鐵路抑塵劑噴灑站設計

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1、研究區概況

木里鐵路位于青海省東北部的剛察縣、祁連縣、天峻縣境內,線路所在區域屬大陸性高原氣候區,氣溫低,溫差大,年平均氣溫-0.3益,最熱月平均氣溫11.4益,最冷月平均氣溫-13.3益;年均大風日數(逸8級)47d,年均風速3.4m/s,最高風速29m/s,主導風向N;海拔3600~3950m,最大季節凍土深度350cm。該線主要為解決木里地區煤炭外運而建,于2010年正式通車。設計年度不辦理客運,鐵路等級為國鐵域級,單線,限制坡度為雙機12.5譯,最小曲線半徑600m,內燃牽引,牽引質量3000t,到發線有效長度650m,64D半自動閉塞。根據沿線煤炭資源的儲量、分布及開發規模,遠景年輸送能力為1400萬t/年,該線運量90%運往西寧及以遠,主要供酒鋼、蘭鋼、西鋼、成鋼和武鋼等企業,約10%供格爾木方向,主要供西藏及青藏線沿線地區。

2、研究內容

結合木里鐵路現狀和該區域氣候特征和地質條件,在設計中需要重點分析、解決以下問題:淤針對低氣溫、凍土和預留電氣化條件等因素,解決噴灑裝置選型問題;于對控制系統進行分析,為合理選擇控制設備提供支持;盂針對低氣溫條件和站區周邊環境脆弱情況,解決余液回收和保溫防凍等問題;榆針對堆煤場運行現狀及鐵路限界要求,解決噴灑站布置問題。

3、抑塵劑噴灑站設計

抑塵劑噴灑站主要由構筑物、配液系統、噴灑系統和控制系統組成。構筑物包括房屋、道路和設備基礎等;配液系統包括預溶加料機、攪拌罐、儲液罐、噴灑泵、保溫防凍等;噴灑系統包括輸水管,管道泵,噴灑、清洗和回收裝置等;控制系統主要由配電柜、計算機、監控探頭、光電檢測、雷達測速系統等組成。

3.1、噴灑裝置選擇

噴灑裝置主要可分為固定式和移動式兩類。固定式噴灑裝置又可分為:擺臂式、龍門式、對噴式和側噴式4種形式;移動式噴灑裝置主要是移動噴灑車和小型移動噴灑車,由于移動式噴灑裝置不能實施全天候噴淋,并受道路交通、安全等因素制約,應用范圍較小。從噴灑效果、適應范圍、鐵路限界、線間距要求、施工難度、性能和維修的難易程度等方面,對擺臂式、龍門式、對噴式和側噴式4種形式的噴灑裝置進行對比分析。擺臂式和龍門式雖然噴灑均勻,效果好,考慮到本線預留電氣化條件,將來進行電氣化改造后需對噴灑裝置進行技術改造,且線路所在區域氣候條件惡劣、氣溫低、溫差大,擺臂式和龍門式結構復雜、安全性差,維修困難,不適用于該項目。從適用范圍、限界要求和穩定性等方面分析,對噴式和側噴式裝置基本相同;從噴灑均勻性方面分析,對噴式要好于側噴式,側噴式受風影響大,但對噴式施工難度稍大,側噴式不需過軌施工,相對簡單。由于線路所在區域多風,且風速較高,為保證抑塵劑噴灑的均勻性,最大程度的發揮抑塵劑效果,選擇施工難度相對較大但噴灑均勻,抑塵效果好的對噴式裝置。

3.2、噴灑站功能要求

3.2.1、工作流程

抑塵劑噴灑過程如下:當列車即將到達時,啟動噴灑程序,噴淋泵和主管道電磁閥開啟,抑塵劑溶液進入噴灑管道中并保壓,機車進入噴灑作業區后,光電開關反饋信號至控制系統,電磁閥保持關閉,不噴灑,此時雷達開始測速,并傳輸給可編程控制器(PLC),牽引機車通過后,發出信號給PLC,根據雷達所測速度及鉤檔識別,PLC開啟電磁閥,系統根據車速調整噴頭位置和噴嘴開啟數量,開始噴灑抑塵劑,在車輛鉤檔處,光電開關反饋信號至控制系統,電磁閥關閉,暫停噴灑,依次循環,直至一列車噴灑完成。當車輛臨時停車時,雷達測速儀反饋信號至控制系統,停止噴灑作業。

3.2.2、噴灑裝置功能要求

(1)自動噴灑噴灑裝置自動控制系統將光電傳感技術、計算機和智能控制技術相結合,完成系統對噴灑壓力、電磁閥開閉、噴頭轉動、調整、開閉等參數的自動控制,使這些設備在總系統控制下,根據工況要求自動控制,保證噴灑系統的最佳運行狀態。

