楊學(xué)智，譚金汶，李 鵬，龔圣陽(yáng)

(1.中國(guó)鐵路昆明局集團(tuán)有限公司 昆明樞紐鐵路建設(shè)指揮部，云南 昆明 650011；2.中鐵十一局集團(tuán) 建筑安裝工程有限公司，湖北 武漢 430000；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 北京中鐵科節(jié)能環(huán)保新技術(shù)有限公司，北京 100081)

目前，我國(guó)鐵路集便器污物的接收系統(tǒng)全部采用真空卸污系統(tǒng)[1]。對(duì)昆明南站真空系統(tǒng)及影響卸污性能的主要影響因素進(jìn)行分析，通過計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)卸污性能進(jìn)行可行性論證，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加設(shè)備、優(yōu)化控制系統(tǒng)控制邏輯，使系統(tǒng)能力得到提升，為鐵路真空卸污擴(kuò)能改造提供參考及借鑒。

1 概述

昆明南站海拔近2 000 m，是西南部地區(qū)大型綜合性交通樞紐，設(shè)站臺(tái)16個(gè)、到發(fā)線30條，計(jì)劃日辦理旅客列車303對(duì)。車站設(shè)計(jì)采用儲(chǔ)能罐式真空卸污機(jī)組系統(tǒng)，在車站5道至6道、13道至14道間各設(shè)17套卸污單元，滿足450 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)列車卸污作業(yè)需求；25道至26道間設(shè)21套卸污單元，滿足550 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)列車卸污作業(yè)需求，共計(jì)3排55套卸污單元[2]。

站場(chǎng)內(nèi)設(shè)真空卸污泵房1處，采用儲(chǔ)能罐式真空卸污機(jī)組1套，其中真空泵Q=250～300 m3/h，N=7.5 kW，共2臺(tái)，一用一備；排污物泵為Q=60 m3/h，H=20 m，N=7.5 kW，共2臺(tái)，一用一備；真空罐2個(gè)，單罐體積V=8 m3，一用一備；Q=600 m3/h直徑1.0 m生物濾塔除臭裝置1套。真空卸污系統(tǒng)設(shè)計(jì)卸污流量為15 L/s，卸污系統(tǒng)真空值范圍40～60 kPa，可以4個(gè)卸污口同時(shí)進(jìn)行卸污作業(yè)。

2017年初滬昆場(chǎng)終到列車為44列/日，在站卸污作業(yè)車次不斷增加，經(jīng)常出現(xiàn)2列動(dòng)車組列車同時(shí)卸污作業(yè)的需求，在車站有效卸污總作業(yè)時(shí)間短的情況下(一般不大于20 min)，真空卸污系統(tǒng)能力不能保證6個(gè)以上污物箱同時(shí)在3 min內(nèi)排空的實(shí)際需要。

2 改造方案設(shè)計(jì)

2.1 卸污能力確定

結(jié)合車站特點(diǎn)及情況，改造重點(diǎn)立足于車站整體卸污能力的提升。改造目標(biāo)是昆明南站可以同時(shí)使用2排卸污單元、每排卸污單元均可以同時(shí)使用3～4個(gè)進(jìn)行卸污作業(yè)，而且每個(gè)卸污單元均能保持約4 L/s的卸污能力。

改造后真空卸污系統(tǒng)污水的設(shè)計(jì)流量應(yīng)滿足6個(gè)卸污口同時(shí)進(jìn)行卸污作業(yè)，5～6名卸污工人可以在20 min內(nèi)完成2列16輛編組動(dòng)車組列車的卸污整備作業(yè)，即任何1列短編組列車8 min內(nèi)完成卸污作業(yè)、1列長(zhǎng)編組列車15～20 min完成卸污作業(yè)。

2.2 改造方案分析

鐵路列車真空卸污時(shí)管道內(nèi)污水為氣-液-固三相流，污水輸送過程中主要需克服摩擦壓力損失和重力各提升管段損失。摩擦損失主要取決于管徑、污水流量、氣液比、管線長(zhǎng)度；提升損失主要是各提升管段的累計(jì)提升高度。

可以通過采取以下措施提高真空系統(tǒng)卸污能力：①增大卸污管管徑，降低管路污水輸送沿程水頭損失(主要是摩擦壓力損失)；②增加氣液比，氣液比過低會(huì)造成輸送不暢，在提升管段易形成水塞，阻礙負(fù)壓向遠(yuǎn)端傳遞，造成遠(yuǎn)端真空不足，影響系統(tǒng)運(yùn)行；③減少管路的總提升高度；④提高系統(tǒng)的真空度[3]。

