李志龙
广州地铁设计研究院股份有限公司 510010
摘要：现今社会随着城市发展，轨道交通也越来越发达，人们乘坐地铁出行的比例也越来越大。在长时间的乘坐过程中，如何快速、方便、舒适的解决如厕问题也越来越受到人们的关注。本文旨在对真空排污技术的分析研究，提出适合轨道交通实际使用需求的生活污水真空排污系统。
关键词：地下车站；真空排污
一、概述
国内早期轨道交通地下车站基本没有设置供乘客使用的公共厕所，究其原因，有如下二方面：第一、城市轨道交通处于地下，生活污水无法直接流入城市污水管网，因此排水困难；第二、常规的集污池、污水提升设备在长期运营使用过程中容易造成臭气四逸，影响空气质量，对地下相对封闭的环境影响更甚。目前适用于轨道交通地下车站公共卫生间排污系统主要有两种形式，分别为重力式和真空式。前者利用重力收集生活污水，并设集污池，然后利用提升设备将池内的污水排入地面的化粪池中。后者利用真空方式收集生活污水，然后再利用提升设备将收集的污水排入地面的化粪池中。这两种系统各有优缺点，但相比较而言真空收集方式由于在节水、布管和控制大气污染方面更具优势，因此受到更多的推广。
二、真空收集系统
2.1真空收集系统概述
国外六十年代就提出真空排水概念，随之进行系统研发，于八十年代中期研制成功，并成功应用在工程实践中。在建设过程中，不断完善系统设备和系统功能，并制定了相应的设计规范和技术标准。我国在这一技术领域起步较晚，直到二十一世纪初才在引进国外新技术的同时，结合国内实际情况实施再创新，在大型建筑物采用了真空排水系统设施。特别是铁路旅客列车为解决污水直排问题，采用的真空密闭式厕所真空卸污系统，得到用户和相关主管部门的认可，已在铁路交通建设项目中广泛采用，随着国家经济的飞速发展该真空排水技术也将在其他建设项目中被广泛应用。
2.2 系统原理及功能
真空排水系统是利用真空泵站使系统形成真空，在真空压力（负压）的作用下将污物吸入并直接排至外部管网。系统在工作过程中无异味、作业效率高、能力大、全自动控制、运行可靠、操作维修方便、能耗低、使用寿命长、适用范围广。采用真空排水系统具有如下功能：
1）真空排水系统利用真空泵站在罐体及管道内形成真空，系统真空度由自动程序控制并保持在-30～-60Kpa（可调）。当污水排放时在压差的作用下被抽吸至罐内，同时管路压力低于设定值时真空泵站自动启动补压并将污水排放至外部管网，并提升一定的高度。
2）卫生间内的座便器、蹲便器为真空卫生器具；小便斗、洗手盆、洗涤池、地漏等器具排水为重力排放，与设置于卫生间内的黑水收集箱相连，当黑水箱内的液位达到设定液位时，通过真空泵站排至外部管网。
3）每个真空收集端设有独立的止回阀，当其中一个故障检修时，可有效防止整个系统真空泄漏。
4）自动化程度高，无需专人值守，低能耗。
5）以工业控制计算机为监控主体，用良好的监控画面为界面，对真空系统实现在线监视和运行状态跟踪，实现对设备故障的实时报警和设备性能动态管理。对卫生间真空压力实现实时显示，并进行低限、高限声光报警。
2.3系统工艺流程
真空排水系统工艺流程图见图2-1。
图2-1 真空排水系统工艺流程图
2.4 技术特点
与重力排水系统相比较，真空排水系统有着明显不同的特点及技术优势。
重力排水系统与真空排水系统性能对比表 表2-1
2.6真空排水设备技术性能
2.6.1真空机组设备
真空泵站主要由凸轮转子泵、真空罐、安装机座、电控箱、管道阀件等部件组成。系统启动后，真空泵站随时检测真空管路的真空度（-30KPa～-60KPa，可调）。当真空度低于设定低值时，真空泵站启动，将管路内的污水提升排放至外部管网的同时将真空度提升至设定高值，随后系统再次进入待机状态。
