高原铁路动车组压力波保护方式与制氧系统匹配控制方案探讨

储成龙，郭 丹，周新喜，焦京海

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心， 山东 青岛 266111)

高原铁路大部分线路处于海拔3 000 m以上的高原地带，最高海拔位于东达山垭口(5 100 m)，大气中的氧气随着海拔高度的升高而下降，会对人体各系统产生不同程度的影响，导致人体产生一系列高原反应，致使人体机能明显下降。当海拔超过3 000 m以上时，空气稀少，列车内需要配置供氧系统。

高原铁路列车将以复兴号动车组为平台，研究增设空调制氧系统。高原铁路动车组内为气密性车体，高速运行时需要考虑车外压力波变化对车内压力的影响，需要设置压力波保护系统来降低车内压力波动，并在压力波保护系统工作时统筹控制车内氧气浓度[1-3]。

1 制氧系统

制氧系统由空气供给系统、空气预处理系统、富氧发生系统、富氧输送及控制系统组成[4]。制氧系统的结构型式为单元式或分体式，分体式制氧系统分为车下和车上两部分安装，车下部分主要包括空气压缩机、空气缓冲罐、整列互备压缩空气管线；车上部分主要包括切断阀、膜分离器、背压调节阀、流量调整阀在内的膜分离制氧系统，模块化吸附分离装置，控制系统(含监视仪器、触摸屏等)，车厢内氧气传感器。

富氧空气拟通过弥散式和分布式相结合的供氧方式供给乘客使用：弥散式供氧将富氧空气接入车内主送风道，在主送风道内富氧空气与客室送风混合，通过支送风口送到车厢各区域；分布式供氧通过管路将富氧空气输送到座椅位置附近，并设计快速接头插口，配合吸氧便捷装置，乘客能直接吸入富氧空气[5]。

车厢空调主送风道与制氧系统联合运行示意图见图1。车厢回风道内设置有氧浓度测点，将测得的氧浓度信号返馈给控制器，控制制氧机的工作模式[6]。

图1 车厢空调主送风道与制氧系统联合运行示意图

2 压力波保护系统

高速动车组由于通过隧道/会车时车外压力变化较大，较大的压力波变化直接传入车内会导致乘客耳鸣，需要配置压力波保护系统保持车内压力相对稳定，一般要求车内压力≤500 Pa/s、≤800 Pa/3 s。压力波保护系统根据实现原理分为主动式压力保护波系统和被动式压力波保护系统2种[7]。

2.1 主动式压力波保护系统

主动式压力波保护系统采用连续换气装置实现，其核心部件是高静压风机。高静压风机与普通风机的特性曲线如图2所示。在外界压力大范围波动ΔP等同的情况下，高静压风机的风量变值ΔQ远小于普通风机，即高静压风机在车外压力波变化较大的工况下，可通过保证进出车厢的风量变化相对较小，实现车内压力相对稳定[8]。

图2 高静压风机与普通风机的特性曲线

实际应用时，换气装置风机压头最大静压为10 kPa，且吸气风机和排气风机装在同一电动机的两端，进风量和排风量基本相等。

2.2 被动式压力波保护系统

被动式压力波保护系统主要由压力波控制器、压力波传感器、新风风阀、废排风阀等部件组成(图3)。压力波传感器安装在头尾车，当车外压力变化较大时(隧道运行等工况)，压力波控制器根据传感器的反馈，结合阀门开/闭逻辑条件，通过切断车厢内外空气通路，实现压力波保护功能。

图3 被动式压力波保护系统

压力波保护触发逻辑与运行线路条件有关，线路条件主要包括隧道长度、隧道面积、海拔高度落差、线路两侧是否有山脉等。某车型高速动车组被动式压力波保护关阀触发条件如下[9]：

(1)|ADP(t)|>600 Pa，连续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表示当前时间，ADP(t)表示当前时间车辆内部和外部之间的压力差，ADP(t-60)、ADP(t-240)、ADP(t-150)、ADP(t-300)、ADP(t-450)分别表示60 ms、240 ms、150 ms、300 ms、450 ms前车辆内部和外部之间的压力差。压力波控制器根据计算，满足以上任意一个条件时，通过硬线信号控制各车厢风阀关闭。

