越秀金融大廈空調(diào)冷卻水補(bǔ)水管道水錘問(wèn)題改造

摘 要：超高層建筑給排水設(shè)計(jì)中，水錘問(wèn)題是超高層建筑的一個(gè)質(zhì)量難題。越秀金融大廈于2015年7月投入使用，其中央空調(diào)冷卻水補(bǔ)水系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有多功能水泵控制閥、水錘消除器等措施，但使用兩年均無(wú)法降低水錘影響至合理范圍，導(dǎo)致水泵損壞、支架松脫、管道漏水等現(xiàn)象。通過(guò)多次系統(tǒng)分析及專題討論，提出水錘產(chǎn)生的原因?yàn)橹够亻y選型有誤及選用的水泵多功能閥壓力等級(jí)過(guò)小，最終通過(guò)升級(jí)多功能閥門壓力等級(jí)、加裝水錘消除氣壓罐、采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)控制流速技術(shù)等方法，解決了超高層建筑嚴(yán)重的水錘問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；水錘；水泵多功能閥

中圖分類號(hào)：TU834.851" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2024）10-0122-04

1 水錘的原因及參數(shù)計(jì)算

1.1 水錘原因分析

在給水系統(tǒng)中，水錘在給水泵房和二次加壓泵站常有發(fā)生，給整個(gè)給水管網(wǎng)帶來(lái)危害，輕則引起管道振動(dòng)，水壓波動(dòng)，流量瞬間波動(dòng)較大，影響正常使用，產(chǎn)生水錘噪聲，傳播到整個(gè)管道系統(tǒng)，配件松動(dòng)，重則爆管漏水，造成供水中斷事故，還有帶來(lái)?yè)p壞設(shè)備，傷及操作人員等次生災(zāi)害。

在超高層建筑中，由于管網(wǎng)壓力較高，危害更大[1-5]。因而水錘的防護(hù)是整個(gè)給水管網(wǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素，也越來(lái)越被人們所重視[6-7]。水錘是由于水泵啟動(dòng)、停止和閥門等的突然關(guān)閉，使水管中流速突然變化，導(dǎo)致壓力下降或升高所引起的水力撞擊。當(dāng)壓力降低到管中水的氣化壓力時(shí)，就會(huì)引起水柱分離（斷流）現(xiàn)象，出現(xiàn)斷流空腔，并在空腔彌合時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊升壓，這就是斷流彌合水錘，它所形成的高壓約為常壓的4～6倍，并且傳遞很快[8-9]。事實(shí)已證明，這種正負(fù)壓均具有破壞性的水錘，對(duì)水泵和整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)具有很大的破壞性，并且產(chǎn)生很大的水流噪聲。

根據(jù)閥門等關(guān)閉/開啟時(shí)間Ts與水錘波相長(zhǎng)t的差異，水錘表現(xiàn)為直接水錘和間接水錘兩種形式：當(dāng)Ts＜T時(shí)，在閥門關(guān)閉過(guò)程中，反射回來(lái)的負(fù)水錘波未到達(dá)閥門時(shí)，閥門已關(guān)閉。關(guān)閥水錘所產(chǎn)生的總壓強(qiáng)增高值無(wú)負(fù)水錘波的干擾作用，這種水錘稱為直接水錘，當(dāng)Ts＞T時(shí)，在閥門關(guān)閉過(guò)程中，反射回來(lái)的負(fù)水錘波到達(dá)閥門時(shí)，閥門常未完全關(guān)閉，負(fù)水錘波導(dǎo)致壓強(qiáng)增值受到了干擾（即降低），水錘峰值被削減，這種水錘稱為間接水錘。在同一條件下，直接水錘比間接水錘的危害性要大得多，危害最大的是斷流彌合水錘[10]。

