高原地區軌道列車制氧系統的設計方法

于海飛，宋新宇，毛旭兵，劉林林

（1-中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京 210031；2-湖北江華機械有限公司，湖北襄陽 441021）

0 引言

平原地區的旅客在乘坐軌道列車進入高原地區時，海拔逐漸升高，車內氧氣濃度逐漸降低，車內若無供氧系統，旅客會產生如頭痛、乏力、惡心和胸悶，甚至出現呼吸困難等癥狀，在醫學上統稱為高原反應，若不能及時采取吸氧措施，會引起高原病。隨著海拔升高，高原反應風險逐漸增大，查瑞波等[1]和葉朝良等[2]基于人體高原反應相關生理指標，先后研究了海拔高度與急性高原反應發生風險的關系，對不同海拔時的高原反應風險進行了分區，均認為海拔超過3 200 m就進入了中風險區，而高原軌道列車大部分都運行在這一海拔之上。郝麗君等[3]從生理指標方面研究了平原人群急進高原皮質醇變化與急性高原反應的關系。陳婷婷等[4]研究發現在海拔約4 200 m區域急性高原反應（Acute Mountain Sickness，AMS）發生率達到90.64%；性別和海拔高度等因素對AMS有顯著的影響，年齡、身體質量指數和吸煙史對AMS部分癥狀有顯著影響。此外，相關人員研究了高原反應的預防措施[5]和治療方法[6]。

鑒于乘客乘坐列車在進入高原過程出現高原反應可能性較大且危害大，為了保證乘客的身體健康安全，必須對高原軌道列車進行供氧，然而一般的軌道列車空調系統無法滿足，需要專門設計供氧系統，并與空調系統耦合。在高原軌道列車供氧技術方面，目前有膜分離制氧技術、變壓吸附制氧技術、液氧技術和增壓供氧技術[7]，其中以膜分離制氧技術應用最為廣泛[8]。膜分離制氧過程是一個物理過程，無任何化學反應、無需任何添加劑、無污染廢物、環保制氧。制氧膜組件材料為有選擇性的高分子材料，即在一定的壓力作用下，根據不同氣體分子在膜中的溶解擴散性能的差異，氧氣優先在膜上吸附滲透，從而使氧氣與氮氣等氣體分離。過程可簡單描述為：氧氣在壓力作用下優先在高壓側（進氣側）膜上吸附，并快速擴散（與氮氣比）至低壓側（滲透側），由于滲透側壓力低，氧氣在滲透側膜表面解吸。氧氣與氮氣等氣體相比，其溶解擴散速度快而使滲透氣（低壓富氧氣）中的氧氣富集，進氣中的氧氣貧化，濃度不斷降低，最后在尾氣側排出車廂外[9-10]。圖1所示為制氧機制氧原理。

圖1 制氧機制氧原理

軌道列車供氧方式又分為彌散式供氧和分布式供氧，前者是指將制氧機分離出的富氧空氣通過管道送到空調送風的主風道，在主風道中與空調送風混合，通過空調送風口送到車廂內；后者是指通過管道直接通過富氧空氣到列車定員席所在的位置附近，為每一位旅客定員設有一個供給富氧空氣的快速接頭插口，連接上吸氧管或氧氣面罩，使人能夠直接呼吸到富氧空氣的方式[11]。本文針對相關供氧標準，以某高原軌道列車為例，介紹其制氧系統設計方法。

1 制氧系統的組成與工作原理

高原軌道列車制氧系統主要包括制氧機、空壓機、空氣罐、車上供氧管路、車下供氣管路、氧濃度監測裝置和排氣裝置等，其工作原理如圖2所示。空壓機吊裝于車下，壓縮空氣全列貫通，空壓機提供壓縮空氣，經過空氣罐穩定供氣壓力、排出冷凝水，經制氧機內三級過濾器系統除去油、塵埃等固體雜質及大部分液態水，預熱后進入膜制氧機分離出含氧量在35%~45%富氧空氣。制氧機產生的富氧空氣一路送入風道中進行彌散式供氧，一路通過座椅或側墻上供氧口進行分布式供氧。根據氧濃度監測裝置，客室內氧濃度可自動調節在一定范圍內。

圖2 制氧系統工作原理

制氧機主要由加熱器、膜組件、控制閥門、控制系統和空氣過濾器組成[12]。加熱器的功能是保證空氣分離的溫度穩定，有利于產品的濃度與流量的穩定。膜組件的作用是在一定壓力、一定溫度下分離氧氣和氮氣。控制閥門用于膜分離系統的調節和控制，同時維持膜分離系統的壓力。控制系統實現邏輯控制和報警處理功能。

空氣過濾器用于除去供氣中的水份和異物等。輸出富氧濃度為35%~45%可調[13~14]。空氣罐材料為不銹鋼，由吊帶、接線盒和安全閥排水器組成，功能是穩定供氣壓力，排出冷凝水。空壓機主要由風機、冷卻器、主機和主電機等組成，為制氧系統提供壓縮空氣作為制氧原料。消音器設置在制氧機排氣口，用于降低氮氣排放的噪音。

2 制氧系統選型依據

列車供氧系統所要求的供氧能力與列車乘客數量直接相關，而列車定員需要考慮經濟性[12]與節能性[13]。某高原軌道列車大部分線路運行在海拔3 000~3 500 m，為9節編組型式，包括1輛一等座車、1輛二等座車（餐吧式）、6輛二等座車、1輛一等商務座車。其中，一等座車定員為72人/輛，二等座車（餐吧式）車定員為71人/輛，二等座車定員為93人/輛，一等商務座車定員為72人/輛。

