既有鐵路電氣化改造原則及綜合決策模型研究

鄧立紅

（中國鐵路總公司發(fā)展和改革部 高級工程師，北京 100844）

隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，截至2017年底，我國鐵路運營里程達到12.7萬km，其中電氣化鐵路8.6萬km，電氣化率68.2%。由于受地形地理條件、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運輸需求等因素影響，各區(qū)域電氣化情況存在較大差異，哈爾濱、沈陽、呼和浩特、烏魯木齊局、青藏公司等電化率低于50%，鄭州、武漢、西安、濟南、成都、蘭州等鐵路局電化率高于80%。為貫徹落實國家能源發(fā)展戰(zhàn)略、優(yōu)化運輸結(jié)構(gòu)、降低鐵路運營成本、提高路網(wǎng)質(zhì)量和效率效益，更好地服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展，根據(jù)鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，對部分既有鐵路實施電化改造，既有利于提高運輸組織效率和效益，也有利于落實國家節(jié)能減排要求。

目前國內(nèi)外學(xué)者對鐵路電氣化改造原則、評價指標(biāo)體系等研究較少，實施鐵路電氣化改造，受到多因素約束，迫切需要研究形成科學(xué)的評價指標(biāo)體系和系統(tǒng)的決策方法，從而合理確定電氣化改造項目。

1 鐵路電氣化改造的影響因素

1.1 路網(wǎng)協(xié)調(diào)性

周邊相鄰路網(wǎng)是決定鐵路是否實施電化改造的關(guān)鍵因素。我國國土面積廣闊，資源分布、城市和工業(yè)布局相對分散，為滿足區(qū)域客貨運輸交流需要，鐵路需開行大量跨線列車,保證與周邊相鄰路網(wǎng)牽引方式統(tǒng)一，可有效節(jié)省運營成本。

1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)。主要指牽引質(zhì)量、牽引方式、技術(shù)作業(yè)方式的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，相鄰路網(wǎng)牽引方式一致，有利于形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、完整機車交路，有效減少補機及增減軸等技術(shù)作業(yè)，提高運輸組織效率。

2）運輸需求。主要指相鄰線路之間的客貨交流量，干線與干線之間、干線與其重要集疏運支線間牽引方式盡量統(tǒng)一，從而保證直通運輸。

3）機車運用及外部電源配套。受電力機務(wù)段分布、外部配套電源情況影響，電氣化鐵路要求沿線必須有穩(wěn)定的 110（220、330）kV 外部電源接入，并結(jié)合區(qū)域外部電源等級選擇合適的牽引變基礎(chǔ)設(shè)備，例如青藏鐵路等困難地區(qū)外部穩(wěn)定電源配套較困難。

4）鐵路沿線工程環(huán)境條件。我國南北、東西地形地貌環(huán)境區(qū)域差異大，西南地區(qū)具有限制坡度大、連續(xù)長大隧道等困難條件。受機車性能影響，內(nèi)燃機車對大坡度條件下牽引質(zhì)量、動能闖坡、小半徑曲線粘降、長大隧道通風(fēng)、持續(xù)速度的適應(yīng)性等較電力機車弱。

1.2 經(jīng)濟效益性

隨著鐵路體制改革的深入推進，鐵路企業(yè)更加注重自身經(jīng)營效益，在努力提高運營收入的同時，還需進一步降低運營成本。實施鐵路電化改造，需統(tǒng)籌研究投入、產(chǎn)出效益，再經(jīng)綜合經(jīng)濟技術(shù)比較后，對符合條件的鐵路進行電氣化改造，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1.3 應(yīng)急保障

為應(yīng)對大風(fēng)、大雨、大雪等惡劣自然災(zāi)害對電氣化鐵路供電系統(tǒng)的破壞，在重要樞紐地區(qū)應(yīng)保留至少一條內(nèi)燃線路，并配備相應(yīng)規(guī)模的內(nèi)燃機車數(shù)量和檢修設(shè)施，確保在特殊條件下的應(yīng)急運輸需要。

1.4 資金保障

建設(shè)資金是影響電化改造的重要因素。目前，鐵路新線建設(shè)籌資壓力較大，正深化鐵路投融資體制改革，按照分類分層建設(shè)要求，積極引導(dǎo)吸引社會資本投資鐵路。根據(jù)研究測算，單線鐵路純電氣化工程投資約300萬～500萬元/正線公里，雙線鐵路投資約400萬～600萬元/正線公里。

2 鐵路電氣化改造評價指標(biāo)體系建立

實施鐵路電氣化改造，是一個多因素約束的決策過程。需綜合考慮鐵路運營實際、內(nèi)燃電力運營成本、工程投入以及節(jié)能環(huán)保等因素，堅持提高運輸效率效益和增強應(yīng)急安全保障能力相結(jié)合，科學(xué)合理確定既有線電化改造。結(jié)合鐵路電氣化改造影響因素，從區(qū)域路網(wǎng)協(xié)調(diào)性、電氣化經(jīng)濟效益、應(yīng)急安全保障以及資金保障等方面進行統(tǒng)籌分析，構(gòu)建電氣化鐵路綜合決策指標(biāo)體系，為科學(xué)項目決策提供技術(shù)支撐[1-3]。鐵路電氣化改造決策指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1鐵路電氣化改造決策指標(biāo)體系圖

3 鐵路電氣化改造基本原則

1）突出需求效益導(dǎo)向。以需求效益為導(dǎo)向，統(tǒng)籌考慮內(nèi)燃和電力運營成本、工程投入、運量水平和經(jīng)濟效益等，優(yōu)先安排運量大、成本節(jié)約較明顯、路網(wǎng)功能重要的鐵路實施電化改造。

