國際聯運車鍋爐的研制

■ 劉金林 由建宏 公丕柱

在北京—烏蘭巴托—莫斯科之間運行的K3/4次列車為20世紀90年代初期制造，車輛已運行20多年，設施比較陳舊。列車自北京—莫斯科間運行里程達7 826 km，運行時間為131 h 41 min。除列車運行區間特別長外，其運用條件也十分嚴酷，經常會遇到強沙塵和極端低溫（-50 ℃）的情況，全列沒有空調裝置，采暖系統完全依靠燃煤鍋爐，不但給乘務員帶來很大的工作量，而且乘客舒適度也難以保障。鑒于此，北京鐵路局提出購置43輛全新國際聯運客車（25G型）的需求，并特別強調車輛要采用新型采暖方式來減輕隨車乘務員的工作量。

1 采暖系統選擇

國際聯運車設計中面臨的最大難題就是保證車輛在極端低溫環境下的采暖，提高乘客舒適度。國內鐵路客車大多采用電加熱和空調（預熱器）制暖的方式，這種采暖方式是否適用在國際聯運車，需要進行合理的計算驗證。

1.1 采暖負荷計算

1.1.1 采暖負荷計算條件

最高運營速度：120 km/h；

設計速度：140 km/h；

外氣溫度：分別計算-50 ℃、-35 ℃和-25 ℃的情況；

客室內溫度：20 ℃[1]；

車內定員：37人（含乘務員1人）；車輛靜置時車體平均傳熱系數：K0=1.16 W/（m2·k）。計算按照鐵路空調客車熱工計算方法[2]進行。

1.1.2 客室冬季車內熱負荷計算

客室冬季車內熱負荷計算公式如下：

式中：Q為采暖設備加熱功率，W；Q1為通過車體隔熱壁損失的熱量，W；Q2為加熱進入車內的新鮮空氣所需的熱量，W；Q3為車內旅客的散熱量，W；Q4為車內機電設備的散熱量，作為余量不計算在內，W。

1.1.3 車體隔熱壁損失的熱量

車體隔熱壁損失的熱量為：

式中：tA為車外溫度，K；tB為車內溫度，K；K為車體傳熱系數，W/（m2·k）；F為車體傳熱面積，m2。

靜止時，K0=1.16 W/（m2·k）。

V=140 km/h時，取：K=1.16×1.87=2.17 W/（m2·k），F=258.53 m2，則：

Q1=2.17×258.53×（50+20）=39.27 kW。

1.1.4 加熱進入車內的新鮮空氣所需熱量

加熱進入車內的新鮮空氣所需熱量的計算公式如下：

式中：VA為車內所需體積流量，按每人15 m3/h計算[1]；ρ為空氣密度，-50 ℃時為1.58 kg/m3；Cp為新鮮空氣定壓比熱，為1.01 kJ/（kg·℃）。

要達到車內溫度為20 ℃以上，Q2為：

1.1.5 車內旅客散熱量

冬季按人體散發的顯熱量計算。

Q3=0.955nq，

式中：n為車內定員，按37人計算；q為平均每人散發的熱量，W。

車內溫度為20 ℃時[3]，q=90.7 W，綜上：

Q3=0.955×37×90.7=3.2 kW。

1.1.6 車內機電設備散熱量

通常當作采暖設備的安全儲備熱，在計算中不予考慮。

1.1.7 采暖設備加熱功率

采暖設備的加熱功率計算公式為：

QY=Q1+Q2-Q3=39.27+17.22-3.2=53.29 kW。

考慮到客室電熱余量，-50 ℃時整車加熱功率可按53 kW考慮。

按以上計算方法，在外部溫度為-35 ℃和-25 ℃時, 整車加熱功率分別為41.36 kW和33.26 kW。

1.2 采暖系統用電負荷分析

國際聯運客車國內運行時最大編組為16輛，境外運行時客車最大編組為12輛。從經濟性與可行性出發，全列客車由發電車集中供電，發電車機室設2臺MX-T-400-4型馬拉松電機，額定輸出功率400 kW。在發電車2臺發電機組滿負荷情況下，經對全車用電負荷計算，當在國內運行（16輛編組）時，每輛車最多分配給采暖系統的功率為33 kW（含空調預熱器9 kW）；境外運行（12輛編組）時，每輛車最多分配給采暖系統的功率為51 kW（含空調預熱器9 kW）。與“采暖負荷計算”結果對比可知，采暖僅依靠電能不能滿足環境溫度為-50 ℃時的采暖需求。

