國(guó)內(nèi)地鐵雙能源電力工程車的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

王麗紅 張?zhí)焱?/p>

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院，450052，鄭州∥第一作者，講師)

地鐵工程車作為車輛段的主要設(shè)備，在段內(nèi)調(diào)車、牽引運(yùn)輸、線路維護(hù)、救援牽引、設(shè)備集成等方面發(fā)揮著重要作用。目前，國(guó)內(nèi)各地鐵公司主要采用以柴油機(jī)為牽引動(dòng)力的內(nèi)燃工程車。然而，隨著軌道交通行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，雙能源電力工程車作為地鐵工程車系列的一個(gè)新品種，因其低噪聲和零排放等內(nèi)燃工程車無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，正穩(wěn)步向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，為用戶提供了新的選擇。

1 雙能源電力工程車的技術(shù)特性

雙能源電力工程車是一種軸式為B0-B0，采用直－交傳動(dòng)、異步牽引電機(jī)、微機(jī)控制等技術(shù)的雙電源供電工程車，既可采用DC 1 500 V接觸網(wǎng)供電，亦可采用DC 800 V蓄電池供電。機(jī)車的設(shè)計(jì)壽命為30年，具有重聯(lián)功能，最多可4臺(tái)機(jī)車重聯(lián)運(yùn)行;控制電源為DC 110 V，制動(dòng)機(jī)采用電控空氣制動(dòng)機(jī)，基礎(chǔ)制動(dòng)采用獨(dú)立單側(cè)單缸制動(dòng)器。

1.1 主要技術(shù)性能和參數(shù)

車體形式:單司機(jī)室，雙側(cè)外走廊;

最高運(yùn)行速度:接觸網(wǎng)(三軌)供電時(shí)為65 km/h，蓄電池供電時(shí)為40 km/h;

最大牽引力:100 kN;

輪周功率:接觸網(wǎng)(三軌)供電時(shí)為400 kW，蓄電池供電時(shí)為300 kW;

傳動(dòng)方式:直－交;

蓄電池容量:400 Ah;

受流方式:接觸網(wǎng)DC 1 500 V，蓄電池DC 800 V;

充電方式:外部或庫(kù)內(nèi);

軌距:1 435 mm;

軸重:12.5 t;

車鉤類型:密接式車鉤;

車鉤中心線距離:15 460 mm;車體寬度:2 780 mm;

車頂距軌面高:3 587 mm;轉(zhuǎn)向架中心距:8 160 mm;轉(zhuǎn)向架軸距:2 200 mm。

1.2 牽引及制動(dòng)特性

雙能源電力工程車的牽引特性如圖1所示，電制動(dòng)特性如圖2所示。

1.3 牽引續(xù)航時(shí)間

400 kW、400 Ah雙能源電力工程車的牽引續(xù)航時(shí)間如圖3、圖4所示。

圖1 電力工程車牽引特性曲線

圖2 電力工程車電制動(dòng)特性曲線

圖3 60 t負(fù)載條件下，不同坡度時(shí)的速度－持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 220 t(6輛A型車)負(fù)載條件下，不同坡度時(shí)的速度－持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線

2 國(guó)內(nèi)典型的雙能源電力工程車

2.1 出口新加坡的雙能源電力工程車

2009年6月，新加坡陸路交通管理局從中國(guó)南車株洲電力機(jī)車有限公司(簡(jiǎn)為“株機(jī)公司”)采購(gòu)了14臺(tái)雙能源電力工程車。到目前為止，該批工程車性能穩(wěn)定，使用業(yè)績(jī)良好。

2.1.1 基本技術(shù)參數(shù)

最高運(yùn)營(yíng)速度:65 km/h(DC 750 V第三軌供電)，40 km/h(DC 686 V牽引蓄電池供電);

機(jī)車功率(小時(shí)制):400 kW(DC 750 V第三軌供電)，320 kW(DC 686 V牽引蓄電池供電);

軸式:B0-B0;軸重:12.5 t;機(jī)車電制動(dòng)方式:再生電阻制動(dòng)。

2.1.2 牽引性能

該批雙能源電力工程車的牽引性能如表1所示。

表1 株機(jī)公司出口新加坡的雙能源電力工程車牽引性能

2.2 深圳地鐵2號(hào)線雙能源電力工程維護(hù)車

株機(jī)公司為深圳地鐵2號(hào)線(蛇口線)首期工程提供的新型雙能源電力工程維護(hù)車屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，適用范圍廣，可用作調(diào)車、工程施工運(yùn)輸、救援牽引，還可用于集成軌道檢測(cè)、限界檢測(cè)，以及接觸網(wǎng)、接觸軌檢測(cè)等。其基本技術(shù)參數(shù)為:

最高運(yùn)營(yíng)速度:80 km/h(DC 1 500 V接觸網(wǎng)供電)，40 km/h(DC 750 V牽引蓄電池供電);

機(jī)車功率(小時(shí)制):300 kW(DC 1 500 V接觸網(wǎng)供電)，240 kW(DC 750 V牽引蓄電池供電);

起動(dòng)牽引力:62 kN;

電制動(dòng)力:40 kN;

軸式:B0-B0;

機(jī)車電制動(dòng)方式:再生電阻制動(dòng)。

3 地鐵雙能源電力工程車的優(yōu)勢(shì)

從牽引動(dòng)力來(lái)講，現(xiàn)階段的工程車主要有內(nèi)燃型和電力型兩類。本文從環(huán)保及噪聲、控制精度、能耗、牽引能力、經(jīng)濟(jì)成本等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 環(huán)保及噪聲

內(nèi)燃工程車采用柴油機(jī)為牽引動(dòng)力，二氧化碳排放量大，產(chǎn)生的煙塵對(duì)隧道造成污染，也會(huì)影響到隧道內(nèi)電氣設(shè)備的性能。雙能源電力工程車采用環(huán)保清潔的電力能源，作業(yè)時(shí)不產(chǎn)生廢氣，能避免煙塵和廢氣對(duì)城市空氣的污染，從而改善員工的工作環(huán)境及城市居民的生活環(huán)境。據(jù)專家分析，將內(nèi)燃型工程車改為雙能源型，每臺(tái)使用30年可直接減少二氧化碳排放2 000余t。我國(guó)地鐵工程維護(hù)車既有容量達(dá)數(shù)百臺(tái)，如果將其全部改成雙能源型，1年可直接減少二氧化碳排放數(shù)萬(wàn)噸。

雙能源電力工程車由于采用交流電傳動(dòng)技術(shù)，噪聲低。兩種類型工程車噪聲對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 雙能源電力工程車與內(nèi)燃工程車的噪聲對(duì)比dB

3.2 控制精度

雙能源電力工程車具有低恒速控制功能，可以達(dá)到1.5 km/h的低恒速，且控制精度高;內(nèi)燃工程車的低恒速控制則是5 km/h。相比內(nèi)燃工程車，電力工程車速度低而恒定的牽引性能能較好地滿足施工工藝和安全要求。

3.3 能耗

能源利用率是反映能耗的一個(gè)重要參數(shù)。內(nèi)燃工程車的能源利用率為35%。雙能源電力工程車采用電力直接變換，能源利用率可達(dá)85%;且相對(duì)于日益增長(zhǎng)的柴油價(jià)格，電能的來(lái)源多樣且廉價(jià)。雙能源電力工程車與內(nèi)燃工程車的能耗對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 雙能源電力工程車與內(nèi)燃工程車的能耗對(duì)比

3.4 牽引能力

400 kW雙能源電力工程車與447 kW(600 hp)內(nèi)燃工程車在不同速度、不同坡度時(shí)的牽引噸位比較如表3所示。可以看出，在實(shí)際應(yīng)用工況下，雙能源電力工程車的牽引能力優(yōu)于內(nèi)燃工程車。

3.5 經(jīng)濟(jì)成本

(1)采購(gòu)成本。傳統(tǒng)的內(nèi)燃工程車工藝和部件相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，因而采購(gòu)成本低。雙能源電力工程車的構(gòu)成與地鐵車輛動(dòng)車基本相同，購(gòu)置成本較高。例如，447 kW(600 hp)內(nèi)燃調(diào)機(jī)一般在350萬(wàn)左右，336 kW(450 hp)內(nèi)燃軌道車一般在240萬(wàn)左右，若采用雙能源電力工程車，400 kW 調(diào)機(jī)與300 kW軌道車的采購(gòu)成本大約在700萬(wàn)元與600萬(wàn)元，在購(gòu)置成本上高出內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車1倍左右。然而，雙能源電力工程車的設(shè)計(jì)壽命為30年，內(nèi)燃工程車的設(shè)計(jì)壽命為15年，因此，在30年全壽命周期內(nèi)，選用內(nèi)燃工程車與雙能源電力工程車的購(gòu)置費(fèi)用相當(dāng)。