1.2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

1.2.1 水錘的增壓值的理論計(jì)算

給水系統(tǒng)關(guān)閉水錘壓力峰值P為給水管網(wǎng)工作壓力P1和關(guān)閉水錘壓力增值ΔP的疊加值，如式（1）所示[11-12]。

P=P1+ΔP " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

1.2.2 直接水錘壓力增值

按儒可夫斯基公式，可以計(jì)算供水系統(tǒng)中發(fā)生關(guān)閥直接水錘時(shí)的壓力增值ΔP：

ΔP=[γ C（V0-V）]/（1000g） " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中：ΔP為關(guān)閉直接水錘的壓力增加值，單位為kPa；v0為水錘產(chǎn)生前管道中的平均流速，單位為m/s；v為水錘產(chǎn)生后管道中的平均流速，單位為m/s；γ為水的重度，取9.8 kN/m3；g為重力加速度，單位為m/s2；C為水錘波的波速，單位為m/s。

C=C0/[1+K/E）*（1/δ）] " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：C0為在密度為ρ，彈性模量為K時(shí)的無(wú)邊界液體介質(zhì)中聲音的傳遞速度，C0＝K/ρ，對(duì)于水C0＝1 425 m/s；K為水的彈性模量，取2.04×105 N/cm2；E為管壁材料的彈性模量，鋼管時(shí)取2.04×107N/m2；D為供水管的直徑，mm；δ為供水管的管壁厚度，單位為mm。

從式（3）中可以看出，當(dāng)管道材料及所輸送的介質(zhì)確定以后，直接水錘的壓力增值ΔP主要隨著流速v0的增大而增大。因而適當(dāng)降低流速即增大管徑來(lái)降低水錘的危害。

1.2.3 間接水錘壓力增值ΔP\"

間接水錘的壓力增值可近似由式（4）進(jìn)行計(jì)算[13-15]。

ΔP\"=T/TS*ΔP" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

由于發(fā)生間接水錘時(shí)Ts＞T，由式（2）～（4）可知，ΔP\"＜ΔP，即同樣條件下間接水錘直接水錘的水錘壓力峰值要小。T/Ts的比值越小，間接水錘的壓力增值ΔP\"越小，即閥門關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)，ΔP\"越小。但如果關(guān)閉時(shí)間太長(zhǎng)容易引起壓力管道中的水大量倒流，使水泵反轉(zhuǎn)速度超過(guò)允許值，或者造成壓力管道中的水柱被快速拉斷，部分管段出現(xiàn)真空，甚至產(chǎn)生斷流彌合水錘。

在工程中，當(dāng)管網(wǎng)直徑大于800 mm時(shí)，一般以Ts＝（1.3～1.5）T為宜。當(dāng)管道直徑較小、管道不長(zhǎng)時(shí)，Ts可以適當(dāng)加大，Ts可以是T的2～10倍，把實(shí)際水錘壓力P限定在安全范圍內(nèi)。

2 水錘防護(hù)措施

2.1 采用恒壓控制技術(shù)

對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行變頻調(diào)速控制，以對(duì)整個(gè)供水泵系統(tǒng)操作實(shí)行自動(dòng)控制。供水管網(wǎng)壓力隨著工況的變化而不斷變化，機(jī)泵工頻運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)低壓或超壓現(xiàn)象，容易產(chǎn)生水錘，導(dǎo)致對(duì)管道和設(shè)備的破壞。采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)管網(wǎng)壓力的檢測(cè)，反饋控制水泵的開、停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可控制流量，進(jìn)而使壓力維持一定水平。通過(guò)控制微機(jī)設(shè)定機(jī)泵供水壓力，保持恒壓供水，避免了過(guò)大的壓力波動(dòng)，使產(chǎn)生水錘的概率減小。

2.2 采用泄壓保護(hù)技術(shù)

