鐵路給水站給水管網(wǎng)系統(tǒng)研究

張 亮 曾慶華 林程保 林 宏 馮 巍

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

1 研究背景

目前，我國正處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期，鐵路在大都市之間的人員交流、城鎮(zhèn)化發(fā)展中，發(fā)揮著中心城市輻射帶的功能，具有十分重要的交通紐帶作用[1]。截至2018年底，全國高速鐵路營業(yè)里程已經(jīng)超過2.9萬km，占鐵路通車總里程的23%，高速鐵路在全國交通運輸系統(tǒng)中，扮演者越來越重要的角色[2]。

高速鐵路的給排水設(shè)計，在客車上水、卸污及污廢水處理等方面都有其行業(yè)特殊性[3]，特大(大)型車站和動車所的給排水投資大，占全線給排水專業(yè)投資的50%～70%。特大(大)型車站和動車所，擔負著客車上水和卸污的服務(wù)功能。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的逐步提高，從旅客健康和保護鐵路財產(chǎn)的角度出發(fā)，保證供水水質(zhì)和消防安全，是鐵路給排水設(shè)計的關(guān)鍵[4]。

本文以某高速鐵路給水系統(tǒng)研究為例，通過對傳統(tǒng)的給水系統(tǒng)進行分析，針對設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)的問題提出新的給水系統(tǒng)設(shè)計方案，對方案進行對比得出較優(yōu)方案，為鐵路給排水設(shè)計提供參考。

2 給水站給水系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)狀

特大(大)型車站和動車所具有日用和消防用水量大的特點，設(shè)有旅客列車給水系統(tǒng)，室內(nèi)、室外消火栓給水系統(tǒng)，室內(nèi)自噴系統(tǒng)，室內(nèi)消防水炮系統(tǒng)等多種消防給水系統(tǒng)[5]。受原消防標準低和專業(yè)分工等方面的影響，鐵路特大(大)型車站的給水系統(tǒng)設(shè)計大都采用：室外消防給水系統(tǒng)和生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)合用1套管網(wǎng)和供水設(shè)備，室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、室內(nèi)自噴系統(tǒng)、室內(nèi)消防水炮系統(tǒng)在建筑物內(nèi)就近設(shè)多個獨立的室內(nèi)消防給水系統(tǒng)及加壓系統(tǒng)(以下簡稱傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案)。特大(大)型車站、動車所傳統(tǒng)的消防給水系統(tǒng)供水示意，如圖1、圖2所示。

圖1 特大(大)型車站傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案供水示意圖

圖2 動車所傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案供水示意圖

據(jù)調(diào)查、特大(大)型車站和動車所大多采用室外消防和生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)合用1套供水管網(wǎng)，如重慶北站、重慶北動車所、重慶西動車所、成都東動車所、成都東站、昆明南站等，室內(nèi)消防系統(tǒng)在多個建筑物內(nèi)設(shè)有多個獨立的室內(nèi)消防給水及加壓系統(tǒng)。

3 傳統(tǒng)給水系統(tǒng)存在的問題

針對傳統(tǒng)的給水系統(tǒng)存在的問題，本文從消防安全、供水水質(zhì)安全、消防水泵啟動等方面進行闡述。

3.1 消防安全

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路行業(yè)特大型及超大體量的建筑越來越多，消防的要求也越來越高。GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》及GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》在消火栓用水量、消防控制方式上較舊版規(guī)范均做了大幅度的調(diào)整，對管網(wǎng)的設(shè)計、消防控制等方面都提出了更嚴格的要求[6]。

3.2 水質(zhì)安全

目前，大多數(shù)車站的消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)置采用室外消防和生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)合用1套管網(wǎng)，管網(wǎng)管徑采用遠期的生產(chǎn)生活用水量和消防用水量計算確定。在運營過程中，初(近)期生產(chǎn)生活用水量小，消防用水量隨著消防規(guī)范的更新，卻在加大；此外，管網(wǎng)平差計算時，某些管徑偏大，導致用水量小的管網(wǎng)末端水質(zhì)更新慢，存在水質(zhì)變差的情況，嚴重影響了供水安全及旅客身體健康，造成不良的社會影響。

