邓 勇

(广州广燃设计有限公司，广东广州510030)

1 概述

截至目前，广州市已出现的最高民用建筑为56层，建筑高度为169 m。天然气管道工程作为民用建筑的一项配套工程，也必须顺应高层建筑的发展。天然气附加压力问题成为高层民用建筑天然气安全稳定供应必须解决的问题。本文根据广州市天然气供应现状，通过计算、测量及分析，提出适合广州市高层民用建筑天然气附加压力问题的解决方案。

2 相关规范要求

根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》(以下简称GB 50028—2006)第10.2.2条，民用低压天然气用气设备的燃烧器的额定压力宜为2.0 kPa。根据该规范第10.4.1条，居民生活的各类用气设备应采用低压燃气，用气设备前(燃具前)的燃气压力应在(0.75～1.5)pn的范围内(pn为燃具的额定压力)。

当燃具前的压力在1 500～3 000 Pa范围内波动时，仍能满足燃具燃烧要求。当燃具前的压力超出此范围，燃具的热效率低，燃烧噪声大，燃烧不稳定，可能产生脱火或回火等现象。另外，由于燃气不完全燃烧，烟气中CO含量超标，可能引发事故[1]。

3 广州市附加压力的计算及测量

3.1 广州市基础数据

本文的研究范围是天然气户内管(包括室外立管及室内管)。广州市平均气温取23 ℃，平均气压(绝对压力)取101.325 kPa。燃气管道内天然气的温度随着气温的变化而变化，平均温度取23 ℃，管道内天然气的压力随着温度及管道高度的变化而变化，平均绝对压力取103.825 kPa。

在23 ℃、101.325 kPa时，空气的密度为1.193 kg/m3。

在23 ℃、103.825 kPa时，天然气的密度为0.734 kg/m3。

膜式燃气表的阻力约为130 Pa。根据广州市新建楼盘的户内天然气管道设计规律，膜式燃气表与燃具之间的管道长度约为5 m，天然气经过该段管道的阻力约为5 Pa。二者合计135 Pa。

区域调压柜的中-低压调压器(以下简称区域调压器)的出口压力一般设定为2 500 Pa，关闭压力为2 800 Pa。

夜间低峰时段实测的区域调压器的出口压力为2 750 Pa。

3.2 附加压力计算

天然气的附加压力可按式(1)计算。

Δpadd=(ρair-ρgas)gΔh

(1)

式中 Δpadd——天然气的附加压力，Pa

ρair——在23 ℃、101.325 kPa时空气的密度，kg/m3

ρgas——在23 ℃、103.825 kPa时天然气的密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2

Δh——天然气管道的终点高程与起点高程之差，m

将广州市基础数据代入式(1)，计算可得式(2)。

Δpadd=4.5Δh

(2)

用户燃具前压力可由式(3)计算。

psto=preg+Δpadd-Δpmet-Δppip

(3)

式中psto——燃具前压力，Pa

preg——区域调压器出口压力，Pa

Δpmet——膜式燃气表及表后至燃具前管道的阻力，Pa，取135 Pa

Δppip——由区域调压器出口至用气点之间的天然气管道的阻力，Pa

用气高峰时段，管道阻力Δppip达到最大值，一般设计时均按用气高峰考虑，来选取天然气管道的管径，故能保证此时所有用户的燃具前压力处于1 500～3 000 Pa的范围内，以满足GB 50028—2006的要求。

夜间用气低峰时段，管道阻力Δppip趋近于0，且区域调压器出口压力preg达到最大值，接近关闭压力(2 800 Pa)。根据式(3)，此时的灶前压力psto将达到最大值。假设住宅层高为2.9 m，将式(2)代入式(3)，可计算出夜间低峰时段燃具前压力，见表1。

表1 夜间低峰时段燃具前压力

由表1可以看出，夜间低峰时段，27层及以上楼层的燃气压力会超过3 000 Pa。

3.3 附加压力的测量

2019年11月，在广州市某小区选取了第31层、40层、50层共3个居民用户，连续监测燃气表的表前压力。夜间低峰时段表前压力理论值与实测值见表2。

表2 夜间低峰时段表前压力理论值与实测值

由表2可以看出，实测值均小于理论值，两者存在88.2～161.0 Pa的差值。考虑原因为：

测量小区为已建成小区，整个小区由1台调压设备供应燃气，无法控制整个小区天然气流量为0，故调压设备至测量点间的燃气管道压力损失大于0，实测值会偏小。

4 附加压力解决方案比选

4.1 方案1：降低区域调压器的出口压力

广州市现状区域调压器的出口压力一般设定为2 500 Pa，关闭压力为2 800 Pa。本方案需要降低区域调压器的出口压力，区域调压器将天然气由中压调至2.35 kPa(关闭压力为2.6 kPa)，经庭院管、户内管输送至各用户。

