西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第f 頁 摘要 “燃油低燒”就是在冬季氣溫較低的環(huán)境下，鐵路內燃機車和客車發(fā)電車應使用所謂高標號柴 油，為了節(jié)約高標號柴油與低標號柴油之間的價格差，通過技術措施以及工程手段達到使用低標 號柴油的目的，就是我們日常所說的“燃油低燒”。根據0 # 柴油的冷凝點為4 、1 0 # 柴油和2 0 # 柴油的冷凝點分別為5 和1 4 ，閃點為6 5 的特性，要想實現燃油低燒，就要相應地保持 柴油的溫度在其冷凝點之上，而要確保安全，防止柴油燃燒或爆炸等隱患，又要確保其溫度低于 閃點，考慮到柴油特殊結蠟問題的影響，經過分析判斷，內燃機車和客車發(fā)電車柴油溫度應維持 在1 0 左右，油罐內的柴油維持在4 5 左右，則既能實現低燒，又能確保安全。 針對哈爾濱、沈陽等北方鐵路局在過去實施“燃油低燒”過程中，采用電加熱存在的油庫加熱 設備功率大( 高達2 9 5 k w ) ，增加電能消耗和成本支出以及存在安全隱患的問題，結合蘭州局擬 改油庫的實際，提出本次設計開發(fā)燃油低燒工程就近利用鍋爐熱源。設計方案確定為用1 3 3 、 0 2 m p 及以上的飽和蒸汽，通過一級換熱器，將常溫水換熱至1 1 0 、0 2 m p 的飽和熱水；再用 熱水，通過二級換熱器，將溫度較低的柴油換熱至4 5 左右的高溫度熱油，實現將柴油加熱的目 的。對熱水鍋爐，可直接利用鍋爐熱水直接與柴油進行換熱，同樣可實現將柴油加熱的技術要求， 而且可以節(jié)省一級換熱器，減少部分投資。利用鍋爐熱源成功地實施了蘭州車輛修配段、迎水橋 機務段的“燃油低燒”改造工程，運行兩年來，系統(tǒng)的運行安全可靠，并且效益突出。通過對既有 燃油低燒工程的分析、研究，通過對機械部分的設計以及控制部分的設計，最終經過相關試驗， 系統(tǒng)在實際使用中取得了很好的。本次設計開發(fā)燃油低燒工程特點：一是使用既有的鍋爐熱源以 節(jié)約運營成本和建設投資，二是簡單、高效、自動化程度高。進一步解決了冬季低溫天氣使用o 群 柴油在”卸、貯、上油”等環(huán)節(jié)上冷凝的問題，使其保持良好的流動特性，達到正常使用要求，為 北方路局實施類似工程積累了可借鑒之經驗。 關鍵詞：燃油低燒設計應用 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 i 頁 a b s t r a c t ”o i lf e v e r t i si nt l l ee n v i r o 姍e n to f 】o ww i n t e rt e m p e 隱t u r e s ，w eu s ean u m b e ro ft e c h n i c a l m e 舔u r e so rm e 鋤so fp o w e rg e n e r a t i o ni nt h ed i e s e l l o c o m o t i v e 鋤dp 皺s e n g e rc 盯u s i n go 拌d i e s e lo i l i nf a c t ，w es h o u l d 吣et h en e g a t i v es i 印o fd i e s e l 1 1 1 i si st os a v e 鋤do 群d i e s e lo i lm i n 吣t l l e 州c e d i 脆r e n c eb e t 、】l ，e e nd i e s e lf u e l ，t h e r e b yr e d u c i n gc o s t s - d i e s e lc o n d e n s a t i o np o i n td e p e n d s0 nh i sl a b e l ： 0 群d i e 辯lc o n d e n s a t i o np o i n ti s4 ，- 1 0 群i s 5 ，2 0 撐i s - 1 4 ，觚dt h e i rf 1 弱hp o i n ti s6 5 b e c a u s eo f t t l e s ec h a r t e r i s t i c so fd i e 辯l ，i fy o uw 鋤tt 0 h i e v e ”o i lf e v e r i ，i ti sn e c e s s a 叫t om a i n t a i nt h e 印p r o p r i a t et e m p e 魁t u 他o fd i e s e l 如e la _ b o v e i t sc o n d e n s a t i o np o i n t a 腑a n a i y s i s ，i ft h ed i e s e l 1 0 c o m o t i v e 鋤dp s e n g e rc 盯d i e s e lp o w e rg e n e r a t i o nt e m p e r a t u r em a i n t a i n e da t10 ，鋤dt h ed i e s e l t 鋤km a i n t a i n e da td b o u t4 5 ，i tc 柚a c h i e v e ”o i lf e v e r i t h i sc a ng u a r 鋤t e ei t ss e c u r i 以鋤dt op r e v e n t b u m i n g0 re x p l o s i o nh a z a r d so fd i e s e l ，a l s 0 ，t 0e n s u r et h a ti t st e m p e r a