3.3 消防水泵啟泵

室外消防給水系統(tǒng)和生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)合用1套供水設(shè)備，若采用變頻供水設(shè)備，室外消火栓系統(tǒng)無法滿足GB 50116-2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)范第3.1.8條 “消防水泵等消防電氣控制裝置不應(yīng)采用變頻啟動方式”的規(guī)范要求；若采用工頻水泵，整個生活給水系統(tǒng)將不節(jié)能[7]。另外，生產(chǎn)生活與消防共用水泵，消防水池不做他用的措施無法得到保證[8]。為解決上述矛盾，車站的供水設(shè)備可采用變頻供生產(chǎn)生活用水和消防工頻水泵并聯(lián)的形式向管網(wǎng)供水，但由于共用1套管網(wǎng)，當客車上水栓工作和室外消火栓啟用時，均會導致管網(wǎng)壓力下降，消防加壓設(shè)備無法判斷何時該啟動消防泵，不滿足GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》關(guān)于消防水泵采用壓力開關(guān)或流量開關(guān)啟泵的要求。

4 新給水系統(tǒng)方案的提出

車站給水系統(tǒng)和消防給水系統(tǒng)的設(shè)計的重點是滿足消防安全和鐵路給水水質(zhì)安全的要求，為保證旅客出行安全，杜絕出現(xiàn)安全事故，本文提出新的給水系統(tǒng)方案，即生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)采用1套供水管網(wǎng)，室內(nèi)、室外消防給水系統(tǒng)合用1套管網(wǎng)的供水方案(下稱新給水系統(tǒng)方案)。

5 給水系統(tǒng)對比分析

新給水系統(tǒng)方案對比傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案，不僅能解決水質(zhì)安全問題，而且符合消防設(shè)計規(guī)范要求。本文以某特大型車站、動車所的給水系統(tǒng)設(shè)計為例，從管網(wǎng)工程、給水設(shè)備、土建工程、供水可靠性、供水安全性、運營管理、經(jīng)濟合理性等方面進行分析。

5.1 某高速鐵路特大(大)型車站、動車所的工程概況

特大(大)型車站、動車所的新給水系統(tǒng)方案供水示意，如圖3、圖4所示。

圖3 特大(大)型車站室內(nèi)外消防給水系統(tǒng)合用與生產(chǎn)生活分設(shè)的管網(wǎng)示意圖

圖4 動車所消防給水系統(tǒng)新方案供水示意圖

某高速鐵路特大型車站規(guī)模為15站臺29線，分3個車場，車站最高聚集人數(shù)1.5萬人，在距離車站站房約1 km處設(shè)綜合維修工區(qū)，初近期用水總量 1 303 m3/d，遠期用水總量 2 091 m3/d，1次消防用水量702 m3；動車所規(guī)模為12線檢查庫和48線存車場，初近期用水總量 2 005 m3/d，遠期用水總量 2 574 m3/d，1次消防用水量 1 080 m3，為兩條線的運營動車提供日常檢修和維護作業(yè)。特大型車站和動車所均有客車上水、缷污作業(yè)。特大型車站和動車所的管網(wǎng)按遠期設(shè)計，給水設(shè)備按初近期水量配置。

5.2 管網(wǎng)工程

管網(wǎng)工程是給水系統(tǒng)重要的工程之一，特大型車站和動車所的室內(nèi)外消防給水系統(tǒng)、生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)總管道長度采用傳統(tǒng)的給水方案，管道長度比新給水系統(tǒng)方案分別少約1%和7%。具體特大型車站和動車所的管道工程量分析，如表1、表2所示。

表1 特大型給水站管道敷設(shè)對比分析表

表2 動車所管道敷設(shè)對比分析表

5.3 給水設(shè)備

(1)新給水系統(tǒng)方案設(shè)備設(shè)計

給水站內(nèi)設(shè)1座給水加壓站，加壓站內(nèi)設(shè)大小泵搭配變頻供水1套，400 m3的裝配式不銹鋼生活水箱1座；同時在泵房內(nèi)設(shè)室內(nèi)外消防合用的消防水泵機組1套，自噴水泵機組1套、消防水炮泵機組1套。

