推拉式真空集便器在船舶上的應(yīng)用

嚴(yán)巾堪,趙斌,李鵬，呂鶴婷，劉新宇

(1.山東中車華騰環(huán)?？萍加邢薰?，濟(jì)南 250022；2.中國中車污水處理與真空排水技術(shù)研發(fā)中心，濟(jì)南 250022)

真空集便系統(tǒng)是利用負(fù)壓管道中的負(fù)壓梯度將用戶處排放的污水逐步輸送、收集至真空中心集中處理及排放的污水收集系統(tǒng)[1]。真空集便技術(shù)由于其用水量小，系統(tǒng)管徑小等優(yōu)點(diǎn)，日益受到船東的歡迎[2]，近年越來越多的船舶開始配套真空集便系統(tǒng)。與傳統(tǒng)重力排污系統(tǒng)相比，真空集便系統(tǒng)還具有管網(wǎng)安裝方便、不易堵塞、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)[3]，但在小型船舶加裝或改造真空集便系統(tǒng)時(shí)，對空間占用、成本控制提出了更高的需求。為此，探討占地面積小、性價(jià)比高的新型真空便器在船舶上的應(yīng)用。

1 常規(guī)真空集便系統(tǒng)

常規(guī)真空集便系統(tǒng)主要由真空便器、真空管路、中間收集器、真空泵站組成，依靠真空便器、中間收集器內(nèi)部安裝的真空排污閥(真空界面閥)保持系統(tǒng)處于一個(gè)密閉的環(huán)境。通常真空泵站放置在機(jī)艙內(nèi)，用以產(chǎn)生系統(tǒng)所必須的真空能量，設(shè)備啟停值一般設(shè)置在-30～-60 kPa之間。真空便器與中間收集器連接于真空管路的末端，用于收集污水。污水在系統(tǒng)內(nèi)外壓力差下進(jìn)入真空管路，通過真空泵站，最后排入到船舶污水處理裝置或污水艙。

常規(guī)真空集便系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 常規(guī)真空集便系統(tǒng)工作原理

真空便器、中間收集器通常安裝于衛(wèi)生間內(nèi)部，可以固定于真空泵站上部甲板，也可以與真空泵站同層安裝。常見的真空泵站有噴射機(jī)組式真空泵站、真空泵式真空泵站、轉(zhuǎn)子泵機(jī)組式真空泵站[4]、真空排污攪碎泵式真空泵站4種類型。4種類型真空泵站結(jié)構(gòu)和工作原理各有不同，但都起到了產(chǎn)生系統(tǒng)需要的真空能量同時(shí)將污水排出的作用，同時(shí)也都會(huì)占用到機(jī)艙的部分空間并增加了船舶的負(fù)荷。 這部分負(fù)荷對于中大型船舶影響不大，但對于小型船舶卻至關(guān)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個(gè)動(dòng)作完成便器排污，目前已在高鐵動(dòng)車上得到了批量成功應(yīng)用。推拉式真空集便器省去了真空泵站，僅由便器部分組成，具有占地面積小、省水、防臭、集成度高等特點(diǎn)，工作原理見圖2。

圖2 推拉式真空集便器工作原理

推拉式真空集便器在按下沖洗按鈕后，首先水增壓器對便盆進(jìn)行高壓水沖洗，然后便器內(nèi)污水被真空吸入到中間箱內(nèi)。當(dāng)中間箱內(nèi)污水到達(dá)設(shè)定液位后，污水被正壓氣流排出中間箱，進(jìn)入到排污管路，然后污水在重力的作用下，進(jìn)入到污水艙或污水處理裝置中。

在待機(jī)情況下，進(jìn)水管路自動(dòng)對水增壓器補(bǔ)水，同時(shí)真空發(fā)生器工作，中間箱保持真空狀態(tài)。

3 運(yùn)用可行性分析

3.1 產(chǎn)品對比

兩種集便系統(tǒng)對比見表1。

表1 推拉式真空集便器與常規(guī)真空集便系統(tǒng)對比

由表1可知，推拉式真空集便器比常規(guī)真空集便系統(tǒng)每次沖便用水少約0.75 L，可更節(jié)約水資源，也相應(yīng)減少了污水排放，降低了后續(xù)污水續(xù)處理負(fù)荷。

推拉式真空集便器相比常規(guī)真空集便器多了一種能耗，需要用到船上的壓縮空氣，每次沖洗便器耗氣量僅相當(dāng)于常壓下的24 L。參照船上壓縮空氣壓力值，單次沖洗便器約消耗1.2 L(按2 MPa計(jì)算)，對船舶的影響可以忽略不計(jì)。

相比常規(guī)真空集系統(tǒng)，推拉式集真空便器減少了真空泵站的用電，僅電磁閥用電，用電量更低。

在價(jià)格方面，常規(guī)真空集便系統(tǒng)隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，均價(jià)越低；推拉式真空集便器均價(jià)基本不隨數(shù)量變化,對比見圖3。

