邢軍朝,席 社

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司環(huán)工院,北京 100055)

1 問題的提出

鐵道部實施提速戰(zhàn)略以來，旅客列車的途中站停時間呈縮短趨勢[1]。提速后列車在技術(shù)作業(yè)站站停時間從提速前的10～12 min一般縮短到6～8 min，上水作業(yè)時間相應(yīng)從提速前的7～8 min縮短到3～5 min，同時，中間站減少，使列車運距延長[2-3]，列車站停補水時間縮短、途中補水次數(shù)減少，從而加劇了列車用水與補水的矛盾。為解決這一矛盾，保證鐵路客運服務(wù)質(zhì)量，這就要求中間補水站短時間內(nèi)應(yīng)補充盡可能多的水，為此，鐵路各站段采取各種提高地面上水設(shè)施上水能力的技術(shù)措施[4]，投資很大，但由于車上上水系統(tǒng)不合理，特別是注水系統(tǒng)管徑小，導致提高上水量的成效卻很低，且能耗代價劇增。

筆者參加了鐵道部重點科研課題《鐵路客車自動上水系統(tǒng)優(yōu)化及標準化建設(shè)的研究》，對國內(nèi)現(xiàn)狀客車上水系統(tǒng)地面設(shè)施和車上設(shè)施的技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題進行了大量的調(diào)查分析和系統(tǒng)研究，主要通過研究提高客車上水系統(tǒng)上水能力的途徑，分析客車上水能力與系統(tǒng)能耗的函數(shù)關(guān)系，從節(jié)約能源和提高系統(tǒng)上水能力等方面探討車上注水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

2 提高客車上水系統(tǒng)上水能力，降低系統(tǒng)能耗的途徑及可行性分析

2.1 客車上水系統(tǒng)組成及提高客車上水系統(tǒng)上水能力的途徑

鐵路客車上水系統(tǒng)由地面上水設(shè)施和車上上水設(shè)施兩部分組成。地面上水設(shè)施主要指在客車上水作業(yè)站點建設(shè)的給水系統(tǒng)，包括為列車上水專用的配水干管、上水栓、上水膠管及快速接頭、自動收管裝置、自控裝置、防凍及排水等設(shè)施。車上上水設(shè)施主要指安裝在車體上的注水設(shè)施(注水嘴和注水管)、冷水箱、水箱液位顯示裝置等。通過上水膠管及快速接頭聯(lián)通地面和車上上水設(shè)施，進行上水作業(yè)。

從客車上水系統(tǒng)的組成分析，提高客車上水系統(tǒng)上水能力的途徑是：(1)提高地面上水設(shè)施的上水能力，如提高客車上水栓的出口壓力，加大地面設(shè)施各部管道的直徑和給水栓口徑，減少系統(tǒng)水頭損失[5-6]；應(yīng)用自動上水技術(shù)，減少了上水作業(yè)環(huán)節(jié)，爭取更多的上水時間，提高上水工作效率等[7-8]；(2)提高車上注水設(shè)施的上水能力；(3)提高車站地面上水設(shè)施能力的同時，優(yōu)化旅客列車注水設(shè)施，提高系統(tǒng)的上水能力[9]。

2.2 客車上水能力與系統(tǒng)能耗數(shù)學關(guān)系分析

衡量客車上水能力的指標是客車上水秒流量，系統(tǒng)能耗主要是指上水過程中克服系統(tǒng)水頭損失所消耗的電能，系統(tǒng)能耗與系統(tǒng)水頭損失成正比，為簡化分析，用系統(tǒng)水頭損失指標代系統(tǒng)能耗指標。系統(tǒng)總水頭損失由車上注水設(shè)施水頭損失、栓口至水箱頂間的位置水頭和地面上水設(shè)施水頭損失3部分組成。則現(xiàn)狀客車上水秒流量與系統(tǒng)總水頭損失的函數(shù)關(guān)系分析如下。

h總=h車+h幾+h地

(1)

式中h總——系統(tǒng)總水頭損失，m；

h車——車上注水系統(tǒng)水頭損失，m；

h幾——位置水頭，m，即栓口至水箱頂間的高差，一般為4.22 m；

h地——地面上水設(shè)施水頭損失，m。

h車=hf+hj=AL1q2+∑ξ·v2/2g=

(2)

