上海金茂大厦给水系统的论文管理

上海金茂大厦给水系统的组成和运行管理
　　摘　要: 　介绍了上海金茂大厦给水系统的构成和实际运行情况,总结了超高层建筑给水设施运行管理和部分设备改造的经验。
　　关键词: 　金茂大厦; 　给水系统; 　运行管理
　　金茂大厦位于上海浦东陆家嘴中心地区,为一幢地上88层、地下3层的超高层建筑,并有一幢6 层的裙房,塔楼总高度达420. 5 m,是中国大陆建筑高度最高的摩天大厦。整个大厦集五星级酒店、高档商务楼、商场和游览观光于一体,总建筑面积近 30 ×104 m2 ,于1999年建成开业。
金茂大厦的给水系统包括生活冷/热水、中央饮用水、消防给水、洗衣房软水和空调/锅炉补给水等几部分。由于洗衣房软水和空调/锅炉补给水为局部供水,与普通建筑内的供水方式完全相同,故不作介绍。
1　水源
整个大厦采用两路市政进水,经水表计量后沿广场形成环路供水,并外接出室外消火栓,室外的埋地给水管采用机械压兰连接的球墨铸铁管。/shlunwen/shfclunwen/机械连接的柔性接口可以很好地补偿因超高层建筑和地面沉降产生的位移和形变,不易断裂,确保埋地管道长期安全地使用。 2　生活给水系统市政给水首先进入地下3层的2个30 m3 的玻璃钢水箱,由水泵加压进入压力滤器进行过滤,滤后水称为生活用水,主要用于卫生间冲洗、洗涤和沐浴。金茂大厦的用水量为3 400 m3 /d,储水箱采用生活/消防合建水箱形式,地下室水箱的总容积为 1 600 m3 ,水箱内采取电气和水力两道措施确保消防储备水不被动用。除去消防储备水量,水箱内实际生活用水量为1 060 m3 ,在地下室采用6台扬程为2. 4MPa的提升泵将水送入51层的中间水箱(高度为205 m) ,该层设有6台扬程为1. 6MPa的提升泵,可将水送至91层的屋顶水箱(高度为350 m) , 为弥补88层及以上楼层水压的不足,在91层另设有加压水泵,将91层水箱水加压后供88层至顶层使用。
211　水泵运行的控制方式
地下室和51层的水泵均分为2组,每组2用1 备,每层有6台提升泵联用,每组泵以1根单独的立管进入水箱, 2根立管互为备用。由于水泵数量较多,因而运行控制极为灵活,各台水泵可以分别按照水箱水位依次开启。
对于有备用的设备在管理上宜采用交替轮换使用的原则,以保证每台设备具有相同使用年限。对于具有多台给水泵联用的场合,如果采用人工方法定期进行更换,则非常烦琐,因此水泵的控制系统采用了“轮值制”(Lead Pump)的工作模式,每24 h更换一台轮值泵,所有的设备依次交替轮流使用。若水泵恰巧在轮值期间需要检修,只需将该台泵的选择开关置于停止位置,轮值泵即会自动跳至下一台, 待检修结束后将选择开关重新置于自动档,该泵即可重新参与轮值过程,因此“轮值制”可保证所有水泵的运行时间基本相同。#p#分页标题#e#
212　供水的压力控制和减压
生活给水采用水箱立管减压,整个大厦共有13 个给水分区,给水压力控制在0. 14 ～0. 49 MPa, 87 层至42层由屋顶水箱供给, 41层至地下3层由51 层水箱供水。
减压阀为可调的先导式减压阀, 2个异径的减压阀并联使用,并联的2个减压阀出口压力整定值相差0. 02～0. 03MPa,当流量较小时压力整定值较高的减压阀(称为主阀)打开,因出口压力较高,使得压力整定值偏低的另一个减压阀(称为副阀)处于关闭状态。当流量加大,主阀阻力损失上升,出口压力下降后,副阀即可打开,直至两阀同时开启达到额定流量。这种做法的好处是当小流量时只有主阀打开,避免了流经阀门的流量过小时产生啸叫现象, 并联使用减压阀也便于进行维护保养。在减压阀组出口端设有超压关闭泄水阀,如因故障导致减压阀下游压力上升,该阀会及时关闭并进行泄水,以防止系统内压力超过设定值。
