HXD2型機(jī)車風(fēng)源凈化系統(tǒng)的合理配置淺析

李映晨，宋 瑤，黃思俊

(北京賽德高科鐵道電氣科技有限責(zé)任公司，北京 100176)

0 引 言

壓縮空氣凈化處理是指壓縮空氣經(jīng)過除塵、除油、除水后，使之達(dá)到壓縮空氣質(zhì)量等級標(biāo)準(zhǔn)，滿足機(jī)車對壓縮空氣品質(zhì)的要求。壓縮空氣凈化處理設(shè)備一般分為兩類：過濾設(shè)備（主要功能是除塵、除油）和干燥器（主要功能是脫濕）。機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)是機(jī)車空氣管路系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它為機(jī)車、車輛的氣動元件及制動機(jī)提供高質(zhì)量潔凈干燥和穩(wěn)定的壓縮空氣[1]。機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的主要部件（如空氣壓縮機(jī)組、風(fēng)源凈化裝置等）均需進(jìn)行認(rèn)真的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算。影響機(jī)車風(fēng)源供風(fēng)質(zhì)量的主要因素有風(fēng)源凈化系統(tǒng)的設(shè)置、布局及干燥器的選型。

1 機(jī)車風(fēng)源凈化系統(tǒng)的布局原則

機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)中，空氣壓縮機(jī)之后安裝汽水分離器、除油除塵過濾器；然后安裝干燥器、后置過濾器；最后進(jìn)入總風(fēng)缸。其中配合排污電磁閥，去除包含于空壓機(jī)輸出飽和濕度空氣內(nèi)，因溫度下降析出的大量液態(tài)水和油滴；實(shí)現(xiàn)對壓縮空氣的預(yù)凈化處理，減輕空氣凈化系統(tǒng)中干燥器及后置過濾器的負(fù)擔(dān)，延長維護(hù)周期，增加系統(tǒng)的可靠性。

2 HXD2型機(jī)車風(fēng)源凈化系統(tǒng)介紹

1）機(jī)車風(fēng)源凈化系統(tǒng)，包括汽水分離器、預(yù)過濾器、精密過濾器、排污電磁閥、干燥器、后置過濾器。氣水分離器和自帶排污電磁閥，去除包含于空壓機(jī)輸出飽和濕度空氣內(nèi)，因溫度下降析出的大量液態(tài)水。壓縮空氣進(jìn)入預(yù)過濾器和精密過濾器后，先由濾芯去除油和灰塵，再由排污電磁閥排出，然后壓縮空氣進(jìn)入干燥器，由干燥劑去除水分，降低露點(diǎn)；最后由后置過濾器進(jìn)行精濾。2）汽水分離器，可除去99%以上的水、油等液體污染物，并配有排污電磁閥。3）預(yù)過濾器和精密過濾器。預(yù)過濾器用于去除1 μm以上的粒子，并可凝聚液態(tài)油水；在21℃條件下，油霧含量不超過0.5 mg/m3。精密過濾器用于去除包括油、水在內(nèi)的0.01 μm以上的粒子；在21℃條件下，油霧含量不超過0.01 mg/m3。4）排污電磁閥，是電氣控制的電磁閥，目的是從各種過濾器中排出凝結(jié)水、油等液體污染物。該閥由空壓機(jī)控制器自動控制。5）空氣干燥器，是吸附式無熱再生壓縮空氣干燥器。6）后置過濾器，過濾精度1 μm、過濾效率99.9%，配有手動排污閥。

