美國鐵路煤炭運輸對我國鐵路的啟示

肖 穎

（南車眉山車輛有限公司，四川 眉山 620032）

我國是世界煤炭儲量、生產(chǎn)和消費最多的國家。改革開放后，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤炭消費總量一直在快速增長。1980 年，我國煤炭消費占世界總量的 16%，美國為 17%；2011 年我國迅速增長至 47%，美國則降至 12%。根據(jù) 2002—2011 年世界主要煤炭消費國煤炭消費量的變化趨勢，我國消費的煤炭消費量高于世界其他國家的總和，其中美國鐵路煤炭運量占其煤炭總產(chǎn)量的比例一直穩(wěn)定在 70% 以上。因此，分析美國鐵路煤炭運輸裝備技術(shù)發(fā)展對我國鐵路運輸業(yè)發(fā)展具有借鑒意義。

1 美國煤炭生產(chǎn)和消費

美國煤炭的主要產(chǎn)地分為 3 個地域：東部的賓夕法尼亞州、馬里蘭州、西弗吉尼亞州、田納西州、亞拉巴馬州、俄亥俄州和肯塔基州；中部的伊利諾伊州、印第安納州、密西西比州、得克薩斯州；西部的懷俄明州、蒙大拿州、猶他州、新墨西哥州、科羅拉多州等。2012 年，最大的產(chǎn)煤州懷俄明州和西弗吉尼亞州煤炭產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例分別為 39% 和 12%，肯塔基州約占 9%。而各州的電煤消費與生產(chǎn)地存在較大的地域差異：西部產(chǎn)煤大州懷俄明州發(fā)電量僅居第 12 位；南部消費大州加利福尼亞州發(fā)電量占全美第 4 位，99% 的煤炭需要從外地調(diào)運；西北各州和新英格蘭等地煤炭產(chǎn)量很小，極度依賴于中東部的煤礦。2012 年美國煤炭生產(chǎn)和消費的地域分布如圖 1所示[1]。

圖1 2012 年美國煤炭生產(chǎn)和消費的地域分布

圖2 1992—2012 年美國煤炭生產(chǎn)消費趨勢

2012 年美國原煤產(chǎn)量約為 10.2 億 t，創(chuàng)下 1993年來的歷史最低水平，較 2008 年 11.7 億 t 的峰值降低約 1.5 億 t，相當于美國第二大產(chǎn)煤州西弗吉尼亞州 1年的煤炭產(chǎn)量。2012 年美國煤炭消費量為 8.9 億 t，比 2011 年的 10.0 億 t 降低了11.2%。煤炭消耗中 92.6%用于發(fā)電，2.3%用于煉焦，5.1% 用于供暖等其他領(lǐng)域。電煤消費決定了煤炭生產(chǎn)的市場，1949—2007年以來，電煤消耗一直穩(wěn)定上升，2008 年煤炭消費進入了不可逆轉(zhuǎn)的持續(xù)下降。1992—2012 年美國煤炭生產(chǎn)消費趨勢如圖 2 所示。電煤消費的下降主要緣于天然氣、核能、太陽能等新能源產(chǎn)業(yè)的競爭，在電力行業(yè)的能源消費中，煤炭所占的比例正在急速下降。2003—2012 年美國電力能源的構(gòu)成如圖 3 所示。事實上，20 多年來煤電比例一直在下滑，1990 年約占總發(fā)電量的 56%，2002 年跌至50%，2012 年更是低至 37%。相反，天然氣則從 2003年的 17% 飆升至 2012 年的30%，此外再生能源從 2%也上升至 5%[1]。從運輸價格方面看，由于大規(guī)模的管網(wǎng)建設(shè)，較之相對穩(wěn)定的鐵路煤炭運輸價格，未來天然氣在運價方面也可能占據(jù)優(yōu)勢。煤炭與天然氣運輸價格對比如圖 4 所示。因此，長期來看，隨著頁巖氣等新能源技術(shù)的進一步成熟，煤炭消費量將進一步萎縮。

另一個影響運量和流向的因素是煤炭的對外貿(mào)易，1998—2007 年美國平均每年出口煤炭 5 300 萬 t，2008 年躍升至 8 150 萬 t，2012 年達 12 570 萬 t，出口煤炭主要流向亞洲，大部分是通過鐵路運輸。2012年煤炭進口量約占美國消費量的1%，進口煤炭主要來自于哥倫比亞、委內(nèi)瑞拉、加拿大和印度尼西亞等國，主要供給東西部沿海地區(qū)，一般不需要通過內(nèi)陸運輸。

