利用蒸汽換熱實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)車預(yù)熱技術(shù)的研究

翟大強(qiáng)，韓樹森，段崇義，邵學(xué)，劉向宇，楊剛

(山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司運(yùn)輸部，山東萊蕪271104)

萊鋼運(yùn)輸部現(xiàn)有6種車型的內(nèi)燃機(jī)車32臺，房內(nèi)預(yù)備機(jī)車為4～7臺。冬季由于環(huán)境溫度較低，為了保證內(nèi)燃機(jī)車在停用時(shí)機(jī)車油水溫度保持在規(guī)定溫度以上，或者長時(shí)間停用時(shí)避免由于管路冰凍而產(chǎn)生機(jī)破事故，必須進(jìn)行機(jī)車油水的升溫操作［1］。

二十世紀(jì)美國KIM HOTSTART公司開發(fā)出DDHS柴油機(jī)預(yù)熱裝置，用1臺功率15～17 kW的雙缸水冷柴油機(jī)，匹配1臺72 V直流發(fā)電機(jī)，使機(jī)車柴油機(jī)冷卻水溫度保持在30～40℃［2］。二十一世紀(jì)我國自行開發(fā)研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的NJRD型內(nèi)燃機(jī)車熱電保障系統(tǒng)，通過小型柴電機(jī)組實(shí)現(xiàn)機(jī)車油水系統(tǒng)預(yù)熱功能，燃油消耗是機(jī)車起機(jī)打溫油耗的1/5［3］。趙立仁等［2］研發(fā)的 DGHES型內(nèi)燃機(jī)車預(yù)熱系統(tǒng)，由40～50 kW柴油機(jī)和35～40 kW發(fā)電機(jī)組成，最大輸出功率≥100 kW，具有自動轉(zhuǎn)換循環(huán)加熱保溫和全自動控制功能。李文輝等［4］利用地面電源作為機(jī)車打溫的能源，對機(jī)車柴油機(jī)的冷卻水和機(jī)油系統(tǒng)進(jìn)行加熱和循環(huán)，使油水溫度始終保持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。馬淑英［5］利用微波加熱器實(shí)現(xiàn)電能到熱能的轉(zhuǎn)換，其中微波加熱器使用三相380 V電源，功率為30 kW。現(xiàn)階段機(jī)車預(yù)熱技術(shù)主要是通過燃燒柴油進(jìn)行預(yù)熱和使用電能進(jìn)行預(yù)熱兩種方法實(shí)現(xiàn)，這兩種方法仍然存在環(huán)境污染和能源消耗量大的問題。據(jù)此，我們結(jié)合萊鋼運(yùn)輸部擁有高爐余熱回收利用管網(wǎng)的實(shí)際情況，利用回收的高爐蒸汽高熱能、低成本的特點(diǎn)，開發(fā)出利用高爐蒸汽換熱實(shí)現(xiàn)多臺內(nèi)燃機(jī)車集中打溫的新裝置。

1 內(nèi)燃機(jī)車地面預(yù)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

內(nèi)燃機(jī)車地面預(yù)熱系統(tǒng)主要由地面熱源加熱系統(tǒng)(室內(nèi)系統(tǒng))和機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)(室外系統(tǒng))組成。地面熱源加熱系統(tǒng)為主換熱站，設(shè)置在機(jī)務(wù)段的軟水配置室內(nèi)，主要由軟水水箱、減溫器、板式換熱器、循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵和膨脹罐組成。機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)為子換熱站，主要由板式換熱器、循環(huán)水泵、電子調(diào)節(jié)閥和快速撥接設(shè)備組成，位于檢修庫內(nèi)、外的機(jī)車停放工位旁邊，便于進(jìn)行機(jī)車預(yù)熱。整套系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 機(jī)車地面打溫設(shè)備系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of locomotive ground heating equipment

1.2 機(jī)車水系統(tǒng)隔離打溫技術(shù)方案

將機(jī)車地面打溫方式設(shè)計(jì)為地面熱源加熱系統(tǒng)和機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)兩套裝置來實(shí)現(xiàn)隔離加熱功能。

