高层燃气附加压力计算综述

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  城市燃气化是城市基础设施的一项重要内容,是现代化城市的重要标志之一,提高燃气在能源结构中的比重,对整个社会具有十分重要的意义。无论是从工业生产、交通运输还是居民生活的角度上来看,广泛应用燃气已经成为社会发展的一种需要。发展城市燃气事业,是合理有效利用能源、保护城市环境、防治大气污染、促进生产和改善人民生活条件的重要措施之一。
  高层建筑已经成为城市现代化建设的必然趋势,如北京、上海等城市,每年兴建的住宅,有50%以上为高层住宅,由于其自身的特殊性,其工期技术与多层建筑供气有一定的差别。
  对于数十米或数百米的高层建筑,附加压力很大,会造成某些用户燃烧器前压力波动增大,超出燃具稳定工作范围,影响用户燃烧器具的正常燃烧,造成燃气不完全燃烧,甚至发生离焰、脱火、回火和熄火等现象,增大供气的不安全性,所以改进技术,控制和消除附加压力的影响,是保证高层燃气供气系统安全正常运行的重要环节。
  1. 附加压力分析
  1.1 压力要求
  在燃气供应方面,由于燃气和空气密度不等,随着建筑物高度以及层高的增高,燃气中附加压头也逐渐增大。按照相关规定:天然气、液化石油气以及人工煤气压力在0.75~1.5Pa范围内波动,瓶装液化石油气压力在±0.5kPa范围内波动。试验用燃气供应压力为1000~3000Pa,在小于1000Pa的情况下,出现离焰及回火等情况的可能性较大;在大于3000Pa的情况下,将发生漏气、燃烧不充分以及晃眼等现象。
  1.2 附加压头对压力的影响
  某建筑供应的天然气密度为0.7kg/m3,空气密度为1.293kg/m3
  如果采取区域调压,低压进户形式,需考虑附加压力,可按以下公式计算
  Δp=H·(ρa-ρb)·g
  式中:Δp——附加压力,Pa;
  ρa——空气密度(取1.293kg/m3)
  ρb——燃气密度,kg/m3
  H——燃气管道终、起点的高程差,m;
  G——重力加速度
  研究分析表明:如果采用地面区域调压,低压进户方式,气源为液化石油气时,随着樓层增高,附加压力减小,达到一定高度是,会使室内递延燃气管道阻力损失超过允许值,显然这种供气方式建筑物层高不应超过6~9层。通过分析,高层建筑燃气管道供气的方式主要有两种;一种是中压进户,入户后再分别调压;另一种是楼栋集中调压,再低压进户。
  因任何燃具都是按一定燃气成分和压力等参数设计的,所以它只有在一定的条件下,即燃气成分、压力、华白数和燃烧势等在规定范围内变化时才能稳定工作,其中任何一个条件变化过大都有可能造成燃具燃烧工况恶化。对民用和公福燃具的工作压力,只允许在额定压力的±50%范围内波动,即:
  Pmax=1.5Pn
  Pmin=0.5Pn
  式中:Pmax——燃具的最大允许压力(Pa);Pn——燃具的额定压力(Pa);Pmin——燃具的最小允许压力(Pa),当气源种类不同时,额定压力Pn也有所不同。
  对于人工燃气和天然气,采用由下向上的供气方式,其附加压头为正值,说明管道中产生上浮力,造成燃具前压力升高,供气系统主要应防止超负荷工作。一般民用燃具允许的超负荷压力为1.5Pn。取高层建筑燃气系统的最不利运行工况,此时,用户燃具前压力按下式计算:
  P2=P1-ΔP1-ΔP2-ΔP
  式中:P2——用户灶前压力(Pa);P1——调压站出口压力(Pa);ΔP1——干管及引入管压降(Pa);ΔP2——室内立管至灶前压降(Pa);ΔP——附加压头(Pa)。
  在最不利工况下,ΔP可忽略不计,燃具前压力达到额定压力的1.5倍时,可写成:
  1.5Pn=P1-ΔP2-ΔP
