高海拔地区铁路客站分散式真空卸污系统的应用研究——以格尔木车站为例

周文哲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 格尔木车站卸污概况介绍

格尔木车站为青藏铁路既有一级二场横列式区段站，到发场有到发线12条(含正线)，有效长度880 m，其中客车到发线5条。车站高程为2 828.94 m，位于高原地区，气压约为0.07 MPa。既有格尔木站共有3个站台，图定客车接发10对/d，且每日早6时至9时、21时至凌晨3时两个时间段密集到发，所有停靠在格尔木站的旅客列车均需进行卸污作业。受低大气压影响，整个列车卸污系统最高真空度为70 kPa，经试验证明很难满足集中式真空卸污系统4口以上同时卸污的要求，因此设计采用移动式吸污车对旅客列车进行卸污作业。原中国铁路总公司对格库铁路初设批复意见：“格尔木站新增客车固定卸污设施，设计中应根据海拔高度对真空度的影响，统筹考虑保温、卸污时间、卸污设施布置的基础上，研究确定吸污方式。”经技术经济比较研究，设计采用分散式小型凸轮泵真空卸污系统。

2 目前格尔木车站卸污方式存在的问题

格尔木车站开通后采用移动式真空卸污系统卸污，即当列车停靠后，采用移动卸污车对每节列车污物箱进行卸污。但是由于车站站台高，所以需要卸污车对车辆污物箱逐一对应进行作业，且每次需将卸污车软管拉伸到股道间与污物箱连接。卸污时操作复杂，作业时间长，一节车厢至少需要5～10 min卸污，那么18辆编组32个污物箱的客车即使4辆卸污车同时作业，完全卸污完毕也需要约1 h[1]。

目前格尔木车站车辆停留时间一般为15～20 min，所以采用移动卸污车不能满足车站停时作业要求。卸污车卸污完毕后，还需要将污水卸至化粪池，增加了工人作业强度。根据目前车站卸污系统的现状，设计人员通过调研、反复讨论，并依照原中国铁路总公司对格库铁路初步设计的批复意见，决定对格尔木车站真空卸污系统进行改进，通过设置固定式真空卸污系统以节约作业时间[2]。

2.1 固定式真空卸污系统分类

目前固定式卸污系统主要有两种形式，既集中真空卸污系统和分散真空卸污系统[3-4]。

(1)集中式真空卸污系统

集中式卸污系统又分为在线凸轮泵真空卸污系统和真空罐式真空卸污系统[5]。

在线凸轮泵式真空卸污系统：在线旋转凸轮泵机组由旋转凸轮泵、自动控制设备、止回阀、机架等集成化装配。利用在线凸轮泵在整个卸污管道中产生真空，当污水吸入后，在线旋转凸轮泵可实现抽吸面到压力面连续运转，污物在压差作用下被直接抽吸并排放。设备通过真空压力传感器指示自控装置在真空度上限时停止、下限时启动[6-11]。

真空罐式真空卸污系统：真空罐式机组由真空泵、真空收集罐、液位控制器、报警信号、排污设备、止回阀、除臭装置组成，利用真空泵在罐体及卸污管道形成真空，真空罐内真空度由自动程序控制，并保持在一定操作范围内。污水在压差的作用下被抽吸至罐内。真空罐中的液位通过液位传感器监控，并控制排污泵，当罐内液位达到设定值时，排污泵启动将污水排放。整个工作过程按设定程序自动控制进行，保持循环作业[12-17]。

(2)分散式真空卸污系统

分散式真空卸污系统由小型机组、卸污单元、电控系统、管道系统组成。它利用小型机组和污物箱一对一的抽吸模式，受外界压力影响很小。根据调研国外资料，目前国外有些车站采用了分散式真空卸污系统，主要以T型式单元下设置分散式小型真空机组。如图1所示。根据国外经验，并结合格尔木车站特点，经过不断改进，设置了地下式分散卸污系统，并在使用过程中逐步完善[18]。

图1 分散式小型真空机组

(3)固定式真空卸污系统对比(表1)

表1 固定式真空卸污系统比较

集中式真空卸污系统在低海拔地区应用较多，但在高海拔地区，大气压降低导致系统真空度下降，真空压力小，泵组抽吸能力降低，如西宁站海拔2 260 m，整个系统真空度下降20 kPa左右。西宁站途径列车设计卸污时间为20 min，而普通列车约34个污物箱，按4个污物箱同时卸污设计，每个污物箱3 min卸污完毕，目前运营情况很难保证20 min内完成对普通列车的卸污作业。因此西宁站在后期运营中，为保证在规定时间内完成卸污，在原有泵组基础上又增设1台凸轮泵，以增大真空抽吸能力。而采用独立分散式真空卸污系统，可6～8口同时作业，很好地解决了高海拔地区真空度下降过多，抽吸力不足的问题。同时泵组紧促，取消了卸污单元之间管道连接，压力损失降低，提高了卸污效率。

2.2 格尔木车站采用的分散式真空卸污系统

格尔木分散式真空卸污系统由小型机组、卸污单元、电控及加热系统、管道系统组成。通过对应每列车厢污物箱设置一对一的小型真空机组，实现卸污作业中可以8个污物箱同时卸污，同时每列车污物箱可以在3 min内完成卸污。

