關(guān)于動(dòng)車組列車能耗影響因素的研究

王月仙

WANG Yue-xian

（中國鐵道科學(xué)研究院 研發(fā)中心，北京 100081）

(Railway Science & Technology Research and Development Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

關(guān)于動(dòng)車組列車能耗影響因素的研究

王月仙

WANG Yue-xian

（中國鐵道科學(xué)研究院 研發(fā)中心，北京 100081）

(Railway Science & Technology Research and Development Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

在分析國內(nèi)外列車能耗影響研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過采用動(dòng)車組列車能耗計(jì)算機(jī)仿真手段，以京津城際鐵路、武廣高速鐵路為例，選取動(dòng)車組車型、速度等級(jí)、停站次數(shù)、線路條件等對(duì)動(dòng)車組列車能耗影響的 4 個(gè)主要因素，對(duì) CRH2C和 CRH3 型動(dòng)車組列車能耗進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算結(jié)果顯示，動(dòng)車組車型、速度等級(jí)、停站次數(shù)、線路條件對(duì)動(dòng)車組列車能耗影響與理論分析相符，研究結(jié)論為有關(guān)部門有效控制動(dòng)車組列車能耗提供理論支撐。

動(dòng)車組列車；能耗；仿真計(jì)算；影響因素

1　國內(nèi)外列車能耗影響研究現(xiàn)狀

隨著鐵路部門大運(yùn)量、高密度、公交化運(yùn)輸組織模式的逐漸成熟和各項(xiàng)便民利民舉措的完善配套，乘坐低碳、環(huán)保、綠色的高速鐵路列車出行成為越來越多人的選擇。在鐵路部門投入大量動(dòng)車組列車運(yùn)營的情況下，有效控制或減少動(dòng)車組列車能耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)列車能耗影響因素的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。在國外方面，Danziger N H[1]提出降低整個(gè)軌道交通的能耗，需要采用整合軌道交通系統(tǒng)的方法來解決，即需要考慮到各個(gè)主要軌道交通子系統(tǒng)之間的整合，分析影響和控制軌道交通系統(tǒng)整體能耗評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素，確保系統(tǒng)軌道交通整體能耗的降低；Hoyt E V等[2]將影響鐵路能耗的因素分為列車屬性、地理屬性，以及其他不可預(yù)測的變化因素等；IFEU (Institute for Energy and Environmental Research Certer) 和 SGKV[3](Association for Study of Combined Transport) 所做的研究報(bào)告顯示計(jì)算鐵路燃油時(shí)應(yīng)考慮機(jī)車牽引類型、列車編組信息、線路屬性、司機(jī)操作方式和空氣阻力等影響因素；Lukaszewicz P[4]根據(jù)對(duì)瑞典鐵路的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為鐵路運(yùn)輸能源消耗量主要受軌道線路參數(shù)、鐵軌類型、機(jī)械和物理參數(shù)、乘務(wù)員駕駛策略及外部因素的影響，如風(fēng)和氣候等因素影響，并根據(jù)牽引力、速度、加速度、惰行率、機(jī)車轉(zhuǎn)換效率和車輪半徑、傳動(dòng)比公式等參數(shù)提出了估算列車能耗的方法；Yeh S T[5]采用仿真的方法研究了縱截面、技術(shù)參數(shù)中的速度及站間距對(duì)能耗的影響。Andersson 和 Lukaszewicz 提出確定列車運(yùn)行阻力的新方法 (Energy Coasting Method)，通過采用仿真的方法研究速度、輪軸數(shù)量、軸重、列車長度，以及駕駛員行為對(duì)列車能耗的影響。在國內(nèi)方面，史茂通過計(jì)算車站作業(yè)時(shí)間增加、途中停車和減速、駕駛員操作不當(dāng)?shù)葞淼娜加驮黾?，分析了鐵路機(jī)車能耗；薛艷冰等[6]通過分析機(jī)車性能、線路屬性等因素對(duì)列車牽引能耗的影響，提出一種能耗計(jì)算方法；張燕燕研究軌道交通實(shí)際運(yùn)營的線路條件、車輛選型、預(yù)測客運(yùn)量等因素對(duì)其車載能耗的影響，對(duì)車站能耗的影響因素及影響程度進(jìn)行定量分析；石靜雅對(duì)軌道交通能耗影響因素如運(yùn)營長度、載客量、線路條件、車輛型號(hào)、節(jié)能設(shè)備及季節(jié)等進(jìn)行分析；王玉明將列車運(yùn)行能耗中影響因素區(qū)分為基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)輸組織模式 2 大類，重點(diǎn)分析基礎(chǔ)設(shè)施中運(yùn)行能耗涉及的列車屬性和線路條件；馮佳從技術(shù)因素與設(shè)施條件、組織與管理因素 2個(gè)方面對(duì)軌道交通能耗影響因素進(jìn)行比較分析，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法得出“能耗主要影響因素有機(jī)車輔助牽引能耗、技術(shù)速度、速度均衡控制及滿載率”的結(jié)論。

