上海燃气工程设计研究有限公司 陈琼琰 杨世宏

上海中心大厦燃气系统设计关键技术研究报告

上海燃气工程设计研究有限公司 陈琼琰 杨世宏

通过对超高层建筑燃气系统设计的关键点，即立管的应力分析、高立管的柔性设计、燃气泄漏自动报警和自动切断系统进行了深入的研究，并依此做出了相应设计方案，解决了在超高层建筑内燃气应用的难题。

超高层 燃气 系统设计 自动报警

目前虽然超高层建筑在全球加速建设，但在这些建筑的高区设置使用燃气的厨房是上海乃至中餐影响区域所特有的。现今世界上燃气供应技术较领先的其他国家均无该领域的应用实例，因此，超高层建筑的燃气系统在面临台风、地震、火灾时如何确保安全正常的供应是本课题研究的重点。本课题以上海中心大厦为例，着重对高差最大的燃气管道——自B1层上至120层，高差约550米的低压燃气管道，开展这方面的研究。

1 上海中心大厦天然气用气的基本概况

1.1 天然气用气情况

上海中心大厦的天然气主要应用于三个领域：燃气锅炉、冷热电三联供及厨房。主要用气项目及其用气量见表1。

表1 主要用气项目及其用气量

1.2 上海中心天然气供应系统

上海中心天然气供应系统分为三大系统：

(1)20 kPa冷热电三联供燃气供应系统；

(2)10 kPa锅炉燃气供应系统；

(3)2 kPa低压燃气供应系统。

根据立管的流量通过水力计算确定B1层至120层的低压燃气立管的管径为DN150。

2 附加压力的计算及解决方案

根据国家标准的规定，低压燃气具的额定压力：人工煤气为1 000 Pa±50%；天然气为2 000 Pa±50%。因此，低压燃气具允许最高压力：人工煤气为1 500 Pa；天然气为3 000 Pa。

上海中心大厦120层使用燃气的餐厅高度为550米，而天然气密度按0.803 kg/m3(东海天然气)，每升高1米，附加压力增加4.81 Pa，则附加压力约为2 650 Pa，调压器出口运行压力实际在2 300 Pa左右，当低压管只有极少数用户在用气(例如在深夜)，而上海中心大厦使用专用调压站，自调压站出口管至进户管前整个管段的压力降很小，此时进户管前的压力接近于调压站出口压力(2 300 Pa)。则上海中心120层天然气压力在4 950 Pa，远远超过灶具的额定压力，必须采取措施降低高层燃气供应压力：

(1)可通过减小燃气立管管径或增设立管节流阀来增加管道的阻力。

(2)当燃气立管在某一高度的压力达到1.5Pn时，在此高度的立管上设置低—低压调压器。

(3)在立管的每层水平支管上均设置低—低压调压器。

上述方法虽然可解决一些问题，但也存在一些缺陷，上海中心大厦采用如下方法：

(4)上海中心大厦在附加压力的消除方法上，借鉴箱式调压器常设两路调压单元(一开一备)的方式，将相近的几层合并使用两路低—低压调压器，一开一备，即节省了投资，又提高了用气的安全性，见图1。

图1 上海中心大厦低—低压调压器设置方式

3 燃气高立管应力分析

我们对高立管在各种情况下的应力进行理论分析及实践。主要作了如下的研究：

3.1 管道内压应力分析

管道内压应力分析得出内压作用下管道的应力，计算结果远小于许用压力，故其影响可忽略不计。

3.2 管道自重应力分析

管道自重应力分析得出自重引起的管道应力较小，当固定支架间距(立管长度)达到2 350 m时，立管自重应力才达到钢材的屈服强度(235 μPa)。

3.3 温度作用下立管应力分析

温度作用下立管应力分析得出当温度变化确定时，钢立管的热变形量与两固定支架之间的距离(立管长度)成正比，需增加方形补偿器来吸收变形量；设置方形补偿器后钢管的固定推力、钢管的热应力、补偿器的热应力均与以下三个因素有关：