(2)傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案設(shè)備設(shè)計

給水站內(nèi)設(shè)1座給水加壓站，加壓站內(nèi)設(shè)大小泵搭配變頻供水1套；工頻水泵1套，400 m3的裝配式不銹鋼生活水箱1座，同時在站房內(nèi)還需設(shè)置設(shè)室內(nèi)消防水泵機組1套，自噴水泵機組1套、消防水炮泵機組1套。由于特大型車站或動車所和工區(qū)大多數(shù)分散布置，為了滿足工區(qū)房屋的室內(nèi)消防設(shè)計要求，在距離站房1 km處，還需新建室內(nèi)消防給水加壓設(shè)備1套,同時需消防泵房和消防水池等土建工程進行配套。

特大型車站和動車所的新方案相對傳統(tǒng)方案消防供水設(shè)備數(shù)量都較少，且布置集中，控制簡單，較優(yōu)。具體特大型車站和動車所的設(shè)備設(shè)計分析，如表3、表4所示。

表3 特大型車站設(shè)備設(shè)計對比分析表

表4 動車所設(shè)備設(shè)計對比分析表

5.4 土建工程

本次提出新的給水方案，最大的特點是，消防泵房和水池僅設(shè)1座就能滿足站區(qū)或動車所的所有的消防給水系統(tǒng)。傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案設(shè)1座給水所，僅滿足站區(qū)或動車所的室外消防和生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)要求，還需在設(shè)有室內(nèi)消防給水系統(tǒng)的單體建筑內(nèi)設(shè)若干座消防泵房和水池，以滿足室內(nèi)消防的設(shè)計要求。具體特大型車站和動車所土建工程對比分析，如表5所示。

表5 特大型車站和動車所土建工程對比分析表

消防泵房多，不僅不便于運行和管理，而且也增加了土建，電力配套等費用，新提出的方案優(yōu)于傳統(tǒng)的消防給水系統(tǒng)方案。

5.5 供水可靠性

5.5.1 傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案實施難點

若采用傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案，為滿足消防設(shè)計要求，需在變頻水泵的基礎(chǔ)上，增加1套工頻消防水泵，設(shè)備設(shè)置復雜化。高速鐵路中特大型車站、動車所均設(shè)有旅客列車給水系統(tǒng)，旅客列車給水栓單栓設(shè)計流量在1.5～2.5 L/s，旅客列車上水同時一排上水設(shè)計流量在25～40 L/s之間，大于1座消火栓的設(shè)計流量，甚至大于室外消防設(shè)計流量，而且由于合用管網(wǎng)，消防泵采用低壓壓力開關(guān)啟動時，無法識別是否發(fā)生火災(zāi)，導致無法啟動消防工頻泵?？稍诿總€室外消火栓支管上均需設(shè)流量開關(guān)以達到流量開關(guān)啟泵的方案，但室外消火栓的數(shù)量龐大，節(jié)點故障率增高，而且室外消火栓支管上的流量開關(guān)均需用控制電纜連接至消防泵房內(nèi)的控制柜，線路長度長，線路故障多，使用壽命短，敷設(shè)電纜造價高，電氣控制復雜、運營管理難，存在安全隱患。

5.5.2 電氣控制的可靠性

傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案，可采用消火栓支管上設(shè)流量開關(guān)的形式控制水泵啟動，但流量開關(guān)采用長距離控制線傳輸信號，可靠性差，誤動作概率高。

新給水系統(tǒng)方案采用設(shè)置在消防水泵的出水干管上的壓力開關(guān)直接控制室內(nèi)外消防泵啟動。只需在消防主干管上設(shè)1個低壓壓力開關(guān)。室內(nèi)外消防給水系統(tǒng)采用消防水泵供水，不與給水泵混用管網(wǎng)，無干擾。出水干管上的壓力開關(guān)與控制柜在同一泵房內(nèi)，控制線短，可靠性高。具體電氣控制可靠性分析，如表6所示。

