建筑给水中的水锤防护技术

建筑给水中的水锤防护技术在给水系统中，水锤在小区给水泵房和二次加压泵站常有发生，给整个给水管网带来危害，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。因而水锤的防护是整个给水管网正常运行的关键因素，也越来越被人们所重视。水锤是由于水泵启动、停止和阀门等的突然关闭，使水管中流速突然变化，导致压力下降或升高所引起的水力撞击。当压力降低到管中水的气化压力时，就会引起水柱分离(断流)现象，出现断流空腔，并在空腔弥合时产生强烈的撞击升压，这就是断流弥合水锤，它所形成的高压约为常压的4～6倍，并且传递很快。事实已证明，这种正负压均具有破坏性的水锤，对水泵和整个管网系统具有很大的破坏性，并且产生很大的水流噪声。根据阀门等关闭／开启时间Ts与水锤波相长t的差异，水锤表现为直接水锤和间接水锤两种形式：当Ts〈T时，在阀门关闭过程中，反射回来的负水锤波未到达阀门时，阀门已关闭。关阀水锤所产生的总压强增高值无负水锤波的干扰作用，这种水锤称为直接水锤，当Ts〉T时，在阀门关闭过程中，反射回来的负水锤波到达阀门时，阀门常未完全关闭，负水锤波导致压强增值受到了干扰(即降低)，水锤峰值被削减，这种水锤称为间接水锤。在同一条件下，直接水锤比间接水锤的危害性要大得多，危害最大的是断流弥合水锤。1、水锤的增压值的理论计算给水系统关闭水锤压力峰值P为给水管网工作压力P1和关闭水锤压力增值的迭加值即：P＝P1＋Δp(1)1.1直接水锤压力增值按儒可夫斯基公式可以计算供水系统中发生关阀直接水锤时的压力增值Δp为：ΔP＝［γC(V0-V)］／(1000g)(2)式中：ΔP-关闭直接水锤的压力增加值，KPa；V0-水锤产生前管道中的平均流速，m／s；V-水锤产生后管道中的平均流速，m／s；γ-水的重度，取9.8KN／立方米；g-重力加速度，m／s2；C-水锤波的波速，m／s；C＝C0／［(1＋K／E)★(D／δ)］？(3)式中：C0-为在密度为ρ，弹性模量为K时的无边界液体介质中声音的传递速度，C0＝K／ρ，对于水C0＝1425m／s；K-水的弹性模量，取2.04x105N／平方厘米；E-管壁材料的弹性模量，N／平方厘米；钢管时，E＝2.04x107N／平方米；D-供水管的直径，mm；δ-供水管的管壁厚度，mm；从式(2)中可以看出，当管道材料及所输送的介质确定以后，直接水锤的压力增值ΔP主要随着流速V0的增大而增大。因而适当降低流速即增大管径来降低水锤的危害。1.2间接水锤压力增值ΔP＼间接水锤的压力增值可近似由(4)式进行计算ΔP＼＝T／TsΔP(4)由于发生间接水锤时Ts〉T，由式(4)可知，ΔP＼〈ΔP，即同样条件下间接水锤直接水锤的水锤压力峰值要小。从上式可以看出，T／Ts的比值越小，间接水锤的压力增值ΔP＼越小，即阀门关闭时间越长，ΔP＼越小。但如果关闭时间太长容易引起压力管道中的水大量倒流。使水泵反转速度超过允许值，或者造成压力管道中的水柱被快速拉断，部分管段出现真空，甚至产生断流弥合水锤。在工程实际中，当管网直径大于800mm时，一般以Ts＝(1.3～1.5)T为宜。当管道直径较小、管道不长时，Ts可以适当加大，Ts可以是T的2-10倍，把实际水锤压力P限定在安全范围内。2、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。3、工程实例3.1天华大厦工程：建筑高度89.8m，共26层。地下一层水泵房设有生活给水泵二台，一用一备，消火栓给水泵三台，二用一备，喷淋给水泵二台，一用一备。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100m，管径DN150mm，设计流速为1.0-1.2m／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17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阀，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。3.2中国驻欧洲某使馆改建工程，使馆建筑面积12700平方米，建筑总高度14.40m。给水系统有：生活给水系统、生活热水系统、采暖给水系统、消火栓给水系统，在机电设备用房设有一水池，生活和消防共用一套给水系统，采用水泵和气压罐给水系统，由于给水、热水、采暖和消防共用一给水系统，气压罐体积偏小，水泵起停水锤，管网压力波动较大，水泵起泵压力设置为0.35MPa，停泵压力设置为0.45MPa，而实际起停水泵时压力表显示在0.28MPa至0.65MPa之间来回跳动，为此造成给水水压很不稳定，淋浴热水根本无法使用。经过改造，原有的水泵气压罐给水供消防专用，生活给水，热水和采暖给水增加一套恒压变频供水系统，生活给水，热水和采暖给水各自配有专用的气压罐，加设恒压管道泵，改造采用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，进而使压力维持在0.38MPa至0.42MPa之间，运行效果良好。