綜上分析，目前缺少對(duì) CRH 系列動(dòng)車組列車能耗影響因素的分析。為此，通過采用計(jì)算機(jī)仿真手段，選擇 CRH 型動(dòng)車組列車在實(shí)際線路條件下進(jìn)行多種工況條件下的仿真計(jì)算，分析各影響因素對(duì)動(dòng)車組列車能耗的影響。

2　動(dòng)車組列車能耗仿真計(jì)算

2.1計(jì)算條件

動(dòng)車組列車條件：采用 CRH2C (CRH2 型動(dòng)車組的一種，其最高運(yùn)營速度為 350 km/h)、CRH3 型動(dòng)車組。

線路條件：京津城際鐵路 (北京南—天津)，全長 119.4 km；武廣高速鐵路 (武漢—廣州南)，全長946 km。

根據(jù)國內(nèi)外研究可知，列車運(yùn)行能耗主要受機(jī)車屬性、線路屬性、運(yùn)行狀態(tài)等因素影響[7-10]。因此，選取動(dòng)車組車型、最高限速、停站次數(shù)、線路條件等 4 個(gè)主要因素進(jìn)行研究，針對(duì) 2 種動(dòng)車組列車在不同最高限速、不同停站次數(shù)、不同線路條件的動(dòng)車組列車能耗進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.2仿真計(jì)算分析

2.2.1動(dòng)車組車型對(duì)動(dòng)車組列車能耗的影響

以京津城際鐵路為例，采用 CRH2C 和 CRH3型動(dòng)車組列車進(jìn)行仿真計(jì)算，采用動(dòng)車組牽引能耗仿真計(jì)算軟件得到最高速度分別為 350 km/h 和300 km/h 時(shí)的動(dòng)車組列車能耗值，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果分析如下。①最高運(yùn)行速度350 km/h 時(shí)，當(dāng) CRH2C 的總能耗為 2 086.38 kW · h、CRH3 的總能耗為 2 420.37 kW · h 時(shí)，CRH3總能耗比 CRH2C 高約 16%；當(dāng) CRH2C 的萬噸公里單位能耗為 424.58 kW·h、CRH3 的萬噸公里單位能耗為386.67 kW·h 時(shí)，CRH3 的萬噸公里單位能耗比CRH2C 低約 8.9%。②最高運(yùn)行速度 300 km/h時(shí)，當(dāng) CRH2C 的總能耗為 1 940.09 kW · h，CRH3 的總能耗為 2 312.01 kW · h，CRH3 的總能耗比 CRH2C高約 19%；當(dāng) CRH2C 的萬噸公里單位能耗為 394.81 kW · h、CRH3 為 369.36 kW · h 時(shí)，CRH3 萬噸公里單位能耗比 CRH2C 低約6.4%。由此可見，CRH2C在節(jié)能降耗方面明顯具有優(yōu)勢，運(yùn)行速度對(duì)動(dòng)車組列車能耗影響較大，從 300 km/h 到 350 km/h，2 種車型的能耗都升高 5%～12% 左右。

表1　京津城際鐵路 CRH2C、CRH3 動(dòng)車組列車能耗仿真計(jì)算結(jié)果

2.2.2速度等級(jí)對(duì)動(dòng)車組列車能耗的影響

采用 CRH2C 和 CRH3 型動(dòng)車組進(jìn)行京津城際鐵路下行線運(yùn)行方向的仿真計(jì)算，最高限制速度分別按照 300 km/h、330 km/h、350 km/h，其中最高速度限制區(qū)段為 K6+867—K107+305，其他區(qū)段限速依據(jù)線路工務(wù)數(shù)據(jù)。京津城際鐵路不同速度等級(jí)下的動(dòng)車組列車能耗比較如表2 所示，京津城際鐵路 CRH2C 及 CRH3 能耗指標(biāo)比較如圖1 所示。

