机车冷却水系统的电加热改造

陆洋

【摘 要】针对冬季机车暖车采用起机打温方式的现状，分析了起机打温带来的弊端，并提出了改进方案。即通过实施电加热改造，达到节能降耗的效果。

【关键词】起机打温；电加热改造；节能降耗

1.问题的提出

冬季，需要对机车进行暖车，以保证柴油机的油、水温度能够满足起机的最低温度要求。尤其在北方，由于平均温度较低，对机车暖车要求的频率更高。

目前，普遍采用起机打温的方式对机车进行暖车。起机打温不但加速柴油机运动件的磨损、容易出现司乘人员误操作导致安全事故，还会耗费大量的燃油，增加燃油成本支出。

烟台地区冬季的平均温度为-3-5℃，最低达到-10℃左右，平均每台备用机车冬季暖车的时间约为300小时，每年仅工矿机车冬季暖车造成的燃料消耗就达到6000余升。按照-10#柴油单价8元/L计算，燃料消耗费用约为4.8万元，费用较高。

2.可行性论证

我公司配属的GK1D型液力传动内燃机车，标定功率为1000kw，标定功率下的燃油消耗率为206х10-3kg/（kw·h），机车冷却水质量为500kg。冬季采用起动柴油机怠速打温的方式，平均每班需要起机四次，每次15mm，每小时的燃油消耗量约为20L，即燃料消耗费用为160元。通过电加热箱对500kg冷却水由20℃加热到40℃（柴油机最低加载温度），平均每次耗电量为12.5度左右，按照每班加热四次的频率，电能消耗费用约为70元，节能效果比较明显。

因此，决定对工矿机车的暖车方式改为电加热，并增加自动控制功能，以减少操作人员的工作量。

3.改造方案

GK1D机车冷却水系统如下图实线部分所示。改造中，将电加热器与循环水泵电机组串联接入高温水回路，同时通过增加管路连接，使柴油机出口端与中冷水系统连通，并利用两个截止阀来实现冷却水分别在柴油机正常工作、加热时的流向转换。电加热装置所需的电能由地面的380V电源供电。该系统主要由自动控制单元、保护装置、循环水泵电机组、电加热器、截止阀、逆止阀、和管路组成，改造后的冷却水系统示意图如下：

为了保证柴油机正常工作及预热时冷却水能够按照既定的路线循环，在管路中设置了三个截止阀。柴油机正常工作时，使截止阀1处于关闭状态，截止阀2处于打开状态，高温水和中冷水分别按照原来的水管路进行循环。预热时，打开两个截止阀1，关闭截止阀2，冷却水的流动方向为：高温水箱→液力传动油水热交换器→高温水泵前→电加热器→循环水泵电机组→高温水泵后→柴油机机体→中冷器→机油冷却器→低温水箱。按此循环流向，周而复始地循环加热。由于高温水箱和低温水箱上部连通，可以实现低温水箱向高温水箱的自动补水。

为了避免电加热装置工作时高温水泵入口端与出口端压差过大，从而造成水泵漏水，采用了电加热装置与高温水泵并联的方式。安装逆止阀3，目的是防止加热后的冷却水经高温水泵出口端逆向流入循环水泵电机组。

选择电加热器时，需要充分考虑机车冷却水的载量、电机热效率、散热损失以及机车外电源的供电负荷等因素。以GK1D机车为例，机车冷却水载量为500kg，柴油机加载的最低油水温度不得低于40℃，暖车要求温度达到60℃即可。在不考虑供电负荷的情况下，可选用一个380V、30kW的电加热箱，经过30分钟左右的时间，即可完成高温冷却水的加热过程。

综合考虑循环加热时间、电加热箱的工作效率、流量对散热损失的影响等因素，选用流量为8m3/h、压力为100kPa的循环水泵，交流380V、2.5A、2830r/min的三相异步电动机。

当冷却水加热到规定温度时，通过自动控制单元，自动切断电加热器和循环水泵电机组的电源，完成一次加热过程。当冷却水温度低于设定的最低温度，自动为电加热器和循环水泵电机组供电，重新对冷却水系统进行加热。自动控制单元包括温度调节仪、延时开关和交流接触器。

循环水泵电机组进口端安装温度传感器，通过温度调节仪WK的控制，当水温低于设定的温度下限时，交流接触器KM1、KM2吸合，电加热器和循环水泵电机组开始工作，对高温冷却水进行加热；当水温达到温度上限时，通过温度调节仪WK控制交流接触器KM1、KM2自动断开，电加热器和循环水泵电机组同时停止工作。

温度调节仪WK采用可调式，可以根据实际需要调整上、下限的温度设置。

延时开关包括通电延时和断电延时。通电延时开关2KT的常开触点与电加热器的交流接触器线圈KM2串联，当WK的常开触点吸合时，通过延时开关2KT的作用使KM2晚于KM1得电，即循环水泵电机组工作一段时间后电加热器才得电开始工作。断电延时开关1KT的常开触点与循环水泵电机组的交流接触器线圈KM1串联，使电加热器断电一段时间后循环水泵电机组才停止工作，以降低电加热器的温度。

交流接触器KM2的线圈与KM1的常开触点串联，目的是为了避免因交流接触器KM1故障，导致循环水泵电机组不工作、电加热箱烧干等问题。即只有当KM1得电动作后，KM2的线圈才会得电，电加热箱开始工作。

为了保护循环水泵电机免于过载，以及对电机进行缺相保护，在电机前安装热继电器KH，其常闭触点与交流接触器KM1的线圈串联。当热继电器动作后，其常闭触点断开，KM1线圈失电，主触点断开，循环水泵电机组停止工作。同时，因KM1线圈失电，其常开辅助触点失电断开，KM2因线圈失电造成其主触点断开，电加热箱停止工作，达到自动控制的目的。

4.取得的效益

对机车冷却水实施电加热改造，一台电加热箱的费用约为7000元，加上循环水泵电机组、电气控制部分及管路改造，完成一台机车电加热改造的费用约为14000元，投资额较小。而通过电加热改造，每年每台工矿机车可节约2.7万元左右的燃料费用。