圖3 2003—2012 年美國電力能源的構(gòu)成

圖4 煤炭與天然氣運輸價格對比

2 美國鐵路煤炭運輸

美國鐵路煤炭運量占煤炭總產(chǎn)量的比例多年來一直穩(wěn)定在 70% 以上。由于鐵路運輸?shù)姆€(wěn)定性，主要產(chǎn)煤區(qū)和煤炭消費區(qū)均形成了完整的鐵路煤炭運輸系統(tǒng)。例如：煤炭主產(chǎn)區(qū)肯塔基州、懷俄明州和西弗吉尼亞州通過鐵路運輸?shù)拿禾空济禾靠偭康谋壤謩e為87%、93% 和 96%；煤炭主要消費區(qū)北卡羅來納州、威斯康星州和佐治亞州的運量則分別達到了 51%、59% 和 42%。

2000 年以來，東部含硫量低的煤炭受到其他各州的廣泛歡迎，鐵路煤炭運輸?shù)倪\距因此大幅延長，2011 年平均運距達 1 365 km，部分煤運貨車的運距超過了 2 415 km。煤炭總運量從 1997 年 7 760 億 t · km增長到 2011 年的 12 413 億 t · km。

煤炭也是美國鐵路運輸中最重要的貨物，2013 年約 41% 的鐵路運量、21.9% 的鐵路貨車裝車量和21.6%的運輸收益來自煤炭運輸。2012 年，美國一級鐵路煤炭裝車 620 萬輛，比 2008 年高峰期的 771 萬輛下降了 19.6%，相當于減少了約 13 萬列編組為 115 輛的萬噸重載列車。盡管如此，煤炭運輸仍然是鐵路公司最大的收入來源。1990—2012 年美國一級鐵路煤炭運量變化如圖 5 所示，2012 年美國一級鐵路運輸收益構(gòu)成如圖 6 所示。煤炭運量最大的一級鐵路公司主要為BNSF 公司、UP 公司和 CSX 公司，分別占煤炭總運量的 32%、28% 和 21%，煤炭運輸收益分別占上述公司總收益的 22.6%、21.2% 和 28.9%[2]。

美國煤炭運輸全部采用高效率的單元重載列車，采用專用運輸車輛，以重去空回模式實現(xiàn)貨物直達循環(huán)運輸，大幅度降低了運輸成本。由于重載車輛技術(shù)的進步，如自重更輕、效率更高的鋁合金車輛的大量運用，使美國煤炭運輸能力不斷提高。2013 年美國煤運貨車單車平均載重量達到 116.3 t，比 1990 年的98.2 t 提高了 18%[3]。

相對其他散裝貨物運輸，煤炭運輸?shù)倪\距更長，運輸收益更高，是僅次于聯(lián)合運輸?shù)母呤找孢\輸產(chǎn)品。盡管 2011 年美國煤炭運輸?shù)氖找鎯H為 0.017 9 美元/( t · km )，遠遠低于其他散裝貨物 0.035 9 美元 /( t · km ) 的水平，而且較 1981 年下降了 42%，但是長期以來，美國煤炭運輸總收益仍不斷提高。以可比價格計算，1999 年煤炭運輸收益為 77 億美元，2008 年增長至142 億美元，2012 年在運量和運價均下降的情況下，運輸收益反而升高至 147 億美元。2003—2012 年美國煤炭運輸收益如圖 7 所示。從圖 7 中單位運輸收益與運輸成本之間統(tǒng)計結(jié)果比較可知，按重量、運量和單車計算的單位收益增長均大于單位運輸成本的增長。

圖5 1990—2012 年美國一級鐵路煤炭運量變化

圖6 2012 年美國一級鐵路運輸收益構(gòu)成

圖7 2003—2012 年美國煤炭運輸收益

3 美國煤炭運輸車輛技術(shù)

美國煤炭運輸車輛絕大部分采用了單元列車，列車編組長，載重量大，運行速度適中。運煤車輛主要有 2 種，約 55% 的煤炭通過敞車運輸，45% 通過漏斗車進行運輸。美國鐵路十分重視車輛技術(shù)的進步，主要表現(xiàn)在以下方面[4]。

