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中辫大学硕士学位论文青藏铁路公务动车供氧研究 摘要 2 0 0 1 年2 月8 日，国务院批准建设青藏铁路二期工程一格拉段 2 0 u 2 年4 月，青岛四方机车车辆工厂根据铁道部科技司2 0 0 2 j 0 0 1 d 文件，承担了青藏铁路公务动车开发研制的项目。年底，该公务 动车一“天安a 0 0 0 3 ”号一竣工出厂，标志着世界首列运用于海拔高 度5 0 0 0 m 以上地区、满足青藏高原运用条件( 气压低、缺氧、严寒、 暴风雪多、大风日多、风力强、气候多变等特点) 的公务动车问世。 本文综述了国内外高原铁路的运用及供氧方案，分析了青藏高原 环境对公务用车的供氧要求，对各种供氧方案进行了比选，确定了“天 安a 0 0 0 3 ”号公务动车的供氧设计方案，并对公务动车客室供氧量进 行了理论计算，最后给出了青藏铁路公务动车制氧机组的装机试验及 试验分析，提出了青藏线轨道交通的供氧建议。具体做了以下工作： ( 1 ) 分析了国外高原铁路机车车辆运营情况及供氧方式； ( 2 ) 分析了青藏高原环境气候，尤其是缺氧，对人体和行车安全 带来的危害，说明了青藏铁路对公务动车在空调、车体密 封、供氧及电气系统等方面的基本要求； ( 3 ) 研究了青藏铁路公务动车的供氧水平，并对c o ：浓度、新风 量和供氧量进行了计算，为动车客室供氧水平控制方案的 制定提供了依据； ( 4 ) 通过对各种供氧方案的工作原理、性能、运用要求、经济 性等方面的计算、分析和比较，确定了适合青藏铁路公务 动车运用要求的富氧膜制氧机的设计方案； ( 5 ) 对青藏铁路公务动车在平原和高原地区进行了供氧及噪声 试验，根据试验结果提出了青藏线轨道交通供氧建议。 关键词青藏铁路，公务动车，供氧，制氧机 玎 中南大学硕十学位论文 青藏铁路公务动车供氧研究 i l lf e b m a r y8 t h2 0 0 1 ，t h cc d n s t m c t i o fs e c t i g e l a ，t i l es e l c o n d s t a g eo fq i n g z 卸gr a i l w a y ；w 舔a p p r o v e db yt h es t a t ed e p a n m e n t i n a p f i l2 0 0 2 ，a c c o r d i n gt od o m e n t2 0 0 2 j 0 0 l do ft h es c i e n c c 柚d 1 幻h l l o l o g ) rd e p a r t m 锄to fm i n i s t r ) ro fm i l w a y s ，t h es i f a n gl o c o m o c i v e f o l l i n gs t o c kc o m p a n y 咖kt h ep r o j e c t0 ft h er e s e 盯c h 柚dm a n u f a l ：t i l r c o fm eb l l s i n e 豁l a i l c 盯o fq i n g 瑚gr a i l w a y a tt l l ec n do f t l l ey e 奶t h e b l l s i n e s sr a i l c a r m 锄柚a | ) 0 0 3 ，w 弱a c o o m p l i s h e d ni st h e 触s ci n t h ef - e l do ft l l ew o r l d ，w h i c hc a nb ea p p l i e di ni h ed i s t r i c tu pt o5 0 0 0 m i na l t i t u d e 柚db ed e s i 印c dt oc o p cw i t ht h es i t l l a l i o ni n ( 硒g z a n g p l a t e 甜辄c h 勰l o wp r e 踞u r e ，0 x y g e nl a c l 【s e v e r cc o l d ，t o om u c h b l i z z 盯d ，g a l ea n dm u l t i v a r i a t ec l i l n a t ee t c o nt h eb a s i so fs u m m a 血i i l gt h ea p p l i c a t i o n0 fp l a t e 卸r a i l w a y 卸d o x y g c ns u p p l ys c h e m eh o m e 锄da b r o a d ，t h eo x y g e n 轴p p l yr c q u e s t0 f b 惦i n e s sr a n c a r 珊d e rm ee n v i r o n m e n to fq i n g z 柚gp l a t e 扑i s 柚a l y z c d 雕t e ft h e n 仃a u c t0 fv a r i e t i c so fe