鐵路客車(chē)單元式變頻空調(diào)機(jī)組的研究及應(yīng)用

高健飛,周劍峰,薛宏佺

(中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司,江蘇 南京 210031)

隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,變頻空調(diào)因具有舒適、高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越多地被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)鐵路交通車(chē)輛。變頻空調(diào)是國(guó)家鐵路節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效手段,節(jié)能減排效果顯著,符合國(guó)家技術(shù)進(jìn)步和節(jié)能減排的政策[1]要求。變頻空調(diào)的推廣應(yīng)用不僅符合中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)鐵集團(tuán)”)的規(guī)劃,而且也是對(duì)國(guó)家有關(guān)節(jié)能減排政策以及實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的具體響應(yīng)。

1 25G、25T型鐵路普速客車(chē)空調(diào)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前大部分25G、25T型鐵路客車(chē)采用定頻空調(diào)。定頻空調(diào)存在能源消耗高、電流沖擊大、供電系統(tǒng)復(fù)雜、溫度不易調(diào)控等缺點(diǎn)。2013年,中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“濟(jì)南局”)立項(xiàng)《機(jī)車(chē)車(chē)輛前瞻性技術(shù)研究一直流變速空調(diào)在普速客車(chē)上的應(yīng)用研究》,對(duì)25G型機(jī)車(chē)DC 600 V供電客車(chē)變頻空調(diào)進(jìn)行了研究。從節(jié)能效果看,與定頻空調(diào)相比,機(jī)車(chē)供電的DC 600 V客車(chē)變頻空調(diào)年節(jié)電約為10 454 kWh/輛,節(jié)電率約為30.25%。2014年10月,為進(jìn)一步驗(yàn)證變頻空調(diào)的節(jié)能效果,濟(jì)南局改造了1列25G型柴油發(fā)電車(chē)供電客車(chē)(AC 380 V),安裝變頻空調(diào)進(jìn)行運(yùn)用考核,年節(jié)油為35 822 L/列,節(jié)油率約為28.16%。變頻空調(diào)節(jié)能效果明顯,同時(shí)具有溫度控制精度更高、車(chē)內(nèi)溫度波動(dòng)小、舒適性更好等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)鐵集團(tuán)在鐵總發(fā)改〔2018〕97號(hào)《節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)發(fā)展規(guī)劃(2018—2020)》和鐵總發(fā)改〔2018〕147號(hào)《關(guān)于全面推進(jìn)綠色鐵路發(fā)展的通知》2個(gè)文件中,已將推進(jìn)客車(chē)變頻空調(diào)應(yīng)用納入節(jié)能環(huán)保重點(diǎn)工程規(guī)劃,最終實(shí)現(xiàn)了變頻空調(diào)在客車(chē)上的全面應(yīng)用[2]。

2 25G、25T型鐵路普速客車(chē)變頻空調(diào)改造方案

為了規(guī)范變頻空調(diào)設(shè)計(jì)、制造和改造工作,國(guó)鐵集團(tuán)于2020年陸續(xù)發(fā)布了TJ/CL 578—2020《鐵路客車(chē)單元式變頻空調(diào)機(jī)組暫行技術(shù)條件》、機(jī)輛技術(shù)函〔2021〕18號(hào)《鐵路客車(chē)單元式變頻空調(diào)機(jī)組1版統(tǒng)型圖紙目錄》、機(jī)輛動(dòng)客函〔2021〕23號(hào)《既有25G、25T型鐵路客車(chē)變頻空調(diào)改造技術(shù)方案》。國(guó)鐵集團(tuán)要求:各鐵路局集團(tuán)公司要結(jié)合本局實(shí)際情況,綜合考慮改造維修成本、剩余使用壽命、節(jié)能減排收益等因素,在大修投資規(guī)模內(nèi),按照規(guī)范程序自主安排變頻空調(diào)改造工作[3]。

以25G型DC 600 V供電鐵路普速客車(chē)為例,車(chē)輛變頻改造項(xiàng)點(diǎn)包括空調(diào)機(jī)組、綜合控制柜、車(chē)下輔助逆變電源和車(chē)體布線(xiàn),如圖1所示。

圖1 車(chē)輛變頻改造示意圖

(1) 空調(diào)機(jī)組。既有客車(chē)空調(diào)機(jī)組改造時(shí),按照E5廠(chǎng)修標(biāo)準(zhǔn)要求,保留原定頻空調(diào)機(jī)殼,壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)等部件均需更換。變頻空調(diào)箱需額外增加電控盒(集成變頻器、濾波器)、傳感器、電子膨脹閥、四通換向閥等部件,以及相配套的變頻空調(diào)控制單元等部件。

(2) 綜合控制柜。去除控制柜中部分?jǐn)嗦菲?、繼電器、接觸器等器件。增加變頻控制器、控制電交流斷路器、主回路直流斷路器等器件以及變頻空調(diào)控制單元。

(3) 車(chē)體布線(xiàn)?？照{(diào)供電主回路AC 380 V連接器改為DC 600 V連接器,取消1個(gè)連接器。增加1組通信線(xiàn)(485通訊)及DC 600 V電源線(xiàn)和1組車(chē)型選擇線(xiàn)纜,并重新定義部分線(xiàn)號(hào)。