213　合建与分建消防水池的比较
金茂大厦采用了生活/消防合建水箱,因生活用水每天都在使用,水质可及时得到更新,水箱上的浮球阀和液位计等附件一旦发生故障也能及时发现和维修,同时可节约机房面积和设备的造价,因此合建水箱是一个比较经济实用的选择。但对于容积较大的水箱必须采取可靠措施防止合建水箱产生水流死角,并须保证消防储备水量不被动用。
为了保证消防储备水量不被动用,可以采用生活与消防水池分开单独设置,但分建的消防水池中的水长期处于静置待用状态,日久后水易变质发臭, 会严重影响泵房内部环境。为了保证消防水箱内的水质,势必要经常放水置换,浪费大量宝贵的水资源;也可以设置循环水泵和加药系统,以保证水质, 但增加了设备的投资和运行费用。
214　压力供水装置的变频改造及节能效果
在生活给水系统中有2台压力供水装置,一台为压力滤器的过滤水泵组,另一台为供88层以上的加压水泵组,加上洗衣房的软水和冷却塔的补水装置,整个大厦内共有4套压力供水装置,均采用工频水泵加稳压罐的型式,水泵的运行按照压力传感器的高、低压设置值进行控制。在使用中发现:压力供水装置在用水高峰期水泵的启停非常频繁,远超过 1 h启动6次的规定值,极易损坏水泵和控制箱;而在用水低谷时,为了维持系统内的压力,水泵也必须经常启动,浪费了大量的电能。
为了保证水泵的正常使用和节约电能,在2002 年对其中3台配电功率较大的压力供水装置进行了改造,将每台水泵均加装一个变频器,并采用PLC 协调各个变频器的运行程序,以压力和流量传感器控制水泵的运行频率和启停过程,对供水装置进行恒压变流量控制。改造后的供水装置取得了很好的使用效果:首先反映在供水的压力极为稳定,变频器根据出水压力的变化对水泵的运行频率进行连续实时调节,在用水高峰期水压的控制精度可达到± 0. 01MPa;第二是水泵在运行时仅有转速的变化, 避免了水泵频繁的启停影响其机械和电气部分的使用寿命;第三点是改造后节能17%～65%。#p#分页标题#e#
3台供水装置改造后的节能效果相差非常悬殊,经过对供水装置服务区域和运行情况的分析,可以得出以下结论:
①　由于水泵的选型是按照用水的秒流量确定的,如果系统的用水量接近或达到设计秒流量的概率较高且用水量较为均衡,以工频运行的水泵基本在高效区工作,在这种情况下即使改为变频运行,其节能效果也相对较差。压力滤器的加压供水装置即属于这一种情况,压力滤器大部分的工作时间是用于水箱补水,水泵可以工作在其额定的流量和压力下,因而改造后的节能效果仅为17%。
②　洗衣房的软水供应装置经变频改造后其节能效果极为显著,变频运行时的能耗仅为工频时的 1 /3,这主要是因为洗衣房在工作时间内的设计流量很高,需按照此时的秒流量确定水泵的规格,但在大部分非工作时间内洗衣房用水量很低,使工频运行的水泵长时间工作在低效区,造成能源浪费。因而在这种情况下对水泵进行变频改造可以取得非常明显的节能效果。
3　热水供应系统
311　热交换器的选择
常用的热交换器有4种:即热式、容积式、半容积式和半即热式。即热式热交换器内部体积很小, 没有热水的调节裕量,一般做成管状,可直接安装在管路中,由于水力停留时间极短,在热水流量发生变化时控制装置与热媒往往来不及响应而容易造成出水水温波动,故不宜采用。容积式和半容积式热交换器具有很大的体积和运行质量,出于建筑结构的考虑一般将其集中布置在中央机房,对于金茂大厦这样体量庞大的建筑就会造成热水管道的长度远远大于冷水管道,极难保证冷热水的压力平衡。
