高原地區(qū)軌道列車制氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

于海飛，宋新宇，毛旭兵，劉林林

（1-中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 210031；2-湖北江華機(jī)械有限公司，湖北襄陽 441021）

0 引言

平原地區(qū)的旅客在乘坐軌道列車進(jìn)入高原地區(qū)時(shí)，海拔逐漸升高，車內(nèi)氧氣濃度逐漸降低，車內(nèi)若無供氧系統(tǒng)，旅客會(huì)產(chǎn)生如頭痛、乏力、惡心和胸悶，甚至出現(xiàn)呼吸困難等癥狀，在醫(yī)學(xué)上統(tǒng)稱為高原反應(yīng)，若不能及時(shí)采取吸氧措施，會(huì)引起高原病。隨著海拔升高，高原反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，查瑞波等[1]和葉朝良等[2]基于人體高原反應(yīng)相關(guān)生理指標(biāo)，先后研究了海拔高度與急性高原反應(yīng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系，對(duì)不同海拔時(shí)的高原反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分區(qū)，均認(rèn)為海拔超過3 200 m就進(jìn)入了中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，而高原軌道列車大部分都運(yùn)行在這一海拔之上。郝麗君等[3]從生理指標(biāo)方面研究了平原人群急進(jìn)高原皮質(zhì)醇變化與急性高原反應(yīng)的關(guān)系。陳婷婷等[4]研究發(fā)現(xiàn)在海拔約4 200 m區(qū)域急性高原反應(yīng)（Acute Mountain Sickness，AMS）發(fā)生率達(dá)到90.64%；性別和海拔高度等因素對(duì)AMS有顯著的影響，年齡、身體質(zhì)量指數(shù)和吸煙史對(duì)AMS部分癥狀有顯著影響。此外，相關(guān)人員研究了高原反應(yīng)的預(yù)防措施[5]和治療方法[6]。

鑒于乘客乘坐列車在進(jìn)入高原過程出現(xiàn)高原反應(yīng)可能性較大且危害大，為了保證乘客的身體健康安全，必須對(duì)高原軌道列車進(jìn)行供氧，然而一般的軌道列車空調(diào)系統(tǒng)無法滿足，需要專門設(shè)計(jì)供氧系統(tǒng)，并與空調(diào)系統(tǒng)耦合。在高原軌道列車供氧技術(shù)方面，目前有膜分離制氧技術(shù)、變壓吸附制氧技術(shù)、液氧技術(shù)和增壓供氧技術(shù)[7]，其中以膜分離制氧技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[8]。膜分離制氧過程是一個(gè)物理過程，無任何化學(xué)反應(yīng)、無需任何添加劑、無污染廢物、環(huán)保制氧。制氧膜組件材料為有選擇性的高分子材料，即在一定的壓力作用下，根據(jù)不同氣體分子在膜中的溶解擴(kuò)散性能的差異，氧氣優(yōu)先在膜上吸附滲透，從而使氧氣與氮?dú)獾葰怏w分離。過程可簡單描述為：氧氣在壓力作用下優(yōu)先在高壓側(cè)（進(jìn)氣側(cè)）膜上吸附，并快速擴(kuò)散（與氮?dú)獗龋┲恋蛪簜?cè)（滲透側(cè)），由于滲透側(cè)壓力低，氧氣在滲透側(cè)膜表面解吸。氧氣與氮?dú)獾葰怏w相比，其溶解擴(kuò)散速度快而使?jié)B透氣（低壓富氧氣）中的氧氣富集，進(jìn)氣中的氧氣貧化，濃度不斷降低，最后在尾氣側(cè)排出車廂外[9-10]。圖1所示為制氧機(jī)制氧原理。

圖1 制氧機(jī)制氧原理

軌道列車供氧方式又分為彌散式供氧和分布式供氧，前者是指將制氧機(jī)分離出的富氧空氣通過管道送到空調(diào)送風(fēng)的主風(fēng)道，在主風(fēng)道中與空調(diào)送風(fēng)混合，通過空調(diào)送風(fēng)口送到車廂內(nèi)；后者是指通過管道直接通過富氧空氣到列車定員席所在的位置附近，為每一位旅客定員設(shè)有一個(gè)供給富氧空氣的快速接頭插口，連接上吸氧管或氧氣面罩，使人能夠直接呼吸到富氧空氣的方式[11]。本文針對(duì)相關(guān)供氧標(biāo)準(zhǔn)，以某高原軌道列車為例，介紹其制氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 制氧系統(tǒng)的組成與工作原理

高原軌道列車制氧系統(tǒng)主要包括制氧機(jī)、空壓機(jī)、空氣罐、車上供氧管路、車下供氣管路、氧濃度監(jiān)測(cè)裝置和排氣裝置等，其工作原理如圖2所示。空壓機(jī)吊裝于車下，壓縮空氣全列貫通，空壓機(jī)提供壓縮空氣，經(jīng)過空氣罐穩(wěn)定供氣壓力、排出冷凝水，經(jīng)制氧機(jī)內(nèi)三級(jí)過濾器系統(tǒng)除去油、塵埃等固體雜質(zhì)及大部分液態(tài)水，預(yù)熱后進(jìn)入膜制氧機(jī)分離出含氧量在35%~45%富氧空氣。制氧機(jī)產(chǎn)生的富氧空氣一路送入風(fēng)道中進(jìn)行彌散式供氧，一路通過座椅或側(cè)墻上供氧口進(jìn)行分布式供氧。根據(jù)氧濃度監(jiān)測(cè)裝置，客室內(nèi)氧濃度可自動(dòng)調(diào)節(jié)在一定范圍內(nèi)。

