氣動降水設備的特點及與傳統設備的對比研究

宋心朋 周瑩瑩

(天津市之井科技有限公司，天津 300143)

隨著城市化建設的深入，地下空間被廣泛的利用。在全國大部分地區，地下空間開發過程中，降水施工是一項必不可少的措施。在采用管井降水時，每口井內都要放置一臺電動潛水泵抽水。電動的潛水泵放置在水下，極易損壞并帶來安全隱患；由于降水井數量較多，連接水泵的電纜線較多，對于現場的安全文明施工是很大的考驗；在降水過程中，降水井內的水是越來越少的，需要人工開開停停，開停頻繁，人工增加，潛水泵也容易損壞，開停不頻繁，浪費電能[1]。

目前越來越多的使用氣動設備進行降水，也稱空壓機降水，并形成了一種完善的、專業化的管井降水設備。現對氣動降水設備的原理、特點及與傳統電動降水設備進行全面的比較研究。

1 氣動降水設備原理及功能

1.1 氣動降水設備原理

氣動降水采用氣動技術和自動化技術，結合變頻器、傳感器控制水氣置換系統來實現自動化降水的一種新的施工工藝。

氣動降水設備由氣源系統、自動控制系統和水氣置換系統組成。氣源系統包含變頻螺桿空壓機、干燥機、儲氣罐和分氣總成。自動控制系統包含電源模塊、調壓模塊和數控模塊。水氣置換系統包含排氣閥、止回閥和水氣置換器(見圖1)。

總的工作原理如下：

變頻螺桿空壓機產生的高壓氣體經過干燥機處理后存儲到儲氣罐，經過分氣總成分配到各個自動控制系統內。根據降水井深度調節調壓裝置，根據出水量調節數控模塊，開啟相應的控制開關。經過調壓后的氣體被分配到相應的水氣置換系統中。數控模塊根據指令控制每一路氣體的開啟與關閉(見圖2)。

水氣置換器工作原理：

Ⅰ型水氣置換器：有一個工作腔室。當水氣置換器放入水中后，進水單向閥打開，水流入腔室，控制系統向水氣置換器供氣，進水單向閥受壓關閉，出水單向閥打開，水受壓流入出水管。腔室內的水出完以后，控制系統停止供氣，出水單向閥關閉，腔室內的氣體排出，進水單向閥打開，水流入腔室，以此循環。

Ⅱ型水氣置換器：有兩個工作腔室，每一個腔室工作原理與Ⅰ型水氣置換器相同。通過控制系統使兩個腔室交替工作，完成連續出水[2]。

1.2 氣動降水設備的功能

氣動降水設備基于自身的動力集中輸出，更方便于自動化的實施，也更方便于功能一體化的實施。氣動降水設備集中了降水工程中所需的大部分功能，包括抽水、抽真空、計量、水位監測、風險預警、數據采集、分析等。另外還有很多其他功能比如：可調揚程、可調流量、問題自檢等。

1)氣動降水設備是依靠高壓氣體將水氣置換器中的水置換出來，實現排水。通過調節供氣壓力來改變揚程，通過調節供氣時間來改變流量。這些功能在管井降水中非常實用。另外通過液位傳感器可實現用水即抽，無水即停。動水位液面可以保持在一個比較平穩的狀態，保證良好的降水效果。

2)對于某些地質為淤泥質黏土或淤泥質粉土等區域，采用管井降水的同時需要增加負壓，采用氣動降水設備則不需要增加真空泵，而是需要一個特殊的井蓋就可以實現井內負壓[3]。

3)傳統的降水設備均采用水表計量。沒有經過處理的地下水包含細砂、鐵銹、酸堿鹽等物質對水表的腐蝕、磨損比較嚴重。造成水表無法讀數，或旋轉受阻，計量不準確等。氣動降水設備的計量方式是采用容積法，即標定水氣置換器的容積，統計工作次數，計算出總水量。另外還可以統計出總時間或某個時間段的時間，計算出總的流速或某個時間段的流速，對于巖土工程分析有著數據的支持。

4)通過水位傳感器可以監測觀測井的水位變化，觀測井的水位變化直接影響著基坑的安全，特別是承壓水的水位變化，是絲毫不能馬虎的。氣動降水設備可以連接傳感器，設置預警值，有問題提前報警。

