基于凸輪泵技術的地鐵污水提升系統應用優化

李 曉

機電工程

基于凸輪泵技術的地鐵污水提升系統應用優化

李 曉

（北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

通過對地鐵車站傳統污水池+污水泵技術、常規密閉水箱污水提升技術、真空污水提升技術的應用情況，結合運營需求，對基于凸輪泵污水提升技術等進行了系統研究分析。從解決痛點(如衛生條件差、清掏費用高)問題出發，以低維護和高可靠性(如高吸程、清底、雙液位傳感器控制和智能化)為目標，提出采用基于凸輪泵技術的地鐵污水提升技術，從而解決污水池清底難題，改善運維條件，降低運維的難題和強度，結果顯示整體運行效果良好，同時也給出今后進一步優化應用建議。

地鐵車站；污水提升；凸輪泵；密閉水箱污水提升；優化研究

“廁所革命”是國家高度重視基礎性民生工作的充分體現，這也說明廁所問題不是小事情，是基本民生問題，為廁所服務的地鐵污水提升系統是為乘客和工作人員提供可靠服務的重要民生機電系統。

地鐵車站一般在站廳及站臺設有衛生間，站臺公共衛生間附近設污水泵房。污水提升系統是車站污水系統的傳輸動力源，其作用是將地鐵衛生間污水、盥洗污水等集中收集經提升后排至室外，再經化糞池處理后進入室外市政污水管網。

1 傳統地鐵污水提升系統

以北京地鐵為例，目前從早期的1、2號線到2008年奧運前通車的線路，地鐵車站污水提升系統，主要采用污水池(鋼筋混凝土)+污水泵(臥式污水泵為主，潛水泵有少量應用)的方式，如圖1所示，水泵一般為兩臺，一用一備，每臺泵的排水能力不小于最大小時污水量。污水池的有效容積按不小于單臺水泵5 min出水量計算，同時考慮到實際客流量可能高于預測客流，并為遠期發展留有余地，有效容積從幾立方米到十幾立方米。該方式具有技術成熟、運維管理經驗豐富等特點，但該系統存在的主要問題為：污水池氣味影響車站的空氣質量、乘客使用衛生間的舒適性差、因剩余污水及漂浮物不能及時排除導致清掏費用高、可能產生的沼氣導致安全隱患等，這些應用體驗也為運營管理帶來諸多困難。

圖1 北京傳統污水池+臥式污水泵系統示意

Figure 1 Traditional sewage tank + horizontal sewage pump lifting system in Beijing

2 新型污水提升系統應用與選配

2.1 新型污水提升系統簡介

針對傳統污水提升系統諸多負面問題的日益突出，近年來一些新型污水提升技術逐步在地鐵工程中得到實踐與應用。相較傳統污水提升系統來說，使用效果取得了一定改善和提升，但也不可避免地產生其他問題。目前，主要有密閉式污水提升裝置和真空污水提升系統，在新線建設和運營改造項目得到了較多的應用。

2.2 密閉式污水提升裝置

密閉式污水提升裝置是整合了密閉式污水箱、水泵(普通污水泵或凸輪泵)和控制系統的一體化裝置。

車站污水經重力排水管進入密閉污水箱中，當液位達到設定高度時再由污水泵將集中收集的污水提升排出車站，進入市政污水管網。

該系統有如下特點：

1) 無需設置土建污水池，設備緊湊，節省空間和土建投資；

2) 系統密閉，衛生間及泵房環境較好；

3) 工廠化定制集成設備，有效避免施工質量等問題。

目前，常規密閉水箱提升技術在實際應用中也存在如下問題：水箱等連接接口易漏水；水箱容積比較小，排水系統發生阻塞或控制系統故障時，容易發生溢水；檢修孔口小，故障檢修處理困難；水箱內的漂浮物和沉積物清掏和清理困難，影響應用體驗；同時，液位控制故障率較高，易影響水泵正常運行。

目前，該技術在地鐵污水提升領域得到了越來越多的應用，是目前新線車站污水提升系統選擇的主要技術方案之一。

2.3 真空污水提升系統

真空污水提升系統也是近年來逐步在地鐵車站試點應用的污水提升技術，目前，已經在北京大興線、上海地鐵改造、石家莊等國內多個城市軌道交通項目得到了推廣應用。真空排水系統由真空機組、真空管路與真空衛生器具組成，其工作原理是利用真空機組使管路及罐體形成真空，污水在真空抽力的作用下，被快速地吸入真空管路，再由真空機組排放至室外管網。

