國際聯(lián)運(yùn)車鍋爐的研制

■ 劉金林 由建宏 公丕柱

在北京—烏蘭巴托—莫斯科之間運(yùn)行的K3/4次列車為20世紀(jì)90年代初期制造，車輛已運(yùn)行20多年，設(shè)施比較陳舊。列車自北京—莫斯科間運(yùn)行里程達(dá)7 826 km，運(yùn)行時間為131 h 41 min。除列車運(yùn)行區(qū)間特別長外，其運(yùn)用條件也十分嚴(yán)酷，經(jīng)常會遇到強(qiáng)沙塵和極端低溫（-50 ℃）的情況，全列沒有空調(diào)裝置，采暖系統(tǒng)完全依靠燃煤鍋爐，不但給乘務(wù)員帶來很大的工作量，而且乘客舒適度也難以保障。鑒于此，北京鐵路局提出購置43輛全新國際聯(lián)運(yùn)客車（25G型）的需求，并特別強(qiáng)調(diào)車輛要采用新型采暖方式來減輕隨車乘務(wù)員的工作量。

1 采暖系統(tǒng)選擇

國際聯(lián)運(yùn)車設(shè)計中面臨的最大難題就是保證車輛在極端低溫環(huán)境下的采暖，提高乘客舒適度。國內(nèi)鐵路客車大多采用電加熱和空調(diào)（預(yù)熱器）制暖的方式，這種采暖方式是否適用在國際聯(lián)運(yùn)車，需要進(jìn)行合理的計算驗證。

1.1 采暖負(fù)荷計算

1.1.1 采暖負(fù)荷計算條件

最高運(yùn)營速度：120 km/h；

設(shè)計速度：140 km/h；

外氣溫度：分別計算-50 ℃、-35 ℃和-25 ℃的情況；

客室內(nèi)溫度：20 ℃[1]；

車內(nèi)定員：37人（含乘務(wù)員1人）；車輛靜置時車體平均傳熱系數(shù)：K0=1.16 W/（m2·k）。計算按照鐵路空調(diào)客車熱工計算方法[2]進(jìn)行。

1.1.2 客室冬季車內(nèi)熱負(fù)荷計算

客室冬季車內(nèi)熱負(fù)荷計算公式如下：

式中：Q為采暖設(shè)備加熱功率，W；Q1為通過車體隔熱壁損失的熱量，W；Q2為加熱進(jìn)入車內(nèi)的新鮮空氣所需的熱量，W；Q3為車內(nèi)旅客的散熱量，W；Q4為車內(nèi)機(jī)電設(shè)備的散熱量，作為余量不計算在內(nèi)，W。

1.1.3 車體隔熱壁損失的熱量

車體隔熱壁損失的熱量為：

式中：tA為車外溫度，K；tB為車內(nèi)溫度，K；K為車體傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；F為車體傳熱面積，m2。

靜止時，K0=1.16 W/（m2·k）。

V=140 km/h時，?。篕=1.16×1.87=2.17 W/（m2·k），F(xiàn)=258.53 m2，則：

Q1=2.17×258.53×（50+20）=39.27 kW。

1.1.4 加熱進(jìn)入車內(nèi)的新鮮空氣所需熱量

加熱進(jìn)入車內(nèi)的新鮮空氣所需熱量的計算公式如下：

式中：VA為車內(nèi)所需體積流量，按每人15 m3/h計算[1]；ρ為空氣密度，-50 ℃時為1.58 kg/m3；Cp為新鮮空氣定壓比熱，為1.01 kJ/（kg·℃）。

要達(dá)到車內(nèi)溫度為20 ℃以上，Q2為：

1.1.5 車內(nèi)旅客散熱量

冬季按人體散發(fā)的顯熱量計算。

Q3=0.955nq，

式中：n為車內(nèi)定員，按37人計算；q為平均每人散發(fā)的熱量，W。

車內(nèi)溫度為20 ℃時[3]，q=90.7 W，綜上：

Q3=0.955×37×90.7=3.2 kW。

1.1.6 車內(nèi)機(jī)電設(shè)備散熱量

通常當(dāng)作采暖設(shè)備的安全儲備熱，在計算中不予考慮。

1.1.7 采暖設(shè)備加熱功率

采暖設(shè)備的加熱功率計算公式為：

QY=Q1+Q2-Q3=39.27+17.22-3.2=53.29 kW。

考慮到客室電熱余量，-50 ℃時整車加熱功率可按53 kW考慮。

按以上計算方法，在外部溫度為-35 ℃和-25 ℃時, 整車加熱功率分別為41.36 kW和33.26 kW。

1.2 采暖系統(tǒng)用電負(fù)荷分析

國際聯(lián)運(yùn)客車國內(nèi)運(yùn)行時最大編組為16輛，境外運(yùn)行時客車最大編組為12輛。從經(jīng)濟(jì)性與可行性出發(fā)，全列客車由發(fā)電車集中供電，發(fā)電車機(jī)室設(shè)2臺MX-T-400-4型馬拉松電機(jī)，額定輸出功率400 kW。在發(fā)電車2臺發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷情況下，經(jīng)對全車用電負(fù)荷計算，當(dāng)在國內(nèi)運(yùn)行（16輛編組）時，每輛車最多分配給采暖系統(tǒng)的功率為33 kW（含空調(diào)預(yù)熱器9 kW）；境外運(yùn)行（12輛編組）時，每輛車最多分配給采暖系統(tǒng)的功率為51 kW（含空調(diào)預(yù)熱器9 kW）。與“采暖負(fù)荷計算”結(jié)果對比可知，采暖僅依靠電能不能滿足環(huán)境溫度為-50 ℃時的采暖需求。