5)氣動降水設備通過自動化的管理，可以采集大量的現場數據，包括每口井的出水量、任意時段的滲水速度、水位的變化等數據。通過數據的積累和分析，來更好的指導基礎工程的施工生產。

2 氣動降水設備特點研究

氣動降水設備集成度高，整體布局合理：高價值的部分(指供氣系統和控制系統)自身壽命長、而且放置于不容易被破壞的非作業區，將低價值的部分(指分氣管和水氣置換系統)放置于作業區，但因結構簡單而不易損壞；危險的部分(指供氣系統和控制系統，有電或機械轉動)放置于非作業區，無人員和機械的干擾，而將安全的部分(指分氣管和水氣置換系統)放置于作業區，交叉作業無安全隱患。結構的組成和合理的布局使氣動降水設備具有安全、節能、自動化程度高、壽命長、安拆便捷等特點。

2.1 氣動降水設備的安全性研究

2.1.1螺桿空氣壓縮機

屬于通用機械設備，各個行業應用廣泛，技術成熟。在降水行業中選用排氣壓力為0.8 MPa的低壓空壓機，使用更安全。

螺桿空壓機具有：穩定性高，效率高，振動小，噪聲低，壽命長等優點。

螺桿空壓機均有一個控制系統，機器內部安裝有各種功能的傳感器，如壓力傳感器、溫度傳感器等，在運轉過程中會反饋數據。壓力高于設計值會自動卸載，壓力低于設計值會自動加壓，溫度過高會自動啟動風扇散熱，溫度降下來風扇會自動關閉。另外，系統內還設置了機器保養參數，可以提示何時需要保養[4]。

2.1.2冷干機

冷干機是冷凍式干燥機的簡稱，屬于氣動系統中的氣源處理元件。利用冷媒與壓縮空氣進行熱交換，把壓縮空氣溫度降到2 ℃～10 ℃范圍的露點溫度。除掉氣體中的水分，有利于控制系統內的元件。

冷干機也屬行業內成熟產品，避免日曬、雨淋，注意通風，沒有安全風險。

2.1.3儲氣罐

采用0.8 MPa，1 m3以下的儲氣罐。這種儲氣罐屬于特種設備，但是屬于簡單壓力容器，不需要備案。輸氣罐上部有一個安全閥，當氣壓超過0.8 MPa時，安全閥會自動打開排氣。安全閥應定期校驗[5]。

2.1.4控制系統

為了工地上接電方便，一般采用220 V供電，總功率只有150 W。而且控制箱內有一個變壓器，直接將電源變為直流24 V來控制整個系統。

氣壓方面，當0.8 MPa壓力的氣體進入到控制系統后，經過一個小型儲氣罐分向各路的氣源處理器，經過處理過的氣源壓力變低，根據井深需要一般為0.2 MPa～0.5 MPa。

2.1.5主氣管

采用內徑19 mm、外徑28 mm、PVC材質、三膠兩線高壓氣管，工作壓力4 MPa，爆破壓力16 MPa。具有輕質、耐磨、耐老化、耐破裂、抗彎曲等優點。可以任意長度壓制快速接頭，方便安拆使用。

在施工過程中，如果主氣管長時間老化，并不會突然爆破，而是在薄弱點慢慢漏氣。如果被機械突然破壞，會有一瞬間的強烈的氣流，但會很快消失，不會造成影響。

由此可見，中小外貿企業想要繼續在市場上生存，就必須要搶占發展先機，努力推進跨境電子商務轉型，獲得競爭優勢，這已成為學者們的共識。

2.1.6分氣管

采用氣動行業通用的PU材質，具有耐化學腐蝕、重量輕、耐磨性高、防染色、防脹氣等性能。工作壓力為1 MPa，爆破壓力為1.3 MPa。在降水行業中，作為分氣管使用的PU管一般選用10×6.5 mm和12×8 mm兩種，分路氣壓一般為0.2 MPa～0.5 MPa，安全性高。

對于內部直徑只有6.5 mm或8 mm的低壓小管來說，即使在正常的工作中突然斷開，也并不會產生令人不安的聲音，更不會產生危險。

2.1.7水氣置換器

簡單說水氣置換器類似一個容器，采用2.5 mm厚Q235B鋼板沖壓、焊接而成。Q235B鋼板有一定的伸長率、強度，良好的韌性和鑄造性，易于沖壓和焊接，廣泛用于一般機械零件的制造。

