利用蒸汽換熱實現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定溫度以上，或者長時間停用時避免由于管路冰凍而產生機破事故，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研制的具有自主知識產權的NJRD型內燃機車熱電保障系統，通過小型柴電機組實現機車油水系統預熱功能，燃油消耗是機車起機打溫油耗的1/5［3］。趙立仁等［2］研發的 DGHES型內燃機車預熱系統，由40～50 kW柴油機和35～40 kW發電機組成，最大輸出功率≥100 kW，具有自動轉換循環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進行加熱和循環，使油水溫度始終保持在規定的溫度范圍內。馬淑英［5］利用微波加熱器實現電能到熱能的轉換，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，這兩種方法仍然存在環境污染和能源消耗量大的問題。據此，我們結合萊鋼運輸部擁有高爐余熱回收利用管網的實際情況，利用回收的高爐蒸汽高熱能、低成本的特點，開發出利用高爐蒸汽換熱實現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的設計

1.1 設計原理

內燃機車地面預熱系統主要由地面熱源加熱系統(室內系統)和機車隔離換熱系統(室外系統)組成。地面熱源加熱系統為主換熱站，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、循環水泵、補水泵和膨脹罐組成。機車隔離換熱系統為子換熱站，主要由板式換熱器、循環水泵、電子調節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。整套系統如圖1所示。

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

1.2 機車水系統隔離打溫技術方案

將機車地面打溫方式設計為地面熱源加熱系統和機車隔離換熱系統兩套裝置來實現隔離加熱功能。

機車水系統和地面打溫系統隔離，地面熱源加熱系統采用閉式水循環系統，保證管路內水溫、水壓和流速基本恒定，使地面水循環系統運行更平穩，設備運行噪音較小，對系統中的電機、電子調壓閥和壓力表等設備的沖擊較小，能夠提高整個系統的可靠性。該系統可以避免機車軟水污染整個地面水系統的軟水，造成大量浪費。隔離加熱可以避免個別機車水系統故障導致軟水大量流失，并造成地面主系統由于缺水而發生事故。隔離打溫的優點在于操作的管路水溫要明顯低于地面熱源系統管路內的水溫，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 地面熱源加熱系統的設計

2.1 系統熱負荷計算

循環水流量 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－h2)=0.125 m3/s。

取蒸汽管內經濟流速w=9.5 m/s，根據公式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。

循環水溫升計算:循環回水溫度t1=70℃，蒸汽放熱量QZ=24.05 kW。

循環回水經減溫器后溫度t2=t1+QZ/(G×Cp)=70.69℃。

減溫器內蒸汽與循環回水間的對數平均溫差計算:取對數平均溫差有效系數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，其規格為PN1.6DN350 L=500。

2.3.2 板式換熱器選型

根據已知的數據參數，其中一次側流程數值取1，二次側板換流程數值取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。

本系統循環管路總長約計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，則系統循環管路總的水力損失為P2=is×l=259.5 kPa。

循環管路流速校核Ws=G/(0.785×di2)=1.47 m/s;符合經濟流速1.0～1.5 m/s的范圍。

循環管路系統采用同程布管方式，保證每個加熱車位的用水都能得到充分的給水流量，不易出現系統水力失調的現象。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。

系統循環管路總的水力損失為P2=259.5 kPa。

系統總的水力損失為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。

循環水泵選型為CDLF42-20-2。

水泵參數為Q=40 m3/h，H=320.0 kPa，N=5.5 kW。

循環水泵數量為2臺套，運行方式為一用一備，交替運行，可確保系統正常運行。

2.3.5 膨脹罐選型

為保證循環水系統中始終處于充水狀態，在循環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冷態起動時吸納因熱脹而造成的水漲量。因系統較小，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，水泵參數為Q=11.6 m3/h，H=190.0 kPa，N=0.37 kW。

補水泵數量為2臺套，運行方式為一用一備，交替運行，可確保系統正常運行。

2.3.7 電子調節閥的選型

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

2.4 地面熱源加熱系統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調節器與電子調節閥配合實現對蒸汽輸入量的動態調整。水循環管路中的溫度傳感器將溫度信息實時傳輸到控制器中，PID調節器根據該溫度信息發出控制指令到電子調節閥控制電子調節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，在實現高爐蒸汽節約利用的同時，地面熱源加熱系統的水溫能夠長期穩定在90±5℃。

2.4.2 對地面熱源加熱系統中管路水壓進行穩定性控制

該項設備的電氣控制系統主要通過控制循環水泵和補水泵的工作狀態來實現系統中管路水壓的穩定，具體措施如下:

(1)主控制系統通過調節旋鈕控制器控制循環水泵變頻電機轉速，最終將主系統的壓力穩定在300 kPa。

(2)在系統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壓力降低到規定值時，電氣控制系統控制補水泵電機運轉對系統進行補水至300 kPa。

3 機車隔離換熱系統的設計

3.1 設計原理

機車隔離換熱系統主要由板式換熱器、循環水泵、閥件、電子調節閥和傳感器組成。該設備將地面熱源加熱系統加熱后的軟水通過板式換熱器對機車水系統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

根據已知的數據參數，其中一次側流程數值取1，二次側板換流程數值取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 電子調節閥的選型

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

3.2.3 機車水系統和隔離換熱設備的快速撥接

機車隔離換熱系統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系統。

圖2 隔離換熱系統結構圖Fig.2 Structure diagram ofisolated heat exchanger system

3.3 機車隔離換熱系統電氣控制功能的設計

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

3.3.2 機車水系統缺水時自動補水功能

機車隔離換熱系統中位于機車水系統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，主控制器監測到回水壓力降到設定值時，控制電子調節閥閥口適量打開，將地面熱源加熱系統中的軟水緩慢注入到機車打溫管路中，實現對機車水系統的自動補水。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閥關閉，停止補水。給機車水系統補水過程中造成的地面熱源加熱系統中的水損失，將由地面熱源加熱系統的補水泵進行補充。

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，起機前機車水系統處于無水狀態，在機車與機車隔離換熱系統連接后，通過加水按鈕發出加水指令，主控制器接到指令后控制電子調節閥閥口全開，使地面熱源加熱系統中的高溫軟水通過連通管路和電子調節閥注入到機車水系統，實現無水機車的快速加水和打溫功能［10］。

3.3.4 非工作狀態時設備的防凍

機車隔離換熱系統內屬于機車水循環系統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系統，該閉式循環系統內的水在循環水泵的帶動下低速循環流動，這一低速循環流動的水經由換熱器換熱升溫，使機車打溫管路在非工作狀態下能夠保溫防凍。

4 應用效果

通過一年的實際應用，該系統能夠使機車柴油機油、水溫度穩定在60℃以上，系統運行穩定可靠，水循環非常平穩安靜。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，本文設計的系統具有機車溫度保持穩定、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，且該系統綠色、環保、節能、高效的特征非常鮮明，在為鐵路運輸作業提供高效率運用機車的同時，也獲得了較好的經濟效益和社會效益。

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［2］趙立仁，張樹春，馬宗元.DGHES系列內燃機車熱電預熱系統［J］.內燃機車，2009，3(3):7－9.

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