上海环球金融中心燃气设计方案
上海环球金融中心燃气设计方案
上海环球金融中心燃气设计方案
0．引言：
现代城市由于有限的土地资源，越来越多的建筑物向高空发展，现世界第一高楼阿联酋的迪拜塔高度甚至达到了828米。然而美国“9·11”事件后让全世界的人们不得不考虑一个全新的危险因素——超高层建筑，过高的高度让超高层建筑在遭遇恐怖袭击、火灾、地震等灾难时将比普通建筑面临更大的困难及危险。燃气具有易燃易爆、有毒等特点，在发生灾难时，超高层建筑内的燃气管道极易发生泄漏爆炸，对建筑物造成致命的破坏。如在火灾发生时，超高层建筑由于烟囱效应造成火势蔓延非常快，且人员疏散困难，消防扑救难度大等特点，因此超高层建筑内的燃气系统设计必须考虑到在紧急状况下的安全措施，尽量地去控制燃气对建筑物的破坏，将危险降至最低。另外过高的燃气立管，也造成其在燃气系统设计时，与普通建筑物的差异。接下来我们将结合环球金融中心的工程实例，来分析一下超高层建筑物燃气系统设计时与普通建筑物不同，且要注意的几个方面。
1.项目概况：
环球金融中心坐落在上海XX，高度492米，总建筑面积约38万平米。建筑物的功能包括商务办公、五星级酒店、商业、餐饮、观光等。燃气系统由中压天然气系统和低压天然气系统组成。中压天然气系统供应位于地下室的燃气锅炉使用，在设计时根据燃气的相关规范主要考虑燃气接入地下室的一系列防泄漏、通风、燃气切断等要求和措施。低压的天然气系统主要供应餐厅厨房使用，整个建筑物的大部分餐饮由几十个美食小餐饮组成，这些小餐饮均集中在地下一层和地下二层，地上二层和三层，在大楼12、13、28、29、52、53层也分别设有厨房，位于整个大楼79-93层的五星级酒店“酒店”，其酒店的厨房则设在了大楼的顶部86、87层和88层，低压的燃气管道需接至约400米的高空供这些厨房用户使用。
2.地下室燃气设计：
对于地下室小餐饮燃气系统设计时，主要考虑防火分区与燃气引入管的概念，地下室的一个防火分区面积按规范规定小于2000平米，由于比普通建筑物拥有数量更多的餐饮，大量的小餐饮被分割在几个防火分区内。高层的防火规范规定，燃气管道严禁穿越防火分区。因此在设计时，每个防火分区内的餐饮我们均单独从室外设置一个燃气入户管，使每个防火分区内形成一个独立的燃气系统，互不连通，每个入户管处设置紧急切断阀，如什么地方有燃气泄漏等危险，可单独切断其防火分区内的燃气系统，并不影响到其它防火分区燃气的使用。
3.燃气立管设计：
对接至大楼顶部酒店厨房的燃气设计时，由于其高度的特殊性，整个燃气立管高度达到约400米，我们在燃气设计时着重注意以下几个方面。
1)燃气管弄的设置。
首先燃气立管不得与电线、电缆等易燃助燃管道设置在同一管道进内，管弄为独立管弄。燃气管弄必须考虑通风及报警措施：管道井的底层设置带有电动防火阀的进风百叶，顶部设置百叶窗和大气相通，在立管穿过楼板的四周应留有适当空隙。另外管弄内设置燃气报警探测器，探测器的设置位置应设在不燃楼板底部，为每4-5层设置一个，上下2个探测器的高度不超高20m。通过以上2种措施，一旦燃气泄漏，一方面燃气报警探测器将探测到燃气并报警，一方面整个管弄有良好的自然通风，燃气可通过通风排至顶部百叶窗外，不至于聚集在管弄内。当火灾发生时，管弄内良好的通风则将成为危险因素，一旦火烧进管弄内，竖直的管弄将形成烟囱效应，促使火势蔓延。因此整个竖直的管弄作为一个防火区域来考虑，与其它防火区域进行防火措施的隔离。管弄底部的进风百叶带有电动阀防火阀，一旦发生火宅，将通过消防控制中心发出信号，底部的百叶阀将自动关闭。而管弄每层的检修门必须是丙级防火门，作为防火隔断。
在本项目燃气管弄设计中，我们在建筑物的二侧设置了二个燃气管弄，分别由2根燃气立管接至二侧的厨房使用，并将二个管弄均设在靠外墙处。这样当有一根立管出现问题时，还有1根可让厨房继续使用，保证顶部五星级酒店的用餐不受影响。由于整个大楼有101层，而燃气管弄只到88层，管弄的顶部无法在屋面上设排风百叶，而侧墙由于玻璃幕墙的建筑效果，也不能开百叶。因此在88层管弄的顶部接了一根DN200的透气管接至89层的侧墙室外排放，同样可起到燃气泄露时通风的作用。
2)燃气立管抗震措施：
当发生强度较大的地震时，超长高度的立管非常容易被震裂，在燃气立管旁设置感震装置，感震器在地震时送关闭信号至集中监视盘，及时地关闭燃气紧急切断阀，有效防止减小损失。
