旅客列車注水系統節能優化設計探析

邢軍朝,席 社

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司環工院,北京 100055)

1 問題的提出

鐵道部實施提速戰略以來，旅客列車的途中站停時間呈縮短趨勢[1]。提速后列車在技術作業站站停時間從提速前的10～12 min一般縮短到6～8 min，上水作業時間相應從提速前的7～8 min縮短到3～5 min，同時，中間站減少，使列車運距延長[2-3]，列車站停補水時間縮短、途中補水次數減少，從而加劇了列車用水與補水的矛盾。為解決這一矛盾，保證鐵路客運服務質量，這就要求中間補水站短時間內應補充盡可能多的水，為此，鐵路各站段采取各種提高地面上水設施上水能力的技術措施[4]，投資很大，但由于車上上水系統不合理，特別是注水系統管徑小，導致提高上水量的成效卻很低，且能耗代價劇增。

筆者參加了鐵道部重點科研課題《鐵路客車自動上水系統優化及標準化建設的研究》，對國內現狀客車上水系統地面設施和車上設施的技術現狀及存在問題進行了大量的調查分析和系統研究，主要通過研究提高客車上水系統上水能力的途徑，分析客車上水能力與系統能耗的函數關系，從節約能源和提高系統上水能力等方面探討車上注水系統的優化設計。

2 提高客車上水系統上水能力，降低系統能耗的途徑及可行性分析

2.1 客車上水系統組成及提高客車上水系統上水能力的途徑

鐵路客車上水系統由地面上水設施和車上上水設施兩部分組成。地面上水設施主要指在客車上水作業站點建設的給水系統，包括為列車上水專用的配水干管、上水栓、上水膠管及快速接頭、自動收管裝置、自控裝置、防凍及排水等設施。車上上水設施主要指安裝在車體上的注水設施(注水嘴和注水管)、冷水箱、水箱液位顯示裝置等。通過上水膠管及快速接頭聯通地面和車上上水設施，進行上水作業。

從客車上水系統的組成分析，提高客車上水系統上水能力的途徑是：(1)提高地面上水設施的上水能力，如提高客車上水栓的出口壓力，加大地面設施各部管道的直徑和給水栓口徑，減少系統水頭損失[5-6]；應用自動上水技術，減少了上水作業環節，爭取更多的上水時間，提高上水工作效率等[7-8]；(2)提高車上注水設施的上水能力；(3)提高車站地面上水設施能力的同時，優化旅客列車注水設施，提高系統的上水能力[9]。

2.2 客車上水能力與系統能耗數學關系分析

衡量客車上水能力的指標是客車上水秒流量，系統能耗主要是指上水過程中克服系統水頭損失所消耗的電能，系統能耗與系統水頭損失成正比，為簡化分析，用系統水頭損失指標代系統能耗指標。系統總水頭損失由車上注水設施水頭損失、栓口至水箱頂間的位置水頭和地面上水設施水頭損失3部分組成。則現狀客車上水秒流量與系統總水頭損失的函數關系分析如下。

h總=h車+h幾+h地

(1)

式中h總——系統總水頭損失，m；

h車——車上注水系統水頭損失，m；

h幾——位置水頭，m，即栓口至水箱頂間的高差，一般為4.22 m；

h地——地面上水設施水頭損失，m。

h車=hf+hj=AL1q2+∑ξ·v2/2g=

(2)

式中hf——注水口至水箱頂間的沿程水頭損失，m；

hj——注水口至水箱頂間的局部水頭損失，m；

A——注水管比阻，DN25鋼管比阻為436 700；

L1——車上注水管長度，m，一般為3.42 m；

∑ξ——注水嘴與至水箱之間的總局部阻力系數ξ，按1 個注水嘴、3個彎頭及1 個出水口計(車上注水系統示意見圖1)，現狀注水嘴實測阻力系數為3.0(注水嘴尺寸詳見圖2)，彎頭為0.8，出水口為1.0，∑ξ=6.4；

d——注水管管徑，m，現狀為DN25；

v——流速，m/s；

q——客車上水秒流量，m3/s；

g——重力加速度，9.81 m/s2。

圖1 車上注水系統示意

圖2 注水嘴尺寸(單位：mm)

則現狀車上注水設施水頭損失與上水秒流量的函數式可簡化為

h車=(1.49×106+1.36×106)q2=2.85×106q2

(3)

地面上水設施水頭損失主要為上水軟管的沿程水頭損失，根據《鐵路工程設計手冊·給水排水》[10]推薦的水力計算公式

(4)

式中d——上水軟管管徑，m，根據《鐵路給水排水設計規范》[11]規定，應采用φ32 mm；

L2——上水軟管長度，m，不大于15 m，本文按14 m計算。

則現狀地面上水設施水頭損失與上水秒流量函數關系可簡化為

h地=9.125×105q2

(5)

將式(3)、(5)代入式(1)，則現狀客車上水秒流量與系統總水頭損失的函數式可簡化為

h總=h車+h幾+h地=4.22+3.76×106q2

(6)

