高原鐵路動車組壓力波保護方式與制氧系統匹配控制方案探討

儲成龍，郭 丹，周新喜，焦京海

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心， 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，會對人體各系統產生不同程度的影響，導致人體產生一系列高原反應，致使人體機能明顯下降。當海拔超過3 000 m以上時，空氣稀少，列車內需要配置供氧系統。

高原鐵路列車將以復興號動車組為平臺，研究增設空調制氧系統。高原鐵路動車組內為氣密性車體，高速運行時需要考慮車外壓力波變化對車內壓力的影響，需要設置壓力波保護系統來降低車內壓力波動，并在壓力波保護系統工作時統籌控制車內氧氣濃度[1-3]。

1 制氧系統

制氧系統由空氣供給系統、空氣預處理系統、富氧發生系統、富氧輸送及控制系統組成[4]。制氧系統的結構型式為單元式或分體式，分體式制氧系統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、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、背壓調節閥、流量調整閥在內的膜分離制氧系統，模塊化吸附分離裝置，控制系統(含監視儀器、觸摸屏等)，車廂內氧氣傳感器。

富氧空氣擬通過彌散式和分布式相結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主送風道，在主送風道內富氧空氣與客室送風混合，通過支送風口送到車廂各區域；分布式供氧通過管路將富氧空氣輸送到座椅位置附近，并設計快速接頭插口，配合吸氧便捷裝置，乘客能直接吸入富氧空氣[5]。

車廂空調主送風道與制氧系統聯合運行示意圖見圖1。車廂回風道內設置有氧濃度測點，將測得的氧濃度信號返饋給控制器，控制制氧機的工作模式[6]。

圖1 車廂空調主送風道與制氧系統聯合運行示意圖

2 壓力波保護系統

高速動車組由于通過隧道/會車時車外壓力變化較大，較大的壓力波變化直接傳入車內會導致乘客耳鳴，需要配置壓力波保護系統保持車內壓力相對穩定，一般要求車內壓力≤500 Pa/s、≤800 Pa/3 s。壓力波保護系統根據實現原理分為主動式壓力保護波系統和被動式壓力波保護系統2種[7]。

2.1 主動式壓力波保護系統

主動式壓力波保護系統采用連續換氣裝置實現，其核心部件是高靜壓風機。高靜壓風機與普通風機的特性曲線如圖2所示。在外界壓力大范圍波動ΔP等同的情況下，高靜壓風機的風量變值ΔQ遠小于普通風機，即高靜壓風機在車外壓力波變化較大的工況下，可通過保證進出車廂的風量變化相對較小，實現車內壓力相對穩定[8]。

圖2 高靜壓風機與普通風機的特性曲線

實際應用時，換氣裝置風機壓頭最大靜壓為10 kPa，且吸氣風機和排氣風機裝在同一電動機的兩端，進風量和排風量基本相等。

2.2 被動式壓力波保護系統

被動式壓力波保護系統主要由壓力波控制器、壓力波傳感器、新風風閥、廢排風閥等部件組成(圖3)。壓力波傳感器安裝在頭尾車，當車外壓力變化較大時(隧道運行等工況)，壓力波控制器根據傳感器的反饋，結合閥門開/閉邏輯條件，通過切斷車廂內外空氣通路，實現壓力波保護功能。

圖3 被動式壓力波保護系統

壓力波保護觸發邏輯與運行線路條件有關，線路條件主要包括隧道長度、隧道面積、海拔高度落差、線路兩側是否有山脈等。某車型高速動車組被動式壓力波保護關閥觸發條件如下[9]：

(1)|ADP(t)|>600 Pa，連續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表示當前時間，ADP(t)表示當前時間車輛內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前車輛內部和外部之間的壓力差。壓力波控制器根據計算，滿足以上任意一個條件時，通過硬線信號控制各車廂風閥關閉。

