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在过去的40年里,我参与了燃气系统的设计,燃气装置的检查以及导致生命财产损失的燃气系统爆炸和火灾的调查。如果设计、安装和维护得当,燃气系统可以成为空间加热、水加热或工艺应用的安全、经济的选择。
燃料气体包括天然气、丙烷、丁烷、甲烷、氢气和混合气体。对于给定的项目,设计专业人员应首先确定是否可以从当地公用事业公司或燃气服务提供商那里获得上述一种燃料气体。我参与的几个项目都是从垃圾填埋场钻探的井中收集使用过的甲烷气体来运行发电机。万博手机版登录本官网他们生产电力并将其出售给附近的工业设施。
其他项目利用万博手机版登录本官网从污水处理厂收集的甲烷气体来驱动发动机,驱动空气压缩机在污水处理厂进行曝气过程。这些气体在设计、安装和维护得当的情况下,可以为燃烧燃料的设备提供相对清洁的燃烧能源,如发电机、锅炉、热水器、炉子、红外加热器、烹饪设备、壁炉和许多其他燃烧燃料的设备。
在设计燃气系统时,设计专业人员或安装人员应确定在项目将要建造的市政当局中哪种规范具有管辖权。在美国,主要有两种燃气规范。地方司法管辖区可能采用了其中一种示范法典,或者提供了他们自己的法典,其中包含有当地修订的示范法典版本。适用的规范应在工程图纸或规范手册中标明。
一些地方司法管辖区不会自动采用最新版本的示范代码。一些使用旧法规的司法管辖区在旧的BOCA或统一管道法规或统一机械法规的不同章节中涵盖了燃气和排气系统。
燃气规范发展的历史
美国国家燃气法规(NFPA 54)是美国最古老的燃气法规。1974年以前,NFPA 54的内容出现在其他几个文件中;1974年,它们被合并成一个文件。1980年,ASME B31.2管道规范的部分内容被纳入。多年来,为了纳入重要的安全要求,已经做了许多补充。
国际规则理事会成立后不久,就制定了《国际燃气规则》。当时,UPC和UMC有涵盖燃气管道安装的章节。国际商会继续每三年更新一次其守则。国际管道和机械官员协会与国家消防协会达成协议,使用NFPA建筑规范;在过去的几个代码周期中,他们一直在与NFPA 54国家燃气代码协调统一代码。
燃气规范中有一节是关于燃气管道、阀门和配件的认可材料。多年来,燃气系统按照各种型号燃气规范和各种版本的型号或地方规范安装。多年来,模型代码发生了变化和发展。
燃气类型
最常见的燃料气体是天然气。在农村地区,丙烷也是一种常见的燃料气体,那里的气体是以液体形式输送的;它在较低的压力下蒸发到管道系统中。丁烷和混合气体是不太常见的燃料气体,但偶尔发现。
所有燃料气体在燃烧时都有热含量或热值。与燃气供应商或燃气公司确认燃气的热值。热值有助于确定立方英尺/小时。应用所需的燃料气体。了解燃气的热值可以帮助确定管道尺寸。
•天然气。一般来说,天然气的热值为1000英热单位/立方英尺。每立方英尺的热值范围从950英热单位/立方英尺到1100英热单位/立方英尺,具体取决于天然气公司对天然气的热值。天然气的比重为0.65,空气的比重为1。这意味着天然气比空气轻,释放到大气中就会消散。
天然气在空气中的可燃性范围为3.9%至15%。任何浓度低于3.9%的天然气都不会点燃,因为没有足够的燃料与空气的比例来燃烧,或者通常说它太稀薄而无法燃烧。浓度超过15%的气体通常不会燃烧,因为燃料与空气的比例太大而无法燃烧。天然气所需的燃烧空气量为每立方英尺气体10立方英尺空气或每100 btu 1立方英尺空气。
我在一次法医调查中经历过这种情况,一个没有得到适当维护的炉子不会正常燃烧。维修人员让燃烧空气滤清器堵塞到几乎没有空气能进入燃烧室的地步。在一次维护检查中,他们注意到燃烧空气压力开关不让燃料进入燃烧室(因为进气过滤器堵塞了),所以1号维修工人在安全开关触点上放了一根跳线,让燃料进入燃烧室。
在这一点上,这是一个丰富的,黑烟火焰急需空气。由于滤清器继续堵塞,最后燃料混合物过于丰富而无法燃烧,炉子上的电子点火装置也无法点燃燃烧器。当熔炉不亮,工厂工人感到冷的时候,维修工2号被叫去调查。第二名工人在打开检查口视镜门时,被从检查口喷出的火球严重烧伤,由于火焰条件丰富,被煤烟熏黑。
