李江雯

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 概述

隨著鐵路環(huán)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(jīng)逐漸被淘汰，普速列車廁所已經(jīng)逐漸升級(jí)改造成真空式密閉廁所。然而普速列車運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、超員率高、易晚點(diǎn)，通常在到達(dá)終到站之前列車污物箱已滿，特別是節(jié)假日、春運(yùn)等客流量超常的時(shí)期，若不能及時(shí)卸污將影響乘客使用廁所，對(duì)列車正常的運(yùn)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(shí)間在車站內(nèi)完成卸污作業(yè)。

目前動(dòng)車組均已使用真空密閉式廁所，但與普速列車相比，動(dòng)車運(yùn)行時(shí)間短、超員率低，且大部分動(dòng)車夜間均進(jìn)庫(kù)檢修或在站內(nèi)?？浚詣?dòng)車組的卸污作業(yè)通常在動(dòng)車段、所或整備庫(kù)內(nèi)進(jìn)行[1]，卸污作業(yè)時(shí)間充分，對(duì)真空卸污系統(tǒng)的效率要求不高，段、所內(nèi)卸污通常采用凸輪泵式卸污機(jī)組，但該系統(tǒng)卸污效率較低，能耗較高[2-4]?，F(xiàn)有針對(duì)真空卸污系統(tǒng)卸污時(shí)間研究和計(jì)算的文獻(xiàn)較少。所以研究適用于能滿足普速列車在車站中間停靠時(shí)間內(nèi)完成卸污作業(yè)的高效真空卸污系統(tǒng)是十分必要的。然而若僅追求卸污的效率及速度往往會(huì)造成設(shè)備選型能力偏大，設(shè)備頻繁啟停等問題。為解決上述問題，以西南地區(qū)某既有站新增固定式卸污設(shè)施工程為例，分析適用于普速車站的真空卸污系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 普速車站列車卸污需求分析

根據(jù)《中國(guó)鐵路總公司關(guān)于車站固定吸污設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》車站固定式真空卸污系統(tǒng)設(shè)置原則如下：(1)原則上旅客列車每運(yùn)行約20 h設(shè)置1處固定吸污設(shè)施，確有困難，最長(zhǎng)不超過25 h；(2)車站固定吸污設(shè)施主要滿足立折或通過列車吸污需要，動(dòng)車運(yùn)用所和客車整備所須建設(shè)足夠的吸污設(shè)施，所有入庫(kù)的動(dòng)車組和集便客車原則上在庫(kù)內(nèi)吸污；(3)原則上車站固定吸污設(shè)施應(yīng)設(shè)置在樞紐客運(yùn)大站；(4)普速車站，?？壳倚栉鄣耐饩謸?dān)當(dāng)?shù)穆每土熊噷?duì)數(shù)較多、站線能力比較緊張且入庫(kù)吸污有難度的較大客站應(yīng)建設(shè)固定卸污設(shè)施。

對(duì)既有普速車站可根據(jù)現(xiàn)狀旅客列車開行方案，對(duì)照車站設(shè)置固定真空卸污設(shè)施的原則，論證設(shè)置固定卸污設(shè)施的必要性。

某站既有列車開行方式，現(xiàn)狀有1對(duì)始發(fā)客車運(yùn)行時(shí)間超過20 h，4對(duì)通過客車運(yùn)行時(shí)間超過20 h，1對(duì)通過客車運(yùn)行時(shí)間超過25 h。若本站無卸污設(shè)施，該站符合新增固定式真空卸污系統(tǒng)的條件，擬在該站新增固定式卸污系統(tǒng)，包括卸污線1排，真空中心1座。

3 卸污流量計(jì)算

卸污污水流量是決定真空卸污系統(tǒng)規(guī)模的重要參數(shù)。卸污管道管徑，真空泵及排污泵選項(xiàng)均受卸污流量的影響。卸污系統(tǒng)流量與卸污整備作業(yè)時(shí)間密切相關(guān)，而卸污整備作業(yè)時(shí)間決定于列車在車站到發(fā)線的停車時(shí)間。

本站設(shè)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(shí)間15 min內(nèi)，完成1列18輛編組普速列車每節(jié)車廂1個(gè)污物箱的卸污作業(yè)。

根據(jù)相關(guān)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(jì)11輛/列；普速列車最長(zhǎng)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(shè)計(jì)流量應(yīng)按公式(1)計(jì)算確定[5-6]

Qws=∑Vi/(60kTx)

(1)

