智能气动降水成套设备的应用

□文/辛 炜

天津市在地下空间开发施工过程中，一般采用管井降水，每口井内水下放置一台电动水泵抽水，这就存在漏电的安全隐患。随着地下工程的面积和深度不断扩大，降水井的数量随之增多，电动水泵的使用数量也大大增加，连接水泵的电缆线纵横交错架空成网、拖地成患，给施工现场的安全管理、文明施工管理带来极大的困难。在降水过程中，不断地开开停停，频繁地拉合闸，既增加人工成本，电箱、闸具和水泵也容易损坏。

新型的智能气动降水成套设备，主要由供气系统（变频螺杆空气压缩机）、智能控制系统（智能管控终端）和气水置换系统（气水置换泵）三部分组成。该套设备是由空压机提供压缩空气，通过智能控制终端，将压缩空气传输到设置在管井底部的气水置换泵，利用气动技术将水排出管井，实现智能控制气动降水。

1 工艺特点

1）智能降水工艺完全避免了水泵水下带电，解决了电缆线纵横交错架空成网、拖地成患问题。检修不用停机，杜绝了人工频繁拉合电闸的现象，大大减少了人员的投入和配电器材的损耗。

2）节约电能和耗材，智能气动降水成套设备，只有空气压缩机和智能控制箱是用电设备，施工现场数十口降水井可以只用一台空气压缩机，6～12台气水置换泵可只由一台智能控制箱控制，用电设备仅为传统降水工艺的10%，电闸箱和电缆线的使用量仅为传统降水工艺6%～7%。

3）可智能控制，实现有水即抽，无水即停，既保证降水效果又节约用电。

4）实现智能监测，通过传感器实时监控观测井内的水位变化；通过APP软件及时为施工降水监测工作提供有价值的数据。

5）内径在200 mm以上的无砂混凝土管或桥式管等管井均适用；降水深度超过50 m；单泵抽水量超过4m3/h，每天抽水超过 100 m3。

2 工艺原理及设备

2.1 工艺设备

智能气动降水设备主要包括：供气、智能控制和气水置换三大系统。

供气系统包括：变频螺杆空气压缩机、储气罐、调分润三联件和分气组件。

智能控制系统包括：传感器、智能控制箱和网络管控终端。

气水置换系统包括：进气管、排气阀、出水管、单向阀和气水置换器。

2.2 工艺原理

由变频螺杆空气压缩机和储气罐提供压缩空气，通过智能网络管控终端，将压缩空气传输到设置在管井底部的气水置换器（泵），利用气动技术将水排出管井，实现自动智能气动降水。

2.2.1 单层气水置换器（泵）

当置换器放入水中后，置换器的单向阀打开，水流入泵体，控制系统向水泵供气，进水单向阀受压关闭，出水单向阀打开，水受压流入出水管。泵体内的水出完后，控制系统停止供气，出水单向阀关闭，泵体内的气体排出，进水单向阀打开，水流入泵体内，如此循环。

2.2.2 双层气水置换器（泵）

双层水泵是由两个单层水泵组成，与单层水泵的气水置换原理一样。在一个单层水泵自身进行水气置换循环时，两个单层水泵之间也在循环，当一层进水时，另一层进气出水，实现双层泵连续出水。

3 工艺流程

设备选型—设备安装准备—设备安装—系统连接—智能调试—智能降水。

4 操作要点

4.1 设备选型和用量确定

4.1.1 气水置换器（泵）

单井出水量在2 m3/h左右时选用（ZJ-D型）单层气水置换器，单井出水量在4 m3/h左右时选用（ZJ-S型）双层气水置换器。根据降水井的数量和单井出水量，分别确定单层和双层气水置换器的需用数量。见图1和图2。

图1 单层水泵

图2 双层水泵

如各井的单井出水量均超过2 m3/h，可以在降水初期选用（ZJ-S型）双层气水置换器，在地下水越降越少后或基坑土方挖至槽底时再改换为（ZJ-D）单层水气置换器，这样可以减少智能控制箱和双层气水置换器的使用周期和用量，降低降水费用。

4.1.2 智能控制箱

根据不同型号水气置换器数量，按照一台智能控制箱可连接控制12台单层气水置换器或6台双层气水置换器的能力，确定智能控制箱的用量。见图3。

4.1.3 螺杆式空气压缩机

依据气水置换器的需用数量，按照不同型号气水置换器的容积流量并考虑送气管线的流量损耗，计算出容积流量总和；根据总的容积流量，参考气水置换器的工作压力（0.2～0.8 MPa），选择确定空气压缩机的型号和数量。