•丙烷。丙烷的使用在农村地区很常见,有2,500 btu /立方英尺。丙烷的比重为1.52。它比空气重,释放到大气中时,会聚集在地面或地下室等低处。一些地方法规已经解决了这个问题,不允许在地下室使用比空气重的燃料气体。丙烷在空气中的可燃性范围约为2.1%至i0.1%。
许多年前,一个食品供应商的丙烷罐将丙烷泄漏到印第安纳露天看台下面的一个低区域。气体到达了一个点火源,在满是观众的露天看台下爆发成一片火海。
丙烷所需的燃烧空气量为每立方英尺气体需要25立方英尺空气或每100 btu需要1立方英尺空气。如果你正在设计一个使用丙烷作为燃料气体的建筑,一定要让设备制造商知道你将使用哪种燃料。对于使用丙烷的设备,燃烧器中的孔将更小,而对于使用丁烷的设备则更小。
•丁烷。丁烷不像丙烷那么普遍,主要在农村地区使用。丁烷的BTU含量约为3200 BTU /立方英尺。丁烷的比重为1.95,比空气重得多。像丙烷一样,丁烷也会聚集在地面的低洼处,并受到一些法规的限制。丁烷在空气中的可燃性范围约为1.9%至8.6%。燃烧丁烷所需的空气量是每立方英尺气体需要32立方英尺空气或每100 btu需要1立方英尺空气。
当使用天然气时,设计人员应确定每段管道的BTU要求,并除以1000 BTU /立方英尺的天然气,得到立方英尺/小时。(CFH)每段管道的气体流量。例如,如果管道连接的负载每小时需要200,000 btu,则需求为200 CFH。
丙烷的类似转换需要将给定管道段的btu连接负荷除以2500丙烷和3200丁烷系统,以确定燃料气体的CFH。在确定了一段管道的气体CFH后,使用合适的气体压力表和整个管道系统长度,专业人员可以从规范中的表格中选择管道尺寸。
天然气压力有几种不同的表示方式。高压气体系统的单位是磅/平方英寸(psi)。低压气体可以用psi,英寸水柱(wc)或盎司(oz)的压力来表示。一磅约等于28wc或16盎司的压力。因此,1/2磅等于14英寸。1盎司或8盎司。
燃料气体的压力因所用气体的类型而异。天然气通常通过高压管道从气田输送到公用事业公司,高压管道的压力可以达到数千psi。通过相对较小的管道输送大量气体的压力很大。当地公用事业公司通常通过带有仪表和调节器组件的输电线从市场购买天然气,以记录流量。
丙烷和丁烷通常在高压液体钢瓶中供应,在较低的压力下将处于气态。
安装要求
在旧的东海岸城市,有旧的铸铁燃气主管道,燃气公用事业公司不能向燃气调节器提供超过1/4 psi到1/2 psi的压力,因为旧的铸铁管道主可能会破裂、破裂或泄漏燃气。检查燃气器具制造商对设备正常运行所需的最小和最大气体压力的建议。
燃气管道一般不允许进入低于标高的建筑物。天然气管道在地下进入建筑物的装置是造成许多建筑物爆炸和火灾的原因。当燃气管道周围的土壤移动或沉淀时,它会沿着管道产生一个空洞,气体会在远离建筑物的地方泄漏。如果没有适当密封,它可以沿着管道传播并进入地下室或爬行空间。隐蔽空间或地板下的管道应该是双层管道,外部管道通风到外部。
通常情况下,公用事业分配压力小于100 psi,但在增长较快的地区,分配压力可能会更高。公用事业公司通常会在每个服务连接处提供一个带有燃气表组件的气体调节器,以将压力降低到客户所需的压力。压力通常降低到约1/ 2psi或14in。或者8盎司的气体压力。
一些工业或重气体用户可能会使用高达5 psi的压力。大多数机械规范对建筑物的压力限制为5 psi。如果大型工业锅炉、熔炉或其他设备需要更高的压力来运行,则可能存在差异。
与设备连接的管道应该有一个带污腿的气体关闭阀和一个用于拆卸设备的接头。如果气体器具没有连接到气体管道系统,则没有连接到气体器具的气体出口必须盖上气密的盖子。我调查了许多与未封顶的燃气管道泄漏有关的爆炸和火灾。一个简单的盖子或塞子可以防止灾难。