水氣置換器全斷面采用機械自動焊接技術，具有焊接質量好，焊縫外觀成型美觀，均勻。

水氣置換器進水口采用鐵板加橡膠墊密封。整個置換器在水中工作。

水氣置換器簡單來說類似一個容器，結構簡單，造價低廉，無旋轉部件，不易損壞。

當然如果控制系統采用太陽能或蓄電池控制，則除動力以外整個施工現場將沒有一根電纜線。

2.2 氣動降水設備的節能研究

先說一說降水行業的特點：降水效果要想達到最理想的狀態，就要將動水位一直保持在一個最低位置，也就是盡量靠近井底的位置。這樣才能產生出設計所說的降水漏斗。動水位保持在這個位置，就要求泵的流量不小于滲水的流量。可以看出泵的流量越接近等于滲水的流量越節能，因為浪費的少了。

但是從滲水量方面說，降水不同于排水，每個項目的地質不一樣，含水量就不一樣，甚至每口井的滲水量都不一樣，而且每口井降水前期和后期的滲水量也不一樣。所以要想達到良好的降水效果，又不能浪費電能，就要求每口井或者同一口井的不同降水時期應該配備的功率不同。

但是目前的傳統電泵降水過程卻是“平均分配”，同樣型號的泵，一口井內分一個。水多水少都一樣，前期后期都一樣。這樣就造成了大量的浪費。

氣動降水相當于將所有的用電設備功率集中到了一起，再通過控制系統對每口井進行功率分配，而且能做到按需分配。

下面詳細分析氣動降水設備的每一個單體對節能降耗產生的影響。

2.2.1螺桿空氣壓縮機

螺桿空氣壓縮機集中了工地降水所需要的所有動力來源(150 W的控制系統功率可以忽略)。對于天津地區的96口井的項目來說，可以配備兩臺22 kW甚至有些地方可以配備1臺37 kW的螺桿空壓機。將原來96個小電機集中在了一個或兩個大電機上，這就會有能效的提高。

螺桿空壓機均有一個控制系統，機器內部安裝有傳感器：有一種壓力傳感器，其功能是在運轉過程中會反饋壓力數據。壓力過高會自動卸載，之后就空轉或停機。如使用變頻螺桿空壓機，則會根據用氣量來自動調節功率，達到節能目的。另一種是溫度傳感器控制，機器在散熱方面采用自動化控制，當溫度過高會自動啟動風扇散熱，溫度降下來風扇會自動關閉，避免浪費。

2.2.2控制系統

控制系統的功能包含對每口井的壓力分配和所需氣量的分配。

對于不同的降水深度或不同的排水距離所需要的壓力都是不一樣的，通過調節達到每口井所需最適合的壓力，以避免氣壓的浪費。

對于不同的井的滲水流量或者同一口井不同時期的滲水流量，通過調節供氣時間達到所需的最適合的供氣量，以避免氣量的浪費。

液位自動控制系統，由液位自動控制，有效避免氣量的浪費，而且能保證動水位變化范圍在20 cm以內，達到最優的降水效果。傳統電泵液位控制上下點高差為3 m～5 m[6]。

2.2.3水氣置換器

水氣置換器為一個或兩個容器組成，是由氣體直接對水做功，內部無旋轉部件。

總之，動力的集中輸出，運行過程中的自動化控制，避免了浪費，有效的提高了生產效率。在每個循環的工作過程中，均把分支氣管內的氣體排出，造成了浪費。如果能把分支氣管內氣體保留則是更好的選擇。水氣置換器內的氣體是必須排出的，排出的氣體仍有動力，如果能夠回收則更加完美。

2.3 氣動降水設備安拆及使用便捷性研究

2.3.1螺桿空氣壓縮機、冷干機、儲氣罐

22 kW螺桿空壓機重約400 kg，尺寸為1 200 mm×900 mm×1 000 mm。需要吊裝。

冷干機重約70 kg，尺寸約為600 mm×500 mm×500 mm。和螺桿空壓機距離2 000 mm即可，采用高壓鋼絲管與螺桿空壓機連接。

儲氣罐重約100 kg，直徑1 000 mm，高約2 000 mm。和冷干機距離2 000 mm遠即可，采用高壓鋼絲管與冷干機連接。儲氣罐頂部安裝安全閥和壓力表，底部安裝排水閥。側面出氣孔安裝4路分氣總成。

