地鐵車站真空排污系統優化

李普軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安 ∥ 高級工程師)

地鐵車站設置有公共衛生間，但由于衛生間位于地下空間，氣流交換相對閉塞，加之高峰期人流量大、使用頻繁，導致衛生間排氣不暢、臭味彌漫。打造空氣清新舒適的乘車環境成為地鐵設計、建設和運營關注的重點。

真空排污系統依靠氣壓差產生挾裹污水的高速氣流[1]，并把污水從器具中取走。該系統使污水可以任意地提升，整體密閉性強，無氣味，清潔度高，大大地改善了地鐵的空氣質量。

1 地鐵車站真空排污系統的工作原理

真空排污系統是由真空機組、衛生器具、中間收集裝置[2](用來暫存洗手盆、拖布池、小便器、地漏等傳統重力潔具灰水的設備)、控制系統及真空排污管道網絡組成的完全密閉的負壓系統。

真空排污系統針對衛生潔具和衛生間的地漏內污水采用污水中間收集裝置。中間收集裝置設有1個暫存箱[3]，與真空排污管路之間采用真空隔膜閥隔離，衛生間排出的污水先靠重力流入并暫存在中間收集裝置的暫存箱內，當暫存箱中的液位達到液位開關的設定液位時，控制系統控制真空隔膜閥打開，暫存箱中的污水通過真空隔膜閥及排污真空管道被抽吸至真空機組的真空罐內。

真空排水避免了傳統重力向下的排水局限性，所以管道布置具有任意性。真空泵為間歇性運作，在管道內負壓低于40 kPa時才由自動控制柜控制開啟[2]，以維持一定的真空度。真空罐將污水進行收集，當達到一定液位后排放到市政下水道中，整個系統通過PLC(可編程邏輯控制器)系統監控泵站運行。

2 真空排污系統的使用現狀

真空排水系統自20世紀70年代就開始了相關研究使用[4]。2008年上海軌道交通1號線為改善地鐵空氣環境開始升級改造衛生間，首次使用真空排污系統，效果顯著。此后在國內西安、武漢、長沙、廣州等十幾個城市的國鐵和地鐵項目得到推廣應用。但近年來反對聲音慢慢增多，甚至有部分城市地鐵運營部門禁止使用真空排污系統。經了解，很多地鐵運營公司普遍反映真空排污系統存在以下問題：

1) 污水泵房布置過于緊湊，無檢修空間；

2) 用電負荷較大；

3) 收集裝置故障頻率高；

4) 操作復雜、維護量大等。

真空排污系統由于其潔凈環保，可以大大改善地下車站的空氣質量，這已在國內形成共識。如何找出真空排污系統的弊端并克服其缺陷，作為設計人員有義務、有責任對其進行認真分析。

3 真空機組選型

真空機組主要包含真空泵和真空罐。真空罐的尺寸直接影響設備的大小，真空泵和排污泵則影響用電負荷。

3.1 真空罐設備選型

地鐵衛生間布置分為站廳層工作人員衛生間和站臺層乘客公共衛生間。站廳層衛生間污水可通過重力流排至站臺層，真空罐的容積由系統的工作壓力上、下限值和真空排水管道數量確定。

真空罐容積[5]的計算公式為：

(1)

式中：

V——真空穩壓罐的容積；

P1,u——真空罐工作壓力允許上限值，即0.07 MPa；

P2,d——真空罐工作壓力允許下限值，即0.04 MPa；

n——真空排水管數量，站臺層2個，站廳層1個，共3個；

V1——單個排水管的容積；

P0——真空罐在抽氣前的工作壓力，即大氣壓0.1 MPa；

P2——真空罐的極限工作壓力，即0.06 MPa。

真空排污系統中由于有大便器等衛生器具，真空排水管道的管徑通常為De 80 mm(De表示管道外徑)；考慮到最不利的情況，管道長度取50 m。通過計算得到真空罐的有效容積為0.89 L。

