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      等離子空氣凈化技術(shù)在廣州地鐵廣佛線增購車中的運用研究

      2020-12-29 09:02:06張土軒李智勇周漢邦馬建波
      機(jī)電信息 2020年35期
      關(guān)鍵詞:空氣凈化等離子體凈化

      張土軒 李智勇 周漢邦 馬建波 黎 燈

      (廣州地鐵集團(tuán)有限公司,廣東廣州510380)

      1 地鐵車廂的常見空氣污染物

      1.1 甲醛等芳香族化合物

      以甲醛為首的芳香族化學(xué)氣態(tài)污染物在室內(nèi)空氣中普遍存在,容易對人的眼睛、呼吸道、免疫系統(tǒng)、皮膚等造成較大影響,一般被認(rèn)為是誘發(fā)癌癥的“元兇”。根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883—2002)規(guī)定,室內(nèi)空氣中甲醛含量應(yīng)不高于0.10 mg/m3。地鐵車廂中的甲醛主要來源于客室內(nèi)部裝飾材料的持續(xù)性揮發(fā)。廣佛線新增購列車在密閉24 h后實測甲醛濃度最大值為0.15 mg/m3,略高于規(guī)范值。

      1.2 總揮發(fā)性有機(jī)化合物TVOC

      同樣來源于客室內(nèi)部裝飾材料的空氣污染物還有總揮發(fā)性有機(jī)化合物TVOC,其組分更加復(fù)雜,危害性則比甲醛小一些,但是人長期接觸、吸入該類氣體,也會出現(xiàn)頭暈、惡心、乏力、記憶力消退、反應(yīng)遲鈍、嗜睡、胸悶等癥狀。根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883—2002)規(guī)定,室內(nèi)空氣中TVOC含量應(yīng)不高于0.6 mg/m3。廣佛線新增購列車在密閉24 h后實測TVOC濃度最大值為0.75 mg/m3,同樣略高于規(guī)范值。

      1.3 細(xì)菌、病毒

      常年溫、濕度適宜的地鐵車廂是細(xì)菌、病毒等生物性空氣污染物生存的良好環(huán)境??諝庵械募?xì)菌一般不以單體存在,通常是附著在塵粒上,成為帶菌粒子[1]。地鐵車廂人流量大、空間相對封閉,細(xì)菌、病毒等病原微生物傳播風(fēng)險極大。

      1.4 異味

      除了直接影響人體健康的空氣污染物外,在相對密閉的空間中,異味也是困擾乘客、降低乘客舒適體驗的“罪魁禍?zhǔn)住薄3粑兜闹饕煞质前睔釴H3、硫化氫H2S、甲硫醇CH3SH等無機(jī)污染物。

      2 空氣凈化技術(shù)在地鐵車廂中的適用性

      當(dāng)前常見的空氣凈化技術(shù)主要有靜電除塵、光觸媒、負(fù)離子凈化、紫外線、等離子凈化技術(shù),各空氣凈化技術(shù)的綜合分析比較如表1所示。

      3 空氣凈化技術(shù)在廣州地鐵列車的應(yīng)用情況

      為防控新冠疫情,廣州地鐵各線列車均已逐步開展加裝空氣凈化裝置的研究工作,基本選擇使用紫外線消殺技術(shù),廣佛線則在18列增購車項目中率先使用等離子凈化技術(shù)。

      3.1 紫外線消殺技術(shù)的應(yīng)用情況

      紫外線消殺技術(shù)主要是在列車客室回風(fēng)口處安裝一定劑量的紫外線燈管,定期開啟,對回風(fēng)濾網(wǎng)及其周圍空間進(jìn)行消殺。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),紫外線燈管的故障率較高。以廣州地鐵二號線A5型車為例,僅2020年1月31日—3月17日期間,就發(fā)生了30起燈管失效故障,需要頻繁更換。此外,紫外線燈管照射范圍有限,只能對周圍空間進(jìn)行消殺,且紫外線本身對人體有害,給現(xiàn)場維保人員帶來職業(yè)健康問題。

      表1 常見空氣凈化技術(shù)的綜合分析比較

      3.2 等離子凈化技術(shù)的應(yīng)用情況

      3.2.1 工作原理

      等離子凈化技術(shù)一般指低溫等離子體技術(shù),是通過低溫等離子體制造臭氧進(jìn)行空氣凈化的技術(shù)?!暗蜏氐入x子體”是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后物質(zhì)的第四態(tài),當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的放電電壓時,氣體被擊穿,產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)的高能離子混合體。放電過程中雖然電子溫度很高,但重粒子溫度很低,使整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài),所以稱為“低溫等離子體”。

      低溫等離子體激發(fā)產(chǎn)生正負(fù)離子,與自然界由雷電產(chǎn)生正負(fù)離子的機(jī)理相同,通過等離子高壓放電,在空氣中釋放出大量的高能電子、正負(fù)離子、激發(fā)態(tài)粒子和具有強氧化性的HO、HO2等活性自由基,對空氣中的浮游霉菌、病毒及TVOC、甲醛等有害物質(zhì)進(jìn)行包圍分解。低溫等離子體空氣凈化示意圖如圖1所示。