表6 特大型車站及動車所給水站電氣控制對比分析表

5.6 供水安全性

傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案，站臺的消防管網(wǎng)內(nèi)容易形成死水區(qū)，有回流污染的風險。在管網(wǎng)末端，管徑較大而用水量小，水循環(huán)差，水質(zhì)難以保障，一旦出現(xiàn)水質(zhì)安全事故，社會影響較大。例如：某動車所給水水質(zhì)監(jiān)測存在兩項指標不合格。

采用新給水系統(tǒng)方案，生活、消防管網(wǎng)分設(shè)，飲用水的水質(zhì)有保障。因此，新給水系統(tǒng)方案的在供水水質(zhì)安全保障上有較大優(yōu)勢。具體水質(zhì)安全對比分析，如7所示。

表7 特大型車站和動車所供水水質(zhì)對比分析表

5.7 運營管理

傳統(tǒng)的的消防給水方式，出現(xiàn)故障時，難以分清是消防系統(tǒng)故障，還是給水系統(tǒng)故障，查找難度較大。并且消防泵房多，位置分散，管理難度較大。

新方案生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)各自有獨立的控制系統(tǒng)，設(shè)備均布置在1座泵房內(nèi)，集中布置且運行獨立，因此新方案運行維護及管理均較簡單。具體運營管理分析對比分析，如表8所示。

表8 特大型車站和動車所運營管理方面對比分析表

5.8 經(jīng)濟合理性

本線結(jié)合特大型車站和動車所的新方案及傳統(tǒng)方案的投資進行了對比分析，特大型車站的新給水系統(tǒng)總投資約 1 330.71萬元，傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案總投資約 1 499.04萬元；從經(jīng)濟角度分析，新給水系統(tǒng)節(jié)約投資約168.33萬元，占比約11.23%。具體特大型車站和動車所的對比經(jīng)濟指標，如表9、表10所示。

表9 某高速鐵路特大型車站給水系統(tǒng)經(jīng)濟分析表

表10 某高速鐵路動車所給水系統(tǒng)經(jīng)濟分析表

傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案相比新給水系統(tǒng)方案在管道敷設(shè)上，經(jīng)濟效益優(yōu)勢明顯，但給水系統(tǒng)不僅僅是管道敷設(shè)，從系統(tǒng)性分析，傳統(tǒng)給水系統(tǒng)方案占地面積大，總的消防泵房面積大，設(shè)備分散且數(shù)量多，導致系統(tǒng)造價高。

6 結(jié)束語

通過分析國內(nèi)特大型車站和動車所目前采用的給水管網(wǎng)系統(tǒng)形式，文章以重慶地區(qū)某動車所出現(xiàn)供水水質(zhì)及消防安全隱患為出發(fā)點，提出了新給水系統(tǒng)方案。新給水系統(tǒng)方案，適用于當市政供水條件為單水源或市政自來水水量水壓無法滿足生產(chǎn)生活及消防要求，車站的給水系統(tǒng)采用臨時高壓的給水系統(tǒng)；采用新給水系統(tǒng)方案既能更好地滿足消防設(shè)計規(guī)范的要求，也能保證消防及供水水質(zhì)安全，且經(jīng)濟合理。

由此，新給水系統(tǒng)，在鐵路領(lǐng)域中，不僅可以用在高速鐵路的給水站中，而且可用于鐵路貨場、鐵路港口、鐵路物流園區(qū)、軌道交通車輛段等項目中的消防給水系統(tǒng)。

當給水站在室外消防采用低壓室外消防給水系統(tǒng)；室外消防用水量遠遠小于室外生產(chǎn)生活用水量的條件下。室外消防和生產(chǎn)生活給水系統(tǒng)合用1套供水管網(wǎng)有一定的優(yōu)勢，同時還須合理確定管徑，兼顧生活用水點不應(yīng)設(shè)置在支狀管網(wǎng)末端，避免造成水質(zhì)污染。