严寒地区内燃机车燃油预热系统技术改造试验研究资料.docx
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严寒地区内燃机车燃油预热系统技术改造试验研究资料
严寒地区内燃机车
燃油预热系统技术改造试验研究
[摘要]燃油是内燃机车的能源,为了降低成本,提高经济效益,加强对燃油的管理使用和节油工作具有非常重要的意义。
本项目通过对内燃机车燃油预热系统进行改造,提高了燃油温度;同时为了提高“低烧一号”的安全性、便于监测、自动化控制等,加装了WJX(温度检测系统)和WHT(无级恒温调节系统)。
通过三方面的工作,节省的不是燃油的消耗量,而是在冬季用低标号油代替高标号油,节约的是高、低标号燃油的差价。
这样降低了燃油消耗费用,取得了良好的经济效益。
一、研究的必要性
我公司在神朔、朔黄线运用DF4型内燃机车6台,由于神池属高寒地区,气温偏低造成内燃机车燃油消耗过大,占我公司内燃机车运用成本支出的60%以上,如何降低内燃机车运用成本,一直是我们急需解决的问题,为此我们决定引用内燃机车燃油低烧一号技术,实施低烧1号柴油工程,以达到降低运输成本的目的。
二、主要研究内容及关键技术
在严寒地区,随着温度的降低,内燃机车应调整使用高标号的柴油,以满足正常工作。
本项目主要对内燃机车原有的预热系统进行分析改进,试验研究各标号柴油在不同气温条件下可保持的最佳温度值,达到降低使用燃油标号、减少成本支出。
关键的技术问题是:
低号柴油随着气温的降低渐渐的析出腊来,堵塞了机车给油管路,造成了机车供油不足,影响了机车的正常运用,通过采用低烧一号技术,对内燃机车燃油预热系统进行改造,使燃油在常温下到达汽缸,并达到最佳雾化效果,提高机车运用效率。
三、研究报告
(一)问题的提出和可行性分析
柴油机是在气缸内将燃油的化学能转变为机械能的一种动力机械,因此燃油是柴油机的“粮食”和动力,燃油的品质对机器的启动、发火、喷油雾化、燃烧经济性、燃后残留物及向环境排放物等有直接的影响。
机车柴油机燃油采用GB252-87所规定的10、0、-10、-20和-35号等优质轻柴油。
柴油牌号数字代表柴油在低温下失去流动性时的摄氏温度值—凝点。
然而在柴油接近凝点之前,局部油液内先有石蜡状结晶析出,这种开始析出结晶物时的温度值称为浊点。
例如0号柴油的浊点为3~10℃。
在浊点区内使用时,柴油的流动阻力增大,结晶物易使通路阻塞,供油不足,雾化不良,甚至供油中断,所以柴油牌号的选择,通常应使环境温度或燃油箱内油温高出浊点3-5℃。
一般说来,北方地区冬季适用疑点低的柴油,其价格也较贵,南方地区冬季适用凝点稍高的柴油,其燃烧性能优于前者,启动快,工作稳定,输出功率较大。
因此,应当采取有效的措施,如预热,保温或添加降凝剂等延长较高凝点柴油的使用期。
另一方面,柴油是一种粘性液体,流动时分子间具有摩擦阻滞现象,用粘度值来衡量这种流动阻滞的程度。
粘度过大,会增加滤清阻力,喷雾不良,射程增长,燃烧恶化;粘度过小,会增加泄漏,并使喷油泵和喷油器的偶件润滑不良。
由于粘度随温度的降低而上升,为保证冬季的油温高于浊点及提高喷雾质量,故应进行燃油预热。
鉴于此,我们联想到目前所使用的东风型机车上装配有燃油预热器,其作用就是对燃油进行预热,低标号油经预热后其燃油质量不影响发动机的功率。
从而提出大胆设想:
冬季在保证机车正常运行的前提下,尽量使用低标号燃油,即“低烧一号”,以节约成本支出。
(二)具体课题成果
1、国内“柴油机预热”部分经验的参考
内燃机车在冬季低温下停留时必须对柴油机进行加热,因为柴油机在过冷的情况下起动会使其机体和其他部件发生裂纹,破坏冷却系统中密封连接件的密封性以及出现其他一些不利因素。
其次是燃油系统过冷时会导致该系统出现石蜡沉积物,最终破坏燃油系统。
当外界气温为零下时,对柴油机进行加热能保证其冷却系统中大部分密封件有可靠的密封性。
目前,长时间停车的内燃机车保持其动力装置所需热工况的方法有四种:
.空转;
.利用外接电源的电能或利用工作着的柴油机—发电机组的电能;
.使用柴油的预热锅炉;
.利用机务段锅炉房的热能。
柴油机为了自身加热而进行空转,一般是在其温度状态较低的情况下才采用这种方法。
这种方法会大大地恶化其工作过程,因为过多地提高了过量空气系数。
这样会导致工作混合气温度下降,从而导致点火迟后期延长。