機(jī)車水系統(tǒng)和地面打溫系統(tǒng)隔離，地面熱源加熱系統(tǒng)采用閉式水循環(huán)系統(tǒng)，保證管路內(nèi)水溫、水壓和流速基本恒定，使地面水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行更平穩(wěn)，設(shè)備運(yùn)行噪音較小，對系統(tǒng)中的電機(jī)、電子調(diào)壓閥和壓力表等設(shè)備的沖擊較小，能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)可以避免機(jī)車軟水污染整個(gè)地面水系統(tǒng)的軟水，造成大量浪費(fèi)。隔離加熱可以避免個(gè)別機(jī)車水系統(tǒng)故障導(dǎo)致軟水大量流失，并造成地面主系統(tǒng)由于缺水而發(fā)生事故。隔離打溫的優(yōu)點(diǎn)在于操作的管路水溫要明顯低于地面熱源系統(tǒng)管路內(nèi)的水溫，不會造成操作人員的燒燙傷。

1.3 換熱方案

加熱車位設(shè)置8個(gè)，需要機(jī)車隔離換熱設(shè)備Ns=8套。

每個(gè)車位的熱水用量為Qs=5 m3/h。

加熱車位的進(jìn)水溫度為Ti=90℃。

加熱車位的出水溫度為To=70℃。

熱源為蒸汽;工作壓力Ps=0.5 MPa，工作溫度Ts=160℃。

2 地面熱源加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算

循環(huán)水流量 G=Qs×Ns=40 m3/h≈11.11 kg/s。

水的比熱Cp=4.186 8 kJ/kg·℃。

水的密度r=1 000 kg/m3。

熱負(fù)荷［6］Q=Cp×G ×(Ti－To)×r=930.4 kW。

考慮到本系統(tǒng)管線較短，且管線預(yù)設(shè)要采取可靠的保溫措施，故熱負(fù)荷圓整為960 kW。

2.2 蒸汽管線設(shè)計(jì)

蒸汽流量計(jì)算，按熱負(fù)荷Q=960 kW，由于蒸汽為Ps=0.5 MPa的飽和蒸汽，預(yù)設(shè)蒸汽在換熱器中放熱冷凝及降溫至80℃，則0.5 MPa的飽和水蒸汽比焓h1=2 756.1 kJ/kg，80℃水的比焓h2=334.9 kJ/kg，0.5 MPa的飽和蒸汽的比容v=0.315 6 m3/kg。

水蒸汽計(jì)算流量 Gv=Q×v/(h1－h(huán)2)=0.125 m3/s。

取蒸汽管內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速w=9.5 m/s，根據(jù)公式1/4×3.14×Dn2×w=Gv×v

得出蒸汽管徑Dn=0.072 7 m。

實(shí)際選用Φ108×5的20#無縫鋼管，蒸汽管外敷設(shè)80 mm厚礦渣棉保溫層。

2.3 換熱器及附屬設(shè)備選型

2.3.1 減溫器選型

因熱交換設(shè)備預(yù)選用板式熱交換器，雖然熱交換強(qiáng)度高，但其密封墊為橡膠材料，耐溫強(qiáng)度低，在130℃左右可以長期安全使用，所以在蒸汽進(jìn)入板式換熱器前裝設(shè)一臺表面式管殼減溫器，將蒸汽溫度降至Tg=125℃再進(jìn)入板式換熱器的熱腔流道。該減溫器一側(cè)為蒸汽，另一側(cè)為循環(huán)軟水。

減溫器熱負(fù)荷計(jì)算［6］:0.5 MPa的飽和蒸汽比焓為C1=2 756.1 kJ/kg，蒸汽降溫至125℃時(shí)的比焓為C2=2713.11 kJ/kg。

減溫器熱負(fù)荷Qj=Gv×(C1－C2)=17.03 kW。

循環(huán)水溫升計(jì)算:循環(huán)回水溫度t1=70℃，蒸汽放熱量QZ=24.05 kW。

循環(huán)回水經(jīng)減溫器后溫度t2=t1+QZ/(G×Cp)=70.69℃。

減溫器內(nèi)蒸汽與循環(huán)回水間的對數(shù)平均溫差計(jì)算:取對數(shù)平均溫差有效系數(shù)ψ=0.93，冷熱流體間的最大溫差Δtmax=TS－To=90℃，冷熱流體間的最小溫差Δtmin=Tg－To=55℃，

