高原地区轨道列车制氧系统的设计方法

于海飞，宋新宇，毛旭兵，刘林林

（1-中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210031；2-湖北江华机械有限公司，湖北襄阳 441021）

0 引言

平原地区的旅客在乘坐轨道列车进入高原地区时，海拔逐渐升高，车内氧气浓度逐渐降低，车内若无供氧系统，旅客会产生如头痛、乏力、恶心和胸闷，甚至出现呼吸困难等症状，在医学上统称为高原反应，若不能及时采取吸氧措施，会引起高原病。随着海拔升高，高原反应风险逐渐增大，查瑞波等[1]和叶朝良等[2]基于人体高原反应相关生理指标，先后研究了海拔高度与急性高原反应发生风险的关系，对不同海拔时的高原反应风险进行了分区，均认为海拔超过3 200 m就进入了中风险区，而高原轨道列车大部分都运行在这一海拔之上。郝丽君等[3]从生理指标方面研究了平原人群急进高原皮质醇变化与急性高原反应的关系。陈婷婷等[4]研究发现在海拔约4 200 m区域急性高原反应（Acute Mountain Sickness，AMS）发生率达到90.64%；性别和海拔高度等因素对AMS有显著的影响，年龄、身体质量指数和吸烟史对AMS部分症状有显著影响。此外，相关人员研究了高原反应的预防措施[5]和治疗方法[6]。

鉴于乘客乘坐列车在进入高原过程出现高原反应可能性较大且危害大，为了保证乘客的身体健康安全，必须对高原轨道列车进行供氧，然而一般的轨道列车空调系统无法满足，需要专门设计供氧系统，并与空调系统耦合。在高原轨道列车供氧技术方面，目前有膜分离制氧技术、变压吸附制氧技术、液氧技术和增压供氧技术[7]，其中以膜分离制氧技术应用最为广泛[8]。膜分离制氧过程是一个物理过程，无任何化学反应、无需任何添加剂、无污染废物、环保制氧。制氧膜组件材料为有选择性的高分子材料，即在一定的压力作用下，根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异，氧气优先在膜上吸附渗透，从而使氧气与氮气等气体分离。过程可简单描述为：氧气在压力作用下优先在高压侧（进气侧）膜上吸附，并快速扩散（与氮气比）至低压侧（渗透侧），由于渗透侧压力低，氧气在渗透侧膜表面解吸。氧气与氮气等气体相比，其溶解扩散速度快而使渗透气（低压富氧气）中的氧气富集，进气中的氧气贫化，浓度不断降低，最后在尾气侧排出车厢外[9-10]。图1所示为制氧机制氧原理。

图1 制氧机制氧原理

轨道列车供氧方式又分为弥散式供氧和分布式供氧，前者是指将制氧机分离出的富氧空气通过管道送到空调送风的主风道，在主风道中与空调送风混合，通过空调送风口送到车厢内；后者是指通过管道直接通过富氧空气到列车定员席所在的位置附近，为每一位旅客定员设有一个供给富氧空气的快速接头插口，连接上吸氧管或氧气面罩，使人能够直接呼吸到富氧空气的方式[11]。本文针对相关供氧标准，以某高原轨道列车为例，介绍其制氧系统设计方法。

1 制氧系统的组成与工作原理

高原轨道列车制氧系统主要包括制氧机、空压机、空气罐、车上供氧管路、车下供气管路、氧浓度监测装置和排气装置等，其工作原理如图2所示。空压机吊装于车下，压缩空气全列贯通，空压机提供压缩空气，经过空气罐稳定供气压力、排出冷凝水，经制氧机内三级过滤器系统除去油、尘埃等固体杂质及大部分液态水，预热后进入膜制氧机分离出含氧量在35%~45%富氧空气。制氧机产生的富氧空气一路送入风道中进行弥散式供氧，一路通过座椅或侧墙上供氧口进行分布式供氧。根据氧浓度监测装置，客室内氧浓度可自动调节在一定范围内。

图2 制氧系统工作原理

制氧机主要由加热器、膜组件、控制阀门、控制系统和空气过滤器组成[12]。加热器的功能是保证空气分离的温度稳定，有利于产品的浓度与流量的稳定。膜组件的作用是在一定压力、一定温度下分离氧气和氮气。控制阀门用于膜分离系统的调节和控制，同时维持膜分离系统的压力。控制系统实现逻辑控制和报警处理功能。

空气过滤器用于除去供气中的水份和异物等。输出富氧浓度为35%~45%可调[13~14]。空气罐材料为不锈钢，由吊带、接线盒和安全阀排水器组成，功能是稳定供气压力，排出冷凝水。空压机主要由风机、冷却器、主机和主电机等组成，为制氧系统提供压缩空气作为制氧原料。消音器设置在制氧机排气口，用于降低氮气排放的噪音。

2 制氧系统选型依据

列车供氧系统所要求的供氧能力与列车乘客数量直接相关，而列车定员需要考虑经济性[12]与节能性[13]。某高原轨道列车大部分线路运行在海拔3 000~3 500 m，为9节编组型式，包括1辆一等座车、1辆二等座车（餐吧式）、6辆二等座车、1辆一等商务座车。其中，一等座车定员为72人/辆，二等座车（餐吧式）车定员为71人/辆，二等座车定员为93人/辆，一等商务座车定员为72人/辆。

