■ 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(chē)為20世紀(jì)90年代初期制造，車(chē)輛已運(yùn)行20多年，設(shè)施比較陳舊。列車(chē)自北京—莫斯科間運(yùn)行里程達(dá)7 826 km，運(yùn)行時(shí)間為131 h 41 min。除列車(chē)運(yùn)行區(qū)間特別長(zhǎng)外，其運(yùn)用條件也十分嚴(yán)酷，經(jīng)常會(huì)遇到強(qiáng)沙塵和極端低溫（-50 ℃）的情況，全列沒(méi)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(lái)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(gòu)置43輛全新國(guó)際聯(lián)運(yùn)客車(chē)（25G型）的需求，并特別強(qiáng)調(diào)車(chē)輛要采用新型采暖方式來(lái)減輕隨車(chē)乘務(wù)員的工作量。

1 采暖系統(tǒng)選擇

國(guó)際聯(lián)運(yùn)車(chē)設(shè)計(jì)中面臨的最大難題就是保證車(chē)輛在極端低溫環(huán)境下的采暖，提高乘客舒適度。國(guó)內(nèi)鐵路客車(chē)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(guó)際聯(lián)運(yùn)車(chē)，需要進(jìn)行合理的計(jì)算驗(yàn)證。

1.1 采暖負(fù)荷計(jì)算

1.1.1 采暖負(fù)荷計(jì)算條件

最高運(yùn)營(yíng)速度：120 km/h；

設(shè)計(jì)速度：140 km/h；

外氣溫度：分別計(jì)算-50 ℃、-35 ℃和-25 ℃的情況；

客室內(nèi)溫度：20 ℃[1]；

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

1.1.2 客室冬季車(chē)內(nèi)熱負(fù)荷計(jì)算

客室冬季車(chē)內(nèi)熱負(fù)荷計(jì)算公式如下：

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

1.1.3 車(chē)體隔熱壁損失的熱量

車(chē)體隔熱壁損失的熱量為：

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

靜止時(shí)，K0=1.16 W/（m2·k）。

V=140 km/h時(shí)，?。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(chē)內(nèi)的新鮮空氣所需熱量

加熱進(jìn)入車(chē)內(nèi)的新鮮空氣所需熱量的計(jì)算公式如下：

式中：VA為車(chē)內(nèi)所需體積流量，按每人15 m3/h計(jì)算[1]；ρ為空氣密度，-50 ℃時(shí)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(chē)內(nèi)溫度為20 ℃以上，Q2為：

1.1.5 車(chē)內(nèi)旅客散熱量

冬季按人體散發(fā)的顯熱量計(jì)算。

Q3=0.955nq，

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

車(chē)內(nèi)溫度為20 ℃時(shí)[3]，q=90.7 W，綜上：

Q3=0.955×37×90.7=3.2 kW。

1.1.6 車(chē)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(chǔ)備熱，在計(jì)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(jì)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(shí)整車(chē)加熱功率可按53 kW考慮。

按以上計(jì)算方法，在外部溫度為-35 ℃和-25 ℃時(shí), 整車(chē)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(guó)際聯(lián)運(yùn)客車(chē)國(guó)內(nèi)運(yùn)行時(shí)最大編組為16輛，境外運(yùn)行時(shí)客車(chē)最大編組為12輛。從經(jīng)濟(jì)性與可行性出發(fā)，全列客車(chē)由發(fā)電車(chē)集中供電，發(fā)電車(chē)機(jī)室設(shè)2臺(tái)MX-T-400-4型馬拉松電機(jī)，額定輸出功率400 kW。在發(fā)電車(chē)2臺(tái)發(fā)電機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷情況下，經(jīng)對(duì)全車(chē)用電負(fù)荷計(jì)算，當(dāng)在國(guó)內(nèi)運(yùn)行（16輛編組）時(shí)，每輛車(chē)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(shí)，每輛車(chē)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(jì)算”結(jié)果對(duì)比可知，采暖僅依靠電能不能滿(mǎn)足環(huán)境溫度為-50 ℃時(shí)的采暖需求。

2 電煤兩用鍋爐的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

在低溫環(huán)境下，電功率不能滿(mǎn)足采暖要求，需要其他采暖裝置做補(bǔ)充，且國(guó)際聯(lián)運(yùn)客車(chē)運(yùn)行里程較長(zhǎng)，發(fā)電車(chē)在長(zhǎng)時(shí)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(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司在總結(jié)多年客車(chē)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(chē)正常運(yùn)行時(shí)，以電鍋爐溫水循環(huán)采暖為主；當(dāng)發(fā)電車(chē)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(shí)，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(jì)目的是為了降低乘務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，在原LHN-2001型流動(dòng)燃燒環(huán)保鍋爐基礎(chǔ)上，增加鍋爐電熱功能，設(shè)置自動(dòng)控制裝置，電熱工況具備自動(dòng)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(kāi)關(guān)、水溫傳感器、車(chē)內(nèi)溫度傳感器、電控箱等組成。鍋爐設(shè)置缺水自動(dòng)報(bào)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?tīng)t。電煤鍋爐采暖系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1，電煤鍋爐采暖系統(tǒng)原理見(jiàn)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(jì)

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(shí)際運(yùn)用要求，需具備自動(dòng)和應(yīng)急2種工作模式，這2種模式可通過(guò)轉(zhuǎn)換選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換選擇，并通過(guò)指示燈顯示。電煤兩用鍋爐主電路見(jiàn)圖3，控制電路見(jiàn)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(dòng)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(dòng)模式時(shí)，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(shí)，客室溫度控制器通過(guò)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(shí)，電熱器逐檔啟動(dòng)，啟動(dòng)延時(shí)15 min；當(dāng)客室溫度高于上限時(shí)，電熱器逐檔關(guān)閉，關(guān)閉延時(shí)15 min；當(dāng)鍋爐水溫高于90 ℃時(shí)，開(kāi)啟循環(huán)水泵，當(dāng)鍋爐水溫低于85 ℃時(shí)，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(dòng)模式時(shí)，如鍋爐水位低于警戒水位，鍋爐缺水報(bào)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(guò)手動(dòng)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(cè)單元，通過(guò)霍爾元件檢測(cè)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(cè)單元對(duì)應(yīng)的指示燈亮綠燈；如有故障，檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的指示燈亮紅燈。

3 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)際聯(lián)運(yùn)車(chē)的研發(fā)設(shè)計(jì)是建立在鐵路客車(chē)（尤其是青藏鐵路客車(chē)）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(chē)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(guó)際聯(lián)運(yùn)車(chē)于2013年1月在國(guó)內(nèi)多次進(jìn)行試運(yùn)行，并于2013年3月中旬在國(guó)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(guò)程中對(duì)電煤兩用鍋爐的各種運(yùn)行工況進(jìn)行了驗(yàn)證，鍋爐工作狀態(tài)良好。

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

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

[3] TB 1951—1987 客車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)[S]．