邱慧，黄焱歆，张继杰，沈骏，张玉宽，张磊

(1.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081;2.太原铁路局计划统计处，山西太原 030013)

为落实节能减排的总体要求，根据铁路建设要求［1］，在现有高铁、动车组采用密闭式厕所的基础上，对既有客车加装密闭式厕所，以解决污水直排造成的污染，因此，全路大型客站和客整所也将配套建设地面卸污设施。相对于目前广泛使用的动车组卸污设施，既有客车卸污有自身的特点和不同的技术要求，须对现有的地面真空卸污技术进行进一步深化研究，研发增强型真空机组设备和不同类型的组合式卸污系统，以满足我国铁路发展的需求。

1 铁路车站与客整所卸污作业技术条件研究

1.1 铁路客车卸污作业特点

时速160 km的25型客车由于长途运，具有运时长，客运量大的特点，原则上旅客列车每运行20 h，最多25 h需进行排污作业。根据对北京西站、上海站、太原站客车卸污作业的调研，客车编组一般为14～19辆，每辆为2个污物箱，最多达38个污物箱，污物箱容积为600～700 L，相对于动车，污物箱容积增大20% ～30%，卸污作业量明显增多，卸污作业能力要求加强;每列车长约500 m，相应卸污作业管线也需要加长。在车站卸污，停时很短，要求卸污设备有较高作业效率。另外，不同时期建设的客站和客车整备所只能在既有条件下改造增设地面卸污设施，要求卸污设备集成度高，易于施工安装，安全可靠。

1.2 固定式卸污设施技术要求

普速客车车站的固定卸污设施采用技术成熟、工作效率和自动化程度较高的真空式卸污方式。真空卸污设施重点性能及技术要求如下:(1)每套系统卸污作业应满足各型客车最大编组19辆(38箱)污物箱卸污输送和压力排放的作业要求。作业时间:终到站立即折返列车卸污作业时间不应大于15 min;中途车站列车卸污作业时间不应大于6 min，19列编组的车辆最多可至8～10 min。入所(库)作业整备时间，每列车卸污时间为30～60 min。(2)每套真空卸污系统可以允许4～8个卸污口同时作业，单个600 L污物箱的排空时间不超过3.5 min。组合式卸污系统，单个系统之间可并联使用，互为备用。(3)真空机组设备与最远端卸污单元之间的真空卸污管道距离考虑卸污线长度和穿越轨道，最大卸污输送长度应为850 m;设备排污压力应考虑抽吸和排放地点间距，排污阻力等因素满足排放要求。(4)真空卸污系统采用真空机组设备作为真空发生器，系统真空度始终保持在－30 kPa～－70 kPa之间，其工况可调，机组设备有故障冗备功能［2］。(5)真空机组与卸污单元及真空管路必须完全密封，无异味、无堵塞、无漏气、漏油、漏水和泄漏污物现象。(6)真空控制系统通过真空传感器控制机组启停，具有信息显示和远程监控功能，实现无人值守。(7)沿轨道设卸污单元的布置位置个数间距根据列车最大编组长度，列车集便箱排污口位置和卸污单元作业半径确定，一般每20 m间距布设(作业半径10～13 m)1个，卸污单元全程覆盖530 m长，每线26个卸污单元。通过式车站短停车时间较短，可12 m(作业半径约6 m)设1个，卸污单元全程覆盖530 m长，每线44个卸污单元［3］。

2 固定式卸污系统方案

2.1 车场卸污线布局原则［1］

大型枢纽客站和客整所卸污设备设置数量应综合考虑停靠列车对数、卸污列车对数、车站或车场能力运用、出入库能力等因素综合确定:(1)尽头式车站或车场，每站原则上不少于2条卸污线;设有多车场的车站，每车场原则上不少于1条卸污线。(2)复线通过式车站或车场，每站上、下行到发线原则上各不少于1条卸污线;设有多车场的车站，每车场上、下行到发线原则上各不少于1条卸污线。单线通过式车站或车场，上、下行可合设1条卸污线。(3)整备所根据客车检修要求设置卸污整备线和卸污设备，可设置在库内或库外。一般客整所检查库为4～18线库，每2条股道间设1条卸污线。

