真空卸污系統(tǒng)管道設(shè)計參數(shù)試驗研究

王大鵬，邱 慧

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

真空卸污系統(tǒng)管道設(shè)計參數(shù)試驗研究

王大鵬1，邱 慧2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

結(jié)合真空卸污系統(tǒng)管道設(shè)計參數(shù)試驗研究，介紹真空卸污系統(tǒng)中管道設(shè)計的主要參數(shù)，敘述主要參數(shù)在設(shè)計過程中的計算與選取的方法。通過真空卸污系統(tǒng)的仿真試驗，將沿程水頭損失隨機選取計算，并分析計算結(jié)果；根據(jù)澳標(biāo)選取氣液比，并通過計算驗證氣液比的可靠性；選取不同數(shù)量的卸污點與不同卸污單元軟管長度進(jìn)行卸污試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

管道設(shè)計；沿程水頭損失；氣液比；卸污時間

真空卸污系統(tǒng)在我國鐵路系統(tǒng)各個站所的運用已經(jīng)十分普遍，在應(yīng)用過程中真空管道的設(shè)計是真空卸污系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，管道設(shè)計中關(guān)于參數(shù)的設(shè)計對系統(tǒng)的正常運行有著十分重要的作用。

1 管道設(shè)計中的主要設(shè)計參數(shù)

在真空卸污系統(tǒng)的管道設(shè)計過程中，主要的設(shè)計參數(shù)包括壓力損失、氣液比、管道縱剖面設(shè)計、管道提升設(shè)計、卸污軟管長度等。

1.1 壓力損失

壓力損失在流體運動過程中包括沿程水頭損失和靜損失。沿程水頭損失指的是流體在管道中自身的黏性在流動時對周圍管壁產(chǎn)生的阻力所造成損失；靜損失指的是在管道中流體在運動過程中由于管道提升所產(chǎn)生的損失。每條卸污主管的總壓力損失應(yīng)不高于2.5 m水柱。

(1)沿程水頭損失

系統(tǒng)設(shè)計時，從真空站到管道末端的沿程水頭損失應(yīng)小于有效真空壓差。

真空卸污管路沿程水頭損失計算采用公式

式中hf(i)——第i段有效計算管道沿程水頭損失，m；

li——第i段有效計算管道的長度，m；

di——第i段有效計算管道的管內(nèi)徑，m；

q(i)——通過第i段管道的流量，L/s。

(2)靜損失

系統(tǒng)設(shè)計時，靜損失始終應(yīng)低于有效真空壓差。

靜損失的計算公式如下

式中hst——靜損失，m；

α——注入液體后經(jīng)驗調(diào)整系數(shù)，無量綱[-]；

h——提升高度，m；

d——管內(nèi)徑，m；

n——提升段數(shù)，無量綱[-]。

1.2 氣液比

真空卸污管道內(nèi)是氣、液、固三相流，由于復(fù)雜的紊流動態(tài)過程和氣體狀態(tài)的多樣化，采用精準(zhǔn)計算方法計算水液比是不可能的，故結(jié)合工程試驗數(shù)據(jù)，采用近似值，估算真空管路中的氣液比數(shù)值。

在真空卸污主管中，液體流量為同時最大卸污量。真空排水系統(tǒng)內(nèi)的平均氣液比(AWR)估算經(jīng)驗值為(3～15)∶1。氣液比隨管道長度需要克服的損耗而加大。一般主管末端的氣液比大于真空泵站附近真空主管的氣液比。主管長度500 m時，AWR為(3.5～7.0)∶1。

真空系統(tǒng)的平均氣液比應(yīng)該依照最長的真空主管道的長度來設(shè)計，應(yīng)參考澳大利亞真空排污標(biāo)準(zhǔn)WAS 07-2003的規(guī)定，如表1所示，該標(biāo)準(zhǔn)主要用于真空泵站的設(shè)計。

表1 設(shè)計氣液比

1.3 管道縱剖面設(shè)計

真空管道在設(shè)計時，坡度應(yīng)至少大于2‰坡度，當(dāng)?shù)孛嫫露取?‰時，管道可與地面平行設(shè)置；真空管道敷設(shè)要求：管道敷設(shè)形式一般有鋸齒形、袋形兩種，如圖1、圖2所示。真空管道多采用鋸齒形敷設(shè)方式，兩個相鄰鋸齒形提升彎之間的管道坡度不應(yīng)小于2‰。袋形適用于管道連續(xù)爬坡情況，與鋸齒形敷設(shè)方式相似但有區(qū)別，在45°上升段前設(shè)“U”形彎。每隔一定距離設(shè)提升彎和檢查管，提升彎之間水平距離不應(yīng)小于6 m，且不應(yīng)大于100 m；真空管道公稱直徑不宜小于100 mm；管道在支管接入主管處或直線管道長度大于400 m處設(shè)檢修閥。

