HXD2型機車風源凈化系統的合理配置淺析

2013-11-25 09:24:10李映晨黃思俊

機械管理開發 2013年3期

李映晨，宋瑤，黃思俊

(北京賽德高科鐵道電氣科技有限責任公司，北京 100176)

0 引言

壓縮空氣凈化處理是指壓縮空氣經過除塵、除油、除水后，使之達到壓縮空氣質量等級標準，滿足機車對壓縮空氣品質的要求。壓縮空氣凈化處理設備一般分為兩類：過濾設備（主要功能是除塵、除油）和干燥器（主要功能是脫濕）。機車風源系統是機車空氣管路系統的基礎，它為機車、車輛的氣動元件及制動機提供高質量潔凈干燥和穩定的壓縮空氣[1]。機車風源系統的主要部件（如空氣壓縮機組、風源凈化裝置等）均需進行認真的選型和設計計算。影響機車風源供風質量的主要因素有風源凈化系統的設置、布局及干燥器的選型。

1 機車風源凈化系統的布局原則

機車風源系統中，空氣壓縮機之后安裝汽水分離器、除油除塵過濾器；然后安裝干燥器、后置過濾器；最后進入總風缸。其中配合排污電磁閥，去除包含于空壓機輸出飽和濕度空氣內，因溫度下降析出的大量液態水和油滴；實現對壓縮空氣的預凈化處理，減輕空氣凈化系統中干燥器及后置過濾器的負擔，延長維護周期，增加系統的可靠性。

2 HXD2型機車風源凈化系統介紹

1）機車風源凈化系統，包括汽水分離器、預過濾器、精密過濾器、排污電磁閥、干燥器、后置過濾器。氣水分離器和自帶排污電磁閥，去除包含于空壓機輸出飽和濕度空氣內，因溫度下降析出的大量液態水。壓縮空氣進入預過濾器和精密過濾器后，先由濾芯去除油和灰塵，再由排污電磁閥排出，然后壓縮空氣進入干燥器，由干燥劑去除水分，降低露點；最后由后置過濾器進行精濾。2）汽水分離器，可除去99%以上的水、油等液體污染物，并配有排污電磁閥。3）預過濾器和精密過濾器。預過濾器用于去除1 μm以上的粒子，并可凝聚液態油水；在21℃條件下，油霧含量不超過0.5 mg/m3。精密過濾器用于去除包括油、水在內的0.01 μm以上的粒子；在21℃條件下，油霧含量不超過0.01 mg/m3。4）排污電磁閥，是電氣控制的電磁閥，目的是從各種過濾器中排出凝結水、油等液體污染物。該閥由空壓機控制器自動控制。5）空氣干燥器，是吸附式無熱再生壓縮空氣干燥器。6）后置過濾器，過濾精度1 μm、過濾效率99.9%，配有手動排污閥。

3 HXD2型機車的壓縮空氣質量

壓縮空氣中三種主要雜質為：固體粒子、油、水；他們之間相互影響（例如：固體粒子有油或水時可聚結成較大顆粒，油和水作用時可發生乳化現象）；有時會在壓縮空氣系統管路內壁上發生凝聚或液化（例如：油蒸汽或水蒸氣）；其他污染物也應考慮在內（包括微生物體和氣態污染物）。ISO 8573-1：2001（E）標準及HXD2型電力機車的采購規范規定了機車壓縮空氣質量要求：固體顆粒等級為2級，含油量等級為2級，濕度等級為2級，見表1。