取減溫器傳熱系數(shù)kj=300 W/(m2·℃)。

減溫器換熱面積為Fj=Qj/(kj×Δtm)=0.869 m2。

最終減溫器換熱面積取1.0 m2，其規(guī)格為PN1.6DN350 L=500。

2.3.2 板式換熱器選型

根據(jù)已知的數(shù)據(jù)參數(shù)，其中一次側(cè)流程數(shù)值取1，二次側(cè)板換流程數(shù)值取1，設(shè)計(jì)者選用換熱面積取10 m2，確定選用的板式換熱器的型號為:KLBR(K)10-8［7］。

2.3.3 循環(huán)水管路的設(shè)計(jì)

管路Φ108×5的20#無縫鋼管，管內(nèi)徑di=0.098 m。

本系統(tǒng)循環(huán)管路總長約計(jì)l=500 m，則全長沿程阻力損失P1=i×l=207.7 kPa。

考慮到系統(tǒng)管線中的機(jī)車內(nèi)部流阻、彎頭、三通、閥門、減溫器等附件的局部阻力損失，取實(shí)際管路每米沿程阻力損失is=0.519 kPa/m，則系統(tǒng)循環(huán)管路總的水力損失為P2=is×l=259.5 kPa。

循環(huán)管路流速校核Ws=G/(0.785×di2)=1.47 m/s;符合經(jīng)濟(jì)流速1.0～1.5 m/s的范圍。

循環(huán)管路系統(tǒng)采用同程布管方式，保證每個(gè)加熱車位的用水都能得到充分的給水流量，不易出現(xiàn)系統(tǒng)水力失調(diào)的現(xiàn)象。另外在管線的高點(diǎn)及容易形成氣堵的部位設(shè)置排氣閥，在管線的最低處設(shè)置排水閥。

2.3.4 循環(huán)水泵的選型

KLBR(K)10-8板式換熱器的水力損失為Pb=42.8 kPa。

系統(tǒng)循環(huán)管路總的水力損失為P2=259.5 kPa。

系統(tǒng)總的水力損失為P3=Pb+P2=302.3 kPa。

考慮揚(yáng)程裕度取δ=1.05。

則水泵揚(yáng)程應(yīng)不小于Pj=δ×P3=317.4 kPa。

循環(huán)水泵選型為CDLF42-20-2。

水泵參數(shù)為Q=40 m3/h，H=320.0 kPa，N=5.5 kW。

循環(huán)水泵數(shù)量為2臺套，運(yùn)行方式為一用一備，交替運(yùn)行，可確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.3.5 膨脹罐選型

為保證循環(huán)水系統(tǒng)中始終處于充水狀態(tài)，在循環(huán)水回水管路上設(shè)置一個(gè)膨脹罐。該膨脹罐同時(shí)也具有在系統(tǒng)冷態(tài)起動時(shí)吸納因熱脹而造成的水漲量。因系統(tǒng)較小，選用PN1.0DN300的膨脹罐一只。

2.3.6 補(bǔ)水泵的選型

補(bǔ)水泵的流量按循環(huán)水流量的5%計(jì)算，則為5% ×40 m3/h=2.0 m3/h。

補(bǔ)水泵揚(yáng)程，按系統(tǒng)最高點(diǎn)設(shè)計(jì)，在本方案中可取150 kPa左右。

補(bǔ)水泵選型為CDL1-4，水泵參數(shù)為Q=11.6 m3/h，H=190.0 kPa，N=0.37 kW。

補(bǔ)水泵數(shù)量為2臺套，運(yùn)行方式為一用一備，交替運(yùn)行，可確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.3.7 電子調(diào)節(jié)閥的選型

循環(huán)水溫度控制是以控制蒸汽進(jìn)入換熱器的流量而實(shí)現(xiàn)的。蒸汽入口設(shè)有電子調(diào)節(jié)閥，閥的開度調(diào)節(jié)以循環(huán)水出口溫度為依據(jù)，保證水溫在設(shè)定的控制范圍內(nèi)。該電子調(diào)節(jié)閥選型為PN1.6DN65。