(2)流量調節由雷達測速儀測得列車速度,控制系統根據車速的快慢控制噴嘴開啟數量,達到調節流量的目的。

(3)余液回收功能按照一般地區的做法,攪拌罐是伸入地下的,回流液通過重力能夠直接流入攪拌罐,余液回收問題容易解決,而凍土區噴灑站房屋采用架空通風形式之后,所有的罐體全部置于房屋內地面之上,導致回流液無法自流到攪拌罐內,采用管道泵回抽時,由于液體量少,易發生燒泵問題,故障率較高。所以,設計時考慮在房屋之外單獨設置回流液收集罐,管道從噴灑站立柱下方接入,設置電磁閥控制排空回收液管道的開閉。進行噴灑時,回流液管道電磁閥關閉;進行余液回收時,回流液管道電磁閥開啟,回流液進入收集罐。對回流液收集罐采取隔熱保溫、防凍措施,定期將回收液抽回至攪拌罐再利用。

(4)清洗功能抑塵液具有一定的黏性,為了防止管道及噴頭堵塞,每次噴灑作業后,需要對管道、噴頭進行清洗。為簡化設備,結合余液回收功能,采用余液回收—清洗—再回收的作業程序。第一次余液回收使室外管道內的溶液排空,清洗時,啟動儲水箱中的水泵,向室外管道內注入清水并從噴頭處噴出,達到清洗噴頭及電磁閥的目的。清洗完后,再進行一次余液回收(排空)作業,將管道中的水排空,為下次噴灑作業做好準備。

(5)防凍功能為了保證噴灑裝置在低溫情況下正常運行,抑塵劑噴灑站室外管道和噴灑裝置應有防凍功能。對于室外管道的防凍問題,從兩個方面考慮解決,一是提高管道中水溫,二是選擇適宜于抑塵劑噴灑系統的管道埋設及隔熱保溫方式。通過對抑塵劑進行預拌和,寒冷季節采取預加熱處理等方式,可提高抑塵液溫度。多年凍土區管道的鋪設形式可分為:深埋式、淺埋式、地溝式、路堤式和架空式,不同的鋪設形式具有不同的優缺點。由于抑塵劑噴灑站管道較短,且管道需要過軌,故采用淺埋式管道較為適宜,并設置電伴熱及保溫材料,埋設深度宜在多年凍土上限以上,地面以下1.0~1.5m處,保溫層應選用絕緣性能好,吸水性小的保溫材料,如聚酚醛泡沫塑料、可發性聚苯乙烯泡沫塑料、硬質聚氨脂泡沫塑料等。保溫層厚度根據當地氣溫、地溫及管道的運營條件,通過熱力計算后確定。對于外露的管道,采用電伴熱加保溫材料的方式,結合噴灑裝置余液回收功能,放空管道余液,可解決外露管道防凍問題。管道電伴熱保溫是利用安裝在絕熱層和管道(或設備)外壁之間的電熱帶通電發熱,來補充輸水或貯水過程中所散失的熱量,以維持水溫在一定的范圍內,達到保溫和防凍的目的。電伴熱保溫根據電纜形式的不同可分為自調控式發熱電纜電伴熱保溫和恒功率發熱電纜電伴熱保溫。前者能夠實現自動控制,當管道溫度低于電伴熱保溫系統設定溫度時,系統可以對管道自動加溫;后者采用恒定功率持續發熱保溫。為了最大程度的保護凍土層,電伴熱采用自調控式發熱電纜,當管道溫度低于電伴熱保溫系統設定溫度時,系統可以對管道自動加溫。根據不同季節室外最低溫度,調整設定溫度,使得管道既不結凍,也不向外散熱。

(6)應急功能為了適應各種復雜的作業情況,如在不同風速情況下實現最佳的噴灑效果,設備出現故障時能夠及時檢修調試,噴灑裝置應有應急模式,如半自動噴灑、手動噴灑和備用噴灑等功能。備用噴灑功能可在主系統故障或維修時使用。

3.3、噴灑站布置

3.3.1、平面布置

噴灑站布置時,應綜合考慮站內信號機、軌道衡、轉轍機或道岔以及噴灑需要控制的股道等因素確定。噴灑站應該選擇在進站信號機和出站信號機之間,不能對站內信號產生影響。在有軌道衡的站區,噴灑站應結合過衡作業過程布置,以簡化噴灑作業流程。為避免抑塵液對軌道衡的影響,噴灑站與軌道衡之間應保留一定的距離。為了同時控制兩個股道裝煤列車的噴灑,有時噴灑站需要布置在轉轍機或道岔附近,為了保證轉轍機或道岔的正常運行,不被抑塵液影響,寒冷季節不被凍結,噴灑站與轉轍機或道岔之間應保留一定的防護距離。

3.3.2、鐵路限界要求根據《鐵路技術管理規程》、《鐵路車站及樞紐設計規范》(GB5009—2006),確定對噴設備高度5.5m;設備基礎邊緣距離軌道中心2.7m;噴灑立柱寬度0.5m,車輛高度(距軌面)3.143m。根據《鐵路技術管理規程》和《鐵路車站及樞紐設計規范》(GB5009—2006):接觸網帶電部分至固定接地物距離不小于0.3m,跨越電氣化鐵路的各種建筑物與帶電部分最小距離不小于0.5m[14,15],由于預留接觸網電纜高度6.2m,設備頂端距離預留接觸網最近處為3.03m,符合安全及鐵路限界要求。、