表1 固體粒子、含油量、濕度等級

4 壓縮空氣干燥器的選型

1）造型概述。常用的壓縮空氣干燥設備有三種：冷凍式、吸附式、組合式。冷凍式壓縮空氣干燥器，因其工作原理和結構所限，壓縮空氣出口壓力露點達不到要求。機車對壓縮空氣的壓力露點要求較高（HXD2型機車要求-40℃的壓力露點），此時只能選用吸附式或組合式。吸附干燥是吸附分離技術的應用之一。當氣體中有固體顆粒時，氣體中的某些組分便富集于固體顆粒，這過程叫吸附過程。吸附是非均相系統（比如氣體-固體系統）中的兩相界面上發生的傳質與富集過程。吸附操作的逆過程，通常稱為再生過程。具有一定選擇性吸附功能的多孔性固體物質稱為吸附劑，吸附劑上富集的物質稱為吸附質。壓縮空氣干燥中，吸附質為水蒸氣，它以物理吸附為主。吸附劑的再生方式可有兩種：（1）無熱再生：把干燥后的壓縮空氣分流出來的一部分，降壓至接近大氣壓（其中的水蒸氣分壓很低），不加熱的情況下再生已飽和吸附劑。采用無熱再生原理的干燥器叫無熱再生干燥器。（2）有熱再生：在加熱狀態下再生已飽和的吸附劑。

2）吸附劑。吸附劑是吸附分離的物質基礎。壓縮空氣干燥脫水中常用的吸附劑有：硅膠，活性氧化鋁，分子篩。無熱再生干燥器的吸附劑通常為活性氧化鋁或分子篩，活性氧化鋁的抗破裂性能要優于分子篩等其他材料。

3）干燥器的選型。根據機車風源系統的實際情況、成本能耗維護等原因，HXD2型機車選用無熱再生吸附式干燥器，采用活性氧化鋁為吸附劑，壓力露點在-40℃以下。

5 HXD2機車的干燥器結構特點

無熱再生吸附式干燥器的結構較簡單，見圖1。干燥器下部的壓縮空氣進口處一般有四個閥門，分別稱為換向閥和排氣閥，排氣閥6控制吸附塔卸壓、再生氣排放和再生完成后吸附塔的“均壓”。兩個換向閥1控制了壓縮空氣的流動方向，決定了吸附和再生的切換。運行時這四個閥門對角動作，干燥器中采用電磁閥作為換向閥。

吸附式無熱再生干燥器的特點，主要表現如下：1）雙塔干燥再生轉換工作周期短。HXD2型機車的干燥再生轉換工作周期為：干燥時間120 s，再生時間為90 s。2）再生耗氣率低。再生耗氣率的大小應當按實際運用條件確定，太大或太小都不好。耗氣率太大對吸附劑再生充分，使輸出的空氣質量能充分干燥，但浪費過多的壓縮空氣、加長能耗。耗氣率太小會使干燥器不能充分再生、干燥能力下降，甚至達不到風源系統的基本輸出要求。

圖1 無熱再生吸附式干燥器的結構圖

6 HXD2型機車的干燥器再生耗氣率的校驗計算

如何確定最佳的耗氣率，主要是按兩個關鍵參數計算：1）工作壓力（或是空氣壓縮比n）；2）每個工作循環內，干燥塔的干燥時間與再生時間的比值（t1/t2）。具體介紹如下：（1）吸附和再生過程。一定量的干燥劑通過一定單位體積的潮濕空氣后，吸附其中的水汽，輸出不含水蒸汽的干燥空氣（近似）。與此過程相反，上述干燥劑吸水之后，反向通過同樣一定單位體積的干燥空氣時，干燥劑脫附，變成再生過程。先前吸附的水蒸氣恰好能被同樣單位的干燥空氣帶走。（2）按理想氣體的實驗定律，在密封的容器中，一定量的氣體在溫度不變時，壓力P和體積V的關系為：PV=常量，一定量的封閉空氣，體積和壓力成反比。（3）干燥器工作時，對于干燥塔，設工作壓力n個大氣壓，流量Q1,干燥時間t1；那么,干燥通過的空氣量為V1=Q1t1。（4）對于再生塔，因它直通大氣，再生時塔內的壓力為1個大氣壓，流量Q2，再生時間t2。因再生時進入的是n個大氣壓的壓縮空氣，此處壓力下降到了1個大氣壓，根據上述（2）條，此時空氣體積膨脹n倍。通過的體積是：V2=n Q2t2.（5）根據上述（1）條，再生氣體量恰好完成再生的狀態時V1=V2,即Q1t1=nQ2t2.故再生耗氣率=Q2/Q1=t1/（nt2）×100%.（6）對于HXD2型機車干燥器，干燥時間t1=120 s，再生時間t2=90 s，n壓縮比其實就等于額定壓力值（9×105）Pa。經計算得理想耗氣率恰好為15%，符合鐵標要求。