普速车站真空卸污系统设计要点分析

李江雯

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

1 概述

随着铁路环保要求的提高，铁路列车厕所污物直接散排至路基上的方法已经逐渐被淘汰，普速列车厕所已经逐渐升级改造成真空式密闭厕所。然而普速列车运行时间长、超员率高、易晚点，通常在到达终到站之前列车污物箱已满，特别是节假日、春运等客流量超常的时期，若不能及时卸污将影响乘客使用厕所，对列车正常的运行造成很大隐患，这种情况下普速列车只能利用中途停车的时间在车站内完成卸污作业。

目前动车组均已使用真空密闭式厕所，但与普速列车相比，动车运行时间短、超员率低，且大部分动车夜间均进库检修或在站内停靠，所以动车组的卸污作业通常在动车段、所或整备库内进行[1]，卸污作业时间充分，对真空卸污系统的效率要求不高，段、所内卸污通常采用凸轮泵式卸污机组，但该系统卸污效率较低，能耗较高[2-4]。现有针对真空卸污系统卸污时间研究和计算的文献较少。所以研究适用于能满足普速列车在车站中间停靠时间内完成卸污作业的高效真空卸污系统是十分必要的。然而若仅追求卸污的效率及速度往往会造成设备选型能力偏大，设备频繁启停等问题。为解决上述问题，以西南地区某既有站新增固定式卸污设施工程为例，分析适用于普速车站的真空卸污系统设计要点。

2 普速车站列车卸污需求分析

根据《中国铁路总公司关于车站固定吸污设施建设的指导意见》车站固定式真空卸污系统设置原则如下：(1)原则上旅客列车每运行约20 h设置1处固定吸污设施，确有困难，最长不超过25 h；(2)车站固定吸污设施主要满足立折或通过列车吸污需要，动车运用所和客车整备所须建设足够的吸污设施，所有入库的动车组和集便客车原则上在库内吸污；(3)原则上车站固定吸污设施应设置在枢纽客运大站；(4)普速车站，停靠且需吸污的外局担当的旅客列车对数较多、站线能力比较紧张且入库吸污有难度的较大客站应建设固定卸污设施。

对既有普速车站可根据现状旅客列车开行方案，对照车站设置固定真空卸污设施的原则，论证设置固定卸污设施的必要性。

某站既有列车开行方式，现状有1对始发客车运行时间超过20 h，4对通过客车运行时间超过20 h，1对通过客车运行时间超过25 h。若本站无卸污设施，该站符合新增固定式真空卸污系统的条件，拟在该站新增固定式卸污系统，包括卸污线1排，真空中心1座。

3 卸污流量计算

卸污污水流量是决定真空卸污系统规模的重要参数。卸污管道管径，真空泵及排污泵选项均受卸污流量的影响。卸污系统流量与卸污整备作业时间密切相关，而卸污整备作业时间决定于列车在车站到发线的停车时间。

本站设有1条卸污线，最不利的卸污条件是在中途通过列车停站时间15 min内，完成1列18辆编组普速列车每节车厢1个污物箱的卸污作业。

根据相关资料，普速客车编组污物箱容积为：硬座2×550 L/辆，共8辆/列；硬卧、软卧2×450 L/辆，共计11辆/列；普速列车最长编组按18辆/列考虑，污物箱充满度按0.7考虑。普速车污物量为12.5 m3。

卸污污水设计流量应按公式(1)计算确定[5-6]

Qws=∑Vi/(60kTx)

(1)

式中Qws——污水设计流量，L/s，；

∑Vi——计算管道所对应的同时卸污列车集便器污物箱总有效容积，L；

k——列车卸污作业时间折减系数，0.5≤k<1.0；

Tx——列车卸污作业时间，min。

根据公式(1)计算得出本站最不利情况下污水流量为27.8 L/s。

4 卸污系统设计设备选型要点

真空卸污系统是利用真空泵形成的真空度，使列车污物箱中的污物在压力差的作用下经真空卸污管进入真空中心，最终进入污水处理构筑物。车站真空卸污系统包括卸污单元、真空卸污管道、真空卸污机组三部分[7-8]。真空卸污机组是为整个真空卸污系统提供动力的设备，设置于真空中心内，真空卸污机组的设备选型直接影响投资、设备运行能耗；设备选型影响真空中心的尺寸，也间接影响工程的投资。

