鐵路冷藏運輸發(fā)電裝備關鍵技術研究與應用

舒 麟，何遠新，景傳峰，金曉平，羅桂瓊

(中車長江車輛有限公司，湖北 武漢 430212)

隨著生活水平的不斷提升，人們對食品安全要求越來越高，對鐵路冷藏運輸?shù)男枨笤絹碓酱?。鐵路冷藏運輸需要穩(wěn)定可靠的電力供應，現(xiàn)有的鐵路冷藏運輸發(fā)電裝備主要是B22、B23型機械冷藏車組的發(fā)電乘務車，該車為早期設計的產品，不足之處主要表現(xiàn)在：發(fā)電機組與鐵路車輛為一體式，不能靈活運用；車輛采用客車轉向架，結構復雜；發(fā)電機組為傳統(tǒng)機型，功率小，油耗大；發(fā)電機組不能實現(xiàn)遠程監(jiān)控，運行中需有人員值乘，運營成本高。隨著自動控制技術、信息技術的發(fā)展，結合新型發(fā)電機組、智能控制和遠程監(jiān)控技術，研制無人值乘、遠程監(jiān)控的鐵路運輸發(fā)電箱對降低冷藏運輸成本、推動鐵路冷藏運輸?shù)陌l(fā)展具有重要意義。結合中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃課題(2017J009-O)《鐵路冷藏運輸發(fā)電裝備技術方案研究》，中車長江車輛有限公司研制了40 ft無人值乘鐵路運輸發(fā)電箱，開發(fā)了遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 國內外鐵路冷藏運輸發(fā)電裝備的現(xiàn)狀

鐵路運輸冷藏集裝箱一般采用發(fā)電箱或發(fā)電車供電，運用模式包括有人值乘或無人值乘，有人值乘模式由乘務人員對發(fā)電設備進行操控，無人值乘模式主要在到發(fā)兩站完成操控作業(yè)，目前基于信息化技術能進行遠程實時監(jiān)控的鐵路冷藏運輸發(fā)電裝備尚屬技術空白。

1.1 我國鐵路冷藏運輸發(fā)電裝備

我國鐵路冷藏運輸發(fā)電裝備主要包括發(fā)電車和發(fā)電箱。

既有鐵路冷藏運輸發(fā)電車包括B22-1型、B23-1型2種車型(圖1)，均為有人值乘的乘務發(fā)電車。B22-1型發(fā)電車為20世紀80年代從德國進口的產品；B23-1型發(fā)電車是在B22-1型發(fā)電車基礎上進行國產化的產品，在20世紀90年代初開始批量投入運用，但目前大部分已經達到報廢年限而停止使用，少量在用的也已接近報廢年限，而且裝備嚴重老化，油耗高，綜合性能較差，使用成本高[1]。

圖1 B22-1型和B23-1型發(fā)電車外觀

我國鐵路于2000年曾嘗試使用40 ft發(fā)電箱(圖2)為冷藏集裝箱供電。該發(fā)電箱采用有人值乘模式和并聯(lián)供電方式，使用成本高，連接電纜線多，存在安全隱患，不適應市場需求，已被停用淘汰。

圖2 我國鐵路冷藏運輸曾用的40 ft發(fā)電箱及內部設備

1.2 國外鐵路冷藏運輸發(fā)電裝備

美國、加拿大鐵路冷藏集裝箱長距離運輸主要采用發(fā)電箱供電[2]。美國南太平洋鐵路運輸公司曾研制過40 ft發(fā)電箱(圖3)，運輸時發(fā)電箱編組在車組中部，向9個40 ft冷藏集裝箱供電，發(fā)車時人工開機，到站時人工關機，運輸途中無監(jiān)控；加拿大鐵路采用40 ft發(fā)電箱供電，發(fā)電箱采用自動控制方式和無人值乘模式，每個發(fā)電箱可為12～14個40 ft冷藏集裝箱供電，直達列車在約1萬km的行駛里程中僅由司乘人員對發(fā)電箱進行一次技術狀態(tài)檢查；俄羅斯鐵路目前采用發(fā)電車供電，采用有人值乘模式，發(fā)電車掛在集裝箱車列中部，同時給12個冷藏集裝箱供電。

