智能氣動降水成套設備的應用

□文/辛 煒

天津市在地下空間開發施工過程中，一般采用管井降水，每口井內水下放置一臺電動水泵抽水，這就存在漏電的安全隱患。隨著地下工程的面積和深度不斷擴大，降水井的數量隨之增多，電動水泵的使用數量也大大增加，連接水泵的電纜線縱橫交錯架空成網、拖地成患，給施工現場的安全管理、文明施工管理帶來極大的困難。在降水過程中，不斷地開開停停，頻繁地拉合閘，既增加人工成本，電箱、閘具和水泵也容易損壞。

新型的智能氣動降水成套設備，主要由供氣系統（變頻螺桿空氣壓縮機）、智能控制系統（智能管控終端）和氣水置換系統（氣水置換泵）三部分組成。該套設備是由空壓機提供壓縮空氣，通過智能控制終端，將壓縮空氣傳輸到設置在管井底部的氣水置換泵，利用氣動技術將水排出管井，實現智能控制氣動降水。

1 工藝特點

1）智能降水工藝完全避免了水泵水下帶電，解決了電纜線縱橫交錯架空成網、拖地成患問題。檢修不用停機，杜絕了人工頻繁拉合電閘的現象，大大減少了人員的投入和配電器材的損耗。

2）節約電能和耗材，智能氣動降水成套設備，只有空氣壓縮機和智能控制箱是用電設備，施工現場數十口降水井可以只用一臺空氣壓縮機，6～12臺氣水置換泵可只由一臺智能控制箱控制，用電設備僅為傳統降水工藝的10%，電閘箱和電纜線的使用量僅為傳統降水工藝6%～7%。

3）可智能控制，實現有水即抽，無水即停，既保證降水效果又節約用電。

4）實現智能監測，通過傳感器實時監控觀測井內的水位變化；通過APP軟件及時為施工降水監測工作提供有價值的數據。

5）內徑在200 mm以上的無砂混凝土管或橋式管等管井均適用；降水深度超過50 m；單泵抽水量超過4m3/h，每天抽水超過 100 m3。

2 工藝原理及設備

2.1 工藝設備

智能氣動降水設備主要包括：供氣、智能控制和氣水置換三大系統。

供氣系統包括：變頻螺桿空氣壓縮機、儲氣罐、調分潤三聯件和分氣組件。

智能控制系統包括：傳感器、智能控制箱和網絡管控終端。

氣水置換系統包括：進氣管、排氣閥、出水管、單向閥和氣水置換器。

2.2 工藝原理

由變頻螺桿空氣壓縮機和儲氣罐提供壓縮空氣，通過智能網絡管控終端，將壓縮空氣傳輸到設置在管井底部的氣水置換器（泵），利用氣動技術將水排出管井，實現自動智能氣動降水。

2.2.1 單層氣水置換器（泵）

當置換器放入水中后，置換器的單向閥打開，水流入泵體，控制系統向水泵供氣，進水單向閥受壓關閉，出水單向閥打開，水受壓流入出水管。泵體內的水出完后，控制系統停止供氣，出水單向閥關閉，泵體內的氣體排出，進水單向閥打開，水流入泵體內，如此循環。

2.2.2 雙層氣水置換器（泵）

雙層水泵是由兩個單層水泵組成，與單層水泵的氣水置換原理一樣。在一個單層水泵自身進行水氣置換循環時，兩個單層水泵之間也在循環，當一層進水時，另一層進氣出水，實現雙層泵連續出水。

3 工藝流程

設備選型—設備安裝準備—設備安裝—系統連接—智能調試—智能降水。

4 操作要點

4.1 設備選型和用量確定

4.1.1 氣水置換器（泵）

單井出水量在2 m3/h左右時選用（ZJ-D型）單層氣水置換器，單井出水量在4 m3/h左右時選用（ZJ-S型）雙層氣水置換器。根據降水井的數量和單井出水量，分別確定單層和雙層氣水置換器的需用數量。見圖1和圖2。

圖1 單層水泵

圖2 雙層水泵

如各井的單井出水量均超過2 m3/h，可以在降水初期選用（ZJ-S型）雙層氣水置換器，在地下水越降越少后或基坑土方挖至槽底時再改換為（ZJ-D）單層水氣置換器，這樣可以減少智能控制箱和雙層氣水置換器的使用周期和用量，降低降水費用。

4.1.2 智能控制箱

根據不同型號水氣置換器數量，按照一臺智能控制箱可連接控制12臺單層氣水置換器或6臺雙層氣水置換器的能力，確定智能控制箱的用量。見圖3。

4.1.3 螺桿式空氣壓縮機

依據氣水置換器的需用數量，按照不同型號氣水置換器的容積流量并考慮送氣管線的流量損耗，計算出容積流量總和；根據總的容積流量，參考氣水置換器的工作壓力（0.2～0.8 MPa），選擇確定空氣壓縮機的型號和數量。