3 HXD2型機(jī)車的壓縮空氣質(zhì)量

壓縮空氣中三種主要雜質(zhì)為：固體粒子、油、水；他們之間相互影響（例如：固體粒子有油或水時(shí)可聚結(jié)成較大顆粒，油和水作用時(shí)可發(fā)生乳化現(xiàn)象）；有時(shí)會在壓縮空氣系統(tǒng)管路內(nèi)壁上發(fā)生凝聚或液化（例如：油蒸汽或水蒸氣）；其他污染物也應(yīng)考慮在內(nèi)（包括微生物體和氣態(tài)污染物）。ISO 8573-1：2001（E）標(biāo)準(zhǔn)及HXD2型電力機(jī)車的采購規(guī)范規(guī)定了機(jī)車壓縮空氣質(zhì)量要求：固體顆粒等級為2級，含油量等級為2級，濕度等級為2級，見表1。

表1 固體粒子、含油量、濕度等級

4 壓縮空氣干燥器的選型

1）造型概述。常用的壓縮空氣干燥設(shè)備有三種：冷凍式、吸附式、組合式。冷凍式壓縮空氣干燥器，因其工作原理和結(jié)構(gòu)所限，壓縮空氣出口壓力露點(diǎn)達(dá)不到要求。機(jī)車對壓縮空氣的壓力露點(diǎn)要求較高（HXD2型機(jī)車要求-40℃的壓力露點(diǎn)），此時(shí)只能選用吸附式或組合式。吸附干燥是吸附分離技術(shù)的應(yīng)用之一。當(dāng)氣體中有固體顆粒時(shí)，氣體中的某些組分便富集于固體顆粒，這過程叫吸附過程。吸附是非均相系統(tǒng)（比如氣體-固體系統(tǒng)）中的兩相界面上發(fā)生的傳質(zhì)與富集過程。吸附操作的逆過程，通常稱為再生過程。具有一定選擇性吸附功能的多孔性固體物質(zhì)稱為吸附劑，吸附劑上富集的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。壓縮空氣干燥中，吸附質(zhì)為水蒸氣，它以物理吸附為主。吸附劑的再生方式可有兩種：（1）無熱再生：把干燥后的壓縮空氣分流出來的一部分，降壓至接近大氣壓（其中的水蒸氣分壓很低），不加熱的情況下再生已飽和吸附劑。采用無熱再生原理的干燥器叫無熱再生干燥器。（2）有熱再生：在加熱狀態(tài)下再生已飽和的吸附劑。

2）吸附劑。吸附劑是吸附分離的物質(zhì)基礎(chǔ)。壓縮空氣干燥脫水中常用的吸附劑有：硅膠，活性氧化鋁，分子篩。無熱再生干燥器的吸附劑通常為活性氧化鋁或分子篩，活性氧化鋁的抗破裂性能要優(yōu)于分子篩等其他材料。

3）干燥器的選型。根據(jù)機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的實(shí)際情況、成本能耗維護(hù)等原因，HXD2型機(jī)車選用無熱再生吸附式干燥器，采用活性氧化鋁為吸附劑，壓力露點(diǎn)在-40℃以下。

5 HXD2機(jī)車的干燥器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

無熱再生吸附式干燥器的結(jié)構(gòu)較簡單，見圖1。干燥器下部的壓縮空氣進(jìn)口處一般有四個閥門，分別稱為換向閥和排氣閥，排氣閥6控制吸附塔卸壓、再生氣排放和再生完成后吸附塔的“均壓”。兩個換向閥1控制了壓縮空氣的流動方向，決定了吸附和再生的切換。運(yùn)行時(shí)這四個閥門對角動作，干燥器中采用電磁閥作為換向閥。

吸附式無熱再生干燥器的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)如下：1）雙塔干燥再生轉(zhuǎn)換工作周期短。HXD2型機(jī)車的干燥再生轉(zhuǎn)換工作周期為：干燥時(shí)間120 s，再生時(shí)間為90 s。2）再生耗氣率低。再生耗氣率的大小應(yīng)當(dāng)按實(shí)際運(yùn)用條件確定，太大或太小都不好。耗氣率太大對吸附劑再生充分，使輸出的空氣質(zhì)量能充分干燥，但浪費(fèi)過多的壓縮空氣、加長能耗。耗氣率太小會使干燥器不能充分再生、干燥能力下降，甚至達(dá)不到風(fēng)源系統(tǒng)的基本輸出要求。