圖1 鋸齒形管道鋪設(shè)

圖2 袋形管道鋪設(shè)

1.4 管道提升設(shè)計

真空排水系統(tǒng)受大氣壓限制，沿程損耗、位能變化等原因，累積高度不能大于5 m水柱。海拔高度的增加會降低真空泵的能效率。即海拔越高，爬坡度越小。

對于鐵路真空卸污系統(tǒng)，由于氣液比、流量、流速、真空設(shè)備發(fā)生能力等因素，最大累積提升高度不應(yīng)大于2.5 m水柱。

上坡地面的真空管道設(shè)計應(yīng)包含不超過5個提升，提升間應(yīng)有6 m的橫向間隔，以及75 mm豎直落差。

2 仿真試驗設(shè)計方案

仿真試驗線由真空機組(VX186-260)、真空管路、污物箱組成，其中污物箱12個，每個污物箱500 L，閘閥3個，試驗線上共設(shè)有19個可接入點，隨機選取卸污點。

真空管路采用回型設(shè)計，設(shè)有DN160管路7條(其中3條地下敷設(shè)，4條支架上敷設(shè)，長約640 m)和DN225管路2條(2條地下敷設(shè)，長約226 m)。通過對閘閥進(jìn)行控制，可形成兩種真空管路組合，分別是DN160管路、DN225+DN160的管路。如圖3所示，當(dāng)關(guān)閉1號、2號閘閥打開3號閘閥時，為DN160管路；當(dāng)關(guān)閉3號閘閥打開1號、2號閘閥時，為DN225+DN160管路。

圖3 仿真試驗管路布置

2.1 試驗?zāi)康?/p>

(1)通過人工系統(tǒng)記錄驗證計算試驗管路系統(tǒng)的壓力損失；

(2)分析氣液比的適宜性；

(3)在相同機組的情況下，不同管路不同卸污點個數(shù)對卸污能力影響的性能分析；

(4)在相同機組的情況下，相同管路相同卸污點個數(shù)不同卸污單元軟管長度對卸污能力影響的性能分析。

2.2 壓力損失計算

啟用DN160管路設(shè)計卸污，隨機選取4個卸污點，記錄卸污時間與機組距離，如表2所示。

表2 卸污點參數(shù)

將管道按照卸污點分為4條管段，每條管段的長度分別為76、141、407、16 m。管道內(nèi)徑為141 mm，4條管段的流量分別為14.38、10.47、6.4、2.07 L/s，則根據(jù)沿程損失公式計算，可計算出4條管段的沿程水頭損失分別為0.134 4、0.138 5、0.161 0、0.010 7 m水柱。則DN160管道此時沿程水頭損失為0.444 6 m水柱。滿足卸污主管的總壓力損失不高于2.5 m水柱。

啟用DN160+DN225管路設(shè)計卸污，隨機選取4個卸污點，記錄卸污時間與機組距離，如表3所示。

表3 卸污點參數(shù)

將管道按照卸污點分為4條管段，每條管段的長度分別為25、163、327、284 m。其中第一、第二條管段為管徑198 mm，第三條管段含有管徑198 mm的管長為38 m、管徑141 mm的管長為289 m，第四條管段管徑為141 mm。4條管段的流量分別為12.18、8.68、5.65、2.13 L/s，則根據(jù)沿程水頭損失公式計算，可計算出4條管段的沿程水頭損失分別為0.021 0、0.021 8、0.099 2、0.054 4 m水柱。則DN160+DN225管道此時沿程水頭損失為0.196 4 m水柱，滿足卸污主管的總壓力損失不高于2.5 m水柱。

兩種管道設(shè)計方式中，管道起端與末端位置一致，則靜損失兩種管道相同；但DN160+DN225管道設(shè)計方式中管道長度大于DN160管道設(shè)計方式，但其沿程水頭損失小于DN160管道設(shè)計方式，由此可以得出以下結(jié)論：在同等長度、同等卸污流量的情況下，管道直徑越大，沿程水頭損失越小。

2.3 氣液比的估算

在4個卸污點同時卸污時，其最長卸污時間不超過3 min。以3 min為例，每個卸污點卸污總量為500 L，則每個卸污點的卸污流量為2.78 L/s，也就是約為10 m3/h。而在機組管道末端中流量應(yīng)為4個卸污點的總和，即40 m3/h。機組中單泵的抽吸能力為280 m3/h，則氣液比經(jīng)計算可得為6∶1。符合澳大利亞真空卸污設(shè)計氣液比標(biāo)準(zhǔn)。

