高寒冻土地区铁路抑尘剂喷洒站设计研究

田 栋

(中铁一院兰州铁道设计院有限公司，兰州 730000)

铁路具有运力大、速度快、成本低、能耗小、全天候运输等优势，一直是煤炭运输的主要方式。目前，通过铁路运输的煤炭占铁路货运总量的近50%，占全国总煤炭运量的近80%。在铁路运输过程中，由于车辆颠簸、风力作用等原因造成煤粉飞扬，对铁路沿线造成了污染，给铁路运输带来了安全隐患［1］。同时，运输过程中的煤炭流失，造成运输成本增加，经济损失严重。根据测算，运输过程中每节车煤炭损失约在0.6～0.8 t，大风季节损失近2 t，按平均每节车损失1 t计算，1列万吨列车在运输过程中煤炭损失约100 t［2］。可见，铁路运输煤尘是造成环境污染、危及运输安全和资源浪费的一个严重问题。

阻止煤炭飘洒的方法有机械加盖法、蓬布遮盖法、集装箱专用列车法和喷洒抑尘剂法等。与其他传统方法相比，喷洒抑尘剂法能节省大量的人力物力，操作简便快捷，在铁路煤炭运输抑尘中得到越来越多的运用。该方法是指在运煤列车煤层表面喷淋抑尘剂，形成具有一定的韧性、抗压、耐温和耐雨水性能的固化层，列车行驶时固化层不会剥离，从而达到防止煤尘飘洒的目的。截至目前，全路共建立了60多个煤炭抑尘站。2010年、2011年全路已累计对16亿t煤炭进行了抑尘剂喷洒处理，减少煤炭损耗约1 900多万t［3］。

虽然国内对喷洒装置和煤炭抑尘剂开展了大量的研究，取得了大量的研究成果。但是，目前的研究主要集中于各种喷洒装置设备的研制、抑尘剂配方研制、抑尘效果的研究等方面，针对既有线抑尘剂喷洒设施设计的研究成果很少，特别是针对高寒、高海拔地区铁路抑尘剂喷洒站的工艺设计研究，未见相关研究成果。

以木里铁路抑尘剂喷洒站建设为例，通过分析高寒冻土地区铁路抑尘剂喷洒站设计过程中需要重点考虑和关注的问题，落实原铁道部颁布的相关技术标准和规定［4，5］，根据喷洒站所在区域自然气候特征、地质条件、既有站场现状和运输组织要求等因素，对比分析各种喷洒装置，选择适用该区域的喷洒装置;结合铁路限界要求和需要重点考虑的因素，合理布置抑尘剂喷洒站，合理选择抑尘剂类型，从而为高寒冻土地区铁路抑尘剂喷洒站的工艺设计提供参考，为完善抑尘剂喷洒站设施建设，确保抑尘效果有所指导和借鉴。

1 研究区概况

木里铁路位于青海省东北部的刚察县、祁连县、天峻县境内，线路所在区域属大陆性高原气候区，气温低，温差大，年平均气温－0.3℃，最热月平均气温11.4℃，最冷月平均气温－13.3℃;年均大风日数(≥8级)47 d，年均风速3.4 m/s，最高风速29 m/s，主导风向 N;海拔3 600～3 950 m，最大季节冻土深度350 cm。

该线主要为解决木里地区煤炭外运而建，于2010年正式通车。设计年度不办理客运，铁路等级为国铁Ⅱ级，单线，限制坡度为双机12.5‰，最小曲线半径600 m，内燃牵引，牵引质量3 000 t，到发线有效长度650 m，64D半自动闭塞。根据沿线煤炭资源的储量、分布及开发规模，远景年输送能力为1 400万t/年，该线运量90%运往西宁及以远，主要供酒钢、兰钢、西钢、成钢和武钢等企业，约10%供格尔木方向，主要供西藏及青藏线沿线地区。

2 研究内容

结合木里铁路现状和该区域气候特征和地质条件，在设计中需要重点分析、解决以下问题:①针对低气温、冻土和预留电气化条件等因素，解决喷洒装置选型问题;②对控制系统进行分析，为合理选择控制设备提供支持;③针对低气温条件和站区周边环境脆弱情况，解决余液回收和保温防冻等问题;④针对堆煤场运行现状及铁路限界要求，解决喷洒站布置问题。