气体管道阀门应该具有所需压力的额定值,并具有燃气应用额定值。通常,在低压管道系统中,使用润滑气体旋塞。高压系统可以使用球阀或其他经批准的阀门。
气体管道的上浆应按照机械或气体规范中的上浆表进行。通常,管道的总开发长度是从燃气管道调节器到最远的设备确定的。然后,应该使用尺寸表中下一个最高长度的柱来确定从最远出口到压力调节器的管道的尺寸,根据需要增加每个分支上额外CFH的尺寸。
示范燃气规则
美国的两个示范规范是由国际规范委员会管理的国际燃气规范和NFPA 54 -国家燃气规范。以下是对这两个代码的回顾。
1.2018年国际燃气规则(IFGC)
IFGC的格式允许每章专门讨论一个特定的主题,但第三章除外,因为第三章所包含的一般主题不够广泛,不能单独设立一章。
•IFGC第1章-范围和管理。本章规定了燃气规则的适用范围,并说明了如何适用和执行该规则。《燃气法典》同任何其他法典一样,旨在作为具有法律效力的文件加以通过,如果没有对其管理和执行的充分规定,它就不能有效。
第一章的规定确立了有管辖权的机关任命的法典官员的权力和职责。它还规定了设计专业人员、承包商和业主的权利和特权。
•IFGC第2章-定义。第2章是代码体中使用的术语定义的存储库。代码是技术文档,每个单词、术语和标点符号都会影响代码文本的含义和预期结果。代码通常使用具有独特含义的术语;其含义可以与代码外部使用的术语的通常理解的含义有很大的不同。
代码的用户应该知道代码中定义的术语在代码文本中通常是斜体的。这种斜体字有助于用户熟悉和查阅定义的章节。这些定义对于正确解释代码至关重要,用户在使用代码时可能并不总是意识到本章中定义的术语。
•IFGC第3章-总则。本章包含与器具位置和安装、器具和系统访问、结构元件保护和可燃物间隙等有关的广泛适用的要求。它还包括燃气器具的燃烧空气规定。
•IFGC第4章-燃气管道安装。本章涵盖了燃气管道系统的允许材料以及此类系统的尺寸和安装。它还包括压力调节器,器具连接和超压保护装置。气体管道系统的尺寸既能满足最大的需求,又能维持所需的供应压力,确保所服务的设备安全运作。
•IFGC第5章-烟囱和通风口。本章规管烟囱、通风口、通风系统及其与燃气器具的连接的设计、建造、安装、保养、修理和审批。适当设计的烟囱、通风口和通风系统对于将器具中燃料燃烧产生的烟气输送到室外是必要的。本章的规定旨在尽量减少与高温和潜在有毒和腐蚀性燃烧气体有关的危害。
它还涉及所有工厂建造和现场建造的烟囱,通风口和通风系统,用于排放所有类型和类别的设备。它包括直接通风器具、整体通风器具、侧壁机械通风器具和从烹饪和其他过程器具中输送燃烧副产品的排气罩。
•IFGC第6章-专用器具。本章讨论了该法规打算规范的特定器具。每个主要部分适用于一种独特类型的燃气器具,并规定了器具必须列出的产品标准。在前面的第1章到第5章中发现的一般要求也适用。第6章的章节添加了针对每种设备类型的特殊要求。
•IFGC第7章-气态氢系统。本章专门讨论气态氢的产生、储存、分配和利用系统、器具和设备。需要注意的是,氢气并不在“燃料气体”的定义之内,但是,尽管如此,它通常被用作燃料电池发电和燃料电池驱动的汽车的燃料。
第7章的范围不限于氢的任何特定用途(参见第633节和第635节)。氢气系统具有独特的潜在危险,因为气体的比重,它对材料的化学作用以及它没有气味的事实。
•IFGC第8章-参考标准。本章列出了第1 ~第7章中涉及到的所有产品标准和安装规范。如第102.8节所述,这些标准和规范成为规范的可执行部分(在参考文献规定的范围内),就像印刷在规范正文中一样。第8章提供了标准和代码的完整标题和版本年份,以及颁布者的地址和引用标准和代码的章节号。
•IFGC附录A -燃气管道的尺寸和容量。本附录提供信息,但不是代码的一部分。它提供了设计指导,有用的事实和数据,以及如何应用第4章的分级表和分级方法的多个示例。
•IFGC附录B -配备通风罩的设备通风系统的尺寸;I类器具和列出用于B类通风口的器具。本附录提供信息,但不是代码的一部分。它包含了如何应用第5章的通风口和烟囱表和方法的多个例子。