4.1 真空罐+真空泵式真空卸污系统运行模式

真空中心的主要组成设备有真空泵、真空罐、排污泵和控制系统，其工艺流程如图1所示。用真空泵将真空罐及系统抽成真空并保持在一定范围内(本站真空度设定在40～60 kPa)，当污水被吸入真空罐中达到高液位时排污泵启动，将污水排走，水位降低至低液位后排污泵停泵，此工况连续自动运行[9-12]。

图1 真空卸污系统工艺流程

4.2 真空中心设备选型方法

(1)真空泵选型

真空设备在系统设计最大真空度时的吸(排)气体积流量应为真空卸污系统污水设计流量的5～7倍。卸污系统内的压力从大气压降低到设计最大真空度时，真空设备的吸(排)气时间不宜大于10 min。

本工程污水最大流量为27.8 L/s，真空设备吸(排)气流量宜为500～700 m3/h，选择250 m3/h真空泵3台，2用1备。

真空卸污系统理论抽气时间计算

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

(2)

式中t——真空泵抽气时间，min；

V0——真空区域总容积，包含真空罐和真空卸污管道,L；

S——真空泵的抽气速率，L/s；

Pi——系统开始抽气时的绝对压强，kPa；

P0——系统经过t时间抽气后的绝对压强，kPa。

本站真空系统设定真空度范围是40～60 kPa，整个系统从大气压抽至预先设定的最大真空度，即将系统大气压从101 kPa抽至40 kPa，真空卸污系统总容积为26.5 m3，启动1台真空泵，卸污系统内的压力从大气压降低到设计最大真空度所需时间为5.72 min，2台真空泵同时启动，所需时间为2.86 min。真空设备的吸(排)气时间不大于10 min。

设定系统真空度为40～60 kPa，系统从真空度下限恢复到真空度上限，即将系统绝对大气压从60 kPa抽至40 kPa，经计算用时为2.5 min，大于2 min。

经计算，该系统抽真空时间满足TB10010—2016《铁路给水排水设计规范》，系统内的压力从大气压降至最大真空度时，真空设备的吸气时间不宜大于10 min要求，该要求的设定是为防止整个卸污系统从大气压达到正常使用状态，真空机组运转时间过长，从而使卸污操作工人长时间等待，影响线路间卸污作业按时完成。

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同时要求真空卸污系统从设定的真空度下限恢复到上限，真空泵的抽气时间不宜小于2 min。该要求的设定是为了保证卸污系统运行的平稳性，避免设备频繁启停。

在真空卸污系统设计中，特别是卸污流量较大，卸污时间要求较为严格的普速车站，真空卸污系统必须要校核这两项指标。

(2)排污泵选型

排污泵选型必须满足以下要求：排污泵应自灌工作；排污泵设计流量不应小于卸污系统设计污水流量；排污泵扬程应符合真空卸污系统设定最大真空度，并应核算水泵的有效气蚀余量；排污泵与真空罐之间的吸水管应安装阀门；扬水管应安装止回阀，并宜设置与真空罐相连的平衡管；排污泵每小时启动次数不应大于12次。

根据上述要求，排污泵设计流量不小于真空系统的污水流量，本站设计最大污水流量为27.8 L/s，故选择Q=100 m3/h；H=20 m；N=11 kW；汽蚀余量为 3.5 m高自吸排污泵2台，1用1备。真空罐内最低液位高于排污泵泵壳，排污泵自罐式启动。在排污泵扬水管止回阀前设通管，排污泵关闭后，扬水管上止回阀在大气压力作用下关闭，外界空气不会进入泵壳内。排污泵启动后，扬水管通过联络管与真空罐连通，确保排污泵叶轮前后气压一致，有效避免了排污泵的气蚀问题[13-16]。

