鐵路車站和客整所固定式卸污設施技術研究

邱慧，黃焱歆，張繼杰，沈駿，張玉寬，張磊

(1.中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081;2.太原鐵路局計劃統(tǒng)計處，山西太原 030013)

為落實節(jié)能減排的總體要求，根據(jù)鐵路建設要求［1］，在現(xiàn)有高鐵、動車組采用密閉式廁所的基礎上，對既有客車加裝密閉式廁所，以解決污水直排造成的污染，因此，全路大型客站和客整所也將配套建設地面卸污設施。相對于目前廣泛使用的動車組卸污設施，既有客車卸污有自身的特點和不同的技術要求，須對現(xiàn)有的地面真空卸污技術進行進一步深化研究，研發(fā)增強型真空機組設備和不同類型的組合式卸污系統(tǒng)，以滿足我國鐵路發(fā)展的需求。

1 鐵路車站與客整所卸污作業(yè)技術條件研究

1.1 鐵路客車卸污作業(yè)特點

時速160 km的25型客車由于長途運，具有運時長，客運量大的特點，原則上旅客列車每運行20 h，最多25 h需進行排污作業(yè)。根據(jù)對北京西站、上海站、太原站客車卸污作業(yè)的調(diào)研，客車編組一般為14～19輛，每輛為2個污物箱，最多達38個污物箱，污物箱容積為600～700 L，相對于動車，污物箱容積增大20% ～30%，卸污作業(yè)量明顯增多，卸污作業(yè)能力要求加強;每列車長約500 m，相應卸污作業(yè)管線也需要加長。在車站卸污，停時很短，要求卸污設備有較高作業(yè)效率。另外，不同時期建設的客站和客車整備所只能在既有條件下改造增設地面卸污設施，要求卸污設備集成度高，易于施工安裝，安全可靠。

1.2 固定式卸污設施技術要求

普速客車車站的固定卸污設施采用技術成熟、工作效率和自動化程度較高的真空式卸污方式。真空卸污設施重點性能及技術要求如下:(1)每套系統(tǒng)卸污作業(yè)應滿足各型客車最大編組19輛(38箱)污物箱卸污輸送和壓力排放的作業(yè)要求。作業(yè)時間:終到站立即折返列車卸污作業(yè)時間不應大于15 min;中途車站列車卸污作業(yè)時間不應大于6 min，19列編組的車輛最多可至8～10 min。入所(庫)作業(yè)整備時間，每列車卸污時間為30～60 min。(2)每套真空卸污系統(tǒng)可以允許4～8個卸污口同時作業(yè)，單個600 L污物箱的排空時間不超過3.5 min。組合式卸污系統(tǒng)，單個系統(tǒng)之間可并聯(lián)使用，互為備用。(3)真空機組設備與最遠端卸污單元之間的真空卸污管道距離考慮卸污線長度和穿越軌道，最大卸污輸送長度應為850 m;設備排污壓力應考慮抽吸和排放地點間距，排污阻力等因素滿足排放要求。(4)真空卸污系統(tǒng)采用真空機組設備作為真空發(fā)生器，系統(tǒng)真空度始終保持在－30 kPa～－70 kPa之間，其工況可調(diào)，機組設備有故障冗備功能［2］。(5)真空機組與卸污單元及真空管路必須完全密封，無異味、無堵塞、無漏氣、漏油、漏水和泄漏污物現(xiàn)象。(6)真空控制系統(tǒng)通過真空傳感器控制機組啟停，具有信息顯示和遠程監(jiān)控功能，實現(xiàn)無人值守。(7)沿軌道設卸污單元的布置位置個數(shù)間距根據(jù)列車最大編組長度，列車集便箱排污口位置和卸污單元作業(yè)半徑確定，一般每20 m間距布設(作業(yè)半徑10～13 m)1個，卸污單元全程覆蓋530 m長，每線26個卸污單元。通過式車站短停車時間較短，可12 m(作業(yè)半徑約6 m)設1個，卸污單元全程覆蓋530 m長，每線44個卸污單元［3］。

2 固定式卸污系統(tǒng)方案

2.1 車場卸污線布局原則［1］

大型樞紐客站和客整所卸污設備設置數(shù)量應綜合考慮停靠列車對數(shù)、卸污列車對數(shù)、車站或車場能力運用、出入庫能力等因素綜合確定:(1)盡頭式車站或車場，每站原則上不少于2條卸污線;設有多車場的車站，每車場原則上不少于1條卸污線。(2)復線通過式車站或車場，每站上、下行到發(fā)線原則上各不少于1條卸污線;設有多車場的車站，每車場上、下行到發(fā)線原則上各不少于1條卸污線。單線通過式車站或車場，上、下行可合設1條卸污線。(3)整備所根據(jù)客車檢修要求設置卸污整備線和卸污設備，可設置在庫內(nèi)或庫外。一般客整所檢查庫為4～18線庫，每2條股道間設1條卸污線。

