高海拔地區鐵路客站分散式真空卸污系統的應用研究
——以格爾木車站為例

周文哲

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 格爾木車站卸污概況介紹

格爾木車站為青藏鐵路既有一級二場橫列式區段站，到發場有到發線12條(含正線)，有效長度880 m，其中客車到發線5條。車站高程為2 828.94 m，位于高原地區，氣壓約為0.07 MPa。既有格爾木站共有3個站臺，圖定客車接發10對/d，且每日早6時至9時、21時至凌晨3時兩個時間段密集到發，所有停靠在格爾木站的旅客列車均需進行卸污作業。受低大氣壓影響，整個列車卸污系統最高真空度為70 kPa，經試驗證明很難滿足集中式真空卸污系統4口以上同時卸污的要求，因此設計采用移動式吸污車對旅客列車進行卸污作業。原中國鐵路總公司對格庫鐵路初設批復意見：“格爾木站新增客車固定卸污設施，設計中應根據海拔高度對真空度的影響，統籌考慮保溫、卸污時間、卸污設施布置的基礎上，研究確定吸污方式?！苯浖夹g經濟比較研究，設計采用分散式小型凸輪泵真空卸污系統。

2 目前格爾木車站卸污方式存在的問題

格爾木車站開通后采用移動式真空卸污系統卸污，即當列車停靠后，采用移動卸污車對每節列車污物箱進行卸污。但是由于車站站臺高，所以需要卸污車對車輛污物箱逐一對應進行作業，且每次需將卸污車軟管拉伸到股道間與污物箱連接。卸污時操作復雜，作業時間長，一節車廂至少需要5～10 min卸污，那么18輛編組32個污物箱的客車即使4輛卸污車同時作業，完全卸污完畢也需要約1 h[1]。

目前格爾木車站車輛停留時間一般為15～20 min，所以采用移動卸污車不能滿足車站停時作業要求。卸污車卸污完畢后，還需要將污水卸至化糞池，增加了工人作業強度。根據目前車站卸污系統的現狀，設計人員通過調研、反復討論，并依照原中國鐵路總公司對格庫鐵路初步設計的批復意見，決定對格爾木車站真空卸污系統進行改進，通過設置固定式真空卸污系統以節約作業時間[2]。

2.1 固定式真空卸污系統分類

目前固定式卸污系統主要有兩種形式，既集中真空卸污系統和分散真空卸污系統[3-4]。

(1)集中式真空卸污系統

集中式卸污系統又分為在線凸輪泵真空卸污系統和真空罐式真空卸污系統[5]。

在線凸輪泵式真空卸污系統：在線旋轉凸輪泵機組由旋轉凸輪泵、自動控制設備、止回閥、機架等集成化裝配。利用在線凸輪泵在整個卸污管道中產生真空，當污水吸入后，在線旋轉凸輪泵可實現抽吸面到壓力面連續運轉，污物在壓差作用下被直接抽吸并排放。設備通過真空壓力傳感器指示自控裝置在真空度上限時停止、下限時啟動[6-11]。

真空罐式真空卸污系統：真空罐式機組由真空泵、真空收集罐、液位控制器、報警信號、排污設備、止回閥、除臭裝置組成，利用真空泵在罐體及卸污管道形成真空，真空罐內真空度由自動程序控制，并保持在一定操作范圍內。污水在壓差的作用下被抽吸至罐內。真空罐中的液位通過液位傳感器監控，并控制排污泵，當罐內液位達到設定值時，排污泵啟動將污水排放。整個工作過程按設定程序自動控制進行，保持循環作業[12-17]。

(2)分散式真空卸污系統

分散式真空卸污系統由小型機組、卸污單元、電控系統、管道系統組成。它利用小型機組和污物箱一對一的抽吸模式，受外界壓力影響很小。根據調研國外資料，目前國外有些車站采用了分散式真空卸污系統，主要以T型式單元下設置分散式小型真空機組。如圖1所示。根據國外經驗，并結合格爾木車站特點，經過不斷改進，設置了地下式分散卸污系統，并在使用過程中逐步完善[18]。

圖1 分散式小型真空機組

(3)固定式真空卸污系統對比(表1)

表1 固定式真空卸污系統比較

集中式真空卸污系統在低海拔地區應用較多，但在高海拔地區，大氣壓降低導致系統真空度下降，真空壓力小，泵組抽吸能力降低，如西寧站海拔2 260 m，整個系統真空度下降20 kPa左右。西寧站途徑列車設計卸污時間為20 min，而普通列車約34個污物箱，按4個污物箱同時卸污設計，每個污物箱3 min卸污完畢，目前運營情況很難保證20 min內完成對普通列車的卸污作業。因此西寧站在后期運營中，為保證在規定時間內完成卸污，在原有泵組基礎上又增設1臺凸輪泵，以增大真空抽吸能力。而采用獨立分散式真空卸污系統，可6～8口同時作業，很好地解決了高海拔地區真空度下降過多，抽吸力不足的問題。同時泵組緊促，取消了卸污單元之間管道連接，壓力損失降低，提高了卸污效率。

2.2 格爾木車站采用的分散式真空卸污系統

格爾木分散式真空卸污系統由小型機組、卸污單元、電控及加熱系統、管道系統組成。通過對應每列車廂污物箱設置一對一的小型真空機組，實現卸污作業中可以8個污物箱同時卸污，同時每列車污物箱可以在3 min內完成卸污。

