李小军，俞恒毅

(1.中国舰船研究设计中心，武汉430064;2.浙江省边防总队海警一支队，浙江 温州325401)

船用真空集污系统是指以真空抽吸的方式收集船上生活污水(黑水和灰水)的系统，相比传统重力水冲洗的方式，这项技术不但能节约用水，保护环境，而且具有管径相对较小、管网安装方便、不易堵塞，经济性能好等优点，已在飞机、火车、船舶等交通领域得到了广泛的应用，对于空间十分宝贵的船舶而言，其技术优势显得尤其明显。

1 船用真空集污系统原理

船用真空集污系统是一个完全密闭的排水系统，系统组成及工作原理见图1。

图1 船用真空集污系统原理

系统是利用系统内外的气压差来实现生活污水的排空和传输的。系统利用真空机组在排污管路中形成一定的真空，在系统内部真空和外界大气压的作用下，真空洁具内的黑水和灰水克服管道阻力排入真空收集箱或生活污水处理装置内，真空收集箱内的污水通过污水泵经国际通岸接头排至岸上或接收船舶，进入生活污水处理装置中的污水经处理达到排放标准后排至舷外［1-2］。

如图1所示，真空洁具连接在一套真空排水系统上，各洁具通过排污支管连接在一起后与排污主管(立管)相连。排污主管的末端与真空机组相接。真空机组用来在排污支管和排污主管内产生系统所需的真空，并将进入的污水排放到污水处理设备中。洁具内的污水进入排污支管，通过排污主管和真空机组排放到船底舱设置的污水处理设备中。

2 船用真空集污系统设计

2.1 真空机组设计

2.1.1 真空泵的选取

真空泵是真空机组的核心，其作用是产生真空、粉碎和排放污物。真空泵的抽吸能力可通过式(1)计算。

式中:Q——系统所需的抽吸能力，m3/h;

a——真空系统的泄露系数，一般为1.20～1.30，这里取1.25;

f——真空容器的使用频次，按照ISO15749-3-2004的设计要求，真空机组的总能力应满足每厕位每小时12次的峰值条件下的使用要求，取12次/h［3］;

n1——真空马桶的数量;

V1——使用一次马桶的耗气量，L/次，一般为(45～60)L/次，取50 L/次;

n2——灰水阀的数量;

V2——使用一次灰水阀的耗气量，L/次，一般为(60～80)L/次，取70 L/次。

2.1.2 真空罐的选取

真空罐用来增大真空管路的容积和储存空间，可大幅提升抽吸效果，减少真空泵的启动次数，有利于真空集污系统工作的稳定性。真空罐具有保持系统真空度和储存污物的功能，真空容器的容积V容器按式(2)计算。

式中:V3——系统真空调节量，其值根据真空容器的数量确定，具体参见表1［4］;

η——系统真空度从最大下降到最小的差值，真空系统的真空度一般控制在30%～60%，故η为30%。

V管系——真空系统管路的容积，L。

表1 系统真空调节量与真空容积数量

储存污水所需的容量按式(3)计算。

式中:V储污——储存污水容器的容积，L;

b——容积裕度系数;

m——船舶上的定员数量，人;

t——储污时间，当船上设有满足MEPC.159(55)决议的生活污水处理装置，t取0.5～1.0 h，反之根据船舶连续航行时间确定;

f1——每人入厕频次，取0.25次/(h·人);

q1——真空容器每次冲洗耗水量，取1.5 L;

q2——每次如厕产生的粪便量，取0.27 L;

真空罐容积取式(2)、(3)计算结果的大值。

2.2 控制系统设计

控制系统通过压力变送器检测管道压力，当管路真空度低于设定低值时(-0.03 MPa)，泵站自动启动抽真空，将管路和真空罐的真空度提高至设定高值(初始设定-0.05 MPa)时停止运行，此时系统进入等待状态。

当有人使用完便器后，通过感应面板(或手动按钮)自动将信号传送给便器控制器，控制器首先控制排污阀上的水阀喷水以冲洗便盆，然后打开排污阀，利用管路内外的压差，将污物吸入真空管路。最后再控制水阀喷水以形成水封。

