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1、研究區(qū)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(nèi),線路所在區(qū)域?qū)俅箨懶愿咴瓪夂騾^(qū),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(fēng)日數(shù)(逸8級(jí))47d,年均風(fēng)速3.4m/s,最高風(fēng)速29m/s,主導(dǎo)風(fēng)向N;海拔3600~3950m,最大季節(jié)凍土深度350cm。該線主要為解決木里地區(qū)煤炭外運(yùn)而建,于2010年正式通車。設(shè)計(jì)年度不辦理客運(yùn),鐵路等級(jí)為國(guó)鐵域級(jí),單線,限制坡度為雙機(jī)12.5譯,最小曲線半徑600m,內(nèi)燃牽引,牽引質(zhì)量3000t,到發(fā)線有效長(zhǎng)度650m,64D半自動(dòng)閉塞。根據(jù)沿線煤炭資源的儲(chǔ)量、分布及開發(fā)規(guī)模,遠(yuǎn)景年輸送能力為1400萬(wàn)t/年,該線運(yùn)量90%運(yùn)往西寧及以遠(yuǎn),主要供酒鋼、蘭鋼、西鋼、成鋼和武鋼等企業(yè),約10%供格爾木方向,主要供西藏及青藏線沿線地區(qū)。

2、研究?jī)?nèi)容

結(jié)合木里鐵路現(xiàn)狀和該區(qū)域氣候特征和地質(zhì)條件,在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)分析、解決以下問題:淤針對(duì)低氣溫、凍土和預(yù)留電氣化條件等因素,解決噴灑裝置選型問題;于對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析,為合理選擇控制設(shè)備提供支持;盂針對(duì)低氣溫條件和站區(qū)周邊環(huán)境脆弱情況,解決余液回收和保溫防凍等問題;榆針對(duì)堆煤場(chǎng)運(yùn)行現(xiàn)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(shè)計(jì)

抑塵劑噴灑站主要由構(gòu)筑物、配液系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。構(gòu)筑物包括房屋、道路和設(shè)備基礎(chǔ)等;配液系統(tǒng)包括預(yù)溶加料機(jī)、攪拌罐、儲(chǔ)液罐、噴灑泵、保溫防凍等;噴灑系統(tǒng)包括輸水管,管道泵,噴灑、清洗和回收裝置等;控制系統(tǒng)主要由配電柜、計(jì)算機(jī)、監(jiān)控探頭、光電檢測(cè)、雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)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(dòng)式兩類。固定式噴灑裝置又可分為:擺臂式、龍門式、對(duì)噴式和側(cè)噴式4種形式;移動(dòng)式噴灑裝置主要是移動(dòng)噴灑車和小型移動(dòng)噴灑車,由于移動(dòng)式噴灑裝置不能實(shí)施全天候噴淋,并受道路交通、安全等因素制約,應(yīng)用范圍較小。從噴灑效果、適應(yīng)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(duì)擺臂式、龍門式、對(duì)噴式和側(cè)噴式4種形式的噴灑裝置進(jìn)行對(duì)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(yù)留電氣化條件,將來(lái)進(jìn)行電氣化改造后需對(duì)噴灑裝置進(jìn)行技術(shù)改造,且線路所在區(qū)域氣候條件惡劣、氣溫低、溫差大,擺臂式和龍門式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性差,維修困難,不適用于該項(xiàng)目。從適用范圍、限界要求和穩(wěn)定性等方面分析,對(duì)噴式和側(cè)噴式裝置基本相同;從噴灑均勻性方面分析,對(duì)噴式要好于側(cè)噴式,側(cè)噴式受風(fēng)影響大,但對(duì)噴式施工難度稍大,側(cè)噴式不需過軌施工,相對(duì)簡(jiǎn)單。由于線路所在區(qū)域多風(fēng),且風(fēng)速較高,為保證抑塵劑噴灑的均勻性,最大程度的發(fā)揮抑塵劑效果,選擇施工難度相對(duì)較大但噴灑均勻,抑塵效果好的對(duì)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(dāng)列車即將到達(dá)時(shí),啟動(dòng)噴灑程序,噴淋泵和主管道電磁閥開啟,抑塵劑溶液進(jìn)入噴灑管道中并保壓,機(jī)車進(jìn)入噴灑作業(yè)區(qū)后,光電開關(guān)反饋信號(hào)至控制系統(tǒng),電磁閥保持關(guān)閉,不噴灑,此時(shí)雷達(dá)開始測(cè)速,并傳輸給可編程控制器(PLC),牽引機(jī)車通過后,發(fā)出信號(hào)給PLC,根據(jù)雷達(dá)所測(cè)速度及鉤檔識(shí)別,PLC開啟電磁閥,系統(tǒng)根據(jù)車速調(diào)整噴頭位置和噴嘴開啟數(shù)量,開始噴灑抑塵劑,在車輛鉤檔處,光電開關(guān)反饋信號(hào)至控制系統(tǒng),電磁閥關(guān)閉,暫停噴灑,依次循環(huán),直至一列車噴灑完成。當(dāng)車輛臨時(shí)停車時(shí),雷達(dá)測(cè)速儀反饋信號(hào)至控制系統(tǒng),停止噴灑作業(yè)。