圖3 價(jià)格對比

在空間占用及重量負(fù)荷方面，推拉式便器省去了真空泵站，具有更大的優(yōu)勢。

從管路系統(tǒng)考慮，常規(guī)真空集便系統(tǒng)管徑小，可收集整個(gè)船舶的生活污水，橫向距離可以傳遞數(shù)百米。推拉式集便器依靠壓力排放入重力常壓系統(tǒng)中，同時(shí)基于較少的排污量，一般設(shè)置橫向距離立管不超過4 m。

3.2 可行性分析

由表1可知，推拉式便器在耗水量、耗電量、占用空間，以及對船負(fù)載的影響等方面具有顯著優(yōu)勢，相較而言更加節(jié)能。

從成本方面考慮，推拉式真空集便器單套價(jià)格較高，但在船舶上便器數(shù)量較少時(shí)，推拉式真空集便器更具有優(yōu)勢。

從管路施工方面考慮，推拉式真空集便器的加裝無需對原重力管路進(jìn)行改造，但基于重力排污管道污水流速的局限性，安裝位置距離排污立管不宜過大。

從使用方便考慮，推拉式真空集便器需要用到船上的壓縮空氣。為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，可增設(shè)空氣瓶，以起到穩(wěn)壓作用。

從維護(hù)方面考慮，推拉式真空集便器各個(gè)部件模塊化制作，更換維護(hù)簡單，可操作性強(qiáng)。

3.3 案例分析

以某船增設(shè)便器為例，考慮到安裝空間的限制及節(jié)水的效果，該船選用推拉式真空座便器。設(shè)備主要組成見圖4。

圖4 坐式推拉式真空集便器組成

1)沖洗按鈕。沖洗按鈕采用手動(dòng)按壓式按鈕，操作簡單可靠。

2)便盆。便盆需采用真空專用便盆，不銹鋼沖壓制成，排污口內(nèi)徑40 mm，便盆內(nèi)表面采用特殊涂層處理以達(dá)到更好的沖洗效果。

3)中間箱。中間箱采用不銹鋼焊接制成，容積約4.5 L，主要用于暫存污水，工作壓力為-40～40 kPa,一般保持負(fù)壓狀態(tài)。設(shè)置有液位，當(dāng)污水到達(dá)液位時(shí)，箱體內(nèi)轉(zhuǎn)換為正壓狀態(tài)。

4)水增壓器。水增壓器用于存放沖洗水并對沖洗水進(jìn)行加壓，能承受較大的壓力，采用焊接制成，容積0.8 L。

5)真空發(fā)生器。真空發(fā)生器用于產(chǎn)生系統(tǒng)必要的真空能量，該真空集便系統(tǒng)的真空發(fā)生器采用大氣噴射器型式，普遍具有結(jié)構(gòu)簡單、無活動(dòng)部件、壽命長、成本低廉而可靠性高的特點(diǎn)。圖5為真空大氣噴射器構(gòu)成示意，壓縮空氣進(jìn)入真空大氣噴射器，從噴嘴中噴射出高速氣流，由于氣體的粘性，高速氣流卷吸走中間箱內(nèi)的氣體，進(jìn)而在中間箱內(nèi)形成真空。

圖5 真空大氣噴射器構(gòu)成示意

6)排污閥。推拉式真空集便器中設(shè)置有兩處排污閥，采用一種氣缸帶動(dòng)的滑板閥。一處位于便盆出水口處，一處位于中間箱出口處，均是用于隔斷真空與大氣壓，起到密閉系統(tǒng)的作用，壽命滿足使用次數(shù)不低于30萬次。

7)控制模塊?？刂颇K采用單片機(jī)集成控制，設(shè)備在接收到按鈕信號后自動(dòng)運(yùn)行。

8)設(shè)備安裝。推拉式真空集便器安裝于衛(wèi)生單元，直接與重力排污管道相接。另有水源接口、氣源接口、電源接口。設(shè)備水源采用淡水或海水淡化水，水壓不低于0.02 MPa。設(shè)備氣源采用船上空壓機(jī)供應(yīng)，壓力大小為0.6～1.0 MPa。設(shè)備電源采用DC24V供電，功率不超過50 W。

4 結(jié)論

基于衛(wèi)生、節(jié)水及環(huán)保的需求，采用真空集便是船舶污水收集的發(fā)展趨勢。與常規(guī)真空集便系統(tǒng)相比，推拉式真空集便器更加節(jié)水、節(jié)能，占用空間及對船舶負(fù)荷的增加也更小。在小型船舶安裝及舊船改造時(shí)具有顯著優(yōu)勢，尤其適合對重量和空間要求較高的船舶。