高层建筑给水系统停泵水锤分析_邓风.pdf

南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 1 9 9 7 年 Journal of Nanjing Architectural and 第4期Civil Engineering InstituteSum No. 43 高层建筑给水系统停泵水锤分析 X 邓风梅凯 ( 南京建筑工程学院城建系, 南京, 210009, 第一作者27岁, 女, 助教) 摘要分析了高层建筑给水系统中停泵水锤形成的原因, 计算了安装普通止回阀的 压水管中停泵水锤可能产生的最大水压, 推荐安装隔膜式气压罐水锤消除器, 并介绍了气压 罐容积的计算方法。 关键词高层建筑; 给水系统; 水泵; 水锤; 气压罐 中图号T U991. 41 高层建筑给水系统常采用水泵和水箱联合工作的给水方式, 生活水泵和消防水泵的吸水 方式为自灌式。 生活水泵启闭由水箱内液位控制装置而实现自动化, 消防水泵可由水泵启动按 钮远距离启动, 两者压水管上阀门呈常开状态。 由于水泵压水管长, 扬程高, 再加上阀门常开, 水泵启动时, 会因管路中流速急剧变化形成启动水锤; 如果管道被异物堵塞或因阀门阀板掉落 等事故, 则会形成关阀水锤; 停泵或因断电原因造成事故停泵时则形成停泵水锤。 根据调查统 计, 大部分水锤事故都属于停泵水锤事故。 停泵水锤如果导致压水管内因水柱拉断而出现空 穴, 随后断裂的两股水柱重新弥合发生猛烈碰撞, 管中压力升高达正常工作压力的几倍, 这种 水锤称为水柱分离和断流弥合水锤。 该水锤危害很大, 轻则泵房内管道剧烈振动、 摇摆, 发出巨 大声响, 重则管道附件爆裂, 泵房被淹, 甚至伤及工作人员。 如果是消防泵则会使系统失去作 用, 导致消防灭火失败。 杭州某高级饭店在消防水泵试运行时就发生了因停泵水锤而导致的水 管被震裂事故。 目前高层建筑给排水工程设计中, 这个问题尚没有引起足够的重视, 有的甚至 没有考虑。 故在设计中, 正确进行停泵水锤的分析计算, 采取有效的消除措施, 是确保安全供水 的重要前提。 本文通过举例, 分析计算了压水管上装设普通止回阀的自灌式水泵停泵水锤最大 压力P max, 推荐一种有效的水锤消除器隔膜式气压水罐, 并计算所需气压罐的容积。 1停泵水锤最大压力 Pmax的计算 计算中冷水温度 t 为10 , 水的体积模量 K 为2. 1010 9 N/ m 2; 水的压缩系数 B为4. 76 10- 10m 2/ N, 水的运动粘滞系数 C为1. 30610- 6 m2/ s, 水的密度 Q为999. 7 kg/ m 3。 管材均 为镀锌焊接钢管, 钢管的弹性模数E 为2. 061011N/ m 2。 X 收稿日期: 1997- 01-15 1. 1建筑高度为50 m 时生活水泵的停泵水锤最大压力计算 如图1所示, 每台水泵流量 Q 为6 L/ s, 吸水池内最低水位标高为- 3. 40 m, 生活水位标高 为- 2. 50 m, 水泵出水口标高为- 3. 00 m。 水箱底标高为55. 00 m, 水箱内有效水深为2. 50 m, 水箱进水管口标高为57. 60 m。 吸水管长 L1为10 m, 管径 d1为 100 mm, 压水管长 L2为80. 60 m, 管径 d2为 80 mm, 压水管壁厚 D为4. 0 mm。 吸水管流速 v1= Q/ P 4 d21= 6. 0/ P 4 0. 102= 0. 76 m/ s 按舍维列夫公式有 K1= 0. 017 9 d 0. 3 1 1+ 0. 867 v1 0. 3 = 0. 044 9 式中, K1吸水管沿程水头损失系数。 局部水损取沿程水损的30% , 则吸水管总水损 图1建筑高度为50 m 时生活及消防给水系统简图 2h吸= 1. 3K1 L1 d1 v 2 1 2g = 0. 17 m 式中, g重力加速度, 其值为9. 8 m/ s2。 压水管流速 v2= Q/ P 4 d 2 2= 6. 0/ P 4 0. 082= 1. 19 m/ s K2= 0. 017 9 d0. 32 1+ 0. 867 v2 0. 3 = 0. 045 式中, K2压水管沿程水损系数。 压水管总水损 2h压= 1. 3K2 L2 d2 v22 2g = 4. 24 m 略去水箱水面与进水管之间高差, HST= 57. 60- ( - 3. 40) = 61. 00 m 式中, HST吸水池最低水位与水箱 水面垂直高差。 水泵静扬程 P静= rHST= 9 80061. 00= 5. 98105Pa 式中, r水的重度, 其值9 800 N/ m 3。 水泵工作扬程P工作= r( ST+ 2h吸+ 2h压) = 6. 48 105Pa 水泵压水管出口与末端几何高差Ht= 60. 60 m 设所选水泵额定扬程P额= 7. 35105Pa 停泵时水锤波速 c= K Q 1+ K d2 ED 代入各项数值, c= 1 320. 94 m/ s。 