螺桿空壓機、冷干機和儲氣罐三者組合成一個集中的供氣站。含預留操作空間，占地面積約16 m2，即長8 000 mm，寬2 000 mm。防止底部潮濕進水，最好磚砌高200 mm的平臺。應對供氣站做防雨保護。

供氣站的安裝較為復雜，進場之后安放在距離基坑較近且不妨礙其他工作的地方。地點一旦選好，施工期間不需要移動，直到出場。

2.3.2控制系統

控制系統分為12路控制系統和6路控制系統。12路控制系統重約50 kg，外形尺寸約為650 mm×450 mm×1 000 mm。兩側有提手，方便兩個人一起搬運。6路控制系統重約25 kg，外形尺寸約為550 mm×250 mm×450 mm，頂部有提手。控制系統最好安放在基坑的外圍。

控制系統采用PVC軟管與儲氣罐上的分氣閥門采用對絲連接。控制系統可以串聯，12路的控制系統不超過兩個串接在一起。6路控制系統不超過4個串接在一起。

2.3.3水氣置換器

水氣置換器包括Ⅰ型、Ⅱ型和可拼裝型三種型號。

Ⅰ型水氣置換器直徑205 mm，高400 mm。重約6 kg。進氣口安裝排氣閥和氣管快插彎頭，出水管處安裝單向閥和水管接頭。出水量最大1.5 m3/h。間斷性出水。

Ⅱ型水氣置換器直徑205 mm，高650 mm。重約10 kg。進氣口安裝兩個排氣閥和兩個氣管快插彎頭，出水管處安裝單向閥和水管接頭。出水量最大2.5 m3/h。間斷性出水。

可拼裝型水氣置換器直徑205 mm，高400 mm。重約7 kg。進氣口安裝兩個排氣閥和兩個氣管快插彎頭，出水管處安裝水管接頭。出水量最大2 m3/h。間斷性出水。

兩個可拼裝型水氣置換器通過連接管連接后，出水量可達6 m3/h。可連續性出水。

2.3.4氣管

管包含主氣管和分氣管。

主氣管50 m一根，重約20 kg。可根據現場實際使用長度裁斷并壓制鎖管接頭，兩根管之間或者管與控制箱之間或者管與儲氣罐之間均采用對絲連接。

分氣管100 m/卷，重約5 kg～8 kg。分氣管之間、分氣管與控制系統之間、分氣管與水氣置換器之間的連接均采用快插方式。安拆均一步完成。

綜上可以看出，氣動降水在安裝的過程中使用的工具多為扳手和管鉗等工具。僅有少量的需要接電安裝的。而且帶電的設備在開挖過程中不需要移動。

現場使用密度最大的是分氣管而不是電纜線，分氣管有極為方便安拆的快速接頭，而電纜線則因為經常拖地或浸水而無法使用快速連接。

土方開挖期間，操作最為頻繁的是向井內下放或拔出水氣置換器。同等出水量的水氣置換器和水泵相比要輕很多。工人操作起來省力也省時。

自動化程度高，不需要有人專門看管，不會有燒泵等現象，節約大量的人工。

3 氣動降水設備與傳統設備的對比研究

3.1 氣動降水和電泵降水功能對比

氣動降水和電泵降水功能對比見表1。

表1 電泵降水和氣動降水功能對比

1)電泵的功能只是抽水，而且揚程固定，流量固定。這就是說在降水施工采購水泵時一般都按照這一區域的較大水量配備潛水泵，以滿足不同工地的降水需求。

2)在傳統的電泵降水過程中，如果需要抽真空，則需要安裝真空泵。如果需要計量，則需要安裝水表。

傳統的電泵降水并不是一種成套的設備，而是一些具有單獨功能的儀器設備組合在一起，各自完成各自的功能。

3.2 氣動降水和電泵降水所需物資對比

天津區域96口井的項目(井深10 m)氣動降水和電泵降水所需物資對比見表2。

表2 氣動降水和電泵降水所需物資對比

可以看出，使用傳統電泵降水所需的帶電物資數量要多，主要是為了安全用電的規范。三級箱、二級箱、電纜線、線桿，這些都是配合潛水泵使用的。這些同樣存在安全風險：比如電箱的接地、老化，漏電保護器的靈敏程度，電纜線的老化，電纜線和電箱之間的接觸，電纜線和電線桿之間的接觸等等。