壓力波保護開閥觸發條件為：|ADP(t)|<500 Pa，持續1 s，且風閥打開瞬間車內外壓差絕對值<500 Pa。

2.3 2種壓力波保護方式對比

采用主動式壓力波保護時，在連續隧道、長隧道或者海拔落差較大的線路條件下，高靜壓風機能夠給車內持續供應新風，車內空氣質量相對較好。

采用被動式壓力波保護時，需要切斷車內外空氣通路，在連續隧道、長隧道或者海拔落差較大的線路條件下，由于長時間沒有提供新鮮空氣，車內CO2濃度逐步升高、氧氣減少，空氣質量降低，會引起乘客胸悶等不適。因此，被動式壓力波保護系統控制邏輯中設有強制開閥條件，即風閥關閉時間達到10 min時，強制開啟風閥1 min，以保證車內新風供應。但是在強制開啟瞬間壓力波動大，會造成乘客嚴重耳鳴，舒適性降低。

3 制氧系統與壓力波保護方式匹配探討

3.1 制氧系統與被動式壓力波保護系統

高原線路海拔落差大、隧道長且連續隧道多，采用被動式壓力波保護方式，車輛在線路運行時，很容易觸發關閥條件，分以下2種情況進行分析：

(1) 風閥關閉后車內為正壓。車內壓力大于外界大氣壓力，最高壓差可達2 000 Pa以上，車內正壓需要通過車體微小的泄漏緩慢降低，當滿足車內外壓差小于500 Pa時，開閥才不會造成乘客耳鳴。制氧系統向車內供氧時，是把外界的大氣轉化為富氧空氣送入車內，此過程相當于在緩慢增加車內壓力，不利于車內外壓差平衡，造成風閥長時間關閉，最終會觸發強制開閥條件，引起乘客耳鳴。

(2) 風閥關閉后車內為負壓。車內壓力小于外界大氣壓力，最高壓差可達3 000 Pa以上，車內負壓平衡時間更長，根據既有西安—成都線路海拔運行狀況，車內負壓較大時只能通過強制泄壓實現。在風閥關閉期間，制氧系統開啟可以略微增加車內壓力，但是氧濃度范圍控制在22%～23.5%之間，供氧增加的空氣對平衡車內負壓作用非常有限，且車內CO2逐步升高，大約10 min內濃度會上升到約3 000 ppm，引起乘客不適。

綜上，在高原線路海拔落差大、隧道長且連續隧道多的特點下，采用既有被動式壓力波保護方式時，風閥長期處于關閉狀態，多數情況下為了滿足新風量要求強制開閥，在強制開閥瞬間，車內空氣量變化大，氧氣濃度難以控制。需要對既有被動式壓力波保護方案進行優化，增加主動調壓閥裝置，即在車內外壓差較大時，主動調壓閥打開，通過控制主動調壓閥氣孔開度平衡車內外壓差。在車內外壓差較小時，打開被動式壓力波保護的風閥，再結合制氧系統控制車內氧氣濃度。

3.2 制氧系統與主動式壓力波保護系統

主動式壓力波保護系統在車輛運行過程中持續供應新風，其特點適用于高原鐵路線路。考慮車速對車內壓力波動的影響，對主動式壓力波保護的高靜壓風機進行分頻控制。當車速<160 km/h時，高靜壓風機以低頻運行；當車速≥160 km/h時，高靜壓風機以高頻運行。列車高速運行時，高靜壓風機高頻運行可抑制車外較大壓力波動通過新風路徑向車內傳遞，保證旅客乘坐舒適度[10]。

在海拔高度≥3 000 m時，開啟制氧系統，根據布置在回風口處的氧濃度傳感器反饋，空調控制器自動控制車內氧濃度和壓力波范圍，提升旅客乘坐舒適度。

4 結束語

本文介紹了高原復雜環境下鐵路動車組制氧系統的制氧原理，對比了主動式和被動式壓力波保護方式的實現機理和適用場合。根據高原鐵路線路特點，提出優先采用主動式壓力波保護方式匹配制氧系統，在必須采用被動式壓力波保護方案的場合時，需要配合主動調壓閥裝置降低車內外壓差，再和制氧系統共同控制車內環境舒適度。