论文部分内容阅读
摘要：分析高层建筑给水系统中水锤形成的原因，介绍了水锤现象的产生及其危害，提出了避免停泵水锤危害应采取的措施。
关键词：高层建筑；给水系统；水锤；气压罐
1、水锤的危害
在压力管流中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象称为水锤，也称水击。这时．液体(水)显示出它的惯性和可压缩性。对于建筑给水系统的水锤危害，许多施工人员在实际的施工过程中，往往忽略了对其进行校验和改进，为日后系统的正常运行留下安全隐患。通过数年的工程实践，在建筑给水系统水锤防护方面略有一些体会。
在给水系统中安装有离心泵的水泵房中，因开、停水泵、事故断电或其它原因而突然(开阀)开、停水泵，则在给水管道内首先产生压力波动，随后视流速大小爰管路系统情况产生程度
不同的压力上升，即水锤。水锤的延续时闻虽然短暂。但它会造成严重的工程事故，轻则引起管道振动、水压波动、流量迅间波动较大，影响正常使用、产生水锤噪音、传播到整个管道系统、配件松动。重则爆管漏水、造成供水中断事故、还有带来损坏设备、伤及操作人员等次生灾害。特别是在高层建筑中，由于管网压力较高，危害更大。因此在高层建筑给水系统中，对水锤的防护也应该高度重视起来。
2、水锤防护措施
2.1采用恒压控制技术
对水泵机组进行变频调速控制，对整个供水泵系统操作实行自动控制。供水管网压力随着工况的变化而不断变化，机泵工频运行时经常出现低压或超压现象，容易产生水锤，导致对管道和设备的破坏，采用PLC自动控制系统，通过对管网压力的检测，反馈控制水泵的开、停和转速调节，控制流量，进而使压力维持一定水平，可以通过控制微机设定机泵供水压力，保持恒压供水，避免了过大的压力波动，使产生水锤的概率减小。
2.2采用泄压保护技术
2.2.1气压罐：它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力。
2.2.2水锤消除器：该设备主要防止停泵水锤，一般安装在水泵出口管道附近，利用管道本身的压力为动力来实现低压自动动作，即当管道中的压力低于设定保护值时，排水口会自动打开放水泄压，以平衡局部管道的压力，防止水锤对设备和管道的冲击，消除器一般可分为机械式和液压式两种，机械式消除器动作后由人工恢复，液压式消除器可自动复位。
2.2.3泄压保护阀：该设备安装在管道的任何位置，和水锤消除器工作原理一样，只是设定的动作压力是高压，当管路中压力高于设定保护值时，排水口会自动打开泄压。
2.3采用控制流速技术
2.3.1在建筑给水设计中，为防止或减小管中水锤及水流噪声的发生，管道流速宜采用规定范围中、下限值，DN≯40mm时，采用V＝0.6-1.0m／s，DN〉40mm时，采用V＝1.0-1.2m／s为宜。
2.3.2采用水力控制阀，一种采用液压装置控制开关的阀门，一般安装于水泵出口，该阀利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从而有效消除水锤。
2.3.3采用快闭式止回阀，该阀结构是在快闭阀板前采用导流结构，停泵时，阀板同时关闭，依靠快闭阀板支撑住回流水柱，使其没有冲击位移，从而避免产生停泵水锤。
2.4在管路中各峰点安装可靠的排气阀：对供水装置的泵房实施自动控制、变频恒压改造，并配套在机泵出口安装水力控制阀(或快闭式止回阀)，在管网各主干管上安装水锤消除器和泄压阀，在各管道波峰点安装自动排气阀。
