高层建筑燃气供应系统克服附加压头影响的措施探讨
王传惠1，茅斌辉2
（1．中交煤气热力设计研究院有限公司辽宁沈阳110026）
2．重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045）
摘要：在做高层建筑燃气供应设计时，必须考虑附加压头对供气系统的影响。文章针对设计中存在附加压头理解的误区，提出了消除附加压头对燃气供应系统的影响措施。
关键字：高层建筑附加压头
1附加压头概念的理解
在高层建筑燃气管道的设计中，考虑到高层建筑立管较长，由于燃气与空气的密度差异，则会在立管中产生较大的附加压头。如果在设计中不考虑附加压头对燃气管道系统的影响，则会造成某些用户燃具前压力波动增大，出现灶前压力超出燃具正常工作允许的压力波动范围，无论是压力过高或是过低都不利于燃烧的。因此有效控制和消除附加压头的影响，是保证高层供气系统安全正常运行的重要环节。
附加压头按照下式计算：
(1)
式中——燃气的附加压头，；
——空气密度，；
——燃气密度，；
——重力加速度，；
——高层建筑管段始末端高程差，。
以燃气自下而上的供气方式为例，如果是人工燃气或天然气，由于人工燃气和天然气的密度小于空气的密度，因此附加压头的值为正值，即附加压头相当于上浮力，利于供气，这种供应系统应主要防止顶层用户的超压问题。如果是气态液化石油气，由于气态液化石油气的密度大于空气的密度，因此附加压头的值为负值，即附加压头相当于阻力，不利于供气。同样可以分析自上而下的供气方式，这种供气方式多用于气态液化石油气。本文以高层建筑中天然气自下而上的供气方式为例分析克服附加压头影响的技术措施。其他燃气及供气方式也可以按照这种方法进行讨论。
从附加压头的计算公式中我们可以得出以下两点结论：①附加压头是一个相对的概念，是指某一点相对于高差不同的另外一点而言，孤立地谈论某点的附加压头的数值没有意义。②在一定的系统中，附加压头的值是不可以改变的。当燃气成分、管道高度差不改变时，无论怎样变换管道的形状、长度、管径，附加压头的数值都不会改变[1]。掌握这两点对于我们理解高层建筑中克服附加压头的影响的措施很重要。
2附加压头对高层建筑燃气供应的影响
通常在高层建筑燃气管道的设计时，根据计算流量选取合适的管径，从而使得高层建筑燃气管道系统在用气高峰时满足用户最低用气点的压力高于燃具允许工作压力的下限（取燃具额定压力的0.75倍，即0.75），在用气低峰时满足用户最高用气点的压力不超过燃具允许工作压力的上限（取燃具额定压力的1.5倍，即1.5）。即在正常的用气工况下，要保证每个燃具前的使用压力均在燃具允许的工作压力范围内。
高层建筑燃气管网常见的连接形式有两种。一种是通过区域调压站调压，用户与其低压管网连接的方式；另一种是通过中压配气，楼栋调压箱调压，低压进户的方式。低压燃气管道压力降的分配涉及整个低压管网投资的经济性。因此，压力降的分配要通过技术、经济的综合比较，选择合理的分配方案。
下面以表1和表2所示低压天然气管道的压力降分配值进行分析[2]。
表1区域调压的低压天然气管道压力降分配值（）
燃具额定压力 区域调压站出口压力 总压力降 总压力值分配 干管 引入管 室内支管 计量表 用气管 2000 3000 1000 500 100 200 120 80 表2楼栋调压的低压天然气管道压力降分配值（）
燃具额定压力 楼栋调压箱出口压力 总压力降 总压力值分配 进户管 室内支管 计量表 用气管 2000 2500 500 100 200 120 80 天然气的燃具额定压力取2000，因此，燃具允许工作的范围在1500～3000。考虑到高层建筑用户用气极限情况（即仅有最顶层一户居民用气的时候），此时管网中流量最小，忽略干管、引入管（或进户管）及室内支管的压降，则燃气压降集中在顶层末端用户的计量表和用户用气管部分，即200。对于天然气区域调压供气方式，调压站出口压力为3000，用气极限情况下，当该高层建筑附加压头值大于200时，则会使顶层用户燃具工作压力超出燃具允许的最大工作压力（）。对于天然气楼栋调压供气方式，楼栋调压箱出口压力为2500，在用气极限情况下，当附加压头值大于700时，则会使顶层末端用户燃具工作压力超出燃具允许的最大工作压力。这里也可以看出在同等条件下，采用楼栋调压相比较区域调压能够承受更大的附加压头，因此楼栋调压方式在克服附加压头对高层建筑供气影响方面具有优势。
2.1存在的误区
过去不少设计人员提出减小高层立管管径，增加立管沿程阻力，或每隔一定层数设置一节流阀，由此来达到减小附加压头的目的。但是这种方法对于超出一定层高的高层建筑是不可取的，根据前面(1)式中附加压头公式，对于天然气自下而上的供气方式，空气密度取1.29，天然气密度取0.74，则每米管道产生的附加压头值约为5.42。以上面的天然气区域调压供气方式为例，当高层建筑管段始末端高程差超过36.9（称这个高度为高层建筑供气的临界高度），其附加压头值将会大于200，如果以层高3计算，当高层建筑超过12层时，那么无论是通过减小高层立管管径或每隔一定层数设置节流阀等方式，都不能解决当用气低峰时可能造成顶层末端用户燃具超出允许的最大工作压力的问题，并且在用气高峰和低峰时，立管的阻力变化较大，易造成用户灶前压力波动大。