在格尔木车站股道和股道之间设置2排真空管道。在管道设计过程中，发现站台中部管道需要提升，所以管道铺设方式采用从中间向两侧铺设，这样可避免因管道埋深浅而需要增加电伴热等保温措施，同时流体水力损失小，在车站两侧各设置1个化粪池。如图2所示。

图2 格尔木分散式小型机组设计(单位：mm)

3 分散式真空卸污系统

分散式真空卸污系统主要由小型真空机组、卸污单元、控制及加热系统、机组及管道连接系统4个部分组成。如图3所示。

图3 格尔木车站分散式真空机组

3.1 小型机组

由1台 凸轮泵、电机、控制系统、附属部件等集成装配，维持真空度、排污功能。

采用小型真空凸轮泵真空机组，产品型号TK-ZKWD，采用凸轮泵规格为VX136-105，额定流量40 m3/h，转速600 r/min，抽吸面最大真空度55 kPa；产生的最大排污压力140 kPa[19]。

电机与泵装配采用皮带传动式结构；机组管道热镀锌钢管DN65；系统真空度从设定下限恢复至上限时间小于3 min；电压为380 V，50 Hz；三相五线。电机功率5 kW，机组加热功率0.5 kW。

当卸污开始时，对应每节车厢1套小型机组，可以8套小型机组同时作业，放的压力满足系统要求[20]。

3.2 卸污单元

卸污单元由盘绕盘、支架、轴承、支座、真空软管、快速接头、球阀、旋转密封装置、控制装置等组成。与小型机组集成一体化装配，快速抽吸集便器污物到真空管路。单元功率1.1 kW，采用整体集成装配，根据需要配备加热功能。4～6组为一个供电单元，避免断电时全部停止工作，影响列车吸污。

卸污单元与小型机组安装在一个检查井内，布置的间隔密度应满足列车全程覆盖要求，卸污单元软管长12.5～15 m。公称直径为DN50；卸污单元卸污接头和管径与列车集便器污物箱排污口相匹配；采用φ63.5 mm标准阴端快速接头；卸污单元的布置采用半地下等安装形式。

3.3 控制及加热系统

由控制箱及加热系统组成控制系统。在卸污过程中，电机自动到启动位置，卸污作业开始，根据试验，确定每个污物箱作业4 min，包括进气时间，到4 min后电机自动停止，也可以采取手动停止方式。

当室外温度低于4 ℃，机组检查井内温度低于0 ℃时，机组加热系统自动启动。达到15 ℃左右自动停止加热。

3.4 管道连接系统

机组与卸污单元采用软管连接方式。机组与主干管通过止回阀后进行连接，防止当出现问题时，主干管内污水倒流进入机组。

主干管采用PE100，承压1.0 MPa，SDR11外径为DN160高密度聚乙烯管材，主干管从股道中间分别坡向股道两侧直至化粪池。

3.5 卸污能力评价

分散式卸污机组，每台泵的流量40 m3/h，抽吸面最大真空度55 kPa，产生的最大排污压力140 kPa。

普通列车的污物箱容积为450～650 L，有效容积为400 L。按照8个400 L污物箱同时卸污计算，单个机组卸污量为0.4 m3，气水比为1∶1，则单个机组的卸污量为0.8 m3，要满足3 min内卸污完毕，则单台机组所需的最小卸污量为16 m3/h，设备单台泵能力为40 m3/h，可以看出机组能力满足要求。

根据Q/CR52—2017《铁路站段真空卸污系统》标准的规定，列车每口卸污时间不得大于3.5 min，整车卸污时间不得超过30 min，或不得超过列车停站时间[5]。格尔木站采用的分散式真空卸污系统可8个污物箱同时进行卸污作业，在3 min内完成卸污作业，5～10 min内可以完成整个列车卸污作业，能力满足以上要求。

4 结论

高海拔地区大气压低，集中式真空卸污系统的卸污能力受大气压影响严重，泵组抽吸能力下降，且可同时卸污作业口少，卸污效率低。而移动式卸污车卸污时操作复杂，作业时间长，两者均不能满足高海拔地区卸污作业要求。因此以格尔木车站为例，通过对其目前卸污现状进行分析，调研国内外不同形式真空卸污系统，开发研制了适用于高原车站的分散式真空卸污系统。

分散式真空卸污系统通过点对点作业，可以满足8个污物箱同时进行卸污，在3 min内完成卸污作业，5～10 min内可以完成整个列车卸污作业。该系统泵组紧促，取消了卸污单元之间管道连接，压力损失降低，同时在分散式真空卸污系统使用过程中发现，采用该系统整个自动化程度高，能适应高海拔地区，节省占地，具有操作简单、稳定可靠、环保卫生、节时提效的特点，可以提高卸污作业工作效率，提升了铁路现代化水平，也减少了对环境和人的污染，符合环保发展要求。

综上所述，独立分散式真空卸污系统适用于高海拔地区，其开发应用也为以后高原地区车站，尤其是下一步川藏铁路旅客列车卸污系统的设计提供了经验和参考依据。