郭 霖，吳國(guó)華，齊鳴春

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

列車(chē)排污一直是污染控制重點(diǎn)。隨著我國(guó)鐵路動(dòng)車(chē)組開(kāi)行和真空卸污技術(shù)的應(yīng)用,真空卸污系統(tǒng)從源頭消滅旅客列車(chē)造成的環(huán)境污染問(wèn)題。卸污作業(yè)是動(dòng)車(chē)組集便器運(yùn)用整備的一項(xiàng)基本內(nèi)容,工作性質(zhì)類(lèi)似于客車(chē)上水,但當(dāng)廁所污物箱因沒(méi)有貯污空間將使車(chē)上廁所喪失功能、停止使用后,給旅客造成的不便將遠(yuǎn)大于車(chē)上洗漱用水的供給,故對(duì)卸污作業(yè)的安全可靠性比客車(chē)上水系統(tǒng)要求高。真空卸污技術(shù)與高速列車(chē)技術(shù)密切配套的關(guān)鍵技術(shù),一直是專(zhuān)業(yè)前沿課題。

國(guó)內(nèi)鐵路旅客列車(chē)真空卸污技術(shù)的工程應(yīng)用起始于20世紀(jì)末期。自2003年以來(lái),為解決鐵路污染突出的環(huán)境問(wèn)題,鐵道部在建立綠色鐵路運(yùn)輸通道的“十五”環(huán)境保護(hù)計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)以及中國(guó)鐵路主要技術(shù)政策中，都要求旅客列車(chē)必須改變列車(chē)污物排除方式而配備密閉式廁所集便器。與車(chē)載集便器相應(yīng)的集便污物通過(guò)地面接收系統(tǒng)完成卸除。我院2004年底建成的濟(jì)南客運(yùn)段卸污工程是鐵路真空卸污系統(tǒng)試點(diǎn)工程,主要采用氣液混合流低真空輸送技術(shù),但隨著技術(shù)進(jìn)步及科技創(chuàng)新,各種類(lèi)型的真空卸污設(shè)施在鐵路工程中均得到應(yīng)用。本工程是國(guó)內(nèi)大型客站建成的規(guī)模最大的凸輪泵機(jī)組形式的真空卸污系統(tǒng),實(shí)踐證明設(shè)計(jì)方案合理,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,是最能適應(yīng)車(chē)站卸污的真空卸污技術(shù)。

2 車(chē)站卸污的重要性及卸污技術(shù)關(guān)鍵

北京南站為現(xiàn)代化的特大型綜合交通樞紐客站的示范站,承擔(dān)京津城際、京滬高速和部分普速鐵路的始發(fā)終到作業(yè),總體建設(shè)技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

在北京南站改擴(kuò)建工程的方案研究和設(shè)計(jì)階段,對(duì)動(dòng)車(chē)組在車(chē)站卸污的必要性認(rèn)識(shí)不夠,與各條高速鐵路、客運(yùn)專(zhuān)線的研究設(shè)計(jì)主導(dǎo)想法相同,都是把動(dòng)車(chē)組卸污放在動(dòng)車(chē)段、所進(jìn)行,因而沒(méi)有卸污的設(shè)計(jì)內(nèi)容。但隨著京津城際鐵路高密度、公交化發(fā)車(chē)的運(yùn)輸組織模式的確定,為適應(yīng)動(dòng)車(chē)組高效運(yùn)營(yíng)的要求,北京南站增設(shè)真空卸污設(shè)施成為必然。因此在2007年10月北京南站工程建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)刻,在地下結(jié)構(gòu)主體工程基本已完工的情況下,進(jìn)行了設(shè)置卸污系統(tǒng)的研究。

在北京南站這種特大型客站,客運(yùn)繁忙,運(yùn)輸旅客量巨大,動(dòng)車(chē)組卸污利用到發(fā)站短暫時(shí)段進(jìn)行作業(yè)。隨著車(chē)站建筑設(shè)計(jì)理念的提升,對(duì)站區(qū)環(huán)境質(zhì)量要求高,旅客通行、動(dòng)車(chē)組整備作業(yè)在同一空間內(nèi)既要融為一體又要互不干擾,對(duì)卸污系統(tǒng)的基本性能要求是安全衛(wèi)生、方便快捷,因此必須設(shè)置固定卸污系統(tǒng),以適應(yīng)高速客運(yùn)的需求。