3 抑尘剂喷洒站设计

抑尘剂喷洒站主要由构筑物、配液系统、喷洒系统和控制系统组成［6］。构筑物包括房屋、道路和设备基础等;配液系统包括预溶加料机、搅拌罐、储液罐、喷洒泵、保温防冻等;喷洒系统包括输水管，管道泵，喷洒、清洗和回收装置等;控制系统主要由配电柜、计算机、监控探头、光电检测、雷达测速系统等组成。

3.1 喷洒装置选择

喷洒装置主要可分为固定式和移动式两类。固定式喷洒装置又可分为:摆臂式、龙门式、对喷式和侧喷式4种形式;移动式喷洒装置主要是移动喷洒车和小型移动喷洒车［7，8］，由于移动式喷洒装置不能实施全天候喷淋，并受道路交通、安全等因素制约，应用范围较小。

从喷洒效果、适应范围、铁路限界、线间距要求、施工难度、性能和维修的难易程度等方面，对摆臂式、龙门式、对喷式和侧喷式4种形式的喷洒装置进行对比分析，详见表1。

根据表1分析可以看出，摆臂式和龙门式虽然喷洒均匀，效果好，考虑到本线预留电气化条件，将来进行电气化改造后需对喷洒装置进行技术改造，且线路所在区域气候条件恶劣、气温低、温差大，摆臂式和龙门式结构复杂、安全性差，维修困难，不适用于该项目。

从适用范围、限界要求和稳定性等方面分析，对喷式和侧喷式装置基本相同;从喷洒均匀性方面分析，对喷式要好于侧喷式，侧喷式受风影响大，但对喷式施工难度稍大，侧喷式不需过轨施工，相对简单。由于线路所在区域多风，且风速较高，为保证抑尘剂喷洒的均匀性，最大程度的发挥抑尘剂效果，选择施工难度相对较 大但喷洒均匀，抑尘效果好的对喷式装置。

表1 4种形式喷洒装置对比分析

3.2 喷洒站功能要求

3.2.1 工作流程

抑尘剂喷洒过程如下:当列车即将到达时，启动喷洒程序，喷淋泵和主管道电磁阀开启，抑尘剂溶液进入喷洒管道中并保压，机车进入喷洒作业区后，光电开关反馈信号至控制系统，电磁阀保持关闭，不喷洒，此时雷达开始测速，并传输给可编程控制器(PLC)，牵引机车通过后，发出信号给PLC，根据雷达所测速度及钩档识别，PLC开启电磁阀，系统根据车速调整喷头位置和喷嘴开启数量，开始喷洒抑尘剂，在车辆钩档处，光电开关反馈信号至控制系统，电磁阀关闭，暂停喷洒，依次循环，直至一列车喷洒完成。当车辆临时停车时，雷达测速仪反馈信号至控制系统，停止喷洒作业［9-11］。喷洒流程见图1。

图1 喷洒工艺流程

3.2.2 喷洒装置功能要求

(1)自动喷洒

喷洒装置自动控制系统将光电传感技术、计算机和智能控制技术相结合，完成系统对喷洒压力、电磁阀开闭、喷头转动、调整、开闭等参数的自动控制，使这些设备在总系统控制下，根据工况要求自动控制，保证喷洒系统的最佳运行状态。

(2)流量调节

由雷达测速仪测得列车速度，控制系统根据车速的快慢控制喷嘴开启数量，达到调节流量的目的。

(3)余液回收功能

按照一般地区的做法，搅拌罐是伸入地下的，回流液通过重力能够直接流入搅拌罐，余液回收问题容易解决，而冻土区喷洒站房屋采用架空通风形式之后，所有的罐体全部置于房屋内地面之上，导致回流液无法自流到搅拌罐内，采用管道泵回抽时，由于液体量少，易发生烧泵问题，故障率较高。所以，设计时考虑在房屋之外单独设置回流液收集罐，管道从喷洒站立柱下方接入，设置电磁阀控制排空回收液管道的开闭。进行喷洒时，回流液管道电磁阀关闭;进行余液回收时，回流液管道电磁阀开启，回流液进入收集罐。对回流液收集罐采取隔热保温、防冻措施，定期将回收液抽回至搅拌罐再利用。

(4)清洗功能

抑尘液具有一定的黏性，为了防止管道及喷头堵塞，每次喷洒作业后，需要对管道、喷头进行清洗。为简化设备，结合余液回收功能，采用余液回收—清洗—再回收的作业程序。第一次余液回收使室外管道内的溶液排空，清洗时，启动储水箱中的水泵，向室外管道内注入清水并从喷头处喷出，达到清洗喷头及电磁阀的目的。清洗完后，再进行一次余液回收(排空)作业，将管道中的水排空，为下次喷洒作业做好准备。

