王大鹏，邱 慧

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

真空卸污系统管道设计参数试验研究

王大鹏1，邱 慧2

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

结合真空卸污系统管道设计参数试验研究，介绍真空卸污系统中管道设计的主要参数，叙述主要参数在设计过程中的计算与选取的方法。通过真空卸污系统的仿真试验，将沿程水头损失随机选取计算，并分析计算结果；根据澳标选取气液比，并通过计算验证气液比的可靠性；选取不同数量的卸污点与不同卸污单元软管长度进行卸污试验，并对试验结果进行分析。

管道设计；沿程水头损失；气液比；卸污时间

真空卸污系统在我国铁路系统各个站所的运用已经十分普遍，在应用过程中真空管道的设计是真空卸污系统中最重要的一环，管道设计中关于参数的设计对系统的正常运行有着十分重要的作用。

1 管道设计中的主要设计参数

在真空卸污系统的管道设计过程中，主要的设计参数包括压力损失、气液比、管道纵剖面设计、管道提升设计、卸污软管长度等。

1.1 压力损失

压力损失在流体运动过程中包括沿程水头损失和静损失。沿程水头损失指的是流体在管道中自身的黏性在流动时对周围管壁产生的阻力所造成损失；静损失指的是在管道中流体在运动过程中由于管道提升所产生的损失。每条卸污主管的总压力损失应不高于2.5 m水柱。

(1)沿程水头损失

系统设计时，从真空站到管道末端的沿程水头损失应小于有效真空压差。

真空卸污管路沿程水头损失计算采用公式

式中hf(i)——第i段有效计算管道沿程水头损失，m；

li——第i段有效计算管道的长度，m；

di——第i段有效计算管道的管内径，m；

q(i)——通过第i段管道的流量，L/s。

(2)静损失

系统设计时，静损失始终应低于有效真空压差。

静损失的计算公式如下

式中hst——静损失，m；

α——注入液体后经验调整系数，无量纲[-]；

h——提升高度，m；

d——管内径，m；

n——提升段数，无量纲[-]。

1.2 气液比

真空卸污管道内是气、液、固三相流，由于复杂的紊流动态过程和气体状态的多样化，采用精准计算方法计算水液比是不可能的，故结合工程试验数据，采用近似值，估算真空管路中的气液比数值。

在真空卸污主管中，液体流量为同时最大卸污量。真空排水系统内的平均气液比(AWR)估算经验值为(3～15)∶1。气液比随管道长度需要克服的损耗而加大。一般主管末端的气液比大于真空泵站附近真空主管的气液比。主管长度500 m时，AWR为(3.5～7.0)∶1。

真空系统的平均气液比应该依照最长的真空主管道的长度来设计，应参考澳大利亚真空排污标准WAS 07-2003的规定，如表1所示，该标准主要用于真空泵站的设计。

表1 设计气液比

1.3 管道纵剖面设计

真空管道在设计时，坡度应至少大于2‰坡度，当地面坡度≥2‰时，管道可与地面平行设置；真空管道敷设要求：管道敷设形式一般有锯齿形、袋形两种，如图1、图2所示。真空管道多采用锯齿形敷设方式，两个相邻锯齿形提升弯之间的管道坡度不应小于2‰。袋形适用于管道连续爬坡情况，与锯齿形敷设方式相似但有区别，在45°上升段前设“U”形弯。每隔一定距离设提升弯和检查管，提升弯之间水平距离不应小于6 m，且不应大于100 m；真空管道公称直径不宜小于100 mm；管道在支管接入主管处或直线管道长度大于400 m处设检修阀。

图1 锯齿形管道铺设

图2 袋形管道铺设

1.4 管道提升设计

真空排水系统受大气压限制，沿程损耗、位能变化等原因，累积高度不能大于5 m水柱。海拔高度的增加会降低真空泵的能效率。即海拔越高，爬坡度越小。

对于铁路真空卸污系统，由于气液比、流量、流速、真空设备发生能力等因素，最大累积提升高度不应大于2.5 m水柱。

上坡地面的真空管道设计应包含不超过5个提升，提升间应有6 m的横向间隔，以及75 mm竖直落差。

2 仿真试验设计方案

仿真试验线由真空机组(VX186-260)、真空管路、污物箱组成，其中污物箱12个，每个污物箱500 L，闸阀3个，试验线上共设有19个可接入点，随机选取卸污点。