2.2 各車場卸污作業(yè)方案

根據(jù)技術條件和實測分析，4口卸污作業(yè)時間:平均3 min;8～12口卸污作業(yè)時間:平均3.5～4 min。表1為卸污作業(yè)方案。

表1 各車場卸污作業(yè)方案

2.3 卸污設施作業(yè)能力分析

車站卸污首先要考慮運輸作業(yè)需要:卸污列車對數(shù)，卸污整備線，列車卸污作業(yè)時間，總停時等。由于車站具有股道數(shù)量多，列車停時短，卸污流量大，作業(yè)能力要求強等特點，真空卸污系統(tǒng)設計時主要考慮幾個因素:峰值卸污量，高峰時?？啃段鄣牧熊嚁?shù)量;停時要求;卸污時幾口同時作業(yè);卸污時進入管路空氣量;抽吸單元數(shù)量;真空管路的水頭損失;排污管路的水頭損失等。其中，卸污流量和抽真空能力是直接影響卸污設備選用的兩個關鍵參數(shù)［4］。

(1)卸污流量要求:按照8個600 L污物箱同時卸污計算，并滿足3～4 min之內(nèi)要求卸污完畢，卸污量4.8 m3，氣液比按5∶1計，總卸污流量為8.23 m3/min。(2)抽真空能力:按4條卸污管線及過軌長度約2 200 m，卸污干管公稱通徑160 mm計算，真空度由初始0 kPa至最大工況－70 kPa，規(guī)定在3～10 min完成。由于系統(tǒng)最小真空度要求不小于真空卸污管總壓力損失，同時考慮減少能耗，真空壓力始終在設定的－30～－70 kPa范圍內(nèi)，從下限至上限補壓時間小于2 min。(3)排污管路沿程損失綜合考慮:排污距離，管道長度，管徑，流速，排放高差等現(xiàn)場因素，設備排放壓力為140～220 kPa。表2為真空卸污設施主要技術參數(shù)。

表2 真空卸污設施主要技術參數(shù)

2.4 卸污設施方案設計

根據(jù)車站特點，既有車站改造增設固定式卸污設施，要根據(jù)不同條件配置不同數(shù)量的卸污線，提出組合式、分散式等不同型式的系統(tǒng)設備配置方案。

2.4.1 多個車場真空卸污系統(tǒng)方案

2.4.1.1 設一套機組方案與4條卸污作業(yè)線

在同一時間1列列車卸污整備，每線4～8口為一組同時卸污作業(yè)，每組平均3～3.5 min，每列車19輛/38箱可分為4.5組～9.5組，按每組順序作業(yè)，每列車設備作業(yè)時間在17.5 min～28 min。其他列車按?？繒r間和順序輪番作業(yè)，在規(guī)定時間完成。同時進行1場1線作業(yè)，作業(yè)時間短，人員安排靈活。

在同一時間?？績晒傻赖膬闪辛熊囃瑫r卸污整備，每線4口為一組同時卸污作業(yè)，共兩線8口同時作業(yè)，每組平均3.5 min，每列車19輛/38箱需分9.5組完成卸污作業(yè)，每列車設備作業(yè)時間不超過33 min。此方案特點是:可同時進行兩場兩線作業(yè)，但作業(yè)時間和操作較緊張。見圖1。

圖1 車站4條卸污作業(yè)線方案

2.4.1.2 設兩套機組方案與6條卸污作業(yè)線

在同一時間?？咳齻€車場3股道的3列列車同時卸污整備，每線6口為一組同時卸污作業(yè)，共3線18口同時作業(yè)，每組平均3.5～4 min，每列車19輛/38箱需分6組完成卸污作業(yè)，每列車設備作業(yè)時間不超過24 min。此方案特點是:可同時進行三場3線作業(yè)，作業(yè)能力大，卸污效率高，設備投入亦較大。見圖2。

圖2 車站6條卸污作業(yè)線方案

2.4.2 通過式車站真空卸污系統(tǒng)方案

通過式車站上下行設兩條卸污線，由于在同一時間上下行通過列車同時卸污作業(yè)情況少見，主要按1條線作業(yè)考慮。卸污單元設置定位按照車型編組、列車污物箱個數(shù)及位置、卸污單元有效作業(yè)半徑考慮，每線設26個卸污單元。系統(tǒng)能力:按照一列車卸污量22.8 m3，38口同時卸污考慮，每列車設備作業(yè)時間不超過8～10 min，因為停時短，要求設備能力大并且相對集中，或一一對應分散式作業(yè)［5］。

