儲(chǔ)成龍，郭 丹，周新喜，焦京海

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心， 山東 青島 266111)

高原鐵路大部分線路處于海拔3 000 m以上的高原地帶，最高海拔位于東達(dá)山埡口(5 100 m)，大氣中的氧氣隨著海拔高度的升高而下降，會(huì)對(duì)人體各系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響，導(dǎo)致人體產(chǎn)生一系列高原反應(yīng)，致使人體機(jī)能明顯下降。當(dāng)海拔超過3 000 m以上時(shí)，空氣稀少，列車內(nèi)需要配置供氧系統(tǒng)。

高原鐵路列車將以復(fù)興號(hào)動(dòng)車組為平臺(tái)，研究增設(shè)空調(diào)制氧系統(tǒng)。高原鐵路動(dòng)車組內(nèi)為氣密性車體，高速運(yùn)行時(shí)需要考慮車外壓力波變化對(duì)車內(nèi)壓力的影響，需要設(shè)置壓力波保護(hù)系統(tǒng)來降低車內(nèi)壓力波動(dòng)，并在壓力波保護(hù)系統(tǒng)工作時(shí)統(tǒng)籌控制車內(nèi)氧氣濃度[1-3]。

1 制氧系統(tǒng)

制氧系統(tǒng)由空氣供給系統(tǒng)、空氣預(yù)處理系統(tǒng)、富氧發(fā)生系統(tǒng)、富氧輸送及控制系統(tǒng)組成[4]。制氧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式為單元式或分體式，分體式制氧系統(tǒng)分為車下和車上兩部分安裝，車下部分主要包括空氣壓縮機(jī)、空氣緩沖罐、整列互備壓縮空氣管線；車上部分主要包括切斷閥、膜分離器、背壓調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)整閥在內(nèi)的膜分離制氧系統(tǒng)，模塊化吸附分離裝置，控制系統(tǒng)(含監(jiān)視儀器、觸摸屏等)，車廂內(nèi)氧氣傳感器。

富氧空氣擬通過彌散式和分布式相結(jié)合的供氧方式供給乘客使用：彌散式供氧將富氧空氣接入車內(nèi)主送風(fēng)道，在主送風(fēng)道內(nèi)富氧空氣與客室送風(fēng)混合，通過支送風(fēng)口送到車廂各區(qū)域；分布式供氧通過管路將富氧空氣輸送到座椅位置附近，并設(shè)計(jì)快速接頭插口，配合吸氧便捷裝置，乘客能直接吸入富氧空氣[5]。

車廂空調(diào)主送風(fēng)道與制氧系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行示意圖見圖1。車廂回風(fēng)道內(nèi)設(shè)置有氧濃度測(cè)點(diǎn)，將測(cè)得的氧濃度信號(hào)返饋給控制器，控制制氧機(jī)的工作模式[6]。

圖1 車廂空調(diào)主送風(fēng)道與制氧系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行示意圖

2 壓力波保護(hù)系統(tǒng)

高速動(dòng)車組由于通過隧道/會(huì)車時(shí)車外壓力變化較大，較大的壓力波變化直接傳入車內(nèi)會(huì)導(dǎo)致乘客耳鳴，需要配置壓力波保護(hù)系統(tǒng)保持車內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定，一般要求車內(nèi)壓力≤500 Pa/s、≤800 Pa/3 s。壓力波保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理分為主動(dòng)式壓力保護(hù)波系統(tǒng)和被動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)2種[7]。

2.1 主動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)

主動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)采用連續(xù)換氣裝置實(shí)現(xiàn)，其核心部件是高靜壓風(fēng)機(jī)。高靜壓風(fēng)機(jī)與普通風(fēng)機(jī)的特性曲線如圖2所示。在外界壓力大范圍波動(dòng)ΔP等同的情況下，高靜壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量變值ΔQ遠(yuǎn)小于普通風(fēng)機(jī)，即高靜壓風(fēng)機(jī)在車外壓力波變化較大的工況下，可通過保證進(jìn)出車廂的風(fēng)量變化相對(duì)較小，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定[8]。

圖2 高靜壓風(fēng)機(jī)與普通風(fēng)機(jī)的特性曲線

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，換氣裝置風(fēng)機(jī)壓頭最大靜壓為10 kPa，且吸氣風(fēng)機(jī)和排氣風(fēng)機(jī)裝在同一電動(dòng)機(jī)的兩端，進(jìn)風(fēng)量和排風(fēng)量基本相等。