仿真試驗采用客車集便器污水、其他條件也基本符合現(xiàn)場條件進(jìn)行試驗。實際運行情況良好，故可說明，我國鐵路客車糞便污水設(shè)計采用澳大利亞真空排污標(biāo)準(zhǔn)中氣液比是可靠的。

2.4 卸污時間

在DN160、DN225+DN160的情況下，分別隨機抽選4、8、12個卸污點進(jìn)行測試作業(yè)，記錄卸污時間，其平均時間如圖4所示。

圖4 在線凸輪泵機組在不同管徑、長度下的卸污時間對比

在DN160管路情況下，隨著卸污點的增加，卸污時間呈非線性增加。4個卸污點的平均卸污時間為2 min18 s，8個卸污點的平均卸污時間為2 min38 s，12個卸污點的平均卸污時間為3 min00 s。在DN225+DN160管路情況下，隨著卸污點的增加，卸污時間呈非線性增加。4個卸污點的平均卸污時間為2 min41 s，8個卸污點的平均卸污時間為2 min55 s，12個卸污點的平均卸污時間為3 min45 s。分析隨著卸污點的增加，卸污時間呈非線性增加的主要原因是因為機組在4個卸污點同時卸污時，機組中的2臺泵平均啟動時間為1 min30 s；在8個卸污點同時卸污時，機組中的2臺泵平均啟動時間為2 min05 s；在12個卸污點同時卸污時，機組中的2臺泵平均啟動時間為2 min35 s；2臺泵啟動時間的增長，卸污能量增加，使得卸污時間呈非線性增長。

2.5 卸污軟管長度

卸污時間與卸污單元軟管長度有關(guān)，測試中分別選取不同軟管長度進(jìn)行測試，共選7根不同長度但其他條件均相同的卸污單元軟管，分別為2.5～16.5 m，如表4所示。

表4 不同軟管長度的卸污時間

2.6 測試結(jié)果分析

(1)根據(jù)沿程水頭損失的計算結(jié)果分析，在相同的管道長度、卸污流量以及敷設(shè)方式的情況下，管徑越大，沿程水頭損失越小；

(2)根據(jù)氣液比的計算結(jié)果分析，我國鐵路客車糞便污水設(shè)計采用澳大利亞真空排污標(biāo)準(zhǔn)中氣液比的規(guī)定是適宜的；

(3)在同一個卸污系統(tǒng)中，相同數(shù)量的卸污點，與機組的距離越大，卸污時間越長；卸污點的卸污數(shù)量越多，卸污時間越長；

(4)卸污單元軟管在材質(zhì)與管徑相同的情況下，軟管越長，則卸污時間越長。

3 結(jié)論

在真空卸污系統(tǒng)的管道設(shè)計過程中，主要設(shè)計參數(shù)包括壓力損失、氣液比、管道縱剖面設(shè)計、管道提升設(shè)計、卸污軟管長度等。在管道設(shè)計過程中，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)墓軓剑M量避免管道的提升，并在設(shè)計過程中將管道敷設(shè)坡向機組且坡度不應(yīng)小于2‰；每條卸污主管的總壓力損失應(yīng)不高于2.5 m水柱，最大累積提升高度不應(yīng)大于2.5 m水柱。通過分析仿真試驗，在其他條件相同的情況下，管徑越大，沿程水頭損失越??；在同一個卸污系統(tǒng)中，相同數(shù)量的卸污點，與機組的距離越大，卸污時間越長；卸污點的卸污數(shù)量越多，卸污時間越長；在卸污單元設(shè)計過程中，卸污單元軟管應(yīng)盡量避免加長，以避免卸污時間加長，影響卸污效率，且在卸污時，保證軟管盡量不彎曲，減少沿程水頭損失。

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Experimental Study on Piping Design Parameters of Vacuum Sewage Disposal System

WANG Da-peng1， QIU Hui2

(1.China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China； 2.Energy Saving & Environmental Protection &Occupational Safety and Health Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

This paper introduces the main parameters in the vacuum sewage disposal system piping design， and addresses the calculation and selection of some main parameters in the course of design. Through simulation and test of vacuum sewage disposal system， frictional head loss is randomly selected to calculate and analyze the results. AWR is selected according to Vacuum Sewerage Code of Australia and validated by calculating the reliability of the AWR. Sewage disposal is tested at different sewage disposal points selected and with different lengths of unit sewage hose. The test results are analyzed．

Pipeline design; Frictional head loss; AWR; Sewage disposal time

2015-02-16；

2015-03-17

中國鐵道科學(xué)研究院行業(yè)創(chuàng)新項目(2013YJ065)

王大鵬(1989—)，男，碩士研究生，E-mail：liluoxingchen6@163.com。

1004-2954(2015)10-0168-04

X703

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.037