氫能源有軌電車車輛段工藝設(shè)計(jì)探討

姚應(yīng)峰

摘 要：氫能源有軌電車是采用氫燃料電池作為動(dòng)力源的有軌電車車輛，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。首先，從供電制式、修程修制方面分析氫能源有軌電車的特點(diǎn);然后，針對(duì)這些特點(diǎn)，分析氫能源有軌電車車輛段的功能、運(yùn)用檢修工藝流程;最后，研究車輛段主要生產(chǎn)設(shè)施如停車列檢庫(kù)、月檢庫(kù)、定臨修庫(kù)和加氫站的任務(wù)及工作范圍與配置，為類似項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;氫能源有軌電車;車輛段;工藝設(shè)計(jì);修程修制;加氫站

中圖分類號(hào)：U279

1 概述

現(xiàn)代有軌電車是一種中低運(yùn)量的軌道交通制式，具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、可與市政交通共享路權(quán)、車輛載客量大、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)發(fā)展迅速。截至2019年6月，我國(guó)現(xiàn)代有軌電車已開通運(yùn)營(yíng)的線路長(zhǎng)度為356.72km，正在建設(shè)的線路長(zhǎng)度約380km，規(guī)劃線路長(zhǎng)度約700km。

氫能源電池技術(shù)的日益成熟，目前已在有軌電車領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如佛山市高明現(xiàn)代有軌電車試驗(yàn)線已建成，氫能源有軌電車車輛已接車調(diào)試，佛山市里水有軌電車示范線工程已立項(xiàng)。氫能源有軌電車是采用氫燃料電池作為動(dòng)力源的有軌電車車輛，具備續(xù)航里程長(zhǎng)、零排放、無(wú)污染、噪聲低、全線無(wú)網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)。

由于采用氫燃料電池系統(tǒng)，車輛段的工藝流程、維修設(shè)施設(shè)置、維修設(shè)備配置都與其他有軌電車項(xiàng)目有較大的不同，因此需要對(duì)車輛段工藝進(jìn)行研究。

2 特點(diǎn)

2.1 供電制式

氫能源有軌電車采用氫動(dòng)力系統(tǒng)與鈦酸鋰電池供電，氫動(dòng)力系統(tǒng)主要包括燃料電池子系統(tǒng)、儲(chǔ)氫子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、DC-DC電源裝置、動(dòng)力電池和燃料電池能量控制系統(tǒng)等。其中，儲(chǔ)氫子系統(tǒng)為燃料電池供應(yīng)氫氣，包含氫氣的加注、儲(chǔ)存和供給。目前，氫能源有軌電車儲(chǔ)氫系統(tǒng)配置6個(gè)儲(chǔ)氫氣瓶，額定工作壓力為35MPa，額定充裝體積為840L，加滿后共儲(chǔ)存氫氣20kg，續(xù)航里程可達(dá)80～100km。

為防止儲(chǔ)氫瓶氫氣泄漏，儲(chǔ)氫系統(tǒng)具備超溫檢測(cè)、超壓檢測(cè)、溫度壓力檢測(cè)、限流保護(hù)、低壓放空、泄漏檢測(cè)、緊急關(guān)斷、防碰撞、防火災(zāi)、防氫氣聚集等安全措施。

2.2 修程修制

目前尚無(wú)氫能源有軌電車的修程修制，那么根據(jù)氫能源有軌電車車輛的維修手冊(cè)，建議的修程及檢修周期如表1所示。

3 功能

氫能源有軌電車車輛段是有軌電車車輛日常維護(hù)和保養(yǎng)的場(chǎng)所，主要承擔(dān)有軌電車車輛各修程的維修任務(wù)，另外還負(fù)責(zé)車輛段及全線的物資供應(yīng)、綜合維修、事故救援，并包含培訓(xùn)中心、控制中心等機(jī)構(gòu)。

氫能源有軌電車車輛由于需要加氫作業(yè)，因此需要設(shè)置加氫站。目前，加氫站的設(shè)置有2種方式：①設(shè)置在車輛段內(nèi)，因此車輛段還應(yīng)具備加氫功能;②利用社會(huì)化的加氫站（即加氫站不在車輛段內(nèi)）。2種方式均需要在加氫站設(shè)置加氫股道。

4 工藝流程

氫能源有軌電車車輛在運(yùn)行過(guò)程中，需要根據(jù)運(yùn)行里程和時(shí)間補(bǔ)充氫氣。按目前45 MPa加氫站，加滿1列車（儲(chǔ)氫瓶容量840 L）需要10～15 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)發(fā)車間隔3min。另外，雖然車輛動(dòng)力系統(tǒng)采用鈦酸鋰電池作為輔助，可單獨(dú)為列車提供牽引動(dòng)力，維持列車運(yùn)行至加氫站加氫，但是為了不影響第2天的正常運(yùn)營(yíng)，需要在當(dāng)天列車退出運(yùn)營(yíng)回車輛段時(shí)，加滿氫氣后再入庫(kù)停放。

