高层建筑燃气供应系统的设计与建造

摘 要

摘要：根据澳门的工程实践，对高层建筑燃气供应系统的设计建造准则进行了分析。燃气立管安装在专用管井内，用户燃气表集中安装在住宅楼层的燃气表房内，用户调压器置于燃气表前，将输
摘要：根据澳门的工程实践，对高层建筑燃气供应系统的设计建造准则进行了分析。燃气立管安装在专用管井内，用户燃气表集中安装在住宅楼层的燃气表房内，用户调压器置于燃气表前，将输送压力调到适合用户燃具使用的范围，燃气由暗埋敷设管道输送至室内的燃具。
关键词：高层建筑；室内燃气供应；燃气管井；集中装表；燃气表房；用户调压器；暗埋敷设；安全准则
1 概述
高层建筑作为现今城市发展中土地集约利用的一种有效解决方案，越来越普遍为城市规划部门所鼓励，越来越多被地产开发商所采用。高层建筑中燃气供应的安全性与可靠性也越来越受到业界的重视[1～5]。研究高层建筑燃气供应系统的设计与建造准则，其要旨是提升工程、技术和社会福利的水平。
在澳门，由于土地资源稀缺，住宅楼宇绝大多数是高层建筑，楼宇内住户较多，人员密集，能源消耗量大。燃气本质上是一种易燃的物质，燃气工程师在履行职责时需非常关注燃气安全、燃气供应的可靠性。科学技术的日新月异，材料设备的推陈出新，建造工艺的与时俱进，为燃气工程师设计更加安全可靠的供气系统提供了前所未有的可能性。笔者根据澳门的工程实践，从安全性、可靠性和环境友好性的工程理念出发，就高层建筑燃气供应系统的没计与建造的基本准则进行分析。
2 燃气管井
市区内的高层建筑被称为城市的一道风景，为不影响建筑物外观，同时考虑到维护检修便利，楼字设备(Building Service)系统的立管均安装在楼宇内部的管道竖井内。楼宇设备管道安装在管井内还可以缩减长度，节约建筑内部空间。
高层建筑内燃气供应系统中的立管安装在只供安装燃气设施的专用管井内。管井由地面层贯通裙楼部分，并与标准层住宅燃气表房位置相连接。管井的建造采用不可燃材料，并需有2h耐火效能，管井最高和最低位置分别设置金属百叶通风口与楼字外界相通，通风口面积不应小于0.1m2。在设置机械通风的情况下，开口面积可不作要求。
管井上宜设置检修口，检修口应直接由公共通道可以到达，其检修门采用不可燃材料建造，并需与建筑间隔墙体具有同等级的耐火效能。检修门应设自动关闭装置且不漏烟气，并保持关闭。门外设置警示牌。
基于安全准则，住宅楼宇内的燃气管道供气压力不应超过150kPa，而安装在专用管井或套管中的燃气管道运行压力不宜超过40kPa。管道采用焊接方式连接，应尽可能减少使用螺纹或法兰连接的机会。如果使用，则只适用于将来需要拆卸的管段、设置路线受到严重限制的管段或在现场焊接操作时不可能正确施工的管段。
3 燃气表房
高层住宅楼宇的设计中，住宅标准层均设有诸如水表房、电表房、燃气表房、消防设备房、垃圾房等楼宇设备房间，同一楼层住户的燃气表就集中安装在该楼层的燃气表房内。
集中装表是基于以人为本的设计理念，一方面保障用户的隐私空间不受侵扰，另一方面兼顾公共服务提供商获得用户消费数据的可到达性。
燃气表房及燃气专用管井的布置不应邻近电表房、楼宇电梯井、消防隔火室(逃生楼梯的前室)及楼宇的逃生出口。
燃气表房门采用不可燃材料建造，至少有1h耐火效能，向外开启，并设置自动关闭装置。燃气表房内需有一面墙为建筑物的外墙，该面墙的高低位设置金属百叶通风口，使得燃气表房内与建筑物外界保持良好通风。
每台燃气表都应采用不会被擦掉的标记清楚地注明它们所服务的用户。在燃气表房门的外侧，应设置一个用不可燃材料制成的告示牌，同样以不会被擦掉的标记注明燃气表房名称及提醒公众注意安全，并附上供气商名称及其处理紧急事故的联系电话，以备不时之需。燃气表房布置见图1。
 