t u r ei sl o w e rt h 鋤協(xié)ef l 部hp o i n t i nt h ep a s t ”o i lf e v e r i o fh a r b i n ，s h e n y a n gn o r t h e mr a i l w a ya d m i n i s 仃a t i o n ，i ti su s e dm e m e t h o do fe l e c t r i ch e a t i n g 1 th 嬲s o m ep r o b l e m s ，s u c h 髂：”d e p o th e a t i n ge q u i p m e mp o w e r ( u pt 0 2 9 5 k w ) ，c o n s u m ea1 0 to fp o w e r m a k i n gt h ei n c r e 觴ei nc o s t st 0i n c r e 鷦e ”，”s e c u r i t ) rr i s k i t t bs 0 l v e t l l e s ep r o b l e m s ，c o m b i n e dw i t hl a n z h o ur a i l w a yb u r e a u sa c n j a ls i t u a t i o no fd e p o tr e f o m ，w ec 鋤u 辯 n l en e a r b yb o i l e rh e a t t h ep r o g r a mu s e s1 3 3 ，0 2 m p a 鋤da b o v es a m r a t e ds t e 鋤f i 毗w e 啦eah e a t e x c h a n g e r t h ew a t e rb e c o m e s1 1o ，0 2 m ps a t u 陀t e dw a t e r s e c o n d ，w eu h o tw a t e r t h r o u g h 鋤o t h e r h e a te x c h 卸g e r t h et e m p e r a t u r eo ft h el o w e rd i e 蚓h e a tt 04 5 t h eh i 曲t e m p e 枷陀h o to i la b o 峨t h i s r e a l i z a l i o no ft h ed i e lh e a t i n g i fy o uu s eh o tw a t e rb o i l e r s ，h o tw a t e rb o i l e rc 鋤b ed i r e c t l yu s e df o r d i r e c th e a te x c h 柚g ew i t ht h ed i e s e l ，d i e s e lh e a t i n gc a n 孔h i e v et h es 踟et e c h n 沁a 1r e q u i r e m e n t s a l s o ， y o uc a n 鞠v eah e a te x c h a n g e rt 0r e d u c et h ep a no ft h ei n v e s t l n e n t b yu s eo fb o i l e rh e a t ，l ts u c c e s s f u l l y i m p l e m e n tt 0t h e ”o i if e v e r f ii nl a n z h o us e c t i o no ft h ev e h i c l er e p a i r ，b r i d g em a i n t e n a n c es e c t i o n 1 w o y e a r st 0r u n ，s a f e ，i t s 陀l i a b l ea n de 歷c i e n th i g h l i g h t i n g 1 na c t u a l ，t h i ss y s t e mi su s e dv e 拶w e l l t h e d e s i g n 卸dd e v e l o p m e n to ft h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s0 ft h e o i lf e v e r ：f i r 甌u s i n gt h ee x i s t i n g b o i l e r h e a tt 0 鉗v eo p e r a t i n gc o s t s 鋤dc a p i t a li n v e s 廿n e n t ；s e c o n d ，i tb e c o m e ss i m p l e ，e 銜c i e 吐h i g h d e g r e e0 fa u t o m a t i o n a tt l l es 鋤et i m e ，i tc a nb eu s e df o rs o l v ea l l 雒p e c t so ft h ep r o b l e mw i t h0 拌 d i e s e lo i li nt l l ew i n t e r c o l dw e a t t l e r a n dm a i n t a i na9 0 0 dn o wc h 甜a c t e r i s t i c s t bt h en o 咖a l r e q u i r e m e n t sf o rt l ei m p l e m e n t a t i o no fn o r t h e mr a i l w a y s ，l th 嬲a c c u m u l a t e de x p e r i e n c ei ns i m i l 盯 w o r l ( s k e y w o r d s ：”o i lf e v e r ”d e s i g na p p l i c a t i o n 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 頁 第1 章緒論 1 1 燃油低燒工程的發(fā)展簡述 1 1 1 燃油低燒工程的基本概念 燃油低燒工程 在我國北方，由于冬季氣溫較低，造成柴油的流動性變差，以致使油品凝固無法 正常使用，通過采用技術手段和工程措施等方式方法，盡量使用價格便宜的低標號柴 油，起到節(jié)約成本、減少支出的目的，稱為燃油低燒。