基于凸輪泵技術(shù)的地鐵污水提升系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化

李 曉

機(jī)電工程

基于凸輪泵技術(shù)的地鐵污水提升系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化

李 曉

（北京市地鐵運(yùn)營有限公司，北京 100044）

通過對(duì)地鐵車站傳統(tǒng)污水池+污水泵技術(shù)、常規(guī)密閉水箱污水提升技術(shù)、真空污水提升技術(shù)的應(yīng)用情況，結(jié)合運(yùn)營需求，對(duì)基于凸輪泵污水提升技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)研究分析。從解決痛點(diǎn)(如衛(wèi)生條件差、清掏費(fèi)用高)問題出發(fā)，以低維護(hù)和高可靠性(如高吸程、清底、雙液位傳感器控制和智能化)為目標(biāo)，提出采用基于凸輪泵技術(shù)的地鐵污水提升技術(shù)，從而解決污水池清底難題，改善運(yùn)維條件，降低運(yùn)維的難題和強(qiáng)度，結(jié)果顯示整體運(yùn)行效果良好，同時(shí)也給出今后進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用建議。

地鐵車站；污水提升；凸輪泵；密閉水箱污水提升；優(yōu)化研究

“廁所革命”是國家高度重視基礎(chǔ)性民生工作的充分體現(xiàn)，這也說明廁所問題不是小事情，是基本民生問題，為廁所服務(wù)的地鐵污水提升系統(tǒng)是為乘客和工作人員提供可靠服務(wù)的重要民生機(jī)電系統(tǒng)。

地鐵車站一般在站廳及站臺(tái)設(shè)有衛(wèi)生間，站臺(tái)公共衛(wèi)生間附近設(shè)污水泵房。污水提升系統(tǒng)是車站污水系統(tǒng)的傳輸動(dòng)力源，其作用是將地鐵衛(wèi)生間污水、盥洗污水等集中收集經(jīng)提升后排至室外，再經(jīng)化糞池處理后進(jìn)入室外市政污水管網(wǎng)。

1 傳統(tǒng)地鐵污水提升系統(tǒng)

以北京地鐵為例，目前從早期的1、2號(hào)線到2008年奧運(yùn)前通車的線路，地鐵車站污水提升系統(tǒng)，主要采用污水池(鋼筋混凝土)+污水泵(臥式污水泵為主，潛水泵有少量應(yīng)用)的方式，如圖1所示，水泵一般為兩臺(tái)，一用一備，每臺(tái)泵的排水能力不小于最大小時(shí)污水量。污水池的有效容積按不小于單臺(tái)水泵5 min出水量計(jì)算，同時(shí)考慮到實(shí)際客流量可能高于預(yù)測(cè)客流，并為遠(yuǎn)期發(fā)展留有余地，有效容積從幾立方米到十幾立方米。該方式具有技術(shù)成熟、運(yùn)維管理經(jīng)驗(yàn)豐富等特點(diǎn)，但該系統(tǒng)存在的主要問題為：污水池氣味影響車站的空氣質(zhì)量、乘客使用衛(wèi)生間的舒適性差、因剩余污水及漂浮物不能及時(shí)排除導(dǎo)致清掏費(fèi)用高、可能產(chǎn)生的沼氣導(dǎo)致安全隱患等，這些應(yīng)用體驗(yàn)也為運(yùn)營管理帶來諸多困難。

圖1 北京傳統(tǒng)污水池+臥式污水泵系統(tǒng)示意

Figure 1 Traditional sewage tank + horizontal sewage pump lifting system in Beijing

2 新型污水提升系統(tǒng)應(yīng)用與選配

2.1 新型污水提升系統(tǒng)簡介

針對(duì)傳統(tǒng)污水提升系統(tǒng)諸多負(fù)面問題的日益突出，近年來一些新型污水提升技術(shù)逐步在地鐵工程中得到實(shí)踐與應(yīng)用。相較傳統(tǒng)污水提升系統(tǒng)來說，使用效果取得了一定改善和提升，但也不可避免地產(chǎn)生其他問題。目前，主要有密閉式污水提升裝置和真空污水提升系統(tǒng)，在新線建設(shè)和運(yùn)營改造項(xiàng)目得到了較多的應(yīng)用。

