气动降水设备的特点及与传统设备的对比研究

宋心朋 周莹莹

(天津市之井科技有限公司，天津 300143)

随着城市化建设的深入，地下空间被广泛的利用。在全国大部分地区，地下空间开发过程中，降水施工是一项必不可少的措施。在采用管井降水时，每口井内都要放置一台电动潜水泵抽水。电动的潜水泵放置在水下，极易损坏并带来安全隐患；由于降水井数量较多，连接水泵的电缆线较多，对于现场的安全文明施工是很大的考验；在降水过程中，降水井内的水是越来越少的，需要人工开开停停，开停频繁，人工增加，潜水泵也容易损坏，开停不频繁，浪费电能[1]。

目前越来越多的使用气动设备进行降水，也称空压机降水，并形成了一种完善的、专业化的管井降水设备。现对气动降水设备的原理、特点及与传统电动降水设备进行全面的比较研究。

1 气动降水设备原理及功能

1.1 气动降水设备原理

气动降水采用气动技术和自动化技术，结合变频器、传感器控制水气置换系统来实现自动化降水的一种新的施工工艺。

气动降水设备由气源系统、自动控制系统和水气置换系统组成。气源系统包含变频螺杆空压机、干燥机、储气罐和分气总成。自动控制系统包含电源模块、调压模块和数控模块。水气置换系统包含排气阀、止回阀和水气置换器(见图1)。

总的工作原理如下：

变频螺杆空压机产生的高压气体经过干燥机处理后存储到储气罐，经过分气总成分配到各个自动控制系统内。根据降水井深度调节调压装置，根据出水量调节数控模块，开启相应的控制开关。经过调压后的气体被分配到相应的水气置换系统中。数控模块根据指令控制每一路气体的开启与关闭(见图2)。

水气置换器工作原理：

Ⅰ型水气置换器：有一个工作腔室。当水气置换器放入水中后，进水单向阀打开，水流入腔室，控制系统向水气置换器供气，进水单向阀受压关闭，出水单向阀打开，水受压流入出水管。腔室内的水出完以后，控制系统停止供气，出水单向阀关闭，腔室内的气体排出，进水单向阀打开，水流入腔室，以此循环。

Ⅱ型水气置换器：有两个工作腔室，每一个腔室工作原理与Ⅰ型水气置换器相同。通过控制系统使两个腔室交替工作，完成连续出水[2]。

1.2 气动降水设备的功能

气动降水设备基于自身的动力集中输出，更方便于自动化的实施，也更方便于功能一体化的实施。气动降水设备集中了降水工程中所需的大部分功能，包括抽水、抽真空、计量、水位监测、风险预警、数据采集、分析等。另外还有很多其他功能比如：可调扬程、可调流量、问题自检等。

1)气动降水设备是依靠高压气体将水气置换器中的水置换出来，实现排水。通过调节供气压力来改变扬程，通过调节供气时间来改变流量。这些功能在管井降水中非常实用。另外通过液位传感器可实现用水即抽，无水即停。动水位液面可以保持在一个比较平稳的状态，保证良好的降水效果。

2)对于某些地质为淤泥质黏土或淤泥质粉土等区域，采用管井降水的同时需要增加负压，采用气动降水设备则不需要增加真空泵，而是需要一个特殊的井盖就可以实现井内负压[3]。

3)传统的降水设备均采用水表计量。没有经过处理的地下水包含细砂、铁锈、酸碱盐等物质对水表的腐蚀、磨损比较严重。造成水表无法读数，或旋转受阻，计量不准确等。气动降水设备的计量方式是采用容积法，即标定水气置换器的容积，统计工作次数，计算出总水量。另外还可以统计出总时间或某个时间段的时间，计算出总的流速或某个时间段的流速，对于岩土工程分析有着数据的支持。

4)通过水位传感器可以监测观测井的水位变化，观测井的水位变化直接影响着基坑的安全，特别是承压水的水位变化，是丝毫不能马虎的。气动降水设备可以连接传感器，设置预警值，有问题提前报警。

