高速鐵路能源消耗影響因素的探討

王天寧，丁巍

(1.杭黃鐵路籌備組，安徽 黃山 242700;2.上海鐵路局計(jì)劃統(tǒng)計(jì)處，上海 200071)

國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》確立了我國(guó)高速鐵路建設(shè)的藍(lán)圖。按照《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2008年調(diào)整)的目標(biāo)，2020年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到12萬(wàn) km，其中客運(yùn)專線將達(dá)到1.6萬(wàn)km以上。到2010年，我局管內(nèi)已有合寧、合武、甬臺(tái)溫、溫福、滬寧和滬杭等多條高速鐵路，高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到 1 756 km，占全路的四分之一，其中設(shè)計(jì)時(shí)速在350 km/h的滬寧、滬杭高速的里程達(dá)470 km。隨著高速鐵路大量開(kāi)通，列車運(yùn)營(yíng)能耗和單耗會(huì)有怎樣的變化，如何來(lái)實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)行中的節(jié)能降耗是鐵路行業(yè)急需關(guān)注的問(wèn)題。

1 我局高速鐵路能源消耗的總體情況

2010年，我局高速鐵路動(dòng)車組電耗為23 801萬(wàn)kW·h，同比上升366%。從既有鐵路機(jī)車與高速鐵路動(dòng)車組的能源消耗對(duì)比情況來(lái)看，2010年，既有線電力機(jī)車單位牽引工作量電耗為110 kW·h/萬(wàn)總重 t·km，以滬寧、滬杭為代表的高速鐵路運(yùn)行的動(dòng)車組單位牽引工作量電耗為259 kW·h/萬(wàn)總重t·km，單位牽引工作量電耗是既有線電力機(jī)車的2.4倍。由此可見(jiàn)，隨著高速鐵路時(shí)代的來(lái)臨，在動(dòng)車組牽引工作量大幅上升的情況下，能耗與費(fèi)用將大幅度增加，需要引起關(guān)注，找出影響動(dòng)車組能耗影響因素，提出降低高速鐵路動(dòng)車組能耗的對(duì)策建議。

2 影響高速鐵路動(dòng)車組單耗的主要因素

2.1 動(dòng)車組技術(shù)速度的影響

從理論上分析，高速動(dòng)車組速度與阻力大小存在一定的關(guān)系，當(dāng)速度超過(guò)300 km/h時(shí)，運(yùn)行阻力的80%以上均為空氣阻力，當(dāng)速度達(dá)到350～400 km/h時(shí)，空氣阻力將占運(yùn)行阻力的絕大部分。英國(guó)科學(xué)家 Davis［1］描述在水平軌道上列車運(yùn)行的阻力與運(yùn)行速度的關(guān)系方程:

式中:F為阻力;

v為速度;

A為獨(dú)立于速度的機(jī)械阻力常數(shù)，數(shù)值為2240;

B為與速度成正比的機(jī)械阻力系數(shù)，數(shù)值為43.53;

C為與速度平方成正比的空氣阻力系數(shù)，數(shù)值為4.41。

根據(jù)Davis方程式，可以繪制出列車運(yùn)行阻力與速度的理論關(guān)系圖(圖1)，由圖1可以得出兩個(gè)結(jié)論:

(1)列車運(yùn)行阻力隨著速度的增加而迅速增加。

(2)列車在高速運(yùn)行過(guò)程中阻力會(huì)有兩個(gè)階段性的突增。一是當(dāng)列車的速度超過(guò)200 km/h時(shí)，阻力增加較快，曲線變得陡峭起來(lái);二是列車的速度達(dá)到250～300 km/h區(qū)段，曲線出現(xiàn)明顯跳躍，阻力持續(xù)快速上升。由此可見(jiàn)，列車運(yùn)行到250 km/h以上，為克服越來(lái)越大的阻力，列車能耗增加幅度較快，決定了高速鐵路克服阻力所消耗的能源要比傳統(tǒng)既有鐵路高，因此，高速鐵路采取適當(dāng)降速運(yùn)行的舉措有重要意義。

