高寒凍土地區(qū)鐵路抑塵劑噴灑站設(shè)計(jì)研究

田 棟

(中鐵一院蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730000)

鐵路具有運(yùn)力大、速度快、成本低、能耗小、全天候運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢，一直是煤炭運(yùn)輸?shù)闹饕绞?。目前，通過鐵路運(yùn)輸?shù)拿禾空艰F路貨運(yùn)總量的近50%，占全國總煤炭運(yùn)量的近80%。在鐵路運(yùn)輸過程中，由于車輛顛簸、風(fēng)力作用等原因造成煤粉飛揚(yáng)，對鐵路沿線造成了污染，給鐵路運(yùn)輸帶來了安全隱患［1］。同時(shí)，運(yùn)輸過程中的煤炭流失，造成運(yùn)輸成本增加，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。根據(jù)測算，運(yùn)輸過程中每節(jié)車煤炭損失約在0.6～0.8 t，大風(fēng)季節(jié)損失近2 t，按平均每節(jié)車損失1 t計(jì)算，1列萬噸列車在運(yùn)輸過程中煤炭損失約100 t［2］?？梢姡F路運(yùn)輸煤塵是造成環(huán)境污染、危及運(yùn)輸安全和資源浪費(fèi)的一個(gè)嚴(yán)重問題。

阻止煤炭飄灑的方法有機(jī)械加蓋法、蓬布遮蓋法、集裝箱專用列車法和噴灑抑塵劑法等。與其他傳統(tǒng)方法相比，噴灑抑塵劑法能節(jié)省大量的人力物力，操作簡便快捷，在鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵中得到越來越多的運(yùn)用。該方法是指在運(yùn)煤列車煤層表面噴淋抑塵劑，形成具有一定的韌性、抗壓、耐溫和耐雨水性能的固化層，列車行駛時(shí)固化層不會(huì)剝離，從而達(dá)到防止煤塵飄灑的目的。截至目前，全路共建立了60多個(gè)煤炭抑塵站。2010年、2011年全路已累計(jì)對16億t煤炭進(jìn)行了抑塵劑噴灑處理，減少煤炭損耗約1 900多萬t［3］。

雖然國內(nèi)對噴灑裝置和煤炭抑塵劑開展了大量的研究，取得了大量的研究成果。但是，目前的研究主要集中于各種噴灑裝置設(shè)備的研制、抑塵劑配方研制、抑塵效果的研究等方面，針對既有線抑塵劑噴灑設(shè)施設(shè)計(jì)的研究成果很少，特別是針對高寒、高海拔地區(qū)鐵路抑塵劑噴灑站的工藝設(shè)計(jì)研究，未見相關(guān)研究成果。

以木里鐵路抑塵劑噴灑站建設(shè)為例，通過分析高寒凍土地區(qū)鐵路抑塵劑噴灑站設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)考慮和關(guān)注的問題，落實(shí)原鐵道部頒布的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定［4，5］，根據(jù)噴灑站所在區(qū)域自然氣候特征、地質(zhì)條件、既有站場現(xiàn)狀和運(yùn)輸組織要求等因素，對比分析各種噴灑裝置，選擇適用該區(qū)域的噴灑裝置;結(jié)合鐵路限界要求和需要重點(diǎn)考慮的因素，合理布置抑塵劑噴灑站，合理選擇抑塵劑類型，從而為高寒凍土地區(qū)鐵路抑塵劑噴灑站的工藝設(shè)計(jì)提供參考，為完善抑塵劑噴灑站設(shè)施建設(shè)，確保抑塵效果有所指導(dǎo)和借鑒。

