周文哲

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,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個站臺，圖定客車接發(fā)10對/d，且每日早6時至9時、21時至凌晨3時兩個時間段密集到發(fā)，所有?？吭诟駹柲菊镜穆每土熊嚲柽M行卸污作業(yè)。受低大氣壓影響，整個列車卸污系統(tǒng)最高真空度為70 kPa，經(jīng)試驗證明很難滿足集中式真空卸污系統(tǒng)4口以上同時卸污的要求，因此設計采用移動式吸污車對旅客列車進行卸污作業(yè)。原中國鐵路總公司對格庫鐵路初設批復意見：“格爾木站新增客車固定卸污設施，設計中應根據(jù)海拔高度對真空度的影響，統(tǒng)籌考慮保溫、卸污時間、卸污設施布置的基礎上，研究確定吸污方式?！苯?jīng)技術經(jīng)濟比較研究，設計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式真空卸污系統(tǒng)卸污，即當列車?？亢螅捎靡苿有段圮噷γ抗?jié)列車污物箱進行卸污。但是由于車站站臺高，所以需要卸污車對車輛污物箱逐一對應進行作業(yè)，且每次需將卸污車軟管拉伸到股道間與污物箱連接。卸污時操作復雜，作業(yè)時間長，一節(jié)車廂至少需要5～10 min卸污，那么18輛編組32個污物箱的客車即使4輛卸污車同時作業(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間一般為15～20 min，所以采用移動卸污車不能滿足車站停時作業(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)強度。根據(jù)目前車站卸污系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設計人員通過調(diào)研、反復討論，并依照原中國鐵路總公司對格庫鐵路初步設計的批復意見，決定對格爾木車站真空卸污系統(tǒng)進行改進，通過設置固定式真空卸污系統(tǒng)以節(jié)約作業(yè)時間[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)凸輪泵機組由旋轉(zhuǎn)凸輪泵、自動控制設備、止回閥、機架等集成化裝配。利用在線凸輪泵在整個卸污管道中產(chǎn)生真空，當污水吸入后，在線旋轉(zhuǎn)凸輪泵可實現(xiàn)抽吸面到壓力面連續(xù)運轉(zhuǎn)，污物在壓差作用下被直接抽吸并排放。設備通過真空壓力傳感器指示自控裝置在真空度上限時停止、下限時啟動[6-11]。

真空罐式真空卸污系統(tǒng)：真空罐式機組由真空泵、真空收集罐、液位控制器、報警信號、排污設備、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，當罐內(nèi)液位達到設定值時，排污泵啟動將污水排放。整個工作過程按設定程序自動控制進行，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)由小型機組、卸污單元、電控系統(tǒng)、管道系統(tǒng)組成。它利用小型機組和污物箱一對一的抽吸模式，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型式單元下設置分散式小型真空機組。如圖1所示。根據(jù)國外經(jīng)驗，并結(jié)合格爾木車站特點，經(jīng)過不斷改進，設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 分散式小型真空機組

(3)固定式真空卸污系統(tǒng)對比(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)應用較多，但在高海拔地區(qū)，大氣壓降低導致系統(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，整個系統(tǒng)真空度下降20 kPa左右。西寧站途徑列車設計卸污時間為20 min，而普通列車約34個污物箱，按4個污物箱同時卸污設計，每個污物箱3 min卸污完畢，目前運營情況很難保證20 min內(nèi)完成對普通列車的卸污作業(yè)。因此西寧站在后期運營中，為保證在規(guī)定時間內(nèi)完成卸污，在原有泵組基礎上又增設1臺凸輪泵，以增大真空抽吸能力。而采用獨立分散式真空卸污系統(tǒng)，可6～8口同時作業(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)由小型機組、卸污單元、電控及加熱系統(tǒng)、管道系統(tǒng)組成。通過對應每列車廂污物箱設置一對一的小型真空機組，實現(xiàn)卸污作業(yè)中可以8個污物箱同時卸污，同時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置2排真空管道。在管道設計過程中，發(fā)現(xiàn)站臺中部管道需要提升，所以管道鋪設方式采用從中間向兩側(cè)鋪設，這樣可避免因管道埋深淺而需要增加電伴熱等保溫措施，同時流體水力損失小，在車站兩側(cè)各設置1個化糞池。如圖2所示。

圖2 格爾木分散式小型機組設計(單位：mm)

3 分散式真空卸污系統(tǒng)

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

圖3 格爾木車站分散式真空機組

3.1 小型機組

由1臺 凸輪泵、電機、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組，產(chǎn)品型號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]。

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

當卸污開始時，對應每節(jié)車廂1套小型機組，可以8套小型機組同時作業(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組為一個供電單元，避免斷電時全部停止工作，影響列車吸污。

卸污單元與小型機組安裝在一個檢查井內(nèi)，布置的間隔密度應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標準陰端快速接頭；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，電機自動到啟動位置，卸污作業(yè)開始，根據(jù)試驗，確定每個污物箱作業(yè)4 min，包括進氣時間，到4 min后電機自動停止，也可以采取手動停止方式。

當室外溫度低于4 ℃，機組檢查井內(nèi)溫度低于0 ℃時，機組加熱系統(tǒng)自動啟動。達到15 ℃左右自動停止加熱。

3.4 管道連接系統(tǒng)

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

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 卸污能力評價

分散式卸污機組，每臺泵的流量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400 L污物箱同時卸污計算，單個機組卸污量為0.4 m3，氣水比為1∶1，則單個機組的卸污量為0.8 m3，要滿足3 min內(nèi)卸污完畢，則單臺機組所需的最小卸污量為16 m3/h，設備單臺泵能力為40 m3/h，可以看出機組能力滿足要求。

根據(jù)Q/CR52—2017《鐵路站段真空卸污系統(tǒng)》標準的規(guī)定，列車每口卸污時間不得大于3.5 min，整車卸污時間不得超過30 min，或不得超過列車停站時間[5]。格爾木站采用的分散式真空卸污系統(tǒng)可8個污物箱同時進行卸污作業(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重，泵組抽吸能力下降，且可同時卸污作業(yè)口少，卸污效率低。而移動式卸污車卸污時操作復雜，作業(yè)時間長，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，通過對其目前卸污現(xiàn)狀進行分析，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)通過點對點作業(yè)，可以滿足8個污物箱同時進行卸污，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)整個自動化程度高，能適應高海拔地區(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)時提效的特點，可以提高卸污作業(yè)工作效率，提升了鐵路現(xiàn)代化水平，也減少了對環(huán)境和人的污染，符合環(huán)保發(fā)展要求。

綜上所述，獨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)的設計提供了經(jīng)驗和參考依據(jù)。