為達到燃油低燒的目的采取的 技術手段和工程措施一般統(tǒng)稱為燃油低燒工程。 蘭州鐵路局地處祖國西北，冬季較為寒冷。以前，從每年1 0 月底至次年4 月初， 蘭州鐵路局管內的內燃機車全部以及大部分客車發(fā)電車要使用1 0 # 柴油和2 0 # 柴 油，經過詢價，2 0 # 柴油的價格平均每噸較o # 柴油高l o o o 元左右。 1 1 2 燃油低燒工程設計的技術基礎 油品凝固的機理 簡單講，油品失去流動性就是凝固了。從機理上看，主要是溫度降低的原因，油 品的粘度隨溫度的降低而增大并使油品最終失去自身的流動性。經了解，o # 柴油的 冷凝點為4 ，- l o # 柴油和2 0 # 柴油的冷凝點分別為5 和1 4 ，閃點均為6 5 。 根據這一特性，就要相應地保持在使用狀態(tài)的柴油溫度在其冷凝點之上以保證流動 性，另一方面為保證安全，防止燃燒或爆炸等安全問題，就必須要其溫度低于閃點， 這兩個條件是燃油低燒的必須條件。 我們本次主要分析鐵路機車和客車發(fā)電車使用的柴油。隨著溫度降低，溶解在柴 油中的蠟逐漸會以結晶形態(tài)析出，當析出的蠟晶形成網絡時，吸附液體從而使柴油失 去流動性成為結構凝固。柴油的結構凝固發(fā)生在柴油的粘度尚未達到很大值之前，它 是柴油凝固的主要原因。也就是說，柴油結蠟的溫度點要比冷凝點溫度高，一般按照 1 0 左右掌握。 能量交換 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第2 頁 因為柴油的結蠟過程是一個可逆的過程，所以通過加熱的方式，可以使柴油恢復 流動性。從鐵路機車和客車發(fā)電車對柴油的使用過程來看，在鐵路運輸罐車向油庫卸 油時，存在罐車內的柴油結蠟需要加溫恢復流動性的情況；在由油庫向加油車倒裝柴 油時，存在油庫儲存罐內柴油結蠟需要加溫恢復流動性的情況；個別情況還有加油車 內的柴油結蠟需要加溫恢復流動性。在這幾種情況下，需要把外部熱量交換到柴油中 去，恢復柴油的流動性。 控制部分 目前在用的燃油低燒設施，基本都是由人工手動控制，大部分都是靠人工經驗掌 握，勞動強度大、效率低。本次設計要求開發(fā)一套自動控制系統(tǒng)，能夠自動測得油庫 儲油罐內的溫度，通過系統(tǒng)自動判斷以后，設備自動加熱或停止加熱。同時設備可以 方便的轉換為手動控制。 1 1 3 燃油低燒技術的發(fā)展趨勢 根據鐵路節(jié)能技術政策( 鐵計【1 9 9 9 】1 1 7 號) “采用低標號柴油替代高標號柴油 技術，降低燃料費用支出”的要求，鐵路各北方鐵路局，主要包括沈陽、哈爾濱、烏 魯木齊、蘭州、北京等鐵路局，陸續(xù)嘗試利用電加熱技術進行“燃油低燒”工程，在冬 季使用低標號柴油代替高標號柴油，以節(jié)約燃料費用支出。 以沈陽鐵路局為代表，從上世紀8 0 年代開始對燃油低燒技術的開發(fā)和應用進行了 研究和探索。曾經嘗試在油品中加入降凝劑，降低油品的結蠟溫度，后來在實際運作 工程中，由于添加的降凝劑質量、劑量等數據難以在現場控制，實際推廣效果不是很 好。 后來，北京鐵路局曾經試驗將內燃機車、發(fā)電車柴油發(fā)電機組的冷卻水導入油箱 ( 指內燃機車或發(fā)電車車下懸掛的主燃油箱) ，利用冷卻水過熱為柴油加熱，此技術成 本低廉，但加熱溫度難以掌控，未被廣泛采用。 目前廣泛采用的是電伴熱加熱燃油，此方案的電加熱裝置系統(tǒng)具有結構簡單、施 工方便、保溫性能良好、最大限度的防止熱量散失等優(yōu)點，但使用過程中的安全性難 以保證、維護困難，一旦泄漏維修費用高。另外，利用單獨的電能為燃油加熱，節(jié)省 的費用有可能不足以彌補電加熱的費用。 目前，內燃機車、發(fā)電車柴油“低燒”技術已經在全路推廣，我國北方地區(qū)鐵路機 車以及客車發(fā)電車在冬季用柴油，可“低燒”2 個標號。 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第3 頁 2 0 0 8 年蘭州鐵路局先后在嘉峪關、武威南、白銀西、大武口四個燃油存儲點進 行了利用電加熱技術“燃油低燒”改造工程。從實際使用效果來看，雖然與使用負號柴 油相比成本有所節(jié)約，但由于油庫加熱設備功率高( 有的達2 9 5 k w ) ，電能消耗較大， 抵減了節(jié)約的部分費用甚至是全部的費用，另外利用電加熱技術客觀存在安全隱患。 為進一步挖掘“燃油低燒”的經濟效益，降低安全風險，本設計經過充分調研和論證， 研發(fā)了利用既有鍋爐熱源這種低運行成本的燃油低燒技術，并對管內蘭州車輛修配 段、迎水橋機務段油庫實施了改造，較好地解決了燃油低燒的問題，達到了節(jié)約燃料 成本的目的。該方法與電加熱技術相比，使用效果更經濟，使用過程更加安全可靠， 同時實現了智能控制。 1 2 燃油低燒工程的開發(fā)背景與意義 1 2 1 燃油低燒工程的開題意義 2 0 1 0 年末，蘭州鐵路局共配屬機車9 6 0 臺，其中電力機車7 8 2 臺、內燃機車1 7 8 臺。