（1）大量采用 286 型貨車。286 型貨車總重達 130 t，大量運用于煤炭運輸、雙層集裝箱專列運輸，是新造的主型貨車。近年來通過對不適應(yīng) 286型貨車的低運輸密度線路進行橋梁和線路的改造、加固，使得該型車更加普及。286 型貨車由于軸重較大，自重較輕，提高了貨車運輸?shù)慕?jīng)濟性。

（2）發(fā)展輕量化車體技術(shù)。新型貨車大量采用鋁合金車體技術(shù)，漏斗車底開門普遍采用合成材料，增大了貨車容積和載重，從而提高了車輛的輕量化水平。近年來美國還發(fā)展高邊敞車代替了部分漏斗車，敞車使用翻車機卸貨，無漏斗和開閉機構(gòu)，車體重量也降低。新車型設(shè)計普遍采用了先進的設(shè)計軟件進行精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力學分析，轉(zhuǎn)向架采用高強度材料，進一步提升了車輛的輕量化水平。

（3）推廣 ECP 電空制動技術(shù)。ECP 技術(shù)能大大減小制動系統(tǒng)空氣傳遞的延遲，擴大運輸能力，降低制動系統(tǒng)的磨耗并增加車輛運行的安全性。由于更加精準和規(guī)范的操作，可以在一定程度上節(jié)省能量消耗，減少制動控制不當導(dǎo)致的車輛起停操作。近幾年，美國鐵路通過一系列的試驗和運用考驗，制定了一系列標準，ECP 技術(shù)逐漸成熟。2008 年 10 月美國聯(lián)邦鐵路管理委員會頒布了關(guān)于 ECP 系統(tǒng)的安裝和操作規(guī)范，對安裝 ECP 系統(tǒng)列車的運行間距、檢測措施等技術(shù)條件做出了規(guī)定，并在煤運列車和聯(lián)運單元列車上開始大規(guī)模運用。

（4）采用分散牽引技術(shù)。機車重聯(lián)的動力分散牽引技術(shù)可以加大列車編組。目前美國使用此項技術(shù)的煤運車輛的編組已經(jīng)從原來的 100～110 輛提高到了 135 輛，運送同樣多的貨物可以減少列車數(shù)量，顯著提高了綜合經(jīng)濟效益。

（5）推廣徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架通過曲線時，前后輪對保持平行的趨勢形成了車輪和鋼軌之間的沖角，從而形成輪緣和鋼軌側(cè)面的磨耗，產(chǎn)生對鋼軌的附加橫向力，增大了運行阻力。這種橫向力通過鋼軌扣件傳遞到軌枕上，還將引起曲線鋼軌軌枕的故障。而徑向轉(zhuǎn)向架具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，但美國目前還沒有大量推廣使用，北美僅有 5% 的鐵路車輛裝配了具有徑向功能的轉(zhuǎn)向架，而且主要集中在加拿大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是由于車輛采購者大部分為煤炭托運人、農(nóng)業(yè)企業(yè)、制造或化工企業(yè)和聯(lián)運商，而不是鐵路公司本身，如果采用徑向轉(zhuǎn)向架，作為車輛擁有者的托運人只能得到降低車輪磨耗和降低車輛自重的效益，不能得到降低鋼軌磨耗、燃料消耗和軌枕故障方面的收益，而這方面的收益均歸擁有線路的鐵路公司所有，從而制約了貨車徑向轉(zhuǎn)向架的使用。美國鐵路管理委員會正在制定將鐵路公司收益惠及車輛所有者的法案，以擴大徑向轉(zhuǎn)向架在美國的運用規(guī)模，提高運輸效益。

4 結(jié)束語

美國鐵路龐大的路網(wǎng)、運輸規(guī)模，以及車輛復(fù)雜的運輸條件與我國相似，其煤炭運輸更是重載運輸?shù)牡浞?。汲取美國鐵路貨運的成功經(jīng)驗和成熟技術(shù)，并與我國鐵路的實際情況相結(jié)合，對提高我國運輸能力和重載技術(shù)進步具有重要意義。

[1] Association of American Railroads. Railroads and Coal[R]. Washington，DC：Association of American Railroads，2013.

[2] Association of American Railroads. The Rail Transportation of Coal[R]. Washington，DC：Association of American Railroads，2013.

[3] Association of American Railroads Policy and Economics Department. Railroad Ten-year Trends[R]. Washington，DC：Association of American Railroads，2013.

[4] Association of American Railroads Policy and Economics Department. Railroad Equipment Report[R]. Washington，DC：Association of American Railroads，2013.