上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 陳瓊琰 楊世宏

上海中心大廈燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 陳瓊琰 楊世宏

通過對超高層建筑燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，即立管的應(yīng)力分析、高立管的柔性設(shè)計(jì)、燃?xì)庑孤┳詣訄?bào)警和自動切斷系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并依此做出了相應(yīng)設(shè)計(jì)方案，解決了在超高層建筑內(nèi)燃?xì)鈶?yīng)用的難題。

超高層 燃?xì)?系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動報(bào)警

目前雖然超高層建筑在全球加速建設(shè)，但在這些建筑的高區(qū)設(shè)置使用燃?xì)獾膹N房是上海乃至中餐影響區(qū)域所特有的。現(xiàn)今世界上燃?xì)夤?yīng)技術(shù)較領(lǐng)先的其他國家均無該領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，因此，超高層建筑的燃?xì)庀到y(tǒng)在面臨臺風(fēng)、地震、火災(zāi)時如何確保安全正常的供應(yīng)是本課題研究的重點(diǎn)。本課題以上海中心大廈為例，著重對高差最大的燃?xì)夤艿馈訠1層上至120層，高差約550米的低壓燃?xì)夤艿?，開展這方面的研究。

1 上海中心大廈天然氣用氣的基本概況

1.1 天然氣用氣情況

上海中心大廈的天然氣主要應(yīng)用于三個領(lǐng)域：燃?xì)忮仩t、冷熱電三聯(lián)供及廚房。主要用氣項(xiàng)目及其用氣量見表1。

表1 主要用氣項(xiàng)目及其用氣量

1.2 上海中心天然氣供應(yīng)系統(tǒng)

上海中心天然氣供應(yīng)系統(tǒng)分為三大系統(tǒng)：

(1)20 kPa冷熱電三聯(lián)供燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)；

(2)10 kPa鍋爐燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)；

(3)2 kPa低壓燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)。

根據(jù)立管的流量通過水力計(jì)算確定B1層至120層的低壓燃?xì)饬⒐艿墓軓綖镈N150。

2 附加壓力的計(jì)算及解決方案

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，低壓燃?xì)饩叩念~定壓力：人工煤氣為1 000 Pa±50%；天然氣為2 000 Pa±50%。因此，低壓燃?xì)饩咴试S最高壓力：人工煤氣為1 500 Pa；天然氣為3 000 Pa。

上海中心大廈120層使用燃?xì)獾牟蛷d高度為550米，而天然氣密度按0.803 kg/m3(東海天然氣)，每升高1米，附加壓力增加4.81 Pa，則附加壓力約為2 650 Pa，調(diào)壓器出口運(yùn)行壓力實(shí)際在2 300 Pa左右，當(dāng)?shù)蛪汗苤挥袠O少數(shù)用戶在用氣(例如在深夜)，而上海中心大廈使用專用調(diào)壓站，自調(diào)壓站出口管至進(jìn)戶管前整個管段的壓力降很小，此時進(jìn)戶管前的壓力接近于調(diào)壓站出口壓力(2 300 Pa)。則上海中心120層天然氣壓力在4 950 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過灶具的額定壓力，必須采取措施降低高層燃?xì)夤?yīng)壓力：

(1)可通過減小燃?xì)饬⒐芄軓交蛟鲈O(shè)立管節(jié)流閥來增加管道的阻力。

(2)當(dāng)燃?xì)饬⒐茉谀骋桓叨鹊膲毫_(dá)到1.5Pn時，在此高度的立管上設(shè)置低—低壓調(diào)壓器。

(3)在立管的每層水平支管上均設(shè)置低—低壓調(diào)壓器。

上述方法雖然可解決一些問題，但也存在一些缺陷，上海中心大廈采用如下方法：

(4)上海中心大廈在附加壓力的消除方法上，借鑒箱式調(diào)壓器常設(shè)兩路調(diào)壓單元(一開一備)的方式，將相近的幾層合并使用兩路低—低壓調(diào)壓器，一開一備，即節(jié)省了投資，又提高了用氣的安全性，見圖1。

