舒 麟，何远新，景传峰，金晓平，罗桂琼
(中车长江车辆有限公司，湖北 武汉 430212)
随着生活水平的不断提升，人们对食品安全要求越来越高，对铁路冷藏运输的需求越来越大。铁路冷藏运输需要稳定可靠的电力供应，现有的铁路冷藏运输发电装备主要是B22、B23型机械冷藏车组的发电乘务车，该车为早期设计的产品，不足之处主要表现在：发电机组与铁路车辆为一体式，不能灵活运用；
车辆采用客车转向架，结构复杂；
发电机组为传统机型，功率小，油耗大；
发电机组不能实现远程监控，运行中需有人员值乘，运营成本高。随着自动控制技术、信息技术的发展，结合新型发电机组、智能控制和远程监控技术，研制无人值乘、远程监控的铁路运输发电箱对降低冷藏运输成本、推动铁路冷藏运输的发展具有重要意义。结合中国铁路总公司科技开发计划课题(2017J009-O)《铁路冷藏运输发电装备技术方案研究》，中车长江车辆有限公司研制了40 ft无人值乘铁路运输发电箱，开发了远程监控系统。
铁路运输冷藏集装箱一般采用发电箱或发电车供电，运用模式包括有人值乘或无人值乘，有人值乘模式由乘务人员对发电设备进行操控，无人值乘模式主要在到发两站完成操控作业，目前基于信息化技术能进行远程实时监控的铁路冷藏运输发电装备尚属技术空白。
1.1 我国铁路冷藏运输发电装备
我国铁路冷藏运输发电装备主要包括发电车和发电箱。
既有铁路冷藏运输发电车包括B22-1型、B23-1型2种车型(图1)，均为有人值乘的乘务发电车。B22-1型发电车为20世纪80年代从德国进口的产品；
B23-1型发电车是在B22-1型发电车基础上进行国产化的产品，在20世纪90年代初开始批量投入运用，但目前大部分已经达到报废年限而停止使用，少量在用的也已接近报废年限，而且装备严重老化，油耗高，综合性能较差，使用成本高[1]。
图1 B22-1型和B23-1型发电车外观
我国铁路于2000年曾尝试使用40 ft发电箱(图2)为冷藏集装箱供电。该发电箱采用有人值乘模式和并联供电方式，使用成本高，连接电缆线多，存在安全隐患，不适应市场需求，已被停用淘汰。
图2 我国铁路冷藏运输曾用的40 ft发电箱及内部设备
1.2 国外铁路冷藏运输发电装备
美国、加拿大铁路冷藏集装箱长距离运输主要采用发电箱供电[2]。美国南太平洋铁路运输公司曾研制过40 ft发电箱(图3)，运输时发电箱编组在车组中部，向9个40 ft冷藏集装箱供电，发车时人工开机，到站时人工关机，运输途中无监控；
加拿大铁路采用40 ft发电箱供电，发电箱采用自动控制方式和无人值乘模式，每个发电箱可为12～14个40 ft冷藏集装箱供电，直达列车在约1万km的行驶里程中仅由司乘人员对发电箱进行一次技术状态检查；
俄罗斯铁路目前采用发电车供电，采用有人值乘模式，发电车挂在集装箱车列中部，同时给12个冷藏集装箱供电。
图3 美国铁路冷藏运输用40 ft发电箱及发电箱供电模式
无人值乘铁路冷藏运输发电箱是集机械、电气、消防安全、远程控制、信息网络等技术于一体的智能化移动供电装备，发电箱装载在铁路集装箱平车或共用平车上，为铁路货车冷藏集装箱供电。无人值乘铁路冷藏运输发电箱需满足铁路运输长距离、大温差、复杂的地理和气候环境等运输条件，需适应铁路平车的运行特点，其关键技术主要有智能供电技术、低温启动技术、消防安全技术、远程监控技术及运用维护技术。
2.1 智能供电技术
以BX1K型冷藏集装箱车组为例，其编组方式为：4(BX1K型车+冷箱)+1(BX1K型车+发电箱)+4(BX1K型车+冷箱)，为适应该编组方式，发电箱分两路向两端车辆供电。为减小负载对发电机组的冲击，采用延时供电方式，即发电箱先给一端车辆供电，延后一段时间后(约20 s)，再给另一端车辆供电。
为提高供电的可靠性，发电箱配置2台发电机组，轮换交替工作，以保证两者工作时间基本相同，便于同步检修。发电机组运行满足以下要求：
(1) 正常启动时，自动优先启动累计运转工时较小的发电机组。当一台发电机组运行12 h后，自动切换到另一台发电机组运行。为保证供电不间断，遵循“后机先启动，前机后停机”的原则，交替运行过程中两发电机组可相互转移负载。