內燃機車主要擔負著鐵山支線、紅會支線、玉門南支線以及n z j 2 型機車牽引的 子彈頭列車。內燃機車用油主要分為運用機車用油和調車機用油。 經統(tǒng)計，2 0 0 8 年蘭州鐵路局機車燃油支出4 0 4 9 億元，機車燃油支出占全局機車 成本總支出的1 9 8 l ；2 0 0 9 年蘭州鐵路局機車燃油支出2 6 2 7 億元，機車燃油支出占 全局機車成本總支出的1 3 2 7 。通過數據可以看出，機車燃油支出是全局較大、較集 中的成本支出項目。 通過開展蘭州鐵路局機、客車燃油低燒的研究和應用，探索設計出一套更加節(jié)省 能源的燃油低燒手段，更大的節(jié)約運輸成本，是企業(yè)良性發(fā)展的需要、是企業(yè)提高效 益的需要、是企業(yè)培養(yǎng)人才的需要、是企業(yè)實現個人自我價值的需要。 1 2 2 燃油低燒工程的功能定位 燃油低燒工程的功能定位在于通過采取工程技術手段，能夠在冬季使用價格相對 便宜的低標號柴油，起到節(jié)約成本、減少支出的目的。要求達到以下幾個特點： 1 設計合理。在系統(tǒng)設計上，采取油罐“體外”加熱方式，即在油庫油罐外，單 獨使用換熱設備對需要加熱的柴油進行加熱。此方式的優(yōu)點在于：一是便于施工。不 對庫內油罐直接改造加熱，大部分施工在油庫外進行，施工過程中的安全風險小。二 是便于控制。在加熱過程中不必對整個油罐內存儲的柴油進行加熱，只對抽取到的柴 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第4 頁 油加熱。 2 簡單高效。在加熱方式上，采取即時的加熱方式，即冷介質流經換熱器就可 以被加熱直至所需溫度。 3 使用安全。在設備運行中，能夠隨時監(jiān)測油、水管路壓力以及變化情況。系 統(tǒng)設計了報警功能，一旦壓力或溫度超過設定的安全值，系統(tǒng)會立即發(fā)出聲、光報警， 強制停止一切作業(yè)，直至將發(fā)生的問題處理完畢，解除報警后才能繼續(xù)作業(yè)。 4 自動化程度高、運行可靠。在作業(yè)時可采用手動和自動兩種方式。一旦自動控 制故障，可采用控制柜手動控制，保證系統(tǒng)安全可靠運行。在自動狀態(tài)時由控制系統(tǒng) 根據外界環(huán)境溫度的不同自行打開和關閉加熱系統(tǒng)，使整個循環(huán)水溫度保持在初始設 定值；在手動狀態(tài)時，用戶也可以根據不同的條件自行設置加熱溫度，根據實際情況， 設定加熱系統(tǒng)的溫度上限值和溫度下限值。系統(tǒng)還可自動監(jiān)測水溫，當溫度低于設定 值時自動進行水路循環(huán)，防止水管道凍結。 5 投資和運行成本低。對企業(yè)的設備設施進行燃油低燒改造，就是要節(jié)約資金、 提高企業(yè)效益。要求投資盡量少、運營成本盡量低，在壽命期內經濟上最劃算，為企 業(yè)取得最好的投資效益。 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第5 頁 第2 章燃油低燒工程的開發(fā)設計 2 1 燃油低燒工程的開發(fā)方法 2 1 1 設計原則 “燃油低燒”就是在冬季氣溫較低的環(huán)境下，內燃機車和客車發(fā)電車應使用高標號 柴油而通過技術措施或手段來達到使用低標號柴油，其目的就是節(jié)省高、低標號柴油 之間的價格差，減少使用成本。原來，絕大多數燃油低燒工程使用的都是電加熱的形 式，這種形式的缺點首先是能耗較大、節(jié)能效果欠佳，其次存在一定的安全風險。 本次的設計原則是安全、高效。經過多次分析和比選，采用既有熱源加熱的方式， 利用專門的熱交換器，提高柴油溫度，解決冬季低溫天氣使用鐘柴油在“卸油、貯油、 上油”等環(huán)節(jié)上柴油結蠟和冷凝的問題，使其保持良好的流動特性，達到正常使用要 求，較目前通行的電加熱方式有明顯的優(yōu)勢。 安全性原則 安全性原則是開發(fā)燃油低燒工程最基本也是最重要的一項原則。系統(tǒng)的最終目標 就是為了安全的、平穩(wěn)的在實際中運行，起到真正的節(jié)能降耗、節(jié)約成本的作用。 高效性原則 燃油低燒工程的開發(fā)設計同樣必須符合高效性的原則。體現在兩個方面，一是整 體的能耗需求越少越好，產生這些能耗所使用的成本越低越好，也就是說要做到花最 少的成本辦相同的事情。二是在需要進行加熱的時候，在單位時間內傳遞的熱量越多、 提高柴油流動性的效果越快越好，就是需要一種交換效果好的方式方法，提高換熱效 率。 示范性的原則 試圖通過本次研究形成成果以后，將成果在蘭州鐵路局全面推開、加以應用，形 成全面的節(jié)能降耗的效果，真正實現節(jié)約成本的目的。本次的燃油低燒的研究、設計 和改造，定位于作為其他沒有開展燃油低燒的儲油庫的示范工程，能夠做的盡可能完 u 夫。 設計方案確定為用1 3 3 、o 2 m p 及以上的飽和蒸汽，通過一級換熱器，將常溫 水換熱至l1 0 、0 2 m p 的飽和熱水；再用熱水通過二級換熱器，將溫度較低的柴油 換熱至4 5 左右的高溫度熱油，實現將柴油加熱的目的。若既有熱源是熱水鍋爐， 可利用鍋爐熱水直接與柴油進行換熱，就是所謂的一級換熱，同樣可實現將柴油加熱 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第6 頁 的技術要求，而且可以節(jié)省一級換熱器，減少初期投資。 2 1 1 2 設計流程 要求該系統(tǒng)主要具備三個功能，就是利用加熱后的柴油，完成卸油、上油和儲油 罐柴油保溫作業(yè)。 