鐵道客車給水裝置對站區給水系統影響的分析及對策

陳 軍,蔣金輝,張漢英

(1.鐵道部經濟規劃研究院,北京 100038； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 3.武漢大學資源與環境科學學院,武漢 430072)

鐵路旅客列車給水工程大規模改造始于國家《鐵路法》實施之前的1991年4月。由于當時的《鐵路給水排水設計規范》中沒有關于旅客列車給水站給水設備的具體設計標準,造成車上旅客用水嚴重不足,給鐵路聲譽和形象帶來很大影響。為了改變旅客運輸用水嚴重不足的局面,能夠向旅客“提供飲用開水”[1],并使當時的新建和改造鐵路旅客列車給水站給水工程設計有所依據,鐵道部建設管理司組織鐵道部第四勘察設計院編制了《旅客列車給水站給水設備設計暫行規定》。在該暫行規定編制和審查期間,曾提出過旅客列車車輛給水系統采用DN32 mm注水管的建議,以減少DN25 mm管道沿程損失,降低地面給水設備的供水壓力。由于當時工程建設標準和產品標準管理體制的原因,此問題一直沒有得到很好解決。但《旅客列車給水站給水設備設計暫行規定》的發布和使用,對規范當時的給水工程設計和控制投資確實起到了積極作用,也為后來鐵路旅客列車給水站給水設備能力的確定和《鐵路給水排水設計規范》有關內容的修訂奠定了基礎。

1 20世紀90年代旅客列車給水標準

鐵路在1997年4月1日對京廣、京滬、京哈三大干線實施了第一次大提速,當時列車最高行駛速度為140 km/h。原《鐵路給水排水設計規范》 (TB10010—98)當時正值修訂期間。根據《旅客列車給水站給水設備設計暫行規定》的執行情況,98版規范確定了“旅客列車給水站應設置在區段站、有客列檢的車站、有始發終到旅客列車的車站及其他較大的車站,兩個給水站間距離宜為150～250 km”[2]的設計原則。由于當時旅客列車在較大中間車站停車時間大多在8～12 min,根據旅客列車停站時間、水箱系統和給水設備能力,以進站列車平均停車10 min,對上水流量進行了實測和計算。經測算,當列車駛入車站到列車停穩,大約需要用1 min時間,減去上水工作人員的插管和拔管作業1 min時間和開車前的1 min準備時間,凈上水作業僅剩下不到7 min。如果以2.5 L/s的流量,不計算膠管和水箱注水管的沿程損失,7 min大約可以注入2.5 L/s×7×60 s=1 050 L水。因當時列車型號較多,其中餐車配備的水箱容積較大,約為1 400 L。1 050 L水雖然略顯不足,但由于列車停站時間相對較長,在運行1～2 h后可在下一個給水站進行補水。

為滿足大型車站多路交匯同時上水及對給水設備能力的要求。在經過大量調研、計算和分析的基礎上,根據技術經濟合理要求,同時考慮發展因素,采用了“客車給水栓應按一井雙栓設置,栓口管徑以32 mm為宜,上水膠管宜采用φ32 mm,其長度不宜大于15 m”；“Ⅰ、Ⅱ級干線旅客列車給水站的每座客車給水栓井,當使用一個栓頭時,其栓口的設計流量不得小于2.5 L/s。當兩線路間的雙頭栓需同時給兩列客車上水時,其每個栓口的設計流量應為2.0 L/s,每座栓井總流量應為4.0 L/s”[2]的標準。在該標準實施后,鐵路雖經歷了幾次較大的提速,但由于列車停站時間調整較小,中間較大給水站停車作業時間和水量基本還能滿足旅客運輸用水需求。

2 目前旅客列車給水標準

現行《鐵路給水排水設計規范》(TB10010—2008)中有關旅客列車給水站的內容,是在98版規范的基礎上,結合近10年來鐵路旅客列車給水站設計和使用管理經驗確定的。