根據(jù)北京南站施工圖設(shè)計(jì),首先是卸污設(shè)置場(chǎng)地和能力方面進(jìn)行了方案比選,設(shè)計(jì)進(jìn)行了到發(fā)線卸污和折返線卸污2個(gè)方案的詳細(xì)技術(shù)分析比較。北京南站總規(guī)模13臺(tái)24線,其中京津城際4臺(tái)7線、京滬高速場(chǎng)6臺(tái)12線、普速場(chǎng)3臺(tái)5線。根據(jù)近、遠(yuǎn)期旅客列車(chē)開(kāi)行方案,京滬2020/2030年到發(fā)車(chē)88/118對(duì),京津2020/2030年到發(fā)車(chē)187/195對(duì),到發(fā)線立折是主要方式,尤其高峰時(shí)不允許到折返線折返,折返線僅作為動(dòng)車(chē)組夜間停車(chē)場(chǎng)。車(chē)站終到立即折返總停留時(shí)間一般30 min以?xún)?nèi),終到立折車(chē)卸污整備作業(yè)總時(shí)間要求20 min以?xún)?nèi)。因此從適應(yīng)能力和工程條件等方面分析,卸污作業(yè)量大、時(shí)間短,到發(fā)線卸污是唯一適宜的車(chē)站卸污方案。

固定真空卸污在國(guó)內(nèi)、路內(nèi)是新技術(shù),沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范可遵循,設(shè)計(jì)缺乏經(jīng)驗(yàn),因此在保證運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸能力的要求下,同時(shí)必須結(jié)合南站已完工的工程現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行設(shè)計(jì),技術(shù)難度極大。

動(dòng)車(chē)組卸污地面接收系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容包括卸污需求分析、卸污方式的選擇和卸污規(guī)模的確定等3個(gè)方面,同時(shí)也是本工程的技術(shù)關(guān)鍵。

2.1 卸污需求分析

卸污需求即作業(yè)周期取決于列車(chē)定員、滿(mǎn)員率、運(yùn)行時(shí)間、污物箱容積、集便器容量等參數(shù)。根據(jù)有關(guān)資料計(jì)算動(dòng)車(chē)組污物箱容積500L的貯污能力一般能滿(mǎn)足連續(xù)運(yùn)行15h以上。

根據(jù)開(kāi)行方案和運(yùn)用車(chē)底數(shù),對(duì)京滬高速和京津城際進(jìn)行卸污需求分析,京滬高速和京津城際需要卸污作業(yè)的動(dòng)車(chē)組1天20列。因此同一時(shí)段內(nèi)同時(shí)卸污整備列車(chē)數(shù)的需要即卸污整備線數(shù)為2線,京滬場(chǎng)和城際場(chǎng)各1線。

從保證運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸能力的角度考慮,車(chē)站列車(chē)停時(shí)短,卸污操作環(huán)境條件較復(fù)雜,卸污作業(yè)必須在限定的時(shí)間內(nèi)完成,以此確定同時(shí)卸污設(shè)施的能力。車(chē)站終到立即折返動(dòng)車(chē)組總停留時(shí)間一般30 min,卸污整備作業(yè)總時(shí)間20 min以?xún)?nèi)。根據(jù)濟(jì)南試驗(yàn)線數(shù)據(jù),真空卸污系統(tǒng)壓力值30～70 kPa,單個(gè)污物箱排空時(shí)間不大于1～2 min,污物箱污水流速不小于5 L/s。對(duì)于2列重連16輛長(zhǎng)編組動(dòng)車(chē)組,2口同時(shí)卸污才能保證整列卸污時(shí)間在20 min內(nèi)。

