基于凸轮泵技术的地铁污水提升系统应用优化

李 晓

机电工程

基于凸轮泵技术的地铁污水提升系统应用优化

李 晓

（北京市地铁运营有限公司，北京 100044）

通过对地铁车站传统污水池+污水泵技术、常规密闭水箱污水提升技术、真空污水提升技术的应用情况，结合运营需求，对基于凸轮泵污水提升技术等进行了系统研究分析。从解决痛点(如卫生条件差、清掏费用高)问题出发，以低维护和高可靠性(如高吸程、清底、双液位传感器控制和智能化)为目标，提出采用基于凸轮泵技术的地铁污水提升技术，从而解决污水池清底难题，改善运维条件，降低运维的难题和强度，结果显示整体运行效果良好，同时也给出今后进一步优化应用建议。

地铁车站；污水提升；凸轮泵；密闭水箱污水提升；优化研究

“厕所革命”是国家高度重视基础性民生工作的充分体现，这也说明厕所问题不是小事情，是基本民生问题，为厕所服务的地铁污水提升系统是为乘客和工作人员提供可靠服务的重要民生机电系统。

地铁车站一般在站厅及站台设有卫生间，站台公共卫生间附近设污水泵房。污水提升系统是车站污水系统的传输动力源，其作用是将地铁卫生间污水、盥洗污水等集中收集经提升后排至室外，再经化粪池处理后进入室外市政污水管网。

1 传统地铁污水提升系统

以北京地铁为例，目前从早期的1、2号线到2008年奥运前通车的线路，地铁车站污水提升系统，主要采用污水池(钢筋混凝土)+污水泵(卧式污水泵为主，潜水泵有少量应用)的方式，如图1所示，水泵一般为两台，一用一备，每台泵的排水能力不小于最大小时污水量。污水池的有效容积按不小于单台水泵5 min出水量计算，同时考虑到实际客流量可能高于预测客流，并为远期发展留有余地，有效容积从几立方米到十几立方米。该方式具有技术成熟、运维管理经验丰富等特点，但该系统存在的主要问题为：污水池气味影响车站的空气质量、乘客使用卫生间的舒适性差、因剩余污水及漂浮物不能及时排除导致清掏费用高、可能产生的沼气导致安全隐患等，这些应用体验也为运营管理带来诸多困难。

图1 北京传统污水池+卧式污水泵系统示意

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

2 新型污水提升系统应用与选配

2.1 新型污水提升系统简介

针对传统污水提升系统诸多负面问题的日益突出，近年来一些新型污水提升技术逐步在地铁工程中得到实践与应用。相较传统污水提升系统来说，使用效果取得了一定改善和提升，但也不可避免地产生其他问题。目前，主要有密闭式污水提升装置和真空污水提升系统，在新线建设和运营改造项目得到了较多的应用。

2.2 密闭式污水提升装置

密闭式污水提升装置是整合了密闭式污水箱、水泵(普通污水泵或凸轮泵)和控制系统的一体化装置。

车站污水经重力排水管进入密闭污水箱中，当液位达到设定高度时再由污水泵将集中收集的污水提升排出车站，进入市政污水管网。

该系统有如下特点：

1) 无需设置土建污水池，设备紧凑，节省空间和土建投资；

2) 系统密闭，卫生间及泵房环境较好；

3) 工厂化定制集成设备，有效避免施工质量等问题。

目前，常规密闭水箱提升技术在实际应用中也存在如下问题：水箱等连接接口易漏水；水箱容积比较小，排水系统发生阻塞或控制系统故障时，容易发生溢水；检修孔口小，故障检修处理困难；水箱内的漂浮物和沉积物清掏和清理困难，影响应用体验；同时，液位控制故障率较高，易影响水泵正常运行。

目前，该技术在地铁污水提升领域得到了越来越多的应用，是目前新线车站污水提升系统选择的主要技术方案之一。

2.3 真空污水提升系统

真空污水提升系统也是近年来逐步在地铁车站试点应用的污水提升技术，目前，已经在北京大兴线、上海地铁改造、石家庄等国内多个城市轨道交通项目得到了推广应用。真空排水系统由真空机组、真空管路与真空卫生器具组成，其工作原理是利用真空机组使管路及罐体形成真空，污水在真空抽力的作用下，被快速地吸入真空管路，再由真空机组排放至室外管网。

真空污水提升系统具有以下特点：

1) 设备集成度高，节省占地空间；

2) 真空污水提升系统污水管不像重力管道要满足一定坡度，可以灵活布置排水管道；

3) 节水性能优良，真空卫生器具的冲洗水量为1.0～1.5 L，远低于一般卫生器具5 L以上的水平；

4) 密封性好，整个系统实现真空密闭，并在管道和系统内形成负压，极大地提升了卫生间和污水泵房的卫生条件和空气质量。

目前，真空污水提升技术在实际应用中存在如下问题：对乘客使用的要求高，对污水原水的杂物颗粒尺寸要求较高，如使用不当，故障率高；对安装和产品要求较高，初期造价高；系统发生故障时，维修环境差，影响应用体验；洁具需配套定制，后期维护的灵活性和成熟性略有不足。目前，因故障率高等原因，该技术在地铁污水提升的应用还有待改进与提升。