2.2 各车场卸污作业方案

根据技术条件和实测分析，4口卸污作业时间:平均3 min;8～12口卸污作业时间:平均3.5～4 min。表1为卸污作业方案。

表1 各车场卸污作业方案

2.3 卸污设施作业能力分析

车站卸污首先要考虑运输作业需要:卸污列车对数，卸污整备线，列车卸污作业时间，总停时等。由于车站具有股道数量多，列车停时短，卸污流量大，作业能力要求强等特点，真空卸污系统设计时主要考虑几个因素:峰值卸污量，高峰时停靠卸污的列车数量;停时要求;卸污时几口同时作业;卸污时进入管路空气量;抽吸单元数量;真空管路的水头损失;排污管路的水头损失等。其中，卸污流量和抽真空能力是直接影响卸污设备选用的两个关键参数［4］。

(1)卸污流量要求:按照8个600 L污物箱同时卸污计算，并满足3～4 min之内要求卸污完毕，卸污量4.8 m3，气液比按5∶1计，总卸污流量为8.23 m3/min。(2)抽真空能力:按4条卸污管线及过轨长度约2 200 m，卸污干管公称通径160 mm计算，真空度由初始0 kPa至最大工况－70 kPa，规定在3～10 min完成。由于系统最小真空度要求不小于真空卸污管总压力损失，同时考虑减少能耗，真空压力始终在设定的－30～－70 kPa范围内，从下限至上限补压时间小于2 min。(3)排污管路沿程损失综合考虑:排污距离，管道长度，管径，流速，排放高差等现场因素，设备排放压力为140～220 kPa。表2为真空卸污设施主要技术参数。

表2 真空卸污设施主要技术参数

2.4 卸污设施方案设计

根据车站特点，既有车站改造增设固定式卸污设施，要根据不同条件配置不同数量的卸污线，提出组合式、分散式等不同型式的系统设备配置方案。

2.4.1 多个车场真空卸污系统方案

2.4.1.1 设一套机组方案与4条卸污作业线

在同一时间1列列车卸污整备，每线4～8口为一组同时卸污作业，每组平均3～3.5 min，每列车19辆/38箱可分为4.5组～9.5组，按每组顺序作业，每列车设备作业时间在17.5 min～28 min。其他列车按停靠时间和顺序轮番作业，在规定时间完成。同时进行1场1线作业，作业时间短，人员安排灵活。

在同一时间停靠两股道的两列列车同时卸污整备，每线4口为一组同时卸污作业，共两线8口同时作业，每组平均3.5 min，每列车19辆/38箱需分9.5组完成卸污作业，每列车设备作业时间不超过33 min。此方案特点是:可同时进行两场两线作业，但作业时间和操作较紧张。见图1。

图1 车站4条卸污作业线方案

2.4.1.2 设两套机组方案与6条卸污作业线

在同一时间停靠三个车场3股道的3列列车同时卸污整备，每线6口为一组同时卸污作业，共3线18口同时作业，每组平均3.5～4 min，每列车19辆/38箱需分6组完成卸污作业，每列车设备作业时间不超过24 min。此方案特点是:可同时进行三场3线作业，作业能力大，卸污效率高，设备投入亦较大。见图2。

图2 车站6条卸污作业线方案

2.4.2 通过式车站真空卸污系统方案

通过式车站上下行设两条卸污线，由于在同一时间上下行通过列车同时卸污作业情况少见，主要按1条线作业考虑。卸污单元设置定位按照车型编组、列车污物箱个数及位置、卸污单元有效作业半径考虑，每线设26个卸污单元。系统能力:按照一列车卸污量22.8 m3，38口同时卸污考虑，每列车设备作业时间不超过8～10 min，因为停时短，要求设备能力大并且相对集中，或一一对应分散式作业［5］。