圖3 美國鐵路冷藏運輸用40 ft發(fā)電箱及發(fā)電箱供電模式

2 遠程監(jiān)控鐵路運輸發(fā)電箱的關鍵技術研究

無人值乘鐵路冷藏運輸發(fā)電箱是集機械、電氣、消防安全、遠程控制、信息網絡等技術于一體的智能化移動供電裝備，發(fā)電箱裝載在鐵路集裝箱平車或共用平車上，為鐵路貨車冷藏集裝箱供電。無人值乘鐵路冷藏運輸發(fā)電箱需滿足鐵路運輸長距離、大溫差、復雜的地理和氣候環(huán)境等運輸條件，需適應鐵路平車的運行特點，其關鍵技術主要有智能供電技術、低溫啟動技術、消防安全技術、遠程監(jiān)控技術及運用維護技術。

2.1 智能供電技術

以BX1K型冷藏集裝箱車組為例，其編組方式為：4(BX1K型車+冷箱)+1(BX1K型車+發(fā)電箱)+4(BX1K型車+冷箱)，為適應該編組方式，發(fā)電箱分兩路向兩端車輛供電。為減小負載對發(fā)電機組的沖擊，采用延時供電方式，即發(fā)電箱先給一端車輛供電，延后一段時間后(約20 s)，再給另一端車輛供電。

為提高供電的可靠性，發(fā)電箱配置2臺發(fā)電機組，輪換交替工作，以保證兩者工作時間基本相同，便于同步檢修。發(fā)電機組運行滿足以下要求：

(1) 正常啟動時，自動優(yōu)先啟動累計運轉工時較小的發(fā)電機組。當一臺發(fā)電機組運行12 h后，自動切換到另一臺發(fā)電機組運行。為保證供電不間斷，遵循“后機先啟動，前機后停機”的原則，交替運行過程中兩發(fā)電機組可相互轉移負載。

(2) 受溫度、海拔高度影響，當1臺發(fā)電機組發(fā)電功率不夠時，2臺發(fā)電機組同時運行供電。并聯(lián)供電時，兩機組發(fā)電的有功功率和無功功率的分配額差度不超過10%。

(3) 通過兩發(fā)電機組控制器及兩發(fā)電機組間通信連接的自動調節(jié)，確保兩臺發(fā)電機組供電相位、頻率的一致性，保證兩發(fā)電機組自動并聯(lián)供電。

兩發(fā)電機組供電邏輯關系如圖4所示。

K1～K5.開關；CAN.控制器局域網絡；RS485.網絡通信標準。圖4 兩發(fā)電機組并聯(lián)供電示意圖

2.2 低溫啟動技術

發(fā)電箱在全國鐵路線路上使用，環(huán)境溫度最低可達-40 ℃。在低溫條件下，燃料黏度增加不利于燃油的霧化與燃燒，潤滑油流動性變差使零部件運動阻力增大、蓄電池工作能力降低，這些因素導致柴油發(fā)動機啟動困難[3]。為確保發(fā)電機組在低溫條件能順利啟動，除了選用適應低溫環(huán)境的柴油和潤滑油外，可采取進氣口加熱、潤滑油加熱、冷卻液加熱等措施。發(fā)動機啟動包括以下3種情況：

(1) 在環(huán)境溫度高于-15 ℃時，發(fā)動機直接啟動；

(2) 在環(huán)境溫度-15～-25 ℃時，發(fā)動機進氣預熱器自動加熱，能在30 s內啟動；

(3) 在環(huán)境溫度低于-25 ℃時，采用外供220 V電源，利用發(fā)動機水套加熱器、潤滑油加熱器給發(fā)動機缸套及潤滑油預熱，可在30 min內啟動。

2.3 消防安全技術

發(fā)電箱采用無人值乘模式，內部安裝有發(fā)電機組、油箱、風機、蓄電池、電纜等各種電器設備，一旦發(fā)生火災，后果非常嚴重，因此必須設置自動滅火裝置，且滅火操作要多級冗余，確保滅火有效性。發(fā)電箱箱體采用不可燃材料，箱內可燃物主要為電氣線纜和油料，可根據火災類型、區(qū)域環(huán)境選用合適的滅火劑、滅火方式及滅火策略[4]。