2.4 地面熱源加熱系統(tǒng)中電氣控制功能設(shè)計(jì)

2.4.1 對輸入高爐蒸汽進(jìn)行流量控制

通過PID調(diào)節(jié)器與電子調(diào)節(jié)閥配合實(shí)現(xiàn)對蒸汽輸入量的動態(tài)調(diào)整。水循環(huán)管路中的溫度傳感器將溫度信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂破髦校琍ID調(diào)節(jié)器根據(jù)該溫度信息發(fā)出控制指令到電子調(diào)節(jié)閥控制電子調(diào)節(jié)閥的閥口開度來調(diào)整蒸汽的輸入量。水溫低于40℃時(shí)，電子調(diào)節(jié)閥的閥口全開，水溫從40℃升高到90℃的過程中，閥口由全開逐步減小到全閉，水溫高于90℃時(shí)閥口關(guān)閉。通過以上設(shè)置，在實(shí)現(xiàn)高爐蒸汽節(jié)約利用的同時(shí)，地面熱源加熱系統(tǒng)的水溫能夠長期穩(wěn)定在90±5℃。

2.4.2 對地面熱源加熱系統(tǒng)中管路水壓進(jìn)行穩(wěn)定性控制

該項(xiàng)設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)主要通過控制循環(huán)水泵和補(bǔ)水泵的工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中管路水壓的穩(wěn)定，具體措施如下:

(1)主控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)旋鈕控制器控制循環(huán)水泵變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終將主系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定在300 kPa。

(2)在系統(tǒng)進(jìn)水總管上設(shè)置有補(bǔ)水泵，當(dāng)主管路壓力傳感器檢測到系統(tǒng)壓力降低到規(guī)定值時(shí)，電氣控制系統(tǒng)控制補(bǔ)水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水至300 kPa。

3 機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理

機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)主要由板式換熱器、循環(huán)水泵、閥件、電子調(diào)節(jié)閥和傳感器組成。該設(shè)備將地面熱源加熱系統(tǒng)加熱后的軟水通過板式換熱器對機(jī)車水系統(tǒng)的軟水進(jìn)行隔離打溫。具體設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

3.2 設(shè)計(jì)方案

3.2.1 板式換熱器的選型

根據(jù)已知的數(shù)據(jù)參數(shù)，其中一次側(cè)流程數(shù)值取1，二次側(cè)板換流程數(shù)值取1，選用換熱面積取8 m2，確定選用的板式換熱器的型號為JT40-3［6］。

3.2.2 電子調(diào)節(jié)閥的選型

機(jī)車隔離打溫系統(tǒng)中電子調(diào)節(jié)閥安裝在地面熱源加熱系統(tǒng)的循環(huán)管路與機(jī)車隔離打溫系統(tǒng)的進(jìn)水口之間，該管路的設(shè)置主要是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)車水系統(tǒng)的自動補(bǔ)水或加水功能。當(dāng)系統(tǒng)主控制器檢測到機(jī)車水循環(huán)系統(tǒng)的回水管路壓力小于設(shè)定值或主控制器發(fā)出加水指令時(shí)，電子調(diào)節(jié)閥打開進(jìn)行自動補(bǔ)水或加水操作，達(dá)到規(guī)定要求后由主控制器控制電子調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，該電子調(diào)節(jié)閥選型為:SKD60。

3.2.3 機(jī)車水系統(tǒng)和隔離換熱設(shè)備的快速撥接

機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)的進(jìn)水管采用拉桿式快速接頭的母頭與機(jī)車進(jìn)水口快速連接，機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)的回水管采用拉桿式快速接頭的公頭與機(jī)車回水口快速連接。非工作狀態(tài)下，隔離換熱設(shè)備的進(jìn)水管和回水管通過拉桿式快速接頭連接形成小的閉式循環(huán)系統(tǒng)。

圖2 隔離換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram ofisolated heat exchanger system

3.3 機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)電氣控制功能的設(shè)計(jì)