在設(shè)計(jì)和實(shí)施中，真空干管以坡度0.1%坡向真空機(jī)房，真空罐采用地下式，真空卸污管路全程無提升段，3條真空卸污支管管徑為de160，合并后真空干管管徑為de225至真空中心。主干管采用較大管徑的設(shè)計(jì)為整個(gè)卸污系統(tǒng)擴(kuò)能改造提供了條件。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)及情況，確定采用提高系統(tǒng)抽真空能力及系統(tǒng)真空度解決系統(tǒng)卸污能力不足問題。

2.3 機(jī)組選型計(jì)算

系統(tǒng)按照6口同時(shí)卸污，真空度50～70 kPa，平均氣水比取5，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備選型。

2.3.1 真空泵

(1)計(jì)算最大小時(shí)污水流量(qw)。6口同時(shí)吸污，3 min(0.05 h)內(nèi)完成6個(gè)集便箱作業(yè)，單個(gè)污物箱吸污量平均500 L(0.5 m3)，計(jì)算為

qw=(0.5×6)/0.05=60(m3/h)

(1)

式中：qw為最大小時(shí)污水流量，m3/h。

(2)計(jì)算空氣量(qA)。最大小時(shí)空氣量計(jì)算為

qA=qw×AWR

(2)

式中：AWR為平均氣水比，取5。

根據(jù)公式(2)，qA=60×5=300(m3/h)。

(3)真空泵組最大小時(shí)吸入氣體總體積(qAmax)。最大小時(shí)吸入氣體總體積按下式計(jì)算

qAmax=qA×α×Pu/[(Pmax+Pmin)/2]

(3)

式中：qAmax為真空泵組最大小時(shí)吸入氣體總體積，m3/h；Pu為環(huán)境氣壓，kPa；α為安全系數(shù)，取1.2～1.5；Pmax為真空罐內(nèi)最大的絕對(duì)壓力，kPa；Pmin為真空罐內(nèi)最小的絕對(duì)壓力，kPa。

根據(jù)公式(3)，安全系數(shù)取1.4，昆明當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?0.5 kPa，最大絕對(duì)壓力為70 kPa，最小絕對(duì)壓力為50 kPa，則

qAmax=300×1.4×80.5/[70 + 50)/2] =564(m3/h)

(4)確定真空泵數(shù)量(nA)。真空泵數(shù)量應(yīng)滿足

nA≥qAmax/qAp+ 1

(4)

式中：qAp為單臺(tái)真空泵額定抽氣速率，m3/h。

根據(jù)前面計(jì)算可知，qAmax為564 m3/h，qAp為300 m3/h，nA為3，系統(tǒng)采用2用1備。

2.3.2 污水泵

(1)單臺(tái)污水泵排水量。單臺(tái)污水泵額定排水量應(yīng)滿足

qwP≥qw/ (nw-1)

(5)

式中：qwP為單臺(tái)污水泵額定流量，m3/h；nw為排水泵的數(shù)量。

(2)污水泵揚(yáng)程。污水泵揚(yáng)程應(yīng)滿足

Hp≥H1+H2+H3+H4+H5

(6)

式中：Hp為污水泵揚(yáng)程，m；H1為污水泵吸水管路水頭損失，m；H2為污水泵排水管道水頭損失，m；H3為真空罐最低液位與污水壓力排放口的高程差，m；H4為需要克服系統(tǒng)的負(fù)壓阻力(即真空罐內(nèi)的最大負(fù)壓值)，m；H5為流出水頭，m，可按1～2 m計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，污水泵揚(yáng)程為12 m。型號(hào)為sev80.80.75.的污水泵，流量為72 m3/h、揚(yáng)程為12 m、功率為7.5 kw，滿足要求。

2.3.3 真空罐

(1)真空罐中最小氣體體積。真空罐中最小氣體體積為

VA= 0.25×qAp×0.5×(Pmax+Pmin)/[(Pmax-Pmin)×(nA-1)×f]

(7)

式中：VA為真空罐最小氣體體積，m3；f為污水泵在1 h 內(nèi)的最大開啟次數(shù)，排污泵每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)不應(yīng)大于12次，取值10[4]。

根據(jù)公式(7)，計(jì)算真空罐中最小氣體體積VA=11.25 m3。

(2)真空罐中最小儲(chǔ)水體積。真空罐中最小儲(chǔ)水體積[5]為

Vw=0.25×qw/f

(8)

式中：Vw為真空罐最小儲(chǔ)水體積，m3。

根據(jù)公式(8)，計(jì)算真空罐中最小儲(chǔ)水體積Vw=1.5 m3。

(3)真空罐總?cè)莘e。真空罐總?cè)莘e(V)為

V=VW+VA=11.25+1.5=12.75(m3)