该方案的特点：在用气高峰时段和用气低峰时段，都可以保证每个用户的燃具前压力在1 500～3 000 Pa范围内。

该方案的优点：无须增加设备，无须增加造价。

该方案的缺点：适用范围有限，仅适用于建筑总高度≤100 m，且区域调压器供气范围比较小的区域。对于区域调压器供气范围较大的情况，不适用此方法，这是因为较长的庭院管会导致区域末端楼栋用户在用气高峰时燃具前压力不足1 500 Pa。

4.2 方案2：全部用户室内安装低-低压调压器

在每户的表前安装低-低压调压器。供气流程为，区域调压器先将天然气由中压调至7 kPa，经庭院管、户内管输送至各用户后，由每户表前的低-低压调压器，将天然气压力调至2.16 kPa，供该用户使用。

该方案的特点：根据设备厂家提供的低-低压调压器的性能曲线，低-低压调压器的出口压力在2 100～2 500 Pa范围内波动，因此，无论是用气高峰时段还是用气低峰时段，都可以保证每个用户的燃具前压力在1 965～2 365 Pa范围内。

该方案的优点：

① 使用比较广泛，设计、运行方面比较成熟。

② 低-低压调压器的出口压力稳定，因此用户用气压力稳定。

该方案的缺点：

① 每户都需要安装低-低压调压器，造价增高。

② 与现状的供气系统相比，入户压力较高，而目前小型户用低-低压调压器均不含超压切断功能，存在安全隐患。

③ 运行压力较高，设备数量增加，运行维护需要大量人力，运行维护成本增加。

④ 目前广州市居民用户均为一级调压供气，即区域调压器的出口压力为2.5 kPa，庭院和户内低压天然气只存在2.5 kPa这一个压力系统，若再出现比现状运行压力更高的7 kPa的压力系统，运行管理上容易造成混乱，运行维护难度增加。

4.3 方案3：高楼层立管安装大流量低-低压调压器

按照前述方法计算出最低的超压楼层(例如表1的结果是第27层)，在该楼层立管的始端处安装大流量低-低压调压器，根据不同建筑高度设定大流量低-低压调压器的出口压力。供气流程为，区域调压器先将天然气由中压调至2.5 kPa，经庭院管、户内管输送至各用户，在该楼层以下的用户，保持原供气系统不变；在该楼层及以上楼层的用户，由该楼层立管始端处安装的大流量低-低压调压器，将天然气压力调至适当值后，再向各用户供气。

该方案的特点：在用气低峰时段，可以保证每个用户的燃具前压力在1 500～3 000 Pa范围内；在用气高峰时段，大流量低-低压调压器的进口压力过低，大流量低-低压调压器的阻力数据待测试。

该方案的优点：

① 维持了目前广州市居民用户低压2.5 kPa的压力系统，便于统一运行管理。

② 1根立管仅设2台大流量低-低压调压器(1开1备)[2]，造价较低。

该方案的缺点：

由于大流量低-低压调压器体积较大，安装位置难选定，安装有大流量低-低压调压器的用户意见大，入户运行维护不方便[2]。

4.4 方案4：高楼层用户室内安装低-低压调压器

计算出最低的超压楼层(同方案3)，以该楼层为界，在该楼层及以上楼层用户的表前安装低-低压调压器。供气流程为，区域调压器先将天然气由中压调至2.5 kPa，经庭院管、户内管输送至各用户。在该楼层以下的用户，保持原供气系统不变；在该楼层及以上楼层的用户，由各用户的表前安装的低-低压调压器，将天然气压力调至2.16 kPa后，再向各用户供气。

该方案的特点：在用气低峰时段，可以保证每个用户的燃具前压力在1 500～3 000 Pa范围内；在用气高峰时段，低-低压调压器进口压力过低，低-低压调压器的阻力数据待测试。

