真空技术在钻井平台生活污水收集中的应用

王柏和，王 祝，毕 博，郭艳欣

（中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部，天津大港 300280）

0 引言

科技发展高速的当今，真空技术在建筑、列车和航空等领域污水收集方面得到广泛的应用。对远离陆地、空间布置紧凑的海上钻井平台而言，节水、环保、节省空间等优势的真空收集成为排污系统发展的新趋势。中油海16 钻井平台是JU2000E升级版的新船型，定员140 人，设置了一套依凡克真空集污系统，用于收集平台生活区的黑水和灰水。本文将综述这套真空系统在生活污水收集中的应用，为今后钻井平台建造在排污系统的收集和处理方面的设计与选型提供参考。

1 污水收集系统方案

生活污水收集系统（集污系统）通常分为重力式收集和真空式收集。重力式收集系统，是利用水本身的重力作用，通过排水管流至污水收集装置。真空式收集系统，是利用管道中真空将排放污水逐步输送和收集到污水收集装置。两种生活污水收集系统各有自己的优势和不足，以下对这两种污水收集方案的特点进行了比较，比较分析见表1。

目前，生活污水收集通常采用传统的重力式收集。通过环保和经济性等的综合比较，中油海16 平台，黑水泄放设计采用真空系统收集，灰水泄放设计依靠重力式收集。

表1 污水收集方案对比分析

2 真空收集系统原理

生活污水真空收集系统，是利用系统内外的气压差来实现生活污水的传输和收集的排污系统。系统利用真空泵组在排污管路中形成一定的真空，在系统内部真空和外界大气压的作用下，真空洁具内的黑水和灰水克服管道阻力排入真空收集箱或生活污水处理装置内。

3 真空收集系统组成

3.1 真空泵站

真空泵站是用于产生集污系统所需的真空和将收集到的污水排放到污水储存装置或污水处理装置。目前真空集污泵站的设计，常用的有变容式、喷射机组式和转子泵式等3 种类型。EVAC 真空集污系统选用的是喷射机组式的真空泵站，喷射泵、喷射器和收集柜集成在生活污水处理装置上。喷射泵在自动模式下，压力开关-40 kPa 时自动启动，-60 kPa 时自动停止。

3.2 真空管网

真空管网即真空管路，是连接真空马桶和真空界面阀与真空泵站的连接管路，用于传输真空和输送污水的作用。中油海16 平台选择的是美国GF 公司的PVC 管材和管件，强度不低于1.25 MPa 等级。黑水系统设计2 1/2″总管，1 1/2″和2″分支管，汇至真空泵站。

3.3 真空便器

真空便器分为真空坐便器和真空蹲便器两种。中油海16 平台选择的是壁挂式陶瓷真空坐便器，主要组成如图1 所示。运行真空度为-（30～60）kPa，冲洗水压（0.3～1）MPa，冲洗水量1.2±0.15 L/次。

3.4 真空界面阀

真空界面阀是用于收集污水的一种中间收集装置。中油海16平台设计用于连接公厕地漏/医务室浴室地漏/医务室洗池地漏和真空管路的收集装置，设置3 套真空界面阀，运行真 空 度 为-（30～60）kPa，容积5 L。

图1 真空便器组成

3.5 水路和气路

供水管路是从不锈钢管的饮用水系统取水，管路设有截止阀和真空破坏器。真空破坏器是将供水管与马桶冲洗水阀连通，用于自动消除水管内真空，有效防止虹吸回流，消除回流污染。气路主要是指连接真空马桶水阀和排放阀、真空界面阀的排泄阀与激发器的真空管路。

3.6 控制系统（图2）

图2 系统控制工作

EVAC 真空集污系统是通过控制喷射泵来造真空的，真空泵站控制器通过压力开关监测真空管网的真空度来实现启停喷射泵的。真空马桶和真空界面阀是通过真空激发而实现污水抽吸的。当按动真空马桶的冲厕按钮，在真空的作用下将打开水阀和真空马桶的排放阀，持续5 s 的粪便水抽吸，排放阀关闭，水阀继续喷水3 s 后关闭，完成一次工作循环；当真空界面阀收集的污水达到激活容积时，激发器打开排泄阀，持续5 s 抽吸，排泄阀关闭，完成一次工作循环。