1 研究區(qū)概況

木里鐵路位于青海省東北部的剛察縣、祁連縣、天峻縣境內(nèi)，線路所在區(qū)域?qū)俅箨懶愿咴瓪夂騾^(qū)，氣溫低，溫差大，年平均氣溫－0.3℃，最熱月平均氣溫11.4℃，最冷月平均氣溫－13.3℃;年均大風(fēng)日數(shù)(≥8級(jí))47 d，年均風(fēng)速3.4 m/s，最高風(fēng)速29 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向 N;海拔3 600～3 950 m，最大季節(jié)凍土深度350 cm。

該線主要為解決木里地區(qū)煤炭外運(yùn)而建，于2010年正式通車。設(shè)計(jì)年度不辦理客運(yùn)，鐵路等級(jí)為國鐵Ⅱ級(jí)，單線，限制坡度為雙機(jī)12.5‰，最小曲線半徑600 m，內(nèi)燃牽引，牽引質(zhì)量3 000 t，到發(fā)線有效長度650 m，64D半自動(dòng)閉塞。根據(jù)沿線煤炭資源的儲(chǔ)量、分布及開發(fā)規(guī)模，遠(yuǎn)景年輸送能力為1 400萬t/年，該線運(yùn)量90%運(yùn)往西寧及以遠(yuǎn)，主要供酒鋼、蘭鋼、西鋼、成鋼和武鋼等企業(yè)，約10%供格爾木方向，主要供西藏及青藏線沿線地區(qū)。

2 研究內(nèi)容

結(jié)合木里鐵路現(xiàn)狀和該區(qū)域氣候特征和地質(zhì)條件，在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)分析、解決以下問題:①針對低氣溫、凍土和預(yù)留電氣化條件等因素，解決噴灑裝置選型問題;②對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，為合理選擇控制設(shè)備提供支持;③針對低氣溫條件和站區(qū)周邊環(huán)境脆弱情況，解決余液回收和保溫防凍等問題;④針對堆煤場運(yùn)行現(xiàn)狀及鐵路限界要求，解決噴灑站布置問題。

3 抑塵劑噴灑站設(shè)計(jì)

抑塵劑噴灑站主要由構(gòu)筑物、配液系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成［6］。構(gòu)筑物包括房屋、道路和設(shè)備基礎(chǔ)等;配液系統(tǒng)包括預(yù)溶加料機(jī)、攪拌罐、儲(chǔ)液罐、噴灑泵、保溫防凍等;噴灑系統(tǒng)包括輸水管，管道泵，噴灑、清洗和回收裝置等;控制系統(tǒng)主要由配電柜、計(jì)算機(jī)、監(jiān)控探頭、光電檢測、雷達(dá)測速系統(tǒng)等組成。

3.1 噴灑裝置選擇

噴灑裝置主要可分為固定式和移動(dòng)式兩類。固定式噴灑裝置又可分為:擺臂式、龍門式、對噴式和側(cè)噴式4種形式;移動(dòng)式噴灑裝置主要是移動(dòng)噴灑車和小型移動(dòng)噴灑車［7，8］，由于移動(dòng)式噴灑裝置不能實(shí)施全天候噴淋，并受道路交通、安全等因素制約，應(yīng)用范圍較小。

從噴灑效果、適應(yīng)范圍、鐵路限界、線間距要求、施工難度、性能和維修的難易程度等方面，對擺臂式、龍門式、對噴式和側(cè)噴式4種形式的噴灑裝置進(jìn)行對比分析，詳見表1。

根據(jù)表1分析可以看出，擺臂式和龍門式雖然噴灑均勻，效果好，考慮到本線預(yù)留電氣化條件，將來進(jìn)行電氣化改造后需對噴灑裝置進(jìn)行技術(shù)改造，且線路所在區(qū)域氣候條件惡劣、氣溫低、溫差大，擺臂式和龍門式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性差，維修困難，不適用于該項(xiàng)目。