圖2 制氧系統(tǒng)工作原理

制氧機(jī)主要由加熱器、膜組件、控制閥門、控制系統(tǒng)和空氣過濾器組成[12]。加熱器的功能是保證空氣分離的溫度穩(wěn)定，有利于產(chǎn)品的濃度與流量的穩(wěn)定。膜組件的作用是在一定壓力、一定溫度下分離氧氣和氮?dú)??？刂崎y門用于膜分離系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制，同時(shí)維持膜分離系統(tǒng)的壓力。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯控制和報(bào)警處理功能。

空氣過濾器用于除去供氣中的水份和異物等。輸出富氧濃度為35%~45%可調(diào)[13~14]?？諝夤薏牧蠟椴讳P鋼，由吊帶、接線盒和安全閥排水器組成，功能是穩(wěn)定供氣壓力，排出冷凝水?？諌簷C(jī)主要由風(fēng)機(jī)、冷卻器、主機(jī)和主電機(jī)等組成，為制氧系統(tǒng)提供壓縮空氣作為制氧原料。消音器設(shè)置在制氧機(jī)排氣口，用于降低氮?dú)馀欧诺脑胍簟?/p>

2 制氧系統(tǒng)選型依據(jù)

列車供氧系統(tǒng)所要求的供氧能力與列車乘客數(shù)量直接相關(guān)，而列車定員需要考慮經(jīng)濟(jì)性[12]與節(jié)能性[13]。某高原軌道列車大部分線路運(yùn)行在海拔3 000~3 500 m，為9節(jié)編組型式，包括1輛一等座車、1輛二等座車（餐吧式）、6輛二等座車、1輛一等商務(wù)座車。其中，一等座車定員為72人/輛，二等座車（餐吧式）車定員為71人/輛，二等座車定員為93人/輛，一等商務(wù)座車定員為72人/輛。

制氧機(jī)的選型需要根據(jù)客室的制氧量需求來確定。GB/T 35414—2017《高原地區(qū)室內(nèi)空間彌散供氧（氧調(diào)）要求》[14]規(guī)定了不同海拔高度的彌散供氧空間氧調(diào)的氧氣濃度，軌道列車乘客屬于急進(jìn)高原人員，按標(biāo)準(zhǔn)在海拔3 000~3 500 m氧氣濃度應(yīng)大于23.6%。TB/T 3216—2009《高原鐵道客車制氧系統(tǒng)》[11]則進(jìn)一步規(guī)定富氧濃度為35%~45%（實(shí)際設(shè)計(jì)過程取38.5%），分布式人均供氧流量大于等于0.2 m3/h，客室內(nèi)設(shè)計(jì)氧濃度為23.6%。高原供氧模式下，每人的最大新風(fēng)量為5 m3/h。

當(dāng)車廂內(nèi)氧氣濃度達(dá)到23.6%平衡時(shí)，制氧系統(tǒng)制氧量按下述公式計(jì)算[9]：

式中，Qx為新風(fēng)量，m3/h；Nx為新風(fēng)的氧濃度（體積比），正常均為21%；Qz為制氧量，m3/h；Nz為富氧氣中氧濃度（體積比），按38.5%；Qh為不同海拔需要的標(biāo)況額定制氧量，m3/h；p為不同海拔對(duì)應(yīng)的大氣壓，kPa；p0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓，101.3 kPa。

經(jīng)計(jì)算，一等座車、二等座車（餐吧式）、二等座車、一等商務(wù)車的額定制氧量分為為48、48、65和48 m3/h。

空壓機(jī)空氣量選型按照4 000 m海拔高度，保證整列車有1臺(tái)空壓機(jī)冗余的要求，經(jīng)過計(jì)算每輛車需設(shè)2臺(tái)空壓機(jī)，每臺(tái)空壓機(jī)提供空氣量是2.6 m3/min，單臺(tái)壓縮機(jī)軸輸出功率為21.3 kW，空壓機(jī)工作壓力不低于800 kPa。所需空氣罐容積為280 L。上述配置的制氧系統(tǒng)能夠滿足高原雙源動(dòng)力集中動(dòng)車組需要制氧量的要求。

3 制氧系統(tǒng)控制邏輯

制氧系統(tǒng)設(shè)有工作方式選擇開關(guān)，控制模式分為手動(dòng)模式、本控模式、集控模式、應(yīng)急模式和停止模式5種，各種模式的具體控制內(nèi)容如表1所示。

