真空排水系統(tǒng)在高速列車上的應(yīng)用與分析

蔣國濤

（南寧鐵路局 南寧房產(chǎn)生活段，助理工程師 廣西 南寧）

隨著中國鐵路的六次大提速，列車的排水配套設(shè)施發(fā)生了巨大變化，新型排水系統(tǒng)更是徹底解決了以往污水直接向線路排放所造成的環(huán)境污染問題。為滿足高速列車對安靜和衛(wèi)生的更高、更嚴格要求，就必須在保證列車可承受的經(jīng)濟荷載下，采用合適的集中式排水系統(tǒng)來解決高速列車的排放污水問題。同時，列車要提速就必須減少其橫截面、降低車輛重心，所以高速列車的排放水系統(tǒng)還必須滿足占空間小、沖洗節(jié)水、運行安靜等要求。綜上，真空排水系統(tǒng)正是目前高速列車上最為適用的排水系統(tǒng)。

1 高速列車真空排水系統(tǒng)

真空排水系統(tǒng)是利用真空泵維持排水管道內(nèi)負壓梯度，將潔具和地漏的排水收集傳輸至真空貯存灌中，再通過排污泵將污水排放至室外的全封閉排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常由真空泵站（包括真空泵、真空罐、排污泵、控制柜組成）、真空管網(wǎng)、真空大便器（包括真空坐便器、真空蹲便器）、控制顯示器、真空污水收集傳輸裝置（用以收集洗臉盆、小便斗等排水）及排氣口等組成。

本文以某鐵路列車車廂衛(wèi)生間段為例介紹真空排水系統(tǒng)，該車段的衛(wèi)生器包括洗手盆、開水爐、真空坐式便器和真空蹲式便器等（見圖1）。相應(yīng)的排水系統(tǒng)布置在車廂底部（見圖2），給水排水電氣模塊控制原理（見圖3）。真空泵站集中布置在車廂底部可降低列車重心，泵站可模塊化設(shè)計占空間小。真空便器由電氣控制輔以人工按鈕控制沖洗排水。洗手盆和開水爐的排水先靠重力流入真空收集裝置，再通過該裝置的液位控制閥控制真空止回閥的啟閉。最后，污水均依靠真空管道的抽吸將污水排入罐中并最終由真空泵排出車外。

圖1 衛(wèi)生器具平面布置圖（單位：mm)

圖2真空排水系統(tǒng)原理圖圖

圖3給水排水電氣控制原理圖

2 列車真空排水系統(tǒng)計算

歐盟標準法，是國內(nèi)外室內(nèi)真空排水項目最為常用的一種計算方法，其來自歐盟室內(nèi)真空排水系統(tǒng) 設(shè) 計 標 準（EN 12109∶1999，Vacuum drainage systems inside building）［3］，見下面公式（1）、（2）。

式中：QWW為某管段排水量，L/s；K為縮減因數(shù)；DUW為單個衛(wèi)生間器具排水量，L/s；QWL為某管段抽氣量，L/s；DUL為單個衛(wèi)生器具抽氣量，L/s。

該法中的參數(shù)K、DUW與DUL的取值規(guī)定：

①因數(shù)K值根據(jù)不同場合對衛(wèi)具的使用頻次確定，間歇性使用場所K=0.5，頻繁使用場所K=0.7，集中使用地點K=1.0，人員相對密集使用情況K=1.2。

②衛(wèi)具流量DUW分兩種型號，類型Ⅱ的DUW=0.5 L/s，有便器、地漏等大排水量衛(wèi)具；除此之外均為類型Ⅰ，DUW=0.3 L/s［3］；

③DUL該法中未具體給出，需由衛(wèi)生潔具產(chǎn)品確定或?qū)崪y確定，查緊湊型真空便器的抽氣量50L/次，取抽氣時間t=2s，則DUL=25 L/s。

根據(jù)列車廂內(nèi)乘客的使用情況以及衛(wèi)生器具布置，可以確定參數(shù) K=0.7、DUW=0.3L/s、DUL=5L/s。按公式（1）、（2）計算出各管段流量，然后選用不銹鋼管作為排水管且按污水滿流考慮，排污管最小管徑為DN50。查《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范GB50015-2003》（2009年版）表3.6.9中的數(shù)據(jù)可以確定經(jīng)濟流速，最后由公式Q=AV=πt2V計算結(jié)果見下表1，計算管徑標注見圖2-2。

表1 Mc車衛(wèi)生間段真空排水系統(tǒng)管徑計算表

為了減少阻力損失，管路設(shè)計的最大水平長度不超過7米，最大提升距離不大于1.5 m，90°彎頭最多4個，45°彎頭最多8個。該排水系統(tǒng)如在寒冷環(huán)境中使用時，車內(nèi)管道外包防寒材料防冷凝水，車下管道需增加伴熱線和防寒材料。

