国际联运车锅炉的研制

■ 刘金林 由建宏 公丕柱

在北京—乌兰巴托—莫斯科之间运行的K3/4次列车为20世纪90年代初期制造，车辆已运行20多年，设施比较陈旧。列车自北京—莫斯科间运行里程达7 826 km，运行时间为131 h 41 min。除列车运行区间特别长外，其运用条件也十分严酷，经常会遇到强沙尘和极端低温（-50 ℃）的情况，全列没有空调装置，采暖系统完全依靠燃煤锅炉，不但给乘务员带来很大的工作量，而且乘客舒适度也难以保障。鉴于此，北京铁路局提出购置43辆全新国际联运客车（25G型）的需求，并特别强调车辆要采用新型采暖方式来减轻随车乘务员的工作量。

1 采暖系统选择

国际联运车设计中面临的最大难题就是保证车辆在极端低温环境下的采暖，提高乘客舒适度。国内铁路客车大多采用电加热和空调（预热器）制暖的方式，这种采暖方式是否适用在国际联运车，需要进行合理的计算验证。

1.1 采暖负荷计算

1.1.1 采暖负荷计算条件

最高运营速度：120 km/h；

设计速度：140 km/h；

外气温度：分别计算-50 ℃、-35 ℃和-25 ℃的情况；

客室内温度：20 ℃[1]；

车内定员：37人（含乘务员1人）；车辆静置时车体平均传热系数：K0=1.16 W/（m2·k）。计算按照铁路空调客车热工计算方法[2]进行。

1.1.2 客室冬季车内热负荷计算

客室冬季车内热负荷计算公式如下：

式中：Q为采暖设备加热功率，W；Q1为通过车体隔热壁损失的热量，W；Q2为加热进入车内的新鲜空气所需的热量，W；Q3为车内旅客的散热量，W；Q4为车内机电设备的散热量，作为余量不计算在内，W。

1.1.3 车体隔热壁损失的热量

车体隔热壁损失的热量为：

式中：tA为车外温度，K；tB为车内温度，K；K为车体传热系数，W/（m2·k）；F为车体传热面积，m2。

静止时，K0=1.16 W/（m2·k）。

V=140 km/h时，取：K=1.16×1.87=2.17 W/（m2·k），F=258.53 m2，则：

Q1=2.17×258.53×（50+20）=39.27 kW。

1.1.4 加热进入车内的新鲜空气所需热量

加热进入车内的新鲜空气所需热量的计算公式如下：

式中：VA为车内所需体积流量，按每人15 m3/h计算[1]；ρ为空气密度，-50 ℃时为1.58 kg/m3；Cp为新鲜空气定压比热，为1.01 kJ/（kg·℃）。

要达到车内温度为20 ℃以上，Q2为：

1.1.5 车内旅客散热量

冬季按人体散发的显热量计算。

Q3=0.955nq，

式中：n为车内定员，按37人计算；q为平均每人散发的热量，W。

车内温度为20 ℃时[3]，q=90.7 W，综上：

Q3=0.955×37×90.7=3.2 kW。

1.1.6 车内机电设备散热量

通常当作采暖设备的安全储备热，在计算中不予考虑。

1.1.7 采暖设备加热功率

采暖设备的加热功率计算公式为：

QY=Q1+Q2-Q3=39.27+17.22-3.2=53.29 kW。

考虑到客室电热余量，-50 ℃时整车加热功率可按53 kW考虑。

按以上计算方法，在外部温度为-35 ℃和-25 ℃时, 整车加热功率分别为41.36 kW和33.26 kW。

1.2 采暖系统用电负荷分析

国际联运客车国内运行时最大编组为16辆，境外运行时客车最大编组为12辆。从经济性与可行性出发，全列客车由发电车集中供电，发电车机室设2台MX-T-400-4型马拉松电机，额定输出功率400 kW。在发电车2台发电机组满负荷情况下，经对全车用电负荷计算，当在国内运行（16辆编组）时，每辆车最多分配给采暖系统的功率为33 kW（含空调预热器9 kW）；境外运行（12辆编组）时，每辆车最多分配给采暖系统的功率为51 kW（含空调预热器9 kW）。与“采暖负荷计算”结果对比可知，采暖仅依靠电能不能满足环境温度为-50 ℃时的采暖需求。