真空管路采用回型设计，设有DN160管路7条(其中3条地下敷设，4条支架上敷设，长约640 m)和DN225管路2条(2条地下敷设，长约226 m)。通过对闸阀进行控制，可形成两种真空管路组合，分别是DN160管路、DN225+DN160的管路。如图3所示，当关闭1号、2号闸阀打开3号闸阀时，为DN160管路；当关闭3号闸阀打开1号、2号闸阀时，为DN225+DN160管路。

图3 仿真试验管路布置

2.1 试验目的

(1)通过人工系统记录验证计算试验管路系统的压力损失；

(2)分析气液比的适宜性；

(3)在相同机组的情况下，不同管路不同卸污点个数对卸污能力影响的性能分析；

(4)在相同机组的情况下，相同管路相同卸污点个数不同卸污单元软管长度对卸污能力影响的性能分析。

2.2 压力损失计算

启用DN160管路设计卸污，随机选取4个卸污点，记录卸污时间与机组距离，如表2所示。

表2 卸污点参数

将管道按照卸污点分为4条管段，每条管段的长度分别为76、141、407、16 m。管道内径为141 mm，4条管段的流量分别为14.38、10.47、6.4、2.07 L/s，则根据沿程损失公式计算，可计算出4条管段的沿程水头损失分别为0.134 4、0.138 5、0.161 0、0.010 7 m水柱。则DN160管道此时沿程水头损失为0.444 6 m水柱。满足卸污主管的总压力损失不高于2.5 m水柱。

启用DN160+DN225管路设计卸污，随机选取4个卸污点，记录卸污时间与机组距离，如表3所示。

表3 卸污点参数

将管道按照卸污点分为4条管段，每条管段的长度分别为25、163、327、284 m。其中第一、第二条管段为管径198 mm，第三条管段含有管径198 mm的管长为38 m、管径141 mm的管长为289 m，第四条管段管径为141 mm。4条管段的流量分别为12.18、8.68、5.65、2.13 L/s，则根据沿程水头损失公式计算，可计算出4条管段的沿程水头损失分别为0.021 0、0.021 8、0.099 2、0.054 4 m水柱。则DN160+DN225管道此时沿程水头损失为0.196 4 m水柱，满足卸污主管的总压力损失不高于2.5 m水柱。

两种管道设计方式中，管道起端与末端位置一致，则静损失两种管道相同；但DN160+DN225管道设计方式中管道长度大于DN160管道设计方式，但其沿程水头损失小于DN160管道设计方式，由此可以得出以下结论：在同等长度、同等卸污流量的情况下，管道直径越大，沿程水头损失越小。

2.3 气液比的估算

在4个卸污点同时卸污时，其最长卸污时间不超过3 min。以3 min为例，每个卸污点卸污总量为500 L，则每个卸污点的卸污流量为2.78 L/s，也就是约为10 m3/h。而在机组管道末端中流量应为4个卸污点的总和，即40 m3/h。机组中单泵的抽吸能力为280 m3/h，则气液比经计算可得为6∶1。符合澳大利亚真空卸污设计气液比标准。

仿真试验采用客车集便器污水、其他条件也基本符合现场条件进行试验。实际运行情况良好，故可说明，我国铁路客车粪便污水设计采用澳大利亚真空排污标准中气液比是可靠的。

2.4 卸污时间

在DN160、DN225+DN160的情况下，分别随机抽选4、8、12个卸污点进行测试作业，记录卸污时间，其平均时间如图4所示。

图4 在线凸轮泵机组在不同管径、长度下的卸污时间对比

在DN160管路情况下，随着卸污点的增加，卸污时间呈非线性增加。4个卸污点的平均卸污时间为2 min18 s，8个卸污点的平均卸污时间为2 min38 s，12个卸污点的平均卸污时间为3 min00 s。在DN225+DN160管路情况下，随着卸污点的增加，卸污时间呈非线性增加。4个卸污点的平均卸污时间为2 min41 s，8个卸污点的平均卸污时间为2 min55 s，12个卸污点的平均卸污时间为3 min45 s。分析随着卸污点的增加，卸污时间呈非线性增加的主要原因是因为机组在4个卸污点同时卸污时，机组中的2台泵平均启动时间为1 min30 s；在8个卸污点同时卸污时，机组中的2台泵平均启动时间为2 min05 s；在12个卸污点同时卸污时，机组中的2台泵平均启动时间为2 min35 s；2台泵启动时间的增长，卸污能量增加，使得卸污时间呈非线性增长。