2.4 基于凸轮泵技术的地铁污水提升系统应用分析

凸轮泵又称转子泵、罗茨泵(见图2)，通过转子在泵壳内的圆周流道中旋转，持续旋转会在吸入端口形成部分真空，使污水吸入泵内。污水通过转子顺着容积流动的方向被输送至泵出口，污水从而被排出。凸轮泵采用双轴双转子设计，双转子对介质具有剪切作用；轴和转子端面与泵盖之间具有面密封，因此轴和转子端面不会与介质接触，转子轴被缠绕和卡堵的概率极小；泵腔(转子啮合腔)口径大于泵吸入和排出管道口径，即泵能够吸入的介质一定能够通过泵腔被排出。通过采用双叶轮咬合排污，轴和转子端面与泵盖之间具有面密封，有效隔离丝织物的缠绕；具有很强的自吸力(部分可达–0.09 MPa)，在排污时利用此吸力可以在污水抽干后延时空转扫仓，清空集水箱底部所有污物，杜绝人为二次清掏，避免开箱造成的臭气外溢。

图2 凸轮泵

Figure 2 Cam pump

目前，凸轮泵密闭式污水提升装置(见图3)已在上海、广州等城市大客流地铁换乘站的改造工程中有良好的应用效果；采用凸轮泵作为密闭水箱污水提升的技术优势就是其具有极强的自吸能力，可将污水箱排空见底并不留漂浮物。随着以污水箱+干式污水泵为主要设备的污水提升系统在地铁车站应用愈发广泛，采用具备清底功能的凸轮泵技术也被越来越多的应用。在实际应用中，选择凸轮泵密闭式污水提升系统应注意以下问题：

图3 凸轮泵密闭式污水提升装置

Figure 3 Closed sewage lifting device of cam pump

1) 凸轮泵口径在满足水泵关键性参数的条件下尽可能大，一般不小于DN65；

2) 污水箱容积应和水泵性能匹配，需考虑一定的余量；

3) 排水管路要做好通畅性设计，拐弯或变径等会影响其自吸能力的正常发挥；

4) 应用经验相对少，需加强对运维经验的积累。

以北京地铁1号线某车站卫生间改造为例，原污水提升系统采用卧式污水泵，无自吸能力，无法实现清底；水位低于排污泵泵腔时，污物在污水池内部堆积、结垢现象严重，每年都需定期对污水池沉积物和漂浮物进行人工清掏，费用较高。在地铁“厕所革命”改造工程中试点采用了凸轮泵代替原卧式污水泵，该凸轮泵泵腔间隙大于管道通径，采用双叶轮密封，在防缠绕的同时可产生自吸力，实现清底，避免钙化。该凸轮泵参数：流量为20 m3/h，扬程为25 m，自吸高度8 m。经过两年多的运行，该技术可以解决污水池清底难题，改善了运维条件，降低了运维的难题和强度，节省了污水池清理费用，整体运行效果良好。下一步将在电机能效、管路大通径和平顺连接等设备和系统选配环节继续优化。

2.5 凸轮泵密闭式污水提升系统选配要点

集水箱容积的选择应在综合考虑设备厂商规格型号及组合的基础上，结合水泵每小时启动次数、水泵流量、实际进水流量、检修等确定。水泵流量的选择，应结合水箱总容积和设计排水秒流量选择，即：水箱总容积较大，水泵可适当减少启动次数或运行时间。每小时最大启泵次数的确定主要由所选电机性能确定。设计排水秒流量的计算和实际水泵流量的确定还需考虑高峰时乘客使用卫生间频次和冲水次数，与车站客流和卫生间厕位数量关系很大。一般情况下可按每个厕位不超过3 min使用一次洁具冲水量进行校核。此外，排水系统设计时应考虑到排水系统(含水泵)通径问题，一般的卫生间污水系统的通径不应小于洁具接口管径，建议在DN80以上。

适当的电机选配可以提升设备的使用效果，同时延长设备的整体使用寿命和实现节能，电机需具有频繁启动能力(设备每小时内最大可能启动次数12次)和一定的连续运行能力。

2.6 凸轮泵密闭式污水提升系统的智慧化控制与运维技术

污水泵运行智能控制是密闭污水提升系统保障正常工作的关键内容。水箱(池)污水液位传感器需简单可靠且不受潮湿与污物影响，建议采用不同技术的两路液位控制器(如无触点液位控制器或机械式气控液位开关)，当一路液位传感器输入信号出现故障时，另一路输入信号自动投入控制系统，启动水泵。避免因液位传感器故障造成污水液位超高，不能及时启动水泵的状况出现。