2 电煤两用锅炉的设计

2.1 设计基础

在低温环境下，电功率不能满足采暖要求，需要其他采暖装置做补充，且国际联运客车运行里程较长，发电车在长时间运行中也可能发生供电故障，因此采暖装置必须具有很高的可靠性及冗余性。南车青岛四方机车车辆股份有限公司在总结多年客车设计经验的基础上，提出了煤电两用锅炉温水循环采暖装置的设想，当列车正常运行时，以电锅炉温水循环采暖为主；当发电车发生供电故障或偶遇极端低温天气电锅炉采暖能力不足时，启用煤锅炉作为电锅炉采暖的补充，保证旅客安全。

电煤锅炉采暖系统设计目的是为了降低乘务人员的劳动强度，在原LHN-2001型流动燃烧环保锅炉基础上，增加锅炉电热功能，设置自动控制装置，电热工况具备自动控制功能。系统由电煤锅炉、膨胀水箱、温水循环管路、循环水泵、散热器、缺水开关、水温传感器、车内温度传感器、电控箱等组成。锅炉设置缺水自动报警保护装置、漏电保护装置、电热工况防沸腾温控装置。散热管路采用碳钢套片式散热管，锅炉室内设燃煤炊事炉。电煤锅炉采暖系统构成见图1，电煤锅炉采暖系统原理见图2。

煤电两用锅炉装机最大电热功率为48 kW（其中6 kW备用），在最大电热功率工况下或燃煤工况下的锅炉发热量均大于43 kW。

2.2 电控系统设计

电煤两用锅炉电控系统包含加热器控制系统和循环水泵控制系统，根据采暖实际运用要求，需具备自动和应急2种工作模式，这2种模式可通过转换选择开关进行切换选择，并通过指示灯显示。电煤两用锅炉主电路见图3，控制电路见图4。

图1 电煤锅炉采暖系统构成

图2 电煤锅炉采暖系统原理

图3 电煤两用锅炉主电路

2.2.1 自动工作模式

当加热器控制选择转换和循环水泵控制选择转换都选择自动模式时，加热器及循环水泵由PLC进行控制：当锅炉水位高于警戒水位时，客室温度控制器通过客室温度传感器采集客室温度，当客室温度低于设定温度下限时，电热器逐档启动，启动延时15 min；当客室温度高于上限时，电热器逐档关闭，关闭延时15 min；当锅炉水温高于90 ℃时，开启循环水泵，当锅炉水温低于85 ℃时，关闭循环水泵。

当加热器控制选择转换和循环水泵控制选择转换都选择自动模式时，如锅炉水位低于警戒水位，锅炉缺水报警灯亮，加热器及循环水泵均关闭。

2.2.2 应急工作模式

加热器控制和循环水泵控制都设置应急工作模式，此模式下可通过手动旋钮控制加热器和循环水泵工作，不受锅炉缺水和温度限制。

2.2.3 加热管及循环水泵工作故障显示

图4 电煤两用锅炉控制电路

电控系统包含故障检测单元，通过霍尔元件检测加热管及循环水泵的工作电流判断加热管及循环水泵是否发生故障，如果工作正常，检测单元对应的指示灯亮绿灯；如有故障，检测单元对应的指示灯亮红灯。

3 结束语

国际联运车的研发设计是建立在铁路客车（尤其是青藏铁路客车）近几年成熟、可靠的技术基础上，首次将电煤两用锅炉装车试用，大大减轻了乘务人员的工作强度，提高旅客乘坐的舒适性。新造的国际联运车于2013年1月在国内多次进行试运行，并于2013年3月中旬在国外（蒙古与俄罗斯境内）低温环境下进行试运行，试运行过程中对电煤两用锅炉的各种运行工况进行了验证，锅炉工作状态良好。

[1] GB/T 12817—2004 铁道客车通用技术条件[S].

[2] TB/T 1957—1991 铁路空调客车热工计算方法[S]．

[3] TB 1951—1987 客车空调设计参数[S]．