高層建筑燃氣灶前超壓現象的探討

蔣 瑜

(濟南港華萬通燃氣工程設計有限公司，山東 濟南 250013)

城鎮(zhèn)燃氣調壓器是燃氣輸配系統(tǒng)的一個重要組成部分，它主要解決輸送管道之間的壓力級別不同；滿足不同用戶的壓力需求；保證調壓后燃氣的壓力穩(wěn)定。本文重點分析居民用氣調壓器出口壓力設定。現如今，城市建設中居民建筑以高層為主。對于高層天然氣管道設計，樓層越高，燃氣立管也會越長。由于燃氣的密度和空氣的密度存在一定的差異，燃氣立管中會產生附加壓頭，抵消一部分管道損失，調壓器出口壓力根據壓損、附加壓頭進行推算。夜間無用氣時，由于調壓器自身性能的原因，存在關閉壓力，調壓器出口壓力偏大，再加上附加壓頭，高層住戶的燃氣壓力有可能會超出燃具壓力范圍，引起脫火，不完全燃燒，不僅會影響燃供氣安全，還會影響燃具的使用效果和壽命；如果調壓器出口壓力低，則無法滿足居民用戶需求。所以，合理的燃氣調壓器出口壓力是保證城鎮(zhèn)燃氣供應安全、高效的關鍵。

1 高層建筑用氣存在的問題

城鎮(zhèn)燃氣調壓器是燃氣輸配系統(tǒng)的一個重要組成部分，主要針對輸送管道之間的壓力級別不同，滿足不同的用氣壓力需求，保證調壓后燃氣的壓力穩(wěn)定。本文選取了十個高層樓棟調壓器，均以33層樓計算，分別記錄了下午16:00～22:00期間調壓器出口壓力變化值，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。并分別計算了不同階段的灶前壓力數據，如表1、表2所示。

圖1 JGXY調壓器出口壓力變化曲線

圖2 GXXQ調壓器出口壓力變化曲線

通過調研發(fā)現，目前濟南市高層建筑民用戶用氣情況主要有如下問題：

(1)高層建筑正常灶前壓力在1500～3000Pa之間，灶前最大壓力出現在夜間只有頂層一戶用氣時，最大壓力出現在頂層灶前壓力。現狀調查的10個調壓器，室內壓損和庭院壓損按照國標推薦值計算，其中 80%均出現灶前超壓現象。

(2)當居民用氣調壓器出口壓力P，為2600 Pa時，在夜間低峰時段，僅有頂層居民用氣時，其戶內燃具供氣壓力將從33層開始超壓；當居民用氣調壓設施出口壓力P為2 800 Pa時，在夜間低峰時段，僅有某戶居民用氣時，其戶內燃具供氣壓力將從第22層開始超標；當居民用氣調壓設施出口壓力P為3000Pa時，在夜間低峰時段，僅有某戶居民用氣時，其戶內燃具供氣壓力將從第13層開始超壓。

圖3 DJFD調壓器出口壓力變化曲線

圖4 CS調壓器出口壓力變化曲線

調壓器型號調壓器出口壓力/Pa灶前壓力/PaCS2300～27502750～3150CSHENG1900～30502350～3500CTHY2320～26202670～2975DJFD2090～28502540～3100DL12290～30002740～3450DLZ2180～29302630～3380GXXQ2280～30002730～3450JGXY2200～29002650～3350YUHL2285～26102735～2980

表2 夜間低峰時段單獨用戶用氣時的灶前供氣壓力

2 高層建筑灶前超壓情況的原因分析及采取的措施

2.1 附加壓力

2.1 .1 附加壓力的影響

對于高層建筑，由于燃氣密度低于空氣密度，燃氣立管中存在一個向上的拉力，即為附加壓力，附加壓力與樓層高度成正比，樓層越高，附加壓力越大，附加壓力的存在可以消除一部分壓損，影響調壓器出口壓力值。影響調壓器出口壓力的關鍵因素是附加壓力，對于高層建筑的燃氣設計，樓層越高，燃氣立管也會越長，附加壓頭越大，高層附加壓力值如表3所示。

設調壓器出口壓力為Pc，入戶表前壓力Pb。根據《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB/50028-2006的規(guī)定，燃氣灶具前的實際壓力允許波動范圍為0.75Pn～1.5Pn，民用灶具額定壓力Pn=2000Pa，燃氣表前壓力在1650～3150Pa范圍內波動，就能夠滿足用戶需求。

設定調壓器出口壓力為定值，附表1為小區(qū)域調壓時各層的灶前壓力，由表看出灶前最大壓力出現在夜間只有頂層一戶用氣時，最大壓力出現在頂層灶前壓力。

燃氣的附加壓力計算公式：

△p=g(ρa-ρg)△H

(1)