正常情況下制氧與空壓機(jī)同起同停；應(yīng)急供氧時(shí)，制氧機(jī)與空壓機(jī)是單獨(dú)啟停，需要單獨(dú)的指令。

當(dāng)出現(xiàn)如下3種情況時(shí)，制氧系統(tǒng)停機(jī)保護(hù)：1）空調(diào)機(jī)組通風(fēng)機(jī)不工作；2）客室氧濃度高于25%；3）煙火報(bào)警。

4 制氧系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 一體化設(shè)計(jì)

為了提高動(dòng)車組兩端的動(dòng)力車供氧可靠性，體現(xiàn)動(dòng)車組一體化設(shè)計(jì)要求，拖車將制氧用壓縮空氣通過車端供風(fēng)軟管提供至動(dòng)力車，制氧用壓縮空氣實(shí)現(xiàn)全列貫通。

4.2 制氧空壓機(jī)過分相不停機(jī)

電氣化鐵路使用時(shí)，為了防止相間短路，必須在各變電所之間建立分相區(qū)，各分相區(qū)內(nèi)接觸網(wǎng)不帶電。列車頻繁過分相區(qū)，若過分相區(qū)沒有蓄電池提供電源，空壓機(jī)就會(huì)頻繁非法停機(jī)導(dǎo)致空壓機(jī)機(jī)頭燒損，且停機(jī)后不能及時(shí)加載制氧，影響制氧性能[16-17]。隨著高原電氣化鐵路的開通，制氧系統(tǒng)的空壓機(jī)在運(yùn)行期間存在分相區(qū)斷電的問題。為了解決這一問題，每次過分相動(dòng)車提前3 s給出信號(hào)，制氧空壓機(jī)功率在3 s時(shí)間內(nèi)降低到額定功率55%以下，同時(shí)每輛拖車自帶應(yīng)急電源，確保在過分相時(shí)空壓機(jī)不斷電、不停機(jī)且空載運(yùn)行，過分相后空壓機(jī)可以快速加載運(yùn)行，為制氧機(jī)提供壓縮空氣用于制氧，空壓機(jī)供電模式如圖3所示。

圖3 空壓機(jī)供電模式

4.3 應(yīng)急制氧

制氧機(jī)應(yīng)急制氧分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)應(yīng)急制氧模式：列車發(fā)出自動(dòng)應(yīng)急供氧信號(hào)，整列車自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急供氧模式，此時(shí)停止彌散供氧，啟動(dòng)分布式供氧；列車網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)急模式下所規(guī)定的應(yīng)急空壓機(jī)啟動(dòng)單元組，按順序輪流發(fā)出空壓機(jī)啟動(dòng)指令，制氧機(jī)接收空壓機(jī)啟動(dòng)指令后，啟動(dòng)相應(yīng)的空壓機(jī)。若網(wǎng)絡(luò)通訊故障，則制氧機(jī)自動(dòng)輪流啟動(dòng)單元組內(nèi)的空壓機(jī)，每臺(tái)空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)間按規(guī)定執(zhí)行。手動(dòng)應(yīng)急供氧模式：旋鈕置于應(yīng)急位，同時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)空壓機(jī)即進(jìn)入手動(dòng)應(yīng)急制氧。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際線路運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了制氧機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)、空車增氧速率測(cè)定、車內(nèi)達(dá)到的氧濃度指標(biāo)、分布式供氧效果、車廂內(nèi)含氧量安全報(bào)警等項(xiàng)點(diǎn)，能夠滿足TB/T 3216—2009《高原鐵道客車制氧系統(tǒng)》[11]標(biāo)準(zhǔn)及文件要求。測(cè)試儀器如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 測(cè)試儀器

表3 二等座車制氧系統(tǒng)檢驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

本文通過實(shí)際案例介紹了高原軌道列車制氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，針對(duì)某9節(jié)編組式高原列車，進(jìn)行了制氧系統(tǒng)設(shè)備選型計(jì)算和控制邏輯設(shè)計(jì)，并對(duì)該制氧系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）經(jīng)計(jì)算，一等座車、二等座車（餐吧式）、二等座車和一等商務(wù)車的額定制氧量分為為48、48、65和48 m3/h；每輛車需設(shè)兩臺(tái)空壓機(jī)，每臺(tái)空壓機(jī)提供空氣量為2.6·m3/min，單臺(tái)壓縮機(jī)軸輸出功率為21.3 kW，空壓機(jī)工作壓力不低于800 kPa。所需空氣罐容積為280 L；

2）制氧系統(tǒng)設(shè)有工作方式選擇開關(guān)，5種控制模式分別為手動(dòng)模式、本控模式、集控模式、應(yīng)急模式和停止模式；

3）該制氧系統(tǒng)具有一體化設(shè)計(jì)、制氧空壓機(jī)過分相不停機(jī)和應(yīng)急制氧等特點(diǎn)；

4）通過實(shí)際線路運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，該制氧系統(tǒng)的性能指標(biāo)參數(shù)、空車增氧速率測(cè)定、車內(nèi)達(dá)到的氧濃度指標(biāo)、分布式供氧效果以及車廂內(nèi)含氧量安全報(bào)警，能夠滿足TB/T 3216—2009《高原鐵道客車制氧系統(tǒng)》[11]標(biāo)準(zhǔn)要求。