圖1 列車運(yùn)行阻力與速度理論關(guān)系圖

根據(jù)某機(jī)務(wù)段2011年1－4月司機(jī)報(bào)單部分?jǐn)?shù)據(jù)作為分析對(duì)象，可以看出技術(shù)速度與動(dòng)車組單耗的關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 2011年1－4月某機(jī)務(wù)段動(dòng)車組平均單耗與技術(shù)速度關(guān)系kW·h/萬(wàn)總重t·km

由此可見(jiàn)，在高速鐵路動(dòng)車組能耗統(tǒng)計(jì)中，無(wú)論是哪種類型的動(dòng)車，技術(shù)速度與動(dòng)車組單耗存在一定正比關(guān)系。在正常運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行速度保持在200～250 km/h，從運(yùn)營(yíng)成本角度而言，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 機(jī)型差異的影響

目前，我局配屬的動(dòng)車車型共有 CRH1B、CRH1E、CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH3C、CRH380A、CRH380AL、CRH380BL等車型，動(dòng)車組機(jī)型差異主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:

(1)動(dòng)車組再生制動(dòng)臨界值:CRH型動(dòng)車組均采用了再生制動(dòng)技術(shù)，在動(dòng)車組實(shí)施制動(dòng)時(shí)會(huì)將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能反饋至接觸網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)能減耗的效果。CRH1型動(dòng)車組再生制動(dòng)臨界值為45 km/h，CRH2型動(dòng)車組再生制動(dòng)臨界值為15 km/h，CRH3型動(dòng)車組再生制動(dòng)臨界值為70 km/h。從能源消耗的角度而言，CRH2型動(dòng)車組在運(yùn)行速度大于15 km/h時(shí)實(shí)施制動(dòng)，均可以將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能反饋至接觸網(wǎng)，相對(duì)節(jié)能。

(2)動(dòng)車組車體主要參數(shù):見(jiàn)表2。

由表2可知，在相同編組的情況下，CRH2型車體自重和總重具有一定的比較優(yōu)勢(shì)，相對(duì)較輕的車體有利于降低能源消耗。

(3)動(dòng)車組舒適功能設(shè)備的差異:動(dòng)車組舒適功能通常包括照明、恒溫、車廂通風(fēng)等，這些功能大約消耗動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中所需能耗的3%～10%左右，動(dòng)車組車型不同，舒適功能設(shè)備的功率大小不同，對(duì)動(dòng)車組能源消耗的影響也不同。

表2 各型動(dòng)車組車體主要參數(shù)對(duì)比

表3 動(dòng)車組舒適功能設(shè)備參數(shù)表

由表3可知，CRH2A、CRH2C、CRH380A三種車型在照明、空調(diào)等舒適功能設(shè)備功率上有一定的比較優(yōu)勢(shì)，在同等運(yùn)行條件下，綜合能耗更低，更有利于節(jié)能減排。

2.3 其他影響因素

2.3.1 運(yùn)輸組織的影響

高速鐵路運(yùn)輸組織對(duì)動(dòng)車組能源消耗有一定的影響。動(dòng)車組在加速及減速的過(guò)程中耗能較大。這是由于高速動(dòng)車組運(yùn)行速度快，想要達(dá)到目標(biāo)值就需要一定的加速距離，如果站與站之間的距離較短，就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)車組剛加速到一定的高位速度又要減速停車，動(dòng)車組無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持目標(biāo)速度勻速運(yùn)行而且會(huì)因頻繁加、減速而導(dǎo)致能耗上升。

2.3.2 線路參數(shù)的影響

2.3.2.1 最小曲線半徑

最小曲線半徑影響著高速鐵路的運(yùn)輸模式、速度目標(biāo)值、旅客乘坐的舒適度和列車運(yùn)行的平穩(wěn)度等，同時(shí)也受到這些因素的制約。一般來(lái)講，平面曲線半徑越大，安全度越高，平穩(wěn)性越好，輪軌的磨損度越小，同時(shí)最小曲線半徑和速度目標(biāo)相關(guān)，間接也會(huì)影響到動(dòng)車能源單耗。