3.3.1 機(jī)車水系統(tǒng)的溫度自動調(diào)節(jié)功能機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)內(nèi)的主控制器通過對位于機(jī)車水系統(tǒng)的回水管路上的溫度傳感器所采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制循環(huán)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的升降，實(shí)現(xiàn)機(jī)車水系統(tǒng)的升溫和保溫功能。當(dāng)回水溫度低于設(shè)定的最低值時(shí)，循環(huán)水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車水系統(tǒng)的快速換熱升溫;當(dāng)回水溫度高于設(shè)定的最高值時(shí)，循環(huán)水泵降速運(yùn)轉(zhuǎn)，保證機(jī)車水溫能夠穩(wěn)定保持在一個(gè)較小的區(qū)間［9］。

3.3.2 機(jī)車水系統(tǒng)缺水時(shí)自動補(bǔ)水功能

機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)中位于機(jī)車水系統(tǒng)回水管路上的壓力傳感器實(shí)時(shí)將管路中的壓力信號傳輸給主控制器，主控制器監(jiān)測到回水壓力降到設(shè)定值時(shí)，控制電子調(diào)節(jié)閥閥口適量打開，將地面熱源加熱系統(tǒng)中的軟水緩慢注入到機(jī)車打溫管路中，實(shí)現(xiàn)對機(jī)車水系統(tǒng)的自動補(bǔ)水。當(dāng)機(jī)車打溫管路回水壓力達(dá)到設(shè)定值后，主控制器控制電子調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，停止補(bǔ)水。給機(jī)車水系統(tǒng)補(bǔ)水過程中造成的地面熱源加熱系統(tǒng)中的水損失，將由地面熱源加熱系統(tǒng)的補(bǔ)水泵進(jìn)行補(bǔ)充。

3.3.3 無水機(jī)車的快速加水打溫功能

機(jī)車檢修過程中，有些大修機(jī)車、平輪機(jī)車、檢修時(shí)間較長的臨修機(jī)車，起機(jī)前機(jī)車水系統(tǒng)處于無水狀態(tài)，在機(jī)車與機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)連接后，通過加水按鈕發(fā)出加水指令，主控制器接到指令后控制電子調(diào)節(jié)閥閥口全開，使地面熱源加熱系統(tǒng)中的高溫軟水通過連通管路和電子調(diào)節(jié)閥注入到機(jī)車水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無水機(jī)車的快速加水和打溫功能［10］。

3.3.4 非工作狀態(tài)時(shí)設(shè)備的防凍

機(jī)車隔離換熱系統(tǒng)內(nèi)屬于機(jī)車水循環(huán)系統(tǒng)的相應(yīng)管路通過拉桿式快速接頭連接后形成小的閉式循環(huán)系統(tǒng)，該閉式循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的水在循環(huán)水泵的帶動下低速循環(huán)流動，這一低速循環(huán)流動的水經(jīng)由換熱器換熱升溫，使機(jī)車打溫管路在非工作狀態(tài)下能夠保溫防凍。

4 應(yīng)用效果

通過一年的實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)能夠使機(jī)車柴油機(jī)油、水溫度穩(wěn)定在60℃以上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，水循環(huán)非常平穩(wěn)安靜。若按每年冬季5個(gè)月，每月30天，每天1/3工作時(shí)間，每天預(yù)熱機(jī)車8臺進(jìn)行費(fèi)用計(jì)算，機(jī)車起機(jī)打溫的費(fèi)用消耗為168萬元/年，使用小型柴油機(jī)打溫設(shè)備的費(fèi)用消耗為33.6萬元/年，使用電能進(jìn)行機(jī)車打溫的費(fèi)用消耗為23.04萬元/年，噪音測試顯示，使用蒸汽和使用電能進(jìn)行機(jī)車打溫的設(shè)備噪音值為15～20 dB，而使用小型柴油機(jī)打溫的設(shè)備噪音值為40～60 dB，機(jī)車起機(jī)打溫的噪音值為70～90 dB。

5 結(jié)論

通過與其他類型的打溫技術(shù)相比較，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有機(jī)車溫度保持穩(wěn)定、設(shè)備運(yùn)行噪音小、無污染、能耗低、人力資源占用少、可以多臺機(jī)車集中打溫的特點(diǎn)，且該系統(tǒng)綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效的特征非常鮮明，在為鐵路運(yùn)輸作業(yè)提供高效率運(yùn)用機(jī)車的同時(shí)，也獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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