(2) 受温度、海拔高度影响，当1台发电机组发电功率不够时，2台发电机组同时运行供电。并联供电时，两机组发电的有功功率和无功功率的分配额差度不超过10%。
(3) 通过两发电机组控制器及两发电机组间通信连接的自动调节，确保两台发电机组供电相位、频率的一致性，保证两发电机组自动并联供电。
两发电机组供电逻辑关系如图4所示。
K1～K5.开关；
CAN.控制器局域网络；
RS485.网络通信标准。图4 两发电机组并联供电示意图
2.2 低温启动技术
发电箱在全国铁路线路上使用，环境温度最低可达-40 ℃。在低温条件下，燃料黏度增加不利于燃油的雾化与燃烧，润滑油流动性变差使零部件运动阻力增大、蓄电池工作能力降低，这些因素导致柴油发动机启动困难[3]。为确保发电机组在低温条件能顺利启动，除了选用适应低温环境的柴油和润滑油外，可采取进气口加热、润滑油加热、冷却液加热等措施。发动机启动包括以下3种情况：
(1) 在环境温度高于-15 ℃时，发动机直接启动；
(2) 在环境温度-15～-25 ℃时，发动机进气预热器自动加热，能在30 s内启动；
(3) 在环境温度低于-25 ℃时，采用外供220 V电源，利用发动机水套加热器、润滑油加热器给发动机缸套及润滑油预热，可在30 min内启动。
2.3 消防安全技术
发电箱采用无人值乘模式，内部安装有发电机组、油箱、风机、蓄电池、电缆等各种电器设备，一旦发生火灾，后果非常严重，因此必须设置自动灭火装置，且灭火操作要多级冗余，确保灭火有效性。发电箱箱体采用不可燃材料，箱内可燃物主要为电气线缆和油料，可根据火灾类型、区域环境选用合适的灭火剂、灭火方式及灭火策略[4]。
2.3.1 灭火剂
灭火剂主要有干粉、二氧化碳、泡沫、水、卤代烷等[5]。干粉灭火剂对电气、油料火灾产生物理窒息、化学抑制作用，并可对热辐射产生遮蔽、冷却作用，具有物理和化学双重功效,适用于扑救石油产品、油漆、电气等火灾，其粒径小、流动性好、能在空气中悬浮一定时间，能在发电箱封闭空间内实现全淹没灭火。因此，根据发电箱结构布置及设备功能特点，选用了超细干粉灭火剂。
2.3.2 灭火方式
采用感温电控启动灭火罐、感温自动启动灭火球2种消防器材，同时设置手动启动、感温电控启动和温控自启动3种灭火模式。如果手动启动灭火模式失效，则感温电控自动灭火模式启动；
如果感温电控启动灭火模式失效，则温控自启动灭火模式启动。
2.3.3 灭火策略
采用四级灭火控制方式，手动与自动、远程和本地、电控和温控相结合。
(1) 温度、烟度传感器采集烟火信息。当温度达到90 ℃时，火灾报警系统开始报警。监控中心通过监控摄像头确认火情，确需灭火时由人工启动灭火罐进行灭火。
(2) 测温控制器探测温度。当温度达到100 ℃且烟火报警系统未报警或人工疏于操作时，测温控制器报警；
温度达到110 ℃，测温控制器自动启动灭火罐进行灭火。
(3) 感温控制器探测温度。当发电箱内无电导致测温控制器失效时，如果温度达到115 ℃，则自带电池的感温控制器自动启动灭火罐进行灭火。
(4) 热敏器件探测温度。当自带电池的感温控制器失效时，如果温度达到160 ℃，则热敏器件自动启动灭火球进行灭火。
发电箱灭火过程如图5所示。
图5 发电箱灭火过程示意图
2.4 远程监控技术
为满足无人值乘、安全运用的要求，对机组运行参数、箱内工作环境、箱体运输状态、能源消耗指标等信息数据进行采集，并通过4G网络传输到地面控制中心，实现远程监视和控制。
远程监视包括监视参数和监视图像2种信息载体。监视参数主要有机组运行的水温、油温、油压、转速、电流、电压、功率、频率和工作时间；
箱内的温度、湿度和烟雾浓度；
箱体的所在位置、运行里程、运行速度、振动加速度和箱门开关状态；
相关能源消耗的油箱油位、电瓶电压和蓄电池电压等。发电箱对监视参数中影响安全的重要指标设置报警阈值，可实时自动报警。监视图像主要是箱内摄像视频。