2.4.2.1 两套机组作业布置方案

采用两套机组分散作业布置方案:每套机组最大能力按同时10口作业，需要2×2组平行作业才能完成卸污。此方案特点是:满足通过式车站列车卸污作业需要，并且通过真空管路的布置设计，可进行其他车场卸污作业。见图3。

图3 通过式车站2条卸污作业线方案

2.4.2.2 分散式独立泵方案

采用分散式独立泵方案一一对口作业，每口作业4.5 min，同时完成卸污作业。卸污单元与小型化机组一体化集成设备，每个卸污单元与列车排污口一一对口作业，600 L污物箱平均流量5 L/s，每口作业4.5 min，每列车19辆/38箱同步完成卸污作业。此方案特点是:能高效率完成通过式车站列车卸污作业需要，但设备体型较大，在股道间安装有一定难度，同时设备投入费用较大。

3 真空卸污设备选型条件

3.1 真空机组设备

车站卸污要求真空卸污设备流量大，抽吸能力强，能耗低。其抽吸能力的确定主要依据以下六方面:(1)通过系统真空度从0 kPa到－70 kPa的耗时来确定真空机组的能力;(2)根据进气量和污物量确定峰值流量;(3)根据几口同时进行卸污作业及检修停时确定泵的流量;(4)确定机组恢复真空时间;(5)污物排放距离及高差;(6)结合工程实际经验进行最终确定［6］。

真空机组采用成熟的在线凸轮泵既为系统提供运转真空度，同时又兼具排污的功能。适用于其整备作业量大的要求，系统真空度范围:－30 kPa～－70 kPa，并可调节设定;使系统真空度从设定下限恢复至上限时间:小于3 min。在线型凸轮泵真空机组可在凸轮泵的一端产生真空，在凸轮泵的另一端压力排放污水。工作原理见图4。

图4 在线凸轮泵机组工作原理图

增强型真空机组VX186－260QM型设备能力每台泵流量280 m3/h，双泵机组流量为560 m3/h(相当于9.33 m3/min)。双泵机组电机功率60 kW。按照8个600 L污物箱同时卸污计算，卸污量4.8 m3，气液比按5∶1计，卸污流量为8.23 m3/min。卸污能力可以满足容积为600 L污物箱、8口同时卸污，作业时间不超过 3.5 min［7］。表3为真空机组卸污能力一览表。

表3 真空机组卸污能力一览表(VX186－184，VX186－260，真空罐比较)

增强型真空机组(VX186－260)设备尺寸为l×b×h:3 100 mm ×1 100 mm ×2 000 mm;可以地上、地下安装，如果直接安装在站台端部占地约7 m2，适于改造车站条件。

3.2 卸污单元

卸污单元采用电动盘绕式，由真空软管、快速接头、电动装置等组成，软管可自动回缩，减少了作业时间及劳动强度，单元密闭性好，无滴漏，结构简单、模块化生产组装，便于维护。卸污单元作业半径一般为10～11 m，在通过式车站，可采用较短半径的卸污单元，这样可减少卸污作业时间。

3.3 真空管路

真空管路采用HDPE管材，真空干管管径为DN160～200，承压不小于1 000 kPa，内壁光滑，阻力小。管路设计真空度范围－30 kPa～－70 kPa，管路末端稳定时真空度不小于－30 kPa，真空管路沿污水流动方向有0.1%的下降坡度和相应的局部提升，当真空管路穿越障碍物或者提升时，需要合理设置关键节点。关键节点制作安装在一定提升范围内，采用Y型管件连接，防止气液分离和紊流产生。管道连接采取热熔和电熔焊接，保证密闭无漏气。

3.4 信息管理设备

由于车站卸污作业和客车运输组织安排密切相关，有必要实时监控真空卸污设备运行状况及故障报警，及时应对反馈，需要配套信息管理设备。通过将设备信息上传到车站中央集控管理系统中，实现对真空卸污系统的在线监测，运行状态跟踪，在设备出现故障时实时发送报警信息，提高设备管理水平。