從適用范圍、限界要求和穩(wěn)定性等方面分析，對噴式和側(cè)噴式裝置基本相同;從噴灑均勻性方面分析，對噴式要好于側(cè)噴式，側(cè)噴式受風(fēng)影響大，但對噴式施工難度稍大，側(cè)噴式不需過軌施工，相對簡單。由于線路所在區(qū)域多風(fēng)，且風(fēng)速較高，為保證抑塵劑噴灑的均勻性，最大程度的發(fā)揮抑塵劑效果，選擇施工難度相對較 大但噴灑均勻，抑塵效果好的對噴式裝置。

表1 4種形式噴灑裝置對比分析

3.2 噴灑站功能要求

3.2.1 工作流程

抑塵劑噴灑過程如下:當(dāng)列車即將到達(dá)時(shí)，啟動(dòng)噴灑程序，噴淋泵和主管道電磁閥開啟，抑塵劑溶液進(jìn)入噴灑管道中并保壓，機(jī)車進(jìn)入噴灑作業(yè)區(qū)后，光電開關(guān)反饋信號(hào)至控制系統(tǒng)，電磁閥保持關(guān)閉，不噴灑，此時(shí)雷達(dá)開始測速，并傳輸給可編程控制器(PLC)，牽引機(jī)車通過后，發(fā)出信號(hào)給PLC，根據(jù)雷達(dá)所測速度及鉤檔識(shí)別，PLC開啟電磁閥，系統(tǒng)根據(jù)車速調(diào)整噴頭位置和噴嘴開啟數(shù)量，開始噴灑抑塵劑，在車輛鉤檔處，光電開關(guān)反饋信號(hào)至控制系統(tǒng)，電磁閥關(guān)閉，暫停噴灑，依次循環(huán)，直至一列車噴灑完成。當(dāng)車輛臨時(shí)停車時(shí)，雷達(dá)測速儀反饋信號(hào)至控制系統(tǒng)，停止噴灑作業(yè)［9-11］。噴灑流程見圖1。

圖1 噴灑工藝流程

3.2.2 噴灑裝置功能要求

(1)自動(dòng)噴灑

噴灑裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)將光電傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)和智能控制技術(shù)相結(jié)合，完成系統(tǒng)對噴灑壓力、電磁閥開閉、噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)整、開閉等參數(shù)的自動(dòng)控制，使這些設(shè)備在總系統(tǒng)控制下，根據(jù)工況要求自動(dòng)控制，保證噴灑系統(tǒng)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

(2)流量調(diào)節(jié)

由雷達(dá)測速儀測得列車速度，控制系統(tǒng)根據(jù)車速的快慢控制噴嘴開啟數(shù)量，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

(3)余液回收功能

按照一般地區(qū)的做法，攪拌罐是伸入地下的，回流液通過重力能夠直接流入攪拌罐，余液回收問題容易解決，而凍土區(qū)噴灑站房屋采用架空通風(fēng)形式之后，所有的罐體全部置于房屋內(nèi)地面之上，導(dǎo)致回流液無法自流到攪拌罐內(nèi)，采用管道泵回抽時(shí)，由于液體量少，易發(fā)生燒泵問題，故障率較高。所以，設(shè)計(jì)時(shí)考慮在房屋之外單獨(dú)設(shè)置回流液收集罐，管道從噴灑站立柱下方接入，設(shè)置電磁閥控制排空回收液管道的開閉。進(jìn)行噴灑時(shí)，回流液管道電磁閥關(guān)閉;進(jìn)行余液回收時(shí)，回流液管道電磁閥開啟，回流液進(jìn)入收集罐。對回流液收集罐采取隔熱保溫、防凍措施，定期將回收液抽回至攪拌罐再利用。

(4)清洗功能

抑塵液具有一定的黏性，為了防止管道及噴頭堵塞，每次噴灑作業(yè)后，需要對管道、噴頭進(jìn)行清洗。為簡化設(shè)備，結(jié)合余液回收功能，采用余液回收—清洗—再回收的作業(yè)程序。第一次余液回收使室外管道內(nèi)的溶液排空，清洗時(shí)，啟動(dòng)儲(chǔ)水箱中的水泵，向室外管道內(nèi)注入清水并從噴頭處噴出，達(dá)到清洗噴頭及電磁閥的目的。清洗完后，再進(jìn)行一次余液回收(排空)作業(yè)，將管道中的水排空，為下次噴灑作業(yè)做好準(zhǔn)備。