2.2 被動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)

被動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)主要由壓力波控制器、壓力波傳感器、新風(fēng)風(fēng)閥、廢排風(fēng)閥等部件組成(圖3)。壓力波傳感器安裝在頭尾車，當(dāng)車外壓力變化較大時(shí)(隧道運(yùn)行等工況)，壓力波控制器根據(jù)傳感器的反饋，結(jié)合閥門開/閉邏輯條件，通過切斷車廂內(nèi)外空氣通路，實(shí)現(xiàn)壓力波保護(hù)功能。

圖3 被動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)

壓力波保護(hù)觸發(fā)邏輯與運(yùn)行線路條件有關(guān)，線路條件主要包括隧道長(zhǎng)度、隧道面積、海拔高度落差、線路兩側(cè)是否有山脈等。某車型高速動(dòng)車組被動(dòng)式壓力波保護(hù)關(guān)閥觸發(fā)條件如下[9]：

(1)|ADP(t)|>600 Pa，連續(xù)50 ms；

(2)|ADP(t)-ADP(t-60)|>100 Pa；

(3)|ADP(t)-ADP(t-240)|>160 Pa；

(4)|ADP(t)-ADP(t-150)|>120 Pa，且|ADP(t-150)-ADP(t-300)|>100 Pa，且|ADP(t-300)-ADP(t-450))|>100 Pa。

其中，t表示當(dāng)前時(shí)間，ADP(t)表示當(dāng)前時(shí)間車輛內(nèi)部和外部之間的壓力差，ADP(t-60)、ADP(t-240)、ADP(t-150)、ADP(t-300)、ADP(t-450)分別表示60 ms、240 ms、150 ms、300 ms、450 ms前車輛內(nèi)部和外部之間的壓力差。壓力波控制器根據(jù)計(jì)算，滿足以上任意一個(gè)條件時(shí)，通過硬線信號(hào)控制各車廂風(fēng)閥關(guān)閉。

壓力波保護(hù)開閥觸發(fā)條件為：|ADP(t)|<500 Pa，持續(xù)1 s，且風(fēng)閥打開瞬間車內(nèi)外壓差絕對(duì)值<500 Pa。

2.3 2種壓力波保護(hù)方式對(duì)比

采用主動(dòng)式壓力波保護(hù)時(shí)，在連續(xù)隧道、長(zhǎng)隧道或者海拔落差較大的線路條件下，高靜壓風(fēng)機(jī)能夠給車內(nèi)持續(xù)供應(yīng)新風(fēng)，車內(nèi)空氣質(zhì)量相對(duì)較好。

采用被動(dòng)式壓力波保護(hù)時(shí)，需要切斷車內(nèi)外空氣通路，在連續(xù)隧道、長(zhǎng)隧道或者海拔落差較大的線路條件下，由于長(zhǎng)時(shí)間沒有提供新鮮空氣，車內(nèi)CO2濃度逐步升高、氧氣減少，空氣質(zhì)量降低，會(huì)引起乘客胸悶等不適。因此，被動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)控制邏輯中設(shè)有強(qiáng)制開閥條件，即風(fēng)閥關(guān)閉時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，強(qiáng)制開啟風(fēng)閥1 min，以保證車內(nèi)新風(fēng)供應(yīng)。但是在強(qiáng)制開啟瞬間壓力波動(dòng)大，會(huì)造成乘客嚴(yán)重耳鳴，舒適性降低。

3 制氧系統(tǒng)與壓力波保護(hù)方式匹配探討

3.1 制氧系統(tǒng)與被動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)

高原線路海拔落差大、隧道長(zhǎng)且連續(xù)隧道多，采用被動(dòng)式壓力波保護(hù)方式，車輛在線路運(yùn)行時(shí)，很容易觸發(fā)關(guān)閥條件，分以下2種情況進(jìn)行分析：