(4) 車(chē)下輔助逆變電源。DC 600 V供電客車(chē)空調(diào)供電由AC 380 V改為DC 600 V,逆變電源負(fù)載減小,使用2×15 kVA逆變電源即可滿(mǎn)足車(chē)輛交流負(fù)載用電需求。但是2×15 kVA逆變電源在功率模塊容量及外形尺寸均與既有逆變電源不同,小批量生產(chǎn)反而會(huì)增加成本,所以改造時(shí),若車(chē)下輔助逆變電源改建議繼續(xù)使用原有2×35 kVA逆變電源,不做更改,新造車(chē)輛可以考慮降低電源容量,從而減輕重量、降低采購(gòu)成本。

由于變頻空調(diào)的電氣接口和控制邏輯等較原定頻空調(diào)機(jī)組有所改變,因此在實(shí)施改造方案時(shí)需注意以下幾點(diǎn):

(1) 變頻空調(diào)與控制柜的通訊方式、控制柜接線(xiàn)排至變頻空調(diào)控制單元的通訊方式均采用RS485方式,因此車(chē)體布線(xiàn)時(shí)需注意強(qiáng)弱電線(xiàn)的間距以免通訊受強(qiáng)電干擾,RS485通訊線(xiàn)屏蔽層接地處理,增強(qiáng)抗干擾能力;

(2) 改造時(shí)變頻空調(diào)控制單元采用DC 24 V電源供電,為保證變頻空調(diào)控制單元的可靠性,避免DC 24 V電源受車(chē)上電源質(zhì)量影響,改造時(shí)需將變頻空調(diào)控制單元及DC 24 V電源可靠接地;

(3) 變頻空調(diào)內(nèi)部增加電控盒等器件,重量較定頻空調(diào)有所增大,因此變頻空調(diào)安裝時(shí)需核算吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)及固定的器件規(guī)格。

3 25G、25T型鐵路普速客車(chē)變頻空調(diào)改造驗(yàn)證

濟(jì)南局和中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司響應(yīng)國(guó)鐵集團(tuán)關(guān)于鐵路綠色發(fā)展的號(hào)召,從2021年底開(kāi)始共安排132輛鐵路普速客車(chē)結(jié)合E5修進(jìn)行變頻空調(diào)改造,改造車(chē)輛涉及柴油發(fā)電車(chē)AC 380 V供電的25K、25G型和機(jī)車(chē)DC 600 V供電的25G、25T型等各型車(chē)輛[4]。

3.1 運(yùn)用情況

目前改造車(chē)輛在K8322(濟(jì)南—金華)、K8251(濟(jì)南—北京)、T179(濟(jì)南—廣州)、K1284(濟(jì)南—深圳東)、K1136(青島—南寧)、Z169(青島北—廣州)、Z69(烏魯木齊—北京西)等多條線(xiàn)路上運(yùn)營(yíng)安全,運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)60萬(wàn)km,覆蓋華北、華中、華南、西北等廣闊區(qū)域,如表1所示。

表1 車(chē)輛運(yùn)用狀態(tài)統(tǒng)計(jì)(部分)

表2 DC 600 V供電車(chē)組平均溫度對(duì)比 ℃

表3 AC 380 V供電車(chē)組平均溫度對(duì)比 ℃

3.2 舒適性

變頻空調(diào)通過(guò)變頻技術(shù)和系統(tǒng)控制技術(shù),按照設(shè)定溫度自動(dòng)運(yùn)行制冷或制熱,能力輸出根據(jù)設(shè)定的溫差自動(dòng)調(diào)節(jié),避免壓縮機(jī)的反復(fù)啟停[5]。濟(jì)南局在濟(jì)南—深圳K1284次、濟(jì)南—寧波T135次對(duì)變頻空調(diào)進(jìn)行了集中掛運(yùn),乘務(wù)員反饋夏季制冷效果較好,車(chē)廂內(nèi)降溫較快且體感溫度上下浮動(dòng)相比定頻空調(diào)小,冬季熱泵升溫速度高于客室電加熱器,車(chē)廂內(nèi)并無(wú)燥熱感。

3.3 節(jié)能效果

變頻空調(diào)的運(yùn)營(yíng)節(jié)能收益主要通過(guò)減少壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)損耗、低頻運(yùn)行能效比高、熱泵制熱效率高等方式,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛節(jié)電和節(jié)油[6]。濟(jì)南局在濟(jì)南—寧波T135次1組中編掛8輛變頻空調(diào)車(chē),與另1組對(duì)比發(fā)電車(chē)燃油消耗量,截取2022年1月20日—2月8日的變頻空調(diào)車(chē)組與對(duì)比車(chē)組的油耗數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如表4所示。

如表4所示,經(jīng)過(guò)20天左右運(yùn)行制熱,變頻車(chē)組總加油量為18 917 L,對(duì)比車(chē)組總加油量為22 064 L,變頻車(chē)組節(jié)油3 147 L,節(jié)油率為14.2%。

在濟(jì)南—廣州T879次進(jìn)行節(jié)能試驗(yàn),截取2022年7月2日—7月31日的變頻空調(diào)車(chē)組與對(duì)比車(chē)組的油耗數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如表5所示。

表5 2022年7月2日—7月31日加油量對(duì)比記錄表

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)普速客車(chē)變頻空調(diào)改造進(jìn)行跟蹤分析,發(fā)現(xiàn)變頻空調(diào)在解決車(chē)輛空調(diào)熱負(fù)荷變化大、客室溫度波動(dòng)大及客室舒適性差等問(wèn)題時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì),變頻空調(diào)不僅節(jié)能效果明顯,而且具有較好的技術(shù)先進(jìn)性,能夠很好地適應(yīng)我國(guó)鐵路普速客車(chē)的運(yùn)用環(huán)境,代表鐵路客車(chē)技術(shù)進(jìn)步、增收節(jié)支、提高效益的發(fā)展方向,值得推廣[7]。