普速車站真空卸污系統設計要點分析

李江雯

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 概述

隨著鐵路環保要求的提高，鐵路列車廁所污物直接散排至路基上的方法已經逐漸被淘汰，普速列車廁所已經逐漸升級改造成真空式密閉廁所。然而普速列車運行時間長、超員率高、易晚點，通常在到達終到站之前列車污物箱已滿，特別是節假日、春運等客流量超常的時期，若不能及時卸污將影響乘客使用廁所，對列車正常的運行造成很大隱患，這種情況下普速列車只能利用中途停車的時間在車站內完成卸污作業。

目前動車組均已使用真空密閉式廁所，但與普速列車相比，動車運行時間短、超員率低，且大部分動車夜間均進庫檢修或在站內停靠，所以動車組的卸污作業通常在動車段、所或整備庫內進行[1]，卸污作業時間充分，對真空卸污系統的效率要求不高，段、所內卸污通常采用凸輪泵式卸污機組，但該系統卸污效率較低，能耗較高[2-4]。現有針對真空卸污系統卸污時間研究和計算的文獻較少。所以研究適用于能滿足普速列車在車站中間停靠時間內完成卸污作業的高效真空卸污系統是十分必要的。然而若僅追求卸污的效率及速度往往會造成設備選型能力偏大，設備頻繁啟停等問題。為解決上述問題，以西南地區某既有站新增固定式卸污設施工程為例，分析適用于普速車站的真空卸污系統設計要點。

2 普速車站列車卸污需求分析

根據《中國鐵路總公司關于車站固定吸污設施建設的指導意見》車站固定式真空卸污系統設置原則如下：(1)原則上旅客列車每運行約20 h設置1處固定吸污設施，確有困難，最長不超過25 h；(2)車站固定吸污設施主要滿足立折或通過列車吸污需要，動車運用所和客車整備所須建設足夠的吸污設施，所有入庫的動車組和集便客車原則上在庫內吸污；(3)原則上車站固定吸污設施應設置在樞紐客運大站；(4)普速車站，停靠且需吸污的外局擔當的旅客列車對數較多、站線能力比較緊張且入庫吸污有難度的較大客站應建設固定卸污設施。

對既有普速車站可根據現狀旅客列車開行方案，對照車站設置固定真空卸污設施的原則，論證設置固定卸污設施的必要性。

某站既有列車開行方式，現狀有1對始發客車運行時間超過20 h，4對通過客車運行時間超過20 h，1對通過客車運行時間超過25 h。若本站無卸污設施，該站符合新增固定式真空卸污系統的條件，擬在該站新增固定式卸污系統，包括卸污線1排，真空中心1座。

3 卸污流量計算

卸污污水流量是決定真空卸污系統規模的重要參數。卸污管道管徑，真空泵及排污泵選項均受卸污流量的影響。卸污系統流量與卸污整備作業時間密切相關，而卸污整備作業時間決定于列車在車站到發線的停車時間。

本站設有1條卸污線，最不利的卸污條件是在中途通過列車停站時間15 min內，完成1列18輛編組普速列車每節車廂1個污物箱的卸污作業。

根據相關資料，普速客車編組污物箱容積為：硬座2×550 L/輛，共8輛/列；硬臥、軟臥2×450 L/輛，共計11輛/列；普速列車最長編組按18輛/列考慮，污物箱充滿度按0.7考慮。普速車污物量為12.5 m3。

卸污污水設計流量應按公式(1)計算確定[5-6]

Qws=∑Vi/(60kTx)

(1)

式中Qws——污水設計流量，L/s，；

∑Vi——計算管道所對應的同時卸污列車集便器污物箱總有效容積，L；

k——列車卸污作業時間折減系數，0.5≤k<1.0；

Tx——列車卸污作業時間，min。

根據公式(1)計算得出本站最不利情況下污水流量為27.8 L/s。

4 卸污系統設計設備選型要點

真空卸污系統是利用真空泵形成的真空度，使列車污物箱中的污物在壓力差的作用下經真空卸污管進入真空中心，最終進入污水處理構筑物。車站真空卸污系統包括卸污單元、真空卸污管道、真空卸污機組三部分[7-8]。真空卸污機組是為整個真空卸污系統提供動力的設備，設置于真空中心內，真空卸污機組的設備選型直接影響投資、設備運行能耗；設備選型影響真空中心的尺寸，也間接影響工程的投資。