2.3.1 滅火劑

滅火劑主要有干粉、二氧化碳、泡沫、水、鹵代烷等[5]。干粉滅火劑對電氣、油料火災產生物理窒息、化學抑制作用，并可對熱輻射產生遮蔽、冷卻作用，具有物理和化學雙重功效,適用于撲救石油產品、油漆、電氣等火災，其粒徑小、流動性好、能在空氣中懸浮一定時間，能在發(fā)電箱封閉空間內實現(xiàn)全淹沒滅火。因此，根據發(fā)電箱結構布置及設備功能特點，選用了超細干粉滅火劑。

2.3.2 滅火方式

采用感溫電控啟動滅火罐、感溫自動啟動滅火球2種消防器材，同時設置手動啟動、感溫電控啟動和溫控自啟動3種滅火模式。如果手動啟動滅火模式失效，則感溫電控自動滅火模式啟動；如果感溫電控啟動滅火模式失效，則溫控自啟動滅火模式啟動。

2.3.3 滅火策略

采用四級滅火控制方式，手動與自動、遠程和本地、電控和溫控相結合。

(1) 溫度、煙度傳感器采集煙火信息。當溫度達到90 ℃時，火災報警系統(tǒng)開始報警。監(jiān)控中心通過監(jiān)控攝像頭確認火情，確需滅火時由人工啟動滅火罐進行滅火。

(2) 測溫控制器探測溫度。當溫度達到100 ℃且煙火報警系統(tǒng)未報警或人工疏于操作時，測溫控制器報警；溫度達到110 ℃，測溫控制器自動啟動滅火罐進行滅火。

(3) 感溫控制器探測溫度。當發(fā)電箱內無電導致測溫控制器失效時，如果溫度達到115 ℃，則自帶電池的感溫控制器自動啟動滅火罐進行滅火。

(4) 熱敏器件探測溫度。當自帶電池的感溫控制器失效時，如果溫度達到160 ℃，則熱敏器件自動啟動滅火球進行滅火。

發(fā)電箱滅火過程如圖5所示。

圖5 發(fā)電箱滅火過程示意圖

2.4 遠程監(jiān)控技術

為滿足無人值乘、安全運用的要求，對機組運行參數(shù)、箱內工作環(huán)境、箱體運輸狀態(tài)、能源消耗指標等信息數(shù)據進行采集，并通過4G網絡傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制。

遠程監(jiān)視包括監(jiān)視參數(shù)和監(jiān)視圖像2種信息載體。監(jiān)視參數(shù)主要有機組運行的水溫、油溫、油壓、轉速、電流、電壓、功率、頻率和工作時間；箱內的溫度、濕度和煙霧濃度；箱體的所在位置、運行里程、運行速度、振動加速度和箱門開關狀態(tài)；相關能源消耗的油箱油位、電瓶電壓和蓄電池電壓等。發(fā)電箱對監(jiān)視參數(shù)中影響安全的重要指標設置報警閾值，可實時自動報警。監(jiān)視圖像主要是箱內攝像視頻。

遠程控制包括手動控制和自動控制2種方式，保證發(fā)電箱的運用安全。遠程手動控制的項目主要有機組啟停機、風機開關機、1位端或2位端供電、滅火罐啟動、箱內照明開關和箱內攝像開關等；自動控制的項目主要有機組自動運行模式下的自動供電、兩機組工作自動切換、風機開關機、滅火器啟動前切斷電源、照明燈自動關閉、滅火系統(tǒng)自動啟動、燃油系統(tǒng)供油電磁閥自動開啟和關閉等。

信息采集及處理采用RS485通信和CAN模塊，數(shù)據通信采用TCP協(xié)議。傳輸數(shù)據時通過加密和校驗防止有效數(shù)據被截獲及非法數(shù)據被接入，保證通信數(shù)據的可靠性。當通信中斷時，監(jiān)控數(shù)據自動保存在箱載存儲設備內，待通信恢復后再傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，以保證數(shù)據的完整性。

2.5 運用維護技術

40 ft鐵路運輸發(fā)電箱是固定裝載在鐵路集裝箱平車上運行的發(fā)電裝備，需根據發(fā)電機組的運行特點和電氣裝置的技術要求確定合理的修制修程，在保證安全前提下實現(xiàn)“箱-車”“箱-機組”的同步檢修，提高發(fā)電箱的運用效率，實現(xiàn)運輸效益的最大化。