鐵路經過六次大提速后,運行速度和路網結構已發生了很大變化。目前鐵路客車主要采用的設計速度有160、200、250 km/h和350 km/h四種。為了適應鐵路旅客運輸發展需要,新設計規范對鐵路旅客列車給水站的設置間距進行了較大調整,“鐵路區段旅客列車設計速度小于200 km/h時,旅客列車給水站間距離宜為250～400 km；設計速度200 km/h及以上時,旅客列車給水站間距離宜為300～700 km”[3]。在提速的基礎上,為了進一步提高運能,鐵路運輸組織逐步壓縮了旅客列車到站后的停車時間。目前,“250 km/h及以上列車在樞紐站停車一般為2～5 min,中間站停車一般為1～3 min；200 km/h及以下停車時間一般為2～10 min”[4]。但有條件作為旅客列車上水的車站,其凈上水時間不宜小于4 min。否則,由于上水時間短水量很少,達不到使用要求,作為旅客列車給水站的意義不大。

在列車停站時間減少的情況下,對旅客列車給水站的設計和車站上水工作帶來很大壓力。由于目前旅客列車水箱仍然采用DN25 mm普通鍍鋅鋼管,如果大幅度提高旅客列車給水站的設計流量和服務水頭,不僅需要對既有鐵路旅客列車給水站進行大規模改造,而且新建旅客列車給水站也將要增加大量投入。這樣做不僅會增加長期的運營成本,同時也背離了技術經濟合理的要求。為了準確、合理確定給水流量,標準修訂期間,編制單位對北京、鄭州、武漢、廣州等鐵路局管轄的100多個鐵路旅客列車給水站進行了廣泛調查,對取得的資料進行了深入對比、分析后,在技術經濟合理的條件下,適當調整了旅客列車給水站的最小服務水頭,從表1的對比中可以看出新舊標準最小服務水頭的變化。

表1 規范修訂前后客車給水栓最小服務水頭變化[5]

根據新規范確定的最小服務水頭和目前列車上使用的1 000 L及以上水箱容積、注水管徑和車站地面給水采用的長度為15 m、φ32 mm膠管,計算出上水流量及注滿水箱所需時間(表2)。

從表2可以看出上水壓力為0.25 MPa時,單栓上水流量略顯不足。為了達到使用要求,設計單位通常會采用增加壓力的方法以保證使用效果。這樣做往往會增加運營期的能耗,但能夠滿足使用要求。

表2 上水壓力為0.25 MPa時旅客列車水箱上水流量、上滿水時間

為保證1個栓口的設計流量不小于2.5 L/s；雙栓口同時上水時,單個栓口流量不小于2.0 L/s,按列車上使用的1 000 L及以上水箱容積、DN25 mm注水管管徑和車站地面給水采用長度為15 m、φ32 mm膠管,計算出實際上水壓力及上滿水箱所需時間,見表3、表4。

表3 流量2.5 L/s時旅客列車水箱上滿水時間、壓力

表4 流量2.0 L/s時旅客列車水箱上滿水時間、壓力

當流量為2.5 L/s,壓力0.29 MPa時,采用長度為15 m,φ32 mm膠管，沿程水頭損失約為6.11 m。5 m長DN25 mm列車水箱注水管和彎頭水頭損失約為16.59 m,總沿程損失約為22.70 m。