2.5在管网系统安装中，采用柔性接口(铝接口、橡胶圈接口)采用减振吊架、支架等来减小水锤对管网的破坏。在水泵进出水管上加设软接头，并对水泵基础进行防振处理等措施。
2.6阀门缓慢地关闭和开启，可减小输水干管中流速的变化率——梯度，从而可以减小水锤压力的升高和降低。为此，可选用(对较重要的泵系统，必须进行计算机动态模拟和方案比较)两阶段关闭的可控阀(如蝶阀)或各种形式的缓闭止回阀。
2.7 对于高层建筑给水系统,通常可以从以下几个方面来考虑减轻水锤危害: ①选用转动惯量较大的水泵; ②水泵软启动与软停泵; ③水泵出口选用缓闭止回阀; ④设置气压罐。
2.7.1水泵转动惯量
水泵的转动惯量可以影响水泵转速的增加和降低。转动惯量越大,水泵从停泵到停止转动所花的时间就越长。较高转动惯量的水泵能够更好地控制水锤的发生,因为它可以使水更长时间流过水泵,从而减缓水泵的减速过程。这一特性能够减缓水锤的产生,降低最大水锤压力。可见水锤压力随着水泵转动惯量的增大而减小。
2.7.2水泵软启动与软停泵水泵在正常运行时的启动和停止过程如果过快,会使管道中产生瞬变流,引起较大的水锤压力。除非停电,否则应该采用不同的技术使通过水泵的流量变化尽量缓慢。如采用水泵软启动装置或变频设备来最大限度降低水锤压力。在对水泵机组进行变频调速控制时,供水管网压力随工况的变化而不断变化,水泵工频运行时经常出现低压或超压现象,容易产生水锤。通过对管网压力的检测,反馈，并控制水泵的开、停和转速调节,控制流量,进而使压力维持一定水平,可以通过控制微机设定水泵供水压力,保持恒压供水,避免过大的压力波动,使产生水锤的概率减小。
2.7.3缓闭止回阀快关止回阀是水锤压力的主要来源之一。由于停泵后,水流速度迅速降低直至产生反向流量,止回阀快速关闭,使倒流水柱与止回阀发生猛烈撞击,产生水锤压力。缓闭止回阀可以减缓管道中水流的变化,从而降低水锤压力。
2.7.4气压水罐能够在管道系统压力升高时将系统中的水放出,压力降低时向系统中注水。气压水罐一般设置在水泵出口处,水罐上部为压缩空气,下部分是水。当水泵停止运行时,管道压力降低,气压水罐中的压缩空气膨胀,将罐中的水压入管道中,而当水锤压力生成时,管道压力升高,气压水罐中的气体被压缩,管道中的水进入到气压水罐中,这样,气压水罐就起到了很好的压力缓冲作用,有效地降低水锤压力。
3、工程实例
（1） 某建筑高度201m超高层建筑，由地上58层和三层地下室组成，总建筑面积：132130.00平方米，地下三层水泵房设有生活给水泵5台，三用两备，消火栓给水泵十台，五用五备，喷淋给水泵十台，五用五备。消火栓和喷淋给水系统采用高压给水系统，分高低两个区。消防水泵扬程为220m，管径DN250mm，设计流速为1.5-2.5m／s，C＝980.4m／s，水锤波相长T为12.2s，Ts＝2.25T＝30s，理论上产生间接水锤的峰值为：1.68MPa，在施工中考虑高低区压差较大，在二十七层高低区分区主管上加设一比例式减压阀，比例式减压阀不但能减静压，还能减动压，起到防止低区水锤作用，而且能保证低区工作压力不致过高而产生对管网、消防及给水设施的破坏。还在二十七层给水主管上设有一防水锤水箱，以减少间歇停泵时所产生的水锤。水泵控制阀采用多功能水泵控制閥，自动实现开泵时的缓开／准软启动，停泵时的速闭／缓闭，基本上可以实现现行液控缓闭阀的功能，即两阶段关闭过程(一般缓闭止回阀通过快关，慢关两阶段实现)，安装完成后，据现场测试产生的停泵水锤压力峰值为1.19MPa，远远小于一般处理水锤压力峰值2.25MPa，停泵后水泵最大反转速度为600r／min。到现在为止，整个系统运转一切基本正常，大大减小系统运转维修管理费用。
