鐵道客車給水裝置對站區(qū)給水系統(tǒng)影響的分析及對策

陳 軍,蔣金輝,張漢英

(1.鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院,北京 100038； 2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 3.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,武漢 430072)

鐵路旅客列車給水工程大規(guī)模改造始于國家《鐵路法》實施之前的1991年4月。由于當(dāng)時的《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》中沒有關(guān)于旅客列車給水站給水設(shè)備的具體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),造成車上旅客用水嚴(yán)重不足,給鐵路聲譽(yù)和形象帶來很大影響。為了改變旅客運(yùn)輸用水嚴(yán)重不足的局面,能夠向旅客“提供飲用開水”[1],并使當(dāng)時的新建和改造鐵路旅客列車給水站給水工程設(shè)計有所依據(jù),鐵道部建設(shè)管理司組織鐵道部第四勘察設(shè)計院編制了《旅客列車給水站給水設(shè)備設(shè)計暫行規(guī)定》。在該暫行規(guī)定編制和審查期間,曾提出過旅客列車車輛給水系統(tǒng)采用DN32 mm注水管的建議,以減少DN25 mm管道沿程損失,降低地面給水設(shè)備的供水壓力。由于當(dāng)時工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)管理體制的原因,此問題一直沒有得到很好解決。但《旅客列車給水站給水設(shè)備設(shè)計暫行規(guī)定》的發(fā)布和使用,對規(guī)范當(dāng)時的給水工程設(shè)計和控制投資確實起到了積極作用,也為后來鐵路旅客列車給水站給水設(shè)備能力的確定和《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》有關(guān)內(nèi)容的修訂奠定了基礎(chǔ)。

1 20世紀(jì)90年代旅客列車給水標(biāo)準(zhǔn)

鐵路在1997年4月1日對京廣、京滬、京哈三大干線實施了第一次大提速,當(dāng)時列車最高行駛速度為140 km/h。原《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》 (TB10010—98)當(dāng)時正值修訂期間。根據(jù)《旅客列車給水站給水設(shè)備設(shè)計暫行規(guī)定》的執(zhí)行情況,98版規(guī)范確定了“旅客列車給水站應(yīng)設(shè)置在區(qū)段站、有客列檢的車站、有始發(fā)終到旅客列車的車站及其他較大的車站,兩個給水站間距離宜為150～250 km”[2]的設(shè)計原則。由于當(dāng)時旅客列車在較大中間車站停車時間大多在8～12 min,根據(jù)旅客列車停站時間、水箱系統(tǒng)和給水設(shè)備能力,以進(jìn)站列車平均停車10 min,對上水流量進(jìn)行了實測和計算。經(jīng)測算,當(dāng)列車駛?cè)胲囌镜搅熊囃７€(wěn),大約需要用1 min時間,減去上水工作人員的插管和拔管作業(yè)1 min時間和開車前的1 min準(zhǔn)備時間,凈上水作業(yè)僅剩下不到7 min。如果以2.5 L/s的流量,不計算膠管和水箱注水管的沿程損失,7 min大約可以注入2.5 L/s×7×60 s=1 050 L水。因當(dāng)時列車型號較多,其中餐車配備的水箱容積較大,約為1 400 L。1 050 L水雖然略顯不足,但由于列車停站時間相對較長,在運(yùn)行1～2 h后可在下一個給水站進(jìn)行補(bǔ)水。

為滿足大型車站多路交匯同時上水及對給水設(shè)備能力的要求。在經(jīng)過大量調(diào)研、計算和分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理要求,同時考慮發(fā)展因素,采用了“客車給水栓應(yīng)按一井雙栓設(shè)置,栓口管徑以32 mm為宜,上水膠管宜采用φ32 mm,其長度不宜大于15 m”；“Ⅰ、Ⅱ級干線旅客列車給水站的每座客車給水栓井,當(dāng)使用一個栓頭時,其栓口的設(shè)計流量不得小于2.5 L/s。當(dāng)兩線路間的雙頭栓需同時給兩列客車上水時,其每個栓口的設(shè)計流量應(yīng)為2.0 L/s,每座栓井總流量應(yīng)為4.0 L/s”[2]的標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)實施后,鐵路雖經(jīng)歷了幾次較大的提速,但由于列車停站時間調(diào)整較小,中間較大給水站停車作業(yè)時間和水量基本還能滿足旅客運(yùn)輸用水需求。

2 目前旅客列車給水標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》(TB10010—2008)中有關(guān)旅客列車給水站的內(nèi)容,是在98版規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合近10年來鐵路旅客列車給水站設(shè)計和使用管理經(jīng)驗確定的。