2.2.1 氣壓罐

利用氣體體積與壓力的特定定律工作。隨著管路中的壓力變化氣壓罐向管道補(bǔ)水或吸收管路中的過(guò)高壓力。

2.2.2 水錘消除器

該設(shè)備主要防止停泵水錘，一般安裝在水泵出口管道附近，利用管道本身的壓力為動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓自動(dòng)動(dòng)作，即當(dāng)管道中的壓力低于設(shè)定保護(hù)值時(shí)，排水口會(huì)自動(dòng)打開放水泄壓，以平衡局部管道的壓力，防止水錘對(duì)設(shè)備和管道的沖擊。消除器一般可分為機(jī)械式和液壓式兩種，機(jī)械式消除器動(dòng)作后由人工恢復(fù)，液壓式消除器可自動(dòng)復(fù)位。

2.2.3 泄壓保護(hù)閥

該設(shè)備安裝在管道的任何位置，和水錘消除器工作原理一樣，只是設(shè)定的動(dòng)作壓力是高壓，當(dāng)管路中壓力高于設(shè)定保護(hù)值時(shí)，排水口會(huì)自動(dòng)打開泄壓。

2.3 采用控制流速技術(shù)

在建筑給水設(shè)計(jì)中，為防止或減小管中水錘及水流噪聲的發(fā)生，管道流速宜采用規(guī)定范圍中、下限值，DN≤40 mm時(shí)，V采用0.6～1.0 m/s，DN＞40 mm時(shí)，V采用1.0～1.2 m/s為宜。

采用水力控制閥，一種采用液壓裝置控制開關(guān)的閥門，一般安裝于水泵出口。該閥利用機(jī)泵出口與管網(wǎng)的壓力差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉，閥門上一般裝有活塞缸或膜片室控制閥板啟閉速度，通過(guò)緩閉來(lái)減小停泵水錘沖擊，從而有效消除水錘。

具體方案如下：在管路中各峰點(diǎn)安裝可靠的排氣閥，對(duì)供水裝置的泵房實(shí)施自動(dòng)控制、變頻恒壓改造，并配套在機(jī)泵出口安裝水力控制閥（或快閉式止回閥）。在管網(wǎng)各主干管上安裝水錘消除器和泄壓閥，在各管道波峰點(diǎn)安裝自動(dòng)排氣閥。在管網(wǎng)系統(tǒng)安裝中，采用柔性接口（鋁接口、橡膠圈接口）采用減振吊架、支架等來(lái)減小水錘對(duì)管網(wǎng)的破壞。在水泵進(jìn)出水管上加設(shè)軟接頭，并對(duì)水泵基礎(chǔ)進(jìn)行防振處理等措施。

3 工程實(shí)例

3.1 情況簡(jiǎn)介

越秀金融大廈工程項(xiàng)目總占地面積10 836m2，總建筑面積211 457.09m2，主體總高度309.4 m，共65層，于2015年8月竣工驗(yàn)收并交付使用?？照{(diào)冷卻水供水系統(tǒng)分三段傳輸供水，分別是負(fù)3層至15層傳輸泵兩臺(tái)一用一備（高度為81 m）、15層至52層傳輸泵兩臺(tái)一用一備（高度約為150 m）、52層至天面變頻傳輸泵兩主兩副（高度為79 m）。地下一層水泵房設(shè)有生活給水泵二臺(tái)，一用一備，消火栓給水泵3臺(tái)，二用一備，噴淋給水泵二臺(tái)，一用一備。

3.2 改造原因

項(xiàng)目在竣工后的使用過(guò)程的兩年中發(fā)現(xiàn)，空調(diào)冷卻水補(bǔ)水中段傳輸（即15層至52層）的冷卻水供水系統(tǒng)在停泵時(shí)，存在較大的水錘影響。具體表現(xiàn)為產(chǎn)生水錘噪聲，傳播到整個(gè)管道系統(tǒng)，已發(fā)生配件松動(dòng)，爆管漏水，造成供水中斷事故，同時(shí)還有水泵損壞等情況。該情況兩年多的時(shí)間內(nèi)未有解決，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全使用及運(yùn)營(yíng)。