（2）如一幢30 层的高层建筑,最大时设计水量为25 m3 / h ,2 台水泵供水,1 用1 备,水泵泵轴标高0 m ,楼顶设水箱,水箱水位标高100 m ,水泵设计流量25 m3 / h ,扬程130 m ,转速1 450 r/ min ,水泵与电机的转动惯量总和5 kg ·m2 。管道为D N65 钢管,水锤波速1 100 m/ s。在水泵出口处设置快关止回阀。假设水泵突然停止运行,整个管道在水泵止回阀处将产生最大的水锤压力,达到380 mH2O ,压力升高2. 92倍。
4、水锤防护措施的选择
选择水锤防护措施应考虑以下几个因素：
4.1所选用的防护措施，应与所处泵站及管路系统的规模、作用、对安全性的要求及技术(管理)水平等相适应．尽可能地选用技术安全可行、经济合理、管理维护方便的防护措施。如对如气压罐、双向调压塔、单向调压塔、水锤消除器、缓闭止回阀等水锤消除装置
4.2 在有可能产生水锤危害的情况下．应早期防治。如在设计泵房及管路系统时．在选定输水管走向、选用水泵机组和管材，确定管径及管内流速等方面．都应考虑采取消除或减轻水锤危害的措施。
4.3 根据具体情况．尽可能采用综合性防护措施(几种措施同时采用)．以提高防护功能的安全可靠性。
4.4对防护设备的管理维护及操作等方面的要求，应给予足够重视。
4.5防护措施(方法)的选择，必须与水锤计算及分析互相配合， 同时进行。
5、结束语
在有可能产生水锤危害的情况下，应及早防治。如在设计泵房及管路系统时，在选定输水管走向、选用水泵机组和管材、确定管径及管内流速等方面，都应考虑采取消除或减轻水锤危害的措施。另外，应根据具体情况，尽可能采用综合性防护措施(几种措施同时采用)，以提高防护功能的安全可靠性。
关键词：高层建筑；给水系统；水锤；气压罐
1、水锤的危害
在压力管流中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象称为水锤，也称水击。这时．液体(水)显示出它的惯性和可压缩性。对于建筑给水系统的水锤危害，许多施工人员在实际的施工过程中，往往忽略了对其进行校验和改进，为日后系统的正常运行留下安全隐患。通过数年的工程实践，在建筑给水系统水锤防护方面略有一些体会。
在给水系统中安装有离心泵的水泵房中，因开、停水泵、事故断电或其它原因而突然(开阀)开、停水泵，则在给水管道内首先产生压力波动，随后视流速大小爰管路系统情况产生程度
不同的压力上升，即水锤。水锤的延续时闻虽然短暂。但它会造成严重的工程事故，轻则引起管道振动、水压波动、流量迅间波动较大，影响正常使用、产生水锤噪音、传播到整个管道系统、配件松动。重则爆管漏水、造成供水中断事故、还有带来损坏设备、伤及操作人员等次生灾害。特别是在高层建筑中，由于管网压力较高，危害更大。因此在高层建筑给水系统中，对水锤的防护也应该高度重视起来。
2、水锤防护措施
2.1采用恒压控制技术
对水泵机组进行变频调速控制，对整个供水泵系统操作实行自动控制。供水管网压力随着工况的变化而不断变化，机泵工频运行时经常出现低压或超压现象，容易产生水锤，导致对管道和设备的破坏，采用PLC自动控制系统，通过对管网压力的检测，反馈控制水泵的开、停和转速调节，控制流量，进而使压力维持一定水平，可以通过控制微机设定机泵供水压力，保持恒压供水，避免了过大的压力波动，使产生水锤的概率减小。
2.2采用泄压保护技术
