水錘計(jì)算在高層建筑給水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張雷

摘要：高層建筑給水系統(tǒng)因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)本身的特殊性，很容易在運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生水錘的危害，因此在給水設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)充分考慮到水錘產(chǎn)生的危害，并采取有效的防護(hù)措施。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法沒(méi)有進(jìn)行水錘的計(jì)算，本文通過(guò)實(shí)際案例，給出了高層建筑給水設(shè)計(jì)中，水錘計(jì)算的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑；給水設(shè)計(jì)；水錘計(jì)算

一、高層建筑給水中水錘產(chǎn)生的原因

在壓力管道系統(tǒng)中，閘或閥的誤操作、泵機(jī)組的意外斷電、進(jìn)出水池水位的大突變等意外事件以及水泵機(jī)組的非正常啟停等，都會(huì)造成管道內(nèi)流速劇烈變化，從而引起動(dòng)量交換，致使水體沖量改變，對(duì)管壁、水泵以及閥門等附件產(chǎn)生巨大的沖擊力，在水體慣性和可壓縮性、管壁彈性以及系統(tǒng)阻力作用下，管道內(nèi)水的壓力和密度不斷交替變化，直至穩(wěn)定，工程上稱這一水力過(guò)渡過(guò)程狀態(tài)為水錘現(xiàn)象。從水錘的振蕩消失過(guò)程看其實(shí)就是能量轉(zhuǎn)換或消耗的過(guò)程。

二、高層建筑給水中水錘的危害

在安裝有離心泵的水泵房中，因開、停水泵，事故斷電或其他原因而突然（開閥）開、停水泵，則在給水管道內(nèi)首先產(chǎn)生壓力波動(dòng)，隨后視流速大小及管道系統(tǒng)情況產(chǎn)生不同程度的壓力上升即水錘。水錘的延續(xù)時(shí)間雖然短暫，但它會(huì)造成嚴(yán)重的工程事故，輕則引起振動(dòng)，產(chǎn)生巨大的水錘噪聲；重則爆管漏水，造成供水中斷事故，還有的因水錘事故造成淹沒(méi)泵房、損壞設(shè)備、傷及操作人員等次生災(zāi)害。

三、高層建筑給水中水錘的防護(hù)措施

水錘防護(hù)有兩層含義：第一層含義是防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生；第二層含義是將水錘危害程度降到最低。前者實(shí)際上要求運(yùn)行管理者使給水系統(tǒng)保持正常工況；后者則要求設(shè)計(jì)者事先制訂水錘防護(hù)策略，運(yùn)行管理者及時(shí)采取水錘防護(hù)措施。

3.1 常見(jiàn)的幾種水錘防護(hù)措施

3.1.1 水錘消除器

水錘消除器是一種具有一定泄水能力的安全閥，一般安裝在水泵出口閥的出水側(cè)。水錘消除器有下開式、自動(dòng)復(fù)位下開式、自閉式、儲(chǔ)氣式等多種形式，主要用于防護(hù)停泵所引起的水錘，工作原理是泄水降壓，防止水錘升壓過(guò)高。適合于水泵揚(yáng)程較高、輸水管路較長(zhǎng)、流量不大的含泵裝置的管道系統(tǒng)。

3.1.2 液控緩閉蝶閥

液控緩閉蝶閥，在斷電時(shí)可按預(yù)定的時(shí)間和角度，分快關(guān)、慢關(guān)兩階段關(guān)閉，能有效地降低管網(wǎng)中壓力的波動(dòng)，消除液體在管網(wǎng)中的水錘危害，控制水泵反轉(zhuǎn)，從而保護(hù)水泵和管網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)還可將其作為水泵主閥使用，一閥代兩閥（閘閥和逆止閥）。

3.1.3 緩閉止回閥

緩閉止回閥有重錘式和蓄能式兩種。這種閥門對(duì)于降低停泵水錘有明顯效果。使用時(shí)可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。一般在停電后3 s～7 s內(nèi)閥門關(guān)閉70%～80%，剩余20%～30%的關(guān)閉時(shí)間則根據(jù)水泵和管路的情況調(diào)節(jié)，一般在10 s～30 s范圍。可以利用計(jì)算機(jī)模擬最佳時(shí)間，并現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。

四、高層建筑給水水錘計(jì)算實(shí)例

4.1 高層建筑實(shí)例

該建筑是一座二十一層綜合培訓(xùn)樓，生活給水方式為分區(qū)、上行下給的形式，生活給水水箱有效容積為4m 3，生活給水水泵流量Q b= 32.58 m 3/h，揚(yáng)程H b= 0.8M Pa，每小時(shí)開啟4次。.

