昆明南站真空卸污系统扩能改造研究

杨学智，谭金汶，李 鹏，龚圣阳

(1.中国铁路昆明局集团有限公司 昆明枢纽铁路建设指挥部，云南 昆明 650011；2.中铁十一局集团 建筑安装工程有限公司，湖北 武汉 430000；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081；4.中国铁道科学研究院集团有限公司 北京中铁科节能环保新技术有限公司，北京 100081)

目前，我国铁路集便器污物的接收系统全部采用真空卸污系统[1]。对昆明南站真空系统及影响卸污性能的主要影响因素进行分析，通过计算，对系统卸污性能进行可行性论证，对系统进行改造，增加设备、优化控制系统控制逻辑，使系统能力得到提升，为铁路真空卸污扩能改造提供参考及借鉴。

1 概述

昆明南站海拔近2 000 m，是西南部地区大型综合性交通枢纽，设站台16个、到发线30条，计划日办理旅客列车303对。车站设计采用储能罐式真空卸污机组系统，在车站5道至6道、13道至14道间各设17套卸污单元，满足450 m长度范围内列车卸污作业需求；25道至26道间设21套卸污单元，满足550 m长度范围内列车卸污作业需求，共计3排55套卸污单元[2]。

站场内设真空卸污泵房1处，采用储能罐式真空卸污机组1套，其中真空泵Q=250～300 m3/h，N=7.5 kW，共2台，一用一备；排污物泵为Q=60 m3/h，H=20 m，N=7.5 kW，共2台，一用一备；真空罐2个，单罐体积V=8 m3，一用一备；Q=600 m3/h直径1.0 m生物滤塔除臭装置1套。真空卸污系统设计卸污流量为15 L/s，卸污系统真空值范围40～60 kPa，可以4个卸污口同时进行卸污作业。

2017年初沪昆场终到列车为44列/日，在站卸污作业车次不断增加，经常出现2列动车组列车同时卸污作业的需求，在车站有效卸污总作业时间短的情况下(一般不大于20 min)，真空卸污系统能力不能保证6个以上污物箱同时在3 min内排空的实际需要。

2 改造方案设计

2.1 卸污能力确定

结合车站特点及情况，改造重点立足于车站整体卸污能力的提升。改造目标是昆明南站可以同时使用2排卸污单元、每排卸污单元均可以同时使用3～4个进行卸污作业，而且每个卸污单元均能保持约4 L/s的卸污能力。

改造后真空卸污系统污水的设计流量应满足6个卸污口同时进行卸污作业，5～6名卸污工人可以在20 min内完成2列16辆编组动车组列车的卸污整备作业，即任何1列短编组列车8 min内完成卸污作业、1列长编组列车15～20 min完成卸污作业。

2.2 改造方案分析

铁路列车真空卸污时管道内污水为气-液-固三相流，污水输送过程中主要需克服摩擦压力损失和重力各提升管段损失。摩擦损失主要取决于管径、污水流量、气液比、管线长度；提升损失主要是各提升管段的累计提升高度。

可以通过采取以下措施提高真空系统卸污能力：①增大卸污管管径，降低管路污水输送沿程水头损失(主要是摩擦压力损失)；②增加气液比，气液比过低会造成输送不畅，在提升管段易形成水塞，阻碍负压向远端传递，造成远端真空不足，影响系统运行；③减少管路的总提升高度；④提高系统的真空度[3]。

在设计和实施中，真空干管以坡度0.1%坡向真空机房，真空罐采用地下式，真空卸污管路全程无提升段，3条真空卸污支管管径为de160，合并后真空干管管径为de225至真空中心。主干管采用较大管径的设计为整个卸污系统扩能改造提供了条件。结合项目特点及情况，确定采用提高系统抽真空能力及系统真空度解决系统卸污能力不足问题。

2.3 机组选型计算

系统按照6口同时卸污，真空度50～70 kPa，平均气水比取5，进行系统设备选型。

2.3.1 真空泵

(1)计算最大小时污水流量(qw)。6口同时吸污，3 min(0.05 h)内完成6个集便箱作业，单个污物箱吸污量平均500 L(0.5 m3)，计算为

qw=(0.5×6)/0.05=60(m3/h)

(1)

式中：qw为最大小时污水流量，m3/h。

(2)计算空气量(qA)。最大小时空气量计算为

qA=qw×AWR

(2)

式中：AWR为平均气水比，取5。

根据公式(2)，qA=60×5=300(m3/h)。

(3)真空泵组最大小时吸入气体总体积(qAmax)。最大小时吸入气体总体积按下式计算

qAmax=qA×α×Pu/[(Pmax+Pmin)/2]

(3)

式中：qAmax为真空泵组最大小时吸入气体总体积，m3/h；Pu为环境气压，kPa；α为安全系数，取1.2～1.5；Pmax为真空罐内最大的绝对压力，kPa；Pmin为真空罐内最小的绝对压力，kPa。

根据公式(3)，安全系数取1.4，昆明当地大气压为80.5 kPa，最大绝对压力为70 kPa，最小绝对压力为50 kPa，则

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

(4)确定真空泵数量(nA)。真空泵数量应满足

nA≥qAmax/qAp+ 1

(4)

式中：qAp为单台真空泵额定抽气速率，m3/h。

根据前面计算可知，qAmax为564 m3/h，qAp为300 m3/h，nA为3，系统采用2用1备。

2.3.2 污水泵

(1)单台污水泵排水量。单台污水泵额定排水量应满足

qwP≥qw/ (nw-1)

