北京南站动车组卸污设计

郭 霖，吴国华，齐鸣春

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 概述

列车排污一直是污染控制重点。随着我国铁路动车组开行和真空卸污技术的应用,真空卸污系统从源头消灭旅客列车造成的环境污染问题。卸污作业是动车组集便器运用整备的一项基本内容,工作性质类似于客车上水,但当厕所污物箱因没有贮污空间将使车上厕所丧失功能、停止使用后,给旅客造成的不便将远大于车上洗漱用水的供给,故对卸污作业的安全可靠性比客车上水系统要求高。真空卸污技术与高速列车技术密切配套的关键技术,一直是专业前沿课题。

国内铁路旅客列车真空卸污技术的工程应用起始于20世纪末期。自2003年以来,为解决铁路污染突出的环境问题,铁道部在建立绿色铁路运输通道的“十五”环境保护计划和2010年远景目标以及中国铁路主要技术政策中，都要求旅客列车必须改变列车污物排除方式而配备密闭式厕所集便器。与车载集便器相应的集便污物通过地面接收系统完成卸除。我院2004年底建成的济南客运段卸污工程是铁路真空卸污系统试点工程,主要采用气液混合流低真空输送技术,但随着技术进步及科技创新,各种类型的真空卸污设施在铁路工程中均得到应用。本工程是国内大型客站建成的规模最大的凸轮泵机组形式的真空卸污系统,实践证明设计方案合理,系统运行稳定,是最能适应车站卸污的真空卸污技术。

2 车站卸污的重要性及卸污技术关键

北京南站为现代化的特大型综合交通枢纽客站的示范站,承担京津城际、京沪高速和部分普速铁路的始发终到作业,总体建设技术达到世界先进水平。

在北京南站改扩建工程的方案研究和设计阶段,对动车组在车站卸污的必要性认识不够,与各条高速铁路、客运专线的研究设计主导想法相同,都是把动车组卸污放在动车段、所进行,因而没有卸污的设计内容。但随着京津城际铁路高密度、公交化发车的运输组织模式的确定,为适应动车组高效运营的要求,北京南站增设真空卸污设施成为必然。因此在2007年10月北京南站工程建设的关键时刻,在地下结构主体工程基本已完工的情况下,进行了设置卸污系统的研究。

在北京南站这种特大型客站,客运繁忙,运输旅客量巨大,动车组卸污利用到发站短暂时段进行作业。随着车站建筑设计理念的提升,对站区环境质量要求高,旅客通行、动车组整备作业在同一空间内既要融为一体又要互不干扰,对卸污系统的基本性能要求是安全卫生、方便快捷,因此必须设置固定卸污系统,以适应高速客运的需求。

根据北京南站施工图设计,首先是卸污设置场地和能力方面进行了方案比选,设计进行了到发线卸污和折返线卸污2个方案的详细技术分析比较。北京南站总规模13台24线,其中京津城际4台7线、京沪高速场6台12线、普速场3台5线。根据近、远期旅客列车开行方案,京沪2020/2030年到发车88/118对,京津2020/2030年到发车187/195对,到发线立折是主要方式,尤其高峰时不允许到折返线折返,折返线仅作为动车组夜间停车场。车站终到立即折返总停留时间一般30 min以内,终到立折车卸污整备作业总时间要求20 min以内。因此从适应能力和工程条件等方面分析,卸污作业量大、时间短,到发线卸污是唯一适宜的车站卸污方案。

固定真空卸污在国内、路内是新技术,没有标准及规范可遵循,设计缺乏经验,因此在保证运输安全、提高运输能力的要求下,同时必须结合南站已完工的工程现场条件进行设计,技术难度极大。

动车组卸污地面接收系统的研究内容包括卸污需求分析、卸污方式的选择和卸污规模的确定等3个方面,同时也是本工程的技术关键。

2.1 卸污需求分析

卸污需求即作业周期取决于列车定员、满员率、运行时间、污物箱容积、集便器容量等参数。根据有关资料计算动车组污物箱容积500L的贮污能力一般能满足连续运行15h以上。

根据开行方案和运用车底数,对京沪高速和京津城际进行卸污需求分析,京沪高速和京津城际需要卸污作业的动车组1天20列。因此同一时段内同时卸污整备列车数的需要即卸污整备线数为2线,京沪场和城际场各1线。