随着污物的吸入，系统真空度逐渐消耗下降，等下降到设定低值(初始设定为-0.03 MPa)时，泵站重新自动启动，提高真空度的同时将污物排出，直至将真空度再次抽到设定高值时停止，然后等待下一次启用。

2.3 真空管路设计

2.3.1 管路的分区

系统安装中通常有水平总管和垂直总管。应根据船上的功能区或甲板层数目，对马桶进行分组。一般每根垂直总管上所连接的马桶数量不超过100只，每根水平总管上的马桶数量不超过25只。一般同一甲板的位置较为相近的几个单元卫生间的马桶分为一个区域，共用一根水平或垂直分总管。如果船上设置有公共卫生间，建议为其专门设置水平及垂直总管。每根水平分总管在汇入垂直总管处加隔离阀以防止检修时影响其它区域中马桶的正常使用［5］。

2.3.2 管路设计和安装原则

1)管子弯曲半径R≥3d，d为真空管的管径，若使用定型弯头时应由两个45°弯头夹短管组成90°过渡管段，见图2。

图2 弯管

2)支管与主管连接按流动方向成45°，不能Y形或T形连接，见图3。

图3 支管连接主管

3)提升管与水平管连接应与介质流动方向成45°，且其连接点须在水平管中心线3d以上，见图4。

图4 提升管与水平管连接

4)水平管的布置应按介质流动方向降低或水平，不得提高，长度大于40 m时，应按照1∶300的斜度来布置，并且在其中布置聚集点，以辅助污水在管路中的流动。污水在真空系统中的流动是通过污水前后管路中的压力差来实现的，而在水平管路中，由于重力的作用，污水有可能无法在管路中起到密封的作用，从而导致大量的空气进入而污水本身并未流动。所以建议按照图5布置聚集点。

图5 水平管路布置

5)在水平管路上沿介质流动方向管径不得减小，在提升管路上沿介质流动方向管径不得放大。提升管与大管径水平管连接时应采用图6所示连接形式。

图6 提升管与大管径水平管连接

6)为了清理疏通管路，须在管路上设置检修孔，检修孔的设置位置见图7。

图7 检修孔设置位置

3 设计和使用时的注意事项

3.1 增加设备

真空集污系统需设置真空机组、控制箱、排污阀等设备，这样不但会增加初始投资成本，而且这些设备需占用较大的舱室空间，增大用电负荷，增加全船重量。对于排水量在600 t以下或真空容器数量少于10个的小型船舶，收集管路短，相对而言，采用真空集污系统会占用较大的总体资源，弊大于利。

3.2 提高系统可靠性

增加设备后会增加故障点，而真空集污系统一旦出现故障，即使是管路泄露，也会使整个卫生间则无法使用。因此，在设计真空集污系统时，应根据船上卫生间的位置进行分区，每个区域设置一套独立的真空集污系统;真空泵组中的真空泵、排污泵等都要设计双泵备份，当一台发生故障时设备仍能正常工作，从而增加系统的可靠性;如有条件，还应设置少量重力厕所作为备用。

4 结论

真空集污系统目前已在船舶中得到了广泛的应用，但是真空系统是在负压下工作，对真空泵组、真空容器、控制系统、冲洗机构、排放阀、管路施工工艺等提出了特殊的要求，真空泵、真空罐等的选用必须根据整个系统真空容器的数量和管路的布置情况，合理计算并选用，才能使真空集污系统的各项性能指标达到最优状态。

［1］费志华，王忆秦.舰船生活污水真空收集技术［J］.船海工程，2010，39(6):99-101.

［2］葛志祥，王 琪，王小海.内河船舶黑水处理技术研究及其实现［J］.船舶工程，2009，31(1):67-70.

［3］STANDARDS POLICY，STRATEGY COMMITTEE.Ships and marine technology.Drainage systems on ships and marine structures.Sanitary drainage，drain piping for vacuum system［S］.London:International Maritime Organization，2004.

［4］邵晓华，陈 清.真空系统在船舶污水收集中的应用［J］.船海工程，2010，39(6):47-52.

［5］石如璋.船用真空污水处理系统［J］.船舶，1999(6):47-49.