鐵路經(jīng)過六次大提速后,運(yùn)行速度和路網(wǎng)結(jié)構(gòu)已發(fā)生了很大變化。目前鐵路客車主要采用的設(shè)計速度有160、200、250 km/h和350 km/h四種。為了適應(yīng)鐵路旅客運(yùn)輸發(fā)展需要,新設(shè)計規(guī)范對鐵路旅客列車給水站的設(shè)置間距進(jìn)行了較大調(diào)整,“鐵路區(qū)段旅客列車設(shè)計速度小于200 km/h時,旅客列車給水站間距離宜為250～400 km；設(shè)計速度200 km/h及以上時,旅客列車給水站間距離宜為300～700 km”[3]。在提速的基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步提高運(yùn)能,鐵路運(yùn)輸組織逐步壓縮了旅客列車到站后的停車時間。目前,“250 km/h及以上列車在樞紐站停車一般為2～5 min,中間站停車一般為1～3 min；200 km/h及以下停車時間一般為2～10 min”[4]。但有條件作為旅客列車上水的車站,其凈上水時間不宜小于4 min。否則,由于上水時間短水量很少,達(dá)不到使用要求,作為旅客列車給水站的意義不大。

在列車停站時間減少的情況下,對旅客列車給水站的設(shè)計和車站上水工作帶來很大壓力。由于目前旅客列車水箱仍然采用DN25 mm普通鍍鋅鋼管,如果大幅度提高旅客列車給水站的設(shè)計流量和服務(wù)水頭,不僅需要對既有鐵路旅客列車給水站進(jìn)行大規(guī)模改造,而且新建旅客列車給水站也將要增加大量投入。這樣做不僅會增加長期的運(yùn)營成本,同時也背離了技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的要求。為了準(zhǔn)確、合理確定給水流量,標(biāo)準(zhǔn)修訂期間,編制單位對北京、鄭州、武漢、廣州等鐵路局管轄的100多個鐵路旅客列車給水站進(jìn)行了廣泛調(diào)查,對取得的資料進(jìn)行了深入對比、分析后,在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的條件下,適當(dāng)調(diào)整了旅客列車給水站的最小服務(wù)水頭,從表1的對比中可以看出新舊標(biāo)準(zhǔn)最小服務(wù)水頭的變化。

表1 規(guī)范修訂前后客車給水栓最小服務(wù)水頭變化[5]

根據(jù)新規(guī)范確定的最小服務(wù)水頭和目前列車上使用的1 000 L及以上水箱容積、注水管徑和車站地面給水采用的長度為15 m、φ32 mm膠管,計算出上水流量及注滿水箱所需時間(表2)。

從表2可以看出上水壓力為0.25 MPa時,單栓上水流量略顯不足。為了達(dá)到使用要求,設(shè)計單位通常會采用增加壓力的方法以保證使用效果。這樣做往往會增加運(yùn)營期的能耗,但能夠滿足使用要求。

表2 上水壓力為0.25 MPa時旅客列車水箱上水流量、上滿水時間

為保證1個栓口的設(shè)計流量不小于2.5 L/s；雙栓口同時上水時,單個栓口流量不小于2.0 L/s,按列車上使用的1 000 L及以上水箱容積、DN25 mm注水管管徑和車站地面給水采用長度為15 m、φ32 mm膠管,計算出實際上水壓力及上滿水箱所需時間,見表3、表4。

表3 流量2.5 L/s時旅客列車水箱上滿水時間、壓力

表4 流量2.0 L/s時旅客列車水箱上滿水時間、壓力

當(dāng)流量為2.5 L/s,壓力0.29 MPa時,采用長度為15 m,φ32 mm膠管，沿程水頭損失約為6.11 m。5 m長DN25 mm列車水箱注水管和彎頭水頭損失約為16.59 m,總沿程損失約為22.70 m。