远程控制包括手动控制和自动控制2种方式，保证发电箱的运用安全。远程手动控制的项目主要有机组启停机、风机开关机、1位端或2位端供电、灭火罐启动、箱内照明开关和箱内摄像开关等；
自动控制的项目主要有机组自动运行模式下的自动供电、两机组工作自动切换、风机开关机、灭火器启动前切断电源、照明灯自动关闭、灭火系统自动启动、燃油系统供油电磁阀自动开启和关闭等。
信息采集及处理采用RS485通信和CAN模块，数据通信采用TCP协议。传输数据时通过加密和校验防止有效数据被截获及非法数据被接入，保证通信数据的可靠性。当通信中断时，监控数据自动保存在箱载存储设备内，待通信恢复后再传输到地面控制中心，以保证数据的完整性。
2.5 运用维护技术
40 ft铁路运输发电箱是固定装载在铁路集装箱平车上运行的发电装备，需根据发电机组的运行特点和电气装置的技术要求确定合理的修制修程，在保证安全前提下实现“箱-车”“箱-机组”的同步检修，提高发电箱的运用效率，实现运输效益的最大化。
2.5.1 运用要求
(1) 发电箱装车后，需安装好箱体与本车车体的接地线、箱体与邻车连接的动力插头；
发电箱卸车前，需拆下箱体与本车车体的接地线、箱体与邻车连接的动力插头。
(2) 根据季节气候更换适合的燃油、润滑油及冷却液。
(3) 正常运用时，通过远程监控系统对发电箱进行监测和控制，不设值乘人员。
(4) 2台机组同时运行或12 h交替运行。在自动运行模式下优先启动运转工时较少的机组。
(5) 对风机、灭火装置、机组急停相关设备等只在应急情况下启动的安全设施需定期检查，使其保持技术状态良好，确保在紧急情况下能及时启动。
(6) 进行常规检查、维护保养、冷箱装卸等现场作业时，需对远程监控系统显示的信息进行现场确认，确保与发电箱实际情况一致。
2.5.2 检修周期
按照“箱-车”同步检修原则，每1.5年对发电箱(含机组)进行1次小修，每3年进行1次中修，每9年进行1次大修。
2.5.3 保养与维护
按厂家的规定对机组进行保养与维护。发电箱机组保养时对发电箱箱体及附属设备关键部位进行检查维护，主要内容有：
(1) 箱体外观是否有变形、破损；
(2) 进风百叶窗、机组进气口、排风百叶窗、加油窗、端门有无漏雨现象；
(3) 各紧固件有无松动情况(查看螺栓螺母上的防松标记)；
(4) 电气接头是否有打火、线损情况；
(5) 油箱及供电管路是否有燃油渗漏情况；
(6) 灭火装置的壳体及铝薄膜是否有破损情况；
(7) 各传感器安装连线是否有松脱现象；
(8) 远程监控各子系统功能是否正常，有无信息丢失、错误情况。
中车长江车辆有限公司对40 ft无人值乘铁路运输发电箱及远程监控系统的关键技术进行了试验验证[6-9]。试验结果显示，机组的供电性能符合GB/T 2819—1995《移动电站通用技术条件》的要求，低温启动性能符合设计技术条件的要求[10]，灭火装置模拟启动满足CECS 322：2012 《干粉灭火装置技术规程》的要求[11]，远程监控系统满足中国铁路总公司科信装函[2018]78号文发布的《40 ft铁路运输发电箱远程监控系统技术条件》的要求[12-13]。车辆冲击试验结果显示，发电箱的机组性能和远程监控功能正常[14]。
样箱经过2年多的运用考验，发电箱及远程监控系统各项功能均正常，满足中国铁路总公司科信装函[2018]78号文发布的《40 ft铁路运输发电箱设计技术条件》《40 ft铁路运输发电箱远程监控系统技术条件》的要求。
中车长江车辆有限公司研发的铁路冷藏运输发电箱实现了信息化、智能化技术在铁路冷藏运输发电装备上的成功运用，并通过了实际运用考验。采用智能化、信息化技术，通过远程监控平台对发电箱及其内部设备进行远程监测和控制，实现了无人值乘运用。与现有B22-1、B23-1型发电乘务车相比，提高了供电效率，减少了燃油消耗，更加节能环保，且无需人员值乘，极大地降低冷藏运输成本，对促进全社会冷链物流的发展具有重要的现实意义。
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