越秀金融大廈空調冷卻水補水管道水錘問題改造

摘 要：超高層建筑給排水設計中，水錘問題是超高層建筑的一個質量難題。越秀金融大廈于2015年7月投入使用，其中央空調冷卻水補水系統在使用中出現嚴重的水錘現象，系統設計有多功能水泵控制閥、水錘消除器等措施，但使用兩年均無法降低水錘影響至合理范圍，導致水泵損壞、支架松脫、管道漏水等現象。通過多次系統分析及專題討論，提出水錘產生的原因為止回閥選型有誤及選用的水泵多功能閥壓力等級過小，最終通過升級多功能閥門壓力等級、加裝水錘消除氣壓罐、采用PLC自動控制系統控制流速技術等方法，解決了超高層建筑嚴重的水錘問題。

關鍵詞：超高層建筑；水錘；水泵多功能閥

中圖分類號：TU834.851" " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）10-0122-04

1 水錘的原因及參數計算

1.1 水錘原因分析

在給水系統中，水錘在給水泵房和二次加壓泵站常有發生，給整個給水管網帶來危害，輕則引起管道振動，水壓波動，流量瞬間波動較大，影響正常使用，產生水錘噪聲，傳播到整個管道系統，配件松動，重則爆管漏水，造成供水中斷事故，還有帶來損壞設備，傷及操作人員等次生災害。

在超高層建筑中，由于管網壓力較高，危害更大[1-5]。因而水錘的防護是整個給水管網正常運行的關鍵因素，也越來越被人們所重視[6-7]。水錘是由于水泵啟動、停止和閥門等的突然關閉，使水管中流速突然變化，導致壓力下降或升高所引起的水力撞擊。當壓力降低到管中水的氣化壓力時，就會引起水柱分離（斷流）現象，出現斷流空腔，并在空腔彌合時產生強烈的撞擊升壓，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]。事實已證明，這種正負壓均具有破壞性的水錘，對水泵和整個管網系統具有很大的破壞性，并且產生很大的水流噪聲。

根據閥門等關閉/開啟時間Ts與水錘波相長t的差異，水錘表現為直接水錘和間接水錘兩種形式：當Ts＜T時，在閥門關閉過程中，反射回來的負水錘波未到達閥門時，閥門已關閉。關閥水錘所產生的總壓強增高值無負水錘波的干擾作用，這種水錘稱為直接水錘，當Ts＞T時，在閥門關閉過程中，反射回來的負水錘波到達閥門時，閥門常未完全關閉，負水錘波導致壓強增值受到了干擾（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 相關參數計算

1.2.1 水錘的增壓值的理論計算

給水系統關閉水錘壓力峰值P為給水管網工作壓力P1和關閉水錘壓力增值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，可以計算供水系統中發生關閥直接水錘時的壓力增值ΔP：

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

式中：ΔP為關閉直接水錘的壓力增加值，單位為kPa；v0為水錘產生前管道中的平均流速，單位為m/s；v為水錘產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時的無邊界液體介質中聲音的傳遞速度，C0＝K/ρ，對于水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，當管道材料及所輸送的介質確定以后，直接水錘的壓力增值ΔP主要隨著流速v0的增大而增大。因而適當降低流速即增大管徑來降低水錘的危害。

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）進行計算[13-15]。

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

由于發生間接水錘時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，即閥門關閉時間越長，ΔP\"越小。但如果關閉時間太長容易引起壓力管道中的水大量倒流，使水泵反轉速度超過允許值，或者造成壓力管道中的水柱被快速拉斷，部分管段出現真空，甚至產生斷流彌合水錘。

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

2 水錘防護措施

2.1 采用恒壓控制技術

對水泵機組進行變頻調速控制，以對整個供水泵系統操作實行自動控制。供水管網壓力隨著工況的變化而不斷變化，機泵工頻運行時經常出現低壓或超壓現象，容易產生水錘，導致對管道和設備的破壞。采用PLC自動控制系統，通過對管網壓力的檢測，反饋控制水泵的開、停和轉速調節，可控制流量，進而使壓力維持一定水平。通過控制微機設定機泵供水壓力，保持恒壓供水，避免了過大的壓力波動，使產生水錘的概率減小。