2.2消除附加压头影响措施
(1)对于天然气小区调压供气方式，除了前面我们举例提到的区域调压和楼栋调压两种方式，还有中压进户户内调压方式。对于这三种方式，区域调压和楼栋调压前面分析表明，楼栋调压在克服附加压头对高层建筑供气的影响方面更有优势。中压进户户内调压这种供气方式可以保证高层建筑用户燃具前压力的稳定。同时，由于立管走的是中压燃气，由于高程差引起的附加压头相比较中压压力来说，基本上不要考虑其影响因素。因此就从克服附加压头影响的角度看，中压进户户内调压无疑是最优的选择。目前在深圳很多20~30层的高层建筑采用的是中压进户的供应方式。但由于采用中压进户，一旦泄漏其危害性较低压进户要大的多[3]。因此，对中压立管及进户中压管的施工提出更高要求。具体采用哪种调压供气方式，还要进行综合的技术、经济性比较，力争做到技术可靠、供气安全和节省投资。
(2)对于楼层不高，当高层建筑管管段始末端高程差小于高层建筑供气的临界高度时，具体应根据当地实际情况合理计算选择临界高度（层数）。这种情况下，所有用户无论在用气高峰还是低峰时，燃具前的压力都能保证在允许的工作压力范围内。这时我们可以利用附加压头，通过水力计算适当减少高层立管管径，节约管材。这样做也能在一定程度上降低末端用户压力。也有实际设计中，当建筑层高不是很高的情况下，为避免燃气立管管径规格取的过多给施工增加困难，室内燃气立管采取同一管径，局部管径做修改。也有设计者在高层建筑设计中每隔一定层数设置一个节流阀，来消除附加压力造成末端用户压力偏高的问题。但是无论采用那一种方法，当系统中用户用气处于低峰时，此时系统中流量很小，那么通过减小高层立管管径或是设置节流阀对于降低管道顶层末端用户压力值偏高所起的作用基本上就不大了，此时管道末端用户的压力值依然会很高，但是不会超出燃具允许的工作压力范围。
(3)对于高层建筑管管段始末端高程差大于高层建筑供气的临界高度（层数）时，前面已分析如果还是仅仅依靠减小高层立管管径或设置节流阀来克服附加压头影响而引起的末端用户压力值偏高的问题，那么在系统用气处于低峰时，还是会造成管道末端用户超压情况，不能根本上解决问题。因此，必须采取“二级调压”克服附加压头的影响。所谓“二级调压”是指在这类高层建筑的燃气系统的设计中，采用二次调压或分区调压的方式进行设计。常见的可以采取以下措施进行[4]：
①分区供气。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的燃具工作压力的需要，如图1所示。由高层建筑的上下若干层各自成为一套独立的系统，由调压器分别进行调压，其中，供给高层建筑高层区的调压器出口压力降调的相对低一点。
图1分区供气示意图
②在一定楼层设置低—低压调压器，分段消除楼层的附加压头。文献[5]指出，在鸡西市当楼层超过10层时，单纯靠增大立管阻力已无可能时，分别在10层水平盘管上装设低—低压调压器，已被实际安装在一些高层建筑中。1987年建成的日本新宿的中央大厦（高216米）就在15层设置了低—低压途中调压器。
③设置用户低—低调压器，各用户由各自的调压器将燃气降压，达到燃具所需的稳定压力值。用户低—低压调压器安装图如图2所示。用户低—低压燃气调压器用在太原市的佳泰花园、国茂大厦等众多高层建筑中取得了良好的预期效果。经论证决定使用低低压燃气调压器有效解决附加压头过高的问题，工程竣工供气后，居民用户反应良好。
图2用户低—低压调压器安装图
3结论
(1)在做高层建筑燃气系统设计时，由于高程差引起的附加压头对燃具压力的影响要引起我们的足够重视。在设计前，应对采用的调压供气方式在安全可靠的前提下进行技术、经济性分析。中压进户可以有效克服燃气供应系统附加压头的影响，但在设计过程中要考虑安全用气及投资费用这两个因素。
(2)对于超出临界层高的高层建筑，应特别考虑附加压头的影响。文中给出了三种“二级调压”克服附加压头影响的有效方法，三种方法目前在高层建筑中都有应用，具有选用哪种方式可根据各地的实际情况进行选择。
参考文献：
[J]．公用科技1995(3)：5-7．
[2]刘松林．高层建筑燃气系统设计指南[M]．北京：机械工业出版社，2004．
[3]杨光等．高层建筑燃气管道设计有关问题的探讨[J]．煤气与热力1999(1)：24-27．
[4]段常贵．燃气输配（第三版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2001．
[5]牛四季．高层建筑燃气管道设计探讨[J]．鸡西大学学报，2002(2)：36-38
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