高海拔地區(qū)鐵路客站分散式真空卸污系統(tǒng)的應(yīng)用研究
——以格爾木車站為例

周文哲

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 格爾木車站卸污概況介紹

格爾木車站為青藏鐵路既有一級(jí)二場橫列式區(qū)段站，到發(fā)場有到發(fā)線12條(含正線)，有效長度880 m，其中客車到發(fā)線5條。車站高程為2 828.94 m，位于高原地區(qū)，氣壓約為0.07 MPa。既有格爾木站共有3個(gè)站臺(tái)，圖定客車接發(fā)10對(duì)/d，且每日早6時(shí)至9時(shí)、21時(shí)至凌晨3時(shí)兩個(gè)時(shí)間段密集到發(fā)，所有停靠在格爾木站的旅客列車均需進(jìn)行卸污作業(yè)。受低大氣壓影響，整個(gè)列車卸污系統(tǒng)最高真空度為70 kPa，經(jīng)試驗(yàn)證明很難滿足集中式真空卸污系統(tǒng)4口以上同時(shí)卸污的要求，因此設(shè)計(jì)采用移動(dòng)式吸污車對(duì)旅客列車進(jìn)行卸污作業(yè)。原中國鐵路總公司對(duì)格庫鐵路初設(shè)批復(fù)意見：“格爾木站新增客車固定卸污設(shè)施，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)海拔高度對(duì)真空度的影響，統(tǒng)籌考慮保溫、卸污時(shí)間、卸污設(shè)施布置的基礎(chǔ)上，研究確定吸污方式?！苯?jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較研究，設(shè)計(jì)采用分散式小型凸輪泵真空卸污系統(tǒng)。

2 目前格爾木車站卸污方式存在的問題

格爾木車站開通后采用移動(dòng)式真空卸污系統(tǒng)卸污，即當(dāng)列車?？亢?，采用移動(dòng)卸污車對(duì)每節(jié)列車污物箱進(jìn)行卸污。但是由于車站站臺(tái)高，所以需要卸污車對(duì)車輛污物箱逐一對(duì)應(yīng)進(jìn)行作業(yè)，且每次需將卸污車軟管拉伸到股道間與污物箱連接。卸污時(shí)操作復(fù)雜，作業(yè)時(shí)間長，一節(jié)車廂至少需要5～10 min卸污，那么18輛編組32個(gè)污物箱的客車即使4輛卸污車同時(shí)作業(yè)，完全卸污完畢也需要約1 h[1]。

目前格爾木車站車輛停留時(shí)間一般為15～20 min，所以采用移動(dòng)卸污車不能滿足車站停時(shí)作業(yè)要求。卸污車卸污完畢后，還需要將污水卸至化糞池，增加了工人作業(yè)強(qiáng)度。根據(jù)目前車站卸污系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)人員通過調(diào)研、反復(fù)討論，并依照原中國鐵路總公司對(duì)格庫鐵路初步設(shè)計(jì)的批復(fù)意見，決定對(duì)格爾木車站真空卸污系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，通過設(shè)置固定式真空卸污系統(tǒng)以節(jié)約作業(yè)時(shí)間[2]。

2.1 固定式真空卸污系統(tǒng)分類

目前固定式卸污系統(tǒng)主要有兩種形式，既集中真空卸污系統(tǒng)和分散真空卸污系統(tǒng)[3-4]。

(1)集中式真空卸污系統(tǒng)

集中式卸污系統(tǒng)又分為在線凸輪泵真空卸污系統(tǒng)和真空罐式真空卸污系統(tǒng)[5]。

在線凸輪泵式真空卸污系統(tǒng)：在線旋轉(zhuǎn)凸輪泵機(jī)組由旋轉(zhuǎn)凸輪泵、自動(dòng)控制設(shè)備、止回閥、機(jī)架等集成化裝配。利用在線凸輪泵在整個(gè)卸污管道中產(chǎn)生真空，當(dāng)污水吸入后，在線旋轉(zhuǎn)凸輪泵可實(shí)現(xiàn)抽吸面到壓力面連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，污物在壓差作用下被直接抽吸并排放。設(shè)備通過真空壓力傳感器指示自控裝置在真空度上限時(shí)停止、下限時(shí)啟動(dòng)[6-11]。

真空罐式真空卸污系統(tǒng)：真空罐式機(jī)組由真空泵、真空收集罐、液位控制器、報(bào)警信號(hào)、排污設(shè)備、止回閥、除臭裝置組成，利用真空泵在罐體及卸污管道形成真空，真空罐內(nèi)真空度由自動(dòng)程序控制，并保持在一定操作范圍內(nèi)。污水在壓差的作用下被抽吸至罐內(nèi)。真空罐中的液位通過液位傳感器監(jiān)控，并控制排污泵，當(dāng)罐內(nèi)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，排污泵啟動(dòng)將污水排放。整個(gè)工作過程按設(shè)定程序自動(dòng)控制進(jìn)行，保持循環(huán)作業(yè)[12-17]。