車輛檢修時(shí)，為保證檢修作業(yè)安全，需要將儲(chǔ)氫瓶的氫氣用氮?dú)庵脫Q，然后用公鐵兩用車牽引入庫(kù)檢修。

當(dāng)加氫站設(shè)置在車輛段內(nèi)時(shí)，車輛運(yùn)用、檢修作業(yè)流程如圖1所示。

當(dāng)加氫站設(shè)置在車輛段外時(shí)，車輛運(yùn)用、檢修作業(yè)流程如圖2所示。

5 設(shè)備設(shè)施配置

氫能源有軌電車車輛段的主要設(shè)施包括生產(chǎn)設(shè)施、輔助生產(chǎn)設(shè)施和生活辦公設(shè)施等。其中生產(chǎn)設(shè)施主要有停車列檢庫(kù)、月檢庫(kù)、定臨修庫(kù)、加砂庫(kù)、洗車庫(kù)、鏇輪庫(kù)、試車線、加氫站、綜合維修、物資總庫(kù)和輔跨車間等;輔助生產(chǎn)設(shè)施主要有牽引變電所、給水加壓站、污水處理站和特種材料庫(kù);生活辦公設(shè)施主要有綜合辦公樓、食堂和浴室等。由于生產(chǎn)設(shè)施的加砂、洗車、鏇輪、試車線、綜合維修、物資總庫(kù)及輔助生產(chǎn)設(shè)施和生活辦公設(shè)施與普通車輛段的差別不大，本文不再詳細(xì)分析。大架修設(shè)施，除氫動(dòng)力系統(tǒng)為特種裝備須委外檢修外，其他零部件檢修設(shè)施與既有大架修設(shè)施相同。

5.1 停車列檢庫(kù)

5.1.1 任務(wù)及工作范圍

（1）承擔(dān)有軌電車車輛的停放、運(yùn)用、整備作業(yè)。

（2）承擔(dān)列車進(jìn)、出庫(kù)的技術(shù)交接、檢查和測(cè)試工作。

（3）承擔(dān)車輛段運(yùn)用車輛司乘人員出、退勤技術(shù)交接工作。

（4）承擔(dān)車輛段運(yùn)用車輛的功能檢查、技術(shù)檢查和一般性臨時(shí)故障的處理工作。

（5）承擔(dān)車輛段運(yùn)用車輛的內(nèi)部清掃及定期消毒工作。

5.1.2 主要設(shè)備配置

（1）由于庫(kù)內(nèi)停放的都是充滿氫氣的有軌電車車輛，日檢人員在進(jìn)入庫(kù)內(nèi)作業(yè)前，需要進(jìn)行靜電消除，因此，在入庫(kù)端需設(shè)置靜電消除裝置。

（2）為確保日檢人員對(duì)車頂電氣設(shè)備及氫動(dòng)力系統(tǒng)的巡檢，需要設(shè)置車頂作業(yè)平臺(tái)及氫氣檢測(cè)儀。

（3）為防止一般人員上車頂，需要在平臺(tái)上設(shè)置安全連鎖系統(tǒng)。為方便工作人員上下列車，每列位首尾均設(shè)置固定式司機(jī)上車平臺(tái)。

（4）檢查坑內(nèi)設(shè)帶防爆功能的安全照明、安全電壓照明插座及動(dòng)力插座。

（5）庫(kù)內(nèi)設(shè)有線廣播，以方便作業(yè)調(diào)度并利于列車出入庫(kù)安全。庫(kù)內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)拖布池，以便于車內(nèi)清掃及庫(kù)內(nèi)地面清潔作業(yè)。

5.2 月檢庫(kù)

5.2.1 任務(wù)及工作范圍

月檢庫(kù)承擔(dān)有軌電車車輛的雙周、三月檢工作。對(duì)車輛進(jìn)行全面技術(shù)檢查和必要的檢測(cè)，主要對(duì)司機(jī)室電器、車載通信信號(hào)設(shè)備、轉(zhuǎn)向架、控制系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、客室設(shè)施、空調(diào)、氫動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查、清潔，并對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)及更換易損件。

5.2.2 主要設(shè)備配置

月檢庫(kù)內(nèi)每股道設(shè)置柱式檢查坑，坑內(nèi)設(shè)照明和動(dòng)力插座，檢修列位兩側(cè)設(shè)車頂作業(yè)平臺(tái)。月檢庫(kù)內(nèi)設(shè)有線廣播，以方便作業(yè)調(diào)度并保證列車出入庫(kù)安全。為便于技術(shù)檢查、檢測(cè)、部件的更換和運(yùn)輸，月檢庫(kù)內(nèi)配置了靜調(diào)電源柜、蓄電池叉車等設(shè)備。