真空泵站采用两台凸轮转子泵的形式，双泵交替运行。当长时间无法达到系统工作真空度时，双泵将同时运行，以提高系统瞬时的抽真空能力。当其中一台凸轮转子泵出现故障检修时，真空泵站仍具备维系整个系统工作的能力。
2.6.2真空便器
真空便器在冲洗过程时与常规重力便器有些不同。重力便器的冲洗仅需控制冲洗即可，而真空便器冲洗时需要控制排污气阀的抽吸和水阀的冲水。下图所示为真空便器系统原理。
1-排污阀；2-便器控制器；3-真空便器；4-感应面板
图2-2 真空排水系统工艺流程图
便器冲水通过感应面板自动将信号传送给便器控制器，控制器首先控制排污阀上的水阀喷水以冲洗便盆，然后打开排污阀，利用管路内外的压差，将污物吸入真空管路。最后再控制水阀喷水以形成水封。
根据地铁真空卫生间运营经验，排污隔膜阀易出现堵塞情况，可考虑增大阀门规格尺寸或将便器排出口口径缩减至25mm，保证一枚一元硬币等大颗粒污物堵塞管道或阀体。
真空便器可根据各个卫生间的装修要进行安装，采用落地式安装，排水口形式为后排，可向下安装也可向上安装。
2.6.3黑水箱
黑水箱可同时串联洗手盆、小便斗、拖布池、地漏等，工作原理与真空便器大致相同。主要是通过压缩空气压缩夹管阀内部腔囊，从而阻断真空通路。当黑水箱内的污水达到主阀开启高度时，液位传感器发出启动信号。此时如果真空管路达到工作真空度（-30KPa～-60KPa）的要求，那么电磁气阀切换通道，真空通入夹管阀，夹管阀开启将箱内的污水吸入真空管路。当液位回落到复位液位时，夹管阀关闭，设备从新进入待机状态。
如果因为主管路堵塞或其它原因，箱内污水液位继续升高，达到副阀开启高度时，副夹管阀开启将箱内的污水吸入真空管路。当液位回落到复位液位时，夹管阀关闭，设备进入待机状态。
如果液位还是持续升高，当升高到报警液位时，设备通过泵站控制系统发出报警信号。
黑水箱可根据系统要求选择不同的规格，根据各个卫生间的装修要求进行安装，采用落地式安装，可暗藏于卫生间洗手盆下方或安装在泵房内，排水口形式可下排也可上排。
2.6.4地漏
工作原理：不锈钢地漏在无水状态时，底部半圆形密封块顶住地漏孔下口，阻止异味返回室内。当水进入地漏，水的自重将半圆密封块顶开，污水进入管道流至真空传输装置。同时半圆密封块关闭。等待下一循环。
2.7真空排水系统与各专业接口
2.7.1对土建专业的基本要求
1）建筑垫层应有至少150 mm的安装高度，以便安装地漏。
2）安装真空便器的夹墙要求有300mm的空间，需要在墙壁上设450mm×450mm的检修口。
3）安装真空蹲便器的台阶应有至少300mm的安装安度，便器下方应用填料朴实，保证便器踏面不会出现踏空现象。
4）卫生间建议采用活吊顶，以便检修，如非活吊顶，需要在吊顶上设置检修口，位于水平管道的闸阀和止回阀附近。
2.7.2对供电专业的基本要求
1）真空机房供电要求
真空泵站采取三相五线、双路供电；真空机组总功率为16KW，电压380V，频率50HZ，机组配有自动控制系统，供电线路由机组控制箱接入；真空机房配备必要的照明用电。在墙壁留有正常维修用电220V插座。
2）真空蹲便器、小便斗、洗手池供电要求
每个真空蹲便器、感应式小便斗、感应式洗手池需要有220V/50HZ的电源。
3）卫生间其它设施对供电要求
在墙壁留有220V插座用于空压机等电器使用，设有足够的照明用电。
2.7.3对真空管道安装的基本要求
1）管道材料要求为PE100，PN1.6MPa。
2）管道的连接为电热熔连接方式，应选用符合国家标准的电热熔管件厂家。
3）真空管道在与其他设备管线交叉时，应设置提升弯上行或下行穿越，设置原则应按照设计说明及厂家提供的相关技术资料。
4）真空系统的管道连接中严禁使用90度弯头。
5）其他未说明事项应以实际提供的技术资料为主。
2.7.4对给排水专业的基本要求
蹲便器、座便器、洗手盆、墩布池的使用水源要求连接到位，给水管直径在DN15～DN40；污水通过真空排放至附近的地面化粪池或市政污水管网。