x a m p l e s ，t h eo x y g e ns u p p l ys c h e m eo f 孤锄a 0 0 0 3 ”i sd e s i 萨e d 舢dt h eo x y g e ns u p p l ya m o u n to ft h e b i i s i n e 骚r a i l c a ri sa l s oc a l c u l a t e d t h es p o tt e s t i i l go fo x y g e np l a n ts e t s i nq i r 炉n gp l a t e 绷i s 吼d e r t a k 钮锄d 加a l y z c d a n dm e 跚g g c s t i o n o x y g e ns l l p p l yo fr a nt t 柚s p o n a t i i nq 通弘柚gr a i l w a yi sp r o p o s c d t h er e s e a r c hd e t a i lg o e sa sf o l l o w ： 1 t h eo p e m t i o na n do x y g e n 蛐p p l y0 fp l a t c a ul o c o m o t i v e 锄d r o l l i n gs t o c ka b m a di s 姐a l y z e d 2 n eh a z a r dt oh 岫姐b o d ya n dt r a i ns c c i i r i t y ，c a u s e d b yc l i l n a t e o fq i n g z 柚gp l a t e 挑，e s p e c i a l l yo x y g e nl a c l 【i s 粕a l y z e d n e 耵i 中南大学硕十学位论文青藏铁路公务动车t 廿氧研究 b a s i cr c q u e s tf b rb i l s i l l 髓sf a i l c 醒主l lq i n 铲a n gp l a t e 柚i l la i r c o n d i t i o n ，p r c s s u r ec o m p e n s a t i o n ，t r a i n 锄c a p s u l a t i o n ，o x y g s u p p l ya n de j e c t r o i l i cs y s t e mi ss h o w e d 3 n 枷曲c o n t r a s to fw o r kp f i n c i p l c ，c a p a b i l i t y ，印p i i c a t i o n f c q u e s t ，e c o n o m yo fa hl 【i n d so fo x y g e ns u p p l ys c h e m e ，t h e d e s i g n s c h e i i l eo f 慨y g e n - e n 血h i n gm e m b r a n eo x y g e n e r a t o r a d a p t c dt oq i n g z a l l gr a i l w a yi sf i g u r eo t l t 4 t h eo x y g e ns u p p 王yl e v e li nb u s i n e s sf a i l c a fi i lq i n g z a n gr a i l w a y i ss m d i e d 卸dt h ed e n s i t yo fc a m o n d i o x i d e i n p u ta i ra m o u n ta n d o x y g e ns u p p l ya m o u n ti sc a l c l l l a t e d w h i c hl a y st h ef d u n d a t i o n o fr a i l c a ro x y g e ns u p p l yl e v e lc o n t r o ls c h e m e 5 t h eo x y g e ns u p p l ya n dn o i s et c s t i n gi np j a i na n d p l a t e a ud i s t r i c t o fq i n g z a i l gr a i l w a ym i l c a ri su n d e n a k 弛s o m cs u g g e s t i o no n 假y g e ns u p p l ya 1 0 n gq i i l 铲锄gr a i l 、v a yt 豫n s p o n a t i i sp u t f o r w a r da c c o r d i n gt ot h et e s t i n gr e s u l t k e yw o r dq i l l 弘a n gr a n w a y ，b u s i n e s sr a i l c a r ，o x y g e