2.5.1 運用要求

(1) 發(fā)電箱裝車后，需安裝好箱體與本車車體的接地線、箱體與鄰車連接的動力插頭；發(fā)電箱卸車前，需拆下箱體與本車車體的接地線、箱體與鄰車連接的動力插頭。

(2) 根據季節(jié)氣候更換適合的燃油、潤滑油及冷卻液。

(3) 正常運用時，通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對發(fā)電箱進行監(jiān)測和控制，不設值乘人員。

(4) 2臺機組同時運行或12 h交替運行。在自動運行模式下優(yōu)先啟動運轉工時較少的機組。

(5) 對風機、滅火裝置、機組急停相關設備等只在應急情況下啟動的安全設施需定期檢查，使其保持技術狀態(tài)良好，確保在緊急情況下能及時啟動。

(6) 進行常規(guī)檢查、維護保養(yǎng)、冷箱裝卸等現(xiàn)場作業(yè)時，需對遠程監(jiān)控系統(tǒng)顯示的信息進行現(xiàn)場確認，確保與發(fā)電箱實際情況一致。

2.5.2 檢修周期

按照“箱-車”同步檢修原則，每1.5年對發(fā)電箱(含機組)進行1次小修，每3年進行1次中修，每9年進行1次大修。

2.5.3 保養(yǎng)與維護

按廠家的規(guī)定對機組進行保養(yǎng)與維護。發(fā)電箱機組保養(yǎng)時對發(fā)電箱箱體及附屬設備關鍵部位進行檢查維護，主要內容有：

(1) 箱體外觀是否有變形、破損；

(2) 進風百葉窗、機組進氣口、排風百葉窗、加油窗、端門有無漏雨現(xiàn)象；

(3) 各緊固件有無松動情況(查看螺栓螺母上的防松標記)；

(4) 電氣接頭是否有打火、線損情況；

(5) 油箱及供電管路是否有燃油滲漏情況；

(6) 滅火裝置的殼體及鋁薄膜是否有破損情況；

(7) 各傳感器安裝連線是否有松脫現(xiàn)象；

(8) 遠程監(jiān)控各子系統(tǒng)功能是否正常，有無信息丟失、錯誤情況。

3 試驗及運用情況

中車長江車輛有限公司對40 ft無人值乘鐵路運輸發(fā)電箱及遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術進行了試驗驗證[6-9]。試驗結果顯示，機組的供電性能符合GB/T 2819—1995《移動電站通用技術條件》的要求，低溫啟動性能符合設計技術條件的要求[10]，滅火裝置模擬啟動滿足CECS 322：2012 《干粉滅火裝置技術規(guī)程》的要求[11]，遠程監(jiān)控系統(tǒng)滿足中國鐵路總公司科信裝函[2018]78號文發(fā)布的《40 ft鐵路運輸發(fā)電箱遠程監(jiān)控系統(tǒng)技術條件》的要求[12-13]。車輛沖擊試驗結果顯示，發(fā)電箱的機組性能和遠程監(jiān)控功能正常[14]。

樣箱經過2年多的運用考驗，發(fā)電箱及遠程監(jiān)控系統(tǒng)各項功能均正常，滿足中國鐵路總公司科信裝函[2018]78號文發(fā)布的《40 ft鐵路運輸發(fā)電箱設計技術條件》《40 ft鐵路運輸發(fā)電箱遠程監(jiān)控系統(tǒng)技術條件》的要求。

4 結束語

中車長江車輛有限公司研發(fā)的鐵路冷藏運輸發(fā)電箱實現(xiàn)了信息化、智能化技術在鐵路冷藏運輸發(fā)電裝備上的成功運用，并通過了實際運用考驗。采用智能化、信息化技術，通過遠程監(jiān)控平臺對發(fā)電箱及其內部設備進行遠程監(jiān)測和控制，實現(xiàn)了無人值乘運用。與現(xiàn)有B22-1、B23-1型發(fā)電乘務車相比，提高了供電效率，減少了燃油消耗，更加節(jié)能環(huán)保，且無需人員值乘，極大地降低冷藏運輸成本，對促進全社會冷鏈物流的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。