在格爾木車站股道和股道之間設置2排真空管道。在管道設計過程中，發現站臺中部管道需要提升，所以管道鋪設方式采用從中間向兩側鋪設，這樣可避免因管道埋深淺而需要增加電伴熱等保溫措施，同時流體水力損失小，在車站兩側各設置1個化糞池。如圖2所示。

圖2 格爾木分散式小型機組設計(單位：mm)

3 分散式真空卸污系統

分散式真空卸污系統主要由小型真空機組、卸污單元、控制及加熱系統、機組及管道連接系統4個部分組成。如圖3所示。

圖3 格爾木車站分散式真空機組

3.1 小型機組

由1臺 凸輪泵、電機、控制系統、附屬部件等集成裝配，維持真空度、排污功能。

采用小型真空凸輪泵真空機組，產品型號TK-ZKWD，采用凸輪泵規格為VX136-105，額定流量40 m3/h，轉速600 r/min，抽吸面最大真空度55 kPa；產生的最大排污壓力140 kPa[19]。

電機與泵裝配采用皮帶傳動式結構；機組管道熱鍍鋅鋼管DN65；系統真空度從設定下限恢復至上限時間小于3 min；電壓為380 V，50 Hz；三相五線。電機功率5 kW，機組加熱功率0.5 kW。

當卸污開始時，對應每節車廂1套小型機組，可以8套小型機組同時作業，放的壓力滿足系統要求[20]。

3.2 卸污單元

卸污單元由盤繞盤、支架、軸承、支座、真空軟管、快速接頭、球閥、旋轉密封裝置、控制裝置等組成。與小型機組集成一體化裝配，快速抽吸集便器污物到真空管路。單元功率1.1 kW，采用整體集成裝配，根據需要配備加熱功能。4～6組為一個供電單元，避免斷電時全部停止工作，影響列車吸污。

卸污單元與小型機組安裝在一個檢查井內，布置的間隔密度應滿足列車全程覆蓋要求，卸污單元軟管長12.5～15 m。公稱直徑為DN50；卸污單元卸污接頭和管徑與列車集便器污物箱排污口相匹配；采用φ63.5 mm標準陰端快速接頭；卸污單元的布置采用半地下等安裝形式。

3.3 控制及加熱系統

由控制箱及加熱系統組成控制系統。在卸污過程中，電機自動到啟動位置，卸污作業開始，根據試驗，確定每個污物箱作業4 min，包括進氣時間，到4 min后電機自動停止，也可以采取手動停止方式。

當室外溫度低于4 ℃，機組檢查井內溫度低于0 ℃時，機組加熱系統自動啟動。達到15 ℃左右自動停止加熱。

3.4 管道連接系統

機組與卸污單元采用軟管連接方式。機組與主干管通過止回閥后進行連接，防止當出現問題時，主干管內污水倒流進入機組。

主干管采用PE100，承壓1.0 MPa，SDR11外徑為DN160高密度聚乙烯管材，主干管從股道中間分別坡向股道兩側直至化糞池。

3.5 卸污能力評價

分散式卸污機組，每臺泵的流量40 m3/h，抽吸面最大真空度55 kPa，產生的最大排污壓力140 kPa。

普通列車的污物箱容積為450～650 L，有效容積為400 L。按照8個400 L污物箱同時卸污計算，單個機組卸污量為0.4 m3，氣水比為1∶1，則單個機組的卸污量為0.8 m3，要滿足3 min內卸污完畢，則單臺機組所需的最小卸污量為16 m3/h，設備單臺泵能力為40 m3/h，可以看出機組能力滿足要求。

根據Q/CR52—2017《鐵路站段真空卸污系統》標準的規定，列車每口卸污時間不得大于3.5 min，整車卸污時間不得超過30 min，或不得超過列車停站時間[5]。格爾木站采用的分散式真空卸污系統可8個污物箱同時進行卸污作業，在3 min內完成卸污作業，5～10 min內可以完成整個列車卸污作業，能力滿足以上要求。

4 結論

高海拔地區大氣壓低，集中式真空卸污系統的卸污能力受大氣壓影響嚴重，泵組抽吸能力下降，且可同時卸污作業口少，卸污效率低。而移動式卸污車卸污時操作復雜，作業時間長，兩者均不能滿足高海拔地區卸污作業要求。因此以格爾木車站為例，通過對其目前卸污現狀進行分析，調研國內外不同形式真空卸污系統，開發研制了適用于高原車站的分散式真空卸污系統。

分散式真空卸污系統通過點對點作業，可以滿足8個污物箱同時進行卸污，在3 min內完成卸污作業，5～10 min內可以完成整個列車卸污作業。該系統泵組緊促，取消了卸污單元之間管道連接，壓力損失降低，同時在分散式真空卸污系統使用過程中發現，采用該系統整個自動化程度高，能適應高海拔地區，節省占地，具有操作簡單、穩定可靠、環保衛生、節時提效的特點，可以提高卸污作業工作效率，提升了鐵路現代化水平，也減少了對環境和人的污染，符合環保發展要求。

綜上所述，獨立分散式真空卸污系統適用于高海拔地區，其開發應用也為以后高原地區車站，尤其是下一步川藏鐵路旅客列車卸污系統的設計提供了經驗和參考依據。