ns i l p p l y 0 x y g e n e r a t o r l v 中南大学顾士学位论文青藏铁路公务动车供氧研究 原创性声明 本人声明，所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了论文中特别加以标注的致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与 我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：主l 璺 目期：坚一年二月i 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部和部或部分内容，可以采用复印、 缩印域其他手段保留学位论文；学校可以根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：! ：! 垫导师签名 中甫丈学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章绪论 1 1 项目背景 截止到2 0 0 1 年，西藏还是我国3 1 个省市自治区里唯一没有通铁路的地区。 现在进藏物资8 5 以上、出藏物资9 0 以上均经西宁格尔木段铁路( 青藏 铁路一期工程，它的东面与兰青铁路接轨，西、北面分别同青藏、青新公路和格 尔木塑 甘肃敦煌的公路相连，是联系边疆少数民族地区的交通大动脉) 运输，然 后再经兰青铁路、青藏、青新公路和敦煌的公路分流，到达目的她。 2 0 0 1 年2 月初，国务院总理办公会议听取了国家计委关于建设青藏铁路有 关情况的汇报，对青藏铁路建设方案进行了研究朱镕基总理指出：“经过二十 多年的改革开放，我国综合国力显著增强，已具有修建青藏铁路的经济实力，经 过多年不甸断的科学研究和工程实验，对高原冻土地区诸多技术问题也提出了比 较可行的解决方案，在几个建设方案( 川藏线、滇藏线、新藏线) 综合比选中， 青藏铁路方案比较有利，投资少，工期短、地形较为平坦。修建青藏铁路时机已 经成熟，条件已经具备，可以批准立项”2 0 0 1 年2 月8 日，国务院批准建设青 藏铁路，青藏铁路二期工程东起格尔木，西至拉萨( 见图l 1 ) ，工程预计6 年 完成“。 躅l l青藏高原铁路位置图 中南大学碗七学位论文第一章绪论 青藏铁路的铁道区间为青海的省会西宁至西藏的首府拉萨，全长1 9 4 5 k m 铁路分两期修建。一期工程由西宁市至青海疆部重镇格尔木市( 简称西格段) ， 长约8 4 5 i ( i i i ，已于1 9 8 4 年建成通车。二期工程，由格尔木至拉萨( 简称格拉段) 。 新建线路长度1 1 4 4 k m ，其中青海省境内5 6 4 k m ，西藏境内5 8 0 k m 。青藏高原格拉 段海拔高于4 0 0 0 i l l 的路段达9 6 5 k m ，占全长的8 6 ，是世界上海拔最高、线路最 长的高原铁路n 作为中国新世纪的第一大工程，青藏铁路建成后，( 1 ) 可以将中国西北地区 丰富的煤炭、石油资源通过经济、便捷的通道运上青藏高原，对调整青海、西藏 的能源结构，保护高原生态环境具有深远意义；( 2 ) 可以纵贯青海、西藏两省区， 不仅会拉近高原与内地的距离，成为西部腹地路网骨架的重要组成部分，更会驱 动西部经济的发展“。 2 0 0 2 年4 月，青岛四方机车车辆工厂根据铁道部科技司2 0 0 2 j 0 0 1 d 文件， 承担了青藏铁路公务动车开发研制的项目青藏铁路格拉段的修建在海拔高 度上数世界第一，在诸多方面对于国内外所有铁路工作者都是一个新的挑战。从 2 0 0 2 年5 月起，四方工厂开发部的设计和工艺技术人员与铁科院、设计院、机 车车辆制造厂、机车车辆研究所、各铁路局等相关单位的科技人员进行长期的合 作，在进行了大量的调研、理论推算和试验的基础上，予2 0 0 2 年底成功地研制 出国内外前无先例、运用于海拔高度5 0 0 0 以上地区、满足青藏高原运用条件 ( 气压低、缺氧、严寒、暴风雪多、大风日多、风力强、气候多交等特点) 时速 为1 2 0 l m h 的青藏铁路公务动车( 见图l 2 ) 图l 一2 。天安a o 0 0 3 ”号青藏铁路公务动车 2 中南大学硕十学位论文第一章绪 论 四方机车车辆工厂研制的世界首列高原高寒铁路动车，车上办公、急救及生 活设施齐全。该车设计安全、可靠、舒适、环保，可在高寒、缺氧的环境下正常 运行列车配有高原供氧系统，采用整仓加氧，该系统可根据车内空气中氧气的 含量自动控制制氧机的运作，使空气中氧气的浓度始终保持在人体舒适的水平 上，克服旅客的高啜反应对突发、急症病人，该车还设有医疗急救室，可及时 进行诊疗为保护青藏高原脆弱的生态环境，该车设有真空集便装置和污水、污 物箱，所有废水、污物均统一收集，统一捧放。进气系统为全新结构，可防风雪 风沙的进入，非电器件均采取了防紫外线措施车内设有会议室和配餐室，配餐 室内设有微波炉、饮水机、电冰箱等现代化的厨房设施。