5)气动降水设备通过自动化的管理，可以采集大量的现场数据，包括每口井的出水量、任意时段的渗水速度、水位的变化等数据。通过数据的积累和分析，来更好的指导基础工程的施工生产。

2 气动降水设备特点研究

气动降水设备集成度高，整体布局合理：高价值的部分(指供气系统和控制系统)自身寿命长、而且放置于不容易被破坏的非作业区，将低价值的部分(指分气管和水气置换系统)放置于作业区，但因结构简单而不易损坏；危险的部分(指供气系统和控制系统，有电或机械转动)放置于非作业区，无人员和机械的干扰，而将安全的部分(指分气管和水气置换系统)放置于作业区，交叉作业无安全隐患。结构的组成和合理的布局使气动降水设备具有安全、节能、自动化程度高、寿命长、安拆便捷等特点。

2.1 气动降水设备的安全性研究

2.1.1螺杆空气压缩机

属于通用机械设备，各个行业应用广泛，技术成熟。在降水行业中选用排气压力为0.8 MPa的低压空压机，使用更安全。

螺杆空压机具有：稳定性高，效率高，振动小，噪声低，寿命长等优点。

螺杆空压机均有一个控制系统，机器内部安装有各种功能的传感器，如压力传感器、温度传感器等，在运转过程中会反馈数据。压力高于设计值会自动卸载，压力低于设计值会自动加压，温度过高会自动启动风扇散热，温度降下来风扇会自动关闭。另外，系统内还设置了机器保养参数，可以提示何时需要保养[4]。

2.1.2冷干机

冷干机是冷冻式干燥机的简称，属于气动系统中的气源处理元件。利用冷媒与压缩空气进行热交换，把压缩空气温度降到2 ℃～10 ℃范围的露点温度。除掉气体中的水分，有利于控制系统内的元件。

冷干机也属行业内成熟产品，避免日晒、雨淋，注意通风，没有安全风险。

2.1.3储气罐

采用0.8 MPa，1 m3以下的储气罐。这种储气罐属于特种设备，但是属于简单压力容器，不需要备案。输气罐上部有一个安全阀，当气压超过0.8 MPa时，安全阀会自动打开排气。安全阀应定期校验[5]。

2.1.4控制系统

为了工地上接电方便，一般采用220 V供电，总功率只有150 W。而且控制箱内有一个变压器，直接将电源变为直流24 V来控制整个系统。

气压方面，当0.8 MPa压力的气体进入到控制系统后，经过一个小型储气罐分向各路的气源处理器，经过处理过的气源压力变低，根据井深需要一般为0.2 MPa～0.5 MPa。

2.1.5主气管

采用内径19 mm、外径28 mm、PVC材质、三胶两线高压气管，工作压力4 MPa，爆破压力16 MPa。具有轻质、耐磨、耐老化、耐破裂、抗弯曲等优点。可以任意长度压制快速接头，方便安拆使用。

在施工过程中，如果主气管长时间老化，并不会突然爆破，而是在薄弱点慢慢漏气。如果被机械突然破坏，会有一瞬间的强烈的气流，但会很快消失，不会造成影响。

由此可见，中小外贸企业想要继续在市场上生存，就必须要抢占发展先机，努力推进跨境电子商务转型，获得竞争优势，这已成为学者们的共识。

2.1.6分气管

采用气动行业通用的PU材质，具有耐化学腐蚀、重量轻、耐磨性高、防染色、防胀气等性能。工作压力为1 MPa，爆破压力为1.3 MPa。在降水行业中，作为分气管使用的PU管一般选用10×6.5 mm和12×8 mm两种，分路气压一般为0.2 MPa～0.5 MPa，安全性高。

对于内部直径只有6.5 mm或8 mm的低压小管来说，即使在正常的工作中突然断开，也并不会产生令人不安的声音，更不会产生危险。

2.1.7水气置换器

简单说水气置换器类似一个容器，采用2.5 mm厚Q235B钢板冲压、焊接而成。Q235B钢板有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。