36 南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报1997年 cv 2 g = 160. 40 m, 而HST+ 2h吸+ 2h压= 66. 13 m cv 2 g 66. 13 m 根据参考文献 1 , 可知在压水管首端会发生水柱分离和断流弥合水锤, 且该点紧挨止回 阀后面。 水柱分离后管首处剩余流速: v余0= v2- g c ( HST+ 2h吸+ 2h压) = 0. 70 m/ s 管末端处剩余流速 v余L2 = v 2- g c Ht= 0. 74 m/ s 平均剩余流速 v余平= 1 2 ( v余0+ v余L2) = 0. 72 m/ s 断流水柱回冲流速 v回= v余平 1+ 2h压 HST v余平 v2 2 = 0. 71 m/ s 则 2H ST+ cv余平 gv回 = 258. 69 m 停泵水锤最大压力 Pmax= 9 800258. 69= 2. 5410 6 Pa 升压倍数 n= Pmax P工作= 2. 54106 6. 48105= 3. 92 根据参考文献 2 , 管道允许的最大水锤压力 Pmax不超过水泵额定扬程的1. 25倍, 如取为 1. 25倍, 则 P允= 1. 257. 3510 5= 9. 20105 Pa。 故 Pmax m P 允。 普通钢管出厂试验水压为2. 0 10 6 Pa, 故Pmax已超出了此极限值, 必须采取水锤消除措施。 1. 2建筑高度为50 m 时消防水泵的停泵水锤最大压力计算 为计算方梗, 仍取图1为计算简图。 每台水泵的流量 Q 为20 L/ s, 最不利消火栓标高为 43. 00 m。 根据高规, 充实水柱取为12 m, 栓口直径为 65 mm, 水龙带长20 m, 直径为 65 mm, 水枪喷嘴直径为 19 mm, 则所需栓口压力约为1. 9610 5 Pa。 计算中局部水损取为沿程 水损的10%。 计算结果见表1。 1. 3建筑高度为100 m 时生活水泵停泵水锤最大压力计算 在如图2所示条件下, 压水管采用加厚钢管, 壁厚 D 为5. 0 mm, 局部水损取沿程水损的 30%。 计算结果见表1。 1. 4建筑高度为100 m 时消防水泵停泵水锤最大压力计算 仍取图2为计算简图, 据高规要求, 充实水柱取为14 m, 其余同1. 2, 所需栓口压力约为 2. 25105Pa。 压水管采用加厚钢管, 壁厚 D为5. 5 mm, 局部水损为沿程水损的10%。 计算结果 37 第4期 邓风等: 高层建筑给水系统停泵水锤分析 见表1。 表1建筑高度为50 m、 100 m 时停泵水锤计算结果 项目 建筑高度为50 m建筑高度为100 m 生活水泵消防水泵生活水泵消防水泵 Q/ Ls- 1 6201020 L1/m, d1/ mm10, 10010, 15010, 12510, 150 L2/m,d2/mm 80. 6, 8066. 0, 125130. 6, 100116. 0, 125 D/mm4. 04. 55. 05. 5 2h吸/m 0. 170. 220. 130. 22 2h压/m4. 243. 635. 876. 38 Ht/m 60. 666. 0110. 6119. 0 P静/Pa5. 981056. 511051. 091061. 17106 P工作/Pa 6. 481056. 881051. 151061. 23106 P额/Pa7. 351057. 841051. 271061. 37106 c/ms- 1 1 320. 941 279. 481 320. 941 305. 95 v余0/ms- 10. 701. 090. 400. 68 v余L/ms- 1 0. 741. 120. 450. 73 v回/ ms- 10. 711. 100. 430. 71 Pmax/Pa2. 541062. 591063. 501063. 65106 P允/Pa9. 201059. 81051. 591061. 72106 n/倍 3. 923. 763. 052. 95 图2建筑高度为100 m 时生活及消防给水系统简 图 2停泵水锤消除措施的选择 及计算 由上面计算可知, 停泵水锤形成时 管道中最大压力 Pmax远远大于管道允许 压力 P允, 必须采取消除措施。 水锤的消 除方法有多种, 在此推荐一种有效的水 锤消除器隔膜式气压罐。 其消除水 锤的原理是, 在罐内的橡胶气囊里充填 等于水泵工作压力的压缩空气或氮气, 突然停泵压力降低时, 气囊膨胀, 将罐内 部分水体压入低压段, 起到补水稳压作 用。 压力升高时, 一部分压力水进入罐 内, 气囊压缩, 起到消能降压作用。 这种 消除器能缓解各类水锤压力, 适应面广, 可集中在一起安装, 占地面积小。 隔膜式 橡胶气囊一经调整即可长期使用, 不必 经常补气, 操作简单, 便于管理。 下面计算当压水管中形成停泵水锤时, 管中压力由 Pmax降为 P允所需气压罐容积。 38 南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报1997年 2. 