制氧机的选型需要根据客室的制氧量需求来确定。GB/T 35414—2017《高原地区室内空间弥散供氧（氧调）要求》[14]规定了不同海拔高度的弥散供氧空间氧调的氧气浓度，轨道列车乘客属于急进高原人员，按标准在海拔3 000~3 500 m氧气浓度应大于23.6%。TB/T 3216—2009《高原铁道客车制氧系统》[11]则进一步规定富氧浓度为35%~45%（实际设计过程取38.5%），分布式人均供氧流量大于等于0.2 m3/h，客室内设计氧浓度为23.6%。高原供氧模式下，每人的最大新风量为5 m3/h。

当车厢内氧气浓度达到23.6%平衡时，制氧系统制氧量按下述公式计算[9]：

式中，Qx为新风量，m3/h；Nx为新风的氧浓度（体积比），正常均为21%；Qz为制氧量，m3/h；Nz为富氧气中氧浓度（体积比），按38.5%；Qh为不同海拔需要的标况额定制氧量，m3/h；p为不同海拔对应的大气压，kPa；p0为标准状态下的大气压，101.3 kPa。

经计算，一等座车、二等座车（餐吧式）、二等座车、一等商务车的额定制氧量分为为48、48、65和48 m3/h。

空压机空气量选型按照4 000 m海拔高度，保证整列车有1台空压机冗余的要求，经过计算每辆车需设2台空压机，每台空压机提供空气量是2.6 m3/min，单台压缩机轴输出功率为21.3 kW，空压机工作压力不低于800 kPa。所需空气罐容积为280 L。上述配置的制氧系统能够满足高原双源动力集中动车组需要制氧量的要求。

3 制氧系统控制逻辑

制氧系统设有工作方式选择开关，控制模式分为手动模式、本控模式、集控模式、应急模式和停止模式5种，各种模式的具体控制内容如表1所示。

正常情况下制氧与空压机同起同停；应急供氧时，制氧机与空压机是单独启停，需要单独的指令。

当出现如下3种情况时，制氧系统停机保护：1）空调机组通风机不工作；2）客室氧浓度高于25%；3）烟火报警。

4 制氧系统特点

4.1 一体化设计

为了提高动车组两端的动力车供氧可靠性，体现动车组一体化设计要求，拖车将制氧用压缩空气通过车端供风软管提供至动力车，制氧用压缩空气实现全列贯通。

4.2 制氧空压机过分相不停机

电气化铁路使用时，为了防止相间短路，必须在各变电所之间建立分相区，各分相区内接触网不带电。列车频繁过分相区，若过分相区没有蓄电池提供电源，空压机就会频繁非法停机导致空压机机头烧损，且停机后不能及时加载制氧，影响制氧性能[16-17]。随着高原电气化铁路的开通，制氧系统的空压机在运行期间存在分相区断电的问题。为了解决这一问题，每次过分相动车提前3 s给出信号，制氧空压机功率在3 s时间内降低到额定功率55%以下，同时每辆拖车自带应急电源，确保在过分相时空压机不断电、不停机且空载运行，过分相后空压机可以快速加载运行，为制氧机提供压缩空气用于制氧，空压机供电模式如图3所示。

图3 空压机供电模式

4.3 应急制氧

制氧机应急制氧分为自动模式和手动模式。自动应急制氧模式：列车发出自动应急供氧信号，整列车自动启动应急供氧模式，此时停止弥散供氧，启动分布式供氧；列车网络根据应急模式下所规定的应急空压机启动单元组，按顺序轮流发出空压机启动指令，制氧机接收空压机启动指令后，启动相应的空压机。若网络通讯故障，则制氧机自动轮流启动单元组内的空压机，每台空压机启动时间按规定执行。手动应急供氧模式：旋钮置于应急位，同时手动启动相应空压机即进入手动应急制氧。

5 实验验证

根据实际线路运行实验，测试了制氧机性能指标参数、空车增氧速率测定、车内达到的氧浓度指标、分布式供氧效果、车厢内含氧量安全报警等项点，能够满足TB/T 3216—2009《高原铁道客车制氧系统》[11]标准及文件要求。测试仪器如表2所示。实验结果如表3所示。

表2 测试仪器

表3 二等座车制氧系统检验结果

6 结论

本文通过实际案例介绍了高原轨道列车制氧系统的设计过程，针对某9节编组式高原列车，进行了制氧系统设备选型计算和控制逻辑设计，并对该制氧系统进行了实车运行实验，得出如下结论：

1）经计算，一等座车、二等座车（餐吧式）、二等座车和一等商务车的额定制氧量分为为48、48、65和48 m3/h；每辆车需设两台空压机，每台空压机提供空气量为2.6·m3/min，单台压缩机轴输出功率为21.3 kW，空压机工作压力不低于800 kPa。所需空气罐容积为280 L；

2）制氧系统设有工作方式选择开关，5种控制模式分别为手动模式、本控模式、集控模式、应急模式和停止模式；

3）该制氧系统具有一体化设计、制氧空压机过分相不停机和应急制氧等特点；

4）通过实际线路运行实验，该制氧系统的性能指标参数、空车增氧速率测定、车内达到的氧浓度指标、分布式供氧效果以及车厢内含氧量安全报警，能够满足TB/T 3216—2009《高原铁道客车制氧系统》[11]标准要求。