式中Qws——污水設(shè)計(jì)流量，L/s，；

∑Vi——計(jì)算管道所對(duì)應(yīng)的同時(shí)卸污列車集便器污物箱總有效容積，L；

k——列車卸污作業(yè)時(shí)間折減系數(shù)，0.5≤k<1.0；

Tx——列車卸污作業(yè)時(shí)間，min。

根據(jù)公式(1)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)備選型要點(diǎn)

真空卸污系統(tǒng)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(jīng)真空卸污管進(jìn)入真空中心，最終進(jìn)入污水處理構(gòu)筑物。車站真空卸污系統(tǒng)包括卸污單元、真空卸污管道、真空卸污機(jī)組三部分[7-8]。真空卸污機(jī)組是為整個(gè)真空卸污系統(tǒng)提供動(dòng)力的設(shè)備，設(shè)置于真空中心內(nèi)，真空卸污機(jī)組的設(shè)備選型直接影響投資、設(shè)備運(yùn)行能耗；設(shè)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(tǒng)運(yùn)行模式

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

圖1 真空卸污系統(tǒng)工藝流程

4.2 真空中心設(shè)備選型方法

(1)真空泵選型

真空設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大真空度時(shí)的吸(排)氣體積流量應(yīng)為真空卸污系統(tǒng)污水設(shè)計(jì)流量的5～7倍。卸污系統(tǒng)內(nèi)的壓力從大氣壓降低到設(shè)計(jì)最大真空度時(shí)，真空設(shè)備的吸(排)氣時(shí)間不宜大于10 min。

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

真空卸污系統(tǒng)理論抽氣時(shí)間計(jì)算

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

(2)

式中t——真空泵抽氣時(shí)間，min；

V0——真空區(qū)域總?cè)莘e，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(tǒng)開始抽氣時(shí)的絕對(duì)壓強(qiáng)，kPa；

P0——系統(tǒng)經(jīng)過t時(shí)間抽氣后的絕對(duì)壓強(qiáng)，kPa。

本站真空系統(tǒng)設(shè)定真空度范圍是40～60 kPa，整個(gè)系統(tǒng)從大氣壓抽至預(yù)先設(shè)定的最大真空度，即將系統(tǒng)大氣壓從101 kPa抽至40 kPa，真空卸污系統(tǒng)總?cè)莘e為26.5 m3，啟動(dòng)1臺(tái)真空泵，卸污系統(tǒng)內(nèi)的壓力從大氣壓降低到設(shè)計(jì)最大真空度所需時(shí)間為5.72 min，2臺(tái)真空泵同時(shí)啟動(dòng)，所需時(shí)間為2.86 min。真空設(shè)備的吸(排)氣時(shí)間不大于10 min。

設(shè)定系統(tǒng)真空度為40～60 kPa，系統(tǒng)從真空度下限恢復(fù)到真空度上限，即將系統(tǒng)絕對(duì)大氣壓從60 kPa抽至40 kPa，經(jīng)計(jì)算用時(shí)為2.5 min，大于2 min。

經(jīng)計(jì)算，該系統(tǒng)抽真空時(shí)間滿足TB10010—2016《鐵路給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，系統(tǒng)內(nèi)的壓力從大氣壓降至最大真空度時(shí)，真空設(shè)備的吸氣時(shí)間不宜大于10 min要求，該要求的設(shè)定是為防止整個(gè)卸污系統(tǒng)從大氣壓達(dá)到正常使用狀態(tài)，真空機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長(zhǎng)，從而使卸污操作工人長(zhǎng)時(shí)間等待，影響線路間卸污作業(yè)按時(shí)完成。

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同時(shí)要求真空卸污系統(tǒng)從設(shè)定的真空度下限恢復(fù)到上限，真空泵的抽氣時(shí)間不宜小于2 min。該要求的設(shè)定是為了保證卸污系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性，避免設(shè)備頻繁啟停。

在真空卸污系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，特別是卸污流量較大，卸污時(shí)間要求較為嚴(yán)格的普速車站，真空卸污系統(tǒng)必須要校核這兩項(xiàng)指標(biāo)。

(2)排污泵選型

排污泵選型必須滿足以下要求：排污泵應(yīng)自灌工作；排污泵設(shè)計(jì)流量不應(yīng)小于卸污系統(tǒng)設(shè)計(jì)污水流量；排污泵揚(yáng)程應(yīng)符合真空卸污系統(tǒng)設(shè)定最大真空度，并應(yīng)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(yīng)安裝閥門；揚(yáng)水管應(yīng)安裝止回閥，并宜設(shè)置與真空罐相連的平衡管；排污泵每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)不應(yīng)大于12次。