该车还加装了先进的故 障诊断、检测系统、g p s 电子地图、摄像，影视系统、路轨情况检测装置等 1 2 国内青藏高原铁路机车车辆研制撅况 1 2 1 早期青藏铁路机车车辆研制工作 为研制适应高原和高寒地区，特别是青藏高原铁路运用的机车车辆，1 9 6 5 年 以来，大同和长春机车厂先后在有关部门的配合下，试制了长征型2 2 0 5 k 霄( 3 0 0 0 马力) 和长征2 型2 9 4 0 k w ( 4 0 0 0 马力) 交直流电传动干线货运燃气轮机机车， 并分别于1 9 7 0 年和1 9 7 7 年交付哈尔滨铁路局进行运行试验。这两种机车两端为 司机室，中间为动力室，装有单轴、开口式、简单循环的燃气轮机作动力，经减 速箱，带动阳f i c _ 3 0 0 0 型三相交流同步牵引发电机发电，经硅整流柜整流，输 出直流电源，驱动装在车轴上的6 台并联的z q d i 卜- 4 l o 型牵引电动机，使机车运 转。还装有l 台辅助柴油发电机组，供主机起动和各种油、水泵和通风机等辅助 设备用电及单机运行用装有2 台三轴转向架，曾在哈局管辖的线路上进行运用 试验上述两台机车当时还处于试验研究阶段，由于燃气轮机的热效率低、油耗 较高、高频啸叫噪声严重，再加上其他原因，一直搁置了下来“ 9 0 年代初，铁一院在青藏铁路的设计中，对如何提高列车的牵引力进行了 反复论证。其结论是：电力机车具有马力大、速度高、起动加速快等优点，特 别是在高原上，电力机车的功率基本不受影响；青藏高原电网建设滞后，目前 尚不具备外部供电条件等因素，近期不宜采用电力牵引7 0 年代，我国曾考虑 用燃气轮机车作为高原的牵弓l 动力，但这种机车的个突出缺点是耗油量大随 着我国内燃机车制造工艺的迅速发展，内燃机车日益成为客运提速、货运重载的 主要车型。为克服高海拔对列车牵引力造成的影响，2 0 0 0 年5 彳月，铁道部组 织设计、运输及机车生产等相关单位，进行了一系列的试验研究，认为对柴油机、 毒 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 增压器、冷却系统，制动装置等零部件进行改进后，完全可以满足青藏铁路客、 货运牵引的要求同时提出，为了增加列车在高原上运行的可靠性。旅客列车采 用双机牵引，货物列车可考虑采用三机牵引，当一台机车发生故障时，可保证列 车继续运行，防止因机械故障致使列车滞留高原。 1 2 2 青藏铁路内燃机车一“雪域神舟”号 正在建设的青藏铁路以其海拔高、气压低、缺氧、高寒、温差大、风沙大等 恶劣的气候条件，对运用于该区间的机车车辆特别是内燃机车提出了极为苛刻的 要求，青藏铁路内燃机车是铁道部重点科技研究开发项且。2 0 0 3 年1 1 月1 5 日， 标有汉、藏两种文字的我国首台青藏铁路“雪域神舟”号内燃机车在中国南车集 团戚墅堰机车车辆厂竣工出厂 图2 3急性缺氧务件下功效的改变( 以海拔o m 为l o o ” 由图2 一- 3 可见，各项功效指标对缺氧的敏感度不同，其中以注意力与反应 时较为灵敏，二者几乎同时发生障碍。另外可以看出，在超过3 0 0 0 i n 高度后各功 效降低迅速，综合功效在3 0 0 0 m 、4 0 0 0 m 、5 0 0 0 i 和6 0 0 0 m 分别降低o 1 2 、6 、 3 4 和4 0 9 6 ( 均以地面为l o o ) 由于各项功效指标在3 0 0 咖高度后降低迅速，因 此，从缺氧对功效改变的角度考虑，对司机供氧以3 0 0 0 m 为起点 2 2 2 缺氧对人体健康的危害 一般来说，习惯于生活在低海拔地区的人，进入海拔1 5 0 0 m 左右的地带时， 能够感觉到缺氧，在光线较弱时视力降低；在2 0 0 0 m 左右的地带，红血球运载氧 气的能力下降，经过数日至两周的适应之后，一些轻微缺氧症状可以逐渐消失； 1 6 中南大学硕士学位论文 第二童青藏高原供氧条件研究 在海拔3 0 0 0 m 的地带，缺氧症状明显，包括耳鸣、感觉迟钝、视力下降和夜盲症， 可能出现思维紊乱和判断能力减弱。 海拔3 0 0 0 m 以上的地区称为高原区，这些地区空气稀薄，气压低，氧分压也j 低，容易引起人体缺氧。在内地平原地区生活惯了的人初进入高原区，对高度差 会有不同的反应，如头痛、头昏、失眠、乏力、四肢麻木、跟花、耳鸣等，重一 些的可发生食欲不振、恶心、呕吐、胸闷、心慌、呼吸困难等症状。在医学上。 这些统称为高山反应。如果出现了以上症状，又未能采取吸氧措施，这些症状会- 进一步加剧，引起一系列高原缺氧疾病，医学上统称为高山病。 2 3 高原缺氧对动车的特殊要求和所应采取的措施 2 3 1 高原缺氧对青藏铁路公务动车的特殊要求 ( 1 ) 要求动车的空调系统，在外气压力、温度、相对湿度较低、气候多变 的条件下，能够正常调节车内压力、温度、湿度，还要具有补气、增压功能。 ( 2 ) 要求车辆具有良好的密封性。由于车外气压很低、多变，即使采用了 具有特殊功能的空调机组，如不对车辆采取严格密封措施，也难以保持客室内的 正压与氧气供应。从某种程度上讲，其对车辆的密封性要求比现有2 0 0 k m h 动 车组客车还要高一些，至少要达到2 7 0 k m h 高速列车的水平 ， ( 3 ) 要求动车设置能够制取氧气的设备，向车内提供必需的氧气，为特殊 体质、虚弱的人供氧。 ( 4 ) 动车应具有良好的电气安全性。一方面青藏铁路地区高原空气稀薄， 气压低，电气系统的绝缘等级降低，安全性、可靠性要求提高；另一方面要增加 制氧系统，列车的用电负荷必然加大，控制系统也将更加复杂( 除原有的控制项 目外，还需增加制氧系统及安全防护系统的控制等) 因此，必须提高动车电气 的绝缘等级和安全性、可靠性。 2 3 2 青藏铁路公务动车对缺氧所采取的措施 ( 1 ) 开发研制具有较高的适应外气压力、温度、湿度变化能力，并具有补 气、增压、调湿功能的空调机组 从广义的空气调节装置的要求来讲，其功能应不仅限于制冷，而应具有调温、 调压、调湿、换气( 还要能将制氧设备制取的氧气通过送风装置送入客室) 的功 能。在青藏高原上，其最重要的功能不是调温，而是补气、调压( 增压) 与调湿。 无论采用车顶单元式空调机组，还是采用分散式空调机组，都应具有上述功能。 中南大学硕十学位论文 第二章 青藏高原供氧条件研究 从检修的角度来讲，车顶单元式空调机组便于在车辆段内整体吊装换修，对检修 人员的专业化要求不是很高，因此，采用具有调温、调压、调湿、换气功能的车 顶单元式空调机组是非常合适的，但目前的空调机组不能满足这种需要，必须重 新开发具有以上功能的新机组 ( 2 ) 加强对动车密封性的控制，对于集便排污，穿透车体管路及车体钢结 构均采取密封措施，使车辆的密封性指标不低于2 7 0 k m h 高速列车水平 在青藏铁路机车车辆总体技术条件 中提出了车内压力应保持高于车外压 力1 0 ，2 0 ，3 0 k p 8 三个不同的等级但从国产2 0 0 k m h 速度等级客车的运用情况 和2 0 0k m h 客车的试制情况看，就是要达到保持l o k p a 的车内正压，也是非常 困难的和没有把握的。动车密封应达到什么样的水平、车内的压力应如何控制， 很值得商榷尽管如此，还是应该最大限度地提高动车密封能，即使车内压力高 于车外7 8 k p a ，也可以减少由于供氧量太大而产生的能耗大、单位体积气体内 氧气浓度过高等问题。 ( 3 ) 开发研制车载制氧设备，适应动车的供氧需要。对于青藏铁路公务动 车来说，供氧是必需的。在青藏新线的高海拔路段上，即使车内的压力能够高于 车外1 0 k p a ，对于许多内地旅客，也离不开供氧。但是，空调机组不具有补氧的 功能，可以考虑采用分子筛式制氧机或膜分离式制氧机作为制氧设备，一方面通 过空调系统向车内补充氧气，另一方面专为特殊体质乘客专门供氧，同时向车载 的氧气储藏设备灌充氧气，从而避免车辆平时携带和存贮过多的氧气影响车辆安 全性，而且又能保证在必要时候有足够的氧气供应。 2 4 本章小结 本章首先计算了青藏铁路沿线的的大气压力、含氧量，并利用数学软件绘制 出青藏铁路沿线大气压力、含氧量随海拔高度变化的曲线图：详细地分析了高原 缺氧对司机行车安全和乘客健康的危害，并论述了青藏公务动车针对缺氧所应采 取的相应措施。 中南大学硕士学位论文第三章青藏铁路公务动车供氧量计算 第三章青藏铁路公务动车供氧量计算 根据第二章的分析，我们知道缺氧对人体及行车安全影响很大，而高氧( 氧分 压超过海平面的水平) 对人体的影响，以及亚高氧( 召氧量超过相应高度大气含 氧量水平，而氧分压低于海平面的水平) 对行车安全的影响也非常大。供氧量的 大小不仅要考虑人体的耗氧量、车外大气的含氧量、车内空气的含氧量车内温 度，c q 的浓度，而且还要涉及新风量等因素。本章着重研究青藏公务动车的供 氧水平，并对c 0 ：浓度、新风量和供氧量进行分析计算，为青藏公务动车供氧水 平控制方案的制定提供依据。 3 1c 0 2 浓度 3 1 ic 0 。浓度对人体的影响 人体的c 0 ：排出量与入的活动状态有关，人睡眠时的排出量最少，而从事体 力劳动时排出量最大，有关数据列于表3 一l 傅。 表3 1茂 在不同状态下的二氧化碳排出量 i状态静止时轻劳动( 机关工作)体力劳动 fc 晓排出鼍( l h 1 ) 2 32 34 5 c 0 。是人体代谢产物，若车厢内不通风或通风不良，会引起分压升高，图 3 一l 说明了人体短时间暴露于不同c 如分压的空气中所受的影响哺1 4 0 天 i 无生理影响；产生生理生化的适应性改变；一引起机能障碍和病理改变。 图3 一l c 0 t 对人体的影响( 时间m i n ) 中南大学硕士学位论文 第三章青藏铁路公务动车供氧量计算 由图3 一l 可以看出，在标准状态下吸入含0 5 k p ac 也的空气4 0 天也不会 引起可观测到的生理变化，超过2 o k p a 出现轻度生理反应，超过3 o k p a 出现显 著症状因此车厢内c o ：分压不允许超过o 5 k p a ，即c o ：浓度不允许超过0 5 。 