2.5 卸污软管长度

卸污时间与卸污单元软管长度有关，测试中分别选取不同软管长度进行测试，共选7根不同长度但其他条件均相同的卸污单元软管，分别为2.5～16.5 m，如表4所示。

表4 不同软管长度的卸污时间

2.6 测试结果分析

(1)根据沿程水头损失的计算结果分析，在相同的管道长度、卸污流量以及敷设方式的情况下，管径越大，沿程水头损失越小；

(2)根据气液比的计算结果分析，我国铁路客车粪便污水设计采用澳大利亚真空排污标准中气液比的规定是适宜的；

(3)在同一个卸污系统中，相同数量的卸污点，与机组的距离越大，卸污时间越长；卸污点的卸污数量越多，卸污时间越长；

(4)卸污单元软管在材质与管径相同的情况下，软管越长，则卸污时间越长。

3 结论

在真空卸污系统的管道设计过程中，主要设计参数包括压力损失、气液比、管道纵剖面设计、管道提升设计、卸污软管长度等。在管道设计过程中，应选择适当的管径，尽量避免管道的提升，并在设计过程中将管道敷设坡向机组且坡度不应小于2‰；每条卸污主管的总压力损失应不高于2.5 m水柱，最大累积提升高度不应大于2.5 m水柱。通过分析仿真试验，在其他条件相同的情况下，管径越大，沿程水头损失越小；在同一个卸污系统中，相同数量的卸污点，与机组的距离越大，卸污时间越长；卸污点的卸污数量越多，卸污时间越长；在卸污单元设计过程中，卸污单元软管应尽量避免加长，以避免卸污时间加长，影响卸污效率，且在卸污时，保证软管尽量不弯曲，减少沿程水头损失。

[1] 上海建筑设计研究院有限公司.CECS16：2012室外真空排水系统工程技术规程[S].北京：中国计划出版社，2012．

[2] 薛强，沈俊，董大为，等.铁路某车站高速场真空卸污系统性能试验[J].铁道标准设计，2014(4)：96-98．

[3] 周敬宣，王方明，李艳萍.粪便真空输送管网与真空站参数的研究与设计[J].给水排水，2002，28(5)：67-70．

[4] 邱慧，王研.铁路战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] 段金明，周敬宣.真空管道垃圾收集系统关键工艺参数优化设计[J].真空，2001，44(1)：39-41．

[6] 张远君，王慧玉，张振鹏.两相流体动力学基础理论及工程应用[M].北京：北京航空学院出版社，1987．

[7] 李炎炎.真空管道运输系统管道实验模型概念设计[D].成都：西南交通大学，2008．

[8] 达道安.真空设计手册[M].3版.北京：国防工业出版社，2004．

[9] 张耀平.真空管道运输[J].真空，2006，43(2)：57-59．

[10]齐薇.西安北站真空卸污设施设计及应用探讨[J].铁道标准设计，2014(4):93-96．

[11]沈志云.关于我国发展真空管道高速交通的思考[J].西南交通大学学报，2005，40(2)：133-137．

[12]段金明，周敬宣，林洪.真空排污管网水利计算方法及设计程序[J].中国给水排水，2006，22(6)：46-49．

Experimental Study on Piping Design Parameters of Vacuum Sewage Disposal System

WANG Da-peng1， QIU Hui2

(1.China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China； 2.Energy Saving & Environmental Protection &Occupational Safety and Health Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

This paper introduces the main parameters in the vacuum sewage disposal system piping design， and addresses the calculation and selection of some main parameters in the course of design. Through simulation and test of vacuum sewage disposal system， frictional head loss is randomly selected to calculate and analyze the results. AWR is selected according to Vacuum Sewerage Code of Australia and validated by calculating the reliability of the AWR. Sewage disposal is tested at different sewage disposal points selected and with different lengths of unit sewage hose. The test results are analyzed．

Pipeline design; Frictional head loss; AWR; Sewage disposal time

2015-02-16；

2015-03-17

中国铁道科学研究院行业创新项目(2013YJ065)

王大鹏(1989—)，男，硕士研究生，E-mail：liluoxingchen6@163.com。

1004-2954(2015)10-0168-04

X703

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.037