利用蒸汽換熱實現(xiàn)內燃機車預熱技術的研究

翟大強，韓樹森，段崇義，邵學，劉向宇，楊剛

(山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司運輸部，山東萊蕪271104)

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

二十世紀美國KIM HOTSTART公司開發(fā)出DDHS柴油機預熱裝置，用1臺功率15～17 kW的雙缸水冷柴油機，匹配1臺72 V直流發(fā)電機，使機車柴油機冷卻水溫度保持在30～40℃［2］。二十一世紀我國自行開發(fā)研制的具有自主知識產(chǎn)權的NJRD型內燃機車熱電保障系統(tǒng)，通過小型柴電機組實現(xiàn)機車油水系統(tǒng)預熱功能，燃油消耗是機車起機打溫油耗的1/5［3］。趙立仁等［2］研發(fā)的 DGHES型內燃機車預熱系統(tǒng)，由40～50 kW柴油機和35～40 kW發(fā)電機組成，最大輸出功率≥100 kW，具有自動轉換循環(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車打溫的能源，對機車柴油機的冷卻水和機油系統(tǒng)進行加熱和循環(huán)，使油水溫度始終保持在規(guī)定的溫度范圍內。馬淑英［5］利用微波加熱器實現(xiàn)電能到熱能的轉換，其中微波加熱器使用三相380 V電源，功率為30 kW。現(xiàn)階段機車預熱技術主要是通過燃燒柴油進行預熱和使用電能進行預熱兩種方法實現(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，我們結合萊鋼運輸部擁有高爐余熱回收利用管網(wǎng)的實際情況，利用回收的高爐蒸汽高熱能、低成本的特點，開發(fā)出利用高爐蒸汽換熱實現(xiàn)多臺內燃機車集中打溫的新裝置。

1 內燃機車地面預熱系統(tǒng)的設計

1.1 設計原理

內燃機車地面預熱系統(tǒng)主要由地面熱源加熱系統(tǒng)(室內系統(tǒng))和機車隔離換熱系統(tǒng)(室外系統(tǒng))組成。地面熱源加熱系統(tǒng)為主換熱站，設置在機務段的軟水配置室內，主要由軟水水箱、減溫器、板式換熱器、循環(huán)水泵、補水泵和膨脹罐組成。機車隔離換熱系統(tǒng)為子換熱站，主要由板式換熱器、循環(huán)水泵、電子調節(jié)閥和快速撥接設備組成，位于檢修庫內、外的機車停放工位旁邊，便于進行機車預熱。整套系統(tǒng)如圖1所示。

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

1.2 機車水系統(tǒng)隔離打溫技術方案

將機車地面打溫方式設計為地面熱源加熱系統(tǒng)和機車隔離換熱系統(tǒng)兩套裝置來實現(xiàn)隔離加熱功能。

機車水系統(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)，保證管路內水溫、水壓和流速基本恒定，使地面水循環(huán)系統(tǒng)運行更平穩(wěn)，設備運行噪音較小，對系統(tǒng)中的電機、電子調壓閥和壓力表等設備的沖擊較小，能夠提高整個系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)可以避免機車軟水污染整個地面水系統(tǒng)的軟水，造成大量浪費。隔離加熱可以避免個別機車水系統(tǒng)故障導致軟水大量流失，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)點在于操作的管路水溫要明顯低于地面熱源系統(tǒng)管路內的水溫，不會造成操作人員的燒燙傷。

1.3 換熱方案

加熱車位設置8個，需要機車隔離換熱設備Ns=8套。

每個車位的熱水用量為Qs=5 m3/h。

加熱車位的進水溫度為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)的設計

2.1 系統(tǒng)熱負荷計算

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，且管線預設要采取可靠的保溫措施，故熱負荷圓整為960 kW。

2.2 蒸汽管線設計

蒸汽流量計算，按熱負荷Q=960 kW，由于蒸汽為Ps=0.5 MPa的飽和蒸汽，預設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。