2.2.1气压罐：它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力。
2.2.2水锤消除器：该设备主要防止停泵水锤，一般安装在水泵出口管道附近，利用管道本身的压力为动力来实现低压自动动作，即当管道中的压力低于设定保护值时，排水口会自动打开放水泄压，以平衡局部管道的压力，防止水锤对设备和管道的冲击，消除器一般可分为机械式和液压式两种，机械式消除器动作后由人工恢复，液压式消除器可自动复位。
2.2.3泄压保护阀：该设备安装在管道的任何位置，和水锤消除器工作原理一样，只是设定的动作压力是高压，当管路中压力高于设定保护值时，排水口会自动打开泄压。
2.3采用控制流速技术
2.3.1在建筑给水设计中，为防止或减小管中水锤及水流噪声的发生，管道流速宜采用规定范围中、下限值，DN≯40mm时，采用V＝0.6-1.0m／s，DN〉40mm时，采用V＝1.0-1.2m／s为宜。
2.3.2采用水力控制阀，一种采用液压装置控制开关的阀门，一般安装于水泵出口，该阀利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从而有效消除水锤。
2.3.3采用快闭式止回阀，该阀结构是在快闭阀板前采用导流结构，停泵时，阀板同时关闭，依靠快闭阀板支撑住回流水柱，使其没有冲击位移，从而避免产生停泵水锤。
2.4在管路中各峰点安装可靠的排气阀：对供水装置的泵房实施自动控制、变频恒压改造，并配套在机泵出口安装水力控制阀(或快闭式止回阀)，在管网各主干管上安装水锤消除器和泄压阀，在各管道波峰点安装自动排气阀。
2.5在管网系统安装中，采用柔性接口(铝接口、橡胶圈接口)采用减振吊架、支架等来减小水锤对管网的破坏。在水泵进出水管上加设软接头，并对水泵基础进行防振处理等措施。
2.6阀门缓慢地关闭和开启，可减小输水干管中流速的变化率——梯度，从而可以减小水锤压力的升高和降低。为此，可选用(对较重要的泵系统，必须进行计算机动态模拟和方案比较)两阶段关闭的可控阀(如蝶阀)或各种形式的缓闭止回阀。
2.7 对于高层建筑给水系统,通常可以从以下几个方面来考虑减轻水锤危害: ①选用转动惯量较大的水泵; ②水泵软启动与软停泵; ③水泵出口选用缓闭止回阀; ④设置气压罐。
2.7.1水泵转动惯量
水泵的转动惯量可以影响水泵转速的增加和降低。转动惯量越大,水泵从停泵到停止转动所花的时间就越长。较高转动惯量的水泵能够更好地控制水锤的发生,因为它可以使水更长时间流过水泵,从而减缓水泵的减速过程。这一特性能够减缓水锤的产生,降低最大水锤压力。可见水锤压力随着水泵转动惯量的增大而减小。
2.7.2水泵软启动与软停泵水泵在正常运行时的启动和停止过程如果过快,会使管道中产生瞬变流,引起较大的水锤压力。除非停电,否则应该采用不同的技术使通过水泵的流量变化尽量缓慢。如采用水泵软启动装置或变频设备来最大限度降低水锤压力。在对水泵机组进行变频调速控制时,供水管网压力随工况的变化而不断变化,水泵工频运行时经常出现低压或超压现象,容易产生水锤。通过对管网压力的检测,反馈，并控制水泵的开、停和转速调节,控制流量,进而使压力维持一定水平,可以通过控制微机设定水泵供水压力,保持恒压供水,避免过大的压力波动,使产生水锤的概率减小。
2.7.3缓闭止回阀快关止回阀是水锤压力的主要来源之一。由于停泵后,水流速度迅速降低直至产生反向流量,止回阀快速关闭,使倒流水柱与止回阀发生猛烈撞击,产生水锤压力。缓闭止回阀可以减缓管道中水流的变化,从而降低水锤压力。