3.3 電泵降水和氣動降水安全性比較

天津區域96口井的項目(井深10 m)電泵降水和氣動降水安全性比較見表3。

表3 電泵降水和氣動降水安全性比較

1)用電設備數量不僅包括潛水泵的數量，還包括三級箱和二級箱的數量。配電箱雖然不耗電，但是作為有電通過的獨立設備，其內部構造、操作方法、零部件壽命等原因均影響其用電安全性。所以這里視為用電設備。

2)使用電泵降水時，如果按規范施工，電纜線的數量還不止這些，而且遍布于基坑的各個角落。基坑內群井降水帶來的最大的安全隱患則是大量的無法保護的電纜線。整個降水期間，電纜線遍布在整個基坑內，無論是將其架在空中，還是明鋪在地表，或者暗埋在地下，都會在交叉作業過程中被反復的挪動，或者被重物壓、砸，或者被用力拉。隱患無處不在。

3)長期裸露在外的電纜線，絕緣層極易老化，如浸泡在水中或者遇到下雨、噴淋等環境，就會引起漏電，導致電泵無法正常工作，甚至對人體產生傷害。

4)潛水泵本身帶不同長度的電纜線，但是在降水施工時，每口井使用電纜線的長度遠遠超過了潛水泵自帶的電纜線長度。這樣就會產生電纜線接頭，平均一口井至少有一個接頭，如果是舊水泵或舊電纜，接頭數量會成倍增加。電纜線接頭的連接、包扎有嚴格的要求，應由專業電工實施。但是在降水施工時一般都由降水工人來實施，不專業，存在漏電風險。

5)潛水泵在水下工作，這對泵的防水等級要求就高一些。在長期的不斷的高速旋轉過程中，機械密封和泵軸極易磨損，然后會滲水，使電機絕緣度不夠引起跳閘，或者短路燒泵。這種現象在降水的施工現場是屢見不鮮的。如果漏電保護器配置靈敏，則在開關箱處跳閘。如果不靈敏，則在二級配電箱或一級配電箱處跳閘，這樣給現場排查故障帶來了困難。

6)降水井的施工工藝要求并不是很嚴苛，抽出的水的含砂率比較高。高速旋轉的水泵葉輪不斷的受到細砂的磨損，壽命比較短。另外局部地區的水質(如天津的鹽堿水)對水泵葉輪的腐蝕也是比較嚴重的。

3.4 電泵降水和氣動降水節能降耗對比

天津區域96口井的項目(井深10 m)電泵降水和氣動降水節能降耗對比見表4。

表4 電泵降水和氣動降水節能降耗對比

1)從設備配備來講，由于降水行業的特殊性，每口井的出水量是不同的，在配備電泵時就高不就低，統一配備，統一管理。這樣就會使實際所配功率大于理論所需的功率。不僅造成了設備的浪費，還造成了用電量的浪費。

2)從現場管理來講，電泵的開停間隔一方面和水位上漲的速度有關，另一方面和操作人員有關。在基坑內使用電泵降水不適合采用自動化控制，成本高，管理難度大是主要原因。降水工程的承包方式也決定著耗電量的多少，當承包方不包含電費時，一般不會考慮增加設備或人員投入來降低用電量。

4 結語

管井降水一直以來都是以簡單粗放式的生產方式進行著，無專業化的設備。所謂“專業”，即運用高度的理智性技術，在明確的范圍內，壟斷地從事社會不可缺少的工作。潛水泵，專注于抽水，勝任有余，但用于降水，嚴重缺乏“理智性”。作為配套使用的電纜線、配電箱，不但數量超過了潛水泵，危險程度更是大于潛水泵。作為這些“不分主次”“干啥都行”的設備，肯定不能滿足社會發展的需要。

氣動降水設備極具專業性，而且適用范圍明確。其整體安全性是傳統降水設備無法比擬的，自帶安全文明施工屬性，更好的體現了安全、節能、環保的綠色施工理念。同時氣動降水設備被賦予科技的頭腦，做到“體力”“腦力”相結合。慢慢的“腦力”指導了“體力”，做到智能化，這才是未來趨勢所在。