2.2 卸污方式的選擇

固定真空排污系統(tǒng)是利用真空作為動(dòng)力源的負(fù)壓排污系統(tǒng),由設(shè)置在固定位置的接收單元通過(guò)真空管道將集便器污物抽吸排放。固定真空排污有3種方式,一是真空泵機(jī)組,由真空泵機(jī)組抽排系統(tǒng)內(nèi)空氣形成真空,由真空泵、真空罐、排污泵、控制設(shè)備等組成；二是噴射器機(jī)組,由噴射泵機(jī)組抽排系統(tǒng)內(nèi)空氣形成真空,由噴射泵、污水收集罐、排污泵、控制設(shè)備等組成；三是凸輪泵機(jī)組,由旋轉(zhuǎn)凸輪泵機(jī)組抽排系統(tǒng)內(nèi)空氣形成真空,同時(shí)將污物直接壓力排出,由旋轉(zhuǎn)凸輪泵和控制設(shè)備等組成。由于污物能實(shí)現(xiàn)從抽吸到壓力排出的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，占地少，可設(shè)置在線間,因此也稱(chēng)在線機(jī)組方式。

根據(jù)南站的總體規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容和土建地下結(jié)構(gòu)已基本完工的實(shí)際情況,卸污方式采用符合要求的凸輪泵機(jī)組形式。

2.3 卸污規(guī)模的確定

根據(jù)以上分析,確定了真空卸污系統(tǒng)預(yù)留遠(yuǎn)期、分場(chǎng)分步實(shí)施的技術(shù)方案和設(shè)計(jì)原則,近期按照單列2口同時(shí)卸污,對(duì)16輛長(zhǎng)編動(dòng)車(chē)組,2名卸污工人操作條件下在20 min內(nèi)完成整列動(dòng)車(chē)組卸污作業(yè),遠(yuǎn)期按照4口同時(shí)作業(yè)。

同時(shí)結(jié)合施工的場(chǎng)地、市政排水條件和環(huán)保要求,相鄰兩條到發(fā)線設(shè)置1排卸污接收單元,設(shè)計(jì)在京津城際場(chǎng)1～4道4條到發(fā)線間和京滬高速場(chǎng)15～20道6條到發(fā)線間,共設(shè)5排真空卸污接收單元。真空中心共用1處,設(shè)置在一站臺(tái)東南端,泵組按近期配2套。

3 主要設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)北京南站的總圖規(guī)劃,真空卸污系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為分場(chǎng)分期實(shí)施建設(shè),卸污接收單元近期5排、遠(yuǎn)期10排,城際場(chǎng)遠(yuǎn)期增加1排單元,京滬場(chǎng)遠(yuǎn)期增加2排單元；凸輪泵機(jī)組真空中心1座,凸輪泵機(jī)組能力近期單線2口、遠(yuǎn)期雙線4口同時(shí)卸污作業(yè),予留遠(yuǎn)期場(chǎng)地。

3.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

為使真空卸污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化,在沒(méi)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可循的情況下,分析作業(yè)需求和工程實(shí)際,研究解決了真空卸污系統(tǒng)如下4個(gè)方面的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

(1)卸污作業(yè)快速高效,不遺灑,無(wú)臭氣溢出。

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模大,真空卸污機(jī)組最大能力雙線4口同時(shí)抽吸,卸污單元5排110套。

(3)卸污單元設(shè)計(jì)在到客運(yùn)場(chǎng)發(fā)線間,與客車(chē)上水在同一場(chǎng)所,設(shè)計(jì)布置緊湊、占地少、衛(wèi)生條件良好。

(4)真空中心位于站場(chǎng)一端,真空卸污管路長(zhǎng),最遠(yuǎn)端卸污單元距機(jī)組管路長(zhǎng)達(dá)700 m。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

卸污系統(tǒng)的組成包括真空中心、接收單元、真空卸污管道和信息控制設(shè)備等4個(gè)方面,以下從這4個(gè)方面敘述設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)裝備。