按照輔助能耗與牽引能耗 15 ∶ 100 考慮，京津城際鐵路最高限速 350 km/h 情況下試驗(yàn)結(jié)果比較，動(dòng)車組列車能耗數(shù)據(jù)差異在 5% 之內(nèi)，仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果分析如下。

（1）隨著最高限制速度的逐步提高，CRH2C、CRH3 這 2 種動(dòng)車組車型的各項(xiàng)能耗指標(biāo)均表現(xiàn)出明顯的上升趨勢。最高限速每增加 1%，CRH2C 型動(dòng)車組列車總能耗增加 1.3%～1.5%，CRH3 型動(dòng)車組列車總能耗增加 1.3%～1.6%。

（2）在同一最高限制速度等級(jí)下，CRH3 型動(dòng)車組列車總能耗高于 CRH2C 型，在最高限速為300 km/h、330 km/h、350 km/h 情況下分別高出424.9 kW · h、523.3 kW · h、560.4 kW · h，再次印證了 CRH2C 在節(jié)能降耗方面明顯具有優(yōu)勢。

表2　京津城際鐵路 CRH2C、CRH3 不同速度等級(jí)下的動(dòng)車組列車能耗比較

（3）由于 2 種型號(hào)動(dòng)車組列車的定員數(shù)比較接近且 CRH2C 略高 (CRH2C 為 610 座，CRH3 為 601座)，相同最高限速等級(jí)下 CRH3 型的運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量指標(biāo)萬人公里能耗高于 CRH2C 型。但是，由于 CRH3型動(dòng)車組列車的計(jì)算總重明顯大于 CRH2C 型(CRH2C 為419.6 t，CRH3 為 536 t)，因而在相同最高限速等級(jí)下，CRH3 型動(dòng)車組列車的牽引質(zhì)量周轉(zhuǎn)量指標(biāo)萬噸公里能耗低于 CRH2C 型。

圖1　京津城際鐵路 CRH2C 及 CRH3 動(dòng)車組列車能耗指標(biāo)比較

2.2.3停站次數(shù)對(duì)動(dòng)車組列車能耗的影響

采用 CRH2C 型動(dòng)車組列車進(jìn)行武廣高速鐵路下行運(yùn)行方向的仿真計(jì)算，最高限制速度為 350 km/h，對(duì)不同起停次數(shù)工況下的動(dòng)車組列車能耗進(jìn)行仿真計(jì)算。武廣高速鐵路 CRH2C 不同起停次數(shù)工況下動(dòng)車組列車能耗計(jì)算結(jié)果如表3 所示，武廣高速鐵路 CRH2C 型動(dòng)車組列車不同起停次數(shù)能耗比較如圖2 所示。

表3　武廣高速鐵路不同起停次數(shù)工況下CRH2C 型動(dòng)車組列車能耗計(jì)算結(jié)果

圖2　武廣高速鐵路 CRH2C 型動(dòng)車組不同起停次數(shù)能耗比較

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果分析可見：最高限制速度為 350 km/h 的運(yùn)行條件下，直達(dá)工況與停 1 站工況的動(dòng)車組列車能耗無明顯差異；而在站站停 (停 16 站) 工況下，動(dòng)車組列車總能耗明顯上升，萬噸公里及萬人公里周轉(zhuǎn)量能耗指標(biāo)也隨之增大。武廣高速鐵路與京津城際鐵路CRH2C 型動(dòng)車組列車在最高限制速度為350 km/h 工況下動(dòng)車組列車總能耗仿真結(jié)果相比，萬噸公里及萬人公里周轉(zhuǎn)量能耗指標(biāo)無明顯差異。