随着智慧地铁的深入开展，污水泵的智能运维也是智慧地铁机电系统的重要建设内容。首先，可通过传感器获取水泵的振动监测和各种运行数据，包括电流、流量、运行时间、液位值、压力、故障信号等信息，实现大数据的积累；然后通过对采集的多源数据进行筛选、处理，实现智能分析；其后，在逐步完成大数据积累、统计及分析的基础上，逐步建立水泵运行与实现车站用水的精确性匹配与协调关系，以实现故障诊断、预警、状态评估和工单自动派发等智能运维和应用。

3 结语

综上所述，随着“厕所革命”的推进，特别是北京地铁，对地铁污水收集排放的卫生标准要求日益提高，建设低维护量、高可靠、智能化的污水提升系统是设计人员一直努力的方向。

1) 地铁污水提升系统应用优化是一项系统性工程，需要从卫生间和污水泵房设置、排水收集系统优化、水泵选型、监控系统以及智能运维等各方面全面提升和优化。

2) 从实际效果来看，相比真空污水提升系统而言，密闭水箱污水提升系统是目前比较适合地铁污水提升的技术选项。

3) 建议充分考虑污水提升装置污水箱(池)底部沉积物和上部漂浮物对运维的影响，选用具有清底功能的凸轮泵污水提升系统(或其他具有类似功能技术)，可降低污水箱(池)清掏难度、频次和成本等。

[1] 地铁设计规范: GB 50157—2013[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.Code for design of metro: GB 50157—2013[S]. Beijing: China Architecture & Building, 2014.

[2] 陈浩, 梅棋, 朱玉平. 新型污水提升系统在地铁中的应用[J]. 都市快轨交通, 2010, 23(1): 108-111.CHEN Hao, MEI Qi, ZHU Yuping. Application of new sewage lifting system in metro[J]. Urban rapid rail transit, 2010, 23(1): 108-111.

[3] 建筑给水排水设计标准: GB50015—2019[S]. 北京: 中国计划出版社, 2019.Design standard for building water supply and drainage: GB 50015-2019[S]. Beijing: China Planning Press, 2019.

[4] 李江雯, 吴国华, 陈为民. 两种典型铁路真空排水泵站工作原理及能耗分析[J]. 给水排水, 2020, 56(1): 101- 105. LI Jiangwen, WU Guohua, CHEN Weimin. Working principle and energy consumption analysis of two typical railway vacuum drainage pumping stations[J]. Water supply and drainage, 2020, 56(1): 101-105.

[5] 刘健. 武汉三阳路公铁合建越江隧道地铁层排水系统设计[J]. 隧道建设, 2017(1): 81-85. LIU Jian. Drainage system design for Metro floor of Sanyang road highway railway cross river tunnel in Wuhan[J]. Tunnel construction, 2017(1): 81-85.

[6] 李学刚. 密闭式污水提升装置在地铁车站中的应用案例分析[J]. 给水排水, 2011, 37(9): 68-70. LI Xuegang. Application case analysis of closed sewage lifting device in subway station[J]. Water supply and drai­nage, 2011, 37(9): 68-70.

[7] 谢学报. 新型污水提升装置在轨道交通地下车站中的应用[J]. 隧道与轨道交通, 2019(2): 24-26. XIE Xuexue. Application of new sewage lifting device in rail transit underground station[J]. Tunnel and rail transit, 2019(2): 24-26.

[8] 刘纯洁, 蔡佳妮. 智慧地铁建设路径及实施方法[J]. 城市轨道交通研究, 2020, 23(6): 9-12. LIU Chunchun, CAI Jiani. Construction path and imple­men­tation method of smart subway[J]. Urban mass transit, 2020, 23(6): 9-12.

[9] 李英波, 白雪梅. 地铁车站内的污水提升方式探究[J]. 都市快轨交通, 2009, 22(5): 94-96. LI Yingbo, BAI Xuemei. Study on sewage lifting method in subway station[J]. Urban rapid rail transit, 2009, 22(5): 94-96.

[10] 陈勇, 赵昕, 方志珍. 一体化污水提升设备水力分析试验研究[J]. 工程与建设, 2015(5): 655-656. CHEN Yong, ZHAO Xin, FANG Zhizhen. Experimental study on hydraulic analysis of integrated sewage lifting equi­­pment[J]. Engineering and construction, 2015(5): 655-656.

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

李晓，男，本科，高级工程师，主要从事地铁机电相关技术管理工作，18611731990@163.com

李晓. 基于凸轮泵技术的地铁污水提升系统应用优化[J]. 都市快轨交通，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.

（编辑：王艳菊）