2.3.2.2 最大坡度

在高速鐵路建設(shè)過(guò)程中，最大坡度是主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，對(duì)運(yùn)行動(dòng)車的能耗也有一定的影響。客貨共線運(yùn)行的鐵路，線路最大坡度通常是由列車牽引質(zhì)量要求確定，一般在0.6%左右。高速鐵路線路最大坡度一般高于普通既有線路，一般可達(dá)2%左右。如高速鐵路線路有較多大坡度設(shè)計(jì)時(shí)，列車運(yùn)行到上坡時(shí)速度會(huì)有較大的損失，要維持高速運(yùn)行，能源單耗就會(huì)上升。因此，由于不同的高速線路在最大坡度和坡度線路里程上的差異，會(huì)導(dǎo)致同速、同型動(dòng)車單耗也存在差異。

2.3.3 司機(jī)操作水平的影響

由于高速鐵路動(dòng)車組和既有線普速列車在牽引方式、列車的運(yùn)行監(jiān)控裝置、平穩(wěn)操縱等方面有較大的差異，因此，許多機(jī)車司機(jī)還不能很好地利用動(dòng)能闖坡，而有些新提升司機(jī)不能熟練掌握各種線路坡道條件下的給退電時(shí)機(jī)，以及起步、停車、加減速等環(huán)節(jié)的節(jié)能技術(shù)，對(duì)動(dòng)車組能源消耗也有一定的影響。

3 建議與措施

3.1 設(shè)置合適的速度目標(biāo)值，以利于機(jī)車節(jié)能

高速鐵路上運(yùn)行的動(dòng)車組技術(shù)速度與能源單耗有非常密切的關(guān)系，速度超過(guò)250 km/h，能源消耗會(huì)急劇上升，過(guò)高的速度目標(biāo)值會(huì)使得高速鐵路的節(jié)能減排效益降低，因此，在高速鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中合理設(shè)置速度目標(biāo)值將有利于降低動(dòng)車組能耗。

3.2 合理編制列車運(yùn)行圖，以利于運(yùn)行過(guò)程節(jié)能

(1)優(yōu)化動(dòng)車組運(yùn)用:根據(jù)運(yùn)輸情況，合理配置動(dòng)車組編組，盡量發(fā)揮動(dòng)車組效能。(2)優(yōu)化列車運(yùn)行圖:在確保安全運(yùn)行、方便旅客出行前提下，行車途中盡量減少啟停車、站次數(shù)，合理規(guī)劃牽引區(qū)段，減少能源空耗損失。

3.3 強(qiáng)化車輛舒適功能的管理，以利于管理節(jié)能

動(dòng)車組在日間運(yùn)行途中，隨車機(jī)械師要根據(jù)天氣、日照和隧道通過(guò)情況控制列車照明燈使用，光照條件良好時(shí)應(yīng)選擇半燈或不開(kāi)燈，嚴(yán)禁動(dòng)車組全程“長(zhǎng)明燈”和日間運(yùn)行時(shí)一直使用全燈。動(dòng)車組空調(diào)正常使用時(shí)須采取自動(dòng)控溫，溫度值設(shè)置應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，把空調(diào)在習(xí)慣溫度的基礎(chǔ)上調(diào)高1℃，大致可節(jié)約6%的用電負(fù)荷;比設(shè)定溫度高2℃，可節(jié)電20%。列車到達(dá)終到站后，隨車機(jī)械師應(yīng)停止使用全列空調(diào)。列車員根據(jù)客流情況，及時(shí)調(diào)整或關(guān)閉旅客車廂或包房?jī)?nèi)的影視系統(tǒng);動(dòng)車組到達(dá)終到站后，應(yīng)全部關(guān)閉影視系統(tǒng)后方可退乘。

3.4 提高司機(jī)操縱水平，以利于操作節(jié)能

可通過(guò)技術(shù)業(yè)務(wù)精、操縱水平好的司機(jī)制定出優(yōu)化操縱示意圖，對(duì)一般司機(jī)進(jìn)行操縱知識(shí)培訓(xùn)或現(xiàn)場(chǎng)添乘進(jìn)行操縱指導(dǎo)，從而提高司機(jī)的整體操縱水平［2］。

［1］ 崔力心.國(guó)外高速鐵路節(jié)能減排影響因素分析［J］.鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2010(4):17－19.

［2］ 李寶文.對(duì)影響機(jī)車能源消耗關(guān)鍵環(huán)節(jié)的調(diào)查與分析［J］.鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2008(2):42－44.