(5)防凍功能

為了保證噴灑裝置在低溫情況下正常運(yùn)行，抑塵劑噴灑站室外管道和噴灑裝置應(yīng)有防凍功能。對于室外管道的防凍問題，從兩個(gè)方面考慮解決，一是提高管道中水溫，二是選擇適宜于抑塵劑噴灑系統(tǒng)的管道埋設(shè)及隔熱保溫方式。

通過對抑塵劑進(jìn)行預(yù)拌和，寒冷季節(jié)采取預(yù)加熱處理等方式，可提高抑塵液溫度。

多年凍土區(qū)管道的鋪設(shè)形式可分為:深埋式、淺埋式、地溝式、路堤式和架空式，不同的鋪設(shè)形式具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)［12］。由于抑塵劑噴灑站管道較短，且管道需要過軌，故采用淺埋式管道較為適宜，并設(shè)置電伴熱及保溫材料，埋設(shè)深度宜在多年凍土上限以上，地面以下1.0～1.5 m處，保溫層應(yīng)選用絕緣性能好，吸水性小的保溫材料，如聚酚醛泡沫塑料、可發(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料等。保溫層厚度根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁亍⒌販丶肮艿赖倪\(yùn)營條件，通過熱力計(jì)算后確定。管道防護(hù)和保溫布置見圖2。對于外露的管道，采用電伴熱加保溫材料的方式，結(jié)合噴灑裝置余液回收功能，放空管道余液，可解決外露管道防凍問題。

管道電伴熱保溫是利用安裝在絕熱層和管道(或設(shè)備)外壁之間的電熱帶通電發(fā)熱，來補(bǔ)充輸水或貯水過程中所散失的熱量，以維持水溫在一定的范圍內(nèi)，達(dá)到保溫和防凍的目的。電伴熱保溫根據(jù)電纜形式的不同可分為自調(diào)控式發(fā)熱電纜電伴熱保溫和恒功率發(fā)熱電纜電伴熱保溫［13］。前者能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，當(dāng)管道溫度低于電伴熱保溫系統(tǒng)設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)可以對管道自動(dòng)加溫;后者采用恒定功率持續(xù)發(fā)熱保溫。

為了最大程度的保護(hù)凍土層，電伴熱采用自調(diào)控式發(fā)熱電纜，當(dāng)管道溫度低于電伴熱保溫系統(tǒng)設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)可以對管道自動(dòng)加溫。根據(jù)不同季節(jié)室外最低溫度，調(diào)整設(shè)定溫度，使得管道既不結(jié)凍，也不向外散熱。

圖2 管道防護(hù)和保溫示意

(6)應(yīng)急功能

為了適應(yīng)各種復(fù)雜的作業(yè)情況，如在不同風(fēng)速情況下實(shí)現(xiàn)最佳的噴灑效果，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)檢修調(diào)試，噴灑裝置應(yīng)有應(yīng)急模式，如半自動(dòng)噴灑、手動(dòng)噴灑和備用噴灑等功能。備用噴灑功能可在主系統(tǒng)故障或維修時(shí)使用。