2.2 采用泄壓保護技術

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水或吸收管路中的過高壓力。

2.2.2 水錘消除器

該設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力來實現低壓自動動作，即當管道中的壓力低于設定保護值時，排水口會自動打開放水泄壓，以平衡局部管道的壓力，防止水錘對設備和管道的沖擊。消除器一般可分為機械式和液壓式兩種，機械式消除器動作后由人工恢復，液壓式消除器可自動復位。

2.2.3 泄壓保護閥

該設備安裝在管道的任何位置，和水錘消除器工作原理一樣，只是設定的動作壓力是高壓，當管路中壓力高于設定保護值時，排水口會自動打開泄壓。

2.3 采用控制流速技術

在建筑給水設計中，為防止或減小管中水錘及水流噪聲的發生，管道流速宜采用規定范圍中、下限值，DN≤40 mm時，V采用0.6～1.0 m/s，DN＞40 mm時，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的閥門，一般安裝于水泵出口。該閥利用機泵出口與管網的壓力差實現自動啟閉，閥門上一般裝有活塞缸或膜片室控制閥板啟閉速度，通過緩閉來減小停泵水錘沖擊，從而有效消除水錘。

具體方案如下：在管路中各峰點安裝可靠的排氣閥，對供水裝置的泵房實施自動控制、變頻恒壓改造，并配套在機泵出口安裝水力控制閥（或快閉式止回閥）。在管網各主干管上安裝水錘消除器和泄壓閥，在各管道波峰點安裝自動排氣閥。在管網系統安裝中，采用柔性接口（鋁接口、橡膠圈接口）采用減振吊架、支架等來減小水錘對管網的破壞。在水泵進出水管上加設軟接頭，并對水泵基礎進行防振處理等措施。

3 工程實例

3.1 情況簡介

越秀金融大廈工程項目總占地面積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月竣工驗收并交付使用?？照{冷卻水供水系統分三段傳輸供水，分別是負3層至15層傳輸泵兩臺一用一備（高度為81 m）、15層至52層傳輸泵兩臺一用一備（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）。地下一層水泵房設有生活給水泵二臺，一用一備，消火栓給水泵3臺，二用一備，噴淋給水泵二臺，一用一備。

3.2 改造原因

項目在竣工后的使用過程的兩年中發現，空調冷卻水補水中段傳輸（即15層至52層）的冷卻水供水系統在停泵時，存在較大的水錘影響。具體表現為產生水錘噪聲，傳播到整個管道系統，已發生配件松動，爆管漏水，造成供水中斷事故，同時還有水泵損壞等情況。該情況兩年多的時間內未有解決，嚴重影響系統的安全使用及運營。

3.2.1 原有設計情況介紹

本項目冷卻塔設于屋面，其補水系統采用串聯供水的方式，在地下3層、15層、51層設有補水轉輸設備，地下3層、16層、52層設有補水水箱。由于中間樓層并無用水點，考慮減少設備節約投資，故33、34層不另設補水傳輸設備和水箱。52層補水水箱由15層轉輸泵直接供水，15層轉輸泵揚程為175 m?？紤]15層轉輸泵揚程較高，功率大（90 kW），容易產生水錘現象，原設計在水泵出水管設置了多功能水泵控制閥、水錘消除器等防水錘措施。15層冷卻塔用水轉輸泵接管系統圖如圖1所示，15層冷卻塔用水轉輸泵接管系統主要配料一覽如表1所示。

3.2.2 原有施工實施及調試情況

該項目原施工中使用1.6 MPa壓力等級的多功能調節閥，水錘問題存在，后改用進口的普通止回閥，水錘問題仍然存在且沒有改善。之后為解決該問題，施工單位進行了以下方案調整：①將水泵出口止回閥更換為緩閉式止回閥對比水錘消除效果，并對管道接口位置加強焊接。②為減少水錘對立管底部沖擊，設計單位在2015年4月做出相應變更，在33層立管增設止回閥。③2015年7月查看現場，設計單位發現部分管道彎頭及立管底部處管道支吊架剛性不足，已要求施工單位進行加固。④2016年，針對水錘現象施工單位前往其他項目進行考察，參考相關項目做法在水泵出水管出增設泄壓閥，但關閉水錘消除器。