2.2 密閉式污水提升裝置

密閉式污水提升裝置是整合了密閉式污水箱、水泵(普通污水泵或凸輪泵)和控制系統(tǒng)的一體化裝置。

車站污水經(jīng)重力排水管進(jìn)入密閉污水箱中，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定高度時(shí)再由污水泵將集中收集的污水提升排出車站，進(jìn)入市政污水管網(wǎng)。

該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1) 無需設(shè)置土建污水池，設(shè)備緊湊，節(jié)省空間和土建投資；

2) 系統(tǒng)密閉，衛(wèi)生間及泵房環(huán)境較好；

3) 工廠化定制集成設(shè)備，有效避免施工質(zhì)量等問題。

目前，常規(guī)密閉水箱提升技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在如下問題：水箱等連接接口易漏水；水箱容積比較小，排水系統(tǒng)發(fā)生阻塞或控制系統(tǒng)故障時(shí)，容易發(fā)生溢水；檢修孔口小，故障檢修處理困難；水箱內(nèi)的漂浮物和沉積物清掏和清理困難，影響應(yīng)用體驗(yàn)；同時(shí)，液位控制故障率較高，易影響水泵正常運(yùn)行。

目前，該技術(shù)在地鐵污水提升領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，是目前新線車站污水提升系統(tǒng)選擇的主要技術(shù)方案之一。

2.3 真空污水提升系統(tǒng)

真空污水提升系統(tǒng)也是近年來逐步在地鐵車站試點(diǎn)應(yīng)用的污水提升技術(shù)，目前，已經(jīng)在北京大興線、上海地鐵改造、石家莊等國內(nèi)多個(gè)城市軌道交通項(xiàng)目得到了推廣應(yīng)用。真空排水系統(tǒng)由真空機(jī)組、真空管路與真空衛(wèi)生器具組成，其工作原理是利用真空機(jī)組使管路及罐體形成真空，污水在真空抽力的作用下，被快速地吸入真空管路，再由真空機(jī)組排放至室外管網(wǎng)。

真空污水提升系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1) 設(shè)備集成度高，節(jié)省占地空間；

2) 真空污水提升系統(tǒng)污水管不像重力管道要滿足一定坡度，可以靈活布置排水管道；

3) 節(jié)水性能優(yōu)良，真空衛(wèi)生器具的沖洗水量為1.0～1.5 L，遠(yuǎn)低于一般衛(wèi)生器具5 L以上的水平；

4) 密封性好，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真空密閉，并在管道和系統(tǒng)內(nèi)形成負(fù)壓，極大地提升了衛(wèi)生間和污水泵房的衛(wèi)生條件和空氣質(zhì)量。

目前，真空污水提升技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在如下問題：對(duì)乘客使用的要求高，對(duì)污水原水的雜物顆粒尺寸要求較高，如使用不當(dāng)，故障率高；對(duì)安裝和產(chǎn)品要求較高，初期造價(jià)高；系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，維修環(huán)境差，影響應(yīng)用體驗(yàn)；潔具需配套定制，后期維護(hù)的靈活性和成熟性略有不足。目前，因故障率高等原因，該技術(shù)在地鐵污水提升的應(yīng)用還有待改進(jìn)與提升。

2.4 基于凸輪泵技術(shù)的地鐵污水提升系統(tǒng)應(yīng)用分析

凸輪泵又稱轉(zhuǎn)子泵、羅茨泵(見圖2)，通過轉(zhuǎn)子在泵殼內(nèi)的圓周流道中旋轉(zhuǎn)，持續(xù)旋轉(zhuǎn)會(huì)在吸入端口形成部分真空，使污水吸入泵內(nèi)。污水通過轉(zhuǎn)子順著容積流動(dòng)的方向被輸送至泵出口，污水從而被排出。凸輪泵采用雙軸雙轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，雙轉(zhuǎn)子對(duì)介質(zhì)具有剪切作用；軸和轉(zhuǎn)子端面與泵蓋之間具有面密封，因此軸和轉(zhuǎn)子端面不會(huì)與介質(zhì)接觸，轉(zhuǎn)子軸被纏繞和卡堵的概率極小；泵腔(轉(zhuǎn)子嚙合腔)口徑大于泵吸入和排出管道口徑，即泵能夠吸入的介質(zhì)一定能夠通過泵腔被排出。通過采用雙葉輪咬合排污，軸和轉(zhuǎn)子端面與泵蓋之間具有面密封，有效隔離絲織物的纏繞；具有很強(qiáng)的自吸力(部分可達(dá)–0.09 MPa)，在排污時(shí)利用此吸力可以在污水抽干后延時(shí)空轉(zhuǎn)掃倉，清空集水箱底部所有污物，杜絕人為二次清掏，避免開箱造成的臭氣外溢。