鉴于以上因素,金茂大厦采用了半即热式热交换器,以0. 21MPa的低压饱和蒸汽作为热源,采用气动式蒸汽阀控制蒸汽流量,响应速度快,使热交换器具有很好的恒温性能。整个大厦共采用了47台半即热式热交换器,完全按照给水分区进行分布,除地下室外,在每个给水分区内就近设置一组热交换器,能够有效地保证冷热水压力的平衡。为保证维修时热水的供应,热交换器均为1用1备或2用1 备设置。
由于水中的钙、镁离子在加热后溶解度减小,容易在温度较高的加热盘管表面结垢,而结垢严重会引起热阻上升,浪费大量的能源,并使得水温无法达到设计要求。半即热式热交换器的加热盘管为浮动盘管,具有自动除垢功能,在运行时水快速流动可诱导盘管产生高频振荡,加上悬臂式盘管受热后产生的膨胀变形,可将管壁上产生的水垢自动清除。
对于采用蒸汽作为热源的半即热式水加热器, 由于没有储热容积,如温控元件失效,罐体内的水会持续地被加热,甚至可使水温超过100 ℃产生烫伤事故。为此,在热交换器上必须采取可靠的措施防止水温失控,该热交换器设有3 道保护措施(温控电磁阀、超温电磁阀和温度/压力双重安全阀) ,当出水温度超过设定值时温控电磁阀可切断控制气源,如温度继续上升超过超温电磁阀设置的温度时可将超温热水排放,而温度/压力安全阀在温度> 99 ℃或压力达到1. 05MPa即打开释放,以防止水温过高发生事故。#p#分页标题#e#
312　热水的循环
为保证热水龙头打开后能在尽可能短的时间内出流热水,热水系统中设有机械循环泵。热回水管经汇总后由循环泵重新打入热交换器加热,循环泵的启动由安装在热回水总管上的温控器控制。热回水各支管上均装有动态平衡阀(是一种依靠水流自身能量自动调节以达到流量恒定的水力控制阀) , 能够有效地弥补因管路阻力的不同而产生流量不平衡的现象。
313　热水膨胀罐的增设
金茂大厦的设计始于1994年,当时所遵循的给排水设计规范为GBJ 15—88,该规范对于开式热水系统规定了设置膨胀管的要求,对于闭式热水系统中的热膨胀问题依照规范要求可以设置安全阀,但未提及膨胀罐的要求。一般热交换器出于防止超压的考虑往往自身都带有安全阀,因此热水系统中除了热交换器自带的安全阀外未另设热水膨胀罐。但在使用过程中发现:当热水用量较大时,热交换器内水的加热升温幅度很大,水受热导致膨胀,如果此时热水水嘴处于关闭状态,就会引起闭式热水系统内的压力上升,致使安全阀起跳频繁,极易损坏,不利于系统的安全运行。
为了防止水受热膨胀对系统造成影响, 2003版的给排水设计规范中增加了在用水量> 10 m3 的闭式热水系统中设置膨胀罐的要求,这一规定对于保证热水系统安全运行有着极其重要的作用。按照新规范的要求计算了热膨胀量后,对每一组热交换器加设了一台气压膨胀罐,从而防止了热交换器超压现象的发生。
4　饮用水系统
在此处饮用水是指可以直接入口饮用的直饮水,金茂大厦的饮用水处理采用了活性炭工艺:将砂滤后的生活用水经过精滤器进一步去除水中的悬浮固体,然后再经炭滤罐,由活性炭去除水中的余氯和其他部分杂质,以提高水质和改善口感,经紫外线消毒后进入饮用水水箱。饮用水系统采用了玻璃钢水箱及纯铜管道,可避免对水质造成二次污染。在大厦3 ～50 层的办公区域内每层均有茶水间,内设开水炉和冰水机,向客户提供95 ℃的开水和10 ℃的冰水。在酒店区域饮用水主要供应后勤　　　　　　　　　　　　　　　　　　和服务区域:供制冰机、咖啡机等使用,并用于调配饮料。
由于在处理过程中完全去除了饮用水中的余氯,为防止在用水量较小时水箱及管道中饮用水停留时间过长而发生变质,饮用水流出水箱后再经过一道紫外线消毒,并在饮用水立管末端设有循环泵, 将水箱和管道内的饮用水循环消毒。
411　供水的压力控制和减压