该方案的优点：维持了目前广州市居民用户低压2.5 kPa的压力系统，不需要大范围调整供气系统，仅高楼层用户的表前增加低-低压调压器，造价相对较低。

该方案的缺点：

① 该方式很少有实际工程应用，且市场上可供选择的低-低压调压器种类较少。

② 小型户用低-低压调压器均不含超压切断功能，存在安全隐患。

③ 调压设备数量增加较多，运行及维护需要投入一定的人力。

4.5 方案选取

综合比较上述4种方案，降低区域调压器出口压力(方案1)、高楼层用户室内安装低-低压调压器(方案4)的方案较为适合广州市，可以根据不同的实际情况合理选用。

5 低-低压调压器比选

5.1 低-低压调压器性能

依据方案4，目前市场上符合条件的低-低压调压器有两个品牌，共4种型号，本文中分别以A型、B型、C型、D型表示，其性能参数见表3。表3中的A型低-低压调压器通常是不设置内置欠压切断装置的，用户在订货时可以选择是否设置内置欠压切断装置。

表3 低-低压调压器性能参数

由表3可以看出，A型低-低压调压器要求进口压力较高，不低于2.6 kPa，B、C、D型号的低-低压调压器要求进口压力较低，不低于2.3 kPa。

5.2 低进口压力下的压力损失测试

设备厂家并未给出进口压力低于2.3 kPa时低-低压调压器的压力损失数据，故需通过实验来检测。

对于普通居民用户的日常用气，燃气灶单眼工作为小流量工况，用气量约为0.3 m3/h；燃气灶、热水器同时工作时为大流量工况，用气量约为3.0～4.0 m3/h。

本次实验在广州燃气具检测服务有限公司进行，实验中采用的气体为广州燃气集团有限公司管网内的天然气。因为我们希望在压力低于2.3 kPa时天然气能够通过低-低压调压器，所以低-低压调压器应无欠压切断功能，实验中采用的A型低-低压调压器没有设置内置欠压切断装置；B型、C型、D型低-低压调压器本身没有欠压切断功能。实验分为小流量工况、大流量工况两种流量工况进行，采用1台热式气体质量流量计记录天然气的瞬时流量，2支U型管压力计测量低-低压调压器的进、出口压力。筛选有效的实验数据后，按照低-低压调压器进口压力由低到高的顺序排列，天然气分别经过A型、B型、C型、D型低-低压调压器在低进口压力条件下的压力损失分别见表4～7。

表4 低进口压力条件下A型低-低压调压器的压力损失

表5 低进口压力条件下B型低-低压调压器的压力损失

表6 低进口压力条件下C型低-低压调压器的压力损失

表7 低进口压力条件下D型低-低压调压器的压力损失

5.3 测试结果分析

由表4～7的实验测试数据可以得出以下结果：在小流量工况时，天然气经过上述4种不同型号的低-低压调压器的压力损失均可忽略不计；在大流量工况时，天然气经过上述4种不同型号的低-低压调压器的压力损失相差较大，按照其压力损失由小到大排列的顺序为：A型、D型、B型、C型。

因此，本着压力损失尽可能低的原则，选用A型低-低压调压器。

6 方案推荐

目前广州市新建高层楼盘分为两类：建筑总高度≤100 m的高层民用建筑、建筑总高度>100 m的超高层民用建筑。其中，建筑总高度≤100 m的高层民用建筑占主要部分，仅少部分民用建筑总高度>100 m。

以层高为2.9 m计算，27层的建筑总高度约为78 m，按照目前广州市的区域调压器的出口压力设置情况，建筑总高度低于78 m的建筑，天然气的附加压力不会导致高楼层建筑居民用户燃具前压力超压。

据此，推荐广州市按以下3种情况采取相应措施：

① 对于建筑总高度为78～100 m的高层民用建筑，在满足首层用户在用气高峰时的燃具前压力不低于1 500 Pa的前提下，采用降低区域调压器的出口压力的方式来解决较高楼层的居民用户燃具前压力超压的问题，即方案1，区域调压器的出口压力设置为2.35 kPa，关闭压力为2.6 kPa。

② 对于建筑总高度为78～100 m的高层民用建筑，若降低区域调压器的出口压力后，首层用户在用气高峰时的燃具前压力低于1 500 Pa，则区域调压器的出口压力仍维持现状，设置为2.5 kPa，关闭压力为2.8 kPa。在第27层及以上楼层的用户表前安装A型低-低压调压器，即方案4。

③ 对于建筑总高度>100 m的超高层民用建筑，区域调压器的出口压力仍维持现状，设置为2.5 kPa，关闭压力为2.8 kPa。在第27层及以上楼层的用户表前安装A型低-低压调压器，即方案4。