      3.2.2 結(jié)構(gòu)組成及應(yīng)用場景

      廣佛線增購車項目使用株洲菲尼德生產(chǎn)的KJ-CZ100系列空氣凈化裝置,如圖2所示,該裝置采用第四代低溫等離子臭氧發(fā)生技術(shù),由等離子體低溫凈化模塊、集成電路、外殼、減震柱、航空接頭5部分組成。其中,等離子體低溫凈化模塊和集成電路是關(guān)鍵部件。

      圖1 低溫等離子體空氣凈化示意圖

      圖2 KJ-CZ100系列空氣凈化裝置

      該凈化裝置安裝在列車空調(diào)機(jī)組回風(fēng)口上方,設(shè)計上與空調(diào)正常通風(fēng)聯(lián)動,由空調(diào)控制器供電(110 V),最終升壓為3 200 V以上電壓,對周圍空氣進(jìn)行電離;通過客室空氣的流動,帶動等離子體場內(nèi)大量自由基擴(kuò)散,從而達(dá)到全面、徹底的空氣凈化目的。

      3.2.3 凈化性能檢驗

      為了驗證空氣凈化裝置的空氣凈化性能,委托第三方進(jìn)行了檢測,結(jié)果證明:TVOC、甲醛、苯和細(xì)菌去除效率高,凈化效果明顯。第三方檢測機(jī)構(gòu)廣東省微生物分析檢測中心的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

      表2 實驗數(shù)據(jù)

      3.2.4 實車應(yīng)用情況

      廣佛線增購車于2020年6月28日上線載客運營,每列車配置8臺空氣凈化裝置。2020年6月—8月,共計發(fā)生11起空氣凈化裝置故障。

      凈化裝置正常工作時,輸出反饋電壓,控制集成電路板中的繼電器開合,從而給出通斷信號,來完成整機(jī)的檢測及反饋;凈化裝置發(fā)生故障時,繼電器斷開,反饋回路不通,控制器接收信號異常,上報“殺菌裝置故障”信息。

      上述11起故障中,其中5起拆機(jī)后單體測試無異常,各部件通電后(110~138 V,接近列車蓄電池電壓)均能正常工作,反饋檢測回路導(dǎo)通;其間使用熱成像儀持續(xù)監(jiān)控電路板溫升,最高溫度達(dá)47 ℃,工作穩(wěn)定。從集成電路控制板設(shè)計考慮,控制板檢測高壓離子發(fā)生器的工作情況,輸出反饋電壓(3~6 V),控制繼電器閉合,從而使反饋檢測回路導(dǎo)通;凈化裝置長時間工作時,因離子發(fā)射頭反應(yīng)較靈敏,容易受到灰塵、溫濕度等環(huán)境變化的影響,反饋電壓有輕微波動(低于3 V時),可能會引起繼電器不能可靠閉合,誤報故障??諝鈨艋b置檢測反饋如圖3所示。另外6起拆機(jī)后單體測試時,凈化器模塊反饋信號、高壓輸出、負(fù)離子含量均不正常工作,判定凈化器模塊出現(xiàn)故障失效,導(dǎo)致整機(jī)反饋信號異常。進(jìn)一步分析對比發(fā)現(xiàn),故障凈化器模塊的變壓器封裝不良,用于密封的黑色環(huán)氧樹脂表面存在明顯氣孔,如圖4所示。更換該變壓器后,測量反饋信號電壓輸出正常,凈化器模塊功能恢復(fù)正常。

      圖3 空氣凈化裝置檢測反饋

      圖4 黑色環(huán)氧樹脂表面氣孔

      變壓器主要用于將控制板輸出的24 V電源升壓為3 200 V以上電壓,密封不良時,高壓通過微氣孔與空氣接觸、放電,導(dǎo)致凈化器模塊電壓驟降,反饋信號也隨之降低(低于3 V)導(dǎo)致報警,這是凈化裝置出現(xiàn)故障的主要原因。

      針對上述問題,對凈化裝置進(jìn)行了升級改造,一方面由原來通過控制繼電器的通斷進(jìn)行反饋,更改為直接檢測高壓離子發(fā)生器的運行狀態(tài),跳過繼電器,提高檢測可靠性;另一方面,改進(jìn)變壓器封裝工藝,采用透明環(huán)氧樹脂灌裝,增加抽真空工序,保證了灌膠質(zhì)量。自2020年9月起,廣佛線已將升級改造后的空氣凈化器裝車,運用至今未再發(fā)生故障,改造效果良好。

      4 結(jié)語

      地鐵列車應(yīng)具備應(yīng)急消毒殺菌能力,能夠在緊急情況下阻斷細(xì)菌和病毒的傳播和擴(kuò)散。低溫等離子體技術(shù)對于低濃度、大流量空氣的凈化具有重要作用,非常適合地鐵車廂的應(yīng)用。它具有較高的污染物脫除效率,且工藝簡單、易操作、運行成本低廉、二次污染低,作為一項新興的廢氣處理技術(shù),在不斷完善的過程中,其工業(yè)應(yīng)用條件也正慢慢趨于成熟[2]。

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