水气置换器全断面采用机械自动焊接技术，具有焊接质量好，焊缝外观成型美观，均匀。

水气置换器进水口采用铁板加橡胶垫密封。整个置换器在水中工作。

水气置换器简单来说类似一个容器，结构简单，造价低廉，无旋转部件，不易损坏。

当然如果控制系统采用太阳能或蓄电池控制，则除动力以外整个施工现场将没有一根电缆线。

2.2 气动降水设备的节能研究

先说一说降水行业的特点：降水效果要想达到最理想的状态，就要将动水位一直保持在一个最低位置，也就是尽量靠近井底的位置。这样才能产生出设计所说的降水漏斗。动水位保持在这个位置，就要求泵的流量不小于渗水的流量。可以看出泵的流量越接近等于渗水的流量越节能，因为浪费的少了。

但是从渗水量方面说，降水不同于排水，每个项目的地质不一样，含水量就不一样，甚至每口井的渗水量都不一样，而且每口井降水前期和后期的渗水量也不一样。所以要想达到良好的降水效果，又不能浪费电能，就要求每口井或者同一口井的不同降水时期应该配备的功率不同。

但是目前的传统电泵降水过程却是“平均分配”，同样型号的泵，一口井内分一个。水多水少都一样，前期后期都一样。这样就造成了大量的浪费。

气动降水相当于将所有的用电设备功率集中到了一起，再通过控制系统对每口井进行功率分配，而且能做到按需分配。

下面详细分析气动降水设备的每一个单体对节能降耗产生的影响。

2.2.1螺杆空气压缩机

螺杆空气压缩机集中了工地降水所需要的所有动力来源(150 W的控制系统功率可以忽略)。对于天津地区的96口井的项目来说，可以配备两台22 kW甚至有些地方可以配备1台37 kW的螺杆空压机。将原来96个小电机集中在了一个或两个大电机上，这就会有能效的提高。

螺杆空压机均有一个控制系统，机器内部安装有传感器：有一种压力传感器，其功能是在运转过程中会反馈压力数据。压力过高会自动卸载，之后就空转或停机。如使用变频螺杆空压机，则会根据用气量来自动调节功率，达到节能目的。另一种是温度传感器控制，机器在散热方面采用自动化控制，当温度过高会自动启动风扇散热，温度降下来风扇会自动关闭，避免浪费。

2.2.2控制系统

控制系统的功能包含对每口井的压力分配和所需气量的分配。

对于不同的降水深度或不同的排水距离所需要的压力都是不一样的，通过调节达到每口井所需最适合的压力，以避免气压的浪费。

对于不同的井的渗水流量或者同一口井不同时期的渗水流量，通过调节供气时间达到所需的最适合的供气量，以避免气量的浪费。

液位自动控制系统，由液位自动控制，有效避免气量的浪费，而且能保证动水位变化范围在20 cm以内，达到最优的降水效果。传统电泵液位控制上下点高差为3 m～5 m[6]。

2.2.3水气置换器

水气置换器为一个或两个容器组成，是由气体直接对水做功，内部无旋转部件。

总之，动力的集中输出，运行过程中的自动化控制，避免了浪费，有效的提高了生产效率。在每个循环的工作过程中，均把分支气管内的气体排出，造成了浪费。如果能把分支气管内气体保留则是更好的选择。水气置换器内的气体是必须排出的，排出的气体仍有动力，如果能够回收则更加完美。

2.3 气动降水设备安拆及使用便捷性研究

2.3.1螺杆空气压缩机、冷干机、储气罐

22 kW螺杆空压机重约400 kg，尺寸为1 200 mm×900 mm×1 000 mm。需要吊装。

冷干机重约70 kg，尺寸约为600 mm×500 mm×500 mm。和螺杆空压机距离2 000 mm即可，采用高压钢丝管与螺杆空压机连接。

储气罐重约100 kg，直径1 000 mm，高约2 000 mm。和冷干机距离2 000 mm远即可，采用高压钢丝管与冷干机连接。储气罐顶部安装安全阀和压力表，底部安装排水阀。侧面出气孔安装4路分气总成。