4 设计选型

生活污水真空收集系统的收集能力主要与真空泵站的抽吸空气的能力有关，抽吸能力与真空系统的真空度有关。真空度越低，抽气能力越大，真空度越大，抽气能力越小，一般设计真空系统的真空度控制在30%～60%。真空系统的运行稳定性与收集系统的管系真空容量有关，管系真空调节容量越大，真空系统运行越稳定。设计选型时需考虑真空系统的抽吸能力和真空调节容量。

4.1 真空泵站的选取

（1）真空系统所需的抽吸能力计算公式。

式中 Q——真空系统所需的抽吸能力，即高峰时期耗气量，m3/h

a——真空系统的泄漏系数，一般为1.20～1.30，计算取1.25

f——真空容器的使用频次，按照ISO 15749—3—2004的设计要求，真空机组的总能力应满足每厕位12 次/h的峰值条件下的使用要求，计算取12 次/h

n1——真空马桶的数量，台

V1——使用一次马桶的耗气量，L/次，一般为（45～60）L/次，计算取50 L/次

n2——真空界面阀的数量，台

V2——使用一次真空界面阀的耗气量，L/次，一般为（60～80）L/次，计算取70 L/次

计算得出Q 为63.9 m3/h，真空泵站的抽气能力q 需大于Q的抽吸能力。

（2）根据Q 值的抽气量就可以选型水喷射器组成（喷射器的抽气量和喷射泵的用水量）的类型，即可选型喷射器和喷射泵的性能参数。

（3）水力喷射器的结构参数设计计算公式。

式中 K——喷射器的体积喷射系数

C——真空度系数

Pgs——工作水压力，MPa

Px——吸入压力，MPa

Pp——排除压力，MPa

Vk——喷射器吸入空气流量，m3/h

Vgs——喷射器工作水的流量，m3/h

根据公式2 和3 算出工作水流量，由此进行喷射泵的选型。进而再可以借鉴喷射器的设计经验，计算出喷射器的吸气室、喷嘴、混合管收缩段、混合喉管、扩压管的直径和长度。

中油海16 平台选型配套了2 套MARVAC DN80 喷射器和喷射泵，系统的真空状态由一个压力开关控制，当系统的真空度低于设定值-40 kPa 时，喷射泵会自动启动，-60 kPa 喷射泵会自动停止，若真空值持续下降约20 秒后，另一组的喷射泵会自动启动运行，维持真空系统真空度在（-40～-60）kPa，两套喷射器交替使用并互为备用，增加了真空系统抽吸的可靠性。

4.2 真空调节容量

为维持真空系统真空度在（-40～-60）kPa，真空系统需要有一定的真空容量，当系统真空容量不足时，需要设置适当的真空容器。真空调节容量的计算公式：

式中 Vr——系统真空调节容量，L

30%——系统真空度从60%下降到30%的差值

V——系统容量，V=V管系+V容器，L

中油海16 平台真空系统未设计真空容器，即V=V管系=1267 L，计算得出真空调节容量Vr=380 L。

5 注意事项

（1）真空收集系统管网对密性要求高，即对管道施工安装质量要求高。真空管系应该按照厂家的指导进行设计、施工和安装，例如水平管段在1∶300 的坡度布置时需间隔25 m 布置聚集点或清扫口。

（2）真空收集系统对真空泵站的稳定性提出了更高要求，这样真空收集系统需合理设计真空泵站和真空系统容量。真空泵设计时考虑冗余，最好一备一用；真空调节容量尽可能设计大一些。

（3）真空收集系统要注意防堵。管网因管径较小，考虑系统故障率的人为因素，需文明使用。

6 结论

对于远离陆地、空间紧凑的钻井平台而言，生活污水真空收集系统在节水、环保、节省空间等方面，与传统的重力式集污系统相比具有较大的优势，符合现代排水系统发展的新思路，具有良好的发展前景和应用。生活污水真空收集系统在防堵、维持真空度和能耗等方面还需人们不断地优化和研发。