HXD2型机车风源净化系统的合理配置浅析

2013-11-25李映晨黄思俊

机械管理开发 2013年3期

李映晨，宋瑶，黄思俊

(北京赛德高科铁道电气科技有限责任公司，北京 100176)

0 引言

压缩空气净化处理是指压缩空气经过除尘、除油、除水后，使之达到压缩空气质量等级标准，满足机车对压缩空气品质的要求。压缩空气净化处理设备一般分为两类：过滤设备（主要功能是除尘、除油）和干燥器（主要功能是脱湿）。机车风源系统是机车空气管路系统的基础，它为机车、车辆的气动元件及制动机提供高质量洁净干燥和稳定的压缩空气[1]。机车风源系统的主要部件（如空气压缩机组、风源净化装置等）均需进行认真的选型和设计计算。影响机车风源供风质量的主要因素有风源净化系统的设置、布局及干燥器的选型。

1 机车风源净化系统的布局原则

机车风源系统中，空气压缩机之后安装汽水分离器、除油除尘过滤器；然后安装干燥器、后置过滤器；最后进入总风缸。其中配合排污电磁阀，去除包含于空压机输出饱和湿度空气内，因温度下降析出的大量液态水和油滴；实现对压缩空气的预净化处理，减轻空气净化系统中干燥器及后置过滤器的负担，延长维护周期，增加系统的可靠性。

2 HXD2型机车风源净化系统介绍

1）机车风源净化系统，包括汽水分离器、预过滤器、精密过滤器、排污电磁阀、干燥器、后置过滤器。气水分离器和自带排污电磁阀，去除包含于空压机输出饱和湿度空气内，因温度下降析出的大量液态水。压缩空气进入预过滤器和精密过滤器后，先由滤芯去除油和灰尘，再由排污电磁阀排出，然后压缩空气进入干燥器，由干燥剂去除水分，降低露点；最后由后置过滤器进行精滤。2）汽水分离器，可除去99%以上的水、油等液体污染物，并配有排污电磁阀。3）预过滤器和精密过滤器。预过滤器用于去除1 μm以上的粒子，并可凝聚液态油水；在21℃条件下，油雾含量不超过0.5 mg/m3。精密过滤器用于去除包括油、水在内的0.01 μm以上的粒子；在21℃条件下，油雾含量不超过0.01 mg/m3。4）排污电磁阀，是电气控制的电磁阀，目的是从各种过滤器中排出凝结水、油等液体污染物。该阀由空压机控制器自动控制。5）空气干燥器，是吸附式无热再生压缩空气干燥器。6）后置过滤器，过滤精度1 μm、过滤效率99.9%，配有手动排污阀。

3 HXD2型机车的压缩空气质量

压缩空气中三种主要杂质为：固体粒子、油、水；他们之间相互影响（例如：固体粒子有油或水时可聚结成较大颗粒，油和水作用时可发生乳化现象）；有时会在压缩空气系统管路内壁上发生凝聚或液化（例如：油蒸汽或水蒸气）；其他污染物也应考虑在内（包括微生物体和气态污染物）。ISO 8573-1：2001（E）标准及HXD2型电力机车的采购规范规定了机车压缩空气质量要求：固体颗粒等级为2级，含油量等级为2级，湿度等级为2级，见表1。

