船用真空集污系統設計

李小軍，俞恒毅

(1.中國艦船研究設計中心，武漢430064;2.浙江省邊防總隊海警一支隊，浙江 溫州325401)

船用真空集污系統是指以真空抽吸的方式收集船上生活污水(黑水和灰水)的系統，相比傳統重力水沖洗的方式，這項技術不但能節約用水，保護環境，而且具有管徑相對較小、管網安裝方便、不易堵塞，經濟性能好等優點，已在飛機、火車、船舶等交通領域得到了廣泛的應用，對于空間十分寶貴的船舶而言，其技術優勢顯得尤其明顯。

1 船用真空集污系統原理

船用真空集污系統是一個完全密閉的排水系統，系統組成及工作原理見圖1。

圖1 船用真空集污系統原理

系統是利用系統內外的氣壓差來實現生活污水的排空和傳輸的。系統利用真空機組在排污管路中形成一定的真空，在系統內部真空和外界大氣壓的作用下，真空潔具內的黑水和灰水克服管道阻力排入真空收集箱或生活污水處理裝置內，真空收集箱內的污水通過污水泵經國際通岸接頭排至岸上或接收船舶，進入生活污水處理裝置中的污水經處理達到排放標準后排至舷外［1-2］。

如圖1所示，真空潔具連接在一套真空排水系統上，各潔具通過排污支管連接在一起后與排污主管(立管)相連。排污主管的末端與真空機組相接。真空機組用來在排污支管和排污主管內產生系統所需的真空，并將進入的污水排放到污水處理設備中。潔具內的污水進入排污支管，通過排污主管和真空機組排放到船底艙設置的污水處理設備中。

2 船用真空集污系統設計

2.1 真空機組設計

2.1.1 真空泵的選取

真空泵是真空機組的核心，其作用是產生真空、粉碎和排放污物。真空泵的抽吸能力可通過式(1)計算。

式中:Q——系統所需的抽吸能力，m3/h;

a——真空系統的泄露系數，一般為1.20～1.30，這里取1.25;

f——真空容器的使用頻次，按照ISO15749-3-2004的設計要求，真空機組的總能力應滿足每廁位每小時12次的峰值條件下的使用要求，取12次/h［3］;

n1——真空馬桶的數量;

V1——使用一次馬桶的耗氣量，L/次，一般為(45～60)L/次，取50 L/次;

n2——灰水閥的數量;

V2——使用一次灰水閥的耗氣量，L/次，一般為(60～80)L/次，取70 L/次。

2.1.2 真空罐的選取

真空罐用來增大真空管路的容積和儲存空間，可大幅提升抽吸效果，減少真空泵的啟動次數，有利于真空集污系統工作的穩定性。真空罐具有保持系統真空度和儲存污物的功能，真空容器的容積V容器按式(2)計算。

式中:V3——系統真空調節量，其值根據真空容器的數量確定，具體參見表1［4］;

η——系統真空度從最大下降到最小的差值，真空系統的真空度一般控制在30%～60%，故η為30%。

V管系——真空系統管路的容積，L。

表1 系統真空調節量與真空容積數量

儲存污水所需的容量按式(3)計算。

式中:V儲污——儲存污水容器的容積，L;

b——容積裕度系數;

m——船舶上的定員數量，人;

t——儲污時間，當船上設有滿足MEPC.159(55)決議的生活污水處理裝置，t取0.5～1.0 h，反之根據船舶連續航行時間確定;

f1——每人入廁頻次，取0.25次/(h·人);

q1——真空容器每次沖洗耗水量，取1.5 L;

q2——每次如廁產生的糞便量，取0.27 L;

真空罐容積取式(2)、(3)計算結果的大值。

2.2 控制系統設計

控制系統通過壓力變送器檢測管道壓力，當管路真空度低于設定低值時(-0.03 MPa)，泵站自動啟動抽真空，將管路和真空罐的真空度提高至設定高值(初始設定-0.05 MPa)時停止運行，此時系統進入等待狀態。

當有人使用完便器后，通過感應面板(或手動按鈕)自動將信號傳送給便器控制器，控制器首先控制排污閥上的水閥噴水以沖洗便盆，然后打開排污閥，利用管路內外的壓差，將污物吸入真空管路。最后再控制水閥噴水以形成水封。