1对应于1. 1情况所需气压罐容积计算 由上面计算可知, P工作= 6. 4810 5 Pa, Pmax= 2. 5410 6 Pa, P允= 9. 2010 5 Pa, 压水管长 L2= 80. 6 m, 管径 d2为 80 mm, 压水管内水锤压力经气压罐消除后, 由 Pmax降至 P允, 压力降 低水体膨胀, 膨胀后增加的容积 dV 进入气压罐。 根据文献 3 dV = BV水dP10 6 式中, V水管中压力为 P工作时压水管中充满的水体容积, V水= P 4 d 2 2L2( m 3) dP水锤最大压力与管道允许压力差值, dP= ( Pmax- P允) 故 dV= 4. 7610- 10 P 4 0. 08280. 6( 2. 54106- 9. 20105) = 3. 12102( cm3) 。 橡胶气囊内充填初始压力为水泵工作压力的压缩空气或氮气, 容 积为 V0。 消除水锤过程 中, 容积为 dV 的压力水进入罐内, 进一步压缩囊内气体, 其容积缩小为( V0- dV ) , 压力由 P工作 升至P 允。 根据波马定律, 有 ( P工作+ 9. 810 4) V 0= ( P允+ 9. 810 4) ( V 0- dV) 故 V0= ( P允+ 9. 8104) dV P允- P工作 = ( 9. 210 5+ 9. 8104) 3. 12102 9. 210 5- 6. 48105= 1. 1710 3 ( cm 3) 由于气压罐容积附加系数为1. 0, 则所需气压罐容积 V罐= 1. 1710 3 cm 3。 2. 2对应于1. 2, 1. 3, 1. 4三种情况所需气压罐容积计算 计算过程同2. 1。 具体过程从略, 计算结果见表2。 表2气压罐容积计算结果 项目 建筑高度为50 m建筑高度为100 m 生活水泵消防水泵生活水泵消防水泵 L2/m80. 666. 0130. 6116. 0 d2/mm80125100125 P工作/Pa6. 481056. 881051. 151061. 23106 Pmax/Pa2. 541062. 591063. 501063. 65106 P允/Pa 9. 201059. 81051. 591061. 72106 dV/cm 3 3. 121026. 221029. 301021. 31103 V0/cm31. 171032. 301033. 531034. 95103 V 罐/cm31. 171032. 301033. 531034. 95103 3结束语 高层建筑给水系统水锤不能忽视。 上面计算的某一容积的隔膜式气压罐, 不仅可以消除压 力最大、 危害最大的停泵水锤, 还可以缓解其他各类水锤压力。 它可以直接安装在水泵出口附 近管路上, 是一种有效的水锤消除器。 39 第4期 邓风等: 高层建筑给水系统停泵水锤分析 参考文献 1金锥, 姜乃昌, 汪兴华. 停泵水锤及其防护. 北京: 中国建筑工业出版社, 1993. 453487 2戚盛豪, 汪洪秀, 徐彬士等. 给水排水设计手册( 三): 城市给水. 北京: 中国建筑工业出版社, 1986. 475511 3闻德荪, 魏亚东, 李兆年等. 工程流体力学. 北京: 高等教育出版社, 1991. 411 4姜文源, 吴以仁, 林存声. 气压给水技术. 北京: 中国建筑工业出版社, 1993. 297301 Analysis for Water Hammer of Water Supply System in High Buildings Deng Feng Mei K ai (Dept.of Urban Construction Engineering,Nanjing Architectural and Civil Engineering Institute,Nanjing, 210009) AbstractThis paper analyses the forming of water hammer of feed water pump and fire pump when stopped suddenly in high buildingp s water supply system. In this paper, the largest pressure of water hammer is calculated, a effective air-pressure canister with mern- brane is recommended. Also the way of calculating the volume of the canister is introduced. Key wordshigh building; water supply system; pump; water hammer; air- pressure canister 40 南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报1997年