從以上數(shù)據(jù)可以看出,地面給水設(shè)施加大壓力后,車上水箱注水系統(tǒng)沿程水頭損失較大。

3 存在問題分析

旅客列車水箱的注水管道是《鐵道客車給水裝置通用技術(shù)條件》(TB/T 1720—1998)根據(jù)當(dāng)時的社會生產(chǎn)條件,依據(jù)《注水口(A、B型)形式與尺寸》(TB/T 112—1974)與注水口配套采的DN25 mm普通鍍鋅鋼管[6，7]。在實際使用過程中,當(dāng)管道中水的流量和壓力超過經(jīng)濟(jì)流速時,地面給水設(shè)施就需要增加管道壓力并以加大能源消耗來滿足旅客列車上水要求。如果繼續(xù)采用增加地面給水設(shè)備壓力的辦法,顯然在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是不合理的?？梢哉J(rèn)為,由于旅客列車給水裝置的注水口和管徑偏小,在鐵路提高運(yùn)能,減少停站時間的情況下,仍然采用DN25 mm普通鍍鋅鋼管,已經(jīng)成為制約旅客列車給水設(shè)備經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的主要因素。雖然在工程設(shè)計規(guī)范中增加了旅客列車給水站的服務(wù)水頭,車輛改為空調(diào)列車和高速動車,改善了旅客乘車環(huán)境和舒適度,但對長途運(yùn)行的旅客列車,車上用水矛盾的問題還會日顯突出。

現(xiàn)仍以1 000 L旅客列車水箱為例：按目前停車時間,要求旅客列車在給水站停車后的4 min有效上水時間內(nèi)上滿水,則流量最少要達(dá)到4.2 L/s。按此標(biāo)準(zhǔn),全路旅客列車給水站可能無一能滿足要求。如果按4.2 L/s標(biāo)準(zhǔn)確定旅客列車上水條件,列車上注水管仍采用的DN25 mm鍍鋅鋼管時,地面給水系統(tǒng)的壓力需要保持0.70 MPa,管道內(nèi)水的流速將達(dá)到8.26 m/s。這是目前旅客列車給水站給水系統(tǒng)和列車上水系統(tǒng)均無法達(dá)到的要求。

如果將旅客列車水箱注水管改為DN32 mm鍍鋅鋼管,當(dāng)流量為4.2 L/s時,壓力需要保持在0.33 MPa,管道內(nèi)水的流速約為4.37 m/s。從技術(shù)角度分析,基本符合水力學(xué)經(jīng)濟(jì)流速的要求。

根據(jù)《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》(TB10010—2008)確定的最小服務(wù)水頭,仍以車上采用1 000 L及以上水箱容積；車站給水設(shè)施采用長度為15 m、φ32 mm膠管為例，當(dāng)車上注水管徑改為DN32 mm時,從表5可以看出車上水箱上滿的時間變化。

表5 上水壓力為0.25 MPa時旅客列車水箱上水流量、上滿水時間

從對表2、表5計算數(shù)據(jù)對比可以了解到,列車上水箱注水管管徑由DN25 mm調(diào)整為DN32 mm時,在其他水利條件相同的情況下,上水流量約增加47%,上水時間約縮短31%。從目前旅客列車給水站的設(shè)備能力看,基本能滿足旅客列車上水要求。

如果在保證1個栓口的設(shè)計流量不小于2.5 L/s,車站地面給水設(shè)施采用長度為15 m,φ32 mm膠管,列車上水箱注水管徑調(diào)整為DN32 mm時,從表6可以看出地面給水設(shè)備上水壓力及水箱上滿水所需時間的變化。

由表3與表6計算數(shù)據(jù)分析,如果列車上水箱注水管管徑由DN25 mm調(diào)整為DN32 mm,在其他條件相同的情況下,上水壓力可降低44.8%。動力費(fèi)用降低情況以近期改造的武昌站、漢口站為例說明如下。

武昌站目前有66列車上水,每列車編組20輛,每輛車平均用水量1.4 m3,則每天客車上水量為：66×20×1.4=1 848 m3,如果將列車上水箱的注水管由DN25 mm調(diào)整為DN32 mm,地面給水系統(tǒng)的壓力可由0.29 MPa降至0.16 MPa,即加壓設(shè)備水泵揚(yáng)程可降低約13 m。每年節(jié)約的電費(fèi)可按下述公式計算

E=e·Q·H·d[8]

式中，E為電費(fèi)；Q為上水量；H為水泵揚(yáng)程；d為單位電價；e為比電耗(每小時將1 000 m3水提升1 m高度所耗電能),取2.72/n(kWh)；n為水泵及電機(jī)綜合效率,取0.7。

則武昌站每年可節(jié)約電費(fèi)為：E=e·Q·H·d=2.72/n·Q·H·d=2.72/0.7×1.848×13×1.2×365=40 887(元),即約為4.1萬元。

漢口站目前每天有58列車上水,每列車編組20輛,每輛車平均用水量1.4 m3,每天客車上水量為1 624 m3,依據(jù)上述公式可計算出漢口站每年可節(jié)約電費(fèi)約為3.6萬元。