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

取蒸汽管內經(jīng)濟流速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。

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

2.3 換熱器及附屬設備選型

2.3.1 減溫器選型

因熱交換設備預選用板式熱交換器，雖然熱交換強度高，但其密封墊為橡膠材料，耐溫強度低，在130℃左右可以長期安全使用，所以在蒸汽進入板式換熱器前裝設一臺表面式管殼減溫器，將蒸汽溫度降至Tg=125℃再進入板式換熱器的熱腔流道。該減溫器一側為蒸汽，另一側為循環(huán)軟水。

減溫器熱負荷計算［6］:0.5 MPa的飽和蒸汽比焓為C1=2 756.1 kJ/kg，蒸汽降溫至125℃時的比焓為C2=2713.11 kJ/kg。

減溫器熱負荷Qj=Gv×(C1－C2)=17.03 kW。

循環(huán)水溫升計算: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℃。

減溫器內蒸汽與循環(huán)回水間的對數(shù)平均溫差計算: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)，其中一次側流程數(shù)值取1，二次側板換流程數(shù)值取1，設計者選用換熱面積取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)水管路的設計

管路Φ108×5的20#無縫鋼管，管內徑di=0.098 m。

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

考慮到系統(tǒng)管線中的機車內部流阻、彎頭、三通、閥門、減溫器等附件的局部阻力損失，取實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)水力失調的現(xiàn)象。另外在管線的高點及容易形成氣堵的部位設置排氣閥，在管線的最低處設置排水閥。

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。

考慮揚程裕度取δ=1.05。

則水泵揚程應不小于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，運行方式為一用一備，交替運行，可確保系統(tǒng)正常運行。

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)水回水管路上設置一個膨脹罐。該膨脹罐同時也具有在系統(tǒng)冷態(tài)起動時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 補水泵的選型

補水泵的流量按循環(huán)水流量的5%計算，則為5% ×40 m3/h=2.0 m3/h。

補水泵揚程，按系統(tǒng)最高點設計，在本方案中可取150 kPa左右。

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

補水泵數(shù)量為2臺套，運行方式為一用一備，交替運行，可確保系統(tǒng)正常運行。

2.3.7 電子調節(jié)閥的選型

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

2.4 地面熱源加熱系統(tǒng)中電氣控制功能設計

2.4.1 對輸入高爐蒸汽進行流量控制

通過PID調節(jié)器與電子調節(jié)閥配合實現(xiàn)對蒸汽輸入量的動態(tài)調整。水循環(huán)管路中的溫度傳感器將溫度信息實時傳輸?shù)娇刂破髦?，PID調節(jié)器根據(jù)該溫度信息發(fā)出控制指令到電子調節(jié)閥控制電子調節(jié)閥的閥口開度來調整蒸汽的輸入量。水溫低于40℃時，電子調節(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℃時閥口關閉。通過以上設置，在實現(xiàn)高爐蒸汽節(jié)約利用的同時，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)中管路水壓進行穩(wěn)定性控制

該項設備的電氣控制系統(tǒng)主要通過控制循環(huán)水泵和補水泵的工作狀態(tài)來實現(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)通過調節(jié)旋鈕控制器控制循環(huán)水泵變頻電機轉速，最終將主系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定在300 kPa。

(2)在系統(tǒng)進水總管上設置有補水泵，當主管路壓力傳感器檢測到系統(tǒng)壓力降低到規(guī)定值時，電氣控制系統(tǒng)控制補水泵電機運轉對系統(tǒng)進行補水至300 kPa。

3 機車隔離換熱系統(tǒng)的設計

3.1 設計原理

機車隔離換熱系統(tǒng)主要由板式換熱器、循環(huán)水泵、閥件、電子調節(jié)閥和傳感器組成。該設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車水系統(tǒng)的軟水進行隔離打溫。具體設計原理如圖2所示。