饮用水在供水方式上与生活用水相同,经二级水泵加压后依次送至51～91层饮用水水箱。饮用水的供应采用水箱供水、立管减压,整个大厦设11 个压力分区,压力控制在0. 21～0. 49 MPa。饮用水的减压采用可调式减压阀,单组设置,为避免减压阀失控对系统造成影响,在减压阀的下游设有超压关闭泄水阀进行保护。#p#分页标题#e#
412　饮用水实际使用情况
在饮用水的使用中发现,大部分办公区内的客户均在办公室内使用市售的桶装水,只有极少数客户使用茶水间内的开水和冰水,造成大部分茶水间内的饮用水长时间无人使用,饮用水长期在用水设备内滞留,开水炉内的饮用水被反复煮沸和浓缩,水质发黄结垢严重。为了保证饮用水水质,不得不派人对茶水间内的水定时进行排放,造成大量优质饮用水的浪费。对于入住酒店的客人,采取了免费供应小瓶装饮用水的方式,客人并不直接使用大厦内的饮用水,而酒店餐饮用于调配饮料的水因水质要求较高,采用了单独的水处理装置对饮用水进行进一步处理,因而中央饮用水的使用频率很低。
对于中央饮用水系统,为保证水质也可以在处理后另行加入二氧化氯等有持续杀菌能力的消毒剂,但在饮用水中加氯也会对饮用水的口感带来影响。如果没有杀菌能力的饮用水在滞水区内被微生物污染,将会产生较为严重的后果。按照目前国内的生活习惯,楼宇内是否需要设置中央饮用水系统, 有必要在项目立项时进行充分的论证。如果仅有局部的区域需要提供优质饮用水,宜采用小型的饮用水处理装置,对于暂无法确定水质要求的场合可以预留给水管道,待有需要时可以另行安装设备。这样不但可以节约大量的设备投资,而且便于管理。
5　消防供水系统
金茂大厦室外消火栓流量为30 L / s,室内消火栓流量为40 L / s,灭火时间为3 h,喷淋用水量为30 L / s,灭火时间为1 h,总消防用水量为540 m3 ,储备于地下3层的生活/消防合建水箱中。对于消防供水系统的确定,国内现行的消防规范中只有针对 250 m以下建筑物的“高规”可以使用,对于高度> 400 m的金茂大厦可供参照的消防设计规范几乎没有。后经上海市消防局同意,在国内无现成规范可供执行的情况下,参照美国防火协会标准(NFPC) 、芝加哥给排水标准(CPC)和统一建筑规范(UBC)的要求进行了设计。金茂大厦消防供水的设计完全立足于自救,考虑到消防泵车的供水能力,仅在距地面最近的一个消火栓和喷淋分区内设有水泵接合器, 其余区域完全使用大厦内的消防供水。
金茂大厦的消防用水采用了市政双路供水加上地下消防储水箱的形式,较“高规”的要求为高。大厦室内的消防供水由51层和91层合建水箱的出水立管向下提供水箱中消防储备水量分别为304、240 m3 ,相当于消防用水量的55%和45% ,为一种准水箱稳高压的供水形式。所有的消防供水均由立管和横管组成水平和垂直的双向环路供水,控制阀门均为带信号远传的监控阀门,消火栓系统的主管和喷淋系统的每个楼层均设有水流指示器,只要有任何一个阀门处于非正常位置或有水流流动,消防报警系统即会进行显示和报警。#p#分页标题#e#
511　消防供水的压力控制和减压
消防给水采用了可调的先导式减压阀和立管减压,在减压阀的下游设置安全阀进行保护,因消防供水为双立管布置,每个压力分区均有2个减压阀可供使用,因此减压阀为单组安装。消火栓供水设8 个压力分区,静水压≤0. 8 MPa,喷淋供水设6个分区,静水压< 1. 2MPa,消防分区完全按照“高规”的要求执行。对于81层以上的喷淋和83层以上的消火栓,由于91层水箱不能满足消防水压的要求,在这两个层面直到塔尖基础部分的楼面设置了消防泵临时高压系统,各有2台全流量的消防和喷淋泵,并各附带有1台稳压泵,形成环路后以双立管向上/下供水。消防主泵及稳压泵均由压力开关控制,临时高压部分的消火箱内设有报警按钮,考虑到在83层这样的高度一旦出现误报漏水可能造成重大损失, 该按钮仅用作报警,接到报警信号需由消防控制中心确认后方可启动消防泵。