(5)

式中：qwP为单台污水泵额定流量，m3/h；nw为排水泵的数量。

(2)污水泵扬程。污水泵扬程应满足

Hp≥H1+H2+H3+H4+H5

(6)

式中：Hp为污水泵扬程，m；H1为污水泵吸水管路水头损失，m；H2为污水泵排水管道水头损失，m；H3为真空罐最低液位与污水压力排放口的高程差，m；H4为需要克服系统的负压阻力(即真空罐内的最大负压值)，m；H5为流出水头，m，可按1～2 m计算。

经计算，污水泵扬程为12 m。型号为sev80.80.75.的污水泵，流量为72 m3/h、扬程为12 m、功率为7.5 kw，满足要求。

2.3.3 真空罐

(1)真空罐中最小气体体积。真空罐中最小气体体积为

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

(7)

式中：VA为真空罐最小气体体积，m3；f为污水泵在1 h 内的最大开启次数，排污泵每小时启动次数不应大于12次，取值10[4]。

根据公式(7)，计算真空罐中最小气体体积VA=11.25 m3。

(2)真空罐中最小储水体积。真空罐中最小储水体积[5]为

Vw=0.25×qw/f

(8)

式中：Vw为真空罐最小储水体积，m3。

根据公式(8)，计算真空罐中最小储水体积Vw=1.5 m3。

(3)真空罐总容积。真空罐总容积(V)为

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

昆明南站真空罐直径1.8 m，实际总容积为 8 m3，则单座真空罐容积无法满足系统需求。

通过计算可知，系统中的排污泵流量满足6口卸污作业需求，昆明南站现有系统采用一用一备，在原有2台真空泵的基础上增加1台相同型号规格真空泵，可以满足系统抽气量需要；真空罐容积无法满足系统需要，通过将2座真空罐由一用一备模式变为同时使用，真空罐容积问题得以解决。

3 改造方案实施及效果分析

3.1 方案实施

根据改造方案计算，真空中心泵房内需增加相同型号的真空泵1台，改为两用一备；真空罐由一用一备，改为2个同时使用，互为备用；排污泵维持原设计一用一备，相应改造供电及控制系统。

(1)真空泵。控制系统按照设计3台真空泵，两用一备、互为备用。调整真空度维持区间为50～70 kPa，调整2台真空泵启动真空度分别为55 kPa和53 kPa，并在程序中设置延时，避免真空泵因真空度的波动频繁起动。

(2)排污泵。排污泵的工作扬程随真空度增加而变大，排污泵启动必须考虑真空罐负压变化对流量的影响，同时考虑排污泵启动次数，为满足系统需要，对真空罐中设定的高低液位进行调整。排污泵启动液位高度降低20 cm，停泵液位高度降低15 cm，并且保证真空罐中最小储水容积。排污泵根据液位自动启动，正常工况2列车同时卸污时，1台排污泵启动基本上可以满足要求。

(3)真空罐。真空罐在系统中包含污水存储和储能2个功能。真空罐容积需要满足系统真空泵抽气量、排污泵流量、系统真空度区间等协调匹配。通过计算，2列车同时卸污时需要2个罐并联同时工作，单独一座真空罐无法满足系统需要，系统真空罐由一用一备改为同时使用，互为备用。

3.2 改造后效果分析

对卸污作业现场进行测试，详细测试数据如表1所示。

表1 卸污作业测试数据

由表1可以看出，卸污作业存在连续作业，如G1525卸污作业结束，同时G1511卸污开始；也存在2列列车同时作业，如D3945与G1681卸污开始时间相差2 min，卸污作业基本同时。这就需要系统稳定、安全、可靠。

系统经过改造后，真空度维持在50～70 kPa之间，未发生超高液位报警事件，投入运行后，系统性能稳定。通过车站实际使用的反馈情况可知，真空卸污泵房增加了1台相同型号的真空泵，有效改善了真空卸污的工作效率，减短了2列及以上列车同时卸污的作业时间，基本可以保证在规定时间内完成卸污作业；调整了真空泵的自动启停设置，压力在-70 kPa至-55 kPa之间启动1台真空泵，压力在-55 kPa至-53 kPa之间自动同时启动2台真空泵，压力在-53 kPa以下，同时启动3台真空泵，避免了真空泵超负荷运行及1台设备发生故障后卸污系统无法正常运行的情况。

4 结束语

影响真空卸污系统性能因素较多，昆明南站在真空卸污系统扩能改造研究中，通过可行性分析后，针对关键因素进行技术改进，可以实现用较小投资达到扩能改造的目的，为今后铁路真空卸污系统的扩能改造提供了一定的借鉴。

参考文献：

[1] 黄焱歆.铁路站段真空卸污系统之真空管道设计探讨[J].中国给水排水，2013，29(8)：56-59.

[2] 王大鹏，杨振高，龚圣阳，等.昆明南站真空罐式卸污系统应用探讨[J].铁路节能环保与安全卫生，2017，7(2)：71-73.

[3] 周敬宣，李旻.真空排水系统的原理与设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2013.

[4] 国家铁路局.铁路给水排水设计规范：TB10010—2016[S].北京：中国铁道出版社，2017：36.

[5] 中国工程建设协会.室外真空排水系统工程技术规程 CECS 316：2012[S].北京：中国计划出版社，2012：12.