铁路动车组密闭式集便器真空卸污系统设计

铁路动车组密闭式集便器真空卸污系统设计

真空洗脱技术在欧洲和一些发达地区已经发展了30多年。在国外，真空洗脱液广泛应用于汽车维修部门、大型车站和海外港口的检测系统。例如，德国慕尼黑、汉书修复部门、波特和汉诺威客人等。通过设置真空卸污系统,极大地提高了客车整备效率、改善了整备作业条件,具有安全可靠、卫生条件好等特点。目前随着我国铁路动车组的发展,已有70多处动车所和大型客站设置了真空卸污系统,投入使用年限超过6年。真空卸污系统作为列车整备的关键设备,其可靠安全性直接影响着列车整备运营。在真空卸污系统中,真空管道设计是决定系统能否实现真空的关键。笔者以上海南动车所真空管道为研究对象,在借鉴国外先进技术的基础上,结合国内大量的实际工程经验,分析真空管道特点及系统要求,探讨其关键节点的设计,对真空管道设计相关参数进行检验。1最小停时要求针对管道内气、液、固三相混合流的介质,真空管道设计主要影响因素如下:①峰值卸污量高峰时需要卸污的列车数量,即同时卸污的污物箱数量。铁路卸污系统通常按照每套机组4个污物箱同时卸污设计,真空管道也按照1条卸污线4口同时卸污设计计算。②卸污停时要求对于动车检修库库内卸污,检修停时要求一般为1.5h;对于铁路车站卸污,整备停时要求一般为15~30min。真空卸污系统要满足最小停时要求。③气水比气水比是真空管道设计的主要参数,如果气水比过低,进入管道气体少,当下一次排污时,阻力增大,流速减慢。如果气水比过大则耗能过大,所以选择合适的气水比是系统设计的关键。气水比一般按照(4∶1)~(6∶1)计算。④工作真空度真空管道工作真空值为35~70kPa,管道末端稳定时真空度≥30kPa。⑤坡度真空管道设计坡度一般要求大于0.1%,在特殊情况下水平铺设。⑥关键节点在真空管道设计中需设置一定的传输关键节点,并根据管道的关键节点数量估算真空损失。真空管道控制点为距离真空中心最远的卸污点,真空管道设计首先要保证真空损失不能超过最不利点的要求。2真空机组国外钢上海南动车所为四线检查库,峰值卸污量为4列16编组动车同时进行卸污;检修停时为1.5h;气水比按照4∶1设计;真空度范围为35~65kPa;管道坡度约0.1%。根据以上参数确定真空机组采用EVAC186-184QM,可满足4口同时卸污要求,同时配套的真空管道采用外径为de160的高密度聚乙烯管材,PE100,PN1.0MPa。在真空管道设计中共设置了3个关键节点。真空管道系统原理如图1所示。2.1关键节点的设置真空管道设计要保证整个系统中气水不能发生分离。当管道绕行障碍物时易发生气水分离,如何设计这些关键节点以阻止气水分离是管道设计的关键。系统设置的关键节点越多则水头损失越大,因此应尽量减少真空管道的转弯及纵向提升。上海南动车所的真空管道共有3个关键节点,即节点2、节点3和节点6(见图2)。在实际工程中,关键节点也常常被设计成锯齿形状。2.2纵向提升高度对于真空卸污管道系统,其提升段累计高度不宜大于3m,以保证最远点真空值达到30kPa。节点2、节点3、节点6均为纵向提升高度,三者之和为0.40+1.45+0.90=2.85m<3m,满足提升高度要求。当纵向提升弯为锯齿形状时,同样要求提升高度总和<3m。2.3管道顺水流方向到机房上海南动车所真空管道的坡度约为0.1%,管道顺水流方向到机房。在设计中根据实际情况,当有难度无法设置坡度时,可以考虑管道局部水平,但是严禁逆坡。2.4特殊配件连接当管道连接时,如支管接入、两条管道合并、管道转弯处,均需采用特殊配件连接。当管材采用工程塑料时要求采用2个45°弯头组成90°弯头,弯头角度必须小于45°,严禁使用90°弯头。对于钢管则最小半径为3D(见图3)。2.5干法管接入支管接入主干管必须采用小于45°的斜三通,以减少管道紊流及真空损失,降低气水分离。支管沿着水流方向从主干管上方以小于45°接入主干管,严禁从主干管下方接入。上海南动车所的设计中节点1为支管接入干管的连接,采用45°异径斜三通连接。节点4和节点5为管道合并时采用的等径斜三通,具体方式如图4所示。在实际工程中当单元井中的支管与干管相连时,受空间限制,必须采用电熔连接才能保证焊接质量,而且所需的电熔套筒、弯头等管件比较多,所以真空管道的造价远远大于同等材质的给水、燃气管道。支管接入干管连接形式如图5所示。2.6污水直排系统处理工艺真空卸污系统输送气、液、固三相流,很难从理论上找到一个准确的计算公式。目前主要结合工程经验及试验优化设计。也可以参考如下经验公式:ΔP=ΔP1+ΔP2(1)ΔP1=0.00521LQ1.75/d4.75(2)式中ΔP——总压力降,kPaΔP1——摩擦阻力压力降,kPaΔP2——静提升损失压力降,kPaL——管道长度,mQ——污水设计流量,m3/sd——管道内径,m根据工程经验及计算,当4个污物箱同时卸污时,真空管道管径为DN150,流速为8~15L/s;当6~8个污物箱同时卸污时,管径为DN200,流速为13~28L/s,当流速<5L/s时,取5L/s。从公式可以看出,真空管道的长度对卸污效率有一定的影响,所以设计中应尽量减少真空管道末端到真空机房的总长度,机房可以考虑设置在中部,这样可以减少卸污时间,提高卸污效率。2.7确定排污管规格真空卸污系统的排污管道指从真空机组到化粪池的管道。与一般压力管道计算一样,根据静扬程、沿程水头损失、局部水头损失确定总扬程,根据排污流量确定排污管管径。总水头损失=静扬程+沿程水头损失+局部水头损失(3)沿程水头损失:Hi=λ⋅LD⋅v22g(4)Ηi=λ⋅LD⋅v22g(4)局部水头损失:Hf=ξ⋅v22g(5)Ηf=ξ⋅v22g(5)式中L——管道长度,mD——管径,mmv——流速,m/sλ——沿程阻力系数ξ——局部阻力系数3保证真空损失通过对上海动车所真空管道设计要素及关键节点的分析,可以得出以下结论:对于真空管道设计,首先要保证真空损失不