基于水錘現(xiàn)象的建筑給水系統(tǒng)防護(hù)措施

邱榮華

（福建福大建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城市化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，建筑行業(yè)得以快速發(fā)展。 作為建筑施工中的重要組成部分， 建筑給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量直接影響了建筑整體建設(shè)與使用質(zhì)量[1]。 在建筑給水系統(tǒng)中，水錘現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)爆管漏水，影響給水系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)行。 因此，現(xiàn)階段， 如何合理選擇水錘防護(hù)措施成為建筑設(shè)計(jì)與施工人員研究的重點(diǎn)。 下文在分析建筑給水系統(tǒng)水錘現(xiàn)象的基礎(chǔ)上， 闡述了水錘特征值的計(jì)算方法， 并結(jié)合福安某私人住宅給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例，對建筑給水系統(tǒng)防護(hù)措施進(jìn)行深入探究，旨在為其他建筑技術(shù)人員選擇合理的給水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施提供借鑒與參考。

1 建筑給水系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象

水錘現(xiàn)象是當(dāng)流體管道中流體因某些因素產(chǎn)生流速急劇變化而引起管道內(nèi)流體壓力急劇變化，并伴有振動(dòng)與沖擊噪聲，導(dǎo)致管道、閥門、設(shè)備損壞的現(xiàn)象。 雖然水錘現(xiàn)象的延續(xù)時(shí)間較短，但水錘的危害性極大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)爆管漏水，造成停水事故，甚至?xí)斐稍O(shè)備損壞，傷及操作人員等。

根據(jù)水錘現(xiàn)象產(chǎn)生原因劃分，可將水錘現(xiàn)象分為啟動(dòng)水錘、關(guān)閉水錘和停泵水錘三種類型。其中，啟動(dòng)水錘通常發(fā)生在壓力管道中沒有充滿水，而系統(tǒng)閥門開啟過快的情況下；關(guān)閉水錘發(fā)生在由操作人員操作失誤引發(fā)管道系統(tǒng)運(yùn)行不暢的情況下；停泵水錘通常發(fā)生在操作人員失誤操作、 電源跳閘、正常操作但電源切斷等情況下[2]。

根據(jù)水錘分析理論劃分，可將水錘現(xiàn)象分為剛性水錘與彈性水錘。 其中，剛性水錘理論認(rèn)為水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生僅與流速變化相關(guān)；彈性水錘理論認(rèn)為管材的彈性形變、水體的可壓縮性均是產(chǎn)生水錘現(xiàn)象的誘因[3]。

基于既有研究和實(shí)踐情況分析發(fā)現(xiàn)，在泵供水系統(tǒng)中，水錘現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，若水錘防護(hù)設(shè)備選擇不當(dāng)，則對整個(gè)供水系統(tǒng)會(huì)造成嚴(yán)重危害。

2 水錘特征值計(jì)算

2.1 水錘波速

水錘波速計(jì)算公式見式（1）。

式中：K 表示液體體積彈性模量，單位為Pa；ρ 表示液體的密度，單位為kg/m2；E 表示管壁材料的彈性模量，單位為Pa；ψ 表示無量綱參數(shù)。

2.2 水錘的基本微分方程

水錘的基本微分方程能全面反映有壓管流中非恒定流流體流速與水頭的變化規(guī)律， 并為建筑給水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施的選擇提供有力依據(jù)。 水錘的基本微分方程包括運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程，運(yùn)動(dòng)方程公式見式（2）。

式中：H 表示測壓管水力坡度線；x表示從任意點(diǎn)開始， 沿管道軸線方向的距離；V 表示流速；t 表示時(shí)間；D 為常數(shù)項(xiàng)；f 表示摩阻系數(shù)；g 表示重力加速度。連續(xù)方程公式見式（3）。

式中：a 表示水錘波速。

2.3 特征線方程求解方法

特征線方程求解是現(xiàn)階段解決水錘問題的常用計(jì)算方法，結(jié)合微分法則，整理得出特征線方程公式，見式（4）、（5）。

式中：C+表示正特征線方程；C-表示負(fù)特征線方程；A 表示管壁材料的彈性模量；dH、dt 分別表示H、t方向上的水錘特征；Q 表示水流量；dQ 表示水流量特征參數(shù)。

為便于計(jì)算， 建立有限差方方程， 公式見式（6）、（7）。

式中： Hpi、Qpi分別表示時(shí)段終了參數(shù)；B 表示積分初始點(diǎn)。

3 建筑給水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施

3.1 合理選擇給水方式

給水方式是建筑內(nèi)部給水系統(tǒng)的供水方案，對水錘現(xiàn)象的發(fā)生產(chǎn)生直接影響。為有效防護(hù)給水系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)建筑的層高、供水設(shè)備類型等，合理選擇給水方式。

以福安某私人住宅給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員以住宅實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，利用上述公式進(jìn)行計(jì)算， 確定了建筑給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案： 設(shè)置揚(yáng)程為100 M、功率為30 KW、流量為10 L/S 的室內(nèi)消火栓增壓泵；揚(yáng)程為56 M、功率為37 KW、流量為40 L/S的自動(dòng)噴淋增壓泵；揚(yáng)程為48 M、功率為3.0 KW、流量為11 t/h 的生活給水變頻泵組；揚(yáng)程為72 M、功率為4.0 KW、流量10 t/h 的生活給水變頻泵組，具體如圖1 所示。