2.4.2.1 兩套機組作業(yè)布置方案

采用兩套機組分散作業(yè)布置方案:每套機組最大能力按同時10口作業(yè)，需要2×2組平行作業(yè)才能完成卸污。此方案特點是:滿足通過式車站列車卸污作業(yè)需要，并且通過真空管路的布置設計，可進行其他車場卸污作業(yè)。見圖3。

圖3 通過式車站2條卸污作業(yè)線方案

2.4.2.2 分散式獨立泵方案

采用分散式獨立泵方案一一對口作業(yè)，每口作業(yè)4.5 min，同時完成卸污作業(yè)。卸污單元與小型化機組一體化集成設備，每個卸污單元與列車排污口一一對口作業(yè)，600 L污物箱平均流量5 L/s，每口作業(yè)4.5 min，每列車19輛/38箱同步完成卸污作業(yè)。此方案特點是:能高效率完成通過式車站列車卸污作業(yè)需要，但設備體型較大，在股道間安裝有一定難度，同時設備投入費用較大。

3 真空卸污設備選型條件

3.1 真空機組設備

車站卸污要求真空卸污設備流量大，抽吸能力強，能耗低。其抽吸能力的確定主要依據(jù)以下六方面:(1)通過系統(tǒng)真空度從0 kPa到－70 kPa的耗時來確定真空機組的能力;(2)根據(jù)進氣量和污物量確定峰值流量;(3)根據(jù)幾口同時進行卸污作業(yè)及檢修停時確定泵的流量;(4)確定機組恢復真空時間;(5)污物排放距離及高差;(6)結(jié)合工程實際經(jīng)驗進行最終確定［6］。

真空機組采用成熟的在線凸輪泵既為系統(tǒng)提供運轉(zhuǎn)真空度，同時又兼具排污的功能。適用于其整備作業(yè)量大的要求，系統(tǒng)真空度范圍:－30 kPa～－70 kPa，并可調(diào)節(jié)設定;使系統(tǒng)真空度從設定下限恢復至上限時間:小于3 min。在線型凸輪泵真空機組可在凸輪泵的一端產(chǎn)生真空，在凸輪泵的另一端壓力排放污水。工作原理見圖4。

圖4 在線凸輪泵機組工作原理圖

增強型真空機組VX186－260QM型設備能力每臺泵流量280 m3/h，雙泵機組流量為560 m3/h(相當于9.33 m3/min)。雙泵機組電機功率60 kW。按照8個600 L污物箱同時卸污計算，卸污量4.8 m3，氣液比按5∶1計，卸污流量為8.23 m3/min。卸污能力可以滿足容積為600 L污物箱、8口同時卸污，作業(yè)時間不超過 3.5 min［7］。表3為真空機組卸污能力一覽表。

表3 真空機組卸污能力一覽表(VX186－184，VX186－260，真空罐比較)

增強型真空機組(VX186－260)設備尺寸為l×b×h:3 100 mm ×1 100 mm ×2 000 mm;可以地上、地下安裝，如果直接安裝在站臺端部占地約7 m2，適于改造車站條件。

3.2 卸污單元

卸污單元采用電動盤繞式，由真空軟管、快速接頭、電動裝置等組成，軟管可自動回縮，減少了作業(yè)時間及勞動強度，單元密閉性好，無滴漏，結(jié)構(gòu)簡單、模塊化生產(chǎn)組裝，便于維護。卸污單元作業(yè)半徑一般為10～11 m，在通過式車站，可采用較短半徑的卸污單元，這樣可減少卸污作業(yè)時間。

3.3 真空管路

真空管路采用HDPE管材，真空干管管徑為DN160～200，承壓不小于1 000 kPa，內(nèi)壁光滑，阻力小。管路設計真空度范圍－30 kPa～－70 kPa，管路末端穩(wěn)定時真空度不小于－30 kPa，真空管路沿污水流動方向有0.1%的下降坡度和相應的局部提升，當真空管路穿越障礙物或者提升時，需要合理設置關鍵節(jié)點。關鍵節(jié)點制作安裝在一定提升范圍內(nèi)，采用Y型管件連接，防止氣液分離和紊流產(chǎn)生。管道連接采取熱熔和電熔焊接，保證密閉無漏氣。

3.4 信息管理設備

由于車站卸污作業(yè)和客車運輸組織安排密切相關，有必要實時監(jiān)控真空卸污設備運行狀況及故障報警，及時應對反饋，需要配套信息管理設備。通過將設備信息上傳到車站中央集控管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)對真空卸污系統(tǒng)的在線監(jiān)測，運行狀態(tài)跟蹤，在設備出現(xiàn)故障時實時發(fā)送報警信息，提高設備管理水平。