動(dòng)車組列車啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)做功、將電力轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；停車時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦力做功，列車動(dòng)能將會(huì)損失。因此，動(dòng)車組列車起停過程均需要消耗電力做功，其中更以啟動(dòng)能耗消耗為主。運(yùn)用仿真手段對(duì)動(dòng)車組列車啟動(dòng)加速過程進(jìn)行單獨(dú)分析，京津城際鐵路 CRH2C 和 CRH3 型動(dòng)車組列車啟動(dòng)過程牽引耗電量計(jì)算結(jié)果如圖3 所示，京津城際鐵路 CRH2C 和 CRH3 動(dòng)車組列車啟動(dòng)過程能耗占比如表4 所示。

圖3　京津城際鐵路 CRH2C 和 CRH3 型動(dòng)車組列車啟動(dòng)過程牽引耗電量

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果分析如下。①在京津城際鐵路里程約為 120 km 的線路上，動(dòng)車組列車啟動(dòng)牽引能耗占到了全程牽引能耗相當(dāng)大比例，而且隨著最高運(yùn)行速度的提高，CRH2C、CRH3 這 2 種車型的動(dòng)車組列車啟動(dòng)能耗的絕對(duì)值和占全程能耗比例指標(biāo)均呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，尤其在最高運(yùn)行速度為 350 km/h 時(shí)，CRH2C 和 CRH3 型動(dòng)車組列車啟動(dòng)能耗分別占到了全程能耗的 50% 和 60%。②比較 CRH2C、CRH3 這 2 種車型，在同一最高運(yùn)行速度下，CRH3 型動(dòng)車組列車啟動(dòng)牽引能耗明顯高于CRH2C 型，而且隨著最高運(yùn)行速度的提高，這種差距愈發(fā)明顯。

表4　京津城際鐵路 CRH2C 和 CRH3 動(dòng)車組列車啟動(dòng)過程能耗占比

由此可見，列車的最高運(yùn)行速度越高，停站次數(shù)對(duì)動(dòng)車組列車能耗的影響越大，因而在滿足客流需求情況下，盡量減少列車停站。

2.2.4線路條件對(duì)動(dòng)車組列車能耗的影響

京津城際鐵路和武廣高速鐵路分別選用相同運(yùn)行速度，對(duì)其運(yùn)用 CRH2C 動(dòng)車組列車進(jìn)行仿真計(jì)算。由于京津城際鐵路和武廣高速鐵路里程差異及運(yùn)行工況不同，導(dǎo)致能耗差異近 30%。京津城際鐵路與武廣高速鐵路萬噸公里能耗比較如表5 所示。

表5　京津城際鐵路與武廣高速鐵路萬噸公里能耗比較

線路條件不同對(duì)能耗產(chǎn)生影響的主要原因有坡道和曲線等因素。在上坡過程中，動(dòng)車組列車需要克服重力做功；在轉(zhuǎn)彎過程中，動(dòng)車組列車需要克服離心力做功。由于京津城際鐵路與武廣高速鐵路線路情況不同，武廣高速鐵路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高，線路曲線半徑大、坡度小，因而武廣高速鐵路的附加能耗消耗小，仿真計(jì)算結(jié)果與理論分析相符。

3　研究結(jié)論

（1）動(dòng)車組類型。動(dòng)車組類型是指不同類別動(dòng)車組列車由于其牽引特性、外型特征、功率及能耗利用效率等方面特征造成其能耗差異。從全路目前配屬的動(dòng)車組車型來看，各型動(dòng)車組列車的差異主要體現(xiàn)在以下方面。①動(dòng)車組列車再生制動(dòng)臨界值。例如，CRH1 型動(dòng)車組列車再生制動(dòng)臨界值為 45 km/h，CRH2 型動(dòng)車組列車再生制動(dòng)臨界值為 15 km/h，CRH3 型動(dòng)車組列車再生制動(dòng)臨界值為70 km/h。從能源消耗的角度而言，動(dòng)車組列車在運(yùn)行速度大于臨界值時(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，而再生能源的利用將根據(jù)不同車型存在差異。②動(dòng)車組車體主要參數(shù)。不同車型車體自重和總重存在差異，相對(duì)較輕的車體非常有利于降低能源消耗。③動(dòng)車組輔助功能設(shè)備的差異。動(dòng)車組輔助功能通常包括照明、恒溫、車廂通風(fēng)等，這些功能大約消耗動(dòng)車組列車運(yùn)行過程中所需能耗的 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)車組列車能源消耗的影響也不同。由此可見，根據(jù)京津城際鐵路和武廣高速鐵路 2 種動(dòng)車組列車的仿真計(jì)算結(jié)果，最高運(yùn)行速度為 300～350 km/h時(shí)，CRH3 型動(dòng)車組列車總能耗比 CRH2C 型高約16%～19%，CRH2C 型動(dòng)車組列車在節(jié)能降耗方面具有明顯優(yōu)勢。