空转时,还会出现燃油雾化质量和燃烧质量下降,并使燃油随着燃气一起进入排气系统,使活塞环产生积碳,在排气系统表面、喷嘴环叶片和涡轮增压器叶片侧形成严重的积碳。
不完全燃烧还将导致机油稀释,从而引起柴油机摩擦件的严重磨耗。
近年来,在开发内燃机车柴油机加热系统方面进行了大量的工作。
已经研制了一种利用机务段锅炉房热能进行加热的加热系统。
这种系统称之为定置式加热系统。
在这种系统中,内燃机车柴油机各系统中循环的水,在专用预热站,用来自锅炉站的蒸汽进行加热。
对循环式预热锅炉进行改进,这是比较有意义的项目。
在内燃机车上采用这种预热锅炉可以大大地降低用于加热的燃油消耗,同时还能保持柴油机—发电机组的使用寿命。
然而这种方法的主要缺点是:
锅炉所需电能来自蓄电池组,会影响到蓄电池组的使用寿命。
从以上几种方法看,都是建立在消耗能源的基础之上,而且部分方法需要基础设施的投入,可操作性不强。
如何能在节约能源消耗、尽量利用废源、操作简单、实用性强的前提下,完成燃油系统的预热,降低燃油油标,是我们需要解决的课题。
2、改造方案的设想
现在我国国产内燃机车大部分都是采用循环水进行冷却。
软化水在柴油机内循环,带走机体部分热量后,再循环到冷却系统把热量散发掉。
循环水温度很高,一般接近60℃-70℃。
如何能利用循环水的热量,提高冬季机车燃油的温度,是我们考虑的问题,因为这样做的优点是:
、节约能源,日常运作不需要能源消耗
、在本车改造,操作简单
、用水预热,环保、安全
、油、水之间直接用传导的方式传递热量,效果明显
3、具体做法
1)机车燃油系统流程的改造
DF4型内燃机车原有的燃油预热系统(见图-1、2、3),燃油预热器只对燃油限压阀回燃油箱的燃油进行预热,唯一的作用是柴油机工作时,预热剩余的流回燃油箱的燃油,这样其预热作用受柴油机工作影响,负荷由低到高时,柴油机使用柴油逐渐增多。
限压阀回油逐渐减少,这样预热作用逐渐降低,达到—定负荷时(如DF4型机车主手柄l3位以上时),限压阀甚至不回油,失去了预热作用。
这就要求对燃油预热器在系统流程中的位置进行改造。
考虑到既要便于改造,而且要达到燃油的预热效果。
我们将燃油预热器由原来的回油管路改造到进油管路中。
这样不但能对安全阀的回油可以进行预热,达到预热燃油箱内燃油的目的,而且还能预热进入柴油机参加燃烧的所有燃油。
这样就达到了在任何负荷情况下,都可以发挥燃油预热器的预热作用。
改造后的燃油预热系统(见图-4)。
图—2冬季燃油预热通路
2)燃油箱“J”字形燃油回油管的改造
DF4型机车的燃油箱回油管呈“J”字形状,原设计中回油管口直对吸油管的吸油口。
这样,回燃油箱的油直接被吸油管吸走,而对预热燃油箱的预热作用非常有限。
调整燃油箱回油管口与吸油管口之间的相对角度。
如改为“┗”或“┷”形式,可以把部分或全部热燃油在燃油箱内与油箱冷燃油进行混合,从而大大加强燃油箱的预热。
3)加装WHT(无级恒温调节系统)
燃油闪点指标通常视为油料的安全指标,一般使用中,燃油温度较闪点温度至少要低5℃。
为了防止冬季预热时燃油温度超过闪点或夏季不关闭燃油预热器水路阀门等因素造成燃油过度预热而超过燃油的闪点,除可以人为调整燃油预热器水路阀门外,最好加装燃油恒温控制阀进行自动控制,燃油恒温控制阀的作用和结构与静液压系统的恒温控制阀类似,当燃油温度低于恒温元件下限时(如30℃),燃油全部通过燃油预热器进行预热;温度高于恒温元件上限时(如40℃),燃油全部通过并联的燃油管,燃油不进行预热;温度介于恒温元件上、下限时(如30—40℃),燃油部分通过燃油预热器进行加热,部分通过并联的燃油管不进行预热,使燃油温度控制在30—40℃。
加装燃油恒温控制阀后不但能够满足低烧1号的要求,还可以通过恒温元件动作值的设置,精确控制进入柴油机工作的燃油温度保持在最佳范围,从而大大提高柴油机的经济性。
如图示:
4)加装WJX温度检测系统
在燃油系统可以考虑加装温度表,时时监测燃油温度情况;结合机油、冷却水温度,综合制定机车冬季升温要求。
四、试验效果
2005年10月份对DF4B0263机车,安装了“低烧一号”的燃油预热系统的管路改造、WJX(温度检测系统)、WHT(无级恒温调节系统)进行观察使用。
截止到2005年12月份,没有发现安装部件出现性能不良、安装开焊、影响使用等现象。
全部以良好的状态投入在使用过程中。
1、燃油升温效果测试