卸油：將油庫柴油抽出，經換熱器加熱后注入到已結蠟甚至是凝固的待卸油罐車 中，溶化結蠟柴油，完成卸油作業(yè)。 上油：將油罐內的柴油抽出，經換熱器加熱到設定溫度后，注入汽車油罐內，保 證汽車罐車在到達上油點前，柴油不會在途中結蠟，完成域外加油作業(yè)。 保溫：將油庫柴油抽出，經換熱器加熱后返回油庫儲油罐并循環(huán)加熱，使儲油罐 內的柴油保持在不結蠟的溫度范圍，完成儲油罐保溫作業(yè)。 本系統(tǒng)經過設定溫度和控制條件，油管路和熱管路要具有自動循環(huán)以及啟停功 能。 設計工藝流程圖如下： 庫區(qū) 迎水橋機務段油庫加熱控制系統(tǒng)設備平面布置圖 2 1 2 燃油低燒工程的設計步驟 總體來說，燃油低燒工程主要包括兩大部分：機械部分和控制部分。機械部分主 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第7 頁 要包括供熱系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)；控制部分主要包括為實現油庫加速卸油而設置的生產調 度管理以及管網監(jiān)控信息系統(tǒng)。 將任務分解成以下幾個步驟： 搜集既有的材料和信息，對獲得的材料進行整理和分析： 分別開展機械部分的設計和控制部分的設計： 在分別設計完成以后對兩部分進行整合，最終完成設計； 完成設計以后進行必要的審查，按照圖紙施工，施工完成以后開展有關的實驗活 動進行檢測； 竣工交接，正式投用。 2 1 3 本次燃油低燒工程的項目定位 在吸取既有燃油低燒改造工程的優(yōu)點、經驗的同時，以經濟效益最大化為原則， 認真探索進一步優(yōu)化設計的可能，重點做好以下兩個方面的工作：一是熱源采用蒸氣 或熱水鍋爐的熱源，較電加熱可以節(jié)約運營費用；二是加熱等過程采用自動監(jiān)測、自 動控制，盡量減少人為因素的影響。 2 2 燃油低燒工程的開發(fā)設計過程 2 2 1 需求分析 一是企業(yè)降低運營成本的需求。各鐵路局作為鐵道部管理的運輸企業(yè)，按照自負 盈虧的經營管理模式在逐步改革，如何降低運營成本、提高企業(yè)效益，是每一個真正 的企業(yè)需要考慮和落實的問題，機、客車燃油作為鐵路運輸一種不可替代的能源( 尤 其是內燃機車作為調小機車的用途) ，具有用量大、相對集中等特點，可以進行集中 改造以降低運營成本； 二是節(jié)能減排的需求。中國政府對節(jié)能減排工作高度重視，已經把環(huán)境保護和節(jié) 約資源確定為基本國策，號召全民開展節(jié)能減排活動。在“十二五”國家規(guī)劃綱要中明 確提出了節(jié)能減排控制性和約束性的指標，減排目標納入了國民經濟發(fā)展規(guī)劃。尤其 鐵路是國民經濟的大動脈，如何落實好節(jié)能減排措施，是貫徹基本國策的具體體現。 三是降低職工勞動強度，提高勞動生產率的需求。原來的燃油低燒工程，需要職 工人工控制閥門、人工檢測溫度并根據經驗判斷，職工勞動強度大、生產效率低，通 過本次開發(fā)設計，可以達到自動檢測溫度等數據、自動控制閥門，大大降低了職工勞 動強度，提高了生產效率。 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第8 頁 2 2 2 前期論證 針對電加熱形式的燃油低燒，我們曾經安排過一些改造，同時經過監(jiān)測和分析， 認為從經濟角度節(jié)省能源不是很理想，具體計算過程如下( 以蘭州車輛段為例) ： 截至2 0 0 8 年底，蘭州車輛段共配屬空調發(fā)電車2 9 輛，其中蘭州1 8 輛、銀川7 輛、 嘉峪關4 輛。迎水橋機務段在銀川車間配屬內燃調車機3 臺。 經統(tǒng)計，2 0 0 8 年蘭州車輛段空調發(fā)電車各點消耗燃油分別為：蘭州共消耗2 0 # 柴油2 0 5 5 噸( 含蘭州西安1 5 7 噸、蘭州一廣州1 7 1 噸) ；1 0 # 柴油4 2 8 噸( 含蘭州 西安6 2 噸、蘭州廣州1 8 4 噸) 。銀川共消耗2 0 # 柴油4 5 5 噸。嘉峪關共消耗2 0 # 柴 油2 3 0 噸。另外，銀川機務車間消耗2 0 # 柴油3 4 8 噸。以上合計共消耗1 0 # 柴油4 2 8 噸，2 0 # 柴油3 0 8 8 噸。 若采用低燒技術，全年使用o 拌柴油，可以節(jié)約柴油差價減少支出1 5 7 6 萬元。 路局專業(yè)部門提報的低燒技術改造包含空調車輛改造費用和儲油油庫部分的改 造，同時銀川機務車間油庫的保溫改造和3 臺內燃調車機也一并改造，改造完成后銀 川地區(qū)的客車發(fā)電車和內燃調車機均使用燃油低燒，主要包含兩部分。 1 空調車及機車改造 + 每輛空調車改造費用為9 6 5 萬元，共需2 7 9 8 5 萬元。主要設備有：換熱器、控 制箱、水循環(huán)系統(tǒng)、燃油循環(huán)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等。機車改造根據實際發(fā)牛費用， 3 臺共計o 7 5 萬。 、 2 油庫改造 需對蘭州車輛修配段、迎水橋機務車間兩個油庫進行改造：根據專業(yè)部門提報的 方案，油庫改造主要包括循環(huán)電加熱設備、油罐及管路、汽車保溫工程、控制箱、電 力增容及接引電源等。 經測算電加熱形式油庫改造后每個油庫運行成本約為每年2 0 4 4 萬元，包括：電 加熱設備及兩臺泵的功率為2 8 4k w ( 2 4 0 + 2 2 2 ) ，電加熱設備每天運行8 小時，一 個冬季1 5 0 天，按照o 6 元依w h 計算，則每年運行成本為2 8 4 k w 8 h 1 5 0 天0 6 元服w h = 2 0 “萬元。 