鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備研究
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摘要：針對(duì)既有鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備存在的問題，分析了國內(nèi)外發(fā)電裝備的現(xiàn)狀和研發(fā)無人值乘、遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)電箱的必要性，并重點(diǎn)介紹了無人值乘、遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)電箱采用的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用和試驗(yàn)情況，該研究對(duì)降低冷藏運(yùn)輸成本、推動(dòng)鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)展具有重要意義。
關(guān)鍵詞：冷藏運(yùn)輸；發(fā)電箱；遠(yuǎn)程監(jiān)控；低溫啟動(dòng)；消防安全；智能供電；運(yùn)用維護(hù)
隨著生活水平的不斷提升，人們對(duì)食品安全要求越來越高，對(duì)鐵路冷藏運(yùn)輸?shù)男枨笤絹碓酱蟆ｈF路冷藏運(yùn)輸需要穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，現(xiàn)有的鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備主要是B22、B23型機(jī)械冷藏車組的發(fā)電乘務(wù)車，該車為早期設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，不足之處主要表現(xiàn)在：發(fā)電機(jī)組與鐵路車輛為一體式，不能靈活運(yùn)用；車輛采用客車轉(zhuǎn)向架，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；發(fā)電機(jī)組為傳統(tǒng)機(jī)型，功率小，油耗大；發(fā)電機(jī)組不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，運(yùn)行中需有人員值乘，運(yùn)營成本高。隨著自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合新型發(fā)電機(jī)組、智能控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，研制無人值乘、遠(yuǎn)程監(jiān)控的鐵路運(yùn)輸發(fā)電箱對(duì)降低冷藏運(yùn)輸成本、推動(dòng)鐵路冷藏運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展具有重要意義。結(jié)合中國鐵路總公司科技開發(fā)計(jì)劃課題（2017J009－O）《鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備技術(shù)方案研究》，中車長江車輛有限公司研制了40ft無人值乘鐵路運(yùn)輸發(fā)電箱，開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
1國內(nèi)外鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備的現(xiàn)狀
鐵路運(yùn)輸冷藏集裝箱一般采用發(fā)電箱或發(fā)電車供電，運(yùn)用模式包括有人值乘或無人值乘，有人值乘模式由乘務(wù)人員對(duì)發(fā)電設(shè)備進(jìn)行操控，無人值乘模式主要在到發(fā)兩站完成操控作業(yè)，目前基于信息化技術(shù)能進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備尚屬技術(shù)空白。
1．1我國鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備
我國鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備主要包括發(fā)電車和發(fā)電箱。既有鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電車包括B22－1型、B23－1型2種車型（圖1），均為有人值乘的乘務(wù)發(fā)電車。B22－1型發(fā)電車為20世紀(jì)80年代從德國進(jìn)口的產(chǎn)品；B23－1型發(fā)電車是在B22－1型發(fā)電車基礎(chǔ)上進(jìn)行國產(chǎn)化的產(chǎn)品，在20世紀(jì)90年代初開始批量投入運(yùn)用，但目前大部分已經(jīng)達(dá)到報(bào)廢年限而停止使用，少量在用的也已接近報(bào)廢年限，而且裝備嚴(yán)重老化，油耗高，綜合性能較差，使用成本高［1］。我國鐵路于2000年曾嘗試使用40ft發(fā)電箱（圖2）為冷藏集裝箱供電。該發(fā)電箱采用有人值乘模式和并聯(lián)供電方式，使用成本高，連接電纜線多，存在安全隱患，不適應(yīng)市場(chǎng)需求，已被停用淘汰。