從以上2個算例可以看出,客車給水裝置的注水管由DN25 mm改為DN32 mm后,對減少水頭損失,降低能耗的作用十分顯著。目前,全國約有500個旅客列車給水站,每年將會節(jié)省大約2千萬元左右的電費(fèi)。

如果列車上水箱的DN25 mm注水管不作調(diào)整,要想保證單個上水栓的流量不小于2.5 L/s,則勢必要對現(xiàn)有給水系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)能改造,增加加壓設(shè)施,擴(kuò)大管網(wǎng)供水能力。根據(jù)武昌站和漢口站客車上水設(shè)施改造情況的初步測算,僅武昌站上水管道及上水栓設(shè)備改造費(fèi),約750萬元；漢口站上水管道及上水栓設(shè)備改造費(fèi),約920萬元。從這兩個車站的給水改造工程,可以分析出既有旅客給水站改造工程費(fèi)用的投入情況。

由于每輛客車上有一個水箱,每個水箱用5 m長的注水管道。如果將DN25 mm鍍鋅鋼管改為DN32 mm不銹鋼管,從目前市場情況測算,每輛旅客列車水箱注水管道管道費(fèi)用大約為60.50元。目前,全國鐵路客運(yùn)列車保有量約為4.5萬輛(包括普通旅客列車和動車),更換全部車輛的管道材料費(fèi)用約為272萬元。

從以上2個旅客列車給水站的工程改造費(fèi)和全部旅客列車水箱注水管的改造費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)對比,可以看出改造車輛注水管的費(fèi)用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于給水站的工程改造費(fèi)用。

另外,由于鍍鋅鋼管在生產(chǎn)過程中能耗大,使用周期短,在管道銹蝕的情況下還會壓縮過水?dāng)嗝?同時還會對飲用水水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由于我國在建筑給水領(lǐng)域中已經(jīng)淘汰鍍鋅鋼管,客車給水裝置系統(tǒng)采用新型管材勢在必行。改為DN32 mm不銹鋼管后,由于其內(nèi)壁光滑,管道沿程水頭損失計算中的海簦-威廉系數(shù)與普鋼管系數(shù)之比為130∶100[9],水利條件要優(yōu)于普通鋼制管道。這對降低供水壓力,增加流量創(chuàng)造了有利條件。從上述分析可以看出,旅客列車水箱給水管道采用DN32 mm不銹鋼管道后,不僅可為鐵路旅客列車給水工程建設(shè)和鐵路運(yùn)營節(jié)約大量能源和資源,也為提高鐵路運(yùn)輸服務(wù)水平創(chuàng)造了條件。

4 對策和建議

雖然《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》經(jīng)歷了多次修改,在旅客列車給水站工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制定方面做了大量工作,從逐步加大水源、供水管網(wǎng)、供水構(gòu)筑物到增加壓設(shè)備能力,但由于與鐵道車輛產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)遲遲不能配套,給鐵路旅客車站給水工程設(shè)計和運(yùn)營帶來了很大影響。由于改變注水管道涉及到鐵道車輛產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和車輛給水系統(tǒng)的改造問題。為此,建議一方面鐵道車輛標(biāo)準(zhǔn)管理部門對《注水口(A、B型)形式與尺寸》(TB/T 112—1974)、《鐵道客車給水裝置通用技術(shù)條件》(TB/T 1720—1998)進(jìn)行及時修訂并盡快發(fā)布實施。另一方面,請車輛維修管理部門制定車輛給水裝置改造計劃,分期分批地對目前運(yùn)營的客車車輛進(jìn)行有計劃的改造,使目前車輛上采用的鍍鋅鋼管系統(tǒng)逐步改為不銹鋼系統(tǒng),盡快將新型客車給水裝置投入使用。

[1] 中華人民共和國主席令第32號，中華人民共和國鐵路法[Z].北京：1990.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10010—98 鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,1998.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10010—2008 鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2008.

[4] 趙月霞.提速鐵路及客運(yùn)專線客車給水探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2007(12)：78-80.

[5] 蔣金輝,陳 軍.《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》(TB10010)的修編[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010(4)：112-115.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB/T 1720—1998 鐵道客車給水裝置通用技術(shù)條件[S].北京：中國鐵道出版社，1998.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB/T 112—1974 注水口(A、B型)形式與尺寸[S].北京：中國鐵道出版社，1994.

[8] 姜乃昌.水泵及水泵站[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[9] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50015—2003 建筑給水排水設(shè)計規(guī)范[S] .中國計劃出版社,2003.