經比選確定的方案及投資估算 考慮到電加熱運營成本高、不安全，經過向其他單位咨詢、了解，經測算如采用 接既有采暖網蒸汽加熱，每個油庫每年的運行成本僅為1 2 萬元。雖然蒸汽形式燃油 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第9 頁 低燒初期投資較電加熱形式增加了約5 0 萬元，但是測算綜合回收期由7 3 年縮短為 4 1 年，從經濟比選上來說采用蒸汽加熱很劃算。 由于對空調發(fā)電車和內燃調車機實施燃油低燒技術改造后，尤其是接既有采暖網 蒸汽加熱使用，可以每年每處節(jié)約成本支出約1 5 0 萬元，可以進一步落實節(jié)支降耗的 工作。我們建議按照接采暖網蒸氣加熱方案，迎水橋油庫及蘭州車輛修配段油庫改造 每處投資控制在1 8 0 萬元左右，相應的機、客車改造以及加油車改造費用單價基本不 變，主要取決于數量的多少。 2 2 3 設計的重點 本次燃油低燒設計開發(fā)，在吸取以往燃油低燒工程經驗的同時，重點在以下兩個 方面給予突破： 1 熱源采用接既有鍋爐房蒸汽熱源，較電加熱可以進一步節(jié)約運營費用； 2 加熱等過程采用自動監(jiān)測、自動控制，盡量減少人為因素的影響，同時可以 方便的轉為手動操作。 3 設計主要設備及相關工程 鍋爐熱源低燒改造除鍋爐外，主要有管路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分。管路系統(tǒng)包 括油管路、水( 汽) 管路、換熱設備、油( 水) 泵等，控制系統(tǒng)包括控制柜、工控機、 電動閥、變頻器以及溫度、壓力傳感器等電器設備以及管路保溫、設備儀器安裝等工 程。 3 1 主要設備 蒸汽或熱水鍋爐：就近利用現有鍋爐設備及設施，為加熱柴油提供熱源。 全焊板式換熱器：主要由換熱芯體和壓緊板、外殼等組成，換熱芯體是由換熱板 片周邊交錯組焊而成。外部有燃油進口、燃油出口，循環(huán)水進出口。 配電柜：為油庫燃油低燒改造系統(tǒng)提供總電源和其它電氣裝置。包括變頻器、油 泵及水泵空氣開關等。 控制柜：用于油庫燃油低燒改造系統(tǒng)溫度、壓力、機車上油、汽車上油、罐車卸 油等作業(yè)控制的核心裝置，包括可編程控制器p l c 、作業(yè)操作觸摸屏以及自動報警儀 器等。 觸摸屏：為人機對話，設定條件或人工操作界面，配置為4 0 0 m h zc p u ，1 2 8 m b 內存、1 6 ：9 的l o 時寬屏，6 5 5 3 6 色t f tl c d ，分辨率8 0 0 x 4 8 0 。 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 0 頁 軟件：軟件分為工控軟件和監(jiān)控軟件兩部分。工控軟件主要根據設定條件執(zhí)行電 機、油泵等設備的啟動和停止；監(jiān)控軟件主要顯示數據，如：油罐中油的液位、溫度 等數據和水泵和油泵的工作狀態(tài)等。 3 2 相關工程 鍋爐熱源低燒改造項目除設備外，有大量的保溫工程和相關的設備安裝工程及機 車車輛改造工程。保溫工程主要有：機車車輛上的油管以及輸油管路、油罐罐體、蒸 汽( 熱水) 管道、車輛等的保溫；設備安裝主要有：熱交換器、電機以及油( 水) 泵、 相關控制閥門、連接管道等的安裝和軟件調試等：機車車輛改造工程主要有：機車加 裝回油管路和客車發(fā)電車加裝油管路預熱系統(tǒng)等。 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 1 頁 第3 章燃油低燒工程機械部分的設計過程 3 1 燃油低燒工程機械部分概述 3 1 1 燃油低燒工程機械部分既有情況 目前國內燃油低燒工程機械部分廣泛采用的是電伴熱加熱燃油，此方案加熱裝 置系統(tǒng)具有結構簡單、施工方便、保溫性能良好、最大限度的防止熱量散失等優(yōu)點， 主要包括循環(huán)電加熱設備、油罐及管路、汽車保溫工程、控制箱、電力增容及接引電 源等。但缺點也很明顯，安全可靠性難以保證、維護困難，一旦泄漏維修費用高。 3 1 2 本次燃油低燒工程機械部分的重要特點 1 安全可靠 油庫燃油低燒改造系統(tǒng)在易燃、易爆的環(huán)境中使用，因而該系統(tǒng)設計應遵照以下 原則： 系統(tǒng)各部件和安裝方式的安全性，尤其是蒸汽管道、燃油管道要密閉且溫度、壓 力可控： 設備運行中，油、水管路壓力變化情況可以隨時監(jiān)測，并設置檢測口可以定期對 介質進行抽樣化驗： 系統(tǒng)須設計報警功能，一旦油、水壓力或溫度超過設定的安全值，會立即發(fā)出聲 光報警，便于工作人員及時進行故障處理； 在自動控制出現故障后，可改用手動操作； 系統(tǒng)設計和設備選用上必須考慮防火防爆要求。 2 節(jié)能高效 為保證生產運輸，系統(tǒng)須具備： 實現即時加熱，熱交換效率高； 在保證解決析蠟問題的前提下，最大限度地考慮利用現有資源減少成本開支，真 正達到節(jié)支降耗的目地。 3 1 3 設計過程 本次燃油低燒工程機械部分的核心設計是換熱器。我們經過查詢和比選，設計了 專門的“板式換熱器”，選用的熱源為2 k g 的蒸汽( 表壓飽和蒸汽) 。 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 2 頁 通過油庫附近的鍋爐房提供熱源，利用板式換熱器作為載體，對冷油進行加溫。 