1．2國外鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備
美國、加拿大鐵路冷藏集裝箱長距離運(yùn)輸主要采用發(fā)電箱供電［2］。美國南太平洋鐵路運(yùn)輸公司曾研制過40ft發(fā)電箱（圖3），運(yùn)輸時(shí)發(fā)電箱編組在車組中部，向9個(gè)40ft冷藏集裝箱供電，發(fā)車時(shí)人工開機(jī)，到站時(shí)人工關(guān)機(jī)，運(yùn)輸途中無監(jiān)控；加拿大鐵路采用40ft發(fā)電箱供電，發(fā)電箱采用自動(dòng)控制方式和無人值乘模式，每個(gè)發(fā)電箱可為12～14個(gè)40ft冷藏集裝箱供電，直達(dá)列車在約1萬km的行駛里程中僅由司乘人員對(duì)發(fā)電箱進(jìn)行一次技術(shù)狀態(tài)檢查；俄羅斯鐵路目前采用發(fā)電車供電，采用有人值乘模式，發(fā)電車掛在集裝箱車列中部，同時(shí)給12個(gè)冷藏集裝箱供電。
2遠(yuǎn)程監(jiān)控鐵路運(yùn)輸發(fā)電箱的關(guān)鍵技術(shù)研究
無人值乘鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電箱是集機(jī)械、電氣、消防安全、遠(yuǎn)程控制、信息網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)于一體的智能化移動(dòng)供電裝備，發(fā)電箱裝載在鐵路集裝箱平車或共用平車上，為鐵路貨車?yán)洳丶b箱供電。無人值乘鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電箱需滿足鐵路運(yùn)輸長距離、大溫差、復(fù)雜的地理和氣候環(huán)境等運(yùn)輸條件，需適應(yīng)鐵路平車的運(yùn)行特點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)主要有智能供電技術(shù)、低溫啟動(dòng)技術(shù)、消防安全技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)及運(yùn)用維護(hù)技術(shù)。
2．1智能供電技術(shù)
以BX1K型冷藏集裝箱車組為例，其編組方式為：4（BX1K型車＋冷箱）＋1（BX1K型車＋發(fā)電箱）＋4（BX1K型車＋冷箱），為適應(yīng)該編組方式，發(fā)電箱分兩路向兩端車輛供電。為減小負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)組的沖擊，采用延時(shí)供電方式，即發(fā)電箱先給一端車輛供電，延后一段時(shí)間后（約20s），再給另一端車輛供電。為提高供電的可靠性，發(fā)電箱配置2臺(tái)發(fā)電機(jī)組，輪換交替工作，以保證兩者工作時(shí)間基本相同，便于同步檢修。發(fā)電機(jī)組運(yùn)行滿足以下要求：（1）正常啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)優(yōu)先啟動(dòng)累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)工時(shí)較小的發(fā)電機(jī)組。當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行12h后，自動(dòng)切換到另一臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行。為保證供電不間斷，遵循“后機(jī)先啟動(dòng)，前機(jī)后停機(jī)”的原則，交替運(yùn)行過程中兩發(fā)電機(jī)組可相互轉(zhuǎn)移負(fù)載。（2）受溫度、海拔高度影響，當(dāng)1臺(tái)發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率不夠時(shí)，2臺(tái)發(fā)電機(jī)組同時(shí)運(yùn)行供電。并聯(lián)供電時(shí)，兩機(jī)組發(fā)電的有功功率和無功功率的分配額差度不超過10％。（3）通過兩發(fā)電機(jī)組控制器及兩發(fā)電機(jī)組間通信連接的自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組供電相位、頻率的一致性，保證兩發(fā)電機(jī)組自動(dòng)并聯(lián)供電。兩發(fā)電機(jī)組供電邏輯關(guān)系如圖4所示。