式中：

△p——附加壓頭/Pa；

g——重力加速度；

ρa——空氣的密度，(kg/Nm3)；

ρg——燃氣的密度，(kg/Nm3)；

△H——管段終端和始端的標高差，m。

由式(1)得33層樓附加壓頭為450Pa，故灶前最大壓力出現在只有頂層一戶用氣時，頂層灶前出現最大壓力，可能出現超壓情況。

表3 高層天然氣附加壓力值

2.1.2 應對措施

為了減少附加壓頭對調壓器出口壓力的影響，在由原來的DN50變?yōu)镈N40，通過計算，DN40可滿足各樓層的用氣要求，并且在滿足基本的流量的基礎上，通過減小管徑，增大沿程壓損，來減小附加壓頭對調壓器出口壓力和灶前壓力的影響，減少超壓情況的發(fā)生。

2.2 調壓器自身性能的影響

2.2.1 調壓器自身性能參數的影響

理想的調壓器在流量從零到調壓器通過能力的范圍內均能保持出口壓力為常值。但調壓器的實際特性與理想特性相比差距甚大。由于調壓器本身的結構設計特性，調壓器的參數對調壓器出口壓力具有重要影響，其中包括：穩(wěn)壓精度、關閉壓力、調壓器節(jié)流效應等影響因素。

2.2.1.1 精度

調壓器結構的薄膜和彈簧效應，調壓器出口壓力實際值與設定壓力間存在一定的波動。對于不同類型的調壓器其穩(wěn)壓精度是不同的，不同調壓器穩(wěn)壓精度等級參照《城鎮(zhèn)燃氣調壓器》(GB 27790-2011)。穩(wěn)壓精度等級AC值越大，最大允許相對正、負偏差越大，對調壓器出口壓力影響越大。

2.2.1.2 閉壓力等級

夜間無用氣時，調壓器出口壓力會驟然升高，在關閉時，出口壓力會繼續(xù)升高，直至有足夠的力使閥座緊密關閉。對于不同類型的調壓器其關閉壓力等級是不同的，關閉壓力等級越高，最大允許相對增量越大。不同調壓器穩(wěn)壓精度等級參照《城鎮(zhèn)燃氣調壓器》(GB 27790-2011)。

2.2.2 應對措施

目前，兩種常用的燃氣調壓器型號，根據關閉壓力等級，通過計算得出合適的調壓器出口壓力范圍。

由式1-1得33層樓附加壓頭為450.87Pa，此時表前壓力為3150Pa，

Pc+450.87Pa≤3150Pa

(2)

由式1-2得 Pc≤2699.13 Pa。

②灶前最小壓力

設定調壓器出口壓力，對于高層建筑，用氣高峰期時灶前壓力最小壓力出現在頂層灶前。管道實際壓損-273.82 Pa，調壓器出口壓力：

Pc-273.82Pa≥1650Pa

(3)

由式1-3得Pc≥1923.82 Pa。

當樓層戶數較少，調壓器在樓前，調壓器出口壓力范圍：1923.82 Pa≤ ≤2699.13 Pa。

選定兩種調壓器：一種是飛奧燃氣調壓器，穩(wěn)壓精度等級AC為5%，關閉壓力等級SG為10%，根據穩(wěn)壓精度和關閉壓力的計算式推算出實際調壓器的出口壓力范圍：

1923.82 /(1-0.05)Pa≤Pc≤2699.13/(1+0.05) Pa。

2025.07Pa≤Pc≤2570.60Pa。

關閉壓力等級SG10則最大允許相對增量10%，則在不超過樓前允許的最大壓力情況下： 2450.15 Pa。

綜上：樓前調壓器出口壓力范圍為2025.07Pa≤Pc≤2450.15Pa。

另一種是國產調壓器，穩(wěn)壓精度等級AC為10%，關閉壓力等級SG為20%，設定出口壓力：2137.5～2969.15Pa。

3 結論及建議

針對高層超壓情況，針對不同的原因主要采取的措施：

(1)降低附加壓頭的影響。通過減小立管管徑，由原來的DN50改為DN40，增大沿程壓損，減少了高層的附加壓頭對灶前壓力的影響。

(2)推薦兩種調壓器型號，穩(wěn)壓精度和關閉壓力等級達到一定要求，并且計算合適出口壓范圍作為推薦值。一種是飛奧燃氣調壓器，穩(wěn)壓精度等級AC為5%，關閉壓力等級SG為10%，設定出口壓力：2025.07～2450.15Pa。另一種是國產調壓器，穩(wěn)壓精度等級AC為10%，關閉壓力等級SG為20%，設定出口壓力：2137.5～3238.96Pa。為現場調壓器的壓力設定，提供一定的參考，盡量避免灶前超壓情況的發(fā)生。

(3)在現場實際中調壓器還受地勢差、溫度、調壓器反應時間等因素的影響，故實際作業(yè)中調壓器出口壓力的計算較為復雜，所以在針對每棟樓的燃氣設計過程中，針對不同的樓層、地域需進行水力計算，以縮小燃氣調壓器出口壓力設定范圍，以此減少調壓器自身性能對灶前超壓的影響。