2005年12月下旬,在中铁三局运输工程分公司下属的神池运输二段配属的DF40263机车(已改造)和DF47611机车(未改造)进行了运行试验,试验分为两步,第一阶段试验燃油的温升,第二阶段试验机车使用低标号柴油的运行情况。
添乘方式为神池南站调车作业。
时间48小时。
当时环境温度神池南-5—-19℃。
大油箱始发温度在加油口测试,大油箱到达温度由WJX(温度检测系统)油温表测试。
升温测试:
通过改造前(7611)和改造后(0263)两台机车,上同一种型号燃油(-20号),同一自然环境下,进行升温比较,测试数据如下:
燃油温度测试数据(环境温度为-5℃)
状态
大油箱始发温度
大油箱到达
温度
温升
燃油系统改造前
-5
-5
0
燃油系统改造后
-5
0
5
燃油系统加回油管“J”字型改造
-5
-4
1
燃油温度测试数据(环境温度为-19℃)
状态
大油箱始发温度
大油箱到达
温度
温升
燃油系统改造前
-19
-18
1
燃油系统改造后
-19
-12
7
燃油系统加回油管“J”字型改造
-19
-17
2
从上表可以看出,在环境温度较低时,燃油预热效果更明显,燃油系统实施“低烧一号”后,油箱温度整体能提高9℃。
加低标号燃油运行情况
在环境温度为-5—-19℃,未改造机车DF47611使用-20号柴油,改造后机车DF40263使用-10号柴油进行测试。
运用24小时,DF40263机车没有随着气温的降低出现析腊、堵塞机车给油管路,造成机车供油不足等现象。
机车一直处于良好状态正常运用。
从试验可以看出,燃油系统实施“低烧一号”后,油箱温度整体能提高9℃。
完全可以降低内燃机车用油的一个标号。
由于提高了进入柴油机工作的燃油温度,改善了燃油状态,同时还减少了辅助系统功率消耗,经初步测试,与改造前相比,本试验段节约燃油约2%以上。
2、燃油闪点测试
闪点是柴油安全性能的重要指标,闪点过低将对柴油贮存、运输、使用以及发生交通事故后的安全性带来极大的安全隐患。
通过NIR—2000型近红外光谱仪对预热后的燃油进行了测试,柴油安全性指标的闪点合格。
闪点值为≥55℃,符合国家标准。
3、安装设备稳定效果测试
2005年10月份对配属于中铁三局运输工程分公司的DF40263机车,安装了燃油预热系统进行观察使用。
截止到2006年1月份,没有发现安装部件出现性能不良、安装开焊、影响使用等现象。
全部以良好的状态投入在使用的过程中。
五、与国内外已有同类先进技术全面对比情况
目前国内此类科研项目在丰台机务段、东北地区有部分机务段进行了研制。
但是丰台机务段只改造了一台机车,没有进行推广。
东北地区(大安机务段等)正在进行研究改造,只是将预热系统的管路进行了改造:
将燃油预热器由回油系统改造到进油系统。
还没有研制燃油温升的检测系统(温度传感器、温度表等及WJX系统)和自动控制系统(即无级恒温调节系统:
WHT)。
这样燃油预热的效果一是无法直观的检测;另一方面燃油一直处于预热阶段,对燃油的闪点,无法保证处于正常状态,存在一定的安全隐患。
在春夏季节,在燃油不需要预热时,需要人为关闭水管路各止阀,加大了现场工作人员的劳动量,而且也不利于控制。
六、经济与社会效益分析
内燃机车燃油预热系统技术改造试验研究成功后,我公司的内燃机车用燃油就可以整体降低一个标号。
按照我公司6台内燃机车每天平均用油12吨,每年十月份开始用高号柴油,四月底结束,计212天,用去燃油;212×12=2544吨。
如高号柴油比低号柴油平均高300元则一年可节省费用:
2544×300=76.3万元。
在倡导创建“节约型”社会的今天,特别是伴随国家燃料日趋紧张的现状。
“低烧一号”的问世,无疑对企业在降低生产成本、追求更大的经济利润方面,起到显著的作用;同时也是目前倡导的“科技推动节约”一种真实体现。
七、推广应用前景
“低烧一号”是在原车设计的基础之上,进行的加装和改进。
其改动部分是将燃油管路进行改造,没有变动燃油预热器的安装位置。
故其工作量较小。
其加装部分一是WJX(温度检测系统),二是WHT(无级恒温调节系统)。
这两项技术在内燃机车其他系统上比较成熟,便于安装、性能稳定。
故“低烧一号”是一项效果明显、可操作性强、故障率低、便于维修的新成果。
其推广应用价值很高,前景看好。
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