(2)分散式真空卸污系統(tǒng)

分散式真空卸污系統(tǒng)由小型機(jī)組、卸污單元、電控系統(tǒng)、管道系統(tǒng)組成。它利用小型機(jī)組和污物箱一對(duì)一的抽吸模式，受外界壓力影響很小。根據(jù)調(diào)研國外資料，目前國外有些車站采用了分散式真空卸污系統(tǒng)，主要以T型式單元下設(shè)置分散式小型真空機(jī)組。如圖1所示。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合格爾木車站特點(diǎn)，經(jīng)過不斷改進(jìn)，設(shè)置了地下式分散卸污系統(tǒng)，并在使用過程中逐步完善[18]。

圖1 分散式小型真空機(jī)組

(3)固定式真空卸污系統(tǒng)對(duì)比(表1)

表1 固定式真空卸污系統(tǒng)比較

集中式真空卸污系統(tǒng)在低海拔地區(qū)應(yīng)用較多，但在高海拔地區(qū)，大氣壓降低導(dǎo)致系統(tǒng)真空度下降，真空壓力小，泵組抽吸能力降低，如西寧站海拔2 260 m，整個(gè)系統(tǒng)真空度下降20 kPa左右。西寧站途徑列車設(shè)計(jì)卸污時(shí)間為20 min，而普通列車約34個(gè)污物箱，按4個(gè)污物箱同時(shí)卸污設(shè)計(jì)，每個(gè)污物箱3 min卸污完畢，目前運(yùn)營情況很難保證20 min內(nèi)完成對(duì)普通列車的卸污作業(yè)。因此西寧站在后期運(yùn)營中，為保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成卸污，在原有泵組基礎(chǔ)上又增設(shè)1臺(tái)凸輪泵，以增大真空抽吸能力。而采用獨(dú)立分散式真空卸污系統(tǒng)，可6～8口同時(shí)作業(yè)，很好地解決了高海拔地區(qū)真空度下降過多，抽吸力不足的問題。同時(shí)泵組緊促，取消了卸污單元之間管道連接，壓力損失降低，提高了卸污效率。

2.2 格爾木車站采用的分散式真空卸污系統(tǒng)

格爾木分散式真空卸污系統(tǒng)由小型機(jī)組、卸污單元、電控及加熱系統(tǒng)、管道系統(tǒng)組成。通過對(duì)應(yīng)每列車廂污物箱設(shè)置一對(duì)一的小型真空機(jī)組，實(shí)現(xiàn)卸污作業(yè)中可以8個(gè)污物箱同時(shí)卸污，同時(shí)每列車污物箱可以在3 min內(nèi)完成卸污。

在格爾木車站股道和股道之間設(shè)置2排真空管道。在管道設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)站臺(tái)中部管道需要提升，所以管道鋪設(shè)方式采用從中間向兩側(cè)鋪設(shè)，這樣可避免因管道埋深淺而需要增加電伴熱等保溫措施，同時(shí)流體水力損失小，在車站兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)化糞池。如圖2所示。

圖2 格爾木分散式小型機(jī)組設(shè)計(jì)(單位：mm)

3 分散式真空卸污系統(tǒng)

分散式真空卸污系統(tǒng)主要由小型真空機(jī)組、卸污單元、控制及加熱系統(tǒng)、機(jī)組及管道連接系統(tǒng)4個(gè)部分組成。如圖3所示。

圖3 格爾木車站分散式真空機(jī)組

3.1 小型機(jī)組

由1臺(tái) 凸輪泵、電機(jī)、控制系統(tǒng)、附屬部件等集成裝配，維持真空度、排污功能。

采用小型真空凸輪泵真空機(jī)組，產(chǎn)品型號(hào)TK-ZKWD，采用凸輪泵規(guī)格為VX136-105，額定流量40 m3/h，轉(zhuǎn)速600 r/min，抽吸面最大真空度55 kPa；產(chǎn)生的最大排污壓力140 kPa[19]。

電機(jī)與泵裝配采用皮帶傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)；機(jī)組管道熱鍍鋅鋼管DN65；系統(tǒng)真空度從設(shè)定下限恢復(fù)至上限時(shí)間小于3 min；電壓為380 V，50 Hz；三相五線。電機(jī)功率5 kW，機(jī)組加熱功率0.5 kW。

當(dāng)卸污開始時(shí)，對(duì)應(yīng)每節(jié)車廂1套小型機(jī)組，可以8套小型機(jī)組同時(shí)作業(yè)，放的壓力滿足系統(tǒng)要求[20]。

3.2 卸污單元

卸污單元由盤繞盤、支架、軸承、支座、真空軟管、快速接頭、球閥、旋轉(zhuǎn)密封裝置、控制裝置等組成。與小型機(jī)組集成一體化裝配，快速抽吸集便器污物到真空管路。單元功率1.1 kW，采用整體集成裝配，根據(jù)需要配備加熱功能。4～6組為一個(gè)供電單元，避免斷電時(shí)全部停止工作，影響列車吸污。