2．2低溫啟動(dòng)技術(shù)
發(fā)電箱在全國鐵路線路上使用，環(huán)境溫度最低可達(dá)－40℃。在低溫條件下，燃料黏度增加不利于燃油的霧化與燃燒，潤滑油流動(dòng)性變差使零部件運(yùn)動(dòng)阻力增大、蓄電池工作能力降低，這些因素導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難［3］。為確保發(fā)電機(jī)組在低溫條件能順利啟動(dòng)，除了選用適應(yīng)低溫環(huán)境的柴油和潤滑油外，可采取進(jìn)氣口加熱、潤滑油加熱、冷卻液加熱等措施。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)包括以下3種情況：（1）在環(huán)境溫度高于－15℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)；（2）在環(huán)境溫度－15～－25℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱器自動(dòng)加熱，能在30s內(nèi)啟動(dòng)；（3）在環(huán)境溫度低于－25℃時(shí)，采用外供220V電源，利用發(fā)動(dòng)機(jī)水套加熱器、潤滑油加熱器給發(fā)動(dòng)機(jī)缸套及潤滑油預(yù)熱，可在30min內(nèi)啟動(dòng)。
2．3消防安全技術(shù)
發(fā)電箱采用無人值乘模式，內(nèi)部安裝有發(fā)電機(jī)組、油箱、風(fēng)機(jī)、蓄電池、電纜等各種電器設(shè)備，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果非常嚴(yán)重，因此必須設(shè)置自動(dòng)滅火裝置，且滅火操作要多級(jí)冗余，確保滅火有效性。發(fā)電箱箱體采用不可燃材料，箱內(nèi)可燃物主要為電氣線纜和油料，可根據(jù)火災(zāi)類型、區(qū)域環(huán)境選用合適的滅火劑、滅火方式及滅火策略［4］。2．3．1滅火劑。滅火劑主要有干粉、二氧化碳、泡沫、水、鹵代烷等［5］。干粉滅火劑對(duì)電氣、油料火災(zāi)產(chǎn)生物理窒息、化學(xué)抑制作用，并可對(duì)熱輻射產(chǎn)生遮蔽、冷卻作用，具有物理和化學(xué)雙重功效，適用于撲救石油產(chǎn)品、油漆、電氣等火災(zāi)，其粒徑小、流動(dòng)性好、能在空氣中懸浮一定時(shí)間，能在發(fā)電箱封閉空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全淹沒滅火。因此，根據(jù)發(fā)電箱結(jié)構(gòu)布置及設(shè)備功能特點(diǎn)，選用了超細(xì)干粉滅火劑。2．3．2滅火方式。采用感溫電控啟動(dòng)滅火罐、感溫自動(dòng)啟動(dòng)滅火球2種消防器材，同時(shí)設(shè)置手動(dòng)啟動(dòng)、感溫電控啟動(dòng)和溫控自啟動(dòng)3種滅火模式。如果手動(dòng)啟動(dòng)滅火模式失效，則感溫電控自動(dòng)滅火模式啟動(dòng)；如果感溫電控啟動(dòng)滅火模式失效，則溫控自啟動(dòng)滅火模式啟動(dòng)。2．3．3滅火策略。采用四級(jí)滅火控制方式，手動(dòng)與自動(dòng)、遠(yuǎn)程和本地、電控和溫控相結(jié)合。（1）溫度、煙度傳感器采集煙火信息。當(dāng)溫度達(dá)到90℃時(shí)，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)開始報(bào)警。監(jiān)控中心通過監(jiān)控?cái)z像頭確認(rèn)火情，確需滅火時(shí)由人工啟動(dòng)滅火罐進(jìn)行滅火。（2）測(cè)溫控制器探測(cè)溫度。當(dāng)溫度達(dá)到100℃且煙火報(bào)警系統(tǒng)未報(bào)警或人工疏于操作時(shí)，測(cè)溫控制器報(bào)警；溫度達(dá)到110℃，測(cè)溫控制器自動(dòng)啟動(dòng)滅火罐進(jìn)行滅火。（3）感溫控制器探測(cè)溫度。當(dāng)發(fā)電箱內(nèi)無電導(dǎo)致測(cè)溫控制器失效時(shí)，如果溫度達(dá)到115℃，則自帶電池的感溫控制器自動(dòng)啟動(dòng)滅火罐進(jìn)行滅火。（4）熱敏器件探測(cè)溫度。當(dāng)自帶電池的感溫控制器失效時(shí)，如果溫度達(dá)到160℃，則熱敏器件自動(dòng)啟動(dòng)滅火球進(jìn)行滅火。發(fā)電箱滅火過程如圖5所示。
2．4遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)