3.3 噴灑站布置

3.3.1 平面布置

噴灑站布置時(shí)，應(yīng)綜合考慮站內(nèi)信號(hào)機(jī)、軌道衡、轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔以及噴灑需要控制的股道等因素確定。噴灑站應(yīng)該選擇在進(jìn)站信號(hào)機(jī)和出站信號(hào)機(jī)之間，不能對站內(nèi)信號(hào)產(chǎn)生影響。在有軌道衡的站區(qū)，噴灑站應(yīng)結(jié)合過衡作業(yè)過程布置，以簡化噴灑作業(yè)流程。為避免抑塵液對軌道衡的影響，噴灑站與軌道衡之間應(yīng)保留一定的距離。為了同時(shí)控制兩個(gè)股道裝煤列車的噴灑，有時(shí)噴灑站需要布置在轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔附近，為了保證轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔的正常運(yùn)行，不被抑塵液影響，寒冷季節(jié)不被凍結(jié)，噴灑站與轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔之間應(yīng)保留一定的防護(hù)距離。

3.3.2 鐵路限界要求

根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》、《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5009—2006)，確定對噴設(shè)備高度5.5 m;設(shè)備基礎(chǔ)邊緣距離軌道中心2.7 m;噴灑立柱寬度0.5 m，車輛高度(距軌面)3.143 m，詳細(xì)布置見圖3。根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》和《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5009—2006):接觸網(wǎng)帶電部分至固定接地物距離不小于0.3 m，跨越電氣化鐵路的各種建筑物與帶電部分最小距離不小于 0.5 m［14，15］，由于預(yù)留接觸網(wǎng)電纜高度6.2 m，設(shè)備頂端距離預(yù)留接觸網(wǎng)最近處為3.03 m，符合安全及鐵路限界要求。

圖3 對噴式噴灑裝置立面(單位:m)

3.3.3 噴灑量計(jì)算

為了確定噴灑裝置的功率、噴灑量、泵的流量、壓力、儲(chǔ)液罐、攪拌站的大小等，需要根據(jù)理想情況，計(jì)算不同車速情況下的抑塵液用量。一般情況，抑塵劑噴灑量為 2.0 L/m2，假定車內(nèi)寬為 2.9 m，車長為13.0 m，車速為30 km/h，按噴灑面與車寬相同計(jì)算，以此來計(jì)算不同車速下的噴灑量值，詳見表2。

表2 不同車速下噴灑量值

3.4 抑塵劑選擇

抑塵劑種類繁多，各有特點(diǎn)，從物理性狀分，可分為液態(tài)溶劑型和固態(tài)粉末型兩種。液態(tài)溶劑型抑塵劑不用預(yù)溶，直接加入攪拌罐與水混合，經(jīng)攪拌后使用;固態(tài)粉末型需經(jīng)預(yù)溶后，才能進(jìn)入攪拌罐與水混合，經(jīng)攪拌后使用。由于液態(tài)抑塵劑不便長途運(yùn)輸，受倉儲(chǔ)和溫度條件限制，鐵路抑塵多采用固態(tài)粉狀抑塵劑。

選用的抑塵劑產(chǎn)品應(yīng)有以下特性:①粘結(jié)性能好，形成的固化層有一定的強(qiáng)度;②具有良好的抗雨淋和防凍性能，不因雨淋和低氣溫而影響固化層的粘結(jié)性能;③不影響煤的燃燒性能，燃燒后不產(chǎn)生有毒有害成分;④無毒無害、可生物降解、符合環(huán)保要求;⑤對鋼材、橡膠、漆層等無腐蝕;⑥成本低、易噴灑、易貯運(yùn)。

根據(jù)上述選擇原則，結(jié)合本項(xiàng)目所處地理位置偏遠(yuǎn)、運(yùn)輸條件差、自然氣候條件惡劣的情況，可選擇抑塵效果好、貯存方便的固態(tài)復(fù)合濃縮型抑塵劑。

3.5 凍土與環(huán)境保護(hù)

