鐵路客車單元式變頻空調機組的研究及應用

高健飛,周劍峰,薛宏佺

(中車南京浦鎮車輛有限公司,江蘇 南京 210031)

隨著變頻技術的不斷發展和完善,變頻空調因具有舒適、高效、節能等優點而越來越多地被應用于國內鐵路交通車輛。變頻空調是國家鐵路節能減排、提高經濟效益的有效手段,節能減排效果顯著,符合國家技術進步和節能減排的政策[1]要求。變頻空調的推廣應用不僅符合中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)的規劃,而且也是對國家有關節能減排政策以及實現碳達峰碳中和目標的具體響應。

1 25G、25T型鐵路普速客車空調應用現狀分析

目前大部分25G、25T型鐵路客車采用定頻空調。定頻空調存在能源消耗高、電流沖擊大、供電系統復雜、溫度不易調控等缺點。2013年,中國鐵路濟南局集團有限公司(以下簡稱“濟南局”)立項《機車車輛前瞻性技術研究一直流變速空調在普速客車上的應用研究》,對25G型機車DC 600 V供電客車變頻空調進行了研究。從節能效果看,與定頻空調相比,機車供電的DC 600 V客車變頻空調年節電約為10 454 kWh/輛,節電率約為30.25%。2014年10月,為進一步驗證變頻空調的節能效果,濟南局改造了1列25G型柴油發電車供電客車(AC 380 V),安裝變頻空調進行運用考核,年節油為35 822 L/列,節油率約為28.16%。變頻空調節能效果明顯,同時具有溫度控制精度更高、車內溫度波動小、舒適性更好等優點。

國鐵集團在鐵總發改〔2018〕97號《節約能源和環境保護發展規劃(2018—2020)》和鐵總發改〔2018〕147號《關于全面推進綠色鐵路發展的通知》2個文件中,已將推進客車變頻空調應用納入節能環保重點工程規劃,最終實現了變頻空調在客車上的全面應用[2]。

2 25G、25T型鐵路普速客車變頻空調改造方案

為了規范變頻空調設計、制造和改造工作,國鐵集團于2020年陸續發布了TJ/CL 578—2020《鐵路客車單元式變頻空調機組暫行技術條件》、機輛技術函〔2021〕18號《鐵路客車單元式變頻空調機組1版統型圖紙目錄》、機輛動客函〔2021〕23號《既有25G、25T型鐵路客車變頻空調改造技術方案》。國鐵集團要求:各鐵路局集團公司要結合本局實際情況,綜合考慮改造維修成本、剩余使用壽命、節能減排收益等因素,在大修投資規模內,按照規范程序自主安排變頻空調改造工作[3]。

以25G型DC 600 V供電鐵路普速客車為例,車輛變頻改造項點包括空調機組、綜合控制柜、車下輔助逆變電源和車體布線,如圖1所示。

圖1 車輛變頻改造示意圖

(1) 空調機組。既有客車空調機組改造時,按照E5廠修標準要求,保留原定頻空調機殼,壓縮機、冷凝風機、通風機等部件均需更換。變頻空調箱需額外增加電控盒(集成變頻器、濾波器)、傳感器、電子膨脹閥、四通換向閥等部件,以及相配套的變頻空調控制單元等部件。

(2) 綜合控制柜。去除控制柜中部分斷路器、繼電器、接觸器等器件。增加變頻控制器、控制電交流斷路器、主回路直流斷路器等器件以及變頻空調控制單元。

(3) 車體布線。空調供電主回路AC 380 V連接器改為DC 600 V連接器,取消1個連接器。增加1組通信線(485通訊)及DC 600 V電源線和1組車型選擇線纜,并重新定義部分線號。