2 電煤兩用鍋爐的設(shè)計

2.1 設(shè)計基礎(chǔ)

在低溫環(huán)境下，電功率不能滿足采暖要求，需要其他采暖裝置做補(bǔ)充，且國際聯(lián)運(yùn)客車運(yùn)行里程較長，發(fā)電車在長時間運(yùn)行中也可能發(fā)生供電故障，因此采暖裝置必須具有很高的可靠性及冗余性。南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司在總結(jié)多年客車設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了煤電兩用鍋爐溫水循環(huán)采暖裝置的設(shè)想，當(dāng)列車正常運(yùn)行時，以電鍋爐溫水循環(huán)采暖為主；當(dāng)發(fā)電車發(fā)生供電故障或偶遇極端低溫天氣電鍋爐采暖能力不足時，啟用煤鍋爐作為電鍋爐采暖的補(bǔ)充，保證旅客安全。

電煤鍋爐采暖系統(tǒng)設(shè)計目的是為了降低乘務(wù)人員的勞動強(qiáng)度，在原LHN-2001型流動燃燒環(huán)保鍋爐基礎(chǔ)上，增加鍋爐電熱功能，設(shè)置自動控制裝置，電熱工況具備自動控制功能。系統(tǒng)由電煤鍋爐、膨脹水箱、溫水循環(huán)管路、循環(huán)水泵、散熱器、缺水開關(guān)、水溫傳感器、車內(nèi)溫度傳感器、電控箱等組成。鍋爐設(shè)置缺水自動報警保護(hù)裝置、漏電保護(hù)裝置、電熱工況防沸騰溫控裝置。散熱管路采用碳鋼套片式散熱管，鍋爐室內(nèi)設(shè)燃煤炊事爐。電煤鍋爐采暖系統(tǒng)構(gòu)成見圖1，電煤鍋爐采暖系統(tǒng)原理見圖2。

煤電兩用鍋爐裝機(jī)最大電熱功率為48 kW（其中6 kW備用），在最大電熱功率工況下或燃煤工況下的鍋爐發(fā)熱量均大于43 kW。

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計

電煤兩用鍋爐電控系統(tǒng)包含加熱器控制系統(tǒng)和循環(huán)水泵控制系統(tǒng)，根據(jù)采暖實際運(yùn)用要求，需具備自動和應(yīng)急2種工作模式，這2種模式可通過轉(zhuǎn)換選擇開關(guān)進(jìn)行切換選擇，并通過指示燈顯示。電煤兩用鍋爐主電路見圖3，控制電路見圖4。

圖1 電煤鍋爐采暖系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 電煤鍋爐采暖系統(tǒng)原理

圖3 電煤兩用鍋爐主電路

2.2.1 自動工作模式

當(dāng)加熱器控制選擇轉(zhuǎn)換和循環(huán)水泵控制選擇轉(zhuǎn)換都選擇自動模式時，加熱器及循環(huán)水泵由PLC進(jìn)行控制：當(dāng)鍋爐水位高于警戒水位時，客室溫度控制器通過客室溫度傳感器采集客室溫度，當(dāng)客室溫度低于設(shè)定溫度下限時，電熱器逐檔啟動，啟動延時15 min；當(dāng)客室溫度高于上限時，電熱器逐檔關(guān)閉，關(guān)閉延時15 min；當(dāng)鍋爐水溫高于90 ℃時，開啟循環(huán)水泵，當(dāng)鍋爐水溫低于85 ℃時，關(guān)閉循環(huán)水泵。

當(dāng)加熱器控制選擇轉(zhuǎn)換和循環(huán)水泵控制選擇轉(zhuǎn)換都選擇自動模式時，如鍋爐水位低于警戒水位，鍋爐缺水報警燈亮，加熱器及循環(huán)水泵均關(guān)閉。

2.2.2 應(yīng)急工作模式

加熱器控制和循環(huán)水泵控制都設(shè)置應(yīng)急工作模式，此模式下可通過手動旋鈕控制加熱器和循環(huán)水泵工作，不受鍋爐缺水和溫度限制。

2.2.3 加熱管及循環(huán)水泵工作故障顯示

圖4 電煤兩用鍋爐控制電路

電控系統(tǒng)包含故障檢測單元，通過霍爾元件檢測加熱管及循環(huán)水泵的工作電流判斷加熱管及循環(huán)水泵是否發(fā)生故障，如果工作正常，檢測單元對應(yīng)的指示燈亮綠燈；如有故障，檢測單元對應(yīng)的指示燈亮紅燈。

3 結(jié)束語

國際聯(lián)運(yùn)車的研發(fā)設(shè)計是建立在鐵路客車（尤其是青藏鐵路客車）近幾年成熟、可靠的技術(shù)基礎(chǔ)上，首次將電煤兩用鍋爐裝車試用，大大減輕了乘務(wù)人員的工作強(qiáng)度，提高旅客乘坐的舒適性。新造的國際聯(lián)運(yùn)車于2013年1月在國內(nèi)多次進(jìn)行試運(yùn)行，并于2013年3月中旬在國外（蒙古與俄羅斯境內(nèi)）低溫環(huán)境下進(jìn)行試運(yùn)行，試運(yùn)行過程中對電煤兩用鍋爐的各種運(yùn)行工況進(jìn)行了驗證，鍋爐工作狀態(tài)良好。

[1] GB/T 12817—2004 鐵道客車通用技術(shù)條件[S].

[2] TB/T 1957—1991 鐵路空調(diào)客車熱工計算方法[S]．

[3] TB 1951—1987 客車空調(diào)設(shè)計參數(shù)[S]．