為滿足無人值乘、安全運(yùn)用的要求，對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、箱內(nèi)工作環(huán)境、箱體運(yùn)輸狀態(tài)、能源消耗指標(biāo)等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。遠(yuǎn)程監(jiān)視包括監(jiān)視參數(shù)和監(jiān)視圖像2種信息載體。監(jiān)視參數(shù)主要有機(jī)組運(yùn)行的水溫、油溫、油壓、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率、頻率和工作時(shí)間；箱內(nèi)的溫度、濕度和煙霧濃度；箱體的所在位置、運(yùn)行里程、運(yùn)行速度、振動(dòng)加速度和箱門開關(guān)狀態(tài)；相關(guān)能源消耗的油箱油位、電瓶電壓和蓄電池電壓等。發(fā)電箱對(duì)監(jiān)視參數(shù)中影響安全的重要指標(biāo)設(shè)置報(bào)警閾值，可實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。監(jiān)視圖像主要是箱內(nèi)攝像視頻。遠(yuǎn)程控制包括手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2種方式，保證發(fā)電箱的運(yùn)用安全。遠(yuǎn)程手動(dòng)控制的項(xiàng)目主要有機(jī)組啟停機(jī)、風(fēng)機(jī)開關(guān)機(jī)、1位端或2位端供電、滅火罐啟動(dòng)、箱內(nèi)照明開關(guān)和箱內(nèi)攝像開關(guān)等；自動(dòng)控制的項(xiàng)目主要有機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行模式下的自動(dòng)供電、兩機(jī)組工作自動(dòng)切換、風(fēng)機(jī)開關(guān)機(jī)、滅火器啟動(dòng)前切斷電源、照明燈自動(dòng)關(guān)閉、滅火系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)、燃油系統(tǒng)供油電磁閥自動(dòng)開啟和關(guān)閉等。信息采集及處理采用RS485通信和CAN模塊，數(shù)據(jù)通信采用TCP協(xié)議。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)通過加密和校驗(yàn)防止有效數(shù)據(jù)被截獲及非法數(shù)據(jù)被接入，保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)通信中斷時(shí)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)保存在箱載存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)，待通信恢復(fù)后再傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，以保證數(shù)據(jù)的完整性。
2．5運(yùn)用維護(hù)技術(shù)
40ft鐵路運(yùn)輸發(fā)電箱是固定裝載在鐵路集裝箱平車上運(yùn)行的發(fā)電裝備，需根據(jù)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)和電氣裝置的技術(shù)要求確定合理的修制修程，在保證安全前提下實(shí)現(xiàn)“箱－車”“箱－機(jī)組”的同步檢修，提高發(fā)電箱的運(yùn)用效率，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸效益的最大化。2．5．1運(yùn)用要求。（1）發(fā)電箱裝車后，需安裝好箱體與本車車體的接地線、箱體與鄰車連接的動(dòng)力插頭；發(fā)電箱卸車前，需拆下箱體與本車車體的接地線、箱體與鄰車連接的動(dòng)力插頭。（2）根據(jù)季節(jié)氣候更換適合的燃油、潤滑油及冷卻液。（3）正常運(yùn)用時(shí)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)發(fā)電箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，不設(shè)值乘人員。（4）2臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行或12h交替運(yùn)行。在自動(dòng)運(yùn)行模式下優(yōu)先啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)工時(shí)較少的機(jī)組。