昆明南站真空罐直徑1.8 m，實(shí)際總?cè)莘e為 8 m3，則單座真空罐容積無法滿足系統(tǒng)需求。

通過計(jì)算可知，系統(tǒng)中的排污泵流量滿足6口卸污作業(yè)需求，昆明南站現(xiàn)有系統(tǒng)采用一用一備，在原有2臺(tái)真空泵的基礎(chǔ)上增加1臺(tái)相同型號(hào)規(guī)格真空泵，可以滿足系統(tǒng)抽氣量需要；真空罐容積無法滿足系統(tǒng)需要，通過將2座真空罐由一用一備模式變?yōu)橥瑫r(shí)使用，真空罐容積問題得以解決。

3 改造方案實(shí)施及效果分析

3.1 方案實(shí)施

根據(jù)改造方案計(jì)算，真空中心泵房?jī)?nèi)需增加相同型號(hào)的真空泵1臺(tái)，改為兩用一備；真空罐由一用一備，改為2個(gè)同時(shí)使用，互為備用；排污泵維持原設(shè)計(jì)一用一備，相應(yīng)改造供電及控制系統(tǒng)。

(1)真空泵。控制系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)3臺(tái)真空泵，兩用一備、互為備用。調(diào)整真空度維持區(qū)間為50～70 kPa，調(diào)整2臺(tái)真空泵啟動(dòng)真空度分別為55 kPa和53 kPa，并在程序中設(shè)置延時(shí)，避免真空泵因真空度的波動(dòng)頻繁起動(dòng)。

(2)排污泵。排污泵的工作揚(yáng)程隨真空度增加而變大，排污泵啟動(dòng)必須考慮真空罐負(fù)壓變化對(duì)流量的影響，同時(shí)考慮排污泵啟動(dòng)次數(shù)，為滿足系統(tǒng)需要，對(duì)真空罐中設(shè)定的高低液位進(jìn)行調(diào)整。排污泵啟動(dòng)液位高度降低20 cm，停泵液位高度降低15 cm，并且保證真空罐中最小儲(chǔ)水容積。排污泵根據(jù)液位自動(dòng)啟動(dòng)，正常工況2列車同時(shí)卸污時(shí)，1臺(tái)排污泵啟動(dòng)基本上可以滿足要求。

(3)真空罐。真空罐在系統(tǒng)中包含污水存儲(chǔ)和儲(chǔ)能2個(gè)功能。真空罐容積需要滿足系統(tǒng)真空泵抽氣量、排污泵流量、系統(tǒng)真空度區(qū)間等協(xié)調(diào)匹配。通過計(jì)算，2列車同時(shí)卸污時(shí)需要2個(gè)罐并聯(lián)同時(shí)工作，單獨(dú)一座真空罐無法滿足系統(tǒng)需要，系統(tǒng)真空罐由一用一備改為同時(shí)使用，互為備用。

3.2 改造后效果分析

對(duì)卸污作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 卸污作業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可以看出，卸污作業(yè)存在連續(xù)作業(yè)，如G1525卸污作業(yè)結(jié)束，同時(shí)G1511卸污開始；也存在2列列車同時(shí)作業(yè)，如D3945與G1681卸污開始時(shí)間相差2 min，卸污作業(yè)基本同時(shí)。這就需要系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠。

系統(tǒng)經(jīng)過改造后，真空度維持在50～70 kPa之間，未發(fā)生超高液位報(bào)警事件，投入運(yùn)行后，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。通過車站實(shí)際使用的反饋情況可知，真空卸污泵房增加了1臺(tái)相同型號(hào)的真空泵，有效改善了真空卸污的工作效率，減短了2列及以上列車同時(shí)卸污的作業(yè)時(shí)間，基本可以保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成卸污作業(yè)；調(diào)整了真空泵的自動(dòng)啟停設(shè)置，壓力在-70 kPa至-55 kPa之間啟動(dòng)1臺(tái)真空泵，壓力在-55 kPa至-53 kPa之間自動(dòng)同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)真空泵，壓力在-53 kPa以下，同時(shí)啟動(dòng)3臺(tái)真空泵，避免了真空泵超負(fù)荷運(yùn)行及1臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障后卸污系統(tǒng)無法正常運(yùn)行的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

影響真空卸污系統(tǒng)性能因素較多，昆明南站在真空卸污系統(tǒng)擴(kuò)能改造研究中，通過可行性分析后，針對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)用較小投資達(dá)到擴(kuò)能改造的目的，為今后鐵路真空卸污系統(tǒng)的擴(kuò)能改造提供了一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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