•IFGC附录C -机械通风和直接通风系统的出口终端。本附录提供信息,但不是代码的一部分。它由图形和注释组成,直观地描述了第5章关于建筑外墙开口的通风终端的规范要求。
•IFGC附录D -现有器具安装安全检查推荐程序。本附录提供信息,但不是代码的一部分。它提供了测试和检查器具安装的推荐程序,以确定装置是否安全运行,器具是否处于安全状态。
2.2018年NFPA 54国家燃气规范(NFPA 54)
另一个燃气规范是2018年版的NFPA 54国家燃气规范,由国家消防协会(NFPA)制定并维护,修订周期为三年。2018年《国家燃气规范》通常被称为NFPA 54。与所有代码一样,确定哪个代码版本适用于给定的管辖范围和给定的时间段是很重要的。
《国家燃气法典》是最古老的燃气法典,经过多年的修订和重新编号。正如你所看到的,NFPA 54中有几个章节没有在IFGC中找到。NFPA 54目前正处于2021年版修订过程的最后阶段。本专栏涵盖2018年版。
•NFPA 54,第1章-管理。本章涵盖范围、目的、溯及力、等效性和执行力。
•NFPA 54,第2章-参考出版物。本章涵盖一般参考文献、NFPA参考出版物、其他参考出版物和强制性章节摘录的参考文献。
•NFPA 54,第3章-定义。
•NFPA 54,第4章-总则。本章涵盖合格机构、服务中断、防止意外点火和不燃材料。
•NFPA 54,第5章-燃气管道系统设计,材料和组件。本章涵盖管道图、交货点的位置规定、气体管道系统之间的互连、气体管道系统的尺寸、操作压力、可接受的管道材料和连接方法、燃气表、气体压力调节器、超压保护装置、反压保护、低压保护、截止阀、超流量阀、膨胀和灵活性。
•NFPA 54,第6章-管道尺寸。本章涵盖管道的尺寸方法,天然气管道系统的尺寸和丙烷管道系统的尺寸。它还涵盖了燃气尺寸方程。
•NFPA 54,第7章-燃气管道安装。本章包括地下管道、地上管道、建筑物内隐蔽管道、垂直楼道管道、燃气弯管、滴漏和沉淀池、排气口、手动燃气截止阀、禁止装置、含有可燃范围以外的气体-空气混合物的系统、含有可燃气体-空气混合物的系统、电气粘接和接地、电路和电气连接的安装。
•NFPA 54,第8章-检查,测试和清洗。本章涵盖压力测试和检查、管道系统泄漏检查和清洗要求。清洗要求对于新装置来说很重要,因为气味剂(乙基硫醇)可以通过气味消散到无法检测到的水平。
•NFPA 54,第9章-器具,设备和附件安装。本章涵盖了一些一般设备和附件要求、可及性和间隙要求、燃烧和通风空气、屋顶上的器具、阁楼上的器具、建筑物管道上的器具和设备连接、电气要求和室温恒温器要求。
•NFPA 54,第10章-特定器具的安装。本章涵盖一般设备要求,以及一长串不同设备的要求。它还包括用于车辆燃料系统的压缩天然气(CNG),用于安装在制造房屋中的设备,燃料电池发电厂和室外火焰装饰设备。
•NFPA 54,第11章-操作设备应遵循的程序。本章包括燃烧器输入调节、一次风量调节、安全关闭装置、自动点火装置、保护装置、送风检查和操作说明。
•NFPA 54,第12章-设备通风。本章涵盖了最低安全性能、通用设备通风要求、通风规范、设计和结构、用于正排气系统或负排气系统以及用于冷凝与非冷凝排气系统的通风系统类型。
它还包括砌体、金属和工厂建造的烟囱、排气口、单壁金属烟道、穿墙式排气终端、冷凝烟道的冷凝排水管、1类器具的排气接头、2、3和4类器具的排气接头、通风罩和通风控制装置、手动操作阻尼器、自动操作排气阻尼器和器具通风口的阻塞。
•NFPA 54,第13章-第1类通风系统的尺寸。本章涵盖了单设备通风口和多设备通风口的附加要求。
•NFPA 54,附录A -解释性材料。每一章。
•NFPA 54,附件B -燃气管道的尺寸容量。分级表。
•NFPA 54,附录C -检查泄漏的建议方法。
•NFPA 54,附件D -建议的气体泄漏应急程序。
•NFPA 54,附件E -通过固定孔的气体流量。