4.1 真空罐+真空泵式真空卸污系統運行模式

真空中心的主要組成設備有真空泵、真空罐、排污泵和控制系統，其工藝流程如圖1所示。用真空泵將真空罐及系統抽成真空并保持在一定范圍內(本站真空度設定在40～60 kPa)，當污水被吸入真空罐中達到高液位時排污泵啟動，將污水排走，水位降低至低液位后排污泵停泵，此工況連續自動運行[9-12]。

圖1 真空卸污系統工藝流程

4.2 真空中心設備選型方法

(1)真空泵選型

真空設備在系統設計最大真空度時的吸(排)氣體積流量應為真空卸污系統污水設計流量的5～7倍。卸污系統內的壓力從大氣壓降低到設計最大真空度時，真空設備的吸(排)氣時間不宜大于10 min。

本工程污水最大流量為27.8 L/s，真空設備吸(排)氣流量宜為500～700 m3/h，選擇250 m3/h真空泵3臺，2用1備。

真空卸污系統理論抽氣時間計算

t=0.038(V0/S)lg(Pi/P0)

(2)

式中t——真空泵抽氣時間，min；

V0——真空區域總容積，包含真空罐和真空卸污管道,L；

S——真空泵的抽氣速率，L/s；

Pi——系統開始抽氣時的絕對壓強，kPa；

P0——系統經過t時間抽氣后的絕對壓強，kPa。

本站真空系統設定真空度范圍是40～60 kPa，整個系統從大氣壓抽至預先設定的最大真空度，即將系統大氣壓從101 kPa抽至40 kPa，真空卸污系統總容積為26.5 m3，啟動1臺真空泵，卸污系統內的壓力從大氣壓降低到設計最大真空度所需時間為5.72 min，2臺真空泵同時啟動，所需時間為2.86 min。真空設備的吸(排)氣時間不大于10 min。

設定系統真空度為40～60 kPa，系統從真空度下限恢復到真空度上限，即將系統絕對大氣壓從60 kPa抽至40 kPa，經計算用時為2.5 min，大于2 min。

經計算，該系統抽真空時間滿足TB10010—2016《鐵路給水排水設計規范》，系統內的壓力從大氣壓降至最大真空度時，真空設備的吸氣時間不宜大于10 min要求，該要求的設定是為防止整個卸污系統從大氣壓達到正常使用狀態，真空機組運轉時間過長，從而使卸污操作工人長時間等待，影響線路間卸污作業按時完成。

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同時要求真空卸污系統從設定的真空度下限恢復到上限，真空泵的抽氣時間不宜小于2 min。該要求的設定是為了保證卸污系統運行的平穩性，避免設備頻繁啟停。

在真空卸污系統設計中，特別是卸污流量較大，卸污時間要求較為嚴格的普速車站，真空卸污系統必須要校核這兩項指標。

(2)排污泵選型

排污泵選型必須滿足以下要求：排污泵應自灌工作；排污泵設計流量不應小于卸污系統設計污水流量；排污泵揚程應符合真空卸污系統設定最大真空度，并應核算水泵的有效氣蝕余量；排污泵與真空罐之間的吸水管應安裝閥門；揚水管應安裝止回閥，并宜設置與真空罐相連的平衡管；排污泵每小時啟動次數不應大于12次。

根據上述要求，排污泵設計流量不小于真空系統的污水流量，本站設計最大污水流量為27.8 L/s，故選擇Q=100 m3/h；H=20 m；N=11 kW；汽蝕余量為 3.5 m高自吸排污泵2臺，1用1備。真空罐內最低液位高于排污泵泵殼，排污泵自罐式啟動。在排污泵揚水管止回閥前設通管，排污泵關閉后，揚水管上止回閥在大氣壓力作用下關閉，外界空氣不會進入泵殼內。排污泵啟動后，揚水管通過聯絡管與真空罐連通，確保排污泵葉輪前后氣壓一致，有效避免了排污泵的氣蝕問題[13-16]。