從以上數據可以看出,地面給水設施加大壓力后,車上水箱注水系統沿程水頭損失較大。

3 存在問題分析

旅客列車水箱的注水管道是《鐵道客車給水裝置通用技術條件》(TB/T 1720—1998)根據當時的社會生產條件,依據《注水口(A、B型)形式與尺寸》(TB/T 112—1974)與注水口配套采的DN25 mm普通鍍鋅鋼管[6，7]。在實際使用過程中,當管道中水的流量和壓力超過經濟流速時,地面給水設施就需要增加管道壓力并以加大能源消耗來滿足旅客列車上水要求。如果繼續采用增加地面給水設備壓力的辦法,顯然在技術和經濟上是不合理的。可以認為,由于旅客列車給水裝置的注水口和管徑偏小,在鐵路提高運能,減少停站時間的情況下,仍然采用DN25 mm普通鍍鋅鋼管,已經成為制約旅客列車給水設備經濟技術發展的主要因素。雖然在工程設計規范中增加了旅客列車給水站的服務水頭,車輛改為空調列車和高速動車,改善了旅客乘車環境和舒適度,但對長途運行的旅客列車,車上用水矛盾的問題還會日顯突出。

現仍以1 000 L旅客列車水箱為例：按目前停車時間,要求旅客列車在給水站停車后的4 min有效上水時間內上滿水,則流量最少要達到4.2 L/s。按此標準,全路旅客列車給水站可能無一能滿足要求。如果按4.2 L/s標準確定旅客列車上水條件,列車上注水管仍采用的DN25 mm鍍鋅鋼管時,地面給水系統的壓力需要保持0.70 MPa,管道內水的流速將達到8.26 m/s。這是目前旅客列車給水站給水系統和列車上水系統均無法達到的要求。

如果將旅客列車水箱注水管改為DN32 mm鍍鋅鋼管,當流量為4.2 L/s時,壓力需要保持在0.33 MPa,管道內水的流速約為4.37 m/s。從技術角度分析,基本符合水力學經濟流速的要求。

根據《鐵路給水排水設計規范》(TB10010—2008)確定的最小服務水頭,仍以車上采用1 000 L及以上水箱容積；車站給水設施采用長度為15 m、φ32 mm膠管為例，當車上注水管徑改為DN32 mm時,從表5可以看出車上水箱上滿的時間變化。

表5 上水壓力為0.25 MPa時旅客列車水箱上水流量、上滿水時間

從對表2、表5計算數據對比可以了解到,列車上水箱注水管管徑由DN25 mm調整為DN32 mm時,在其他水利條件相同的情況下,上水流量約增加47%,上水時間約縮短31%。從目前旅客列車給水站的設備能力看,基本能滿足旅客列車上水要求。

如果在保證1個栓口的設計流量不小于2.5 L/s,車站地面給水設施采用長度為15 m,φ32 mm膠管,列車上水箱注水管徑調整為DN32 mm時,從表6可以看出地面給水設備上水壓力及水箱上滿水所需時間的變化。

由表3與表6計算數據分析,如果列車上水箱注水管管徑由DN25 mm調整為DN32 mm,在其他條件相同的情況下,上水壓力可降低44.8%。動力費用降低情況以近期改造的武昌站、漢口站為例說明如下。

武昌站目前有66列車上水,每列車編組20輛,每輛車平均用水量1.4 m3,則每天客車上水量為：66×20×1.4=1 848 m3,如果將列車上水箱的注水管由DN25 mm調整為DN32 mm,地面給水系統的壓力可由0.29 MPa降至0.16 MPa,即加壓設備水泵揚程可降低約13 m。每年節約的電費可按下述公式計算

E=e·Q·H·d[8]

式中，E為電費；Q為上水量；H為水泵揚程；d為單位電價；e為比電耗(每小時將1 000 m3水提升1 m高度所耗電能),取2.72/n(kWh)；n為水泵及電機綜合效率,取0.7。

則武昌站每年可節約電費為：E=e·Q·H·d=2.72/n·Q·H·d=2.72/0.7×1.848×13×1.2×365=40 887(元),即約為4.1萬元。

漢口站目前每天有58列車上水,每列車編組20輛,每輛車平均用水量1.4 m3,每天客車上水量為1 624 m3,依據上述公式可計算出漢口站每年可節約電費約為3.6萬元。

從以上2個算例可以看出,客車給水裝置的注水管由DN25 mm改為DN32 mm后,對減少水頭損失,降低能耗的作用十分顯著。目前,全國約有500個旅客列車給水站,每年將會節省大約2千萬元左右的電費。

