设计。