3.2 設計方案

3.2.1 板式換熱器的選型

根據(jù)已知的數(shù)據(jù)參數(shù)，其中一次側流程數(shù)值取1，二次側板換流程數(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 電子調節(jié)閥的選型

機車隔離打溫系統(tǒng)中電子調節(jié)閥安裝在地面熱源加熱系統(tǒng)的循環(huán)管路與機車隔離打溫系統(tǒng)的進水口之間，該管路的設置主要是為了實現(xiàn)機車水系統(tǒng)的自動補水或加水功能。當系統(tǒng)主控制器檢測到機車水循環(huán)系統(tǒng)的回水管路壓力小于設定值或主控制器發(fā)出加水指令時，電子調節(jié)閥打開進行自動補水或加水操作，達到規(guī)定要求后由主控制器控制電子調節(jié)閥關閉，該電子調節(jié)閥選型為:SKD60。

3.2.3 機車水系統(tǒng)和隔離換熱設備的快速撥接

機車隔離換熱系統(tǒng)的進水管采用拉桿式快速接頭的母頭與機車進水口快速連接，機車隔離換熱系統(tǒng)的回水管采用拉桿式快速接頭的公頭與機車回水口快速連接。非工作狀態(tài)下，隔離換熱設備的進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)結構圖Fig.2 Structure diagram ofisolated heat exchanger system

3.3 機車隔離換熱系統(tǒng)電氣控制功能的設計

3.3.1 機車水系統(tǒng)的溫度自動調節(jié)功能機車隔離換熱系統(tǒng)內的主控制器通過對位于機車水系統(tǒng)的回水管路上的溫度傳感器所采集的溫度數(shù)據(jù)進行分析，控制循環(huán)水泵電機轉速的升降，實現(xiàn)機車水系統(tǒng)的升溫和保溫功能。當回水溫度低于設定的最低值時，循環(huán)水泵全速運轉，實現(xiàn)機車水系統(tǒng)的快速換熱升溫;當回水溫度高于設定的最高值時，循環(huán)水泵降速運轉，保證機車水溫能夠穩(wěn)定保持在一個較小的區(qū)間［9］。

3.3.2 機車水系統(tǒng)缺水時自動補水功能

機車隔離換熱系統(tǒng)中位于機車水系統(tǒng)回水管路上的壓力傳感器實時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定值時，控制電子調節(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車打溫管路中，實現(xiàn)對機車水系統(tǒng)的自動補水。當機車打溫管路回水壓力達到設定值后，主控制器控制電子調節(jié)閥關閉，停止補水。給機車水系統(tǒng)補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)的補水泵進行補充。

3.3.3 無水機車的快速加水打溫功能

機車檢修過程中，有些大修機車、平輪機車、檢修時間較長的臨修機車，起機前機車水系統(tǒng)處于無水狀態(tài)，在機車與機車隔離換熱系統(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節(jié)閥注入到機車水系統(tǒng)，實現(xiàn)無水機車的快速加水和打溫功能［10］。

3.3.4 非工作狀態(tài)時設備的防凍

機車隔離換熱系統(tǒng)內屬于機車水循環(huán)系統(tǒng)的相應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，使機車打溫管路在非工作狀態(tài)下能夠保溫防凍。

4 應用效果

通過一年的實際應用，該系統(tǒng)能夠使機車柴油機油、水溫度穩(wěn)定在60℃以上，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，水循環(huán)非常平穩(wěn)安靜。若按每年冬季5個月，每月30天，每天1/3工作時間，每天預熱機車8臺進行費用計算，機車起機打溫的費用消耗為168萬元/年，使用小型柴油機打溫設備的費用消耗為33.6萬元/年，使用電能進行機車打溫的費用消耗為23.04萬元/年，噪音測試顯示，使用蒸汽和使用電能進行機車打溫的設備噪音值為15～20 dB，而使用小型柴油機打溫的設備噪音值為40～60 dB，機車起機打溫的噪音值為70～90 dB。

5 結論

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

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