4.3 真空中心高程布置

真空罐直徑1.80 m，以真空中心室內地面高程為0.00 m，本站真空卸污管道進入真空中心管道高程-1.30 m，真空卸污管道高程需要在真空罐最高水位以上，真空罐內最高水位定為-1.60 m，真空罐最低水位定為-2.20 m，罐頂高程-1.00 m，罐底高程-2.80 m，真空罐支架高0.70 m，則真空中心室內地面高-3.50 m。排污泵泵殼高1.1 m，排污泵安裝于真空中心地面上，排污泵泵殼頂點表高為-2.30 m，真空罐內最低水位高于排污泵泵殼頂點。如圖2所示。

圖2 真空卸污系統高程(單位：m)

合理確定真空中心高程，確保進水管管內底高程高于罐內最高液位，排污泵泵殼頂點高程低于真空罐內最低液位，在滿足上述條件下，盡量提升真空中心地面高程，以減少工程投資。

4.4 真空卸污管道設計要點

本站真空卸污系統最大污水設計流量為27.8 L/s，真空卸污管道采用de225，SDR11的PE管。

卸污管道位于股道間，在有條件的地區，如新建站及非寒冷地區，卸污管道宜安裝在管溝內；對于某些既有站，股道間位置緊張，無法實現管溝內安裝，或北方寒冷地區，冬季氣溫低存在凍結問題，卸污管道也可以直埋。

本站位于西南地區，不存在凍結問題且股道間有條件新建卸污管溝1座，考慮到卸污管道在熱脹冷縮作用下的縱向變形，設置必要的固定支墩、支架和伸縮接頭。

真空卸污管道是一種壓力管，管道鋪設沒有嚴格的坡度限制要求，其高程布置與重力排水管相比較為靈活，可以降低管溝深度，減少土方開挖量，但卸污管道輸送污水的動力是真空度，卸污管道提升會消耗真空度，所以真空卸污管道不能像壓力給水管一樣可以隨意提升[17-18]。

本站卸污管道向下傾斜坡度定為2‰，坡向真空中心，每隔100 m設置一提升彎，以減小管溝縱向深度[19-20]。站臺范圍外卸污管道直埋。

真空卸污管道輸水的介質是污水，屬于不均勻介質，黏度較大，易堵塞，所以真空卸污管道轉彎處應采用45°彎頭，卸污管道支管與干管連接時應使用45°斜三通專用管配件。

4.5 真空卸污單元設計要點

卸污單元設置于股道間，是將列車內污染物輸送至真空卸污管道系統的設備，卸污單元內包括卸污軟管及卸污軟管纏繞機構，卸污軟管一端裝有快速連接頭及球閥，另一端與卸污管道相連。

卸污單元的服務半徑決定了設計中卸污單元的布置間距，本工程選用的卸污單元設備為新型地面柜式卸污單元，服務半徑≥12 m，卸污單元間距定為22～24 m，普速列車停靠站臺長550 m，設24個卸污單元，可以實現對列車的全覆蓋服務。卸污單元尺寸為700 mm(寬)×1 300 mm(長)×900 mm(高)，卸污單元底座使用膨脹螺栓固定于排水溝側壁上。卸污單元中心與兩側股道間中心線對齊，不侵入列車建筑限界，滿足規范要求。

5 結語

某西南地區既有普速車站，設1條卸污線，卸污最不利條件為在中途通過列車停站時間15 min內完成1列18輛編組普通列車(每節車廂1個污物箱)的卸污作業。該工況下卸污污水設計流量為27.8 L/s；真空卸污管道為de225PE管；真空中心配套真空罐2座，1用1備；真空泵3臺，2用1備，規格250 m3/h，N=7.5 kW；排污泵2臺，1用1備，規格Q=100 m3/h，H=20 m，N=11 kW；真空中心總裝機容量45 kW，即可滿足該站最不利卸污情況的卸污作業。

車站真空卸污設計應重點關注以下要點。

(1)合理計算卸污流量，確定卸污最不利工況的卸污時間及污物量，計算該工況下的卸污流量為設計卸污流量。

(2)根據卸污流量進行設備選型，選型完成后，必須校核卸污時間是否滿足規范要求。

(3)排污泵揚水管必須設一平衡管與真空罐聯通，以避免排污泵汽蝕問題。

(4)合理確定真空中心高程布置，在滿足規范提升高度的要求下，盡可能提高真空中心地面高程，節省投資。

本文所述工程的真空卸污工藝及設備選型具有高效、節能、運行穩定等優點，卸污時間等參數滿足TB10010—2016《鐵路給水排水設計規范》相關要求，具有較好的經濟效益。