4.3 真空中心高程布置

真空罐直径1.80 m，以真空中心室内地面高程为0.00 m，本站真空卸污管道进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，真空罐内最高水位定为-1.60 m，真空罐最低水位定为-2.20 m，罐顶高程-1.00 m，罐底高程-2.80 m，真空罐支架高0.70 m，则真空中心室内地面高-3.50 m。排污泵泵壳高1.1 m，排污泵安装于真空中心地面上，排污泵泵壳顶点表高为-2.30 m，真空罐内最低水位高于排污泵泵壳顶点。如图2所示。

图2 真空卸污系统高程(单位：m)

合理确定真空中心高程，确保进水管管内底高程高于罐内最高液位，排污泵泵壳顶点高程低于真空罐内最低液位，在满足上述条件下，尽量提升真空中心地面高程，以减少工程投资。

4.4 真空卸污管道设计要点

本站真空卸污系统最大污水设计流量为27.8 L/s，真空卸污管道采用de225，SDR11的PE管。

卸污管道位于股道间，在有条件的地区，如新建站及非寒冷地区，卸污管道宜安装在管沟内；对于某些既有站，股道间位置紧张，无法实现管沟内安装，或北方寒冷地区，冬季气温低存在冻结问题，卸污管道也可以直埋。

本站位于西南地区，不存在冻结问题且股道间有条件新建卸污管沟1座，考虑到卸污管道在热胀冷缩作用下的纵向变形，设置必要的固定支墩、支架和伸缩接头。

真空卸污管道是一种压力管，管道铺设没有严格的坡度限制要求，其高程布置与重力排水管相比较为灵活，可以降低管沟深度，减少土方开挖量，但卸污管道输送污水的动力是真空度，卸污管道提升会消耗真空度，所以真空卸污管道不能像压力给水管一样可以随意提升[17-18]。

本站卸污管道向下倾斜坡度定为2‰，坡向真空中心，每隔100 m设置一提升弯，以减小管沟纵向深度[19-20]。站台范围外卸污管道直埋。

真空卸污管道输水的介质是污水，属于不均匀介质，黏度较大，易堵塞，所以真空卸污管道转弯处应采用45°弯头，卸污管道支管与干管连接时应使用45°斜三通专用管配件。

4.5 真空卸污单元设计要点

卸污单元设置于股道间，是将列车内污染物输送至真空卸污管道系统的设备，卸污单元内包括卸污软管及卸污软管缠绕机构，卸污软管一端装有快速连接头及球阀，另一端与卸污管道相连。

卸污单元的服务半径决定了设计中卸污单元的布置间距，本工程选用的卸污单元设备为新型地面柜式卸污单元，服务半径≥12 m，卸污单元间距定为22～24 m，普速列车停靠站台长550 m，设24个卸污单元，可以实现对列车的全覆盖服务。卸污单元尺寸为700 mm(宽)×1 300 mm(长)×900 mm(高)，卸污单元底座使用膨胀螺栓固定于排水沟侧壁上。卸污单元中心与两侧股道间中心线对齐，不侵入列车建筑限界，满足规范要求。

5 结语

某西南地区既有普速车站，设1条卸污线，卸污最不利条件为在中途通过列车停站时间15 min内完成1列18辆编组普通列车(每节车厢1个污物箱)的卸污作业。该工况下卸污污水设计流量为27.8 L/s；真空卸污管道为de225PE管；真空中心配套真空罐2座，1用1备；真空泵3台，2用1备，规格250 m3/h，N=7.5 kW；排污泵2台，1用1备，规格Q=100 m3/h，H=20 m，N=11 kW；真空中心总装机容量45 kW，即可满足该站最不利卸污情况的卸污作业。

车站真空卸污设计应重点关注以下要点。

(1)合理计算卸污流量，确定卸污最不利工况的卸污时间及污物量，计算该工况下的卸污流量为设计卸污流量。

(2)根据卸污流量进行设备选型，选型完成后，必须校核卸污时间是否满足规范要求。

(3)排污泵扬水管必须设一平衡管与真空罐联通，以避免排污泵汽蚀问题。

(4)合理确定真空中心高程布置，在满足规范提升高度的要求下，尽可能提高真空中心地面高程，节省投资。

本文所述工程的真空卸污工艺及设备选型具有高效、节能、运行稳定等优点，卸污时间等参数满足TB10010—2016《铁路给水排水设计规范》相关要求，具有较好的经济效益。