根據(jù)上述要求，排污泵設(shè)計(jì)流量不小于真空系統(tǒng)的污水流量，本站設(shè)計(jì)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(tái)，1用1備。真空罐內(nèi)最低液位高于排污泵泵殼，排污泵自罐式啟動(dòng)。在排污泵揚(yáng)水管止回閥前設(shè)通管，排污泵關(guān)閉后，揚(yáng)水管上止回閥在大氣壓力作用下關(guān)閉，外界空氣不會(huì)進(jìn)入泵殼內(nèi)。排污泵啟動(dòng)后，揚(yáng)水管通過聯(lián)絡(luò)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(nèi)地面高程為0.00 m，本站真空卸污管道進(jìn)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(nèi)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(nèi)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(diǎn)表高為-2.30 m，真空罐內(nèi)最低水位高于排污泵泵殼頂點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 真空卸污系統(tǒng)高程(單位：m)

合理確定真空中心高程，確保進(jìn)水管管內(nèi)底高程高于罐內(nèi)最高液位，排污泵泵殼頂點(diǎn)高程低于真空罐內(nèi)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(shè)計(jì)要點(diǎn)

本站真空卸污系統(tǒng)最大污水設(shè)計(jì)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(qū)，如新建站及非寒冷地區(qū)，卸污管道宜安裝在管溝內(nèi)；對(duì)于某些既有站，股道間位置緊張，無法實(shí)現(xiàn)管溝內(nèi)安裝，或北方寒冷地區(qū)，冬季氣溫低存在凍結(jié)問題，卸污管道也可以直埋。

本站位于西南地區(qū)，不存在凍結(jié)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(shè)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(shè)沒有嚴(yán)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(dòng)力是真空度，卸污管道提升會(huì)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(shè)置一提升彎，以減小管溝縱向深度[19-20]。站臺(tái)范圍外卸污管道直埋。

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

4.5 真空卸污單元設(shè)計(jì)要點(diǎn)

卸污單元設(shè)置于股道間，是將列車內(nèi)污染物輸送至真空卸污管道系統(tǒng)的設(shè)備，卸污單元內(nèi)包括卸污軟管及卸污軟管纏繞機(jī)構(gòu)，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(wù)半徑?jīng)Q定了設(shè)計(jì)中卸污單元的布置間距，本工程選用的卸污單元設(shè)備為新型地面柜式卸污單元，服務(wù)半徑≥12 m，卸污單元間距定為22～24 m，普速列車停靠站臺(tái)長(zhǎng)550 m，設(shè)24個(gè)卸污單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的全覆蓋服務(wù)。卸污單元尺寸為700 mm(寬)×1 300 mm(長(zhǎng))×900 mm(高)，卸污單元底座使用膨脹螺栓固定于排水溝側(cè)壁上。卸污單元中心與兩側(cè)股道間中心線對(duì)齊，不侵入列車建筑限界，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

某西南地區(qū)既有普速車站，設(shè)1條卸污線，卸污最不利條件為在中途通過列車停站時(shí)間15 min內(nèi)完成1列18輛編組普通列車(每節(jié)車廂1個(gè)污物箱)的卸污作業(yè)。該工況下卸污污水設(shè)計(jì)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(tái)，2用1備，規(guī)格250 m3/h，N=7.5 kW；排污泵2臺(tái)，1用1備，規(guī)格Q=100 m3/h，H=20 m，N=11 kW；真空中心總裝機(jī)容量45 kW，即可滿足該站最不利卸污情況的卸污作業(yè)。

車站真空卸污設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下要點(diǎn)。

(1)合理計(jì)算卸污流量，確定卸污最不利工況的卸污時(shí)間及污物量，計(jì)算該工況下的卸污流量為設(shè)計(jì)卸污流量。

(2)根據(jù)卸污流量進(jìn)行設(shè)備選型，選型完成后，必須校核卸污時(shí)間是否滿足規(guī)范要求。

(3)排污泵揚(yáng)水管必須設(shè)一平衡管與真空罐聯(lián)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(guī)范提升高度的要求下，盡可能提高真空中心地面高程，節(jié)省投資。

本文所述工程的真空卸污工藝及設(shè)備選型具有高效、節(jié)能、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，卸污時(shí)間等參數(shù)滿足TB10010—2016《鐵路給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。