2）注重運輸效率原則。電氣化干線鐵路間客貨交流量較大的聯(lián)絡(luò)線、與電氣化干線有直通需求的重要集疏運線，實施電化改造可以提高區(qū)域路網(wǎng)整體效能；有利于形成完整機車交路、有效減少補機及增減軸等技術(shù)作業(yè)、降低維護費用，適時安排實施電氣化改造。

3）注重路網(wǎng)安全原則。考慮特殊氣候環(huán)境、安全應(yīng)急儲備、運輸組織靈活性等需要，路網(wǎng)匹配作用較弱的線路及特殊環(huán)境區(qū)域和外電條件困難、養(yǎng)護綜合成本高的線路保留內(nèi)燃牽引和內(nèi)燃設(shè)施；同時在電化干線區(qū)段保留一定數(shù)量的內(nèi)燃機車，增強路網(wǎng)應(yīng)對特殊環(huán)境或緊急情況能力。

同時，合理把握建設(shè)時序，結(jié)合經(jīng)濟社會發(fā)展、國家節(jié)能減排對運輸需要，資金籌集可能等，區(qū)分輕重緩急，分步安排電化改造項目建設(shè)時序，發(fā)揮投資最大效益。

4 投入產(chǎn)出經(jīng)濟效益模型

4.1 模型構(gòu)建

投入產(chǎn)出經(jīng)濟效益模型的評價指標(biāo)FIRR與電氣化工程投資、客貨運量密度、油電價比值、人員工資、貨運空率以及客貨運機車單位能耗對坡度的調(diào)整系數(shù)等因素有著密切的非確定性關(guān)系(相關(guān)關(guān)系)。它們之間的關(guān)系不能精確地用函數(shù)表示，可以用統(tǒng)計分析方法——回歸分析來研究FIRR與相關(guān)因素之間的關(guān)系。為了尋求影響模型評價指標(biāo)FIRR的一般規(guī)律，根據(jù)影響因素，擬合FIRR與電氣化工程投資P、客運密度D客、貨運密度D貨、油電價比值△油電、人員工資S、貨運空率K貨、客運內(nèi)燃機車能耗調(diào)整系數(shù)γ客內(nèi)、貨運內(nèi)燃機車能耗調(diào)整系數(shù)γ貨內(nèi)、客運電力機車能耗調(diào)整系數(shù)γ客電、貨運電力機車能耗調(diào)整系數(shù)γ貨電之間可能存在的非線性關(guān)系，選定20個新的因素分別為P、D客、D貨、△油電、S、K貨、γ客內(nèi)、γ貨內(nèi)、γ客電、建立20元回歸關(guān)系式，進行FIRR對20變量的多元擬合線性回歸分析[1,4-6]。式中：FIRR為財務(wù)內(nèi)部收益率，單位為%；β0，β1，β2，β3，β4，……，β20為回歸系數(shù)；ε為回歸誤差；P為電氣化工程單位投資，百萬元/km；D客為客運密度，百萬人/年；D貨為貨運密度，百萬t/年；△油電為油電價比值，元/t∶元/萬kWh；S為人員工資，十萬元/年；K貨為貨運空率，1-空車方向周轉(zhuǎn)量/重車方向周轉(zhuǎn)量；γ客內(nèi)為客運內(nèi)燃機車能耗調(diào)整系數(shù)；γ貨內(nèi)為貨運內(nèi)燃機車能耗調(diào)整系數(shù)；γ客電為客運電力機車能耗調(diào)整系數(shù)；γ貨電為貨運電力機車能耗調(diào)整系數(shù)；分別為上述指標(biāo)的平方。

根據(jù)單線鐵路的投資、客貨運量水平、能耗水平等特點，對影響FIRR的主要因素參數(shù)取值范圍進行設(shè)定，得到單線電氣化鐵路投入產(chǎn)出經(jīng)濟效益模型如下：

使用r2統(tǒng)計值用以考驗上述關(guān)系式的線性關(guān)系，由函數(shù)返回結(jié)果判定系數(shù) r2為0.979 064 7，表明自變量與FIRR之間存在強線性相關(guān)性。雙線采用類似模型，不再贅述。

4.2 各項基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù)分析，各項效益測算的基礎(chǔ)參數(shù)詳見表1。

表1基礎(chǔ)參數(shù)表

5 案例研究

根據(jù)投入產(chǎn)出經(jīng)濟效益模型，在現(xiàn)行的價格體系 （按2010—2017年平均柴油價格6 645元/t、電價0.81元/kWh），同時考慮鐵路作為用電大戶，直購電正在深入推進，未來電價還有進一步優(yōu)惠空間（約下降10%左右），當(dāng)基準(zhǔn)收益率FIIR=6%時，既有單線鐵路電氣化改造（每公里投資400萬元），換算客貨密度應(yīng)達到2 400萬t/年（雙向）；雙線鐵路電氣化改造（每公里投資600萬元），換算客貨密度應(yīng)達到3 500萬t/年。

6 研究結(jié)論

既有鐵路電氣化改造綜合決策模型是實施電化改造的重要依據(jù)，由于影響電化改造的因素眾多，單一指標(biāo)分析具有很大的局限性，不能全面真實反映需求、投資和效益等。因此，本次研究提出的電氣化改造基本原則、建立決策指標(biāo)體系、構(gòu)建投入產(chǎn)出效益模型具有重要指導(dǎo)意義?，F(xiàn)行油、電價測算電化改造運量標(biāo)準(zhǔn)的實例演算分析表明，該方法簡單易行、可操作，可為鐵路電氣化改造提供重要決策參考。