4 试验研究

针对铁路客站和客整所的技术条件，并参照相关标准，设置模拟试验线2条，一条为管径DN160的真空管道，长度330 m，另一条为管径DN225的真空管道，长度为240 m，两条管道并联连接，总容积为13.36 m3。在每条卸污线上安装600L模拟卸污箱，共计12个污物箱，13个可接入点。重点对增强型真空机组的抽吸性能、能耗进行了测试。

4.1 测试目的

(1)测试真空卸污系统的密封性能、卸污能力、真空度等指标是否满足要求;(2)测试真空机组在系统工作压力范围内，4口、8口、10口卸污作业所需时间。(3)进行能耗分析。通过测试不同卸污条件下机组设备的电压、电流及机组运行时间，计算出机组能耗。(4)通过试验验证影响卸污时间的主要因素:系统真空度为－30 kPa～－70 kPa时，主要是卸污单元软管长度和卸污口距机组距离对卸污时间的影响。

4.2 抽吸性能试验

抽吸性能是真空卸污系统最主要的功能。试验中测试了增强型真空机组在系统工作压力范围内，进行4口、8口、10口同时卸污作业所需时间。平均卸污时间—卸污口数量对比试验柱状图如图5所示:

图5 抽吸性能试验柱状图

分析抽吸试验数据可知:可分别满足4口、8口、10口同时进行卸污作业;4口同作业不超过3 min，8～10口同时作业不超过3.5 min。试验显示:在同一工况下，卸污软管与卸污时间的影响。随着软管长度的加长，管道内阻力增加，卸污流量减小，卸污时间将加长。卸污口距离主机距离越远，水头损失越大，卸污时间稍长［8］。试验检测结果见表4。

表4 试验检测结果

4.3 能耗试验

系统能耗主要为电耗，其主要影响因素是:污水流量、气水比、真空机组型式、真空卸污管路和阀门的密封性等。试验中通过测试机组中设备的电压、电流、运行时间，计算出机组所消耗的电能，计算公式为:W=∑UIT，能耗测试结果如表5所示。

表5 能耗测试结果

能耗试验数据分析:4口作业能耗为0.32 kW·h/m3，8 口作业能耗为 0.31 kW·h/m3，10 口作业能耗为0.27 kW·h/m3。可以看出机组卸污能力增大后，机组能耗虽然增加，但是单位卸污能耗基本没有变化［9］。说明机组配置合理，机组运行能力和系统卸污能力相匹配。

5 结论

(1)铁路车站和客整所卸污作业具有股道数量多，列车停时短，卸污流量大，作业能力要求强等特点，固定式卸污设施中的卸污流量和抽真空能力是直接影响卸污设备选用的两个关键参数。确定了600 L污物箱抽吸时间，4口同时作业小于3.5 min，8口同时作业小于4 min等技术条件，根据车场要求配置相应数量的卸污线，真空机组布置，进行了方案设计。

(2)提出了增强型真空机组设备的应用条件，并对其性能和能耗进行试验测试，对于气液固混合流抽吸流量为2×280 m3/h，分别验证了4～10口作业时间能力。能耗水平为0.32 kW·h/m3。

［1］中国铁路总公司．铁运总［2013］93号关于车站固定吸污设施建设的指导意见［S］．

［2］TB/T 3036—2007，铁路站场真空卸污技术条件［S］．

［3］TB 10079—2013，J1503—2013，铁路污水处理工程设计规范［S］．

［4］邱慧，王妍．铁路站场真空式地面卸污系统介绍［J］．铁道劳动安全卫生与环保，2005，32(1):30－33．

［5］佟庆理．两相流动理论基础［M］．北京:冶金工业出版社，1988．

［6］施永生，徐向荣．流体力学［M］．北京:科学出版社，2005:178－184．

［7］王晓东，巴德纯，张世伟，等．真空技术［M］．北京:冶金工业出版社，2006:132－137．

［8］邱慧，沈骏．铁路真空卸污系统技术研究与工程应用．“十一五”铁路环保成果及新技术应用研讨会论文集．2012．

［9］周敬宣，郑慧明．真空下水道排污系统的研究［M］．给水排水，1999，25(11):55 －58．