北京南站動車組卸污設計

郭 霖，吳國華，齊鳴春

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 概述

列車排污一直是污染控制重點。隨著我國鐵路動車組開行和真空卸污技術的應用,真空卸污系統從源頭消滅旅客列車造成的環境污染問題。卸污作業是動車組集便器運用整備的一項基本內容,工作性質類似于客車上水,但當廁所污物箱因沒有貯污空間將使車上廁所喪失功能、停止使用后,給旅客造成的不便將遠大于車上洗漱用水的供給,故對卸污作業的安全可靠性比客車上水系統要求高。真空卸污技術與高速列車技術密切配套的關鍵技術,一直是專業前沿課題。

國內鐵路旅客列車真空卸污技術的工程應用起始于20世紀末期。自2003年以來,為解決鐵路污染突出的環境問題,鐵道部在建立綠色鐵路運輸通道的“十五”環境保護計劃和2010年遠景目標以及中國鐵路主要技術政策中，都要求旅客列車必須改變列車污物排除方式而配備密閉式廁所集便器。與車載集便器相應的集便污物通過地面接收系統完成卸除。我院2004年底建成的濟南客運段卸污工程是鐵路真空卸污系統試點工程,主要采用氣液混合流低真空輸送技術,但隨著技術進步及科技創新,各種類型的真空卸污設施在鐵路工程中均得到應用。本工程是國內大型客站建成的規模最大的凸輪泵機組形式的真空卸污系統,實踐證明設計方案合理,系統運行穩定,是最能適應車站卸污的真空卸污技術。

2 車站卸污的重要性及卸污技術關鍵

北京南站為現代化的特大型綜合交通樞紐客站的示范站,承擔京津城際、京滬高速和部分普速鐵路的始發終到作業,總體建設技術達到世界先進水平。

在北京南站改擴建工程的方案研究和設計階段,對動車組在車站卸污的必要性認識不夠,與各條高速鐵路、客運專線的研究設計主導想法相同,都是把動車組卸污放在動車段、所進行,因而沒有卸污的設計內容。但隨著京津城際鐵路高密度、公交化發車的運輸組織模式的確定,為適應動車組高效運營的要求,北京南站增設真空卸污設施成為必然。因此在2007年10月北京南站工程建設的關鍵時刻,在地下結構主體工程基本已完工的情況下,進行了設置卸污系統的研究。

在北京南站這種特大型客站,客運繁忙,運輸旅客量巨大,動車組卸污利用到發站短暫時段進行作業。隨著車站建筑設計理念的提升,對站區環境質量要求高,旅客通行、動車組整備作業在同一空間內既要融為一體又要互不干擾,對卸污系統的基本性能要求是安全衛生、方便快捷,因此必須設置固定卸污系統,以適應高速客運的需求。

根據北京南站施工圖設計,首先是卸污設置場地和能力方面進行了方案比選,設計進行了到發線卸污和折返線卸污2個方案的詳細技術分析比較。北京南站總規模13臺24線,其中京津城際4臺7線、京滬高速場6臺12線、普速場3臺5線。根據近、遠期旅客列車開行方案,京滬2020/2030年到發車88/118對,京津2020/2030年到發車187/195對,到發線立折是主要方式,尤其高峰時不允許到折返線折返,折返線僅作為動車組夜間停車場。車站終到立即折返總停留時間一般30 min以內,終到立折車卸污整備作業總時間要求20 min以內。因此從適應能力和工程條件等方面分析,卸污作業量大、時間短,到發線卸污是唯一適宜的車站卸污方案。

固定真空卸污在國內、路內是新技術,沒有標準及規范可遵循,設計缺乏經驗,因此在保證運輸安全、提高運輸能力的要求下,同時必須結合南站已完工的工程現場條件進行設計,技術難度極大。

動車組卸污地面接收系統的研究內容包括卸污需求分析、卸污方式的選擇和卸污規模的確定等3個方面,同時也是本工程的技術關鍵。

2.1 卸污需求分析

卸污需求即作業周期取決于列車定員、滿員率、運行時間、污物箱容積、集便器容量等參數。根據有關資料計算動車組污物箱容積500L的貯污能力一般能滿足連續運行15h以上。

根據開行方案和運用車底數,對京滬高速和京津城際進行卸污需求分析,京滬高速和京津城際需要卸污作業的動車組1天20列。因此同一時段內同時卸污整備列車數的需要即卸污整備線數為2線,京滬場和城際場各1線。