3 列車真空排水系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)工作分析

1）真空便器：由便盆、真空止回閥和電氣控制柜組成。當人工按鈕啟動時信號控制沖水閥打開，增壓供水沖洗3 s后真空止回閥開啟約2 s后關(guān)閉，最后沖水閥繼續(xù)打開3 s后關(guān)閉，每次沖洗水量為0.9～1.5 L（以上時間可自行設(shè)定）。該便器具有沖洗記憶，采用低真空度控制，真空便器用不低于0.18 MPa水壓沖洗，運行真空度為-50～-65 kPa，單次動作進氣量（60±10）L/次。

2）廢水潔具：洗手盆、開水爐等非便器排水為廢水潔具，其排水先是依靠重力流入收集容器，容器里裝有液位控制閥，待水位到達設(shè)定值時傳遞信號開啟真空止回閥抽吸，水位降到設(shè)定值時再傳遞信號關(guān)閉閥門。

3）排水管道：采用抗壓1.0 MPa的不銹鋼管焊接，以滿足真空管道承壓。支管接入干管時必須采用45°斜彎頭、三通或四通，使水氣盡可能混合理想，以保證污水高效通行。真空管路用支架和管卡固定在列車側(cè)墻中或車廂底部，轉(zhuǎn)輸裝置接入真空端、便器排入真空管端、支管匯入干管處及直線距離每隔10～30 m處的真空管均要向上彎起成兩個45°斜彎銜接狀且提升坡度不小于1%，據(jù)此設(shè)計安裝真空管路便呈現(xiàn)出階梯狀，詳見圖2。

4）管道計算：管段管徑是按污水滿流考慮、污水流速取壓力流的經(jīng)濟流速，再代入流量公式計算確定。但實際由于真空抽吸比壓力流的排水能力要強的多，水氣混合流不僅沿程損失小而且流速最高可達5 m/s，因此設(shè)計計算的結(jié)果偏大即預(yù)留排水空間足夠大，排水管堵塞可能性更小。

5）真空泵站：通常真空罐內(nèi)下部1/3空間存儲污水混合物，其余空間用于真空保證。真空泵排氣維持系統(tǒng)負壓，當負壓低于下限值時，啟泵排氣，當負壓達設(shè)定值時停泵。便器與管道、轉(zhuǎn)輸裝置與管道以及泵與外界管道上均要安裝真空止回閥以防止空氣倒灌破壞負壓，真空罐頂部安裝安全閥，防止罐內(nèi)負壓過大。

6）自動清洗：真空排水系統(tǒng)具有自動清洗功能，真空便器沖洗水量非常少，易導(dǎo)致固體物滯留真空管道內(nèi)，故必須配備專門自動清洗單元，這也是真空排水系統(tǒng)的優(yōu)勢，不需要人工頻繁疏通。該單元采用序批處理裝置與真空便器相連，自動清洗可能會被堵塞的管道，每次沖洗污水累積量達5～6 L時，清洗處理器便通過液位開關(guān)傳遞信號打開真空止回閥，對真空管道進行強力沖洗以防止結(jié)垢。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)勢分析列車排水放先后經(jīng)歷了重力流直排和重力流收集兩種排水方式，這兩類傳統(tǒng)排水均有各自優(yōu)缺點，但總體上是弊大于利的落后技術(shù)，不適用高速列車的排水。現(xiàn)將高速列車的新型排水系統(tǒng)同傳統(tǒng)排水系統(tǒng)做如下優(yōu)勢比較，相關(guān)內(nèi)容詳見表2。

表2 新型排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)優(yōu)勢比較

4 結(jié)束語

真空排水技術(shù)雖在國內(nèi)起步晚，但憑借其諸多優(yōu)勢已受到越來越多的行業(yè)青睞。隨著中國高鐵的快速發(fā)展，高速列車真空排水系統(tǒng)已替代傳統(tǒng)排水系統(tǒng)，而且隨著技術(shù)應(yīng)用不斷成熟其優(yōu)勢將會更加明顯。該新型排水系統(tǒng)不僅比傳統(tǒng)排水節(jié)水60%～70%，而且還適用對聲環(huán)境和衛(wèi)生有特殊要求的場所，在環(huán)保、節(jié)水和運行管理方便具有巨大優(yōu)勢。可以預(yù)測，隨著不斷應(yīng)用、改進和研發(fā)以及人們對室內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境要求的不斷提高下，真空排水系統(tǒng)將不僅局限于鐵路行業(yè)，而將在更多的領(lǐng)域推廣并取代傳統(tǒng)排水的主導(dǎo)地位。

［1］《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施-給水排水》（2009年版）.

［2］《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB50015-2003（2009年版）.

［3］EN12109：1999.

［4］沈浦源.高速列車項目給排水及衛(wèi)生系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械工程與自動化，2015（3)∶208-209

［5］全國鋼標準化技術(shù)委員會.GB/T 14967-2012流體輸送用不銹鋼無縫鋼管［S］.北京：中國標準出版社，2012：1-3.

［6］徐巍.淺析室內(nèi)真空排水系統(tǒng)［J］.建筑與設(shè)備，2011（3）：22-23.