从保证运输安全、提高运输能力的角度考虑,车站列车停时短,卸污操作环境条件较复杂,卸污作业必须在限定的时间内完成,以此确定同时卸污设施的能力。车站终到立即折返动车组总停留时间一般30 min,卸污整备作业总时间20 min以内。根据济南试验线数据,真空卸污系统压力值30～70 kPa,单个污物箱排空时间不大于1～2 min,污物箱污水流速不小于5 L/s。对于2列重连16辆长编组动车组,2口同时卸污才能保证整列卸污时间在20 min内。

2.2 卸污方式的选择

固定真空排污系统是利用真空作为动力源的负压排污系统,由设置在固定位置的接收单元通过真空管道将集便器污物抽吸排放。固定真空排污有3种方式,一是真空泵机组,由真空泵机组抽排系统内空气形成真空,由真空泵、真空罐、排污泵、控制设备等组成；二是喷射器机组,由喷射泵机组抽排系统内空气形成真空,由喷射泵、污水收集罐、排污泵、控制设备等组成；三是凸轮泵机组,由旋转凸轮泵机组抽排系统内空气形成真空,同时将污物直接压力排出,由旋转凸轮泵和控制设备等组成。由于污物能实现从抽吸到压力排出的连续运转，占地少，可设置在线间,因此也称在线机组方式。

根据南站的总体规划建设内容和土建地下结构已基本完工的实际情况,卸污方式采用符合要求的凸轮泵机组形式。

2.3 卸污规模的确定

根据以上分析,确定了真空卸污系统预留远期、分场分步实施的技术方案和设计原则,近期按照单列2口同时卸污,对16辆长编动车组,2名卸污工人操作条件下在20 min内完成整列动车组卸污作业,远期按照4口同时作业。

同时结合施工的场地、市政排水条件和环保要求,相邻两条到发线设置1排卸污接收单元,设计在京津城际场1～4道4条到发线间和京沪高速场15～20道6条到发线间,共设5排真空卸污接收单元。真空中心共用1处,设置在一站台东南端,泵组按近期配2套。

3 主要设计方案及关键技术

3.1 设计方案

根据北京南站的总图规划,真空卸污系统设计原则为分场分期实施建设,卸污接收单元近期5排、远期10排,城际场远期增加1排单元,京沪场远期增加2排单元；凸轮泵机组真空中心1座,凸轮泵机组能力近期单线2口、远期双线4口同时卸污作业,予留远期场地。

3.2 设计难点

为使真空卸污系统的设计达到最优化,在没有技术标准和规范可循的情况下,分析作业需求和工程实际,研究解决了真空卸污系统如下4个方面的设计难点。

(1)卸污作业快速高效,不遗洒,无臭气溢出。

(2)系统设计规模大,真空卸污机组最大能力双线4口同时抽吸,卸污单元5排110套。

(3)卸污单元设计在到客运场发线间,与客车上水在同一场所,设计布置紧凑、占地少、卫生条件良好。

(4)真空中心位于站场一端,真空卸污管路长,最远端卸污单元距机组管路长达700 m。

3.3 关键技术

卸污系统的组成包括真空中心、接收单元、真空卸污管道和信息控制设备等4个方面,以下从这4个方面叙述设计的特点和创新关键技术装备。

(1)真空中心

真空中心是设置真空机组产生真空、维持真空度并具有排送污物和自动控制功能的设备处所。真空卸污系统设计真空值在30～70 kPa。真空机组设备具有自动恢复真空的能力,也即维持系统真空度的能力,从设置的真空度下限恢复到上限的运行周期不超过4 min。由于低真空输送系统能力的限制,为减少系统阻力损失,真空中心一般要求布置在卸污系统的中心位置,真空机组设备与最远卸污单元之间的真空卸污管道最大长度不大于450～500 m。

根据北京南站的总平面布置、综合管线情况以及已完工的实际情况,本工程真空中心1处,选择采用凸轮泵机组形式,布置在站场一站台远端。设计难点在于真空中心距离最远卸污单元约700 m,这就要求卸污系统需要满足的抽吸范围达700 m。

经计算真空卸污系统的损失和高程设计,真空中心采用地下式结构形式,到发线间卸污管道以一定坡度坡向真空中心。凸轮泵机组自动控制系统分别控制系统的真空值上、下限,根据设定的上、下限值自动启停凸轮泵,并具有压力报警功能。