螺杆空压机、冷干机和储气罐三者组合成一个集中的供气站。含预留操作空间，占地面积约16 m2，即长8 000 mm，宽2 000 mm。防止底部潮湿进水，最好砖砌高200 mm的平台。应对供气站做防雨保护。

供气站的安装较为复杂，进场之后安放在距离基坑较近且不妨碍其他工作的地方。地点一旦选好，施工期间不需要移动，直到出场。

2.3.2控制系统

控制系统分为12路控制系统和6路控制系统。12路控制系统重约50 kg，外形尺寸约为650 mm×450 mm×1 000 mm。两侧有提手，方便两个人一起搬运。6路控制系统重约25 kg，外形尺寸约为550 mm×250 mm×450 mm，顶部有提手。控制系统最好安放在基坑的外围。

控制系统采用PVC软管与储气罐上的分气阀门采用对丝连接。控制系统可以串联，12路的控制系统不超过两个串接在一起。6路控制系统不超过4个串接在一起。

2.3.3水气置换器

水气置换器包括Ⅰ型、Ⅱ型和可拼装型三种型号。

Ⅰ型水气置换器直径205 mm，高400 mm。重约6 kg。进气口安装排气阀和气管快插弯头，出水管处安装单向阀和水管接头。出水量最大1.5 m3/h。间断性出水。

Ⅱ型水气置换器直径205 mm，高650 mm。重约10 kg。进气口安装两个排气阀和两个气管快插弯头，出水管处安装单向阀和水管接头。出水量最大2.5 m3/h。间断性出水。

可拼装型水气置换器直径205 mm，高400 mm。重约7 kg。进气口安装两个排气阀和两个气管快插弯头，出水管处安装水管接头。出水量最大2 m3/h。间断性出水。

两个可拼装型水气置换器通过连接管连接后，出水量可达6 m3/h。可连续性出水。

2.3.4气管

管包含主气管和分气管。

主气管50 m一根，重约20 kg。可根据现场实际使用长度裁断并压制锁管接头，两根管之间或者管与控制箱之间或者管与储气罐之间均采用对丝连接。

分气管100 m/卷，重约5 kg～8 kg。分气管之间、分气管与控制系统之间、分气管与水气置换器之间的连接均采用快插方式。安拆均一步完成。

综上可以看出，气动降水在安装的过程中使用的工具多为扳手和管钳等工具。仅有少量的需要接电安装的。而且带电的设备在开挖过程中不需要移动。

现场使用密度最大的是分气管而不是电缆线，分气管有极为方便安拆的快速接头，而电缆线则因为经常拖地或浸水而无法使用快速连接。

土方开挖期间，操作最为频繁的是向井内下放或拔出水气置换器。同等出水量的水气置换器和水泵相比要轻很多。工人操作起来省力也省时。

自动化程度高，不需要有人专门看管，不会有烧泵等现象，节约大量的人工。

3 气动降水设备与传统设备的对比研究

3.1 气动降水和电泵降水功能对比

气动降水和电泵降水功能对比见表1。

表1 电泵降水和气动降水功能对比

1)电泵的功能只是抽水，而且扬程固定，流量固定。这就是说在降水施工采购水泵时一般都按照这一区域的较大水量配备潜水泵，以满足不同工地的降水需求。

2)在传统的电泵降水过程中，如果需要抽真空，则需要安装真空泵。如果需要计量，则需要安装水表。

传统的电泵降水并不是一种成套的设备，而是一些具有单独功能的仪器设备组合在一起，各自完成各自的功能。

3.2 气动降水和电泵降水所需物资对比

天津区域96口井的项目(井深10 m)气动降水和电泵降水所需物资对比见表2。

表2 气动降水和电泵降水所需物资对比

可以看出，使用传统电泵降水所需的带电物资数量要多，主要是为了安全用电的规范。三级箱、二级箱、电缆线、线杆，这些都是配合潜水泵使用的。这些同样存在安全风险：比如电箱的接地、老化，漏电保护器的灵敏程度，电缆线的老化，电缆线和电箱之间的接触，电缆线和电线杆之间的接触等等。