式中hf——注水口至水箱頂間的沿程水頭損失，m；

hj——注水口至水箱頂間的局部水頭損失，m；

A——注水管比阻，DN25鋼管比阻為436 700；

L1——車上注水管長度，m，一般為3.42 m；

∑ξ——注水嘴與至水箱之間的總局部阻力系數(shù)ξ，按1 個注水嘴、3個彎頭及1 個出水口計(車上注水系統(tǒng)示意見圖1)，現(xiàn)狀注水嘴實測阻力系數(shù)為3.0(注水嘴尺寸詳見圖2)，彎頭為0.8，出水口為1.0，∑ξ=6.4；

d——注水管管徑，m，現(xiàn)狀為DN25；

v——流速，m/s；

q——客車上水秒流量，m3/s；

g——重力加速度，9.81 m/s2。

圖1 車上注水系統(tǒng)示意

圖2 注水嘴尺寸(單位：mm)

則現(xiàn)狀車上注水設(shè)施水頭損失與上水秒流量的函數(shù)式可簡化為

h車=(1.49×106+1.36×106)q2=2.85×106q2

(3)

地面上水設(shè)施水頭損失主要為上水軟管的沿程水頭損失，根據(jù)《鐵路工程設(shè)計手冊·給水排水》[10]推薦的水力計算公式

(4)

式中d——上水軟管管徑，m，根據(jù)《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》[11]規(guī)定，應(yīng)采用φ32 mm；

L2——上水軟管長度，m，不大于15 m，本文按14 m計算。

則現(xiàn)狀地面上水設(shè)施水頭損失與上水秒流量函數(shù)關(guān)系可簡化為

h地=9.125×105q2

(5)

將式(3)、(5)代入式(1)，則現(xiàn)狀客車上水秒流量與系統(tǒng)總水頭損失的函數(shù)式可簡化為

h總=h車+h幾+h地=4.22+3.76×106q2

(6)

2.3 提高客車上水系統(tǒng)上水能力，降低系統(tǒng)能耗的可行性分析

由式(4)分析可見：提高客車上水栓的出口壓力，相應(yīng)增加系統(tǒng)水頭損失，可提高系統(tǒng)上水能力，但需要增加地面設(shè)施投資(如：增設(shè)加壓泵站、增加水塔有效高度等)，同時也大幅增加了系統(tǒng)的能耗，從節(jié)能的角度看是不合理的；加大地面設(shè)施各管道的直徑和減少上水軟管長度也可提高系統(tǒng)上水能力，但由于上水作業(yè)操作等客觀條件的限制(現(xiàn)規(guī)范規(guī)定上水軟管直徑為32 mm，如再加大，質(zhì)量大，現(xiàn)場操作困難，同時，與車上設(shè)施對接難度大，不推薦使用)，提高系統(tǒng)上水能力的可行性較低。

由式(2)分析可見：根據(jù)車體條件優(yōu)化車上注水設(shè)施，適當增大注水管及注水嘴管徑，改進注水管管材，降低局部水頭損失和比阻，不僅可以提高系統(tǒng)上水能力，又能降低系統(tǒng)的能耗，從節(jié)能的角度是可行的。

由式(3)、(5)、(6)分析可見：系統(tǒng)總損失中，車上注水設(shè)施水頭損失較地面上水設(shè)施水頭損失大，因此優(yōu)化旅客列車注水系統(tǒng)，同時在有條件時適當提高車站地面上水設(shè)施能力是提高系統(tǒng)的上水能力，降低客車上水系統(tǒng)總能耗的有效途徑。

3 車上注水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及節(jié)能效果分析

3.1 車上注水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)狀客車車體條件，注水系統(tǒng)可采取如下優(yōu)化設(shè)計：增大注水嘴口徑及形式(采用漸擴型)，將車上注水管管徑由現(xiàn)狀DN25增大為DN40，同時為不增加車體質(zhì)量，管材優(yōu)化為阻力系數(shù)更低的薄壁不銹鋼管或其他新型管材，詳見圖3。

圖3 注水嘴優(yōu)化設(shè)計示意(單位：mm)

3.2 車上注水系統(tǒng)優(yōu)化前后系統(tǒng)上水量及水頭損失變化情況分析

根據(jù)圖1、圖2所示的現(xiàn)狀車上注水系統(tǒng)，其水頭損失與上水秒流量的簡化函數(shù)關(guān)系為式(3)。同理，優(yōu)化后車上注水系統(tǒng)水頭損失為