真空中心值班电控室地上设置,机械设备间地下结构,在机械设备间结构顶板上设置用于起吊设备的设备吊装孔和通风换气设备。

(2)真空卸污接收单元

接收单元是与集便器污物箱连接,将污物抽吸输送至真空卸污管道的设备。真空卸污接收单元由卸污软管和与车载集便器卸污口简便密切连接的快速接头组成,与集便器污物箱连接,具有将污物抽吸输送至后续真空卸污管道的功能。卸污快速接头与列车污物箱排出口可靠密闭连接是保证不泄漏的关键。

本工程在相邻两条到发线设置与股道平行的一排卸污接收单元,安装在到发线间净宽800 mm的盖板沟内,半地上式安装。卸污接收单元的布置采用全覆盖方式,设置间距不大于20 m,一排22台单元,覆盖2列重联16节长编组动车组每节车厕所的位置。接收单元满足CRH1～3、CRH5等各型动车组的卸污接口位置和端口技术要求。卸污接收单元接口型式为2.5 in D型标准阴端快速接头,与列车集便器污物箱排污口相适应,卸污软管公称直径50 mm。

本工程接收单元采用一体化柜式电控抽吸单元设备,卸污软管服务半径≥10 m,柜体与列车外皮净距不小于1 m,既保证卸污作业快捷方便,同时满足铁路车辆限界要求,同时卸污接收单元安装位置与客车上水设备保持净距不小于2 m的卫生防护距离。抽吸单元设备配备软管水平盘绕电动卷管器,软管拉出作业时轻便灵活、卸污作业完自动回圈,软管末端快速接头由铜质接头、铜质球阀和锁紧扣环组成。单元结构紧凑,设置感应式开关,并设有电伴热加热装置,在冬季条件下使用防冻。单元外形尺寸L×B×H=0.9 m×0.6 m×0.95 m,安装高出盖板450 mm。

(3)真空卸污管道

真空卸污管道保持密闭状态,输送与排放污物,一般平行股道以一定坡度铺设。

本工程在城际场1～2、3～4道到发线间和京沪场15～16、17～18、19～20道到发线,共设5排真空卸污管道。在站房地下结构范围内真空卸污管道安装在净宽400 mm的盖板沟内,地下结构外管道地下直埋,穿越铁路设防护涵管。

根据低真空系统输送的原理,管材、管件的采用及安装均必须符合系统气密性的要求。采用给水聚乙烯PE100塑料管材、管件,承压1.0 MPa,其特性是内壁光滑、阻力小、耐腐蚀性强、安装便捷。真空干管管径DN150。在管道安装方面,采用电熔连接,采用45°弯头管件,支管与干管连接接点位于水平轴向上方。

卸污管道一般设计坡度在2‰～5‰,本工程受已完工程条件限制,线间盖板沟内卸污管道安装坡度接近极限,仅0～1‰,管底高程要求严格。管沟内采用聚氨酯泡沫保温，厚30 mm。

真空抽吸管路最长达700 m,系统总体布置和平纵断面设计满足了长距离卸污的要求。

(4)真空卸污信息与控制系统

在每排卸污管道距真空中心的远端设置压力表。在每排卸污管道接入过轨干管前设置压力传感器,数值与真空中心控制系统联动。真空中心设置了计量、检测仪表和相关自动控制设施。根据卸污整备作业工艺流程和系统组成等配备了信息监控设备——信息管理控制操作台,由软件实现对真空机组的实时监测、动态管理,跟踪指示设备性能,根据运行状态对设备故障实时报警,并预留集中管理的信息化接口条件,以满足系统正常运转和调试等不同阶段的运行管理要求。

4 结语

本工程设计创新采用节能环保的关键技术——凸轮泵机组形式的固定真空卸污技术,为大型客站首创,填补了我国高速铁路车站应用真空卸污技术的空白。系统运行稳定,操作便捷、污物抽吸干净,能力完全满足车站卸污要求,适应了动车组运输组织需要,为中国第一条时速350 km的高速铁路的平稳运行提供了有力的保障,对环境保护、节能减排有重要的作用,为建设环保型绿色铁路作出了贡献,体现了我国可持续发展的战略方针和节能环保的时代理念,具有显著的社会、经济效益。

目前在车站设置真空卸污已成为行业发展趋势,本工程为车站卸污提供了设计模版,对高速铁路建设采用真空卸污技术具有重要借鉴和示范作用,同时对地铁站段设计采用真空卸污技术也有借鉴的价值。

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