船用真空集污系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李小軍，俞恒毅

(1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064;2.浙江省邊防總隊(duì)海警一支隊(duì)，浙江 溫州325401)

船用真空集污系統(tǒng)是指以真空抽吸的方式收集船上生活污水(黑水和灰水)的系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)重力水沖洗的方式，這項(xiàng)技術(shù)不但能節(jié)約用水，保護(hù)環(huán)境，而且具有管徑相對較小、管網(wǎng)安裝方便、不易堵塞，經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)，已在飛機(jī)、火車、船舶等交通領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對于空間十分寶貴的船舶而言，其技術(shù)優(yōu)勢顯得尤其明顯。

1 船用真空集污系統(tǒng)原理

船用真空集污系統(tǒng)是一個(gè)完全密閉的排水系統(tǒng)，系統(tǒng)組成及工作原理見圖1。

圖1 船用真空集污系統(tǒng)原理

系統(tǒng)是利用系統(tǒng)內(nèi)外的氣壓差來實(shí)現(xiàn)生活污水的排空和傳輸?shù)?。系統(tǒng)利用真空機(jī)組在排污管路中形成一定的真空，在系統(tǒng)內(nèi)部真空和外界大氣壓的作用下，真空潔具內(nèi)的黑水和灰水克服管道阻力排入真空收集箱或生活污水處理裝置內(nèi)，真空收集箱內(nèi)的污水通過污水泵經(jīng)國際通岸接頭排至岸上或接收船舶，進(jìn)入生活污水處理裝置中的污水經(jīng)處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排至舷外［1-2］。

如圖1所示，真空潔具連接在一套真空排水系統(tǒng)上，各潔具通過排污支管連接在一起后與排污主管(立管)相連。排污主管的末端與真空機(jī)組相接。真空機(jī)組用來在排污支管和排污主管內(nèi)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的真空，并將進(jìn)入的污水排放到污水處理設(shè)備中。潔具內(nèi)的污水進(jìn)入排污支管，通過排污主管和真空機(jī)組排放到船底艙設(shè)置的污水處理設(shè)備中。

2 船用真空集污系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 真空機(jī)組設(shè)計(jì)

2.1.1 真空泵的選取

真空泵是真空機(jī)組的核心，其作用是產(chǎn)生真空、粉碎和排放污物。真空泵的抽吸能力可通過式(1)計(jì)算。

式中:Q——系統(tǒng)所需的抽吸能力，m3/h;

a——真空系統(tǒng)的泄露系數(shù)，一般為1.20～1.30，這里取1.25;

f——真空容器的使用頻次，按照ISO15749-3-2004的設(shè)計(jì)要求，真空機(jī)組的總能力應(yīng)滿足每廁位每小時(shí)12次的峰值條件下的使用要求，取12次/h［3］;

n1——真空馬桶的數(shù)量;

V1——使用一次馬桶的耗氣量，L/次，一般為(45～60)L/次，取50 L/次;

n2——灰水閥的數(shù)量;

V2——使用一次灰水閥的耗氣量，L/次，一般為(60～80)L/次，取70 L/次。

2.1.2 真空罐的選取

真空罐用來增大真空管路的容積和儲存空間，可大幅提升抽吸效果，減少真空泵的啟動次數(shù)，有利于真空集污系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。真空罐具有保持系統(tǒng)真空度和儲存污物的功能，真空容器的容積V容器按式(2)計(jì)算。

式中:V3——系統(tǒng)真空調(diào)節(jié)量，其值根據(jù)真空容器的數(shù)量確定，具體參見表1［4］;

η——系統(tǒng)真空度從最大下降到最小的差值，真空系統(tǒng)的真空度一般控制在30%～60%，故η為30%。

V管系——真空系統(tǒng)管路的容積，L。

表1 系統(tǒng)真空調(diào)節(jié)量與真空容積數(shù)量

儲存污水所需的容量按式(3)計(jì)算。

式中:V儲污——儲存污水容器的容積，L;

b——容積裕度系數(shù);

m——船舶上的定員數(shù)量，人;

t——儲污時(shí)間，當(dāng)船上設(shè)有滿足MEPC.159(55)決議的生活污水處理裝置，t取0.5～1.0 h，反之根據(jù)船舶連續(xù)航行時(shí)間確定;

f1——每人入廁頻次，取0.25次/(h·人);

q1——真空容器每次沖洗耗水量，取1.5 L;

q2——每次如廁產(chǎn)生的糞便量，取0.27 L;

真空罐容積取式(2)、(3)計(jì)算結(jié)果的大值。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)通過壓力變送器檢測管道壓力，當(dāng)管路真空度低于設(shè)定低值時(shí)(-0.03 MPa)，泵站自動啟動抽真空，將管路和真空罐的真空度提高至設(shè)定高值(初始設(shè)定-0.05 MPa)時(shí)停止運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)。

當(dāng)有人使用完便器后，通過感應(yīng)面板(或手動按鈕)自動將信號傳送給便器控制器，控制器首先控制排污閥上的水閥噴水以沖洗便盆，然后打開排污閥，利用管路內(nèi)外的壓差，將污物吸入真空管路。最后再控制水閥噴水以形成水封。