    高层楼宇内燃气管井与燃气表房的位置分配，牵涉到建筑功能布局、防火分区、安全疏散等诸多方面，应当从建筑设计的一开始即仔细考虑，周密安排。通过建筑师以及结构、给排水、电力、电信、空调、消防、燃气等专业设计师的共同努力，谋求技术与建筑的和谐，其中包括将楼宇设备系统纳入所建空间之内，楼宇设备系统与所处的环境之间的协调，楼宇设备系统各组成部分之间的完美协调，做到布局更合理，功能更完善，商业价值最大化。
燃气管井与燃气表房的设置需符合以下安全准则：
① 燃气管道虽处于楼宇内，但燃气管道所经过的路径应确保通风；
② 避免泄漏的燃气在公用通道内扩散；
③ 能迅速将泄漏的燃气排至建筑物外部；
④ 限制可能发生爆炸的破坏力，并保证在万一发生此情形下被保护的楼梯仍可使用。
无论何处的燃气管井及燃气表房都应从建筑的公用部分便可接近与检修。另外，主干管道不应穿过任何住户或私人商铺的内部(包括阳台)。
如遇燃气管道中途水平方向穿越诸如裙楼停车场等室内公用空间，则燃气管道须安装在连续和密封的金属套管中，套管的端部需位于自由通风的地方。套管的截面积不小于100cm2，这样，一旦燃气泄漏，便可把其引导至套管的端部，从而将漏出的燃气排到外界，避免构成危险。
4 用户调压器
在澳门，近年建设的大部分住宅的层数一般在33～56层，楼宇高度在100m以上，因建筑高度而引起的燃气附加压力较大。为减小用户使用燃气压力的波动范围，克服附加压力对燃具的影响，提高燃具燃烧的稳定性和燃烧效率，实现安全及环保，在工程实践中，在用户的燃气表前设置独立的用户调压器。
基于本质安全的设计准则，每一个用户调压器可内置一套压力保护的安全装置，亦称限流器，限流器可在出现以下任何一项情况时，能自动切断燃气供应：
① 上游压力低于或超过正常值的一定比例；
② 下游压力未达到(因流量过大)或超过预设的压力值。
当用气条件正常后，限流器无需手动，可自动复位而恢复燃气供应。此类限流器多用于由于下游需求的非正常的突然增大(如漏气发生)而燃气流量突然增大的情况，此时限流器自动关闭，可防止漏出更多的燃气而导致危险发生。
另外还有一种安全的做法是将燃具前的阀门选择为有限流功能的阀门，或普通阀后加装一个限流阀。该限流阀也是一个安全装置，正常情况下开启，当燃气流量超过设定值(一般而言是额定流量的1.5倍)时会自动关闭。这样，限流阀就可以防止下游管道或燃具发生燃气大量漏出的危险(特别是因连接燃具的胶管松脱或破裂)。
基于安全准则，燃气供应系统在满足用户需求的前提下，应当保持在较低的压力下运行，以降低供气设施的漏气量。当前澳门工程实际中，住宅楼宇供气立管的运行压力大多数在7～14kPa范围。而用户调压器最大进口压力可达到35kPa，出口压力范围为1.5～3.5kPa，设定低压切断的压力范围为1.0～1.5kPa。
5 支管暗埋
建筑设计追求和谐美观。燃气工程师意识到工程设计的核心主题是为“人”服务，在工程实践中，力求以其对燃气专业之深厚学识，运用本身良好的工程判断力及迅速解决问题的技能，无论是在技术安全方面，还是在建筑和谐方面，积极进行创新和优化，提出最佳的方案。
外露敷设的管道占用室内空间，外露管道对室内装饰造成妨碍，缺乏美感；外露管道时间一长还会藏纳灰尘，产生锈迹，直接影响到用户的生活舒适与视觉观赏，降低了楼宇的商业价值。目前，各种各样的管线已经延伸至建筑物的每个角落，从和谐美观和环境卫生的角度考虑，设计师有必要避免上述不利因素，一方面宏观顾全大局，另一方面工夫入微，通过精细化的设计，对楼宇设备管线进行掩蔽，以有效预防在生活空间中积聚大量的灰尘，燃气支管也暗埋于建筑物的楼板或墙身中。
基于安全原则，须对暗埋敷设的管子、管件的材质强度、连接方式提出要求。建筑物内输送燃气的管道需采用API 5L标准规格X52或X42等级的无缝钢管，相应管子、管件标准技术参数见表1。
表1 管线钢管、管件、法兰及焊条技术规格
项目
标准
材料代号
最小屈服极限/MPa
最小抗拉强度/MPa
钢管
API Specification 5 L(2009版)
X52
360
460
X42
290
415
管件
ASTM A860/A860M(2005版)