制氧機的選型需要根據客室的制氧量需求來確定。GB/T 35414—2017《高原地區室內空間彌散供氧（氧調）要求》[14]規定了不同海拔高度的彌散供氧空間氧調的氧氣濃度，軌道列車乘客屬于急進高原人員，按標準在海拔3 000~3 500 m氧氣濃度應大于23.6%。TB/T 3216—2009《高原鐵道客車制氧系統》[11]則進一步規定富氧濃度為35%~45%（實際設計過程取38.5%），分布式人均供氧流量大于等于0.2 m3/h，客室內設計氧濃度為23.6%。高原供氧模式下，每人的最大新風量為5 m3/h。

當車廂內氧氣濃度達到23.6%平衡時，制氧系統制氧量按下述公式計算[9]：

式中，Qx為新風量，m3/h；Nx為新風的氧濃度（體積比），正常均為21%；Qz為制氧量，m3/h；Nz為富氧氣中氧濃度（體積比），按38.5%；Qh為不同海拔需要的標況額定制氧量，m3/h；p為不同海拔對應的大氣壓，kPa；p0為標準狀態下的大氣壓，101.3 kPa。

經計算，一等座車、二等座車（餐吧式）、二等座車、一等商務車的額定制氧量分為為48、48、65和48 m3/h。

空壓機空氣量選型按照4 000 m海拔高度，保證整列車有1臺空壓機冗余的要求，經過計算每輛車需設2臺空壓機，每臺空壓機提供空氣量是2.6 m3/min，單臺壓縮機軸輸出功率為21.3 kW，空壓機工作壓力不低于800 kPa。所需空氣罐容積為280 L。上述配置的制氧系統能夠滿足高原雙源動力集中動車組需要制氧量的要求。

3 制氧系統控制邏輯

制氧系統設有工作方式選擇開關，控制模式分為手動模式、本控模式、集控模式、應急模式和停止模式5種，各種模式的具體控制內容如表1所示。

正常情況下制氧與空壓機同起同停；應急供氧時，制氧機與空壓機是單獨啟停，需要單獨的指令。

當出現如下3種情況時，制氧系統停機保護：1）空調機組通風機不工作；2）客室氧濃度高于25%；3）煙火報警。

4 制氧系統特點

4.1 一體化設計

為了提高動車組兩端的動力車供氧可靠性，體現動車組一體化設計要求，拖車將制氧用壓縮空氣通過車端供風軟管提供至動力車，制氧用壓縮空氣實現全列貫通。

4.2 制氧空壓機過分相不停機

電氣化鐵路使用時，為了防止相間短路，必須在各變電所之間建立分相區，各分相區內接觸網不帶電。列車頻繁過分相區，若過分相區沒有蓄電池提供電源，空壓機就會頻繁非法停機導致空壓機機頭燒損，且停機后不能及時加載制氧，影響制氧性能[16-17]。隨著高原電氣化鐵路的開通，制氧系統的空壓機在運行期間存在分相區斷電的問題。為了解決這一問題，每次過分相動車提前3 s給出信號，制氧空壓機功率在3 s時間內降低到額定功率55%以下，同時每輛拖車自帶應急電源，確保在過分相時空壓機不斷電、不停機且空載運行，過分相后空壓機可以快速加載運行，為制氧機提供壓縮空氣用于制氧，空壓機供電模式如圖3所示。

圖3 空壓機供電模式

4.3 應急制氧

制氧機應急制氧分為自動模式和手動模式。自動應急制氧模式：列車發出自動應急供氧信號，整列車自動啟動應急供氧模式，此時停止彌散供氧，啟動分布式供氧；列車網絡根據應急模式下所規定的應急空壓機啟動單元組，按順序輪流發出空壓機啟動指令，制氧機接收空壓機啟動指令后，啟動相應的空壓機。若網絡通訊故障，則制氧機自動輪流啟動單元組內的空壓機，每臺空壓機啟動時間按規定執行。手動應急供氧模式：旋鈕置于應急位，同時手動啟動相應空壓機即進入手動應急制氧。

5 實驗驗證

根據實際線路運行實驗，測試了制氧機性能指標參數、空車增氧速率測定、車內達到的氧濃度指標、分布式供氧效果、車廂內含氧量安全報警等項點，能夠滿足TB/T 3216—2009《高原鐵道客車制氧系統》[11]標準及文件要求。測試儀器如表2所示。實驗結果如表3所示。

表2 測試儀器

表3 二等座車制氧系統檢驗結果

6 結論

本文通過實際案例介紹了高原軌道列車制氧系統的設計過程，針對某9節編組式高原列車，進行了制氧系統設備選型計算和控制邏輯設計，并對該制氧系統進行了實車運行實驗，得出如下結論：

1）經計算，一等座車、二等座車（餐吧式）、二等座車和一等商務車的額定制氧量分為為48、48、65和48 m3/h；每輛車需設兩臺空壓機，每臺空壓機提供空氣量為2.6·m3/min，單臺壓縮機軸輸出功率為21.3 kW，空壓機工作壓力不低于800 kPa。所需空氣罐容積為280 L；

2）制氧系統設有工作方式選擇開關，5種控制模式分別為手動模式、本控模式、集控模式、應急模式和停止模式；

3）該制氧系統具有一體化設計、制氧空壓機過分相不停機和應急制氧等特點；

4）通過實際線路運行實驗，該制氧系統的性能指標參數、空車增氧速率測定、車內達到的氧濃度指標、分布式供氧效果以及車廂內含氧量安全報警，能夠滿足TB/T 3216—2009《高原鐵道客車制氧系統》[11]標準要求。