降水井较集中时，宜选用容积流量匹配度较合适的一台空压机，集中供气，这样既便于管理也比较经济。如基坑面积较大，降水井布置的较分散或基坑狭长（如地铁工程），降水井延长度布置的较远，宜采取分组或分段控制的降水方法，选用多台与分组分段控制的容积流量相匹配的空气压缩机。

图3 智能控制箱

4.1.4 储气罐

按照选定的空气压缩机容积流量和数量选定储气罐并符合下列要求：1）工作压力与空气压缩机的出气压力相同（0.8MPa）；2）容积宜为空气压缩机容积流量的30%，最小不少于容积流量的20%；

3）数量与选定的空气压缩机数量相等。

4.2 设备安装

1）设备安放在厚度≮15 cm的混凝土垫层上，安装前基础上表面须做到水平，室内室外均可。

2）螺杆式空气压缩机工作的振动较小，不需与基础固定，压缩机底部宜铺上5～10 mm厚的橡胶软垫或防振垫，以减小振动及噪声。

3）储气罐调平后，地脚应采用膨胀螺栓或预埋螺栓与基础固定。如选用的是卧式储气罐，只一端地脚固定；以便储气罐受热时释放膨胀。

4）空压机如安装在室外，螺杆式空气压缩机应加装前置过滤设备。

5）智能控制箱摆放在所控制的多口降水井中间，方便连接和操作即可。

6）气水置换器用强度高、柔韧度好的绳索系好悬吊在井底。

4.3 系统连接

空压机与储气罐之间，采用两端带有液压接头，内径25 mm、壁厚3 mm，专用高压钢丝编织橡胶软管连接。储气罐上的接口应低进高出，防止输出的气体中含水多。储气罐与智能控制箱之间，采用内径15 mm、壁厚2 mm的编织橡胶管连接。采用外径10 mm、内径6.5 mm的PU气管，一端安装在智能控制箱的一个接口上，另一端与气水置换器的进气口连接。将2芯0.5 mm2屏蔽数据线的一端，连接在智能控制箱内相对应的信号接口上，另一端与安装在气水置换器上的传感器固定。用外径32 mm、内径25 mm的聚乙烯管，作为出水管安装在气水置换器的出水口上。气管连接时尽量减少使用弯头及各类阀门，以减少气的压力损失，降低压缩空气温度，减少压缩机组频繁加载卸荷的次数，减少机械元件的磨损，提高压缩机运行的可靠性。见图4。

图4 控制箱-储气罐-压缩机连接

4.4 智能调试

设备安装和系统连接完成，应组织联合验收，确认安全无误后，可开机调试。启动空压机，调整空压机的排气压力和储气罐的工作压力，达到设备的设计压力或达到气动智能降水的需要压力（不得大于设备的设计压力），调整安全阀达到最佳工作状态。待储气罐中的气压超过0.6 MPa时，逐台打开智能控制箱，左右旋转调压阀增减气压，使其达到工作压力。

工作压力=所需扬程/100+0.2，以压力表读数为准。

所需扬程=气水置换器出水管井内长度+水平长度/10。

打开智能控制箱的电源，进入参数设定界面，根据各台气水置换器的不同类型、气管的长短和降水井深度等条件，设定控制参数。在各降水井调试出水正常后，反复（3～5次）用量具测量出气水置换器每一个循环的出水量，用体积法计算出水的流量平均值，输入到智能控制箱内的参数设定界面，标定流量。见图5和图6。

5 效益

5.1 经济效益

节省用电设备和电缆电线等耗材，使用量仅为传统降水的10%；安装简便、故障率低，维护费用低；节约用电最为突出，以一台22 kW空气压缩机带动20台双层气水置换器降水为例，比传统降水方法20口井节电240 kW·h/d。

图5 开关界面

图6 参数设定界面

5.2 技术效益

智能控制，有水即抽，无水即停，降水井内的水位上下浮动较小，只有约30 cm左右，降水平稳。

5.3 安全效益

避免了水泵水下带电，实现了基坑内、降水井内无电化降水施工，排除了基坑内降水工作中的用电安全隐患，防止了触电等事故的发生。

6 结语

该工艺在天津地铁4号线多伦道站工程、天津地铁6号线鞍山西道站工程中应用，取得了良好的社会和经济效益。