4 試驗研究

針對鐵路客站和客整所的技術條件，并參照相關標準，設置模擬試驗線2條，一條為管徑DN160的真空管道，長度330 m，另一條為管徑DN225的真空管道，長度為240 m，兩條管道并聯(lián)連接，總?cè)莘e為13.36 m3。在每條卸污線上安裝600L模擬卸污箱，共計12個污物箱，13個可接入點。重點對增強型真空機組的抽吸性能、能耗進行了測試。

4.1 測試目的

(1)測試真空卸污系統(tǒng)的密封性能、卸污能力、真空度等指標是否滿足要求;(2)測試真空機組在系統(tǒng)工作壓力范圍內(nèi)，4口、8口、10口卸污作業(yè)所需時間。(3)進行能耗分析。通過測試不同卸污條件下機組設備的電壓、電流及機組運行時間，計算出機組能耗。(4)通過試驗驗證影響卸污時間的主要因素:系統(tǒng)真空度為－30 kPa～－70 kPa時，主要是卸污單元軟管長度和卸污口距機組距離對卸污時間的影響。

4.2 抽吸性能試驗

抽吸性能是真空卸污系統(tǒng)最主要的功能。試驗中測試了增強型真空機組在系統(tǒng)工作壓力范圍內(nèi)，進行4口、8口、10口同時卸污作業(yè)所需時間。平均卸污時間—卸污口數(shù)量對比試驗柱狀圖如圖5所示:

圖5 抽吸性能試驗柱狀圖

分析抽吸試驗數(shù)據(jù)可知:可分別滿足4口、8口、10口同時進行卸污作業(yè);4口同作業(yè)不超過3 min，8～10口同時作業(yè)不超過3.5 min。試驗顯示:在同一工況下，卸污軟管與卸污時間的影響。隨著軟管長度的加長，管道內(nèi)阻力增加，卸污流量減小，卸污時間將加長。卸污口距離主機距離越遠，水頭損失越大，卸污時間稍長［8］。試驗檢測結(jié)果見表4。

表4 試驗檢測結(jié)果

4.3 能耗試驗

系統(tǒng)能耗主要為電耗，其主要影響因素是:污水流量、氣水比、真空機組型式、真空卸污管路和閥門的密封性等。試驗中通過測試機組中設備的電壓、電流、運行時間，計算出機組所消耗的電能，計算公式為:W=∑UIT，能耗測試結(jié)果如表5所示。

表5 能耗測試結(jié)果

能耗試驗數(shù)據(jù)分析:4口作業(yè)能耗為0.32 kW·h/m3，8 口作業(yè)能耗為 0.31 kW·h/m3，10 口作業(yè)能耗為0.27 kW·h/m3。可以看出機組卸污能力增大后，機組能耗雖然增加，但是單位卸污能耗基本沒有變化［9］。說明機組配置合理，機組運行能力和系統(tǒng)卸污能力相匹配。

5 結(jié)論

(1)鐵路車站和客整所卸污作業(yè)具有股道數(shù)量多，列車停時短，卸污流量大，作業(yè)能力要求強等特點，固定式卸污設施中的卸污流量和抽真空能力是直接影響卸污設備選用的兩個關鍵參數(shù)。確定了600 L污物箱抽吸時間，4口同時作業(yè)小于3.5 min，8口同時作業(yè)小于4 min等技術條件，根據(jù)車場要求配置相應數(shù)量的卸污線，真空機組布置，進行了方案設計。

(2)提出了增強型真空機組設備的應用條件，并對其性能和能耗進行試驗測試，對于氣液固混合流抽吸流量為2×280 m3/h，分別驗證了4～10口作業(yè)時間能力。能耗水平為0.32 kW·h/m3。

［1］中國鐵路總公司．鐵運總［2013］93號關于車站固定吸污設施建設的指導意見［S］．

［2］TB/T 3036—2007，鐵路站場真空卸污技術條件［S］．

［3］TB 10079—2013，J1503—2013，鐵路污水處理工程設計規(guī)范［S］．

［4］邱慧，王妍．鐵路站場真空式地面卸污系統(tǒng)介紹［J］．鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2005，32(1):30－33．

［5］佟慶理．兩相流動理論基礎［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1988．

［6］施永生，徐向榮．流體力學［M］．北京:科學出版社，2005:178－184．

［7］王曉東，巴德純，張世偉，等．真空技術［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2006:132－137．

［8］邱慧，沈駿．鐵路真空卸污系統(tǒng)技術研究與工程應用．“十一五”鐵路環(huán)保成果及新技術應用研討會論文集．2012．

［9］周敬宣，鄭慧明．真空下水道排污系統(tǒng)的研究［M］．給水排水，1999，25(11):55 －58．