鐵路客車上水節(jié)水措施分析

洪蔚，范英宏，陳澤昊，侯世全

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081;2.北京中鐵科節(jié)能環(huán)保新技術(shù)有限公司，北京 100081)

長(zhǎng)期以來(lái)，鐵路客車上水過(guò)程中水資源浪費(fèi)的問(wèn)題非常突出，據(jù)有關(guān)資料介紹，全國(guó)每年鐵路客車上水水資源漏耗約4 766×104m3［1］。在北方站區(qū)，漏耗的水還會(huì)造成道床路基下沉和冬季道床結(jié)冰，給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)帶來(lái)安全隱患。因此，采取有效的節(jié)水措施減少或避免客車上水漏耗，對(duì)鐵路系統(tǒng)節(jié)能降耗、提升鐵路形象具有重要意義。

1 上水浪費(fèi)主要原因

傳統(tǒng)的客車上水系統(tǒng)主要由供水管網(wǎng)、客車上水栓、上水軟管、客車水箱及配水管路組成。分析客車上水系統(tǒng)各部分組成及現(xiàn)場(chǎng)使用情況，漏耗的主要原因有以下幾個(gè)方面。

(1)供水管道銹蝕、斷裂造成的浪費(fèi)。一些老舊車站，供水管網(wǎng)質(zhì)量較差，加之年久失修，管道銹蝕、接口斷裂現(xiàn)象嚴(yán)重［1］，浪費(fèi)了大量水資源。

(2)上水接頭與列車注水口不匹配造成的浪費(fèi)。目前我國(guó)運(yùn)營(yíng)的客車注水口無(wú)統(tǒng)一生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)，致使上水接頭與部分列車注水口不匹配，連接不緊密，上水時(shí)易產(chǎn)生漏水現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致接頭脫落，水流在股道地面漫延。

(3)客車水箱水滿溢流造成的浪費(fèi)。目前上水過(guò)程中，上水工只有在觀察到水箱溢流管開始溢水后，才能判斷水箱已上滿水，然后才關(guān)停上水閥門。由于上水工需兼顧多節(jié)車廂的上水作業(yè)，往往不能及時(shí)關(guān)閉上水閥門，就有大量自來(lái)水通過(guò)溢流管流入道床，造成浪費(fèi)，并對(duì)道床造成損害。目前這一現(xiàn)象產(chǎn)生的浪費(fèi)廣泛存在于全國(guó)各站。

(4)客車給水栓“常流水”防凍所造成的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的客車上水栓無(wú)卷管功能，上水結(jié)束后，上水軟管蜿蜒放置在股道間，無(wú)法排空管內(nèi)存水，使得上水軟管及上水栓在冬季寒冷地區(qū)易凍結(jié)，無(wú)法進(jìn)行上水作業(yè)，甚至凍裂上水栓。為保證上水正常進(jìn)行，在不上水時(shí)一般微啟上水栓使其“常流水”來(lái)防止凍結(jié)，這也造成了水資源極大的浪費(fèi)。

2 上水節(jié)水措施

針對(duì)上述上水過(guò)程中水資源浪費(fèi)的原因，需要從供水管網(wǎng)維護(hù)、客車注水口設(shè)計(jì)、上水設(shè)施改造等多方面采取措施，從而改進(jìn)鐵路上水浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象。

2.1 供水管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)和維護(hù)

在更新改造或新建站設(shè)計(jì)上水管網(wǎng)時(shí)，應(yīng)選擇壽命長(zhǎng)、耐高低溫、防腐防銹、維修時(shí)易更換的管道及管閥件。

可在給水管網(wǎng)總管和各支管分別設(shè)置流量計(jì)量裝置，當(dāng)總管流量計(jì)量裝置顯示的總流量大于各支管流量之和時(shí)，表明支管有泄漏，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢查堵漏。

管道管頂埋設(shè)深度應(yīng)設(shè)在土壤冰凍線以下，防止冬季管道結(jié)冰造成管道凍裂。

管道穿越鐵路設(shè)置的防護(hù)涵洞、防護(hù)套管，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行埋深，防止管道由于承重過(guò)載而斷裂。