隨著污物的吸入，系統真空度逐漸消耗下降，等下降到設定低值(初始設定為-0.03 MPa)時，泵站重新自動啟動，提高真空度的同時將污物排出，直至將真空度再次抽到設定高值時停止，然后等待下一次啟用。

2.3 真空管路設計

2.3.1 管路的分區

系統安裝中通常有水平總管和垂直總管。應根據船上的功能區或甲板層數目，對馬桶進行分組。一般每根垂直總管上所連接的馬桶數量不超過100只，每根水平總管上的馬桶數量不超過25只。一般同一甲板的位置較為相近的幾個單元衛生間的馬桶分為一個區域，共用一根水平或垂直分總管。如果船上設置有公共衛生間，建議為其專門設置水平及垂直總管。每根水平分總管在匯入垂直總管處加隔離閥以防止檢修時影響其它區域中馬桶的正常使用［5］。

2.3.2 管路設計和安裝原則

1)管子彎曲半徑R≥3d，d為真空管的管徑，若使用定型彎頭時應由兩個45°彎頭夾短管組成90°過渡管段，見圖2。

圖2 彎管

2)支管與主管連接按流動方向成45°，不能Y形或T形連接，見圖3。

圖3 支管連接主管

3)提升管與水平管連接應與介質流動方向成45°，且其連接點須在水平管中心線3d以上，見圖4。

圖4 提升管與水平管連接

4)水平管的布置應按介質流動方向降低或水平，不得提高，長度大于40 m時，應按照1∶300的斜度來布置，并且在其中布置聚集點，以輔助污水在管路中的流動。污水在真空系統中的流動是通過污水前后管路中的壓力差來實現的，而在水平管路中，由于重力的作用，污水有可能無法在管路中起到密封的作用，從而導致大量的空氣進入而污水本身并未流動。所以建議按照圖5布置聚集點。

圖5 水平管路布置

5)在水平管路上沿介質流動方向管徑不得減小，在提升管路上沿介質流動方向管徑不得放大。提升管與大管徑水平管連接時應采用圖6所示連接形式。

圖6 提升管與大管徑水平管連接

6)為了清理疏通管路，須在管路上設置檢修孔，檢修孔的設置位置見圖7。

圖7 檢修孔設置位置

3 設計和使用時的注意事項

3.1 增加設備

真空集污系統需設置真空機組、控制箱、排污閥等設備，這樣不但會增加初始投資成本，而且這些設備需占用較大的艙室空間，增大用電負荷，增加全船重量。對于排水量在600 t以下或真空容器數量少于10個的小型船舶，收集管路短，相對而言，采用真空集污系統會占用較大的總體資源，弊大于利。

3.2 提高系統可靠性

增加設備后會增加故障點，而真空集污系統一旦出現故障，即使是管路泄露，也會使整個衛生間則無法使用。因此，在設計真空集污系統時，應根據船上衛生間的位置進行分區，每個區域設置一套獨立的真空集污系統;真空泵組中的真空泵、排污泵等都要設計雙泵備份，當一臺發生故障時設備仍能正常工作，從而增加系統的可靠性;如有條件，還應設置少量重力廁所作為備用。

4 結論

真空集污系統目前已在船舶中得到了廣泛的應用，但是真空系統是在負壓下工作，對真空泵組、真空容器、控制系統、沖洗機構、排放閥、管路施工工藝等提出了特殊的要求，真空泵、真空罐等的選用必須根據整個系統真空容器的數量和管路的布置情況，合理計算并選用，才能使真空集污系統的各項性能指標達到最優狀態。

［1］費志華，王憶秦.艦船生活污水真空收集技術［J］.船海工程，2010，39(6):99-101.

［2］葛志祥，王 琪，王小海.內河船舶黑水處理技術研究及其實現［J］.船舶工程，2009，31(1):67-70.

［3］STANDARDS POLICY，STRATEGY COMMITTEE.Ships and marine technology.Drainage systems on ships and marine structures.Sanitary drainage，drain piping for vacuum system［S］.London:International Maritime Organization，2004.

［4］邵曉華，陳 清.真空系統在船舶污水收集中的應用［J］.船海工程，2010，39(6):47-52.

［5］石如璋.船用真空污水處理系統［J］.船舶，1999(6):47-49.