圖1 無熱再生吸附式干燥器的結(jié)構(gòu)圖

6 HXD2型機(jī)車的干燥器再生耗氣率的校驗(yàn)計(jì)算

如何確定最佳的耗氣率，主要是按兩個關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算：1）工作壓力（或是空氣壓縮比n）；2）每個工作循環(huán)內(nèi)，干燥塔的干燥時(shí)間與再生時(shí)間的比值（t1/t2）。具體介紹如下：（1）吸附和再生過程。一定量的干燥劑通過一定單位體積的潮濕空氣后，吸附其中的水汽，輸出不含水蒸汽的干燥空氣（近似）。與此過程相反，上述干燥劑吸水之后，反向通過同樣一定單位體積的干燥空氣時(shí)，干燥劑脫附，變成再生過程。先前吸附的水蒸氣恰好能被同樣單位的干燥空氣帶走。（2）按理想氣體的實(shí)驗(yàn)定律，在密封的容器中，一定量的氣體在溫度不變時(shí)，壓力P和體積V的關(guān)系為：PV=常量，一定量的封閉空氣，體積和壓力成反比。（3）干燥器工作時(shí)，對于干燥塔，設(shè)工作壓力n個大氣壓，流量Q1,干燥時(shí)間t1；那么,干燥通過的空氣量為V1=Q1t1。（4）對于再生塔，因它直通大氣，再生時(shí)塔內(nèi)的壓力為1個大氣壓，流量Q2，再生時(shí)間t2。因再生時(shí)進(jìn)入的是n個大氣壓的壓縮空氣，此處壓力下降到了1個大氣壓，根據(jù)上述（2）條，此時(shí)空氣體積膨脹n倍。通過的體積是：V2=n Q2t2.（5）根據(jù)上述（1）條，再生氣體量恰好完成再生的狀態(tài)時(shí)V1=V2,即Q1t1=nQ2t2.故再生耗氣率=Q2/Q1=t1/（nt2）×100%.（6）對于HXD2型機(jī)車干燥器，干燥時(shí)間t1=120 s，再生時(shí)間t2=90 s，n壓縮比其實(shí)就等于額定壓力值（9×105）Pa。經(jīng)計(jì)算得理想耗氣率恰好為15%，符合鐵標(biāo)要求。

7 HXD2機(jī)車的干燥器試驗(yàn)項(xiàng)目情況

針對HXD2型機(jī)車干燥器進(jìn)行了型式試驗(yàn)[2]，進(jìn)行的12項(xiàng)目為:氣密性試驗(yàn)，壓力損失檢查，干燥再生轉(zhuǎn)換方式與時(shí)間等參數(shù)檢查，防寒加熱裝置工作檢查，固體顆粒等級測量，濕度等級測量，含油量等級測量，再生耗氣量測量，低溫試驗(yàn)查，高溫試驗(yàn)、連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，振動沖擊試驗(yàn)檢查。以上試驗(yàn)結(jié)果符合試驗(yàn)大綱要求。

8 結(jié)束語

經(jīng)對HXD2型機(jī)車風(fēng)源凈化系統(tǒng)的分析，結(jié)合干燥器的型式試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)性能和參數(shù)均符合空氣質(zhì)量指標(biāo)要求，即固體顆粒等級為2級、含油量等級為2級、濕度等級為2級。總之，該空氣凈化系統(tǒng)符合HXD2機(jī)車對空氣的質(zhì)量要求。

[1]劉豫湘，陸緒華，潘傳熙.DK-1型電空制動機(jī)與電力機(jī)車空氣管路系統(tǒng)[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

[2]中國鐵道部.TB/T 3183—2007機(jī)車、動車用吸附式壓縮空氣干燥器[S].北京：中國鐵道出版社，2007：21-23.