圖2 凸輪泵

Figure 2 Cam pump

目前，凸輪泵密閉式污水提升裝置(見圖3)已在上海、廣州等城市大客流地鐵換乘站的改造工程中有良好的應(yīng)用效果；采用凸輪泵作為密閉水箱污水提升的技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是其具有極強(qiáng)的自吸能力，可將污水箱排空見底并不留漂浮物。隨著以污水箱+干式污水泵為主要設(shè)備的污水提升系統(tǒng)在地鐵車站應(yīng)用愈發(fā)廣泛，采用具備清底功能的凸輪泵技術(shù)也被越來越多的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇凸輪泵密閉式污水提升系統(tǒng)應(yīng)注意以下問題：

圖3 凸輪泵密閉式污水提升裝置

Figure 3 Closed sewage lifting device of cam pump

1) 凸輪泵口徑在滿足水泵關(guān)鍵性參數(shù)的條件下盡可能大，一般不小于DN65；

2) 污水箱容積應(yīng)和水泵性能匹配，需考慮一定的余量；

3) 排水管路要做好通暢性設(shè)計(jì)，拐彎或變徑等會(huì)影響其自吸能力的正常發(fā)揮；

4) 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)少，需加強(qiáng)對(duì)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的積累。

以北京地鐵1號(hào)線某車站衛(wèi)生間改造為例，原污水提升系統(tǒng)采用臥式污水泵，無自吸能力，無法實(shí)現(xiàn)清底；水位低于排污泵泵腔時(shí)，污物在污水池內(nèi)部堆積、結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，每年都需定期對(duì)污水池沉積物和漂浮物進(jìn)行人工清掏，費(fèi)用較高。在地鐵“廁所革命”改造工程中試點(diǎn)采用了凸輪泵代替原臥式污水泵，該凸輪泵泵腔間隙大于管道通徑，采用雙葉輪密封，在防纏繞的同時(shí)可產(chǎn)生自吸力，實(shí)現(xiàn)清底，避免鈣化。該凸輪泵參數(shù)：流量為20 m3/h，揚(yáng)程為25 m，自吸高度8 m。經(jīng)過兩年多的運(yùn)行，該技術(shù)可以解決污水池清底難題，改善了運(yùn)維條件，降低了運(yùn)維的難題和強(qiáng)度，節(jié)省了污水池清理費(fèi)用，整體運(yùn)行效果良好。下一步將在電機(jī)能效、管路大通徑和平順連接等設(shè)備和系統(tǒng)選配環(huán)節(jié)繼續(xù)優(yōu)化。

2.5 凸輪泵密閉式污水提升系統(tǒng)選配要點(diǎn)

集水箱容積的選擇應(yīng)在綜合考慮設(shè)備廠商規(guī)格型號(hào)及組合的基礎(chǔ)上，結(jié)合水泵每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)、水泵流量、實(shí)際進(jìn)水流量、檢修等確定。水泵流量的選擇，應(yīng)結(jié)合水箱總?cè)莘e和設(shè)計(jì)排水秒流量選擇，即：水箱總?cè)莘e較大，水泵可適當(dāng)減少啟動(dòng)次數(shù)或運(yùn)行時(shí)間。每小時(shí)最大啟泵次數(shù)的確定主要由所選電機(jī)性能確定。設(shè)計(jì)排水秒流量的計(jì)算和實(shí)際水泵流量的確定還需考慮高峰時(shí)乘客使用衛(wèi)生間頻次和沖水次數(shù)，與車站客流和衛(wèi)生間廁位數(shù)量關(guān)系很大。一般情況下可按每個(gè)廁位不超過3 min使用一次潔具沖水量進(jìn)行校核。此外，排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到排水系統(tǒng)(含水泵)通徑問題，一般的衛(wèi)生間污水系統(tǒng)的通徑不應(yīng)小于潔具接口管徑，建議在DN80以上。