3.3.3、噴灑量計算為了確定噴灑裝置的功率、噴灑量、泵的流量、壓力、儲液罐、攪拌站的大小等,需要根據理想情況,計算不同車速情況下的抑塵液用量。一般情況,抑塵劑噴灑量為2.0L/m2,假定車內寬為2.9m,車長為13.0m,車速為30km/h,按噴灑面與車寬相同計算,以此來計算不同車速下的噴灑量值,詳見表2。

3.4、抑塵劑選擇抑塵劑種類繁多,各有特點,從物理性狀分,可分為液態溶劑型和固態粉末型兩種。液態溶劑型抑塵劑不用預溶,直接加入攪拌罐與水混合,經攪拌后使用;固態粉末型需經預溶后,才能進入攪拌罐與水混合,經攪拌后使用。由于液態抑塵劑不便長途運輸,受倉儲和溫度條件限制,鐵路抑塵多采用固態粉狀抑塵劑。選用的抑塵劑產品應有以下特性:淤粘結性能好,形成的固化層有一定的強度;于具有良好的抗雨淋和防凍性能,不因雨淋和低氣溫而影響固化層的粘結性能;盂不影響煤的燃燒性能,燃燒后不產生有毒有害成分;榆無毒無害、可生物降解、符合環保要求;虞對鋼材、橡膠、漆層等無腐蝕;愚成本低、易噴灑、易貯運。根據上述選擇原則,結合本項目所處地理位置偏遠、運輸條件差、自然氣候條件惡劣的情況,可選擇抑塵效果好、貯存方便的固態復合濃縮型抑塵劑。

3.5、凍土與環境保護

木里鐵路所在區域屬于多年凍土域區,即高溫不穩定多年凍土亞區,年平均地溫高于-1.0益,凍土類型主要為低含冰量凍土(多冰凍土),夾雜高含冰量凍土(富冰凍土)。由于凍土有融沉性和凍脹性,敏感性高,觸動易融化,噴灑設備房屋不適宜采用地基基礎。因此,抑塵劑噴灑設備間房屋采用架空通風形式,樁基形式采用鉆孔樁基礎。為最大限度地減少對多年凍土的擾動,采用干鉆法(旋挖鉆機成孔)施工,樁端進入多年凍土上限埋深以下一定安全深度;電伴熱采用自調控式發熱電纜,可根據不同季節室外最低溫度,調整設定溫度,使得管道既不結凍,也不向外散熱。采取上述房屋基礎形式、施工方法和管道防凍保溫措施,可最大程度的保護凍土層。為了最大程度地保護站區周邊脆弱的生態環境,除了在施工期和運營期嚴格落實項目環評報告提出的各項環保措施外,在項目運營期還應重點控制抑塵劑對站區周邊環境的污染,選擇抑塵劑時,應根據抑塵劑化驗或者檢測報告,選擇無毒、無害,不污染水質,可生物降解的環境友好型產品,并加強對噴灑設備的維護,減少抑塵液的漏失。

4、結論

(1)對位于氣候條件惡劣、高寒凍土區域的鐵路抑塵劑噴灑站,應選擇適合車速范圍廣,故障率小,維修方便,電化和非電化區段均能使用,且噴灑均勻的對噴式裝置。噴灑裝置應具有自動噴灑、流量調節、清洗、余液回收、防凍和應急功能。

(2)噴灑站布置時,應綜合考慮站內信號機、軌道衡、轉轍機或道岔和噴灑需要控制的股道等因素確定。噴灑站布置不能對站內信號產生影響;在有軌道衡的站區,噴灑站應結合過衡作業過程布置,以簡化噴灑作業流程;當噴灑站需要布置在轉轍機或道岔附近時,應預留一定的安全距離,以保證轉轍機或道岔的正常運行,不被抑塵液影響,寒冷季節不被凍結。

(3)噴灑站房屋采用架空通風形式時,回流液收集罐可在房屋之外單獨設置,并設置自動控制裝置;對回流液收集罐采取隔熱保溫、防凍措施,定期將回收液抽回至攪拌罐再利用。凍土地區管道宜采用淺埋式,自調控式發熱電纜電伴熱,保溫材料要求絕緣性能好,吸水性小。

(4)對噴式噴灑裝置立柱高度5.5m,靜態設備邊緣距離軌道中心距離2.7m,噴灑立柱寬度0.5m,車輛高度(距軌面)3.143m時,可以滿足《鐵路技術管理規程》、《鐵路車站及樞紐設計規范》(GB5009—2006)中對鐵路限界的強制性要求。

(5)在抑塵劑選擇時,除了考慮抑塵劑的一般特點之外,還應結合自然條件、運輸條件、貯存和環保要求,選擇耐低溫、耐貯運、無毒無害、可生物降解和環境友好的固態復合濃縮型產品

作者：田棟單位：中鐵一院蘭州鐵道設計院有限公司