512　消防给水系统的实际使用效果
对于超高层建筑,以目前的消防灭火技术,如火灾发生在较高层面,将难以从外部施救,必须完全依靠大厦内的消防灭火设备实施自救,金茂大厦的消防灭火系统是较为完善的,并通过严密的管理制度保证了消防设施全部处于良好的待命运行状态,对保证大厦的安全发挥了极其重要的作用。在37层的办公楼面内曾经因为施工人员违章(吸烟)引发过一次火灾,在火灾发生的初期楼面内即爆破了一个68 ℃的喷淋头,当保安员在消防报警系统的指示下迅速赶至现场时,火灾已经完全被扑灭。这一事例也从一个侧面说明了金茂大厦内的消防给水设施是极为迅速和有效的,完全可以保障整个大厦的安全。
6　给水系统的运行管理
611　管理要求
金茂大厦的建筑面积近30 ×104 m2 ,机房设备众多且相距较远,在管理上存在一定的难度,必须根据设备的性能和自动化程度的不同、使用频率的高低和主/备用设备的配置数量,对各种类型的机房和设备作出综合的比较,确定对机房设备巡检的频度和要求,提出操作规程和维护保养的方案,合理配置操作和管理人员,以确保设备的正常运行,并减少物资和能源的消耗。管理工作由工程部归口进行,给水设施的管理隶属于给排水系统,设有主管工程师 1名,负责本系统内各种技术支持和管理工作;系统内设给排水领班1名,负责工作的具体开展和人员的安排;领班下辖给排水技术员8～9名,实行24 h 运作,负责系统的运行操作和各种维修保养工作。
给水系统的管理分为系统运行和设备维护2个方面,系统运行采用定时、定点巡检的方式,巡检工作应由经验丰富的给排水技术员进行,巡检内容包括检查相关设备的运行状况是否正常、温度/压力等参数是否在允许范围之内、设备运行的噪音和振动有否异常现象、主/备用设备的定时切换等,巡检应备有标准的记录表格,必须做好各项记录以备查验。对有代表性的用水点必须取样化验,日常化验的项目有余氯、色度和浊度等,应保证化验的项目符合国家和地方的有关标准。对于巡检时发现的问题应马上排除,如一时无法解决,应立即切换至备用设备或向领班汇报,以便于采取相应的措施或安排维修工作。#p#分页标题#e#
设备的维护是保证正常运行的主要手段,为保证设备完好,必须在设备投入使用的初期即设立设备台帐,根据设备使用情况和累计运行时间等制定出维护方案,其中应包括日常维护、小修、中修和大修的项目及时间间隔等。金茂大厦的工程管理采用了预防性维护的模式,即在设备正常使用过程中,按照设备各个部件产生故障的概率和易损件的使用寿命等因素确定各项维护的内容和时间,将可能发生的故障消除在萌芽状态。采用预防性维护措施可有效地提高设备的完好率,减少故障产生的概率,更好地为用户提供优质的服务。对于政府部门有强制要求的内容,如水箱的清洗和消毒、安全阀的检验等必须严格按照有关要求执行。
612　生活和饮用水的管理
凡是直接和人体接触的水均属于饮用水的范畴,因此生活用水和饮用水都必须按照饮用水的要求进行管理,应遵守国家和地方政府有关二次供水的规范和要求。
水质的日常化验是保证水质的重要手段,为满足日常管理的需要,应备有余氯测量仪、浊度仪和色度仪等简单快速的测量设备,对于水中微生物的项目可在半年一次的水箱清洗时委托疾病控制中心进行检验。
活性炭净水装置是饮用水系统的核心部分,净水装置主要由3部分组成:精滤器、活性炭吸附罐和紫外线消毒器。精滤器采用了一次性使用的滤芯, 当进、出水压差超过规定后需以人工方法更换滤芯。对于某些内部装有紫外线强度监测仪的紫外消毒器,当紫外线灯管老化或发生故障使紫外线强度下降后,应及时更换紫外线灯管。若未安装紫外线监测仪,就必须按照灯管的使用寿命定期更换以确保杀菌效果。对于活性炭吸附罐,在运行过程中应按时进行反冲洗,并应在活性炭吸附容量达饱和时进行更换。活性炭的吸附性能可以通过检测炭滤罐进、出水余氯的变化来确定,一旦活性炭对余氯的去除率开始明显下降,则说明活性炭即将饱和失效,应及时更换。如不具备检测手段,也可以按照经验值确定:以正常的给水水质,一般活性炭可处理2 000 倍的饮用水。