2.7.4气压水罐能够在管道系统压力升高时将系统中的水放出,压力降低时向系统中注水。气压水罐一般设置在水泵出口处,水罐上部为压缩空气,下部分是水。当水泵停止运行时,管道压力降低,气压水罐中的压缩空气膨胀,将罐中的水压入管道中,而当水锤压力生成时,管道压力升高,气压水罐中的气体被压缩,管道中的水进入到气压水罐中,这样,气压水罐就起到了很好的压力缓冲作用,有效地降低水锤压力。
3、工程实例
（1） 某建筑高度201m超高层建筑，由地上58层和三层地下室组成，总建筑面积：132130.00平方米，地下三层水泵房设有生活给水泵5台，三用两备，消火栓给水泵十台，五用五备，喷淋给水泵十台，五用五备。消火栓和喷淋给水系统采用高压给水系统，分高低两个区。消防水泵扬程为220m，管径DN250mm，设计流速为1.5-2.5m／s，C＝980.4m／s，水锤波相长T为12.2s，Ts＝2.25T＝30s，理论上产生间接水锤的峰值为：1.68MPa，在施工中考虑高低区压差较大，在二十七层高低区分区主管上加设一比例式减压阀，比例式减压阀不但能减静压，还能减动压，起到防止低区水锤作用，而且能保证低区工作压力不致过高而产生对管网、消防及给水设施的破坏。还在二十七层给水主管上设有一防水锤水箱，以减少间歇停泵时所产生的水锤。水泵控制阀采用多功能水泵控制閥，自动实现开泵时的缓开／准软启动，停泵时的速闭／缓闭，基本上可以实现现行液控缓闭阀的功能，即两阶段关闭过程(一般缓闭止回阀通过快关，慢关两阶段实现)，安装完成后，据现场测试产生的停泵水锤压力峰值为1.19MPa，远远小于一般处理水锤压力峰值2.25MPa，停泵后水泵最大反转速度为600r／min。到现在为止，整个系统运转一切基本正常，大大减小系统运转维修管理费用。
（2）如一幢30 层的高层建筑,最大时设计水量为25 m3 / h ,2 台水泵供水,1 用1 备,水泵泵轴标高0 m ,楼顶设水箱,水箱水位标高100 m ,水泵设计流量25 m3 / h ,扬程130 m ,转速1 450 r/ min ,水泵与电机的转动惯量总和5 kg ·m2 。管道为D N65 钢管,水锤波速1 100 m/ s。在水泵出口处设置快关止回阀。假设水泵突然停止运行,整个管道在水泵止回阀处将产生最大的水锤压力,达到380 mH2O ,压力升高2. 92倍。
4、水锤防护措施的选择
选择水锤防护措施应考虑以下几个因素：
4.1所选用的防护措施，应与所处泵站及管路系统的规模、作用、对安全性的要求及技术(管理)水平等相适应．尽可能地选用技术安全可行、经济合理、管理维护方便的防护措施。如对如气压罐、双向调压塔、单向调压塔、水锤消除器、缓闭止回阀等水锤消除装置
4.2 在有可能产生水锤危害的情况下．应早期防治。如在设计泵房及管路系统时．在选定输水管走向、选用水泵机组和管材，确定管径及管内流速等方面．都应考虑采取消除或减轻水锤危害的措施。
4.3 根据具体情况．尽可能采用综合性防护措施(几种措施同时采用)．以提高防护功能的安全可靠性。
4.4对防护设备的管理维护及操作等方面的要求，应给予足够重视。
4.5防护措施(方法)的选择，必须与水锤计算及分析互相配合， 同时进行。
5、结束语
在有可能产生水锤危害的情况下，应及早防治。如在设计泵房及管路系统时，在选定输水管走向、选用水泵机组和管材、确定管径及管内流速等方面，都应考虑采取消除或减轻水锤危害的措施。另外，应根据具体情况，尽可能采用综合性防护措施(几种措施同时采用)，以提高防护功能的安全可靠性。