卸污單元與小型機(jī)組安裝在一個(gè)檢查井內(nèi)，布置的間隔密度應(yīng)滿足列車全程覆蓋要求，卸污單元軟管長12.5～15 m。公稱直徑為DN50；卸污單元卸污接頭和管徑與列車集便器污物箱排污口相匹配；采用φ63.5 mm標(biāo)準(zhǔn)陰端快速接頭；卸污單元的布置采用半地下等安裝形式。

3.3 控制及加熱系統(tǒng)

由控制箱及加熱系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)。在卸污過程中，電機(jī)自動(dòng)到啟動(dòng)位置，卸污作業(yè)開始，根據(jù)試驗(yàn)，確定每個(gè)污物箱作業(yè)4 min，包括進(jìn)氣時(shí)間，到4 min后電機(jī)自動(dòng)停止，也可以采取手動(dòng)停止方式。

當(dāng)室外溫度低于4 ℃，機(jī)組檢查井內(nèi)溫度低于0 ℃時(shí)，機(jī)組加熱系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)。達(dá)到15 ℃左右自動(dòng)停止加熱。

3.4 管道連接系統(tǒng)

機(jī)組與卸污單元采用軟管連接方式。機(jī)組與主干管通過止回閥后進(jìn)行連接，防止當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，主干管內(nèi)污水倒流進(jìn)入機(jī)組。

主干管采用PE100，承壓1.0 MPa，SDR11外徑為DN160高密度聚乙烯管材，主干管從股道中間分別坡向股道兩側(cè)直至化糞池。

3.5 卸污能力評(píng)價(jià)

分散式卸污機(jī)組，每臺(tái)泵的流量40 m3/h，抽吸面最大真空度55 kPa，產(chǎn)生的最大排污壓力140 kPa。

普通列車的污物箱容積為450～650 L，有效容積為400 L。按照8個(gè)400 L污物箱同時(shí)卸污計(jì)算，單個(gè)機(jī)組卸污量為0.4 m3，氣水比為1∶1，則單個(gè)機(jī)組的卸污量為0.8 m3，要滿足3 min內(nèi)卸污完畢，則單臺(tái)機(jī)組所需的最小卸污量為16 m3/h，設(shè)備單臺(tái)泵能力為40 m3/h，可以看出機(jī)組能力滿足要求。

根據(jù)Q/CR52—2017《鐵路站段真空卸污系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，列車每口卸污時(shí)間不得大于3.5 min，整車卸污時(shí)間不得超過30 min，或不得超過列車停站時(shí)間[5]。格爾木站采用的分散式真空卸污系統(tǒng)可8個(gè)污物箱同時(shí)進(jìn)行卸污作業(yè)，在3 min內(nèi)完成卸污作業(yè)，5～10 min內(nèi)可以完成整個(gè)列車卸污作業(yè)，能力滿足以上要求。

4 結(jié)論

高海拔地區(qū)大氣壓低，集中式真空卸污系統(tǒng)的卸污能力受大氣壓影響嚴(yán)重，泵組抽吸能力下降，且可同時(shí)卸污作業(yè)口少，卸污效率低。而移動(dòng)式卸污車卸污時(shí)操作復(fù)雜，作業(yè)時(shí)間長，兩者均不能滿足高海拔地區(qū)卸污作業(yè)要求。因此以格爾木車站為例，通過對(duì)其目前卸污現(xiàn)狀進(jìn)行分析，調(diào)研國內(nèi)外不同形式真空卸污系統(tǒng)，開發(fā)研制了適用于高原車站的分散式真空卸污系統(tǒng)。

分散式真空卸污系統(tǒng)通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)作業(yè)，可以滿足8個(gè)污物箱同時(shí)進(jìn)行卸污，在3 min內(nèi)完成卸污作業(yè)，5～10 min內(nèi)可以完成整個(gè)列車卸污作業(yè)。該系統(tǒng)泵組緊促，取消了卸污單元之間管道連接，壓力損失降低，同時(shí)在分散式真空卸污系統(tǒng)使用過程中發(fā)現(xiàn)，采用該系統(tǒng)整個(gè)自動(dòng)化程度高，能適應(yīng)高海拔地區(qū)，節(jié)省占地，具有操作簡單、穩(wěn)定可靠、環(huán)保衛(wèi)生、節(jié)時(shí)提效的特點(diǎn)，可以提高卸污作業(yè)工作效率，提升了鐵路現(xiàn)代化水平，也減少了對(duì)環(huán)境和人的污染，符合環(huán)保發(fā)展要求。

綜上所述，獨(dú)立分散式真空卸污系統(tǒng)適用于高海拔地區(qū)，其開發(fā)應(yīng)用也為以后高原地區(qū)車站，尤其是下一步川藏鐵路旅客列車卸污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù)。