WPHY52
360
455
WPHY42
290
415
法兰
ASTM A694 A694M(2003版)
F52
360
455
F42
290
415
焊条
AWS A5.5/A5.5M(2006版)
E7010-P1
415
490
钢管及管件厚度规格为Schedule 40，当需要管道以较高的压力输送燃气或因管道无法焊接而需螺纹连接时，厚度宜采用Schedule 80规格，螺纹连接应采用EN-10 226标准锥形螺纹，螺纹间采用EN-751标准的聚四氟乙烯(PTFE)生料带填充密封。
传统的暗埋方式是在楼宇土建完工之后再相应地打凿，在建筑物的楼板和墙身进行开槽开洞，待管道敷设完成之后予以填补，这种传统的安装方式适合砌垒建筑(砖-石-混凝土预制件)，该方式对建筑物本身结构有一定影响，甚至降低结构的整体性和承载能力，安装过程中也产生更多的建筑垃圾和环境噪声，故并不环保。在以现浇混凝土方式建造的高层建筑中，从位于楼宇大厦公用通道的燃气表房到各个用户内部用气地点的燃气管道的暗埋敷设方式是，在楼宇建造期间的楼层浇筑混凝土阶段，于楼板或墙身扎钢筋钉模板时，一并将燃气管道敷设在楼板或墙身内，且与其他暗埋的楼宇设备管线如冷热水、电力、电信管线以及烟囱保持一定安全距离：
① 对于水管，平行设置时为5cm，交叉设置时为3cm；
② 对于电管线，平行设置时为10cm，交叉设置时为3cm；
③ 与烟囱的距离为5cm。
暗埋敷设的管道以路径最短为原则，但燃气表下游的用户支管除了它所供气的用户外，不可穿过其他私人空间。同时不能影响建筑物的可靠性、通风性、密闭性、隔热及隔声功能。不能穿越建筑物的变形缝(包括伸缩缝、沉降缝、抗震缝等)。
暗埋到混凝土中的无缝钢管不再需要任何额外的涂层保护，暗埋管道的覆盖层最小厚度为2cm。
暗埋敷设的管道不得采用机械连接方式(如胀接、压接、卡接、卡套等)及螺纹连接，优先采用焊接方式连接，并尽量减少焊口的数量，遇管道转弯时采用冷弯的形式敷设。
管道的强度并不等于管材的强度。管道敷设完成后，需进行压力测试。参考ASME B31.8(2010版)中对用户支管压力测试的规定，对于操作压力小于6.9kPa且不具有可暂时封堵泄漏处的保护层的用户支管，应按69kPa的压力进行测试；而对于操作压力小于6.9kPa且具有可暂时封堵泄漏处的保护层的用户支管，应按621kPa的压力进行测试。
基于安全准则，对于暗埋到混凝土中的燃气管道按621kPa的压力进行测试。
相对较高的测试压力可以让管道原有的缺陷暴露较多，且暴露缺陷的尺寸较小；反之较低的测试压力，缺陷暴露越少，暴露缺陷的尺寸越大，给暗埋管道留下隐患越大，且很难补救。测试需有足够的稳压时间，最短稳压时间为1h，最长为4h，以利于充分显露缺陷，在较高压力测试下没有显露的缺陷，在低于测试压力条件下运行时，潜在的缺陷将不会扩大[6]。
测试合格后方可浇筑混凝土。其后还须进行数次测试，包括室内装修完工后、交付使用前，以保证管道的气密性。
6 燃具安全
作为燃气供应系统安全控制链中的末端，也是最关键的环节，设置在用户室内的燃具的安全条件尤为重要。这是因为整个供气系统设计建造是以用户能安全且不间断使用燃气为最终目标。现时澳门工程实践中，大多数的新建住宅楼宇，用户室内的燃具也是与室内装修相配套一并交付用户使用的，因此作为楼宇燃气供应系统的组成部分，燃具的安全技术条件也需在整个燃气系统设计建造过程中予以详细考虑。否则，整个燃气供应系统的安全性与可靠性就功亏一篑。
燃具的安全技术条件反映在3个方面：
① 燃具设计是本质安全的，其性能含有内在能够从根本上防止事故发生的功能，包括失误-安全功能(误操作不会导致事故发生或自动阻止误操作)，故障-安全功能(发生故障时自动转变为安全状态)。
② 燃具的安装技术条件也能完全保证安全运行。
③ 用户的正确使用行为。