美国n a s a s t d 一- 3 0 0 0 规定，空间站正常运行时，乘务舱内c 嘎分压不允许超过 o 4 k p a ，目前国际( g b 9 6 6 p 啕6 7 3 一9 6 ) 规定：公共场合的c 仉浓度极限值最大 为o 1 5 ，可见出于安全考虑该标准明显高于航空航天标准，因此对于一些特殊 场合，在非常困难情况下可以适当放宽标准c 也浓度极限值的有关标准见表3 2 ” 表3 2 有关标准中的二氧化碳允许浓度 g b j ，r 1 2 8 1 卜1 9 9 lg b 9 6 7 3 - 一1 9 9 6 a s h a r es t a i l d a r d6 一1 9 8 l 标准铁道客车通用公共交通工 通风应达到的室内空气质最 技术条件具卫生标准 c 0 2 允许浓度 0 1 5o 2 0o 2 5 应用场所铁道车辆交通工具室内 标准制定单位铁道部 卫生部 美国采暖通风工程师协会 3 1 2 空气中c 0 。含量的计算 一些资料介绍，新鲜空气中c 啦的浓度为o 0 3 ，其浓度基本上不随海拔高 度的变化而变化。空气中二氧化碳含量的计算公式如下憎1 ： g = p y 季 j 式中：口c 0 2 含量，g m 3 ； p 广空气密度，海平面处且温度为2 0 时为1 2 0 5 9 m l ； ，c 0 2 浓度，； 纡一c 魄的分子量，= 4 4 ； ，空气的分子量，- 2 8 9 7 。 由上式可算得在海平面处、温度为2 0 时，大气中的c 如含量口为： 口一1 2 0 5 o 0 3 芝妾务o 5 4 9 9 小 3 1 3 高原低气压对人体c 砚排出量的影响 低气压对人体c 倪排出量的影响非常复杂。气压低时，为了保证向体内供氧， 人的呼吸通气量会增加。在海拔高度为3 0 0 0 m 时，肺的换气量约增加5 l o ； 5 0 0 0 l 高度时，肺的换气量约增加2 0 一2 5 。入呼吸频窄的变化见表3 3 伽1 。 2 0 中南大学硕士学位论文 第三章青鬣铁路公务动车供氧量计算 表3 3 安静时人的呼吸与海拔高度的关系 海拔高度i n03 6 5 8孓1 8 6傩 通气量( l m i n - 1 ) 8 8 59 7 l1 1 肺1 5 3 1 呼吸频率，( 次分4 ) 1 2 。1 31 4 1 5 但是，气压降低，人体排出c 也的分压力也降低( 可由肺泡c q 分压得知) ， 导致人呼出的气体中c o ：含量降低肺泡c 0 ：分压与海拔高度的关系见表3 _ - 4 。 表3 4 肺泡二氧化碳分压与海拔高度的关系 l 海拔高度加 o 1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 i ) 0 05 0 ( l i i 肺泡c 魄分压p a5 2 【) m 1 5 4 6 65 2 0 0 5 3 3 3 3 4 9 1 3 34 8 0 04 6 6 6 4 2 6 6i 当海拔高度增加时，人体在单位时间内排出的c 伤质量是变化的。由于可吸 入的氧气含量下降，人体在单位时间内排出的c 如质量减少。但是，这个量值很 难计算。因此，在研究青藏铁路公务动车乘客c 也排出量时，不考虑大气压力变 化( 即海拔高度变化) 的影响，按海平面的海拔高度进行计算，给新风量盼计算 留有一定的裕量。 青藏铁路公务动车在高海拔地区( 格拉段) 运行时，乘客应该坐着或躺着， 以减少耗氧量，同时呼出的c 伤也是较少的，本章以1 8 l ( h 人) 作为计算值 室内c o j 浓度与新风量直接相关，而新风量又与所需供氧量有关，从节能角 度考虑，在满足要求的前提下取最大值，即室内c o ：浓度 。2 5m y ( h 人) 之间调节，而寒冷的冬季可在1 5 m ( h 人) 以o m 3 ( h 人) 之间调节o 。 3 3 供氧量 3 3 1 高氧对人体及亚高氧对行车安全的影晌 对乘客最大的威胁来自低气压造成的缺氧。因此，青藏公务动车采取供氧方 式来满足乘客安全健康的需要缺氧对人体及行车安全影响很大，而高氧( 氧分 压超过海平面的水平) 对人体的影响，以及亚高氧( 含氧量超过相应高度大气含 氧量水平，而氧分压低于海平面的水平) 对行车安全的影响也非常大协“l ，下 面着重分析高氧对人体及亚高氧对行车安全的影响。 高氧对人体的影响主要是高氧症，严重者称为氧中毒。最常见的轻度反应有 中甫大学硕士学位论文第三章青藏铁路公务动车供氧量计算 暴露部位枯膜刺激症状，可引起口千、喉痛、鼻出血、眼结膜充血等。此外还有红 细胞减少和溶血、咳嗽、胸骨下阎、肺活量减少、心率减慢等，严重的可发展到 中枢神经症状，甚至引起肺、心、肝，肾的病理性改变，其中肺组织病变最常见 高氧症与大气中氧气分压和接触时问有关，接触时间越长高氧症越严重。虽然一 般情况下不会出现严重问题，但应该引起重视4 “ 亚高氧对行车安全的影响主要是亚高氧环境下的电气安全问题嘲。公务动车 司机室内有很多开关电器，高原上空气密度降低将使以空气介质灭弧的开关电器 的灭弧能力降低，表现在灭弧时间加长、飞弧距离增大，在高氧以及亚高氧环境 下很容易起火，发生危险。这可以从美国的w o o d c o c k 提出的图3 一_ 2 得到支持抽 他认为：若舱内氧浓度超过3 0 9 6 ，大多数易燃材料不能使用 茎 函 鑫 2 0 1 4 穸妙。 彤z 僦 l 。 基 。 。 涉f 。 彳l o5 0t o7 08 09 0l 舱压( k 呦 图3 2 舱压和氧浓度与着火危险性的关系 当向车内供氧，而不向车内供新风、排废气时，车内的氧浓度会越来越高， 逐步达到2 3 的上限值。由于新风的含氧浓度为2 0 9 5 ，所以，向车内供给新风、 排出废气后，车内空气的氧浓度下降，逐步趋向新风的氧浓度。