（2）動(dòng)車組列車技術(shù)速度。動(dòng)車組列車牽引能耗主要用來克服運(yùn)行阻力做功，運(yùn)行速度與阻力大小存在非線性上升的關(guān)系，隨著動(dòng)車組列車運(yùn)行速度的增加，動(dòng)車組列車運(yùn)行阻力也將顯著增加。在動(dòng)車組列車運(yùn)行速度 300 km/h 及以上時(shí)，牽引能耗的 70% 以上均用于克服空氣阻力來做功，因而動(dòng)車組列車的運(yùn)行速度對(duì)牽引能耗影響顯著。京津城際鐵路和武廣高速鐵路隨著最高限制速度的逐步提高，CRH2C 和 CRH3 型動(dòng)車組列車的各項(xiàng)能耗指標(biāo)均表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，最高限速每增加 1%，CRH2C 型動(dòng)車組列車能耗增加 1.3%～1.5%，CRH3 型動(dòng)車組列車能耗增加 1 .3%～1.6%。

（3）運(yùn)營狀況。運(yùn)營狀況是指動(dòng)車組列車在運(yùn)行過程中由于線路坡度、牽引質(zhì)量、運(yùn)行速度等運(yùn)營條件不同造成運(yùn)輸過程中功率消耗產(chǎn)生差異。運(yùn)營狀況是對(duì)動(dòng)車組列車能耗影響最大的因素，也是最重要、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。運(yùn)營狀況涉及線路坡度、曲線半徑、列車編組、運(yùn)行速度、起停次數(shù)等諸多因素，以及由地區(qū)差異引起的氣候、氣壓變化等。另外，在列車運(yùn)行過程中，啟動(dòng)過程的耗能占比較大，而且隨著動(dòng)車組列車最高運(yùn)行速度的提高，停站次數(shù)對(duì)動(dòng)車組列車能耗的影響越大。因此，在滿足客流需求情況下，應(yīng)盡可能減少列車停站。

（4）司機(jī)操縱。司機(jī)操縱主要指列車在運(yùn)行過程中，由于操作方式的不同對(duì)動(dòng)車組列車能耗造成的影響。操作技術(shù)熟練程度不同的司機(jī)，在擔(dān)當(dāng)相同出行任務(wù)時(shí)所產(chǎn)生的能耗值會(huì)大不相同。司機(jī)對(duì)線路情況熟悉，操縱手法流暢，有利于節(jié)約能源。

（5）其他因素。動(dòng)車組列車能耗還受到動(dòng)車組屬性、線路屬性、編組情況、運(yùn)行狀態(tài)、大氣壓力、季節(jié)溫度等一系列復(fù)雜因素影響，應(yīng)精確預(yù)測動(dòng)車組能耗，還需要對(duì)仿真軟件中的模型進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

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責(zé)任編輯：楊 倩

Study on Influence Factors of EMU Train Energy Consumption

Based on analyzing the study present situation of influence of train energy consumption in China and foreign countries, by using the approach of computer simulation of EMU train energy consumption, taking Beijing-Tianjin inter-city railway and Wuhan-Guangzhou high-speed railway as the examples, the 4 main factors influencing EMU train energy consumption are selected, which include EMU type, speed grade, stopping times and line conditions, and simulation on CRH2C and CRH3 trains energy consumption are taken. The simulation result shows the influence of the 4 main factors on EMU train energy consumption are in accordance with theoretical analysis, and the research conclusion provides theoretical support for relative departments to effectively control EMU train energy consumption.

EMU Train; Energy Consumption; Simulation Calculation; Influence Factor

1003-1421(2016)06-0084-06

U298.5；TP391.7

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.06.17

2016-05-01

中國鐵道科學(xué)研究院創(chuàng)新基金項(xiàng)目(1151GC6302)