  通过计算和实验可知,当人工燃气附加压头ΔP大于200Pa,天然气附加压头ΔP大于300Pa时,燃具工作压力就会超过最高允许压力Pmax即1.5Pn,引起燃具超负荷工作,导致燃具的热效率降低。还可能产生不完全燃烧,致使过多的燃气白白损失,造成能源浪费,还会使燃烧产物中出现过多的一氧化碳等有害气体;甚至使燃具发生离焰、脱火、熄火等现象,增加不安全因素。
  1.1.2为保证安全平稳供气需选择合适管径,消除附加压力的影响。用同时工作系数法计算管道流量:
  Q=ΣKnQnN
  式中:Kn——相同燃具或相同组合燃具同时工作系数
  Qn——燃气具额定流量
  N——相同燃具或相同组合燃具数
  根据抵押液化气管道供气特点,利用公式法计算。设定流动状态为层流:
  Δp/L=1.13*1010(Q/d4)vρ0(T/T0)
  式中Δp——燃气管道摩擦阻力损失,Pa;
  Q——燃气管道的计算流量,m3/h;
  D——管道内经,mm;
  ρ0——燃气密度(取2.26kg/m3);
  V——运动粘度(取3.287*10-6m2/s);
  T——实际燃气温度,K;
  T0——273K。
  将给定数值带入公式,得管道内径,选择合适管径。
  1.1.3消除附加压力的必要性
  高层建筑物的高度相比普遍建筑要高,其设置的燃气立管长度也更长,在立管中就容易产生较大的附加压力。由于燃气密度和空气密度的刀削存在区别,附加压力如果不在燃具稳定工作的范围之内,将导致用户燃具前压力波动更加明显,使燃气的燃烧不完全,出现回火及脱火等情况,使供气存在更大的安全隐患。想要更好的保证高层供气系统运行的安全,必须有效消除或者控制器附加压力的影响。   (1) 可适当减小高层立管管径,增加立管沿程阻力损失,以达到减小附加压头的目的。此种方法中管径的减小受限制。
  (2) 可以每隔一定层数设一节流阀,这种方法简便、经济、易操作。但是当只有顶层极少数用户用气时,附加压头减少不大;同时,管内流量随用户用气的多少而变化,流量的变化致使立管的阻力也随之变化,造成用户灶前压力波动。
  (3) 在立管上设置低—低压调压器。通常将调压器装设在附加压头超过200Pa的楼层。通过调压器调压达到稳定燃具前压力在额定工作压力范围内,消除附加压头影响。
  (4) 在附加压头超过200Pa或300Pa的楼层每户装设截流阀,根据各楼层不同的燃气压力,分别调整截流阀的开启度,产生节流调压作用,客服附加压头的影响,从而满足每户燃烧器所需正常工作压力。
  (5) 从附加压头超过200Pa或300Pa的樓层开始,在用户表前设置用户低——低压调压器,使燃具前压力稳定在额定工作压力范围之内,对于居民用户、住宅,因投资费用较大,一般不予选用。此法很适合宜于商办综合楼跳跃式用户。
  (6) 采用中压管道直接进入建筑物,这样用户之间的影响较小,用气高峰时压力波动也不明显,而且调压器后的低压管段较短,所以燃具基本上是处在额定压力下工作,运行工况较佳,比较好地消除附加压头的影响。
  2. 高层建筑物燃气附加压力消除对策
  2.1使管道阻力增加
  凭借水力计算以及压力降分配,进行合理燃气立管管径的选择,并且通过将截流阀增设至燃气立管上的方法,使燃气管道的阻力增加。该发放具有以下优势:包括操作简单、成本较低、可行性强,其不足之处在于管道内流量影响到立管内阻力,使用户用气的稳定性得不到保障,不流于用户灶具正常燃烧状态的维持。在出现用电高峰时,阻力过大,将直接影响底层用户的用气压力。此外,顶层用户单独用气,且使用较少用气量时,其发挥的作用可以忽略不计。
  2.2进行用户调压器设置
  该方法是通过用户调压器的安装实现燃气压力的降低,使燃气压力控制在燃烧的正常范围内。采用中压燃气入户的方式,之后凭借各户中低压调压器作用的发挥,实现气体压力的合理调整。但该方法的使用不具有较高的经济型,其施工复杂程度较高,和低压入户相比,在安全性方面较差。
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