向车内供给新风， 可起到稀释氧浓度的作用。 新风量越大，车内空气的氧浓度就会越快地趋向新风的氧浓度。因此，新风 量的大小是影响车内氧浓度的重要因素。新风量的大小应以保证车内空气含氧量 在2 1 5 一2 3 为宜，新风量应根据车内空气氧浓度自动调节。在供氧期间，保证 车内氧浓度比保证c 魄浓度更重要汹1 3 3 2 供氧起始高度和人体氧耗率 众所周知，在同一高海拔的缺氧环境里，不同的人的缺氧反应是不同的。乘 客可能来自平原地区，他们的缺氧反应可能非常厉害。而司机一般将来自于本地， 因此可以认为他们能适应西宁到格尔木一带地区的大气环境( 西宁海拔2 2 6 1 m ， 中南大学硕士学位论文第三章青藏铁路公务动车供氧量计算 年平均气压为7 7 1 5 k p a ；格尔木海拔2 8 2 8 m ，年平均气压为7 2 3 5 k p a ) ，能在该地 区正常工作因此，可以参照我国军用标准急性缺氧防护生理要求中对飞行 人员供氧高度选用3 0 0 0 m 为用氧高度，即司机供氧起始高度定在3 0 0 0 【l ；而乘客 的供氧起始高度，定在3 6 4 9 m ( 拉萨的海拔高度) 呻“ 人体的氧耗率与劳动，温度、食物等有密切的关系，如休息和重劳动之间人 体的氧耗率的差别可达1 0 倍左右。人体的氧耗率的试验数据很多，。但由于被试 人体的差别很大，因此这些数据的差别也很大。 我国军标g j b4 0 1 1 2 2 0 0 0 飞船乘员舱大气环境控制工程设计的医学要求柚1 在正常轨道飞行航天员平均能量代谢参数表中给出了氧耗率，以1 0 1 3k p a 、0 状态干燥气量表示，如表争- 8 所列。 表3 8航天员氧耗率仉h 人) 睡眠 。轻度活动中度活动 l1 4 92 6 44 9 5 对于青藏铁路的司机，可以认为在一般情况下或动车正常行驶时处于表3 - 8 中的“轻度活动”状态，氧耗率取2 6 4l h 人，而乘客的氧耗率也取“轻 度活动”状态值2 6 4l h 人 3 3 3 气密性对供氧量的影响 青藏高原气压低、多变，即使青藏铁路公务动车采用了供氧系统和具有特殊 功能的空调机组，如果不对动车采取严格的密封措施，也难以保持车内的正压与 氧气供应。所以，必须加强对动车密封性的控制，对于集便排污，穿透车体管路 及车体钢结构与车连接部均采取密封措施，从某种程度上讲，对青藏公务动车的 密封性要求比现有2 0 0 k m h 动车组客车还要高一些，至少要达到2 7 0k m h 高速 列车的水平 l 气密度 为了保证车内的舒适度，不在瞬间发生很大的压力变化，就必须严格控制车 体各部的缝隙值。日本铁道技术研究所的研究成果指出，车体缝隙大小与压力变 化关系一般以下式表达： 石一石。k 】f c 娴， 式中：p o 、p 一车体内外压力，哪此o ； s 一车体缝隙面积，c m 2 ； 中南大学硕七学位论文第三章青藏铁路公务动车供氧量计算 v 一车内空气容积，m 3 t 一车内空气压力由p o 变至p 所需时间( 即泄压时间) ，s 式c s q 冲的 2 詈】称为气密度一 。 2 羔1( 3 1 0 ) 时，是人体的耳部所能感觉舒适的极限日本原规定高速车气密度值为车内空气 压力由4 0 0 哪h 2 0 降到1 0 0 叫玎h 。o 的时间不少于4 0 s ，代入式( 3 9 ) 可得气密度： 2 羔o 2 5 即相应的车体各部的间隙总和不大于1 9 c m 2 青藏公务动车的气密性参照我国准 高速列车，当车内容积为1 4 0 m 3 ，气密度 2 羔1 时，车体允许的泄漏面积为不大于3 0 c m 2 ，此时的泄压时间为l o s ，这就是人体感 觉舒适的最低限度。 2 动车空气的泄漏量 青藏铁路公务动车内由于集便排污，穿透车体管路及车体钢结构与车连接 等部位有一定的空气泄漏，使得动车内的供氧量增大，由空气泄漏而增加的供氧 量计算如下： h 一妒、；：二：；：i 万一妒阿 式中：u 一空气流出的速度，m s ； v 一流速系数，取o 9 ；， a l p 进、出口的高度差，m 1 r 、y 一车厢内外的空气重度，n 以 p 、p 一车厢内外的空气密度，k g m 3 。 动车空气的泄漏量q ，： q - “彳 式中：a 一车体允许的泄漏面积，取3 0 c m 2 ； 根据公式( 3 一1 1 ) 、( 3 1 2 ) 可计算出空气的泄漏量； 2 8 中南大学硕士学位论文 第三蕈青藏铁路公务动车供氧量计算 q - 妒彳孵- 。9 3 。t 。一4 、f i ：_ ：= _ ；弼 _ 2 6 1 0 一3 ，竹3 s 9 4 ，竹， 假设车厢空气内的氧浓度均匀，取氧气浓度的允许上限2 3 ，则由于泄漏而 损失的氧气为： q = 9 4 2 3 = 2 2 矗h 3 3 4 供氧量的计算 供氧量和人体的缺氧反应、人体的氧耗率、室外大气的含氧量、室内需要的 空气含氧量、室内外的温度及新风量等因素有关。 供氧时，供给的氧气将送至通风系统主风道的入口处，和回风、新风混合后 流向送风口。由于室内人体的耗氧，送风口处和回风口处的氧气浓度是不同的。 