由此可知，真空罐的大小取決于真空管道的長度，若要減小真空罐容積，則必須合理化布置衛生間和真空泵站，盡量減小真空泵站和衛生間的距離。當衛生間和真空泵站的距離減小時，污水管道長度可縮短為15 m，這樣真空罐的有效容積就會減小至0.3 m3。考慮到貯存污水，真空罐容積可選取0.6～0.8 m3，但若容積過小會造成污水泵頻繁啟動，并不利于節能。因此，真空設備廠家基本均采用1 m3真空罐。真空機組設備尺寸為2.1 m×1.6 m(長度×寬度),考慮到管道側、設備側應預留800 mm的檢修空間，因此真空泵站的面積應不小于10 m2。關于運營單位反饋的真空泵站檢修空間不足，究其原因是由于泵房面積偏小，鑒于此，設計者應加大與土建單位的配合。

3.2 真空泵選型

真空排污系統是一個封閉的空間。真空泵站原理如圖1所示。

圖1 真空泵站原理圖

當真空排污系統從衛生間排水時，真空泵僅補償管路真空。當污水泵啟動排放污水時，并未有空氣進入真空罐，但氣體體積增加，罐內真空度降低，因此還需真空泵抽取空氣以使罐內壓力達到設定值。污水泵抽取污水時，一般選型為4.167 L/s(部分廠家深化設計時通常采用2.78 L/s、5.56 L/s、6.94 L/s)，即要求真空泵需在1 s內使容積為4.167 L的空間由大氣壓降到-0.04 MPa的真空度。

真空罐的抽氣速率S[5]為：

(2)

式中：

S——真空罐的抽氣速率；

t——真空罐的抽氣時間。

通過式(2)，得到S=2.13 L/s。

真空機組和真空罐設置于一體，真空吸氣管長度為0.8 m,管徑為DN 40 mm(DN表示公稱直徑)，則流導的計算公式為：

(3)

式中：

U——導管的流導，cm3/s；

d——真空泵吸氣管的管徑，cm；

l——吸氣管長度，cm。

通過式(3)，得到U=31.6 cm3/s。

真空泵的抽氣速率為：

SH=SU/(U-S)

(4)

式中：

SH——真空泵在P2下的計算抽氣速率。

通過式(4)，得到SH=2.28 L/s。真空泵的有效抽氣速率是其在滿足真空室工作壓力時的實際抽氣速率。在一個標準大氣壓下運行時，真空罐內本身已處于準工作狀態。根據《真空設計手冊》要求，真空泵的選型應根據特性曲線選泵，當無相關資料時應按技術抽氣速率的2～4倍選用[6]，因此真空泵的選型應為4.56～9.12 L/s。通過計算可知，真空泵的選型和污水提升泵的選型密切相關，若污水提升泵選型偏大勢必造成真空泵的型號增大。通過實地考察，地鐵真空泵站的污水提升泵設備選型基本均在5.56～6.94 L/s范圍內。當真空泵選型為15～25 L/s，勢必造成能源的浪費。因此，污水提升泵的設備選型應考慮衛生間布置和乘客使用人數，在滿足污水排放要求的前提下根據計算確定。

4 污水收集裝置和隔膜閥故障分析

污水收集裝置和隔膜閥是污水收集和排放的核心。

4.1 污水收集裝置故障

污水收集裝置是衛生器具和衛生間地漏排水匯集的小集水箱。由于地鐵為大眾服務，人員素質參差不齊，尤其大便器內亂扔污物雜質較多，造成污水收集裝置堵塞現象時有發生，導致真空排污系統無法正常運行，造成地鐵運營的大量維修和清掏工作。污水收集裝置通常選用5 L、10 L、15 L等3種規格。綜合上海、西安、長沙、武漢等城市的真空設置情況，目前常用收集裝置的規格為5 L。衛生潔具采用普通潔具，沖洗水量加大。為妥善解決堵塞現象，污水收集裝置應加大型號，在污水收集裝置內設置細格柵，前段設置清掏口，以便于工作人員的維護和管理。