如果列車上水箱的DN25 mm注水管不作調整,要想保證單個上水栓的流量不小于2.5 L/s,則勢必要對現有給水系統進行擴能改造,增加加壓設施,擴大管網供水能力。根據武昌站和漢口站客車上水設施改造情況的初步測算,僅武昌站上水管道及上水栓設備改造費,約750萬元；漢口站上水管道及上水栓設備改造費,約920萬元。從這兩個車站的給水改造工程,可以分析出既有旅客給水站改造工程費用的投入情況。

由于每輛客車上有一個水箱,每個水箱用5 m長的注水管道。如果將DN25 mm鍍鋅鋼管改為DN32 mm不銹鋼管,從目前市場情況測算,每輛旅客列車水箱注水管道管道費用大約為60.50元。目前,全國鐵路客運列車保有量約為4.5萬輛(包括普通旅客列車和動車),更換全部車輛的管道材料費用約為272萬元。

從以上2個旅客列車給水站的工程改造費和全部旅客列車水箱注水管的改造費用的經濟對比,可以看出改造車輛注水管的費用要遠遠低于給水站的工程改造費用。

另外,由于鍍鋅鋼管在生產過程中能耗大,使用周期短,在管道銹蝕的情況下還會壓縮過水斷面,同時還會對飲用水水質產生嚴重影響。由于我國在建筑給水領域中已經淘汰鍍鋅鋼管,客車給水裝置系統采用新型管材勢在必行。改為DN32 mm不銹鋼管后,由于其內壁光滑,管道沿程水頭損失計算中的海簦-威廉系數與普鋼管系數之比為130∶100[9],水利條件要優于普通鋼制管道。這對降低供水壓力,增加流量創造了有利條件。從上述分析可以看出,旅客列車水箱給水管道采用DN32 mm不銹鋼管道后,不僅可為鐵路旅客列車給水工程建設和鐵路運營節約大量能源和資源,也為提高鐵路運輸服務水平創造了條件。

4 對策和建議

雖然《鐵路給水排水設計規范》經歷了多次修改,在旅客列車給水站工程設計標準制定方面做了大量工作,從逐步加大水源、供水管網、供水構筑物到增加壓設備能力,但由于與鐵道車輛產品標準遲遲不能配套,給鐵路旅客車站給水工程設計和運營帶來了很大影響。由于改變注水管道涉及到鐵道車輛產品標準和車輛給水系統的改造問題。為此,建議一方面鐵道車輛標準管理部門對《注水口(A、B型)形式與尺寸》(TB/T 112—1974)、《鐵道客車給水裝置通用技術條件》(TB/T 1720—1998)進行及時修訂并盡快發布實施。另一方面,請車輛維修管理部門制定車輛給水裝置改造計劃,分期分批地對目前運營的客車車輛進行有計劃的改造,使目前車輛上采用的鍍鋅鋼管系統逐步改為不銹鋼系統,盡快將新型客車給水裝置投入使用。

[1] 中華人民共和國主席令第32號，中華人民共和國鐵路法[Z].北京：1990.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10010—98 鐵路給水排水設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,1998.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10010—2008 鐵路給水排水設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2008.

[4] 趙月霞.提速鐵路及客運專線客車給水探討[J].鐵道標準設計,2007(12)：78-80.

[5] 蔣金輝,陳 軍.《鐵路給水排水設計規范》(TB10010)的修編[J].鐵道標準設計,2010(4)：112-115.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB/T 1720—1998 鐵道客車給水裝置通用技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，1998.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB/T 112—1974 注水口(A、B型)形式與尺寸[S].北京：中國鐵道出版社，1994.

[8] 姜乃昌.水泵及水泵站[M].北京：中國建筑工業出版社,1998.

[9] 中華人民共和國建設部.GB50015—2003 建筑給水排水設計規范[S] .中國計劃出版社,2003.