本章的计算按照回风口处的状态 室内需要的空气含氧量可以考虑两种选择如3 3 2 所述，以3 0 0 0 m 作为 司机起始供氧的海拔高度，而以3 6 4 9 m 作为乘客起始供氧的海拔高度，当青藏铁 路动车行驶在高于这两个海拔高度的线路上时，通过司机室和乘客室的供氧系统 使他们各自的氧气分压保持在1 4 9k p a 的压力值( 即海拔3 0 0 0 m 处的氧气分压值) 或1 3 7 k p a 的压力值( 即拉萨的氧气分压值) 即可。 由于青藏铁路海拔最高处为唐古拉山垭口( 5 0 7 2 m ) ，该处气温最高时供氧量 最大，根据公式： 以o 叭舛) 2 以5 巧7 志枷t 7 2 7 3 2 7 3 + f 可计算出海拔3 0 0 0 m 高度的含氧量，若按动车室内外气温都是2 0 计算， 则有： 删m 叫等) 。乇5 巧7 等踟 z 毗肼 i1 0 0j1 0 0 一 再，黑甩。芸x 2 0 9 “1 9 4 8 9 2 7 3 + f2 7 3 + 2 0 一 中南大学硕士学位论文第三章青藏铁路公务动车供氧量计算 刀= 1 9 4 8 9 一，同理可计算疗= 1 7 9 4g m 3 ( 拉萨的含氧量) ，青臧铁路 沿线几个主要车站所在地的大气压力和含氧量如表3 _ _ 9 所示 氧耗率按表3 _ - 8 中的“轻度活动”状态的数值，即2 6 4l h 人，氧气密 度在海平面o 的环境条件下为1 3 8 2g m 3 ，按式( 3 - - 5 ) 计算， j d 芦r 。一p r ： 氧气密度在海平面2 0 的环境条件下为： p ，善x 1 3 8 2 - 1 2 8 阳m 2 7 3 + 2 0 。 因此氧耗率为： ，- 2 6 4 x 1 2 8 8 3 4 9 1 1 1 人 表3 9 几个主要车站所在地的大气压力和含氧量( 2 0 ) 地点海平面格尔木拉萨 安多唐古拉山 海拔高度( m ) o2 8 2 83 6 4 9 4 8 0 05 0 7 2 年平均气压( k p a ) 1 0 1 37 2 56 5 25 7 45 4 7 氧气分压( k p a ) 2 1 i2 21 5 1 91 3 6 61 2 0 3l l l 4 2 空气密度( g m ) 1 2 0 5 o 8 4 2 2 7 7 5 06 8 2 86 4 7 7 含氧量( g 一) 2 7 8 81 9 4 91 7 9 51 5 8 01 4 9 7 年极端最高气温( )2 9 62 3 32 0 o ( 估) 年极端最高气温时含氧晕( g m 3 ) 1 7 3 81 5 6 21 4 9 7 如果司机室按定员2 人，以海拔3 0 0 0 l i l 为供氧起始高度，供氧量m 吼x 可按 式( 3 1 3 ) 计算”： m 一= 融如一厅o ) + ，】2 ( 3 一1 3 ) 式中：肠搬为海拔最高处司机室供氧量( g h ) ；口为新风量( m 3 h 人) ；疗为 司机室内要求的含氧量( g 酌；疡为唐古拉山垭口处新风的含氧量( g 曲，故( 3 9 ) 可表达为： 肘一；【q ( 1 9 4 8 1 4 9 7 ) + 3 4 2 ( 3 1 4 ) 如果计算4 人包问的供氧量，以拉萨的高度( 海拔3 6 4 9 m ) 为供氧起始高度， 供氧量a x 可按式( 3 一1 1 ) 计算： 肘一= 囟0 一，l 。) + ， 4 ( 3 一1 5 ) 式中：刀，为客室内要求的含氧量( g 一) ；胁为唐古拉山垭口处新风的含氧量 中南丈学硕士学位论文第三章青藏铁路公务动车供氧量计算 ( g m ，则( 3 1 1 ) 可具体表示为： m a 6 q x ( 1 7 9 4 1 4 9 7 ) + 3 4 】x 伞( 3 一1 6 ) 由公式( 3 一l o ) 和( 3 1 2 ) 可计算出不同新风量时的供氧量 缸盯( g h ) ，如 表3 一l o 所示( 以上计算均没有考虑动车泄漏的氧气量) 。 表3 一l o通过唐古拉山垭口不同新风量佃h 人) 时的供氧量施嬲j ( g h ) 2 0 新风量 9：、1 11 31 51 71 92 i2 32 5 司机室供氧量 8 8 2 1 0 7 8 1 2 7 31 4 6 9 1 6 6 51 8 6 r 2 0 5 7 2 2 5 2 4 4 9 2 人包问供氧量 6 0 47 3 98 7 3l 0 0 71 1 4 21 2 7 61 4 1 01 5 4 5 “1 6 7 9 4 人包间供氧量1 2 0 81 4 7 8 1 7 4 62 0 1 42 2 8 4 2 5 5 22 8 2 03 0 9 0 3 3 5 8 3 4 人一制氧系统一环境的关系 。人一机一环境”系统工程是运用系统科学理论和系统工程方法，正确处理 人、机、环境三大要素的关系，深入研究人一机一环境系统最优组合的一门科学 系统中的“人”，是指作为工作主体的人( 如操作人员或决策人员) ；“机”是指人 所控制的一切对象( 如汽车、飞机、生产过程等) 的总称；“环境”，是指人、机 共处的特定工作条件。系统最优组合的基本目标是“安全、高效、经济”，所谓“安 全”，是指不出现人体的生理危害或伤害，并避免各种事故的发生；所谓“高效”， 是指全系统具有最好的工作性能或