2.3 提高客車上水系統上水能力，降低系統能耗的可行性分析

由式(4)分析可見：提高客車上水栓的出口壓力，相應增加系統水頭損失，可提高系統上水能力，但需要增加地面設施投資(如：增設加壓泵站、增加水塔有效高度等)，同時也大幅增加了系統的能耗，從節能的角度看是不合理的；加大地面設施各管道的直徑和減少上水軟管長度也可提高系統上水能力，但由于上水作業操作等客觀條件的限制(現規范規定上水軟管直徑為32 mm，如再加大，質量大，現場操作困難，同時，與車上設施對接難度大，不推薦使用)，提高系統上水能力的可行性較低。

由式(2)分析可見：根據車體條件優化車上注水設施，適當增大注水管及注水嘴管徑，改進注水管管材，降低局部水頭損失和比阻，不僅可以提高系統上水能力，又能降低系統的能耗，從節能的角度是可行的。

由式(3)、(5)、(6)分析可見：系統總損失中，車上注水設施水頭損失較地面上水設施水頭損失大，因此優化旅客列車注水系統，同時在有條件時適當提高車站地面上水設施能力是提高系統的上水能力，降低客車上水系統總能耗的有效途徑。

3 車上注水系統優化設計及節能效果分析

3.1 車上注水系統優化設計

根據現狀客車車體條件，注水系統可采取如下優化設計：增大注水嘴口徑及形式(采用漸擴型)，將車上注水管管徑由現狀DN25增大為DN40，同時為不增加車體質量，管材優化為阻力系數更低的薄壁不銹鋼管或其他新型管材，詳見圖3。

圖3 注水嘴優化設計示意(單位：mm)

3.2 車上注水系統優化前后系統上水量及水頭損失變化情況分析

根據圖1、圖2所示的現狀車上注水系統，其水頭損失與上水秒流量的簡化函數關系為式(3)。同理，優化后車上注水系統水頭損失為

(7)

i——單位管道長度水頭損失，kPa/m，根據《建筑給水薄壁不銹鋼管管道工程技術規程》(CECS153：2003)[12]，DN40不銹鋼管i=9.37×104q1.85；

∑ξ＇——優化后注水嘴與與至水箱之間的總局部阻力系數，按1 個注水嘴、3 個彎頭及1 個出水口計，優化注水嘴DN40×25，阻力系數經分析減少為1.0，彎頭為0.8，出水口為1.0，∑ξ＇=4.4。

代入式(7)，則可得優化車上注水系統的水頭損失與上水秒流量的簡化函數關系為

(8)

將式(8)、式(5)代入式(1)，則優化后客車上水秒流量與系統總水頭損失的函數式可簡化為

1.05×106q2

(9)

根據式(6)和式(9)繪出客車上水系統管路特性曲線，見圖4。

圖4 優化前后上水系統管路特性曲線

由圖4可以看出：車上注水系統優化后，管路特性曲線變得更為平緩，達到同樣的秒流量，優化后系統所消耗的水頭損失大幅降低；在消耗相同水頭損失的工況下，優化后系統的上水能力(即秒流量)大幅增加。

3.3 車上注水系統優化節能效益分析

根據圖4所示的客車上水系統管路特性曲線，對應系統所消耗的水頭損失為20 m時，車上注水系統優化前后上水秒流量分別為2.05、2.95 L/s，也就是說車上注水系統按上述方案優化后，客車上水能力(即秒流量)將增加44%，對于要求短時間對列車進行快速補水作業的列車來說，相同時間內補水量將大大增加，可有效緩解目前中間站補水量不足的問題；對于線端式車站，上水時間將明顯縮短，上水工作效率大幅提高，同時節約了上水系統的能源消耗。

根據《鐵路給水排水設計規范》(TB10010—2008)第8.1.7條“通過式及線端式旅客列車給水站的每座旅客列車給水栓室，當使用1個栓頭時，其栓口的設計流量不應小于2.5 L/s”。由圖4分析可知：當上水秒流量為2.5 L/s時，車上注水系統優化前后所消耗的水頭損失分別為27.7、15.7 m，優化后，所消耗的水頭損失下降約12 m，即車上注水系統優化后，在上水秒流量為2.5 L/s時，系統節能率達到57%，節能效果非常明顯。

目前，絕大多數城市供水條例規定，管網末梢供水壓力不低于14 m，即當客車上水水源采用城市供水管網時，接管點避開管網末梢，供水壓力大多數可滿足大于15.7 m的條件。這樣，車上注水系統優化后，不需二次加壓，就可滿足客車上水的要求，既可節約增建車站給水系統二次加壓設施的投資，又充分利用了市政管網的供水壓力，節約了客車上水二次加壓的運營費。

4 結論

綜上分析，目前國內旅客列車車上注水系統由于管徑偏小，系統水阻大，能耗高，是制約提高鐵路客車上水能力的“瓶頸”。優化旅客列車注水系統是提高系統的上水能力，降低客車上水系統總能耗的有效途徑，技術可行，可操作性好，節約能耗效果顯著。

鐵路客車上水系統節能優化研究是鐵道部重點科研課題《鐵路客車自動上水系統優化及標準化建設的研究》的研究內容之一，該課題于2008年通過鐵道部組織的專家評審和驗收，2010年獲中國中鐵股份有限公司科學技術獎。

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