(1)真空中心

真空中心是設(shè)置真空機(jī)組產(chǎn)生真空、維持真空度并具有排送污物和自動(dòng)控制功能的設(shè)備處所。真空卸污系統(tǒng)設(shè)計(jì)真空值在30～70 kPa。真空機(jī)組設(shè)備具有自動(dòng)恢復(fù)真空的能力,也即維持系統(tǒng)真空度的能力,從設(shè)置的真空度下限恢復(fù)到上限的運(yùn)行周期不超過(guò)4 min。由于低真空輸送系統(tǒng)能力的限制,為減少系統(tǒng)阻力損失,真空中心一般要求布置在卸污系統(tǒng)的中心位置,真空機(jī)組設(shè)備與最遠(yuǎn)卸污單元之間的真空卸污管道最大長(zhǎng)度不大于450～500 m。

根據(jù)北京南站的總平面布置、綜合管線情況以及已完工的實(shí)際情況,本工程真空中心1處,選擇采用凸輪泵機(jī)組形式,布置在站場(chǎng)一站臺(tái)遠(yuǎn)端。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于真空中心距離最遠(yuǎn)卸污單元約700 m,這就要求卸污系統(tǒng)需要滿(mǎn)足的抽吸范圍達(dá)700 m。

經(jīng)計(jì)算真空卸污系統(tǒng)的損失和高程設(shè)計(jì),真空中心采用地下式結(jié)構(gòu)形式,到發(fā)線間卸污管道以一定坡度坡向真空中心。凸輪泵機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)分別控制系統(tǒng)的真空值上、下限,根據(jù)設(shè)定的上、下限值自動(dòng)啟停凸輪泵,并具有壓力報(bào)警功能。

真空中心值班電控室地上設(shè)置,機(jī)械設(shè)備間地下結(jié)構(gòu),在機(jī)械設(shè)備間結(jié)構(gòu)頂板上設(shè)置用于起吊設(shè)備的設(shè)備吊裝孔和通風(fēng)換氣設(shè)備。

(2)真空卸污接收單元

接收單元是與集便器污物箱連接,將污物抽吸輸送至真空卸污管道的設(shè)備。真空卸污接收單元由卸污軟管和與車(chē)載集便器卸污口簡(jiǎn)便密切連接的快速接頭組成,與集便器污物箱連接,具有將污物抽吸輸送至后續(xù)真空卸污管道的功能。卸污快速接頭與列車(chē)污物箱排出口可靠密閉連接是保證不泄漏的關(guān)鍵。

本工程在相鄰兩條到發(fā)線設(shè)置與股道平行的一排卸污接收單元,安裝在到發(fā)線間凈寬800 mm的蓋板溝內(nèi),半地上式安裝。卸污接收單元的布置采用全覆蓋方式,設(shè)置間距不大于20 m,一排22臺(tái)單元,覆蓋2列重聯(lián)16節(jié)長(zhǎng)編組動(dòng)車(chē)組每節(jié)車(chē)廁所的位置。接收單元滿(mǎn)足CRH1～3、CRH5等各型動(dòng)車(chē)組的卸污接口位置和端口技術(shù)要求。卸污接收單元接口型式為2.5 in D型標(biāo)準(zhǔn)陰端快速接頭,與列車(chē)集便器污物箱排污口相適應(yīng),卸污軟管公稱(chēng)直徑50 mm。

本工程接收單元采用一體化柜式電控抽吸單元設(shè)備,卸污軟管服務(wù)半徑≥10 m,柜體與列車(chē)外皮凈距不小于1 m,既保證卸污作業(yè)快捷方便,同時(shí)滿(mǎn)足鐵路車(chē)輛限界要求,同時(shí)卸污接收單元安裝位置與客車(chē)上水設(shè)備保持凈距不小于2 m的衛(wèi)生防護(hù)距離。抽吸單元設(shè)備配備軟管水平盤(pán)繞電動(dòng)卷管器,軟管拉出作業(yè)時(shí)輕便靈活、卸污作業(yè)完自動(dòng)回圈,軟管末端快速接頭由銅質(zhì)接頭、銅質(zhì)球閥和鎖緊扣環(huán)組成。單元結(jié)構(gòu)緊湊,設(shè)置感應(yīng)式開(kāi)關(guān),并設(shè)有電伴熱加熱裝置,在冬季條件下使用防凍。單元外形尺寸L×B×H=0.9 m×0.6 m×0.95 m,安裝高出蓋板450 mm。