3.3 电泵降水和气动降水安全性比较

天津区域96口井的项目(井深10 m)电泵降水和气动降水安全性比较见表3。

表3 电泵降水和气动降水安全性比较

1)用电设备数量不仅包括潜水泵的数量，还包括三级箱和二级箱的数量。配电箱虽然不耗电，但是作为有电通过的独立设备，其内部构造、操作方法、零部件寿命等原因均影响其用电安全性。所以这里视为用电设备。

2)使用电泵降水时，如果按规范施工，电缆线的数量还不止这些，而且遍布于基坑的各个角落。基坑内群井降水带来的最大的安全隐患则是大量的无法保护的电缆线。整个降水期间，电缆线遍布在整个基坑内，无论是将其架在空中，还是明铺在地表，或者暗埋在地下，都会在交叉作业过程中被反复的挪动，或者被重物压、砸，或者被用力拉。隐患无处不在。

3)长期裸露在外的电缆线，绝缘层极易老化，如浸泡在水中或者遇到下雨、喷淋等环境，就会引起漏电，导致电泵无法正常工作，甚至对人体产生伤害。

4)潜水泵本身带不同长度的电缆线，但是在降水施工时，每口井使用电缆线的长度远远超过了潜水泵自带的电缆线长度。这样就会产生电缆线接头，平均一口井至少有一个接头，如果是旧水泵或旧电缆，接头数量会成倍增加。电缆线接头的连接、包扎有严格的要求，应由专业电工实施。但是在降水施工时一般都由降水工人来实施，不专业，存在漏电风险。

5)潜水泵在水下工作，这对泵的防水等级要求就高一些。在长期的不断的高速旋转过程中，机械密封和泵轴极易磨损，然后会渗水，使电机绝缘度不够引起跳闸，或者短路烧泵。这种现象在降水的施工现场是屡见不鲜的。如果漏电保护器配置灵敏，则在开关箱处跳闸。如果不灵敏，则在二级配电箱或一级配电箱处跳闸，这样给现场排查故障带来了困难。

6)降水井的施工工艺要求并不是很严苛，抽出的水的含砂率比较高。高速旋转的水泵叶轮不断的受到细砂的磨损，寿命比较短。另外局部地区的水质(如天津的盐碱水)对水泵叶轮的腐蚀也是比较严重的。

3.4 电泵降水和气动降水节能降耗对比

天津区域96口井的项目(井深10 m)电泵降水和气动降水节能降耗对比见表4。

表4 电泵降水和气动降水节能降耗对比

1)从设备配备来讲，由于降水行业的特殊性，每口井的出水量是不同的，在配备电泵时就高不就低，统一配备，统一管理。这样就会使实际所配功率大于理论所需的功率。不仅造成了设备的浪费，还造成了用电量的浪费。

2)从现场管理来讲，电泵的开停间隔一方面和水位上涨的速度有关，另一方面和操作人员有关。在基坑内使用电泵降水不适合采用自动化控制，成本高，管理难度大是主要原因。降水工程的承包方式也决定着耗电量的多少，当承包方不包含电费时，一般不会考虑增加设备或人员投入来降低用电量。

4 结语

管井降水一直以来都是以简单粗放式的生产方式进行着，无专业化的设备。所谓“专业”，即运用高度的理智性技术，在明确的范围内，垄断地从事社会不可缺少的工作。潜水泵，专注于抽水，胜任有余，但用于降水，严重缺乏“理智性”。作为配套使用的电缆线、配电箱，不但数量超过了潜水泵，危险程度更是大于潜水泵。作为这些“不分主次”“干啥都行”的设备，肯定不能满足社会发展的需要。

气动降水设备极具专业性，而且适用范围明确。其整体安全性是传统降水设备无法比拟的，自带安全文明施工属性，更好的体现了安全、节能、环保的绿色施工理念。同时气动降水设备被赋予科技的头脑，做到“体力”“脑力”相结合。慢慢的“脑力”指导了“体力”，做到智能化，这才是未来趋势所在。