3.2.2、噴灑裝置功能要求

(1)自動(dòng)噴灑噴灑裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)將光電傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)和智能控制技術(shù)相結(jié)合,完成系統(tǒng)對(duì)噴灑壓力、電磁閥開閉、噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)整、開閉等參數(shù)的自動(dòng)控制,使這些設(shè)備在總系統(tǒng)控制下,根據(jù)工況要求自動(dòng)控制,保證噴灑系統(tǒng)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

(2)流量調(diào)節(jié)由雷達(dá)測(cè)速儀測(cè)得列車速度,控制系統(tǒng)根據(jù)車速的快慢控制噴嘴開啟數(shù)量,達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

(3)余液回收功能按照一般地區(qū)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(qū)噴灑站房屋采用架空通風(fēng)形式之后,所有的罐體全部置于房屋內(nèi)地面之上,導(dǎo)致回流液無(wú)法自流到攪拌罐內(nèi),采用管道泵回抽時(shí),由于液體量少,易發(fā)生燒泵問題,故障率較高。所以,設(shè)計(jì)時(shí)考慮在房屋之外單獨(dú)設(shè)置回流液收集罐,管道從噴灑站立柱下方接入,設(shè)置電磁閥控制排空回收液管道的開閉。進(jìn)行噴灑時(shí),回流液管道電磁閥關(guān)閉;進(jìn)行余液回收時(shí),回流液管道電磁閥開啟,回流液進(jìn)入收集罐。對(duì)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(yè)后,需要對(duì)管道、噴頭進(jìn)行清洗。為簡(jiǎn)化設(shè)備,結(jié)合余液回收功能,采用余液回收—清洗—再回收的作業(yè)程序。第一次余液回收使室外管道內(nèi)的溶液排空,清洗時(shí),啟動(dòng)儲(chǔ)水箱中的水泵,向室外管道內(nèi)注入清水并從噴頭處噴出,達(dá)到清洗噴頭及電磁閥的目的。清洗完后,再進(jìn)行一次余液回收(排空)作業(yè),將管道中的水排空,為下次噴灑作業(yè)做好準(zhǔn)備。

(5)防凍功能為了保證噴灑裝置在低溫情況下正常運(yùn)行,抑塵劑噴灑站室外管道和噴灑裝置應(yīng)有防凍功能。對(duì)于室外管道的防凍問題,從兩個(gè)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(tǒng)的管道埋設(shè)及隔熱保溫方式。通過對(duì)抑塵劑進(jìn)行預(yù)拌和,寒冷季節(jié)采取預(yù)加熱處理等方式,可提高抑塵液溫度。多年凍土區(qū)管道的鋪設(shè)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(shè)形式具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。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(shè)置電伴熱及保溫材料,埋設(shè)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(yīng)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(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料等。保溫層厚度根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁?、地溫及管道的運(yùn)營(yíng)條件,通過熱力計(jì)算后確定。對(duì)于外露的管道,采用電伴熱加保溫材料的方式,結(jié)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(shè)備)外壁之間的電熱帶通電發(fā)熱,來(lái)補(bǔ)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(nèi),達(dá)到保溫和防凍的目的。電伴熱保溫根據(jù)電纜形式的不同可分為自調(diào)控式發(fā)熱電纜電伴熱保溫和恒功率發(fā)熱電纜電伴熱保溫。前者能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制,當(dāng)管道溫度低于電伴熱保溫系統(tǒng)設(shè)定溫度時(shí),系統(tǒng)可以對(duì)管道自動(dòng)加溫;后者采用恒定功率持續(xù)發(fā)熱保溫。為了最大程度的保護(hù)凍土層,電伴熱采用自調(diào)控式發(fā)熱電纜,當(dāng)管道溫度低于電伴熱保溫系統(tǒng)設(shè)定溫度時(shí),系統(tǒng)可以對(duì)管道自動(dòng)加溫。根據(jù)不同季節(jié)室外最低溫度,調(diào)整設(shè)定溫度,使得管道既不結(jié)凍,也不向外散熱。