(3)真空卸污管道

真空卸污管道保持密閉狀態(tài),輸送與排放污物,一般平行股道以一定坡度鋪設(shè)。

本工程在城際場(chǎng)1～2、3～4道到發(fā)線間和京滬場(chǎng)15～16、17～18、19～20道到發(fā)線,共設(shè)5排真空卸污管道。在站房地下結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)真空卸污管道安裝在凈寬400 mm的蓋板溝內(nèi),地下結(jié)構(gòu)外管道地下直埋,穿越鐵路設(shè)防護(hù)涵管。

根據(jù)低真空系統(tǒng)輸送的原理,管材、管件的采用及安裝均必須符合系統(tǒng)氣密性的要求。采用給水聚乙烯PE100塑料管材、管件,承壓1.0 MPa,其特性是內(nèi)壁光滑、阻力小、耐腐蝕性強(qiáng)、安裝便捷。真空干管管徑DN150。在管道安裝方面,采用電熔連接,采用45°彎頭管件,支管與干管連接接點(diǎn)位于水平軸向上方。

卸污管道一般設(shè)計(jì)坡度在2‰～5‰,本工程受已完工程條件限制,線間蓋板溝內(nèi)卸污管道安裝坡度接近極限,僅0～1‰,管底高程要求嚴(yán)格。管溝內(nèi)采用聚氨酯泡沫保溫，厚30 mm。

真空抽吸管路最長(zhǎng)達(dá)700 m,系統(tǒng)總體布置和平縱斷面設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了長(zhǎng)距離卸污的要求。

(4)真空卸污信息與控制系統(tǒng)

在每排卸污管道距真空中心的遠(yuǎn)端設(shè)置壓力表。在每排卸污管道接入過(guò)軌干管前設(shè)置壓力傳感器,數(shù)值與真空中心控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。真空中心設(shè)置了計(jì)量、檢測(cè)儀表和相關(guān)自動(dòng)控制設(shè)施。根據(jù)卸污整備作業(yè)工藝流程和系統(tǒng)組成等配備了信息監(jiān)控設(shè)備——信息管理控制操作臺(tái),由軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)真空機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)管理,跟蹤指示設(shè)備性能,根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)設(shè)備故障實(shí)時(shí)報(bào)警,并預(yù)留集中管理的信息化接口條件,以滿(mǎn)足系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)試等不同階段的運(yùn)行管理要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新采用節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵技術(shù)——凸輪泵機(jī)組形式的固定真空卸污技術(shù),為大型客站首創(chuàng),填補(bǔ)了我國(guó)高速鐵路車(chē)站應(yīng)用真空卸污技術(shù)的空白。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,操作便捷、污物抽吸干凈,能力完全滿(mǎn)足車(chē)站卸污要求,適應(yīng)了動(dòng)車(chē)組運(yùn)輸組織需要,為中國(guó)第一條時(shí)速350 km的高速鐵路的平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力的保障,對(duì)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排有重要的作用,為建設(shè)環(huán)保型綠色鐵路作出了貢獻(xiàn),體現(xiàn)了我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針和節(jié)能環(huán)保的時(shí)代理念,具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

目前在車(chē)站設(shè)置真空卸污已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì),本工程為車(chē)站卸污提供了設(shè)計(jì)模版,對(duì)高速鐵路建設(shè)采用真空卸污技術(shù)具有重要借鑒和示范作用,同時(shí)對(duì)地鐵站段設(shè)計(jì)采用真空卸污技術(shù)也有借鑒的價(jià)值。

[1] 薛林海.鐵路旅客列車(chē)密閉式廁所地面真空卸污技術(shù)研究報(bào)告[R].天津：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2008.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10010—2008 鐵路給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T3163—2007 鐵路站段真空卸污系統(tǒng)技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[4] GB50268—2008 給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[5] CJJ101—2004 埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程[S].

[6] 鄒 紅.客運(yùn)專(zhuān)線鐵路旅客列車(chē)地面卸污系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(9).

[7] 劉海玉.青島客站列車(chē)地面卸污系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(8).

[8] 達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1996.