（5）對(duì)風(fēng)機(jī)、滅火裝置、機(jī)組急停相關(guān)設(shè)備等只在應(yīng)急情況下啟動(dòng)的安全設(shè)施需定期檢查，使其保持技術(shù)狀態(tài)良好，確保在緊急情況下能及時(shí)啟動(dòng)。（6）進(jìn)行常規(guī)檢查、維護(hù)保養(yǎng)、冷箱裝卸等現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，需對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)顯示的信息進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，確保與發(fā)電箱實(shí)際情況一致。2．5．2檢修周期。按照“箱－車”同步檢修原則，每1．5年對(duì)發(fā)電箱（含機(jī)組）進(jìn)行1次小修，每3年進(jìn)行1次中修，每9年進(jìn)行1次大修。2．5．3保養(yǎng)與維護(hù)按廠家的規(guī)定對(duì)機(jī)組進(jìn)行保養(yǎng)與維護(hù)。發(fā)電箱機(jī)組保養(yǎng)時(shí)對(duì)發(fā)電箱箱體及附屬設(shè)備關(guān)鍵部位進(jìn)行檢查維護(hù)，主要內(nèi)容有：（1）箱體外觀是否有變形、破損；（2）進(jìn)風(fēng)百葉窗、機(jī)組進(jìn)氣口、排風(fēng)百葉窗、加油窗、端門有無漏雨現(xiàn)象；（3）各緊固件有無松動(dòng)情況（查看螺栓螺母上的防松標(biāo)記）；（4）電氣接頭是否有打火、線損情況；（5）油箱及供電管路是否有燃油滲漏情況；（6）滅火裝置的殼體及鋁薄膜是否有破損情況；（7）各傳感器安裝連線是否有松脫現(xiàn)象；（8）遠(yuǎn)程監(jiān)控各子系統(tǒng)功能是否正常，有無信息丟失、錯(cuò)誤情況。
3試驗(yàn)及運(yùn)用情況
中車長江車輛有限公司對(duì)40ft無人值乘鐵路運(yùn)輸發(fā)電箱及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證［6－9］。試驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)組的供電性能符合GB／T2819—1995《移動(dòng)電站通用技術(shù)條件》的要求，低溫啟動(dòng)性能符合設(shè)計(jì)技術(shù)條件的要求［10］，滅火裝置模擬啟動(dòng)滿足CECS322：2012《干粉滅火裝置技術(shù)規(guī)程》的要求［11］，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)滿足中國鐵路總公司科信裝函［2018］78號(hào)文發(fā)布的《40ft鐵路運(yùn)輸發(fā)電箱遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件》的要求［12－13］。車輛沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)電箱的機(jī)組性能和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能正常［14］。樣箱經(jīng)過2年多的運(yùn)用考驗(yàn)，發(fā)電箱及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)功能均正常，滿足中國鐵路總公司科信裝函［2018］78號(hào)文發(fā)布的《40ft鐵路運(yùn)輸發(fā)電箱設(shè)計(jì)技術(shù)條件》《40ft鐵路運(yùn)輸發(fā)電箱遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件》的要求。
4結(jié)束語
中車長江車輛有限公司研發(fā)的鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電箱實(shí)現(xiàn)了信息化、智能化技術(shù)在鐵路冷藏運(yùn)輸發(fā)電裝備上的成功運(yùn)用，并通過了實(shí)際運(yùn)用考驗(yàn)。采用智能化、信息化技術(shù)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)發(fā)電箱及其內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)了無人值乘運(yùn)用。與現(xiàn)有B22－1、B23－1型發(fā)電乘務(wù)車相比，提高了供電效率，減少了燃油消耗，更加節(jié)能環(huán)保，且無需人員值乘，極大地降低冷藏運(yùn)輸成本，對(duì)促進(jìn)全社會(huì)冷鏈物流的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
作者:舒麟 何遠(yuǎn)新 景傳峰 金曉平 羅桂瓊 單位:中車長江車輛有限公司