2.7.5对机电设备监控系统的基本要求
真空机组设备装有自动声光报警功能，在设备故障时自动报警，可将报警器安装在设备监控室，并在设备间安装直线电话，具备站内部通话功能。
三、结论
真空排水系统由真空机组、真空管路与真空卫生器具组成，其节水性能显著，且无异味散发，净化了空气环境，排水效率高。真空排水系统的真空管路结构简单，适应性强便于连接，真空卫生器具可安装在任何地方，而不必像重力卫生器具一定安装在重力排水主管附近；真空排水管路管径小，允许在很小坡度情况下侧向输送；可提升排放，安装方式灵活。在地铁排水系统设计中，当建筑物结构复杂，重力排水不适用的情况下，采用真空排水系统可不受结构及空间条件的限制，其可提升和侧向输送污水，为建筑物的使用提供了更多的空间。
参考文献：
[1]《地铁设计规范》（GB 50157-2013）
[2]《城市轨道交通给水排水系统技术标准》（GB∕T 51293-2018）
[3]BS EN 1091-1997 建筑物外真空排污系统
[4]BS EN 12109-1999建筑物内真空排水道系统
[5]铁路站段真空卸污系统技术条件（TB/T3163-2007）
[6]《室内真空排水系统工程技术规程》（T/CECS 544-2018）
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图7 齿轮轴等效应力
齿轮轴的最大等效应力为40.7Mpa，计算安全系数为235/40.7=5.8＞2，满足设计要求，所以空心钢管可以安全使用。
4.轻量化盘车救援装置测试验证
盘车救援装置样件到厂后，装机进行测试，首先进行盘车功能测试：安装盘车手轮，将盘车手轮轴插入盘车手轮支架上的支架孔中，并保证大小齿轮的正常啮合；一人把持盘车手轮，然后另一人装好释放扳手，松开抱闸，盘车时，一人用机械的方法（释放扳手）一松一紧的释放制动器配合另一人盘动盘车手轮，转动手轮盘车几圈检查齿间啮合状况，通过试验，样品盘车装置可以带动转轮转动，实现盘车功能，且手轮无变形断裂现象出现。
然后进行扭矩测试，安装盘车手轮，将盘车手轮轴插入盘车手轮支架上的支架孔中，并保证大小齿轮的正常啮合；将抱闸设置为制动状态，用拉力计以大于400N的力进行扭矩测试，检查空心管是否有破坏变形。实验结果表明空心管无损坏和变形，样件完好。
最后进行跌落测试，现场测试在高于1.2m处跌落样件，经多次跌落，手轮均无损坏。
5.小结
本文主要针对电梯的盘车救援装置进行轻量化设计，将原有的实心轴改为空心钢管结构，连接方式由原来的螺栓紧固连接改为异形连接。应用CREO软件建立三维模型，ANSYS Workbench软件进行有限元分析，基于设计结果，进行了轻量化后的试验测试，结果表明，轻量化设计后，盘车救援装置减重约3kg。理论校核和试验验证表明，轻量化盘车救援装置安全且满足使用要求，可替代原救援装置使用。
参考文献：
[1]王健，浅谈曳引电梯困人救援方法，中国特种设备安全，2015
[2]汪艳娥，无机房电梯的紧急救援装置，起重运输机械，2006
[3]陈晓峰，殷明贵，基于ANSYS Workbench的变速器箱体轻量化分析，机械工程与自动化，2010
[4]刘向民.电梯模拟仿真试验装置的设计；首届珠中江科协论坛论文集，2011
[5]孙旭，基于仿真的工程自卸车举升机构有限元优化设计，工程机械，2009
论文作者:李志龙
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第28期
论文发表时间:2019/8/26
标签：真空论文; 污水论文; 系统论文; 便器论文; 管路论文; 手轮论文; 泵站论文; 《建筑细部》2018年第28期论文;