(5)防冻功能

为了保证喷洒装置在低温情况下正常运行，抑尘剂喷洒站室外管道和喷洒装置应有防冻功能。对于室外管道的防冻问题，从两个方面考虑解决，一是提高管道中水温，二是选择适宜于抑尘剂喷洒系统的管道埋设及隔热保温方式。

通过对抑尘剂进行预拌和，寒冷季节采取预加热处理等方式，可提高抑尘液温度。

多年冻土区管道的铺设形式可分为:深埋式、浅埋式、地沟式、路堤式和架空式，不同的铺设形式具有不同的优缺点［12］。由于抑尘剂喷洒站管道较短，且管道需要过轨，故采用浅埋式管道较为适宜，并设置电伴热及保温材料，埋设深度宜在多年冻土上限以上，地面以下1.0～1.5 m处，保温层应选用绝缘性能好，吸水性小的保温材料，如聚酚醛泡沫塑料、可发性聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨脂泡沫塑料等。保温层厚度根据当地气温、地温及管道的运营条件，通过热力计算后确定。管道防护和保温布置见图2。对于外露的管道，采用电伴热加保温材料的方式，结合喷洒装置余液回收功能，放空管道余液，可解决外露管道防冻问题。

管道电伴热保温是利用安装在绝热层和管道(或设备)外壁之间的电热带通电发热，来补充输水或贮水过程中所散失的热量，以维持水温在一定的范围内，达到保温和防冻的目的。电伴热保温根据电缆形式的不同可分为自调控式发热电缆电伴热保温和恒功率发热电缆电伴热保温［13］。前者能够实现自动控制，当管道温度低于电伴热保温系统设定温度时，系统可以对管道自动加温;后者采用恒定功率持续发热保温。

为了最大程度的保护冻土层，电伴热采用自调控式发热电缆，当管道温度低于电伴热保温系统设定温度时，系统可以对管道自动加温。根据不同季节室外最低温度，调整设定温度，使得管道既不结冻，也不向外散热。

图2 管道防护和保温示意

(6)应急功能

为了适应各种复杂的作业情况，如在不同风速情况下实现最佳的喷洒效果，设备出现故障时能够及时检修调试，喷洒装置应有应急模式，如半自动喷洒、手动喷洒和备用喷洒等功能。备用喷洒功能可在主系统故障或维修时使用。

3.3 喷洒站布置

3.3.1 平面布置

喷洒站布置时，应综合考虑站内信号机、轨道衡、转辙机或道岔以及喷洒需要控制的股道等因素确定。喷洒站应该选择在进站信号机和出站信号机之间，不能对站内信号产生影响。在有轨道衡的站区，喷洒站应结合过衡作业过程布置，以简化喷洒作业流程。为避免抑尘液对轨道衡的影响，喷洒站与轨道衡之间应保留一定的距离。为了同时控制两个股道装煤列车的喷洒，有时喷洒站需要布置在转辙机或道岔附近，为了保证转辙机或道岔的正常运行，不被抑尘液影响，寒冷季节不被冻结，喷洒站与转辙机或道岔之间应保留一定的防护距离。

3.3.2 铁路限界要求

根据《铁路技术管理规程》、《铁路车站及枢纽设计规范》(GB5009—2006)，确定对喷设备高度5.5 m;设备基础边缘距离轨道中心2.7 m;喷洒立柱宽度0.5 m，车辆高度(距轨面)3.143 m，详细布置见图3。根据《铁路技术管理规程》和《铁路车站及枢纽设计规范》(GB5009—2006):接触网带电部分至固定接地物距离不小于0.3 m，跨越电气化铁路的各种建筑物与带电部分最小距离不小于 0.5 m［14，15］，由于预留接触网电缆高度6.2 m，设备顶端距离预留接触网最近处为3.03 m，符合安全及铁路限界要求。

图3 对喷式喷洒装置立面(单位:m)

3.3.3 喷洒量计算

为了确定喷洒装置的功率、喷洒量、泵的流量、压力、储液罐、搅拌站的大小等，需要根据理想情况，计算不同车速情况下的抑尘液用量。一般情况，抑尘剂喷洒量为 2.0 L/m2，假定车内宽为 2.9 m，车长为13.0 m，车速为30 km/h，按喷洒面与车宽相同计算，以此来计算不同车速下的喷洒量值，详见表2。