隨著污物的吸入，系統(tǒng)真空度逐漸消耗下降，等下降到設(shè)定低值(初始設(shè)定為-0.03 MPa)時(shí)，泵站重新自動啟動，提高真空度的同時(shí)將污物排出，直至將真空度再次抽到設(shè)定高值時(shí)停止，然后等待下一次啟用。

2.3 真空管路設(shè)計(jì)

2.3.1 管路的分區(qū)

系統(tǒng)安裝中通常有水平總管和垂直總管。應(yīng)根據(jù)船上的功能區(qū)或甲板層數(shù)目，對馬桶進(jìn)行分組。一般每根垂直總管上所連接的馬桶數(shù)量不超過100只，每根水平總管上的馬桶數(shù)量不超過25只。一般同一甲板的位置較為相近的幾個(gè)單元衛(wèi)生間的馬桶分為一個(gè)區(qū)域，共用一根水平或垂直分總管。如果船上設(shè)置有公共衛(wèi)生間，建議為其專門設(shè)置水平及垂直總管。每根水平分總管在匯入垂直總管處加隔離閥以防止檢修時(shí)影響其它區(qū)域中馬桶的正常使用［5］。

2.3.2 管路設(shè)計(jì)和安裝原則

1)管子彎曲半徑R≥3d，d為真空管的管徑，若使用定型彎頭時(shí)應(yīng)由兩個(gè)45°彎頭夾短管組成90°過渡管段，見圖2。

圖2 彎管

2)支管與主管連接按流動方向成45°，不能Y形或T形連接，見圖3。

圖3 支管連接主管

3)提升管與水平管連接應(yīng)與介質(zhì)流動方向成45°，且其連接點(diǎn)須在水平管中心線3d以上，見圖4。

圖4 提升管與水平管連接

4)水平管的布置應(yīng)按介質(zhì)流動方向降低或水平，不得提高，長度大于40 m時(shí)，應(yīng)按照1∶300的斜度來布置，并且在其中布置聚集點(diǎn)，以輔助污水在管路中的流動。污水在真空系統(tǒng)中的流動是通過污水前后管路中的壓力差來實(shí)現(xiàn)的，而在水平管路中，由于重力的作用，污水有可能無法在管路中起到密封的作用，從而導(dǎo)致大量的空氣進(jìn)入而污水本身并未流動。所以建議按照圖5布置聚集點(diǎn)。

圖5 水平管路布置

5)在水平管路上沿介質(zhì)流動方向管徑不得減小，在提升管路上沿介質(zhì)流動方向管徑不得放大。提升管與大管徑水平管連接時(shí)應(yīng)采用圖6所示連接形式。

圖6 提升管與大管徑水平管連接

6)為了清理疏通管路，須在管路上設(shè)置檢修孔，檢修孔的設(shè)置位置見圖7。

圖7 檢修孔設(shè)置位置

3 設(shè)計(jì)和使用時(shí)的注意事項(xiàng)

3.1 增加設(shè)備

真空集污系統(tǒng)需設(shè)置真空機(jī)組、控制箱、排污閥等設(shè)備，這樣不但會增加初始投資成本，而且這些設(shè)備需占用較大的艙室空間，增大用電負(fù)荷，增加全船重量。對于排水量在600 t以下或真空容器數(shù)量少于10個(gè)的小型船舶，收集管路短，相對而言，采用真空集污系統(tǒng)會占用較大的總體資源，弊大于利。

3.2 提高系統(tǒng)可靠性

增加設(shè)備后會增加故障點(diǎn)，而真空集污系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，即使是管路泄露，也會使整個(gè)衛(wèi)生間則無法使用。因此，在設(shè)計(jì)真空集污系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)船上衛(wèi)生間的位置進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一套獨(dú)立的真空集污系統(tǒng);真空泵組中的真空泵、排污泵等都要設(shè)計(jì)雙泵備份，當(dāng)一臺發(fā)生故障時(shí)設(shè)備仍能正常工作，從而增加系統(tǒng)的可靠性;如有條件，還應(yīng)設(shè)置少量重力廁所作為備用。

4 結(jié)論

真空集污系統(tǒng)目前已在船舶中得到了廣泛的應(yīng)用，但是真空系統(tǒng)是在負(fù)壓下工作，對真空泵組、真空容器、控制系統(tǒng)、沖洗機(jī)構(gòu)、排放閥、管路施工工藝等提出了特殊的要求，真空泵、真空罐等的選用必須根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)真空容器的數(shù)量和管路的布置情況，合理計(jì)算并選用，才能使真空集污系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

［1］費(fèi)志華，王憶秦.艦船生活污水真空收集技術(shù)［J］.船海工程，2010，39(6):99-101.

［2］葛志祥，王 琪，王小海.內(nèi)河船舶黑水處理技術(shù)研究及其實(shí)現(xiàn)［J］.船舶工程，2009，31(1):67-70.

［3］STANDARDS POLICY，STRATEGY COMMITTEE.Ships and marine technology.Drainage systems on ships and marine structures.Sanitary drainage，drain piping for vacuum system［S］.London:International Maritime Organization，2004.

［4］邵曉華，陳 清.真空系統(tǒng)在船舶污水收集中的應(yīng)用［J］.船海工程，2010，39(6):47-52.

［5］石如璋.船用真空污水處理系統(tǒng)［J］.船舶，1999(6):47-49.