表1 固体粒子、含油量、湿度等级

4 压缩空气干燥器的选型

1）造型概述。常用的压缩空气干燥设备有三种：冷冻式、吸附式、组合式。冷冻式压缩空气干燥器，因其工作原理和结构所限，压缩空气出口压力露点达不到要求。机车对压缩空气的压力露点要求较高（HXD2型机车要求-40℃的压力露点），此时只能选用吸附式或组合式。吸附干燥是吸附分离技术的应用之一。当气体中有固体颗粒时，气体中的某些组分便富集于固体颗粒，这过程叫吸附过程。吸附是非均相系统（比如气体-固体系统）中的两相界面上发生的传质与富集过程。吸附操作的逆过程，通常称为再生过程。具有一定选择性吸附功能的多孔性固体物质称为吸附剂，吸附剂上富集的物质称为吸附质。压缩空气干燥中，吸附质为水蒸气，它以物理吸附为主。吸附剂的再生方式可有两种：（1）无热再生：把干燥后的压缩空气分流出来的一部分，降压至接近大气压（其中的水蒸气分压很低），不加热的情况下再生已饱和吸附剂。采用无热再生原理的干燥器叫无热再生干燥器。（2）有热再生：在加热状态下再生已饱和的吸附剂。

2）吸附剂。吸附剂是吸附分离的物质基础。压缩空气干燥脱水中常用的吸附剂有：硅胶，活性氧化铝，分子筛。无热再生干燥器的吸附剂通常为活性氧化铝或分子筛，活性氧化铝的抗破裂性能要优于分子筛等其他材料。

3）干燥器的选型。根据机车风源系统的实际情况、成本能耗维护等原因，HXD2型机车选用无热再生吸附式干燥器，采用活性氧化铝为吸附剂，压力露点在-40℃以下。

5 HXD2机车的干燥器结构特点

无热再生吸附式干燥器的结构较简单，见图1。干燥器下部的压缩空气进口处一般有四个阀门，分别称为换向阀和排气阀，排气阀6控制吸附塔卸压、再生气排放和再生完成后吸附塔的“均压”。两个换向阀1控制了压缩空气的流动方向，决定了吸附和再生的切换。运行时这四个阀门对角动作，干燥器中采用电磁阀作为换向阀。

吸附式无热再生干燥器的特点，主要表现如下：1）双塔干燥再生转换工作周期短。HXD2型机车的干燥再生转换工作周期为：干燥时间120 s，再生时间为90 s。2）再生耗气率低。再生耗气率的大小应当按实际运用条件确定，太大或太小都不好。耗气率太大对吸附剂再生充分，使输出的空气质量能充分干燥，但浪费过多的压缩空气、加长能耗。耗气率太小会使干燥器不能充分再生、干燥能力下降，甚至达不到风源系统的基本输出要求。

图1 无热再生吸附式干燥器的结构图

6 HXD2型机车的干燥器再生耗气率的校验计算

如何确定最佳的耗气率，主要是按两个关键参数计算：1）工作压力（或是空气压缩比n）；2）每个工作循环内，干燥塔的干燥时间与再生时间的比值（t1/t2）。具体介绍如下：（1）吸附和再生过程。一定量的干燥剂通过一定单位体积的潮湿空气后，吸附其中的水汽，输出不含水蒸汽的干燥空气（近似）。与此过程相反，上述干燥剂吸水之后，反向通过同样一定单位体积的干燥空气时，干燥剂脱附，变成再生过程。先前吸附的水蒸气恰好能被同样单位的干燥空气带走。（2）按理想气体的实验定律，在密封的容器中，一定量的气体在温度不变时，压力P和体积V的关系为：PV=常量，一定量的封闭空气，体积和压力成反比。（3）干燥器工作时，对于干燥塔，设工作压力n个大气压，流量Q1,干燥时间t1；那么,干燥通过的空气量为V1=Q1t1。（4）对于再生塔，因它直通大气，再生时塔内的压力为1个大气压，流量Q2，再生时间t2。因再生时进入的是n个大气压的压缩空气，此处压力下降到了1个大气压，根据上述（2）条，此时空气体积膨胀n倍。通过的体积是：V2=n Q2t2.（5）根据上述（1）条，再生气体量恰好完成再生的状态时V1=V2,即Q1t1=nQ2t2.故再生耗气率=Q2/Q1=t1/（nt2）×100%.（6）对于HXD2型机车干燥器，干燥时间t1=120 s，再生时间t2=90 s，n压缩比其实就等于额定压力值（9×105）Pa。经计算得理想耗气率恰好为15%，符合铁标要求。