表2 不同车速下喷洒量值

3.4 抑尘剂选择

抑尘剂种类繁多，各有特点，从物理性状分，可分为液态溶剂型和固态粉末型两种。液态溶剂型抑尘剂不用预溶，直接加入搅拌罐与水混合，经搅拌后使用;固态粉末型需经预溶后，才能进入搅拌罐与水混合，经搅拌后使用。由于液态抑尘剂不便长途运输，受仓储和温度条件限制，铁路抑尘多采用固态粉状抑尘剂。

选用的抑尘剂产品应有以下特性:①粘结性能好，形成的固化层有一定的强度;②具有良好的抗雨淋和防冻性能，不因雨淋和低气温而影响固化层的粘结性能;③不影响煤的燃烧性能，燃烧后不产生有毒有害成分;④无毒无害、可生物降解、符合环保要求;⑤对钢材、橡胶、漆层等无腐蚀;⑥成本低、易喷洒、易贮运。

根据上述选择原则，结合本项目所处地理位置偏远、运输条件差、自然气候条件恶劣的情况，可选择抑尘效果好、贮存方便的固态复合浓缩型抑尘剂。

3.5 冻土与环境保护

木里铁路所在区域属于多年冻土Ⅱ区，即高温不稳定多年冻土亚区，年平均地温高于－1.0℃，冻土类型主要为低含冰量冻土(多冰冻土)，夹杂高含冰量冻土(富冰冻土)。由于冻土有融沉性和冻胀性，敏感性高，触动易融化，喷洒设备房屋不适宜采用地基基础。因此，抑尘剂喷洒设备间房屋采用架空通风形式，桩基形式采用钻孔桩基础。为最大限度地减少对多年冻土的扰动，采用干钻法(旋挖钻机成孔)施工，桩端进入多年冻土上限埋深以下一定安全深度;电伴热采用自调控式发热电缆，可根据不同季节室外最低温度，调整设定温度，使得管道既不结冻，也不向外散热。采取上述房屋基础形式、施工方法和管道防冻保温措施，可最大程度的保护冻土层。

为了最大程度地保护站区周边脆弱的生态环境，除了在施工期和运营期严格落实项目环评报告提出的各项环保措施外，在项目运营期还应重点控制抑尘剂对站区周边环境的污染，选择抑尘剂时，应根据抑尘剂化验或者检测报告，选择无毒、无害，不污染水质，可生物降解的环境友好型产品，并加强对喷洒设备的维护，减少抑尘液的漏失。

4 结论

(1)对位于气候条件恶劣、高寒冻土区域的铁路抑尘剂喷洒站，应选择适合车速范围广，故障率小，维修方便，电化和非电化区段均能使用，且喷洒均匀的对喷式装置。喷洒装置应具有自动喷洒、流量调节、清洗、余液回收、防冻和应急功能。

(2)喷洒站布置时，应综合考虑站内信号机、轨道衡、转辙机或道岔和喷洒需要控制的股道等因素确定。喷洒站布置不能对站内信号产生影响;在有轨道衡的站区，喷洒站应结合过衡作业过程布置，以简化喷洒作业流程;当喷洒站需要布置在转辙机或道岔附近时，应预留一定的安全距离，以保证转辙机或道岔的正常运行，不被抑尘液影响，寒冷季节不被冻结。

(3)喷洒站房屋采用架空通风形式时，回流液收集罐可在房屋之外单独设置，并设置自动控制装置;对回流液收集罐采取隔热保温、防冻措施，定期将回收液抽回至搅拌罐再利用。冻土地区管道宜采用浅埋式，自调控式发热电缆电伴热，保温材料要求绝缘性能好，吸水性小。

(4)对喷式喷洒装置立柱高度5.5 m，静态设备边缘距离轨道中心距离2.7 m，喷洒立柱宽度0.5 m，车辆高度(距轨面)3.143 m时，可以满足《铁路技术管理规程》、《铁路车站及枢纽设计规范》(GB5009—2006)中对铁路限界的强制性要求。

(5)在抑尘剂选择时，除了考虑抑尘剂的一般特点之外，还应结合自然条件、运输条件、贮存和环保要求，选择耐低温、耐贮运、无毒无害、可生物降解和环境友好的固态复合浓缩型产品。

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