經以上措施后，水錘削減效果仍然較不理想，水錘異響及振動仍不能保證系統安全運行。

3.3 水錘問題分析

業主管理公司組織設計單位、施工單位、物業公司、水泵廠家、閥門廠家多次專題討論及現場觀察分析，確定全進口的普通止回閥無法實現消除水錘的效果。施工單位更換的緩閉式止回閥雖可較好消除水錘問題，但因選用壓力等級不夠（PN≧1.6 MPa），水泵停止運行后，無法按調試時間完成關閉水流，消除水錘影響。因此系統選用普通止回閥及選用壓力等級不夠的水泵多功能閥，是項目水錘問題的根本原因。

150 m給水傳輸的高差在超高層建筑使用較少應用，以100～130 m為居多。物業公司提出建議在中間設備層（33層）加建傳輸水箱及水泵設備，考慮成本需投入約150萬元，且后期運營需投入人力及設備維保，該方案非最優方案，故沒有采用。

該系統現已完工并投入了使用，為從根本上解決水錘問題，綜合大廈現場及運營情況從簡單至復雜的方案進行逐條分析。整改的排列順序如下：①采用升級多功能閥門壓力等級方向考慮，從傳輸水高差約150 m考慮，原設計方案使用壓力等級1.6 MPa的多功能閥雖然屬于工作壓力范圍，但在停泵時出現給水系統關閉水錘壓力峰值P應大于1.6 MPa（給水管網工作壓力P1和關閉水錘壓力增值的疊加值即：P＝P1＋Δp）。根據多功能閥的工作原理可知，如壓力等級不足，則無法有效控制停泵關閥的時間，即無法控制流速，所以優先考慮更換壓力等級2.5MPa或以上的多功能閥，該方案如可行，則改造的內容最少，無需新增機電設備，費用最低，日后運營維護方便。②采用泄壓保護技術?，F場已安裝水錘消除器及泄壓閥，但這些設施的水錘消防效果遠沒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，現場有安裝該設備的位置，預算費用也相對不高。③采用控制流速技術。采用PLC自動控制系統，通過對管網壓力的檢測，反饋控制水泵的開、停和轉速調節，控制流量，進而使壓力在啟動及停止階段的變化均維持一定水平，避免了過大的壓力波動，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 改造及調試情況

拆除原有系統水泵出口普通止回閥、壓力等級不足的緩閉式止回閥及水錘吸納器、減振玻紋管等?，F場安裝壓力等級為2.5 MPa的國產多功能水泵控制閥，水泵控制閥采用多功能水泵控制閥，自動實現開泵時的緩開/準軟啟動，停泵時的速閉/緩閉，基本上可以實現現行液控緩閉閥的功能，即兩階段關閉過程（一般緩閉止回閥通過快關，慢關兩階段實現）。安裝完成后，現場測試產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速度為600 r/min，不超出水泵正常轉速，無需進一步增加改造內容。改造后，整個系統運轉一切基本正常，大大減少系統運轉維修管理費用。改造前后圖如圖2、3所示，修改設計通知單如圖4所示。

改造后水泵啟動時比較平穩，啟動時間約5 s，停泵時間為5～7 s，管道及水泵運行平穩，水錘大大消除，整體運行明顯改善，達到了目的，減少水錘產生的運營風險。

4 結束語

為更好地了解超高層建筑的水錘問題，本文結合實例，對超高層建筑的水錘問題進行研究，提出水錘產生的原因為止回閥選型有誤及選用的水泵多功能閥壓力等級過小，本文所得主要結論如下：①升級多功能閥門壓力等級，采用等級為2.5 MPa的國產多功能水泵控制閥。②采用泄壓保護技術，加裝水錘消除氣壓罐。③采用PLC自動控制系統控制流速技術。

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