3.2.1 原有設(shè)計(jì)情況介紹

本項(xiàng)目冷卻塔設(shè)于屋面，其補(bǔ)水系統(tǒng)采用串聯(lián)供水的方式，在地下3層、15層、51層設(shè)有補(bǔ)水轉(zhuǎn)輸設(shè)備，地下3層、16層、52層設(shè)有補(bǔ)水水箱。由于中間樓層并無(wú)用水點(diǎn)，考慮減少設(shè)備節(jié)約投資，故33、34層不另設(shè)補(bǔ)水傳輸設(shè)備和水箱。52層補(bǔ)水水箱由15層轉(zhuǎn)輸泵直接供水，15層轉(zhuǎn)輸泵揚(yáng)程為175 m?？紤]15層轉(zhuǎn)輸泵揚(yáng)程較高，功率大（90 kW），容易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，原設(shè)計(jì)在水泵出水管設(shè)置了多功能水泵控制閥、水錘消除器等防水錘措施。15層冷卻塔用水轉(zhuǎn)輸泵接管系統(tǒng)圖如圖1所示，15層冷卻塔用水轉(zhuǎn)輸泵接管系統(tǒng)主要配料一覽如表1所示。

3.2.2 原有施工實(shí)施及調(diào)試情況

該項(xiàng)目原施工中使用1.6 MPa壓力等級(jí)的多功能調(diào)節(jié)閥，水錘問(wèn)題存在，后改用進(jìn)口的普通止回閥，水錘問(wèn)題仍然存在且沒(méi)有改善。之后為解決該問(wèn)題，施工單位進(jìn)行了以下方案調(diào)整：①將水泵出口止回閥更換為緩閉式止回閥對(duì)比水錘消除效果，并對(duì)管道接口位置加強(qiáng)焊接。②為減少水錘對(duì)立管底部沖擊，設(shè)計(jì)單位在2015年4月做出相應(yīng)變更，在33層立管增設(shè)止回閥。③2015年7月查看現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)單位發(fā)現(xiàn)部分管道彎頭及立管底部處管道支吊架剛性不足，已要求施工單位進(jìn)行加固。④2016年，針對(duì)水錘現(xiàn)象施工單位前往其他項(xiàng)目進(jìn)行考察，參考相關(guān)項(xiàng)目做法在水泵出水管出增設(shè)泄壓閥，但關(guān)閉水錘消除器。

經(jīng)以上措施后，水錘削減效果仍然較不理想，水錘異響及振動(dòng)仍不能保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3.3 水錘問(wèn)題分析

業(yè)主管理公司組織設(shè)計(jì)單位、施工單位、物業(yè)公司、水泵廠家、閥門廠家多次專題討論及現(xiàn)場(chǎng)觀察分析，確定全進(jìn)口的普通止回閥無(wú)法實(shí)現(xiàn)消除水錘的效果。施工單位更換的緩閉式止回閥雖可較好消除水錘問(wèn)題，但因選用壓力等級(jí)不夠（PN≧1.6 MPa），水泵停止運(yùn)行后，無(wú)法按調(diào)試時(shí)間完成關(guān)閉水流，消除水錘影響。因此系統(tǒng)選用普通止回閥及選用壓力等級(jí)不夠的水泵多功能閥，是項(xiàng)目水錘問(wèn)題的根本原因。

150 m給水傳輸?shù)母卟钤诔邔咏ㄖ褂幂^少應(yīng)用，以100～130 m為居多。物業(yè)公司提出建議在中間設(shè)備層（33層）加建傳輸水箱及水泵設(shè)備，考慮成本需投入約150萬(wàn)元，且后期運(yùn)營(yíng)需投入人力及設(shè)備維保，該方案非最優(yōu)方案，故沒(méi)有采用。