4.2 真空隔膜閥故障

真空收集裝置與真空排污管路之間采用真空隔膜閥隔離。當污水收集裝置中的液位達到液位開關的設定液位時，控制系統控制真空隔膜閥打開，污水通過真空隔膜閥及排污真空管道被抽吸至真空機組的真空罐內。

真空隔膜閥是一種特殊形式的截斷閥，它的啟閉件是一塊采用軟質材料制成的隔膜，隔膜閥是一個彈性的膜片。隔膜為易損件，理論壽命可達3萬多次[7]，但地鐵真空排污系統需往復運動，頻率較大。根據調查，每個真空排污系統基本每月需更換一次，這也是地鐵運營單位強烈反對使用真空排污的一個主要原因。

常規真空排污系統的真空收集裝置只設置1個真空隔膜閥[8]，系統較為單一，真空隔膜閥發生故障或更換不及時時難免導致系統癱瘓，如圖2所示。為避免此類問題發生，真空收集裝置應設置2個隔膜閥吸水系統(見圖3)，且2個系統間并聯連接；或每個吸水管設置2個隔膜閥[3]，真空隔膜閥采用ABS(丙烯腈-丁=烯-苯乙烯共聚物)活結，當其中之一發生故障時應及時更換。

圖2 普通真空隔膜閥安裝示意圖

圖3 改造后的真空隔膜閥安裝示意圖

5 真空管網系統設計與安裝

5.1 真空管網系統設計

通過以上分析可知，真空罐的有效容積為800～1 000 L。由于真空管路體積對真空泵選型影響有限，污水管道向上提升[9]，而由于衛生間污水收集裝置設置于站廳層和站臺層，當污水管道向上提升[9]時，衛生間污水由于重力匯集至真空泵站，中間收集裝置集中設置于真空泵站，大大節約了真空管路的敷設，同時又為運營檢修帶來方便。

5.2 真空管網系統安裝

真空排污系統的核心應保證管網的密閉性，以確保系統的正常運行。管道連接處應保證管道內部光滑。目前施工不規范也是造成真空管網系統運營維護工作量較大的一個主要原因。

管道安裝應按照相關規程正確施工，選用符合國家標準的PE管及管件，管道連接應采用電熔；管件不得采用90°彎頭和正三通，宜采用45°彎頭和45°斜三通，并使用45°彎頭制作水平向上方的鵝頸彎，斜三通的安裝方向與水流方向一致；在所有三通對接處、鵝頸彎處、轉角拐彎處等位置必須加裝固定管卡以防止真空管振動破裂。

真空排水管道與真空貯罐采用法蘭連接，不得滲漏，真空管道和真空罐連接前應安裝檢修閥。每個提升器必須安裝1根支管，在支管的前端必須安裝檢修球閥，檢修球閥的出口端必須安裝活接便于檢修和維護。

6 結語

1) 真空罐的有效容積不宜過小，真空排污系統應適當增加真空泵站的建筑面積，以便為運營和檢修提供空間；

2) 真空泵的選型和污水提升泵的選型密切相關，在滿足污水排放的前提下污水提升泵選型不宜過大，避免能源浪費；

3) 污水收集裝置應進行升級改造，在污水收集裝置中設置細格柵和清掏口[10]，避免管路堵塞和便于清掏，在有條件的情況下應集中設置；

4) 真空隔膜閥應設置備用系統以便及時更換；

5) 真空管道安裝應規范施工。

本文的研究結果可為真空排污系統的升級改造、后期設計和設備廠家提供依據和支撐。同時建議運營部門加大運營維護，定期對真空機組巡檢，以及對衛生潔具及排水點設置格柵網以防止正空排污系統堵塞。