3.2 氣壓水罐防護(hù)

為有效進(jìn)行供水系統(tǒng)水錘防護(hù)， 需要避免出現(xiàn)水力過渡過程，并通過采取有效防護(hù)措施，消除水錘壓力，保證供水安全。 結(jié)合具體實(shí)踐情況分析，氣壓水罐防護(hù)是現(xiàn)階段有效進(jìn)行供水系統(tǒng)水錘防護(hù)的方法。 氣壓水罐防護(hù)是一種內(nèi)部充有一定量壓縮氣體的金屬水罐，將其安裝在水泵出口附近管線上，利用罐內(nèi)原壓縮氣體的壓力， 對水錘現(xiàn)象進(jìn)行防護(hù)的方式。 氣壓水罐有充氣分離型氣壓水罐和非分離型氣壓水罐。 無論在實(shí)際防護(hù)中應(yīng)用哪種類型的氣壓水罐，都需要保證在罐內(nèi)壓力最低時(shí)，罐內(nèi)尚有一定量的水，以避免罐內(nèi)空氣逸到供水管道內(nèi)。

3.3 其他防護(hù)措施

（1）安裝水錘消除器。在實(shí)際施工中，施工人員可選擇應(yīng)用自閉式、下開式、儲(chǔ)氣式等多種水錘消除器。 當(dāng)供水系統(tǒng)中的壓力急劇增加時(shí)，可以泄出部分水體，降低水壓，減小水錘峰值。

（2）安裝液控緩閉蝶閥。 液控緩閉蝶閥可以對自動(dòng)快關(guān)角度進(jìn)行預(yù)設(shè)，其余部分緩慢關(guān)閉，有效消除了水錘的危害。 同時(shí)，液控緩閉蝶閥的應(yīng)用還可以有效避免水泵機(jī)組發(fā)生大反轉(zhuǎn)，保障了水泵機(jī)組運(yùn)行的安全性。

（3）安裝緩閉止回閥。 快關(guān)止回閥是引發(fā)水錘現(xiàn)象的重要因素之一，為避免管道內(nèi)水體反向流速到達(dá)一定數(shù)值后止回閥快速關(guān)閉，可以安裝緩閉止回閥。緩閉止回閥有蓄能式、重錘式兩種。在緩閉止回閥的實(shí)際使用中， 需要根據(jù)管道水體流速等，對其關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，并在閥門關(guān)閉70%時(shí)，對管線內(nèi)狀況、水泵狀況進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，確定剩余關(guān)閥時(shí)間。

（4）安裝泄壓閥。 泄壓閥包括泄壓倒閥、主閥、外裝部件。 在實(shí)際安裝中，通常將泄壓閥安裝在管道系統(tǒng)中的水泵房內(nèi)便于泄水的位置。當(dāng)給水系統(tǒng)的壓力大于泄壓閥設(shè)定數(shù)值時(shí)，倒閥動(dòng)作，主閥進(jìn)行泄壓； 當(dāng)給水系統(tǒng)的壓力小于泄壓閥設(shè)定數(shù)值時(shí)，倒閥、主閥逐漸關(guān)閉，使給水系統(tǒng)壓力迅速恢復(fù)正常，有效防護(hù)水錘。

（5）安裝水泵旁通管。 旁通管與水泵并聯(lián)，設(shè)有單向閥。 在安裝水泵旁通管后，水流方向與給水系統(tǒng)管道的供水方向一致。 當(dāng)停泵后，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的速度瞬間減低， 給水系統(tǒng)管道中的水體流速減小，出水口處壓力降低， 但水泵吸水口處的壓力升高。若出水口的壓力小于吸水口處的壓力，則單向閥動(dòng)作，組織水泵出水口處壓力的持續(xù)降低與水泵吸水口處的壓力持續(xù)升高，從而有效降低了管道系統(tǒng)水錘壓力，起到了水錘防護(hù)作用。

本案例設(shè)計(jì)中，在水池泵房內(nèi)安裝了兩個(gè)泄壓閥：泄壓閥A，泄壓值設(shè)置為1.15 MPa；泄壓閥B，泄壓值設(shè)置為0.65 MPa。 同時(shí)，消防泵設(shè)緩閉止回閥、水錘消除器，具體如圖2 所示。

圖2 福安某私人住宅給水系統(tǒng)泄壓閥設(shè)置

4 結(jié)語

綜上所述，在建筑給水系統(tǒng)中，受水泵啟動(dòng)、停電、停泵、閥門等多重因素影響，極易引發(fā)水錘現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了給水系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。為有效進(jìn)行水錘防護(hù)，在分析水錘現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，闡述了水錘計(jì)算的基本方程、水錘特征線法，并結(jié)合福安某私人住宅給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例，對建筑給水系統(tǒng)的水錘防護(hù)措施進(jìn)行深入探究。以期為其他類似建筑給水系統(tǒng)的水錘防護(hù)提供參考。