推拉式真空集便器在船舶上的应用

严巾堪,赵斌,李鹏，吕鹤婷，刘新宇

(1.山东中车华腾环保科技有限公司，济南 250022；2.中国中车污水处理与真空排水技术研发中心，济南 250022)

真空集便系统是利用负压管道中的负压梯度将用户处排放的污水逐步输送、收集至真空中心集中处理及排放的污水收集系统[1]。真空集便技术由于其用水量小，系统管径小等优点，日益受到船东的欢迎[2]，近年越来越多的船舶开始配套真空集便系统。与传统重力排污系统相比，真空集便系统还具有管网安装方便、不易堵塞、经济性能好等优点[3]，但在小型船舶加装或改造真空集便系统时，对空间占用、成本控制提出了更高的需求。为此，探讨占地面积小、性价比高的新型真空便器在船舶上的应用。

1 常规真空集便系统

常规真空集便系统主要由真空便器、真空管路、中间收集器、真空泵站组成，依靠真空便器、中间收集器内部安装的真空排污阀(真空界面阀)保持系统处于一个密闭的环境。通常真空泵站放置在机舱内，用以产生系统所必须的真空能量，设备启停值一般设置在-30～-60 kPa之间。真空便器与中间收集器连接于真空管路的末端，用于收集污水。污水在系统内外压力差下进入真空管路，通过真空泵站，最后排入到船舶污水处理装置或污水舱。

常规真空集便系统工作原理见图1。

图1 常规真空集便系统工作原理

真空便器、中间收集器通常安装于卫生间内部，可以固定于真空泵站上部甲板，也可以与真空泵站同层安装。常见的真空泵站有喷射机组式真空泵站、真空泵式真空泵站、转子泵机组式真空泵站[4]、真空排污搅碎泵式真空泵站4种类型。4种类型真空泵站结构和工作原理各有不同，但都起到了产生系统需要的真空能量同时将污水排出的作用，同时也都会占用到机舱的部分空间并增加了船舶的负荷。 这部分负荷对于中大型船舶影响不大，但对于小型船舶却至关重要。

2 推拉式真空集便器

推拉式真空集便器主要由拉、推2个动作完成便器排污，目前已在高铁动车上得到了批量成功应用。推拉式真空集便器省去了真空泵站，仅由便器部分组成，具有占地面积小、省水、防臭、集成度高等特点，工作原理见图2。

图2 推拉式真空集便器工作原理

推拉式真空集便器在按下冲洗按钮后，首先水增压器对便盆进行高压水冲洗，然后便器内污水被真空吸入到中间箱内。当中间箱内污水到达设定液位后，污水被正压气流排出中间箱，进入到排污管路，然后污水在重力的作用下，进入到污水舱或污水处理装置中。

在待机情况下，进水管路自动对水增压器补水，同时真空发生器工作，中间箱保持真空状态。

3 运用可行性分析

3.1 产品对比

两种集便系统对比见表1。

表1 推拉式真空集便器与常规真空集便系统对比

由表1可知，推拉式真空集便器比常规真空集便系统每次冲便用水少约0.75 L，可更节约水资源，也相应减少了污水排放，降低了后续污水续处理负荷。

推拉式真空集便器相比常规真空集便器多了一种能耗，需要用到船上的压缩空气，每次冲洗便器耗气量仅相当于常压下的24 L。参照船上压缩空气压力值，单次冲洗便器约消耗1.2 L(按2 MPa计算)，对船舶的影响可以忽略不计。

相比常规真空集系统，推拉式集真空便器减少了真空泵站的用电，仅电磁阀用电，用电量更低。

在价格方面，常规真空集便系统随着系统规模的扩大，均价越低；推拉式真空集便器均价基本不随数量变化,对比见图3。

图3 价格对比

在空间占用及重量负荷方面，推拉式便器省去了真空泵站，具有更大的优势。

从管路系统考虑，常规真空集便系统管径小，可收集整个船舶的生活污水，横向距离可以传递数百米。推拉式集便器依靠压力排放入重力常压系统中，同时基于较少的排污量，一般设置横向距离立管不超过4 m。

3.2 可行性分析

由表1可知，推拉式便器在耗水量、耗电量、占用空间，以及对船负载的影响等方面具有显著优势，相较而言更加节能。

从成本方面考虑，推拉式真空集便器单套价格较高，但在船舶上便器数量较少时，推拉式真空集便器更具有优势。

从管路施工方面考虑，推拉式真空集便器的加装无需对原重力管路进行改造，但基于重力排污管道污水流速的局限性，安装位置距离排污立管不宜过大。

从使用方便考虑，推拉式真空集便器需要用到船上的压缩空气。为保障系统稳定运行，可增设空气瓶，以起到稳压作用。

从维护方面考虑，推拉式真空集便器各个部件模块化制作，更换维护简单，可操作性强。

3.3 案例分析

以某船增设便器为例，考虑到安装空间的限制及节水的效果，该船选用推拉式真空座便器。设备主要组成见图4。

图4 坐式推拉式真空集便器组成

1)冲洗按钮。冲洗按钮采用手动按压式按钮，操作简单可靠。

2)便盆。便盆需采用真空专用便盆，不锈钢冲压制成，排污口内径40 mm，便盆内表面采用特殊涂层处理以达到更好的冲洗效果。

3)中间箱。中间箱采用不锈钢焊接制成，容积约4.5 L，主要用于暂存污水，工作压力为-40～40 kPa,一般保持负压状态。设置有液位，当污水到达液位时，箱体内转换为正压状态。

4)水增压器。水增压器用于存放冲洗水并对冲洗水进行加压，能承受较大的压力，采用焊接制成，容积0.8 L。

5)真空发生器。真空发生器用于产生系统必要的真空能量，该真空集便系统的真空发生器采用大气喷射器型式，普遍具有结构简单、无活动部件、寿命长、成本低廉而可靠性高的特点。图5为真空大气喷射器构成示意，压缩空气进入真空大气喷射器，从喷嘴中喷射出高速气流，由于气体的粘性，高速气流卷吸走中间箱内的气体，进而在中间箱内形成真空。

图5 真空大气喷射器构成示意

6)排污阀。推拉式真空集便器中设置有两处排污阀，采用一种气缸带动的滑板阀。一处位于便盆出水口处，一处位于中间箱出口处，均是用于隔断真空与大气压，起到密闭系统的作用，寿命满足使用次数不低于30万次。

7)控制模块。控制模块采用单片机集成控制，设备在接收到按钮信号后自动运行。

8)设备安装。推拉式真空集便器安装于卫生单元，直接与重力排污管道相接。另有水源接口、气源接口、电源接口。设备水源采用淡水或海水淡化水，水压不低于0.02 MPa。设备气源采用船上空压机供应，压力大小为0.6～1.0 MPa。设备电源采用DC24V供电，功率不超过50 W。

4 结论

基于卫生、节水及环保的需求，采用真空集便是船舶污水收集的发展趋势。与常规真空集便系统相比，推拉式真空集便器更加节水、节能，占用空间及对船舶负荷的增加也更小。在小型船舶安装及旧船改造时具有显著优势，尤其适合对重量和空间要求较高的船舶。