(6)應(yīng)急功能為了適應(yīng)各種復(fù)雜的作業(yè)情況,如在不同風(fēng)速情況下實(shí)現(xiàn)最佳的噴灑效果,設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)檢修調(diào)試,噴灑裝置應(yīng)有應(yīng)急模式,如半自動(dòng)噴灑、手動(dòng)噴灑和備用噴灑等功能。備用噴灑功能可在主系統(tǒng)故障或維修時(shí)使用。

3.3、噴灑站布置

3.3.1、平面布置

噴灑站布置時(shí),應(yīng)綜合考慮站內(nèi)信號(hào)機(jī)、軌道衡、轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔以及噴灑需要控制的股道等因素確定。噴灑站應(yīng)該選擇在進(jìn)站信號(hào)機(jī)和出站信號(hào)機(jī)之間,不能對(duì)站內(nèi)信號(hào)產(chǎn)生影響。在有軌道衡的站區(qū),噴灑站應(yīng)結(jié)合過衡作業(yè)過程布置,以簡(jiǎn)化噴灑作業(yè)流程。為避免抑塵液對(duì)軌道衡的影響,噴灑站與軌道衡之間應(yīng)保留一定的距離。為了同時(shí)控制兩個(gè)股道裝煤列車的噴灑,有時(shí)噴灑站需要布置在轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔附近,為了保證轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔的正常運(yùn)行,不被抑塵液影響,寒冷季節(jié)不被凍結(jié),噴灑站與轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔之間應(yīng)保留一定的防護(hù)距離。

3.3.2、鐵路限界要求根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》、《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5009—2006),確定對(duì)噴設(shè)備高度5.5m;設(shè)備基礎(chǔ)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(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》和《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5009—2006):接觸網(wǎng)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(yù)留接觸網(wǎng)電纜高度6.2m,設(shè)備頂端距離預(yù)留接觸網(wǎng)最近處為3.03m,符合安全及鐵路限界要求。、

3.3.3、噴灑量計(jì)算為了確定噴灑裝置的功率、噴灑量、泵的流量、壓力、儲(chǔ)液罐、攪拌站的大小等,需要根據(jù)理想情況,計(jì)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(nèi)寬為2.9m,車長(zhǎng)為13.0m,車速為30km/h,按噴灑面與車寬相同計(jì)算,以此來(lái)計(jì)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(diǎn),從物理性狀分,可分為液態(tài)溶劑型和固態(tài)粉末型兩種。液態(tài)溶劑型抑塵劑不用預(yù)溶,直接加入攪拌罐與水混合,經(jīng)攪拌后使用;固態(tài)粉末型需經(jīng)預(yù)溶后,才能進(jìn)入攪拌罐與水混合,經(jīng)攪拌后使用。由于液態(tài)抑塵劑不便長(zhǎng)途運(yùn)輸,受倉(cāng)儲(chǔ)和溫度條件限制,鐵路抑塵多采用固態(tài)粉狀抑塵劑。選用的抑塵劑產(chǎn)品應(yīng)有以下特性:淤粘結(jié)性能好,形成的固化層有一定的強(qiáng)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(jié)性能;盂不影響煤的燃燒性能,燃燒后不產(chǎn)生有毒有害成分;榆無(wú)毒無(wú)害、可生物降解、符合環(huán)保要求;虞對(duì)鋼材、橡膠、漆層等無(wú)腐蝕;愚成本低、易噴灑、易貯運(yùn)。根據(jù)上述選擇原則,結(jié)合本項(xiàng)目所處地理位置偏遠(yuǎn)、運(yùn)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(tài)復(fù)合濃縮型抑塵劑。