真空污水提升系統具有以下特點：

1) 設備集成度高，節省占地空間；

2) 真空污水提升系統污水管不像重力管道要滿足一定坡度，可以靈活布置排水管道；

3) 節水性能優良，真空衛生器具的沖洗水量為1.0～1.5 L，遠低于一般衛生器具5 L以上的水平；

4) 密封性好，整個系統實現真空密閉，并在管道和系統內形成負壓，極大地提升了衛生間和污水泵房的衛生條件和空氣質量。

目前，真空污水提升技術在實際應用中存在如下問題：對乘客使用的要求高，對污水原水的雜物顆粒尺寸要求較高，如使用不當，故障率高；對安裝和產品要求較高，初期造價高；系統發生故障時，維修環境差，影響應用體驗；潔具需配套定制，后期維護的靈活性和成熟性略有不足。目前，因故障率高等原因，該技術在地鐵污水提升的應用還有待改進與提升。

2.4 基于凸輪泵技術的地鐵污水提升系統應用分析

凸輪泵又稱轉子泵、羅茨泵(見圖2)，通過轉子在泵殼內的圓周流道中旋轉，持續旋轉會在吸入端口形成部分真空，使污水吸入泵內。污水通過轉子順著容積流動的方向被輸送至泵出口，污水從而被排出。凸輪泵采用雙軸雙轉子設計，雙轉子對介質具有剪切作用；軸和轉子端面與泵蓋之間具有面密封，因此軸和轉子端面不會與介質接觸，轉子軸被纏繞和卡堵的概率極小；泵腔(轉子嚙合腔)口徑大于泵吸入和排出管道口徑，即泵能夠吸入的介質一定能夠通過泵腔被排出。通過采用雙葉輪咬合排污，軸和轉子端面與泵蓋之間具有面密封，有效隔離絲織物的纏繞；具有很強的自吸力(部分可達–0.09 MPa)，在排污時利用此吸力可以在污水抽干后延時空轉掃倉，清空集水箱底部所有污物，杜絕人為二次清掏，避免開箱造成的臭氣外溢。

圖2 凸輪泵

Figure 2 Cam pump

目前，凸輪泵密閉式污水提升裝置(見圖3)已在上海、廣州等城市大客流地鐵換乘站的改造工程中有良好的應用效果；采用凸輪泵作為密閉水箱污水提升的技術優勢就是其具有極強的自吸能力，可將污水箱排空見底并不留漂浮物。隨著以污水箱+干式污水泵為主要設備的污水提升系統在地鐵車站應用愈發廣泛，采用具備清底功能的凸輪泵技術也被越來越多的應用。在實際應用中，選擇凸輪泵密閉式污水提升系統應注意以下問題：

圖3 凸輪泵密閉式污水提升裝置

Figure 3 Closed sewage lifting device of cam pump

1) 凸輪泵口徑在滿足水泵關鍵性參數的條件下盡可能大，一般不小于DN65；

2) 污水箱容積應和水泵性能匹配，需考慮一定的余量；

3) 排水管路要做好通暢性設計，拐彎或變徑等會影響其自吸能力的正常發揮；

4) 應用經驗相對少，需加強對運維經驗的積累。

以北京地鐵1號線某車站衛生間改造為例，原污水提升系統采用臥式污水泵，無自吸能力，無法實現清底；水位低于排污泵泵腔時，污物在污水池內部堆積、結垢現象嚴重，每年都需定期對污水池沉積物和漂浮物進行人工清掏，費用較高。在地鐵“廁所革命”改造工程中試點采用了凸輪泵代替原臥式污水泵，該凸輪泵泵腔間隙大于管道通徑，采用雙葉輪密封，在防纏繞的同時可產生自吸力，實現清底，避免鈣化。該凸輪泵參數：流量為20 m3/h，揚程為25 m，自吸高度8 m。經過兩年多的運行，該技術可以解決污水池清底難題，改善了運維條件，降低了運維的難題和強度，節省了污水池清理費用，整體運行效果良好。下一步將在電機能效、管路大通徑和平順連接等設備和系統選配環節繼續優化。