定期對(duì)老舊給水管網(wǎng)進(jìn)行維護(hù)，更換銹蝕嚴(yán)重的管閥件。

2.2 客車注水口標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)所有客車注水口型式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，統(tǒng)一注水口型式和規(guī)格尺寸，使得快速接頭與注水口可緊密連接不漏水，減少快速接頭脫落的概率;同時(shí)，在機(jī)械上或程序上進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，使得接頭一旦脫落即可停止上水。

2.3 溢流控制技術(shù)研發(fā)

針對(duì)滿水溢流問(wèn)題，目前已有多項(xiàng)措施可減少溢流的水量。如新型客車上水設(shè)備的研制［2－5］，當(dāng)溢流發(fā)生時(shí)，可通過(guò)遙控器遠(yuǎn)距離關(guān)閉溢流水箱對(duì)應(yīng)的上水設(shè)備以減少溢出的水量，或者通過(guò)設(shè)定上水時(shí)間自動(dòng)停止上水來(lái)避免或減少溢流，但是仍不能做到完全避免溢流產(chǎn)生。如何將車上水箱水滿信號(hào)一一對(duì)應(yīng)地傳遞到車下上水設(shè)備是解決溢流控制問(wèn)題的關(guān)鍵，這一關(guān)鍵技術(shù)不得到解決，將限制溢流控制技術(shù)的推廣應(yīng)用，因此需要加大新型溢流控制裝置的研發(fā)力度。

2.4 上水軟管防凍措施

要解決客車上水栓防凍常流水現(xiàn)象，需要在上水作業(yè)完成后，及時(shí)將管內(nèi)存水排空。

2.4.1 加裝上水、排水電磁閥排空軟管余水

對(duì)老式上水栓進(jìn)行改造，加裝上水電磁閥和排水電磁閥或二位三通電磁閥，并配套帶傾斜角的軟管固定支架。上水作業(yè)完成后，上水閥關(guān)閉的同時(shí)排水閥開啟，將上水軟管順直放在支架上，管內(nèi)余水即排至上水栓井中，可有效防止上水軟管結(jié)冰，并且避免了余水在股道結(jié)冰或損害路基。

2.4.2 加裝加熱裝置

現(xiàn)代化車站要求整潔美觀，上水軟管不得露天暴露，這就需要采用帶自動(dòng)卷管和自動(dòng)排空余水功能的新型客車上水設(shè)備。上水完成后，將上水接頭與注水口分離，啟動(dòng)卷盤電機(jī)，上水軟管即被回收至箱體內(nèi)，軟管在回收的過(guò)程中，可排出一部分余水。但是由于上水軟管余水未全部排盡即開始卷管，軟管在卷盤纏繞，仍會(huì)有部分余水無(wú)法排空而凍結(jié)，因此需要在上水設(shè)備箱體內(nèi)加裝溫度采集和加熱裝置。當(dāng)溫度低于4℃時(shí)，加熱裝置開啟，當(dāng)溫度高于一定溫度時(shí)，加熱裝置關(guān)閉。同時(shí)需要保證箱體的密封性能，箱體四周加襯保溫材料，側(cè)板與框架的拼接處加密封條，以保證箱體內(nèi)的溫度。

2.4.3 降低上水設(shè)備排水管管口設(shè)置高度或加大上水管管徑

針對(duì)2.4.2所述采用新型客車上水設(shè)備時(shí)，余水排空所需時(shí)間較長(zhǎng)，若加快余水排空的速度，減少排空時(shí)間，在卷管前即將余水排空，這樣就無(wú)需加裝加熱裝置。

降低上水設(shè)備排水管管口設(shè)置高度或加大上水管管徑可加快上水管余水排空的速度。

斷面Ⅰ為上水接頭與注水口連接斷面，斷面Ⅱ?yàn)樯纤O(shè)備排空管管口斷面，上水軟管與上水栓連接處為零點(diǎn)斷面。列兩斷面間的伯努利方程［6］:

式中:z1、z2為斷面高程，m;p1、p2為斷面壓強(qiáng)，Pa;ν1、ν2為斷面液體流速，m/s;ξi為局部阻力系數(shù);λ為管路沿程阻力系數(shù);l為沿程管路長(zhǎng)度，m;d為沿程管路直徑，m。

已知上水接頭與客車水箱注水口連接，z1=1.5 m，上水栓位于地下設(shè)備井內(nèi);z2=－h(huán)m;上水接頭斷面Ⅰ處和上水栓排水管管口斷面Ⅱ處均與大氣連通，p1=p2=p0;上水管路管徑不變，ν1=ν2=ν;設(shè)管路彎頭局部阻力系數(shù)ξ1=0.5，三通局部阻力系數(shù)ξ2=1.5;上水軟管長(zhǎng)度為15 m，上水栓管路長(zhǎng)度為hm，則l=(15+h)m;λ采用阿里特蘇里公式，其中

(1)排水管口設(shè)置高度影響分析

解得，當(dāng)z2=－h(huán)=－1.18 m時(shí)，ν=1.5m/s;

當(dāng)z2=－h(huán)=－3.9 m時(shí)，ν=2m/s;

當(dāng)z2= －h(huán)= －8.9 m 時(shí)，ν=2.5m/s。

可見，降低排水管管口設(shè)置高度可加快上水軟管余水排空初速度。

(2)加大上水管路直徑影響分析

解得，當(dāng)z2=－h(huán)=－0.45 m時(shí)，ν=1.5m/s;

當(dāng)z2=－h(huán)=－2.27 m時(shí)，ν=2m/s;

當(dāng)z2= －h(huán)= －5.22 m時(shí)，ν=2.5m/s。

比較d=0.025 m和d=0.032 m時(shí)，z2和ν的值，可見，當(dāng)排空速度相同時(shí)，管徑大的上水設(shè)備，排空管口位置距零點(diǎn)斷面高程差小;反之，當(dāng)排空管口位置一致時(shí)，管徑大的上水設(shè)備，排空速度大。

3 結(jié)論

(1)采用高質(zhì)量、防腐防銹的上水管材，可解決上水管道銹蝕斷裂造成的漏耗;在管網(wǎng)設(shè)置流量計(jì)量裝置，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)是否泄漏以便得到及時(shí)維修;在工程設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行埋深，可防止冬季管道結(jié)冰引起的凍裂及承壓過(guò)重引起的斷裂。

(2)對(duì)客車注水口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，統(tǒng)一規(guī)格尺寸，可解決上水接頭與注水口不匹配引起的漏水現(xiàn)象。

(3)研發(fā)可完全有效解決客車水箱滿水溢流問(wèn)題的新型溢流控制裝置，可避免溢流造成的水資源浪費(fèi)。

(4)通過(guò)在上水栓加裝上水和排水電磁閥或兩位三通電磁閥，并配套軟管固定支架，可使上水軟管內(nèi)存水全部排空，加裝加熱裝置、在條件允許的情況下降低上水設(shè)備排水管管口設(shè)置高度、加大上水設(shè)備內(nèi)部管路管徑可解決新型客車上水設(shè)備上水軟管冬季存水結(jié)冰問(wèn)題，避免常流水帶來(lái)的水資源浪費(fèi)。

［1］盧捷．鐵路客車上水工程設(shè)計(jì)節(jié)水技術(shù)應(yīng)用［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(8):108－109．

［2］楊帆，李國(guó)平，黎會(huì)鵬，等．基于PLC的列車給水監(jiān)控系統(tǒng)［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，34(8):29－31．

［3］熊艷根．鐵路客車上水監(jiān)控系統(tǒng)［J］．上海鐵道科技，2006(2):37－38．

［4］趙輝．客車上水監(jiān)控系統(tǒng)的研制與應(yīng)用［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(4):79－80．

［5］郭厚焜，官海兵，李駿．基于數(shù)據(jù)處理的列車水箱水滿判據(jù)研究［J］．華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(2):92 －95．

［6］陳禮．流體力學(xué)及泵與風(fēng)機(jī)［M］．北京:高等教育出版社，2005:41－44．