適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)選配可以提升設(shè)備的使用效果，同時(shí)延長設(shè)備的整體使用壽命和實(shí)現(xiàn)節(jié)能，電機(jī)需具有頻繁啟動(dòng)能力(設(shè)備每小時(shí)內(nèi)最大可能啟動(dòng)次數(shù)12次)和一定的連續(xù)運(yùn)行能力。

2.6 凸輪泵密閉式污水提升系統(tǒng)的智慧化控制與運(yùn)維技術(shù)

污水泵運(yùn)行智能控制是密閉污水提升系統(tǒng)保障正常工作的關(guān)鍵內(nèi)容。水箱(池)污水液位傳感器需簡單可靠且不受潮濕與污物影響，建議采用不同技術(shù)的兩路液位控制器(如無觸點(diǎn)液位控制器或機(jī)械式氣控液位開關(guān))，當(dāng)一路液位傳感器輸入信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，另一路輸入信號(hào)自動(dòng)投入控制系統(tǒng)，啟動(dòng)水泵。避免因液位傳感器故障造成污水液位超高，不能及時(shí)啟動(dòng)水泵的狀況出現(xiàn)。

隨著智慧地鐵的深入開展，污水泵的智能運(yùn)維也是智慧地鐵機(jī)電系統(tǒng)的重要建設(shè)內(nèi)容。首先，可通過傳感器獲取水泵的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電流、流量、運(yùn)行時(shí)間、液位值、壓力、故障信號(hào)等信息，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的積累；然后通過對(duì)采集的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、處理，實(shí)現(xiàn)智能分析；其后，在逐步完成大數(shù)據(jù)積累、統(tǒng)計(jì)及分析的基礎(chǔ)上，逐步建立水泵運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)車站用水的精確性匹配與協(xié)調(diào)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)故障診斷、預(yù)警、狀態(tài)評(píng)估和工單自動(dòng)派發(fā)等智能運(yùn)維和應(yīng)用。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著“廁所革命”的推進(jìn)，特別是北京地鐵，對(duì)地鐵污水收集排放的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求日益提高，建設(shè)低維護(hù)量、高可靠、智能化的污水提升系統(tǒng)是設(shè)計(jì)人員一直努力的方向。

1) 地鐵污水提升系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，需要從衛(wèi)生間和污水泵房設(shè)置、排水收集系統(tǒng)優(yōu)化、水泵選型、監(jiān)控系統(tǒng)以及智能運(yùn)維等各方面全面提升和優(yōu)化。

2) 從實(shí)際效果來看，相比真空污水提升系統(tǒng)而言，密閉水箱污水提升系統(tǒng)是目前比較適合地鐵污水提升的技術(shù)選項(xiàng)。

3) 建議充分考慮污水提升裝置污水箱(池)底部沉積物和上部漂浮物對(duì)運(yùn)維的影響，選用具有清底功能的凸輪泵污水提升系統(tǒng)(或其他具有類似功能技術(shù))，可降低污水箱(池)清掏難度、頻次和成本等。

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Application Optimization of Subway Sewage Lifting System Based on Cam Pump Technology

LI Xiao

(Beijing Subway Operation Co., Ltd., Beijing 100044)

Based on the application of the traditional sewage pool + sewage pump technology, conventional closed water tank sewage lifting technology, and vacuum sewage lifting technology in subway stations, this paper presents a systematic analysis of a sewage lifting system that employs a cam pump. The operational demand and the problems associated with pain points (such as poor sanitary conditions and high cleaning cost) are addressed, and low maintenance and high reliability (such as high suction head, bottom cleaning, double-level sensor control, and intelligent operation) are set as the goals. The subway sewage lifting system based on cam pump technology can solve the problem of cleaning the bottom of the sewage pool, improve the operational and maintenance conditions, and reduce the difficulty and intensity of operation and maintenance. Moreover, the overall operational effect of the system is good. Finally, suggestions for further optimization and application are also provided.

subway station; sewage lifting; cam pump; closed water tank sewage lifting; optimization research

U231

A

1672-6073(2021)02-0142-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.023

2021-01-06

2021-01-22

李曉，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事地鐵機(jī)電相關(guān)技術(shù)管理工作，18611731990@163.com

李曉. 基于凸輪泵技術(shù)的地鐵污水提升系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：142-145.

LI Xiao. Application optimization of subway sewage lifting system based on cam pump technology[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 142-145.

（編輯：王艷菊）