3)燃气立管的承重及补偿措施：
由于超高层中的燃气立管高度非常高，立管的自重和温度变化引起的热胀冷缩也普通建筑大很多，必须采取相应的安全措施。一般在燃气立管的底部设置承重的支撑，每隔2-3层设置承重支撑和限制水平位移的支撑;当燃气立管高度大于60m，小于120m时，设置不少于一个固定支撑，每延伸120m需再增加一个固定支撑;由这些支撑点来均摊燃气立管的重量，增加管道的稳定性。
每个固定支撑之间设置伸缩补偿器，来平衡固定支撑间管道由温差引起的伸缩。补偿器的设置一般可采用π型补偿器和波纹补偿器。π型补偿器是利用管2
道的煨弯形成的自然补偿，柔性很好，且强度高寿命长，基本不存在损坏和漏气，如允许的情况下可优先考虑使用π型补偿器。但π型补偿器尺寸较大，占用建筑物的内部空间，一般超高层建筑物中燃气管弄的空间都很紧凑，较难布置π型补偿器。这样可采用波纹补偿器，波纹补偿器的优点是不另外占据空间，既能对热膨胀进行竖向补偿，又能补偿水平位移;但本身的强度比π型补偿器低，应选用有良好质量保证的产品，并计算管道的伸缩量和补偿器的补偿能力来选择补偿器。
环球的燃气立管52层以下管径为DN150，每米管道重量为17.15kg，53-88层管径为DN100，每米管道重量为10.26kg，整个400米的立管管道重量约6吨。分别在7层、28层、49层、67层、86层的立管处设置了共5个固定支架，2个固定支架间设置一个波纹补偿器。2个固定支架间距最大的为89m，管道的温差取安装温度和管道使用时最低温度的最小值与管道使用时最高温度的温度差，本项目取30°C，并考虑1.2倍的安全系数，这样89m的立管管道热膨胀长度约30mm，本工程选用的波纹补偿器最大轴向补偿量为59mm，能满足热补偿的需要。波纹补偿器的轴向刚度为145N/mm，则热膨胀产生的推力为2900N，约300kg，这样加上燃气管道的重量，每个固定支架分摊承受1吨多的重量。
4)消除燃气附加压力的措施：
由于燃气的密度比空气轻，当高度很高时将产生较大的附加压力，当燃气压力超过燃气灶具的额定使用压力上限时，燃具将产生离焰和脱火现象，灶具将无法正常燃烧。根据燃气规范当人工煤气立管高度超过57m，天然气立管高度超过81m时，必须采取降低附加压力的措施。(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，但该方法需精确的管道水力计算，一般在理论计算和实际运行总会存在一定差异，且当多个燃气用户点同时使用数量发生改变时，由于管道流量的改变，阻力损失也会改变，造成灶具前燃气压力的波动。对设在接近超高层顶层的燃气用户来说，该方法并不切实际。(2)在燃气立管上设置低-低压调压器，此方法的缺点是当立管调压器出现问题时，立管后所有燃气用户均会受到影响。(3)在立管的每层水平支管上均设置低-低压调压器，每个低-低压调压器的投资不大，但可充分保证每层用户的灶前使用压力，各层用户之间不受干扰，有利于各个系统的控制。
本项目燃气立管的高度约400米，天然气的密度为0.7174Kg/Nm3，高度每升高1m，附加压力将增加5.8pa，400米的天然气附加压力约2320pa。在设计时，大楼专用的低压调压箱出口压力为3000Pa，天然气的燃气表及管道阻力约1000Pa，加上附加压力，88层厨房灶具前的压力至少为3000-1000+2320=4320Pa，已超过了天然气灶具的正常使用压力，必须进行调压。我们在燃气接至每层的横支管上分别设置了调压稳压器置，使每层的灶具使用压力都可稳定在额定压力下，充分保证了灶具的正常燃烧。当然也要考虑到超高层过长的立管造成的沿程阻力，3
如燃气满负荷使用时，如立管管径选用太小，其沿程阻力也会过大，反而造成顶层使用压力太低，因此必须要通过仔细地计算来确定立管的管径。
4.结语：
综合几方面的因素，在超高层燃气设计中安全是第一考虑的因素，而通风则是首选的燃气安全措施。以上对超高层燃气系统设计的分析及总结，希望能够给各位同行一定的参考，不足之处也希望给予帮助指正。
参考资料
1《城市煤气、天然气管道工程技术规程》DGJ08-10-2004J104XXXX0042《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-952005版