原理圖如下： 電動閥o 油泵 油庫加熱控制系統(tǒng)原理圖 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 3 頁 迎月：橋機務段 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 4 頁 3 2 燃油低燒工程機械部分的具體設計 3 2 1 板式換熱器的設計 為滿足這一技術要求，我們選用了板式換熱器作為系統(tǒng)的核心設備。這是一種高 效、理想的換熱設備，具有體積小、結構簡單等優(yōu)點。它由許多換熱板片按一定間隔 組裝，兩種流體分別進入各自通道逆向流動，熱介質將熱能傳遞給板片，板片又將熱 能傳遞給另一側的冷介質，從而達到冷介質溫度升高得到加熱的目的。從結構上講， 該設備最大程度增加了換熱面積，最小程度分解了兩種介質流量，從而實現了換熱效 率最大化，在技術上完全能夠滿足即時加熱的要求。 由于飽和蒸汽熱源溫度較高，限制換熱器中橡膠墊的選用，經過比選決定采用焊 接式板式換熱器。全焊式板式換熱器芯體由換熱板片周邊交錯組焊而成，每道工序后 都進行焊縫射線探傷檢查，能夠確保焊接質量。焊接式板式換熱器的特點是：承受壓 力和溫度的能力高，不受橡膠密封墊選用的限制。但是由于結構限制，要求冷側的介 質要非常干凈，不能有固體顆粒物或纖維物，其特殊的結構非常適合汽液換熱。由 于熱源為飽和蒸汽，蒸汽可以在飽和點瞬間釋放出所有的熱量，換熱時對數平均溫度 差較大。 計算換熱器的方法步驟如下： 1 根據已知工藝介質和參數計算所需物性參數，根據熱平衡方程計算未知參數。 ( 1 ) 一般計算時各個公式中代入的參數為每側介質在平均溫度下的數值，已知 進出口數據時，用插入法求得： ( 2 ) 熱平衡方程q 曩= qt 即：q = c p i l q m h ( t 1 - t 2 ) = c p c q m c ( t 2 - t 1 ) ，單位k w 。其中c p 表示比熱( 1 c j l ( g k ) ， q m 表示質量流量( k s ) ，t l 、他分別表示熱側進出口溫度，t 1 、t 2 分別表示冷側 進出口溫度，h 表示熱側，c 表示冷側，下同。 2 計算角孔直徑 ，壓 按照公式d = 18 8 v v ( 單位m m ，此公式適合介質水，q v 表示體積流量m 3 h ) 計算角孔直徑。 3 假定總換熱系數k i 值，估算換熱面積。 ( 1 ) 需要計算對數平均溫差t m ； 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 5 頁 ( 2 ) 根據換熱量q = k t ma 計算a i - q i t l i i 4 計算兩側板間流速國j l l ，q 2 菊南 以：j 衛(wèi)一 。 3 6 0 0 n 。 單位i i l s ，式中f 表示單流道橫截面積( m 2 ) ； 5 計算雷諾數如， d e hp _ l l h 一 腳 d e cp c d e 表示當量直徑( m ) ，p 、肛分別表示介質的密度( k m 3 ) 和粘度( p a 掌s ) ； 6 計算膜系數 慫 a h 。- r e h m p r h n d e 沁 = r c c m p r c n d e 單位w m 2k ，其中九表示介質導熱系數( w mk ) ，p r 表示普朗特數，p r - c p 叭 7 計算k t 值 ( 1 ) 計算板阻r p ，砩= 6 6 表示板片厚度( 單位m ) ，砩表示板片材料的導熱系數( w mk ) ； 1 ( 2 ) k t ll 十一r p a h 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 6 頁 此處未考慮污垢阻力： 8 與假定k i 比較確定富裕量，即 k f _ - k i 1 0 0 k i 如果此值大于零，且大于或等于要求換熱面積富裕量，則原假定成立，換熱能力 滿足規(guī)定要求；否則( 此值小于零或者小于要求的富裕量) ，需要重新假定k i 值，從 第三部開始重新計算，直到滿足為止。 9 壓降校核 。 p h - e u h o o h z p l l p c = e u c p c 如果兩側的壓降都小于額定壓降，則壓降校核通過；否則開始重新計算。 以上板式換熱器計算方法，是一個迭代、反復計算的過程。設計到的準式方程由 于各家板型不同，故有所不同。為了提高效率，我們聯系的蘭石換熱設備有限公司將 上述計算方法編制成相應的軟件進行迭代計算。 3 2 2 燃油低燒工程機械部分設計結論 最終獲得的主要計算數據如下： 一、熱側數據 介質名稱：o 2 m p a ( 表壓) 飽和蒸汽 質量流量：1 5 6 2 4 k g l i 。 熱負荷：9 3 9 5 k w 溫度：進1 3 3 5 ，出9 0 流體類型：進汽，出液 密度：進1 6 5k m 3 ，出9 3 1 4 6 瞄m 3 比熱：進2 2k j k gk ，出4 2 7k j k gk 導熱系數：進2 8 5 9 l o 。3w mk ，出6 8 4 5 3 1 0 。3w mk 粘度：進2 1 7 3 l o 缶m 2 s ，出0 2 2 l o 巧m 2 s 理論傳熱系數：7 6 3 2 4w m 2k 實際傳熱系數：5 6 5 8 lw m 2k 實際壓降：5 1 2 2p a 西南交通大學研究生畢業(yè)設計f 論文)第1 7 頁 二、冷側數據 介質名稱：柴油 質量流量：4 0 1 9 5 k g i l 熱負荷：9 3 9 5 k w 溫度：進5 ，出5 0 流體類型：進液，出液 密度：8 0 3 9k m 3 比熱：1 8 7 蠔k 導熱系數：1 2 2 2 1 0 。