3.5、凍土與環(huán)境保護(hù)

木里鐵路所在區(qū)域?qū)儆诙嗄陜鐾劣騾^(qū),即高溫不穩(wěn)定多年凍土亞區(qū),年平均地溫高于-1.0益,凍土類型主要為低含冰量?jī)鐾?多冰凍土),夾雜高含冰量?jī)鐾?富冰凍土)。由于凍土有融沉性和凍脹性,敏感性高,觸動(dòng)易融化,噴灑設(shè)備房屋不適宜采用地基基礎(chǔ)。因此,抑塵劑噴灑設(shè)備間房屋采用架空通風(fēng)形式,樁基形式采用鉆孔樁基礎(chǔ)。為最大限度地減少對(duì)多年凍土的擾動(dòng),采用干鉆法(旋挖鉆機(jī)成孔)施工,樁端進(jìn)入多年凍土上限埋深以下一定安全深度;電伴熱采用自調(diào)控式發(fā)熱電纜,可根據(jù)不同季節(jié)室外最低溫度,調(diào)整設(shè)定溫度,使得管道既不結(jié)凍,也不向外散熱。采取上述房屋基礎(chǔ)形式、施工方法和管道防凍保溫措施,可最大程度的保護(hù)凍土層。為了最大程度地保護(hù)站區(qū)周邊脆弱的生態(tài)環(huán)境,除了在施工期和運(yùn)營(yíng)期嚴(yán)格落實(shí)項(xiàng)目環(huán)評(píng)報(bào)告提出的各項(xiàng)環(huán)保措施外,在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期還應(yīng)重點(diǎn)控制抑塵劑對(duì)站區(qū)周邊環(huán)境的污染,選擇抑塵劑時(shí),應(yīng)根據(jù)抑塵劑化驗(yàn)或者檢測(cè)報(bào)告,選擇無(wú)毒、無(wú)害,不污染水質(zhì),可生物降解的環(huán)境友好型產(chǎn)品,并加強(qiáng)對(duì)噴灑設(shè)備的維護(hù),減少抑塵液的漏失。

4、結(jié)論

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

(2)噴灑站布置時(shí),應(yīng)綜合考慮站內(nèi)信號(hào)機(jī)、軌道衡、轉(zhuǎn)轍機(jī)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(duì)站內(nèi)信號(hào)產(chǎn)生影響;在有軌道衡的站區(qū),噴灑站應(yīng)結(jié)合過衡作業(yè)過程布置,以簡(jiǎn)化噴灑作業(yè)流程;當(dāng)噴灑站需要布置在轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔附近時(shí),應(yīng)預(yù)留一定的安全距離,以保證轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔的正常運(yùn)行,不被抑塵液影響,寒冷季節(jié)不被凍結(jié)。

(3)噴灑站房屋采用架空通風(fēng)形式時(shí),回流液收集罐可在房屋之外單獨(dú)設(shè)置,并設(shè)置自動(dòng)控制裝置;對(duì)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(qū)管道宜采用淺埋式,自調(diào)控式發(fā)熱電纜電伴熱,保溫材料要求絕緣性能好,吸水性小。

(4)對(duì)噴式噴灑裝置立柱高度5.5m,靜態(tài)設(shè)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(shí),可以滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》、《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5009—2006)中對(duì)鐵路限界的強(qiáng)制性要求。

(5)在抑塵劑選擇時(shí),除了考慮抑塵劑的一般特點(diǎn)之外,還應(yīng)結(jié)合自然條件、運(yùn)輸條件、貯存和環(huán)保要求,選擇耐低溫、耐貯運(yùn)、無(wú)毒無(wú)害、可生物降解和環(huán)境友好的固態(tài)復(fù)合濃縮型產(chǎn)品

作者：田棟單位：中鐵一院蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司