燃气灶本身设计应有熄火保护装置，熄火保护装置指对火焰特性敏感的内置式控制装置。如果点火时出现问题或火焰意外熄灭，该控制装置可以感应到没有火焰，而将供应至灶具燃烧器的气体切断，以确保安全。燃气灶安装位置上方设置抽油烟机，与大厦公共烟囱相接驳，用户的烟管内应设有防止烟气倒流的装置。
现代居家热水器必不可少。燃气热水器必须安装于有足够永久通风的地方，让燃气完全燃烧并把烟气妥当地排出，且能在正常的操作情况下将附近的环境温度维持在安全范围内。
基于安全准则，燃气热水器安装地点首选是户外阳台，热水器类型为户外强排机。该机型同时须具备防雨防风功能(Weatherproof)。燃气热水器供电所需的插座或接线盒必须具备防水功能。
如果用户的主浴室的用水点距离安装在户外阳台的燃气热水器较远，当用户开启热水开关时，从用水点到热水器之间管道内的冷水必须流尽才能享用热水，造成了水资源的浪费和使用热水的不便以及较长的等待时间。为了使享用热水的舒适度达到最佳，有以下两种解决方案：
第一种方案：热水器可以选择安装在厨房内、用户的主浴室(或主卫生间)等地方，尽量靠近用水点的位置，选择热水器的机型为室内对衡机(平衡式)。该机型外壳是密封的，和外壳连成一体的烟管采用管中管的设计(出水量在32L/min及以上规格的机型采用独立双管设计)，形成内外两层，烟管进出口部分(烟筒)伸出外墙，热水器运行燃烧时所需的新风由烟管的外层抽取自室外，燃烧后产生的烟气由烟管的内层排到室外，热水器对室内空气既不消耗也不污染。该特点使对衡式机型热水器具有以下两条显著优点：
① 极大的使用安全性；
② 安装在密闭不通风处的可能性，这样还能节约空间(如安装在厨房橱柜里)。
然而，对衡机有关烟管的安装位置需于楼宇建造期间预先留好孔洞，且保证烟管长度尽可能短，烟管的弯头数量尽可能少(而强制排烟式热水器的烟管最大长度、弯头最大数目等，应遵照制造商的指引)。室内对衡机安装布置见图2。
 

第二种方案：热水器依然安装于户外阳台，另为热水器添置一套循环装置(含小型水泵、水温设定及感应装置、显示屏等)，组成一个家用中央循环热水供应系统(见图3)。用户在每次使用热水之前，只要先开启室内任意一个热水出水口的水龙头，流水约1～2s再关闭，这样就给了循环水泵一个启动运行的信号，循环水泵开始自动循环。热水器的水流感应器感应到水流就会启动燃烧。当循环水泵机盒感应器感应到循环管路中水温上升到预先设定的温度，如40℃时，循环水泵就会自动停止工作。然后，要使用热水时一开水龙头即时就有设定水温的热水出来了。相应冷热水循环管道需于楼宇建造期间预先暗埋敷设，而热水管最好能适当绝热。
 

燃气供应系统的安全性还取决于用户的使用行为。用户应该按照燃具制造厂商的安全操作指引和供气商的安全建议来正确使用各种燃具，并请专业的技术人员对燃具进行有计划的维护保养和预防性的维修。供气商也应对用户的燃具定期安全监督和定期检查，保证燃具始终处于可靠状态，以策安全。
7 结语
在工程实践中，遵循上述安全准则，实施精细化的设计，运用科学的建造方法，高层建筑燃气供应系统的安全性与可靠性得到保障的同时，用户的生活环境质量、福利水平也得到提升。
参考文献：
[1] 陈冬梅，王铁.高层建筑燃气管道设计的探讨[J].煤气与热力，2007，27(10)：28-30.
[2] 王奎昌，焦文玲，裴义.高层建筑沉降对引入管的影响及补偿措施[J].煤气与热力，2006，26(8)：26-27.
[3] 黄红祥.高层建筑室内燃气管道设计的探讨[J].煤气与热力，2004，24(11)：623-625.
[4] 李彤.高层建筑燃气管道L型自然补偿的应力分析[J].煤气与热力，2003，23(1)：25-27.
[5] 鲁德宏，阎海鹏.高层建筑燃气引入管的补偿措施[J].煤气与热力，2001，21(1)：82-83.
[6] 梁翕章.浅谈输气管道试压问题(待续)[J].天然气与石油，2003，21(3)：1-6.
 
(本文作者：魏亮 澳门美丰石油有限公司 澳门)