(2)能源成本。地鐵工程車的使用頻率大約為每年200 d，每天約4 h。內(nèi)燃工程車以柴油為能源，柴油價(jià)格按6.5元/kg計(jì)算。一臺(tái)功率為447 kW的內(nèi)燃工程車，耗油量為0.21 kg/(kW·h)，滿功率工況每年消耗的能源費(fèi)用為48.8萬(wàn)元。除此之外，內(nèi)燃工程車需要加油，需建設(shè)油庫(kù)或采購(gòu)加油車，或委托加油站為其加油，因此都要考慮燃料補(bǔ)給帶來(lái)的附加成本。雙能源電力工程車以電力為能源，電費(fèi)以0.8元/(kW·h)計(jì)算。一臺(tái)400 kW的雙能源電力工程車滿功率工況每年消耗的能源費(fèi)用為25.6萬(wàn)元。因此，雙能源電力工程車每年可比內(nèi)燃工程車節(jié)約能源費(fèi)用23.2萬(wàn)元，30年累計(jì)節(jié)省能源費(fèi)用696萬(wàn)元。

(3)維護(hù)成本。雙能源電力工程車與地鐵車輛屬同一技術(shù)體系，其絕大部分部件如牽引逆變器、轉(zhuǎn)向架等與地鐵車輛相同或類似，因此，雙能源電力工程車的維護(hù)工藝檢修技術(shù)平臺(tái)、維護(hù)工人、操作司機(jī)及備件儲(chǔ)備等都與地鐵車輛相同，大大降低了工程車的維保成本和難度。而內(nèi)燃工程車以柴油機(jī)為動(dòng)力，與城市軌道交通系統(tǒng)中的其它車輛存在較大的差異，需另行配置檢修設(shè)備與人員，且車輛段無(wú)架修及大修能力，需委外維修。

綜上所述，盡管雙能源電力工程車的初始采購(gòu)成本較高，但在30年全壽命周期內(nèi)，選用內(nèi)燃工程車與雙能源電力工程車的購(gòu)置費(fèi)用相當(dāng)。綜合起來(lái)看，雙能源電力工程車在改善作業(yè)環(huán)境、能耗、牽引能力、后期維護(hù)成本以及其它綜合社會(huì)效益等方面明顯占優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

不論是從現(xiàn)實(shí)的綜合效益，還是從對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)今后發(fā)展的推動(dòng)作用來(lái)看，雙能源電力工程車都是一種很有前途的理想的牽引裝備，具有很大的市場(chǎng)潛力。目前，國(guó)內(nèi)地鐵仍普遍采用高耗能、高污染的內(nèi)燃型工程車，這與我國(guó)先進(jìn)的城市軌道交通車輛裝備技術(shù)形成巨大反差。因此，如何逐步推動(dòng)綠色、低碳、節(jié)能的雙能源電力工程車深度融入城市軌道交通系統(tǒng)，成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

從技術(shù)角度講，雙能源電力工程車與地鐵車輛的技術(shù)是相通的，地鐵車輛的快速發(fā)展為雙能源電力工程車的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，再借鑒深圳地鐵等現(xiàn)有電力工程車的成功運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建我國(guó)雙能源電力工程車技術(shù)體系的條件已經(jīng)具備。當(dāng)然，雙能源電力工程車與城市軌道交通系統(tǒng)中其它車輛和設(shè)備的整合需要一個(gè)過(guò)程，其在城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)取代內(nèi)燃工程車將是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。對(duì)于初次接觸該產(chǎn)品的城市軌道交通用戶，建議采用電力和內(nèi)燃型工程車搭配使用的模式，待雙能源電力工程車運(yùn)用成熟并對(duì)其充分了解后，再逐步在以后的項(xiàng)目中淘汰內(nèi)燃工程車。就目前而言，在功能定位及配置數(shù)量上，暫以替代內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車或軌道車為益。

目前，國(guó)內(nèi)雙能源電力工程車還處于市場(chǎng)培育期，單個(gè)項(xiàng)目采購(gòu)的數(shù)量偏少，且用戶相對(duì)分散;但隨著其關(guān)鍵部件配套水平的提升及成本的進(jìn)一步降低，雙能源電力工程車在國(guó)內(nèi)勢(shì)必具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。這也將有效拉動(dòng)我國(guó)該領(lǐng)域高能蓄電池、牽引傳動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)控制的同步發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)軌道交通裝備的科技進(jìn)步。

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