在水泵運(yùn)行周期內(nèi)， 泵出水法蘭至屋頂水箱進(jìn)水口之間， 流量和壓力均為一常量。只有在水箱注滿后， 水泵停止運(yùn)行時(shí)， 易于產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，也就是水錘。

4.2水錘計(jì)算過(guò)程

4.2.1 水錘計(jì)算在管道管徑選擇中的應(yīng)用

對(duì)于通常情況下的水流狀態(tài)而言，任一點(diǎn)的參數(shù)不隨時(shí)間而變化，而在水泵停止運(yùn)行，水錘產(chǎn)生的瞬間，任一點(diǎn)的參數(shù)隨時(shí)間而變化，稱為非恒定流。在關(guān)閥的一瞬間（非緩閉）緊挨閥門的流體由于閥芯表面上產(chǎn)生的高壓沖量使其由原流速v0變?yōu)殪o止。緊挨閥門的第1層流體靜止后，對(duì)第2層流體而言，第1層流體就起到了與閥芯一樣的作用，高壓沖量使第3層流體靜止。以此類推， 這種作用將一直傳遞至上游。由此可見(jiàn)，閥門突然關(guān)閉，管道內(nèi)的水不是在同一時(shí)刻全部停止流動(dòng)，壓強(qiáng)也不是在同一時(shí)刻同時(shí)升高，而是以波的形式由閥門迅速傳遞至管道上游，這就是水錘。在一個(gè)水錘周期，水錘波由閥門到水箱進(jìn)口，再由水箱進(jìn)口至閥門共往返2次。在這過(guò)程中，管道內(nèi)流速和壓強(qiáng)隨時(shí)間而變化，而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是水流本身具有的慣性和壓縮性。本工程給水系統(tǒng)停泵時(shí)，如閥門不緩閉，根據(jù)水錘壓強(qiáng)計(jì)算公式，其水錘壓強(qiáng)ΔP為：

式中：

v0——原管中流速m/s，可由連續(xù)流方程求出；

c——水錘波的傳播速度m/s；

g——重力加速度m/s2。

水錘波的傳播速度c可由下式求出：

式中：

c0——水中聲波傳播速度為1 425 m/ s；

c1——不同壁厚不同支承方式的參數(shù)。薄壁管道且在墻上固定時(shí)，

μ——管壁材料的泊松比。鋼管取0.3；

E 0——水的彈性模量為2.04×103M Pa；

E——管壁材料的彈性模量為2.06×105M Pa；

D ——管道直徑mm；

δ——管壁厚度mm。

根據(jù)閥門不緩閉的水錘壓強(qiáng)計(jì)算公式可以求的在不同管徑下的流速、水錘壓強(qiáng)值如表4.1。

根據(jù)建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范，給水管道中的流速不大于2m/s，結(jié)合經(jīng)濟(jì)流速考慮，選擇管徑為DN150和DN200的管道均符合規(guī)范要求，但選擇DN80的管道，水錘壓強(qiáng)過(guò)大，系統(tǒng)安全性不夠，所以選擇DN100的管道是比較合適的。

4.2.2水錘計(jì)算在閥門選擇中的應(yīng)用

根據(jù)水錘波的傳遞特性，如果在水錘波傳遞2個(gè)相長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，閥門緩閉，則可避免產(chǎn)生直接水錘，降低水錘壓強(qiáng)。本計(jì)算實(shí)例采取閥門緩閉時(shí)，水錘壓強(qiáng)ΔP計(jì)算公式為：

式中：

T——閥門關(guān)閉時(shí)間s；

L——水錘波的相長(zhǎng)m ，本工程為140.7 m。

根據(jù)以上公式計(jì)算出，管徑為DN100，閥門緩閉時(shí)，不同緩閉時(shí)間對(duì)應(yīng)的水錘升壓如圖4.2.

由這張圖可以看出，如果采用緩閉止回閥，緩閉時(shí)間越長(zhǎng)，水錘壓力上升的越少，在管徑為DN100的情況下，由于水錘壓強(qiáng)為1.51MPa，由公式可知得到T=1.48s，所以緩閉止回閥的關(guān)閉時(shí)間至少應(yīng)該為1.48s，否則會(huì)產(chǎn)生直接水錘，對(duì)管道系統(tǒng)產(chǎn)生危害。

五、結(jié)論

在現(xiàn)行的高層建筑給水設(shè)計(jì)中，水錘計(jì)算在高層建筑給水設(shè)計(jì)中的是很必要的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以先利用經(jīng)濟(jì)流速初步確定管段的管徑，然后通過(guò)水錘升壓計(jì)算來(lái)驗(yàn)證管徑的選擇是否適合，最后通過(guò)水錘升壓對(duì)管道上的閥門等附件進(jìn)行合理的選擇。

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