2 電煤兩用鍋爐的設計

2.1 設計基礎

在低溫環境下，電功率不能滿足采暖要求，需要其他采暖裝置做補充，且國際聯運客車運行里程較長，發電車在長時間運行中也可能發生供電故障，因此采暖裝置必須具有很高的可靠性及冗余性。南車青島四方機車車輛股份有限公司在總結多年客車設計經驗的基礎上，提出了煤電兩用鍋爐溫水循環采暖裝置的設想，當列車正常運行時，以電鍋爐溫水循環采暖為主；當發電車發生供電故障或偶遇極端低溫天氣電鍋爐采暖能力不足時，啟用煤鍋爐作為電鍋爐采暖的補充，保證旅客安全。

電煤鍋爐采暖系統設計目的是為了降低乘務人員的勞動強度，在原LHN-2001型流動燃燒環保鍋爐基礎上，增加鍋爐電熱功能，設置自動控制裝置，電熱工況具備自動控制功能。系統由電煤鍋爐、膨脹水箱、溫水循環管路、循環水泵、散熱器、缺水開關、水溫傳感器、車內溫度傳感器、電控箱等組成。鍋爐設置缺水自動報警保護裝置、漏電保護裝置、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，鍋爐室內設燃煤炊事爐。電煤鍋爐采暖系統構成見圖1，電煤鍋爐采暖系統原理見圖2。

煤電兩用鍋爐裝機最大電熱功率為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熱量均大于43 kW。

2.2 電控系統設計

電煤兩用鍋爐電控系統包含加熱器控制系統和循環水泵控制系統，根據采暖實際運用要求，需具備自動和應急2種工作模式，這2種模式可通過轉換選擇開關進行切換選擇，并通過指示燈顯示。電煤兩用鍋爐主電路見圖3，控制電路見圖4。

圖1 電煤鍋爐采暖系統構成

圖2 電煤鍋爐采暖系統原理

圖3 電煤兩用鍋爐主電路

2.2.1 自動工作模式

當加熱器控制選擇轉換和循環水泵控制選擇轉換都選擇自動模式時，加熱器及循環水泵由PLC進行控制：當鍋爐水位高于警戒水位時，客室溫度控制器通過客室溫度傳感器采集客室溫度，當客室溫度低于設定溫度下限時，電熱器逐檔啟動，啟動延時15 min；當客室溫度高于上限時，電熱器逐檔關閉，關閉延時15 min；當鍋爐水溫高于90 ℃時，開啟循環水泵，當鍋爐水溫低于85 ℃時，關閉循環水泵。

當加熱器控制選擇轉換和循環水泵控制選擇轉換都選擇自動模式時，如鍋爐水位低于警戒水位，鍋爐缺水報警燈亮，加熱器及循環水泵均關閉。

2.2.2 應急工作模式

加熱器控制和循環水泵控制都設置應急工作模式，此模式下可通過手動旋鈕控制加熱器和循環水泵工作，不受鍋爐缺水和溫度限制。

2.2.3 加熱管及循環水泵工作故障顯示

圖4 電煤兩用鍋爐控制電路

電控系統包含故障檢測單元，通過霍爾元件檢測加熱管及循環水泵的工作電流判斷加熱管及循環水泵是否發生故障，如果工作正常，檢測單元對應的指示燈亮綠燈；如有故障，檢測單元對應的指示燈亮紅燈。

3 結束語

國際聯運車的研發設計是建立在鐵路客車（尤其是青藏鐵路客車）近幾年成熟、可靠的技術基礎上，首次將電煤兩用鍋爐裝車試用，大大減輕了乘務人員的工作強度，提高旅客乘坐的舒適性。新造的國際聯運車于2013年1月在國內多次進行試運行，并于2013年3月中旬在國外（蒙古與俄羅斯境內）低溫環境下進行試運行，試運行過程中對電煤兩用鍋爐的各種運行工況進行了驗證，鍋爐工作狀態良好。

[1] GB/T 12817—2004 鐵道客車通用技術條件[S].

[2] TB/T 1957—1991 鐵路空調客車熱工計算方法[S]．

[3] TB 1951—1987 客車空調設計參數[S]．