(1) 風(fēng)閥關(guān)閉后車內(nèi)為正壓。車內(nèi)壓力大于外界大氣壓力，最高壓差可達(dá)2 000 Pa以上，車內(nèi)正壓需要通過車體微小的泄漏緩慢降低，當(dāng)滿足車內(nèi)外壓差小于500 Pa時(shí)，開閥才不會(huì)造成乘客耳鳴。制氧系統(tǒng)向車內(nèi)供氧時(shí)，是把外界的大氣轉(zhuǎn)化為富氧空氣送入車內(nèi)，此過程相當(dāng)于在緩慢增加車內(nèi)壓力，不利于車內(nèi)外壓差平衡，造成風(fēng)閥長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉，最終會(huì)觸發(fā)強(qiáng)制開閥條件，引起乘客耳鳴。

(2) 風(fēng)閥關(guān)閉后車內(nèi)為負(fù)壓。車內(nèi)壓力小于外界大氣壓力，最高壓差可達(dá)3 000 Pa以上，車內(nèi)負(fù)壓平衡時(shí)間更長(zhǎng)，根據(jù)既有西安—成都線路海拔運(yùn)行狀況，車內(nèi)負(fù)壓較大時(shí)只能通過強(qiáng)制泄壓實(shí)現(xiàn)。在風(fēng)閥關(guān)閉期間，制氧系統(tǒng)開啟可以略微增加車內(nèi)壓力，但是氧濃度范圍控制在22%～23.5%之間，供氧增加的空氣對(duì)平衡車內(nèi)負(fù)壓作用非常有限，且車內(nèi)CO2逐步升高，大約10 min內(nèi)濃度會(huì)上升到約3 000 ppm，引起乘客不適。

綜上，在高原線路海拔落差大、隧道長(zhǎng)且連續(xù)隧道多的特點(diǎn)下，采用既有被動(dòng)式壓力波保護(hù)方式時(shí)，風(fēng)閥長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)，多數(shù)情況下為了滿足新風(fēng)量要求強(qiáng)制開閥，在強(qiáng)制開閥瞬間，車內(nèi)空氣量變化大，氧氣濃度難以控制。需要對(duì)既有被動(dòng)式壓力波保護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，增加主動(dòng)調(diào)壓閥裝置，即在車內(nèi)外壓差較大時(shí)，主動(dòng)調(diào)壓閥打開，通過控制主動(dòng)調(diào)壓閥氣孔開度平衡車內(nèi)外壓差。在車內(nèi)外壓差較小時(shí)，打開被動(dòng)式壓力波保護(hù)的風(fēng)閥，再結(jié)合制氧系統(tǒng)控制車內(nèi)氧氣濃度。

3.2 制氧系統(tǒng)與主動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)

主動(dòng)式壓力波保護(hù)系統(tǒng)在車輛運(yùn)行過程中持續(xù)供應(yīng)新風(fēng)，其特點(diǎn)適用于高原鐵路線路。考慮車速對(duì)車內(nèi)壓力波動(dòng)的影響，對(duì)主動(dòng)式壓力波保護(hù)的高靜壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行分頻控制。當(dāng)車速<160 km/h時(shí)，高靜壓風(fēng)機(jī)以低頻運(yùn)行；當(dāng)車速≥160 km/h時(shí)，高靜壓風(fēng)機(jī)以高頻運(yùn)行。列車高速運(yùn)行時(shí)，高靜壓風(fēng)機(jī)高頻運(yùn)行可抑制車外較大壓力波動(dòng)通過新風(fēng)路徑向車內(nèi)傳遞，保證旅客乘坐舒適度[10]。

在海拔高度≥3 000 m時(shí)，開啟制氧系統(tǒng)，根據(jù)布置在回風(fēng)口處的氧濃度傳感器反饋，空調(diào)控制器自動(dòng)控制車內(nèi)氧濃度和壓力波范圍，提升旅客乘坐舒適度。

4 結(jié)束語

本文介紹了高原復(fù)雜環(huán)境下鐵路動(dòng)車組制氧系統(tǒng)的制氧原理，對(duì)比了主動(dòng)式和被動(dòng)式壓力波保護(hù)方式的實(shí)現(xiàn)機(jī)理和適用場(chǎng)合。根據(jù)高原鐵路線路特點(diǎn)，提出優(yōu)先采用主動(dòng)式壓力波保護(hù)方式匹配制氧系統(tǒng)，在必須采用被動(dòng)式壓力波保護(hù)方案的場(chǎng)合時(shí)，需要配合主動(dòng)調(diào)壓閥裝置降低車內(nèi)外壓差，再和制氧系統(tǒng)共同控制車內(nèi)環(huán)境舒適度。