3w mk 粘度：4 9 7 幸1 0 幣 污垢系數：o 5 l o 4m 2k w 理論傳熱系數：7 6 3 2 4w m 2k 實際傳熱系數：5 6 5 8 lw m 2k 實際壓降：1 0 9 8 2p a 三、產品數據 設備型號：l h l o 1 5 0 1 6 l 換熱面積：1 6m 2 程數：l 板片材料：3 1 6 l 殼體材料：3 1 6 l 板片波紋深度板片厚度：3 15 m i “o 8 m m 板對數：3 2 對 板段數：4 段 芯子數：1 接管法蘭公稱通徑：熱側進d n l o o 出d n 3 2 ：冷側d n l o o ( 單位：m m ) 安裝方式：立式 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 8 頁 第4 章燃油低燒工程控制部分的設計 4 1 燃油低燒工程控制部分概述 4 1 1 燃油低燒工程控制部分既有情況 目前國內燃油低燒工程控制部分的基本采用的都是手動控制，個別有將溫度等 數據顯示到控制室的，但普遍存在自動化程度低、人工強度大等問題。本次開發(fā)一套 管理系統(tǒng)，采用加熱裝置和計算機監(jiān)控技術，建成適合油庫行業(yè)、高集成度、高智能 化、高可靠性、高可控性的一體化生產、管理系統(tǒng)。 4 1 2 燃油低燒工程控制部分的設計要求 要求系統(tǒng)具備： 1 數據采集功能：具有完善的工藝參數采集并儲存輸油管網壓力、溫度、流量等 并具備報警顯示功能。 2 本地監(jiān)控功能：儲存、處理、顯示、打印、報警等功能。 3 友好易用的人機界面，實現對整個輸油管網系統(tǒng)運行狀況的監(jiān)督顯示和統(tǒng)一管 理。 4 采用模塊化結構，靈活的工業(yè)組態(tài)，便于維護、擴充和升級。 4 2 燃油低燒工程控制部分的具體設計 油庫燃油低燒改造系統(tǒng)的軟件設計分為p l c 的軟件設計和計算機監(jiān)控系統(tǒng)的軟 件兩部分。 4 2 1 計算機監(jiān)控系統(tǒng) 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要實現將現場的儀表數據( 如：油罐中油的液位，溫度 等數據) 在計算機中進行顯示；同時顯示水泵和油泵的工作狀態(tài)等狀態(tài)變量。 4 2 2 控制程序 控制系統(tǒng)硬件采用了西門子s 7 2 0 0 p l c ，在p l c 程序中用梯形圖實現了模糊 p i d 控制。遠程計算機軟件實現了一公里之外的數據監(jiān)測和對燃油低燒系統(tǒng)各個作業(yè) 的操作?，F場可以實現各種作業(yè)觸摸屏操作，觸摸屏主要以數據、圖形、動畫等來反 映p l c 內部位狀態(tài)，直觀反映了電氣控制系統(tǒng)的流程，增加了決策的靈活性。p l c 的 軟件設計形成工作程序的控制，達到以下要求： 1 對確定的各個監(jiān)測點的溫度、壓力以及閥門的開閉狀態(tài)進行動態(tài)顯示，實時監(jiān) 西南交通大學研究生畢業(yè)設計( 論文)第1 9 頁 控。 2 根據測得的油罐溫度，自動開啟或關閉換熱功能。開啟功能過后，對罐體內的 冷油進行換熱加熱：待油溫達到設定的溫度值以后，自動關閉換熱功能，停止運行。 3 當選擇對某一個罐體加熱以后，自動切換相關閥門的狀態(tài)，形成對選擇的罐體 的加熱通路。 4 轉換為手動模式以后，閥門的動作不受系統(tǒng)控制，必須由人工親自操作，溫度、 壓力等信息依然由系統(tǒng)自動監(jiān)測、動態(tài)顯示。 5 當動態(tài)監(jiān)測到溫度、壓力等信息值情況異常時，系統(tǒng)會馬上切斷罐體與換熱器 的聯系以及換熱器與熱源的聯系，并采用聲光報警的方式提示故障點，對故障進行判 斷和修復。 6 為保證系統(tǒng)正常運行，溫度、壓力等監(jiān)測信息點均采用一主一備的形式，系統(tǒng) 會對主備信息進行對比分析，當誤差超過設定的范圍后，系統(tǒng)會自動報警提示操作者， 對故障進行判斷和修復。 基本控制程序框架如下： 系統(tǒng)在開始工作后，對設置在各點的溫度、壓力傳感器的檢測數據進行不間斷地 讀取、顯示并確認，若： 。 1 當儲油罐( 1 或2 ) 溫度低于設定的最低溫度時，則系統(tǒng)控制打開相應的閥門， 開放儲油罐( 1 或2 ) 至換熱器至儲油罐( 1 或2 ) 、鍋爐房至換熱器至鍋爐房的通 路，其他通路均處于關閉狀態(tài)，啟動油泵，形成循環(huán)加熱。 2 當儲油罐( 1 或2 ) 溫度高于設定的最低溫度時，則系統(tǒng)關閉油泵，控制相 應的閥門關閉，使所有通路均處于關閉狀態(tài)。 3 當輸入需要倒裝柴油的指令，明確儲油罐號后，則系統(tǒng)控制打開相應的閥門， 開放儲油罐至換熱器至出油管、進油管至儲油罐、鍋爐房至換熱器至鍋爐房的通路， 其他通路均處于關閉狀態(tài)，啟動油泵，形成循環(huán)加熱。 4 當輸入需要加油的指令，明確儲油罐號、出油溫度后，則系統(tǒng)控制打開相應的 閥門，開放儲油罐至換熱器至儲油罐、鍋爐房至換熱器至鍋爐房的通路，其他通路均 處于關閉狀態(tài)，啟動油泵形成循環(huán)加熱；當測得儲油罐溫度達到出油溫度后要求后， 開放儲油罐至換熱器至出油管、鍋爐房至換熱器至鍋爐房的通路，其他通路均處于關 閉狀態(tài)，啟動油泵。形成上油的工作狀態(tài)。 5 當測得某個溫度、壓力傳感器的數值較設定的數值高出設定一定的比例后，系 西南交通大學研究生畢業(yè)設計f 論文)第2 0 頁 統(tǒng)開始聲、光報警并關閉所有閥門，停止所有工作。 控制信號、狀 態(tài)反饋 4 2 3 達到的效果 本設計在現場安裝調試后，在全自動控制狀態(tài)下和手動狀態(tài)下，分別進行了油 罐保溫加熱、o f f 柴