降水井較集中時，宜選用容積流量匹配度較合適的一臺空壓機，集中供氣，這樣既便于管理也比較經濟。如基坑面積較大，降水井布置的較分散或基坑狹長（如地鐵工程），降水井延長度布置的較遠，宜采取分組或分段控制的降水方法，選用多臺與分組分段控制的容積流量相匹配的空氣壓縮機。

圖3 智能控制箱

4.1.4 儲氣罐

按照選定的空氣壓縮機容積流量和數量選定儲氣罐并符合下列要求：1）工作壓力與空氣壓縮機的出氣壓力相同（0.8MPa）；2）容積宜為空氣壓縮機容積流量的30%，最小不少于容積流量的20%；

3）數量與選定的空氣壓縮機數量相等。

4.2 設備安裝

1）設備安放在厚度≮15 cm的混凝土墊層上，安裝前基礎上表面須做到水平，室內室外均可。

2）螺桿式空氣壓縮機工作的振動較小，不需與基礎固定，壓縮機底部宜鋪上5～10 mm厚的橡膠軟墊或防振墊，以減小振動及噪聲。

3）儲氣罐調平后，地腳應采用膨脹螺栓或預埋螺栓與基礎固定。如選用的是臥式儲氣罐，只一端地腳固定；以便儲氣罐受熱時釋放膨脹。

4）空壓機如安裝在室外，螺桿式空氣壓縮機應加裝前置過濾設備。

5）智能控制箱擺放在所控制的多口降水井中間，方便連接和操作即可。

6）氣水置換器用強度高、柔韌度好的繩索系好懸吊在井底。

4.3 系統連接

空壓機與儲氣罐之間，采用兩端帶有液壓接頭，內徑25 mm、壁厚3 mm，專用高壓鋼絲編織橡膠軟管連接。儲氣罐上的接口應低進高出，防止輸出的氣體中含水多。儲氣罐與智能控制箱之間，采用內徑15 mm、壁厚2 mm的編織橡膠管連接。采用外徑10 mm、內徑6.5 mm的PU氣管，一端安裝在智能控制箱的一個接口上，另一端與氣水置換器的進氣口連接。將2芯0.5 mm2屏蔽數據線的一端，連接在智能控制箱內相對應的信號接口上，另一端與安裝在氣水置換器上的傳感器固定。用外徑32 mm、內徑25 mm的聚乙烯管，作為出水管安裝在氣水置換器的出水口上。氣管連接時盡量減少使用彎頭及各類閥門，以減少氣的壓力損失，降低壓縮空氣溫度，減少壓縮機組頻繁加載卸荷的次數，減少機械元件的磨損，提高壓縮機運行的可靠性。見圖4。

圖4 控制箱-儲氣罐-壓縮機連接

4.4 智能調試

設備安裝和系統連接完成，應組織聯合驗收，確認安全無誤后，可開機調試。啟動空壓機，調整空壓機的排氣壓力和儲氣罐的工作壓力，達到設備的設計壓力或達到氣動智能降水的需要壓力（不得大于設備的設計壓力），調整安全閥達到最佳工作狀態。待儲氣罐中的氣壓超過0.6 MPa時，逐臺打開智能控制箱，左右旋轉調壓閥增減氣壓，使其達到工作壓力。

工作壓力=所需揚程/100+0.2，以壓力表讀數為準。

所需揚程=氣水置換器出水管井內長度+水平長度/10。

打開智能控制箱的電源，進入參數設定界面，根據各臺氣水置換器的不同類型、氣管的長短和降水井深度等條件，設定控制參數。在各降水井調試出水正常后，反復（3～5次）用量具測量出氣水置換器每一個循環的出水量，用體積法計算出水的流量平均值，輸入到智能控制箱內的參數設定界面，標定流量。見圖5和圖6。

5 效益

5.1 經濟效益

節省用電設備和電纜電線等耗材，使用量僅為傳統降水的10%；安裝簡便、故障率低，維護費用低；節約用電最為突出，以一臺22 kW空氣壓縮機帶動20臺雙層氣水置換器降水為例，比傳統降水方法20口井節電240 kW·h/d。

圖5 開關界面

圖6 參數設定界面

5.2 技術效益

智能控制，有水即抽，無水即停，降水井內的水位上下浮動較小，只有約30 cm左右，降水平穩。

5.3 安全效益

避免了水泵水下帶電，實現了基坑內、降水井內無電化降水施工，排除了基坑內降水工作中的用電安全隱患，防止了觸電等事故的發生。

6 結語

該工藝在天津地鐵4號線多倫道站工程、天津地鐵6號線鞍山西道站工程中應用，取得了良好的社會和經濟效益。