(4) 車下輔助逆變電源。DC 600 V供電客車空調供電由AC 380 V改為DC 600 V,逆變電源負載減小,使用2×15 kVA逆變電源即可滿足車輛交流負載用電需求。但是2×15 kVA逆變電源在功率模塊容量及外形尺寸均與既有逆變電源不同,小批量生產反而會增加成本,所以改造時,若車下輔助逆變電源改建議繼續使用原有2×35 kVA逆變電源,不做更改,新造車輛可以考慮降低電源容量,從而減輕重量、降低采購成本。

由于變頻空調的電氣接口和控制邏輯等較原定頻空調機組有所改變,因此在實施改造方案時需注意以下幾點:

(1) 變頻空調與控制柜的通訊方式、控制柜接線排至變頻空調控制單元的通訊方式均采用RS485方式,因此車體布線時需注意強弱電線的間距以免通訊受強電干擾,RS485通訊線屏蔽層接地處理,增強抗干擾能力;

(2) 改造時變頻空調控制單元采用DC 24 V電源供電,為保證變頻空調控制單元的可靠性,避免DC 24 V電源受車上電源質量影響,改造時需將變頻空調控制單元及DC 24 V電源可靠接地;

(3) 變頻空調內部增加電控盒等器件,重量較定頻空調有所增大,因此變頻空調安裝時需核算吊裝、轉運及固定的器件規格。

3 25G、25T型鐵路普速客車變頻空調改造驗證

濟南局和中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司響應國鐵集團關于鐵路綠色發展的號召,從2021年底開始共安排132輛鐵路普速客車結合E5修進行變頻空調改造,改造車輛涉及柴油發電車AC 380 V供電的25K、25G型和機車DC 600 V供電的25G、25T型等各型車輛[4]。

3.1 運用情況

目前改造車輛在K8322(濟南—金華)、K8251(濟南—北京)、T179(濟南—廣州)、K1284(濟南—深圳東)、K1136(青島—南寧)、Z169(青島北—廣州)、Z69(烏魯木齊—北京西)等多條線路上運營安全,運營里程超過60萬km,覆蓋華北、華中、華南、西北等廣闊區域,如表1所示。

表1 車輛運用狀態統計(部分)

表2 DC 600 V供電車組平均溫度對比 ℃

表3 AC 380 V供電車組平均溫度對比 ℃

3.2 舒適性

變頻空調通過變頻技術和系統控制技術,按照設定溫度自動運行制冷或制熱,能力輸出根據設定的溫差自動調節,避免壓縮機的反復啟停[5]。濟南局在濟南—深圳K1284次、濟南—寧波T135次對變頻空調進行了集中掛運,乘務員反饋夏季制冷效果較好,車廂內降溫較快且體感溫度上下浮動相比定頻空調小,冬季熱泵升溫速度高于客室電加熱器,車廂內并無燥熱感。

3.3 節能效果

變頻空調的運營節能收益主要通過減少壓縮機開關損耗、低頻運行能效比高、熱泵制熱效率高等方式,實現車輛節電和節油[6]。濟南局在濟南—寧波T135次1組中編掛8輛變頻空調車,與另1組對比發電車燃油消耗量,截取2022年1月20日—2月8日的變頻空調車組與對比車組的油耗數據作為有效數據進行對比,如表4所示。

如表4所示,經過20天左右運行制熱,變頻車組總加油量為18 917 L,對比車組總加油量為22 064 L,變頻車組節油3 147 L,節油率為14.2%。

在濟南—廣州T879次進行節能試驗,截取2022年7月2日—7月31日的變頻空調車組與對比車組的油耗數據作為有效數據進行對比,如表5所示。

表5 2022年7月2日—7月31日加油量對比記錄表

4 結論

本文通過對普速客車變頻空調改造進行跟蹤分析,發現變頻空調在解決車輛空調熱負荷變化大、客室溫度波動大及客室舒適性差等問題時具有明顯優勢,變頻空調不僅節能效果明顯,而且具有較好的技術先進性,能夠很好地適應我國鐵路普速客車的運用環境,代表鐵路客車技術進步、增收節支、提高效益的發展方向,值得推廣[7]。