613　热交换器的运行
半即热式的热交换器采用了可自动除垢的浮动盘管,在使用过程中脱落下的水垢沉降于罐体底部, 在使用时应定时打开罐体底部的排污阀进行排污, 将脱落下的水垢随水流除去。
　　　　　　　　　　　　　　　　　金茂大厦所使用原水的硬度为170～180 mg/L 左右,经加热后较易产生水垢,为减少热水系统内水垢的产生,对热交换器在运行时采用了较低的出水水温。经过测试:热水从热交换器流至用水末端,温度的降幅均在5 ℃之内,只需将热交换器出水温度设置于55 ℃,即能够保证远端用水点的温度> 50 ℃。较低的温度对于防止产生水垢有明显的效果, 加之热水系统全部采用了纯铜管材和配件,在进行维修的过程中几乎没有发现管道内壁上有水垢的形成。#p#分页标题#e#
614　消防供水系统的管理
消防系统平时处于待命工作状态,系统内的故障不易被发现,因而定期的检查测试对于保障系统正常工作是至关重要的。消火栓和喷淋均为双路环形供水,在进行维护保养时可以关闭一路供水,不至于影响系统的使用,但鉴于超高层消防系统的重要性,对于维修时可能影响到的区域应采取严格的防护措施:包括禁烟、严禁进行任何形式的动火施工、并由保安员加强对该区域的安全巡检。除非突发爆管等紧急情况,必须绝对禁止关闭消防系统的双路供水,而将某一区域置于完全没有消防保护的状态下。
消防系统采用的先导式减压阀稳定性较好,压力波动很少,但由于消防管道内的水经长期静置易发生变质,钢管的内壁较易生锈,在静止时不容易出现问题。而当消防水开始流动时,杂质极易进入减压阀中,导致先导阀堵塞,使减压失效,因而对消防系统定期放水检验尤为重要。消防供水系统的维护应包括:检查减压阀出口压力是否在规定范围之内; 消火栓及喷淋末端定期进行排水;在排水时检查减压阀压力变化和水流指示器的动作;湿式报警阀的鸣响试验;减压阀定期维护等。临时高压系统中的消防泵需定期启动,因消防系统平时无用水点,为防止损坏水泵,启动时间不宜过长,一般应控制在1 min之内。
7　结语
金茂大厦建成投入使用已历时8年,其生活给水、热水和消防给水系统运行稳定、安全,完全满足了使用要求,证明给水系统的设计和设备选型是较为成功的。在管理过程中根据实际情况,对工程设施进行一定的改进也是很有必要的,尤其是引进一些高新技术用于设备的改造,如将变频控制技术应用在工频给水装置的改造上,起到了非常理想的节能效果。
随着我国国力的发展和城市用地的日趋紧张, 超高层建筑将会越来越多地出现在一些大中城市, 因此金茂大厦的建设和管理过程可以为国内建设和管理相同类型的楼宇提供有益的参考经验。
参考文献:
[ 1 ] 　裴蕾. 上海银桥大厦自动喷淋系统的改进[ J ]. 中国给水排水, 2005, 21 (2) : 79 - 80.
　　该公司目前有6 ×104 m3 /d及3 ×104 m3 /d废水处理站两座,均采用射流曝气活性污泥工艺。为满足山东省地方排放标准的要求,决定对现有废水处理系统进行改造: ①将高浓度有机废水(主要为化机浆及废纸脱墨浆废水)收集后增设厌氧处理设施,处理规模: 6 ×104 m3 /d,处理工艺: ANAMET厌氧接触工艺; ②对经过好氧处理后的废水增设深度处理设施,处理规模: 9 ×104 m3 /d,处理工艺:絮凝沉淀工艺;设计单位:山东省轻工业设计院;目前该工程已完成施工图设计。