•NFPA 54,附件F -第1类电器和家用电器配备通风罩的通风系统的尺寸。与B型通风口一起使用。
•NFPA 54,附件G -现有设备安装安全检查推荐程序。
•NFPA 54,附录H -室内燃烧空气计算实例。
•NFPA 54,附录J -执行。
•NFPA 54,附录K -信息参考。
NFPA 54的修订
以下是《国家燃气规则》2018年版的主要变化摘要:
1.电器的电气接地连接器允许用作所列抗弧护套或涂覆波纹不锈钢管(CSST)的粘合手段,并且不锈钢光滑壁管和管产品已被添加为可接受的管道材料。
2.碳管和不锈钢管的最小允许壁厚修订为附表10;但是,附表10管道上的接头不能用螺纹接头制造。
3.压接接头现在是一种可接受的燃气管道连接方法。
4.对通风要求的修订包括要求将塑料通风材料、工厂建造的烟囱、B型和BW型通风口、烟囱内衬系统和特殊气体通风口列入适当的UL标准。
这个代码变更让我很担心。塑料烟道排气材料最近被添加到燃气规范中,因为许多高效设备制造商正在使用塑料管代替不锈钢烟道。在美国,塑料管道还没有被批准的标准,所以一些塑料管道制造商找到了标准制定者,要求制定一个标准来解决用于烟气排放的塑料管道问题。
塑料管测试允许对相同的塑料管进行测试并列出此应用程序,除了贴纸外,基本上相同的产品价格要高得多。他们选择了开发一种标准路线,而不是专注于要求限制温度的开关或烟道温度传感器,用于想要使用塑料烟道的燃气器具。代码确实要求为给定的应用程序列出组件,因此我理解他们如何选择这种遵从性路径,但产品并不安全。
问题是,如果热交换器在燃料燃烧设备上结垢,烟气温度很容易超过塑料管道材料的额定温度。一些设备制造商增加了烟气温度限制开关,但这不是必需的,并不是所有的燃料燃烧设备都有限制开关。
当安装失败时,塑料管将熔化或坍塌,并导致燃烧产物泄漏,已知会导致一氧化碳事故。它们也可能是火灾隐患。如果塑料烟道气管道符合这个新标准的测试,现在就被批准了。
我不建议在燃料燃烧设备上使用塑料管道,除非燃气器具在设备的出口烟道连接处内置了限热开关或烟气温度传感器。当烟气温度达到所连接的塑料烟道材料的温度极限时,无论温度/材料是什么,这将关闭燃料。每种塑料烟气材料都有不同的温度等级或开始屈服或熔化的点。
如果制造商希望其燃料燃烧设备的额定PVC塑料烟道材料,它应该有一个较低的热切断开关温度设置比器具额定CVPV或其他更高的额定温度的塑料烟道材料。
5.当安装燃气器具的建筑物结构进行特定的减少空气渗透的改变时,必须检查现有的燃气器具装置是否符合燃烧空气和通风规范。旧的建筑方法允许更多的渗透,这是燃烧空气需求的因素。
随着新的,更紧密的结构,旧的电器可能需要提供燃烧空气,以确保适当的燃烧。应查阅NFPA 54的文本,以了解这些和其他要求的完整语言。
6.由于最近许多与燃气净化操作相关的燃气爆炸和火灾,NFPA 54要求在净化燃气管道或在新的或修改的燃气管道系统的压力测试期间定位泄漏时使用可燃气体探测器或指示器。但是,它们不需要永久放置在任何空间中。
我曾为许多燃气爆炸提供咨询,在这些爆炸中,由于气体在管道中停留了很长一段时间,对新管道进行了净化操作,导致气味减弱。煤气公司添加的气味剂已经消失了,闻起来不容易察觉。
7.所列燃气燃烧器具必须附有标签,说明所需的许可。制造商的说明书中应该有清关信息。NFPA 54第10章为许多类型的未列出的器具提供了许可。
8.燃气管道不需要单独的粘接连接,除非发生下列情况之一:
•有电气连接的燃气器具,连接到未接地的布线系统(即双头插头)。
•管道系统外有高压电源,可能会给燃气管道系统供电(极不寻常或不太可能)。
•在燃气管道材料为CSST的情况下,NFPA 54不适用于未连接到以下固定燃料管道系统的便携式低压燃气器具和所有类型的设备:公用燃气厂的液化石油气装置;电力发电厂的燃气管道;供气供应商配发气体所用的气体管道、仪表、气体压力调节器及其他附属设备,但未稀释的石油气除外;或者是设备的构造。有关NFPA 54未涵盖的应用列表,请参阅NFPA 54燃料气体规范第1.1.1.2节。