(7)

i——單位管道長度水頭損失，kPa/m，根據(jù)《建筑給水薄壁不銹鋼管管道工程技術(shù)規(guī)程》(CECS153：2003)[12]，DN40不銹鋼管i=9.37×104q1.85；

∑ξ＇——優(yōu)化后注水嘴與與至水箱之間的總局部阻力系數(shù)，按1 個注水嘴、3 個彎頭及1 個出水口計，優(yōu)化注水嘴DN40×25，阻力系數(shù)經(jīng)分析減少為1.0，彎頭為0.8，出水口為1.0，∑ξ＇=4.4。

代入式(7)，則可得優(yōu)化車上注水系統(tǒng)的水頭損失與上水秒流量的簡化函數(shù)關(guān)系為

(8)

將式(8)、式(5)代入式(1)，則優(yōu)化后客車上水秒流量與系統(tǒng)總水頭損失的函數(shù)式可簡化為

1.05×106q2

(9)

根據(jù)式(6)和式(9)繪出客車上水系統(tǒng)管路特性曲線，見圖4。

圖4 優(yōu)化前后上水系統(tǒng)管路特性曲線

由圖4可以看出：車上注水系統(tǒng)優(yōu)化后，管路特性曲線變得更為平緩，達到同樣的秒流量，優(yōu)化后系統(tǒng)所消耗的水頭損失大幅降低；在消耗相同水頭損失的工況下，優(yōu)化后系統(tǒng)的上水能力(即秒流量)大幅增加。

3.3 車上注水系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能效益分析

根據(jù)圖4所示的客車上水系統(tǒng)管路特性曲線，對應(yīng)系統(tǒng)所消耗的水頭損失為20 m時，車上注水系統(tǒng)優(yōu)化前后上水秒流量分別為2.05、2.95 L/s，也就是說車上注水系統(tǒng)按上述方案優(yōu)化后，客車上水能力(即秒流量)將增加44%，對于要求短時間對列車進行快速補水作業(yè)的列車來說，相同時間內(nèi)補水量將大大增加，可有效緩解目前中間站補水量不足的問題；對于線端式車站，上水時間將明顯縮短，上水工作效率大幅提高，同時節(jié)約了上水系統(tǒng)的能源消耗。

根據(jù)《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》(TB10010—2008)第8.1.7條“通過式及線端式旅客列車給水站的每座旅客列車給水栓室，當使用1個栓頭時，其栓口的設(shè)計流量不應(yīng)小于2.5 L/s”。由圖4分析可知：當上水秒流量為2.5 L/s時，車上注水系統(tǒng)優(yōu)化前后所消耗的水頭損失分別為27.7、15.7 m，優(yōu)化后，所消耗的水頭損失下降約12 m，即車上注水系統(tǒng)優(yōu)化后，在上水秒流量為2.5 L/s時，系統(tǒng)節(jié)能率達到57%，節(jié)能效果非常明顯。

目前，絕大多數(shù)城市供水條例規(guī)定，管網(wǎng)末梢供水壓力不低于14 m，即當客車上水水源采用城市供水管網(wǎng)時，接管點避開管網(wǎng)末梢，供水壓力大多數(shù)可滿足大于15.7 m的條件。這樣，車上注水系統(tǒng)優(yōu)化后，不需二次加壓，就可滿足客車上水的要求，既可節(jié)約增建車站給水系統(tǒng)二次加壓設(shè)施的投資，又充分利用了市政管網(wǎng)的供水壓力，節(jié)約了客車上水二次加壓的運營費。

4 結(jié)論

綜上分析，目前國內(nèi)旅客列車車上注水系統(tǒng)由于管徑偏小，系統(tǒng)水阻大，能耗高，是制約提高鐵路客車上水能力的“瓶頸”。優(yōu)化旅客列車注水系統(tǒng)是提高系統(tǒng)的上水能力，降低客車上水系統(tǒng)總能耗的有效途徑，技術(shù)可行，可操作性好，節(jié)約能耗效果顯著。

鐵路客車上水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究是鐵道部重點科研課題《鐵路客車自動上水系統(tǒng)優(yōu)化及標準化建設(shè)的研究》的研究內(nèi)容之一，該課題于2008年通過鐵道部組織的專家評審和驗收，2010年獲中國中鐵股份有限公司科學技術(shù)獎。

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