該系統(tǒng)現(xiàn)已完工并投入了使用，為從根本上解決水錘問(wèn)題，綜合大廈現(xiàn)場(chǎng)及運(yùn)營(yíng)情況從簡(jiǎn)單至復(fù)雜的方案進(jìn)行逐條分析。整改的排列順序如下：①采用升級(jí)多功能閥門壓力等級(jí)方向考慮，從傳輸水高差約150 m考慮，原設(shè)計(jì)方案使用壓力等級(jí)1.6 MPa的多功能閥雖然屬于工作壓力范圍，但在停泵時(shí)出現(xiàn)給水系統(tǒng)關(guān)閉水錘壓力峰值P應(yīng)大于1.6 MPa（給水管網(wǎng)工作壓力P1和關(guān)閉水錘壓力增值的疊加值即：P＝P1＋Δp）。根據(jù)多功能閥的工作原理可知，如壓力等級(jí)不足，則無(wú)法有效控制停泵關(guān)閥的時(shí)間，即無(wú)法控制流速，所以優(yōu)先考慮更換壓力等級(jí)2.5MPa或以上的多功能閥，該方案如可行，則改造的內(nèi)容最少，無(wú)需新增機(jī)電設(shè)備，費(fèi)用最低，日后運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便。②采用泄壓保護(hù)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)已安裝水錘消除器及泄壓閥，但這些設(shè)施的水錘消防效果遠(yuǎn)沒(méi)有水錘消除氣壓罐效果明顯，故如上述方案未能有效消除水錘?？砂惭b水錘消除氣壓罐，現(xiàn)場(chǎng)有安裝該設(shè)備的位置，預(yù)算費(fèi)用也相對(duì)不高。③采用控制流速技術(shù)。采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)管網(wǎng)壓力的檢測(cè)，反饋控制水泵的開、停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制流量，進(jìn)而使壓力在啟動(dòng)及停止階段的變化均維持一定水平，避免了過(guò)大的壓力波動(dòng)，該方法可有效降低水錘影響，但需投入一套大功率的水泵變頻配電柜。

3.4 改造及調(diào)試情況

拆除原有系統(tǒng)水泵出口普通止回閥、壓力等級(jí)不足的緩閉式止回閥及水錘吸納器、減振玻紋管等?，F(xiàn)場(chǎng)安裝壓力等級(jí)為2.5 MPa的國(guó)產(chǎn)多功能水泵控制閥，水泵控制閥采用多功能水泵控制閥，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開泵時(shí)的緩開/準(zhǔn)軟啟動(dòng)，停泵時(shí)的速閉/緩閉，基本上可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行液控緩閉閥的功能，即兩階段關(guān)閉過(guò)程（一般緩閉止回閥通過(guò)快關(guān)，慢關(guān)兩階段實(shí)現(xiàn)）。安裝完成后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試產(chǎn)生的停泵水錘壓力峰值為1.7 MPa，小于一般處理水錘壓力峰值2.25 MPa。停泵后水泵最大反轉(zhuǎn)速度為600 r/min，不超出水泵正常轉(zhuǎn)速，無(wú)需進(jìn)一步增加改造內(nèi)容。改造后，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)一切基本正常，大大減少系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)維修管理費(fèi)用。改造前后圖如圖2、3所示，修改設(shè)計(jì)通知單如圖4所示。

改造后水泵啟動(dòng)時(shí)比較平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)間約5 s，停泵時(shí)間為5～7 s，管道及水泵運(yùn)行平穩(wěn)，水錘大大消除，整體運(yùn)行明顯改善，達(dá)到了目的，減少水錘產(chǎn)生的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為更好地了解超高層建筑的水錘問(wèn)題，本文結(jié)合實(shí)例，對(duì)超高層建筑的水錘問(wèn)題進(jìn)行研究，提出水錘產(chǎn)生的原因?yàn)橹够亻y選型有誤及選用的水泵多功能閥壓力等級(jí)過(guò)小，本文所得主要結(jié)論如下：①升級(jí)多功能閥門壓力等級(jí)，采用等級(jí)為2.5 MPa的國(guó)產(chǎn)多功能水泵控制閥。②采用泄壓保護(hù)技術(shù)，加裝水錘消除氣壓罐。③采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)控制流速技術(shù)。

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