郭 霖，吳國華，齊鳴春

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

1 概述

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

國內(nèi)鐵路旅客列車真空卸污技術(shù)的工程應(yīng)用起始于20世紀(jì)末期。自2003年以來,為解決鐵路污染突出的環(huán)境問題,鐵道部在建立綠色鐵路運(yùn)輸通道的“十五”環(huán)境保護(hù)計劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)以及中國鐵路主要技術(shù)政策中，都要求旅客列車必須改變列車污物排除方式而配備密閉式廁所集便器。與車載集便器相應(yīng)的集便污物通過地面接收系統(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)計方案合理,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,是最能適應(yīng)車站卸污的真空卸污技術(shù)。

2 車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)計階段,對動車組在車站卸污的必要性認(rèn)識不夠,與各條高速鐵路、客運(yùn)專線的研究設(shè)計主導(dǎo)想法相同,都是把動車組卸污放在動車段、所進(jìn)行,因而沒有卸污的設(shè)計內(nèi)容。但隨著京津城際鐵路高密度、公交化發(fā)車的運(yùn)輸組織模式的確定,為適應(yīng)動車組高效運(yùn)營的要求,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,動車組卸污利用到發(fā)站短暫時段進(jìn)行作業(yè)。隨著車站建筑設(shè)計理念的提升,對站區(qū)環(huán)境質(zhì)量要求高,旅客通行、動車組整備作業(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,首先是卸污設(shè)置場地和能力方面進(jìn)行了方案比選,設(shè)計進(jìn)行了到發(fā)線卸污和折返線卸污2個方案的詳細(xì)技術(shù)分析比較。北京南站總規(guī)模13臺24線,其中京津城際4臺7線、京滬高速場6臺12線、普速場3臺5線。根據(jù)近、遠(yuǎn)期旅客列車開行方案,京滬2020/2030年到發(fā)車88/118對,京津2020/2030年到發(fā)車187/195對,到發(fā)線立折是主要方式,尤其高峰時不允許到折返線折返,折返線僅作為動車組夜間停車場。車站終到立即折返總停留時間一般30 min以內(nèi),終到立折車卸污整備作業(yè)總時間要求20 min以內(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、時間短,到發(fā)線卸污是唯一適宜的車站卸污方案。

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

動車組卸污地面接收系統(tǒng)的研究內(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個方面,同時也是本工程的技術(shù)關(guān)鍵。

2.1 卸污需求分析

卸污需求即作業(yè)周期取決于列車定員、滿員率、運(yùn)行時間、污物箱容積、集便器容量等參數(shù)。根據(jù)有關(guān)資料計算動車組污物箱容積500L的貯污能力一般能滿足連續(xù)運(yùn)行15h以上。

根據(jù)開行方案和運(yùn)用車底數(shù),對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)的動車組1天20列。因此同一時段內(nèi)同時卸污整備列車數(shù)的需要即卸污整備線數(shù)為2線,京滬場和城際場各1線。

從保證運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸能力的角度考慮,車站列車停時短,卸污操作環(huán)境條件較復(fù)雜,卸污作業(yè)必須在限定的時間內(nèi)完成,以此確定同時卸污設(shè)施的能力。車站終到立即折返動車組總停留時間一般30 min,卸污整備作業(yè)總時間20 min以內(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,單個污物箱排空時間不大于1～2 min,污物箱污水流速不小于5 L/s。對于2列重連16輛長編組動車組,2口同時卸污才能保證整列卸污時間在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、分場分步實(shí)施的技術(shù)方案和設(shè)計原則,近期按照單列2口同時卸污,對16輛長編動車組,2名卸污工人操作條件下在20 min內(nèi)完成整列動車組卸污作業(yè),遠(yuǎn)期按照4口同時作業(yè)。

同時結(jié)合施工的場地、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)計在京津城際場1～4道4條到發(fā)線間和京滬高速場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)置在一站臺東南端,泵組按近期配2套。

3 主要設(shè)計方案及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)計方案

根據(jù)北京南站的總圖規(guī)劃,真空卸污系統(tǒng)設(shè)計原則為分場分期實(shí)施建設(shè),卸污接收單元近期5排、遠(yuǎn)期10排,城際場遠(yuǎn)期增加1排單元,京滬場遠(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口同時卸污作業(yè),予留遠(yuǎn)期場地。

3.2 設(shè)計難點(diǎn)

為使真空卸污系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到最優(yōu)化,在沒有技術(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個方面的設(shè)計難點(diǎn)。

(1)卸污作業(yè)快速高效,不遺灑,無臭氣溢出。

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

(3)卸污單元設(shè)計在到客運(yùn)場發(fā)線間,與客車上水在同一場所,設(shè)計布置緊湊、占地少、衛(wèi)生條件良好。

(4)真空中心位于站場一端,真空卸污管路長,最遠(yuǎn)端卸污單元距機(jī)組管路長達(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個方面,以下從這4個方面敘述設(shè)計的特點(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控制功能的設(shè)備處所。真空卸污系統(tǒng)設(shè)計真空值在30～70 kPa。真空機(jī)組設(shè)備具有自動恢復(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,布置在站場一站臺遠(yuǎn)端。設(shè)計難點(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)需要滿足的抽吸范圍達(dá)700 m。

經(jīng)計算真空卸污系統(tǒng)的損失和高程設(shè)計,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、下限值自動啟停凸輪泵,并具有壓力報警功能。

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載集便器卸污口簡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臺單元,覆蓋2列重聯(lián)16節(jié)長編組動車組每節(jié)車廁所的位置。接收單元滿足CRH1～3、CRH5等各型動車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,與列車集便器污物箱排污口相適應(yīng),卸污軟管公稱直徑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,柜體與列車外皮凈距不小于1 m,既保證卸污作業(yè)快捷方便,同時滿足鐵路車輛限界要求,同時卸污接收單元安裝位置與客車上水設(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)備配備軟管水平盤繞電動卷管器,軟管拉出作業(yè)時輕便靈活、卸污作業(yè)完自動回圈,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1～2、3～4道到發(fā)線間和京滬場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。

真空抽吸管路最長達(dá)700 m,系統(tǒng)總體布置和平縱斷面設(shè)計滿足了長距離卸污的要求。

(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。真空中心設(shè)置了計量、檢測儀表和相關(guān)自動控制設(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,由軟件實(shí)現(xiàn)對真空機(jī)組的實(shí)時監(jiān)測、動態(tài)管理,跟蹤指示設(shè)備性能,根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)對設(shè)備故障實(shí)時報警,并預(yù)留集中管理的信息化接口條件,以滿足系統(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

本工程設(shè)計創(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)了我國高速鐵路車站應(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,能力完全滿足車站卸污要求,適應(yīng)了動車組運(yùn)輸組織需要,為中國第一條時速350 km的高速鐵路的平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力的保障,對環(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)了我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針和節(jié)能環(huán)保的時代理念,具有顯著的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

目前在車站設(shè)置真空卸污已成為行業(yè)發(fā)展趨勢,本工程為車站卸污提供了設(shè)計模版,對高速鐵路建設(shè)采用真空卸污技術(shù)具有重要借鑒和示范作用,同時對地鐵站段設(shè)計采用真空卸污技術(shù)也有借鑒的價值。

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