(1)与管径成正比。

(2)与补偿器的尺寸成反比。

(3)与需要补偿的热变形量成反比。

需通过调整固定支架距离和补偿器的尺寸确保立管热应力和补偿器的最大热应力均小于钢材的许用应力，课题制作了便查表以方便计算。

3.4 横向运管系统分析

横向运管同样受重力和温度的影响：

(1)支管自重在立管三通处产生弯矩和轴力。

(2)由于支管的支撑点不限制轴向位移，温度作用的影响主要由立管三通位置在温度作用下的竖向位移引起。

课题对三种支管形式制作了便查表，方便快速选出合适的支管形式和支管支撑点位置。

3.5 管道压弯屈曲验算

管道压弯屈曲验算得出相邻限位支架的允许最大间距与管道的回转半径有关，即只与管道的截面尺寸(内、外径)有关。

3.6 风荷载下立管应力分析

经研究分析，风荷载引起的钢管最大应力与限位支架的相对位移成正比，与限位支架的间距成反比，与系数K(即直径)成正比。

3.7 地震作用下的立管应力分析

经研究分析，得知为避免共振，限位支架的允许最大间距与管材弹性模量与密度有关，与管道截面回转半径(管径)有关。作用于管身的水平地震作用产生的最大应力与限位支架间距成正比，与系数Keq(由管材和管径决定)成正比。限位支架相对位移引起的管道最大应力与限位支架的相对位移成正比，与限位支架的间距成反比。管道口径越大，因限位支架相对位移引起的管道最大应力也越大。

4 燃气高立管的柔性设计

根据上述对不同荷载作用下管道的应力分析，超高层燃气立管的设计程序如下：

(1)确定设计荷载。通过对自重、温度作用、内荷载、地震作用的分析确定设计荷载。

(2)固定支架与补偿器设置。

(3)限位支架设置。

(4)横管系支吊架设置。

(5)强度校核。

5 燃气泄漏自动报警和自动切断系统设计

上海中心大厦的燃气报警系统主要考虑如下设置：

(1)探测器的设置。在燃气竖井内设置可燃气体探测器，应根据燃气竖井内楼板分隔情况进行设置，本工程每层楼板都做分隔，则每层均应设置可燃气体探测器。

(2)报警控制器的设置。本工程报警控制器设置在地下一层消防安保总控中心，确保发生燃气泄漏事故时，能够及时的处理，安全使用燃气。

(3)紧急切断阀的设置。本工程紧急切断阀设置原则：在调压器后各路管道上分别设置紧急切断阀，作为总切断系统；在管道进入各厨房前设置紧急切断阀，作为分切断系统；即厨房采用总切断加分切断系统，锅炉房、三联供分别设置紧急切断阀，采用总切断系统。

(4)本系统与消防系统接口形式。本工程燃气报警控制器设置在地下一层消防安保总控中心，当发生火灾时，经人员确认后，在该消防安保总控中心可以手动切断调压器后各路管道上的紧急切断阀及各厨房分切断阀，燃气报警控制器也可以通过RS485通讯接口与消防系统联网。

6 结语

本课题在对上海中心大厦充分调研的前提下，就其燃气系统的设计关键技术进行了理论计算和分析，结合以往的设计经验，得出的主要结论如下：

(1)低压系统采用环球金融中心项目取得的专利技术——单座调压器同时作用于超高层建筑的底部与顶部。并对整个天然气供应系统运行工况进行分析，确定了管材、直径和壁厚，并根据上海中心大厦用气点分布特点，就消除附加压头提出了解决方案——相邻的用气楼层合并使用2个稳压器，保证上海中心大厦燃气系统的稳定运行。

(2)天然气供应系统应力分析：①内压作用下管道的应力远小于许用应力，其影响可忽略不计；②管道自重所引起的应力较小；③利用制成的便查表进行固定支架和补偿器设置，通过调整固定支架的距离L1和补偿器的尺寸H，确保立管热应力和补偿器的最大热应力均远小于钢材的许用应力；④为了控制补偿器的大小，固定支架的间距不宜过大，以120米为宜；⑤利用制成的便查表(此文中略)，可以进行横向支管设计，通过调整支管类型及支管第一支撑点位置，确保三通处应力均小于钢材的许用应力。

(3)燃气供应系统的抗风抗震分析：①为避免管道压弯屈曲和共振，计算得出不同直径管道限位支架最大间距表(此文中略)；②管道设计时设置合理的限位支架，可使高立管的应力控制在钢材许用应力范围内，保证管道安全运行。

(4)燃气泄漏自动报警和自动切断系统的设计：在燃气系统中加入多级制的泄漏自动报警和自动切断系统，可有效防止事故的发生和扩大。

本课题的研究可以广泛运用于工程领域，并且有一些成果已在环球金融中心等超高层建筑上应用，如固定支架、补偿器、限位支架的设置方式，运行情况良好。

Research on Key Design of Gas Systems in Shanghai Tower

Shanghai Gas Engineering＆Research Co., Ltd. Chen Qiongyan Yang Shihong

This paper makes a deep discussion on key points in the design of super high-rise gas system, especially focus on stress analysis of riser, design of flexible risers, and automatic alarm＆cut-off system for gas leakage. At the same time, it gives out the corresponding design on gas supply system in super-high-rise buildings.

Super-high-rise buildings, Design on gas system, Automatic alarm system