從保證運輸安全、提高運輸能力的角度考慮,車站列車停時短,卸污操作環境條件較復雜,卸污作業必須在限定的時間內完成,以此確定同時卸污設施的能力。車站終到立即折返動車組總停留時間一般30 min,卸污整備作業總時間20 min以內。根據濟南試驗線數據,真空卸污系統壓力值30～70 kPa,單個污物箱排空時間不大于1～2 min,污物箱污水流速不小于5 L/s。對于2列重連16輛長編組動車組,2口同時卸污才能保證整列卸污時間在20 min內。

2.2 卸污方式的選擇

固定真空排污系統是利用真空作為動力源的負壓排污系統,由設置在固定位置的接收單元通過真空管道將集便器污物抽吸排放。固定真空排污有3種方式,一是真空泵機組,由真空泵機組抽排系統內空氣形成真空,由真空泵、真空罐、排污泵、控制設備等組成；二是噴射器機組,由噴射泵機組抽排系統內空氣形成真空,由噴射泵、污水收集罐、排污泵、控制設備等組成；三是凸輪泵機組,由旋轉凸輪泵機組抽排系統內空氣形成真空,同時將污物直接壓力排出,由旋轉凸輪泵和控制設備等組成。由于污物能實現從抽吸到壓力排出的連續運轉，占地少，可設置在線間,因此也稱在線機組方式。

根據南站的總體規劃建設內容和土建地下結構已基本完工的實際情況,卸污方式采用符合要求的凸輪泵機組形式。

2.3 卸污規模的確定

根據以上分析,確定了真空卸污系統預留遠期、分場分步實施的技術方案和設計原則,近期按照單列2口同時卸污,對16輛長編動車組,2名卸污工人操作條件下在20 min內完成整列動車組卸污作業,遠期按照4口同時作業。

同時結合施工的場地、市政排水條件和環保要求,相鄰兩條到發線設置1排卸污接收單元,設計在京津城際場1～4道4條到發線間和京滬高速場15～20道6條到發線間,共設5排真空卸污接收單元。真空中心共用1處,設置在一站臺東南端,泵組按近期配2套。

3 主要設計方案及關鍵技術

3.1 設計方案

根據北京南站的總圖規劃,真空卸污系統設計原則為分場分期實施建設,卸污接收單元近期5排、遠期10排,城際場遠期增加1排單元,京滬場遠期增加2排單元；凸輪泵機組真空中心1座,凸輪泵機組能力近期單線2口、遠期雙線4口同時卸污作業,予留遠期場地。

3.2 設計難點

為使真空卸污系統的設計達到最優化,在沒有技術標準和規范可循的情況下,分析作業需求和工程實際,研究解決了真空卸污系統如下4個方面的設計難點。

(1)卸污作業快速高效,不遺灑,無臭氣溢出。

(2)系統設計規模大,真空卸污機組最大能力雙線4口同時抽吸,卸污單元5排110套。

(3)卸污單元設計在到客運場發線間,與客車上水在同一場所,設計布置緊湊、占地少、衛生條件良好。

(4)真空中心位于站場一端,真空卸污管路長,最遠端卸污單元距機組管路長達700 m。

3.3 關鍵技術

卸污系統的組成包括真空中心、接收單元、真空卸污管道和信息控制設備等4個方面,以下從這4個方面敘述設計的特點和創新關鍵技術裝備。

(1)真空中心

真空中心是設置真空機組產生真空、維持真空度并具有排送污物和自動控制功能的設備處所。真空卸污系統設計真空值在30～70 kPa。真空機組設備具有自動恢復真空的能力,也即維持系統真空度的能力,從設置的真空度下限恢復到上限的運行周期不超過4 min。由于低真空輸送系統能力的限制,為減少系統阻力損失,真空中心一般要求布置在卸污系統的中心位置,真空機組設備與最遠卸污單元之間的真空卸污管道最大長度不大于450～500 m。

根據北京南站的總平面布置、綜合管線情況以及已完工的實際情況,本工程真空中心1處,選擇采用凸輪泵機組形式,布置在站場一站臺遠端。設計難點在于真空中心距離最遠卸污單元約700 m,這就要求卸污系統需要滿足的抽吸范圍達700 m。

經計算真空卸污系統的損失和高程設計,真空中心采用地下式結構形式,到發線間卸污管道以一定坡度坡向真空中心。凸輪泵機組自動控制系統分別控制系統的真空值上、下限,根據設定的上、下限值自動啟停凸輪泵,并具有壓力報警功能。