圖1 上海中心大廈低—低壓調(diào)壓器設(shè)置方式

3 燃?xì)飧吡⒐軕?yīng)力分析

我們對高立管在各種情況下的應(yīng)力進(jìn)行理論分析及實(shí)踐。主要作了如下的研究：

3.1 管道內(nèi)壓應(yīng)力分析

管道內(nèi)壓應(yīng)力分析得出內(nèi)壓作用下管道的應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于許用壓力，故其影響可忽略不計(jì)。

3.2 管道自重應(yīng)力分析

管道自重應(yīng)力分析得出自重引起的管道應(yīng)力較小，當(dāng)固定支架間距(立管長度)達(dá)到2 350 m時，立管自重應(yīng)力才達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度(235 μPa)。

3.3 溫度作用下立管應(yīng)力分析

溫度作用下立管應(yīng)力分析得出當(dāng)溫度變化確定時，鋼立管的熱變形量與兩固定支架之間的距離(立管長度)成正比，需增加方形補(bǔ)償器來吸收變形量；設(shè)置方形補(bǔ)償器后鋼管的固定推力、鋼管的熱應(yīng)力、補(bǔ)償器的熱應(yīng)力均與以下三個因素有關(guān)：

(1)與管徑成正比。

(2)與補(bǔ)償器的尺寸成反比。

(3)與需要補(bǔ)償?shù)臒嶙冃瘟砍煞幢取?/p>

需通過調(diào)整固定支架距離和補(bǔ)償器的尺寸確保立管熱應(yīng)力和補(bǔ)償器的最大熱應(yīng)力均小于鋼材的許用應(yīng)力，課題制作了便查表以方便計(jì)算。

3.4 橫向運(yùn)管系統(tǒng)分析

橫向運(yùn)管同樣受重力和溫度的影響：

(1)支管自重在立管三通處產(chǎn)生彎矩和軸力。

(2)由于支管的支撐點(diǎn)不限制軸向位移，溫度作用的影響主要由立管三通位置在溫度作用下的豎向位移引起。

課題對三種支管形式制作了便查表，方便快速選出合適的支管形式和支管支撐點(diǎn)位置。

3.5 管道壓彎屈曲驗(yàn)算

管道壓彎屈曲驗(yàn)算得出相鄰限位支架的允許最大間距與管道的回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)，即只與管道的截面尺寸(內(nèi)、外徑)有關(guān)。

3.6 風(fēng)荷載下立管應(yīng)力分析

經(jīng)研究分析，風(fēng)荷載引起的鋼管最大應(yīng)力與限位支架的相對位移成正比，與限位支架的間距成反比，與系數(shù)K(即直徑)成正比。

3.7 地震作用下的立管應(yīng)力分析

經(jīng)研究分析，得知為避免共振，限位支架的允許最大間距與管材彈性模量與密度有關(guān)，與管道截面回轉(zhuǎn)半徑(管徑)有關(guān)。作用于管身的水平地震作用產(chǎn)生的最大應(yīng)力與限位支架間距成正比，與系數(shù)Keq(由管材和管徑?jīng)Q定)成正比。限位支架相對位移引起的管道最大應(yīng)力與限位支架的相對位移成正比，與限位支架的間距成反比。管道口徑越大，因限位支架相對位移引起的管道最大應(yīng)力也越大。

4 燃?xì)飧吡⒐艿娜嵝栽O(shè)計(jì)

根據(jù)上述對不同荷載作用下管道的應(yīng)力分析，超高層燃?xì)饬⒐艿脑O(shè)計(jì)程序如下：

(1)確定設(shè)計(jì)荷載。通過對自重、溫度作用、內(nèi)荷載、地震作用的分析確定設(shè)計(jì)荷載。

(2)固定支架與補(bǔ)償器設(shè)置。

(3)限位支架設(shè)置。

(4)橫管系支吊架設(shè)置。

(5)強(qiáng)度校核。

5 燃?xì)庑孤┳詣訄?bào)警和自動切斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上海中心大廈的燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)主要考慮如下設(shè)置：