木里鐵路所在區(qū)域?qū)儆诙嗄陜鐾立騾^(qū)，即高溫不穩(wěn)定多年凍土亞區(qū)，年平均地溫高于－1.0℃，凍土類型主要為低含冰量凍土(多冰凍土)，夾雜高含冰量凍土(富冰凍土)。由于凍土有融沉性和凍脹性，敏感性高，觸動(dòng)易融化，噴灑設(shè)備房屋不適宜采用地基基礎(chǔ)。因此，抑塵劑噴灑設(shè)備間房屋采用架空通風(fēng)形式，樁基形式采用鉆孔樁基礎(chǔ)。為最大限度地減少對多年凍土的擾動(dòng)，采用干鉆法(旋挖鉆機(jī)成孔)施工，樁端進(jìn)入多年凍土上限埋深以下一定安全深度;電伴熱采用自調(diào)控式發(fā)熱電纜，可根據(jù)不同季節(jié)室外最低溫度，調(diào)整設(shè)定溫度，使得管道既不結(jié)凍，也不向外散熱。采取上述房屋基礎(chǔ)形式、施工方法和管道防凍保溫措施，可最大程度的保護(hù)凍土層。

為了最大程度地保護(hù)站區(qū)周邊脆弱的生態(tài)環(huán)境，除了在施工期和運(yùn)營期嚴(yán)格落實(shí)項(xiàng)目環(huán)評報(bào)告提出的各項(xiàng)環(huán)保措施外，在項(xiàng)目運(yùn)營期還應(yīng)重點(diǎn)控制抑塵劑對站區(qū)周邊環(huán)境的污染，選擇抑塵劑時(shí)，應(yīng)根據(jù)抑塵劑化驗(yàn)或者檢測報(bào)告，選擇無毒、無害，不污染水質(zhì)，可生物降解的環(huán)境友好型產(chǎn)品，并加強(qiáng)對噴灑設(shè)備的維護(hù)，減少抑塵液的漏失。

4 結(jié)論

(1)對位于氣候條件惡劣、高寒凍土區(qū)域的鐵路抑塵劑噴灑站，應(yīng)選擇適合車速范圍廣，故障率小，維修方便，電化和非電化區(qū)段均能使用，且噴灑均勻的對噴式裝置。噴灑裝置應(yīng)具有自動(dòng)噴灑、流量調(diào)節(jié)、清洗、余液回收、防凍和應(yīng)急功能。

(2)噴灑站布置時(shí)，應(yīng)綜合考慮站內(nèi)信號(hào)機(jī)、軌道衡、轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔和噴灑需要控制的股道等因素確定。噴灑站布置不能對站內(nèi)信號(hào)產(chǎn)生影響;在有軌道衡的站區(qū)，噴灑站應(yīng)結(jié)合過衡作業(yè)過程布置，以簡化噴灑作業(yè)流程;當(dāng)噴灑站需要布置在轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔附近時(shí)，應(yīng)預(yù)留一定的安全距離，以保證轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔的正常運(yùn)行，不被抑塵液影響，寒冷季節(jié)不被凍結(jié)。

(3)噴灑站房屋采用架空通風(fēng)形式時(shí)，回流液收集罐可在房屋之外單獨(dú)設(shè)置，并設(shè)置自動(dòng)控制裝置;對回流液收集罐采取隔熱保溫、防凍措施，定期將回收液抽回至攪拌罐再利用。凍土地區(qū)管道宜采用淺埋式，自調(diào)控式發(fā)熱電纜電伴熱，保溫材料要求絕緣性能好，吸水性小。

(4)對噴式噴灑裝置立柱高度5.5 m，靜態(tài)設(shè)備邊緣距離軌道中心距離2.7 m，噴灑立柱寬度0.5 m，車輛高度(距軌面)3.143 m時(shí)，可以滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》、《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5009—2006)中對鐵路限界的強(qiáng)制性要求。

(5)在抑塵劑選擇時(shí)，除了考慮抑塵劑的一般特點(diǎn)之外，還應(yīng)結(jié)合自然條件、運(yùn)輸條件、貯存和環(huán)保要求，選擇耐低溫、耐貯運(yùn)、無毒無害、可生物降解和環(huán)境友好的固態(tài)復(fù)合濃縮型產(chǎn)品。

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