真空中心值班電控室地上設置,機械設備間地下結構,在機械設備間結構頂板上設置用于起吊設備的設備吊裝孔和通風換氣設備。

(2)真空卸污接收單元

接收單元是與集便器污物箱連接,將污物抽吸輸送至真空卸污管道的設備。真空卸污接收單元由卸污軟管和與車載集便器卸污口簡便密切連接的快速接頭組成,與集便器污物箱連接,具有將污物抽吸輸送至后續真空卸污管道的功能。卸污快速接頭與列車污物箱排出口可靠密閉連接是保證不泄漏的關鍵。

本工程在相鄰兩條到發線設置與股道平行的一排卸污接收單元,安裝在到發線間凈寬800 mm的蓋板溝內,半地上式安裝。卸污接收單元的布置采用全覆蓋方式,設置間距不大于20 m,一排22臺單元,覆蓋2列重聯16節長編組動車組每節車廁所的位置。接收單元滿足CRH1～3、CRH5等各型動車組的卸污接口位置和端口技術要求。卸污接收單元接口型式為2.5 in D型標準陰端快速接頭,與列車集便器污物箱排污口相適應,卸污軟管公稱直徑50 mm。

本工程接收單元采用一體化柜式電控抽吸單元設備,卸污軟管服務半徑≥10 m,柜體與列車外皮凈距不小于1 m,既保證卸污作業快捷方便,同時滿足鐵路車輛限界要求,同時卸污接收單元安裝位置與客車上水設備保持凈距不小于2 m的衛生防護距離。抽吸單元設備配備軟管水平盤繞電動卷管器,軟管拉出作業時輕便靈活、卸污作業完自動回圈,軟管末端快速接頭由銅質接頭、銅質球閥和鎖緊扣環組成。單元結構緊湊,設置感應式開關,并設有電伴熱加熱裝置,在冬季條件下使用防凍。單元外形尺寸L×B×H=0.9 m×0.6 m×0.95 m,安裝高出蓋板450 mm。

(3)真空卸污管道

真空卸污管道保持密閉狀態,輸送與排放污物,一般平行股道以一定坡度鋪設。

本工程在城際場1～2、3～4道到發線間和京滬場15～16、17～18、19～20道到發線,共設5排真空卸污管道。在站房地下結構范圍內真空卸污管道安裝在凈寬400 mm的蓋板溝內,地下結構外管道地下直埋,穿越鐵路設防護涵管。

根據低真空系統輸送的原理,管材、管件的采用及安裝均必須符合系統氣密性的要求。采用給水聚乙烯PE100塑料管材、管件,承壓1.0 MPa,其特性是內壁光滑、阻力小、耐腐蝕性強、安裝便捷。真空干管管徑DN150。在管道安裝方面,采用電熔連接,采用45°彎頭管件,支管與干管連接接點位于水平軸向上方。

卸污管道一般設計坡度在2‰～5‰,本工程受已完工程條件限制,線間蓋板溝內卸污管道安裝坡度接近極限,僅0～1‰,管底高程要求嚴格。管溝內采用聚氨酯泡沫保溫，厚30 mm。

真空抽吸管路最長達700 m,系統總體布置和平縱斷面設計滿足了長距離卸污的要求。

(4)真空卸污信息與控制系統

在每排卸污管道距真空中心的遠端設置壓力表。在每排卸污管道接入過軌干管前設置壓力傳感器,數值與真空中心控制系統聯動。真空中心設置了計量、檢測儀表和相關自動控制設施。根據卸污整備作業工藝流程和系統組成等配備了信息監控設備——信息管理控制操作臺,由軟件實現對真空機組的實時監測、動態管理,跟蹤指示設備性能,根據運行狀態對設備故障實時報警,并預留集中管理的信息化接口條件,以滿足系統正常運轉和調試等不同階段的運行管理要求。

4 結語

本工程設計創新采用節能環保的關鍵技術——凸輪泵機組形式的固定真空卸污技術,為大型客站首創,填補了我國高速鐵路車站應用真空卸污技術的空白。系統運行穩定,操作便捷、污物抽吸干凈,能力完全滿足車站卸污要求,適應了動車組運輸組織需要,為中國第一條時速350 km的高速鐵路的平穩運行提供了有力的保障,對環境保護、節能減排有重要的作用,為建設環保型綠色鐵路作出了貢獻,體現了我國可持續發展的戰略方針和節能環保的時代理念,具有顯著的社會、經濟效益。

目前在車站設置真空卸污已成為行業發展趨勢,本工程為車站卸污提供了設計模版,對高速鐵路建設采用真空卸污技術具有重要借鑒和示范作用,同時對地鐵站段設計采用真空卸污技術也有借鑒的價值。

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