(1)探測器的設(shè)置。在燃?xì)庳Q井內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w探測器，應(yīng)根據(jù)燃?xì)庳Q井內(nèi)樓板分隔情況進(jìn)行設(shè)置，本工程每層樓板都做分隔，則每層均應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w探測器。

(2)報(bào)警控制器的設(shè)置。本工程報(bào)警控制器設(shè)置在地下一層消防安?？偪刂行?，確保發(fā)生燃?xì)庑孤┦鹿蕰r，能夠及時的處理，安全使用燃?xì)狻?/p>

(3)緊急切斷閥的設(shè)置。本工程緊急切斷閥設(shè)置原則：在調(diào)壓器后各路管道上分別設(shè)置緊急切斷閥，作為總切斷系統(tǒng)；在管道進(jìn)入各廚房前設(shè)置緊急切斷閥，作為分切斷系統(tǒng)；即廚房采用總切斷加分切斷系統(tǒng)，鍋爐房、三聯(lián)供分別設(shè)置緊急切斷閥，采用總切斷系統(tǒng)。

(4)本系統(tǒng)與消防系統(tǒng)接口形式。本工程燃?xì)鈭?bào)警控制器設(shè)置在地下一層消防安?？偪刂行模?dāng)發(fā)生火災(zāi)時，經(jīng)人員確認(rèn)后，在該消防安?？偪刂行目梢允謩忧袛嗾{(diào)壓器后各路管道上的緊急切斷閥及各廚房分切斷閥，燃?xì)鈭?bào)警控制器也可以通過RS485通訊接口與消防系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

6 結(jié)語

本課題在對上海中心大廈充分調(diào)研的前提下，就其燃?xì)庀到y(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算和分析，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，得出的主要結(jié)論如下：

(1)低壓系統(tǒng)采用環(huán)球金融中心項(xiàng)目取得的專利技術(shù)——單座調(diào)壓器同時作用于超高層建筑的底部與頂部。并對整個天然氣供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行分析，確定了管材、直徑和壁厚，并根據(jù)上海中心大廈用氣點(diǎn)分布特點(diǎn)，就消除附加壓頭提出了解決方案——相鄰的用氣樓層合并使用2個穩(wěn)壓器，保證上海中心大廈燃?xì)庀到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)天然氣供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)力分析：①內(nèi)壓作用下管道的應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，其影響可忽略不計(jì)；②管道自重所引起的應(yīng)力較小；③利用制成的便查表進(jìn)行固定支架和補(bǔ)償器設(shè)置，通過調(diào)整固定支架的距離L1和補(bǔ)償器的尺寸H，確保立管熱應(yīng)力和補(bǔ)償器的最大熱應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鋼材的許用應(yīng)力；④為了控制補(bǔ)償器的大小，固定支架的間距不宜過大，以120米為宜；⑤利用制成的便查表(此文中略)，可以進(jìn)行橫向支管設(shè)計(jì)，通過調(diào)整支管類型及支管第一支撐點(diǎn)位置，確保三通處應(yīng)力均小于鋼材的許用應(yīng)力。

(3)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的抗風(fēng)抗震分析：①為避免管道壓彎屈曲和共振，計(jì)算得出不同直徑管道限位支架最大間距表(此文中略)；②管道設(shè)計(jì)時設(shè)置合理的限位支架，可使高立管的應(yīng)力控制在鋼材許用應(yīng)力范圍內(nèi)，保證管道安全運(yùn)行。

(4)燃?xì)庑孤┳詣訄?bào)警和自動切斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：在燃?xì)庀到y(tǒng)中加入多級制的泄漏自動報(bào)警和自動切斷系統(tǒng)，可有效防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。

本課題的研究可以廣泛運(yùn)用于工程領(lǐng)域，并且有一些成果已在環(huán)球金融中心等超高層建筑上應(yīng)用，如固定支架、補(bǔ)償器、限位支架的設(shè)置方式，運(yùn)行情況良好。

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