压力波保护开阀触发条件为：|ADP(t)|<500 Pa，持续1 s，且风阀打开瞬间车内外压差绝对值<500 Pa。

2.3 2种压力波保护方式对比

采用主动式压力波保护时，在连续隧道、长隧道或者海拔落差较大的线路条件下，高静压风机能够给车内持续供应新风，车内空气质量相对较好。

采用被动式压力波保护时，需要切断车内外空气通路，在连续隧道、长隧道或者海拔落差较大的线路条件下，由于长时间没有提供新鲜空气，车内CO2浓度逐步升高、氧气减少，空气质量降低，会引起乘客胸闷等不适。因此，被动式压力波保护系统控制逻辑中设有强制开阀条件，即风阀关闭时间达到10 min时，强制开启风阀1 min，以保证车内新风供应。但是在强制开启瞬间压力波动大，会造成乘客严重耳鸣，舒适性降低。

3 制氧系统与压力波保护方式匹配探讨

3.1 制氧系统与被动式压力波保护系统

高原线路海拔落差大、隧道长且连续隧道多，采用被动式压力波保护方式，车辆在线路运行时，很容易触发关阀条件，分以下2种情况进行分析：

(1) 风阀关闭后车内为正压。车内压力大于外界大气压力，最高压差可达2 000 Pa以上，车内正压需要通过车体微小的泄漏缓慢降低，当满足车内外压差小于500 Pa时，开阀才不会造成乘客耳鸣。制氧系统向车内供氧时，是把外界的大气转化为富氧空气送入车内，此过程相当于在缓慢增加车内压力，不利于车内外压差平衡，造成风阀长时间关闭，最终会触发强制开阀条件，引起乘客耳鸣。

(2) 风阀关闭后车内为负压。车内压力小于外界大气压力，最高压差可达3 000 Pa以上，车内负压平衡时间更长，根据既有西安—成都线路海拔运行状况，车内负压较大时只能通过强制泄压实现。在风阀关闭期间，制氧系统开启可以略微增加车内压力，但是氧浓度范围控制在22%～23.5%之间，供氧增加的空气对平衡车内负压作用非常有限，且车内CO2逐步升高，大约10 min内浓度会上升到约3 000 ppm，引起乘客不适。

综上，在高原线路海拔落差大、隧道长且连续隧道多的特点下，采用既有被动式压力波保护方式时，风阀长期处于关闭状态，多数情况下为了满足新风量要求强制开阀，在强制开阀瞬间，车内空气量变化大，氧气浓度难以控制。需要对既有被动式压力波保护方案进行优化，增加主动调压阀装置，即在车内外压差较大时，主动调压阀打开，通过控制主动调压阀气孔开度平衡车内外压差。在车内外压差较小时，打开被动式压力波保护的风阀，再结合制氧系统控制车内氧气浓度。

3.2 制氧系统与主动式压力波保护系统

主动式压力波保护系统在车辆运行过程中持续供应新风，其特点适用于高原铁路线路。考虑车速对车内压力波动的影响，对主动式压力波保护的高静压风机进行分频控制。当车速<160 km/h时，高静压风机以低频运行；当车速≥160 km/h时，高静压风机以高频运行。列车高速运行时，高静压风机高频运行可抑制车外较大压力波动通过新风路径向车内传递，保证旅客乘坐舒适度[10]。

在海拔高度≥3 000 m时，开启制氧系统，根据布置在回风口处的氧浓度传感器反馈，空调控制器自动控制车内氧浓度和压力波范围，提升旅客乘坐舒适度。

4 结束语

本文介绍了高原复杂环境下铁路动车组制氧系统的制氧原理，对比了主动式和被动式压力波保护方式的实现机理和适用场合。根据高原铁路线路特点，提出优先采用主动式压力波保护方式匹配制氧系统，在必须采用被动式压力波保护方案的场合时，需要配合主动调压阀装置降低车内外压差，再和制氧系统共同控制车内环境舒适度。