2.5 凸輪泵密閉式污水提升系統選配要點

集水箱容積的選擇應在綜合考慮設備廠商規格型號及組合的基礎上，結合水泵每小時啟動次數、水泵流量、實際進水流量、檢修等確定。水泵流量的選擇，應結合水箱總容積和設計排水秒流量選擇，即：水箱總容積較大，水泵可適當減少啟動次數或運行時間。每小時最大啟泵次數的確定主要由所選電機性能確定。設計排水秒流量的計算和實際水泵流量的確定還需考慮高峰時乘客使用衛生間頻次和沖水次數，與車站客流和衛生間廁位數量關系很大。一般情況下可按每個廁位不超過3 min使用一次潔具沖水量進行校核。此外，排水系統設計時應考慮到排水系統(含水泵)通徑問題，一般的衛生間污水系統的通徑不應小于潔具接口管徑，建議在DN80以上。

適當的電機選配可以提升設備的使用效果，同時延長設備的整體使用壽命和實現節能，電機需具有頻繁啟動能力(設備每小時內最大可能啟動次數12次)和一定的連續運行能力。

2.6 凸輪泵密閉式污水提升系統的智慧化控制與運維技術

污水泵運行智能控制是密閉污水提升系統保障正常工作的關鍵內容。水箱(池)污水液位傳感器需簡單可靠且不受潮濕與污物影響，建議采用不同技術的兩路液位控制器(如無觸點液位控制器或機械式氣控液位開關)，當一路液位傳感器輸入信號出現故障時，另一路輸入信號自動投入控制系統，啟動水泵。避免因液位傳感器故障造成污水液位超高，不能及時啟動水泵的狀況出現。

隨著智慧地鐵的深入開展，污水泵的智能運維也是智慧地鐵機電系統的重要建設內容。首先，可通過傳感器獲取水泵的振動監測和各種運行數據，包括電流、流量、運行時間、液位值、壓力、故障信號等信息，實現大數據的積累；然后通過對采集的多源數據進行篩選、處理，實現智能分析；其后，在逐步完成大數據積累、統計及分析的基礎上，逐步建立水泵運行與實現車站用水的精確性匹配與協調關系，以實現故障診斷、預警、狀態評估和工單自動派發等智能運維和應用。

3 結語

綜上所述，隨著“廁所革命”的推進，特別是北京地鐵，對地鐵污水收集排放的衛生標準要求日益提高，建設低維護量、高可靠、智能化的污水提升系統是設計人員一直努力的方向。

1) 地鐵污水提升系統應用優化是一項系統性工程，需要從衛生間和污水泵房設置、排水收集系統優化、水泵選型、監控系統以及智能運維等各方面全面提升和優化。

2) 從實際效果來看，相比真空污水提升系統而言，密閉水箱污水提升系統是目前比較適合地鐵污水提升的技術選項。

3) 建議充分考慮污水提升裝置污水箱(池)底部沉積物和上部漂浮物對運維的影響，選用具有清底功能的凸輪泵污水提升系統(或其他具有類似功能技術)，可降低污水箱(池)清掏難度、頻次和成本等。

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Application Optimization of Subway Sewage Lifting System Based on Cam Pump Technology

LI Xiao

(Beijing Subway Operation Co., Ltd., Beijing 100044)

Based on the application of the traditional sewage pool + sewage pump technology, conventional closed water tank sewage lifting technology, and vacuum sewage lifting technology in subway stations, this paper presents a systematic analysis of a sewage lifting system that employs a cam pump. The operational demand and the problems associated with pain points (such as poor sanitary conditions and high cleaning cost) are addressed, and low maintenance and high reliability (such as high suction head, bottom cleaning, double-level sensor control, and intelligent operation) are set as the goals. The subway sewage lifting system based on cam pump technology can solve the problem of cleaning the bottom of the sewage pool, improve the operational and maintenance conditions, and reduce the difficulty and intensity of operation and maintenance. Moreover, the overall operational effect of the system is good. Finally, suggestions for further optimization and application are also provided.

subway station; sewage lifting; cam pump; closed water tank sewage lifting; optimization research

U231

A

1672-6073(2021)02-0142-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.023

2021-01-06

2021-01-22

李曉，男，本科，高級工程師，主要從事地鐵機電相關技術管理工作，18611731990@163.com

李曉. 基于凸輪泵技術的地鐵污水提升系統應用優化[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：142-145.

LI Xiao. Application optimization of subway sewage lifting system based on cam pump technology[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 142-145.

（編輯：王艷菊）