5.3 定臨修庫(kù)

5.3.1 任務(wù)及工作范圍

定臨修庫(kù)主要承擔(dān)車輛的定修任務(wù)及臨時(shí)故障處理工作。

5.3.2 檢修內(nèi)容及工藝流程

（1）定修作業(yè)。根據(jù)車輛定修規(guī)程對(duì)車輛進(jìn)行全面技術(shù)檢查，主要包括檢查牽引及制動(dòng)系統(tǒng)、氫動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架及走行部分、車門及其控制系統(tǒng)、空調(diào)裝置等。對(duì)需檢修的部件進(jìn)行拆卸更換，對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)液、充電或更換，對(duì)齒輪箱、軸箱進(jìn)行檢查、補(bǔ)油、測(cè)試。最后對(duì)車輛進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)調(diào)試。

（2）臨修作業(yè)。對(duì)車輛的臨時(shí)故障進(jìn)行檢修，更換需檢修的轉(zhuǎn)向架及其他大型部件。

（3）主要工藝流程。列車清洗—?dú)錃庵脫Q—列車送定修、臨修庫(kù)—系統(tǒng)測(cè)試—故障部件檢修、更換—電池充電或更換—齒輪箱、軸箱補(bǔ)油—列車全面測(cè)試—單元車、整列車靜調(diào)—出庫(kù)—注入氫氣—列車上試車線動(dòng)調(diào)—交驗(yàn)—出庫(kù)。

5.3.3 主要設(shè)備配備

定臨修庫(kù)內(nèi)分別設(shè)10t、2t電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)各1臺(tái)。臨修庫(kù)為了方便臨修架車，設(shè)移動(dòng)式架車機(jī)（ 架1列車）1套。定修線設(shè)置柱式檢查坑，坑內(nèi)設(shè)照明和動(dòng)力插座，庫(kù)內(nèi)股道兩側(cè)設(shè)低地面，設(shè)計(jì)標(biāo)高-1.2m，定修臺(tái)位兩側(cè)設(shè)車頂作業(yè)平臺(tái)。

5.4 加氫站

加氫站是為有軌電車提供氫氣的重要設(shè)施。加氫站的選址、規(guī)模，以及加氫股道的設(shè)置數(shù)量直接影響運(yùn)營(yíng)的效率。

5.4.1 加氫站選址

目前，加氫站的設(shè)置有設(shè)置在車輛段內(nèi)和單獨(dú)選址（即車輛段外）2種方式。從加氫作業(yè)及有軌電車車輛運(yùn)營(yíng)管理的便利性出發(fā)，推薦將加氫站設(shè)置在車輛段內(nèi)。但是，車輛段內(nèi)設(shè)置加氫站，需要考慮加氫站與其他房屋的消防間距，用地需要考慮充足。

5.4.2 加氫站規(guī)模

根據(jù)GB 50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》，加氫站等級(jí)劃分為3級(jí)，如表2所示。該規(guī)范規(guī)定城市建成區(qū)不應(yīng)建設(shè)一級(jí)加氫站;個(gè)別城市還規(guī)定，一、二級(jí)加氫站均不應(yīng)設(shè)置在城市建成區(qū)。

有軌電車加氫站設(shè)計(jì)，在前期階段，每日用氫量可利用日車公里數(shù)進(jìn)行估算;詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，可利用全日行車運(yùn)行圖進(jìn)行詳細(xì)牽引計(jì)算。

5.4.3 加氫股道的設(shè)置

為確保有軌電車加氫，需要在加氫站內(nèi)或附近設(shè)置加氫股道，由于車輛加氫口位于車頂，需要在加氫股道間設(shè)置加氫島。加氫股道的設(shè)置，需根據(jù)行車間隔、加氫作業(yè)時(shí)間統(tǒng)籌考慮。

6 結(jié)束語(yǔ)

氫能源作為清潔能源是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，而氫能源有軌電車是近年來(lái)的一個(gè)重大的技術(shù)創(chuàng)新，目前已在佛山高明得到應(yīng)用。采用氫燃料電池作為牽引動(dòng)力，有軌電車車輛需要設(shè)置儲(chǔ)氫系統(tǒng)，這對(duì)有軌電車車輛段的工藝設(shè)計(jì)提出了更高的要求，如車輛段需要考慮加氫設(shè)施，工藝流程發(fā)生了較大的變化，設(shè)備配置需要考慮作業(yè)環(huán)境的安全性，等等。本文調(diào)研了國(guó)內(nèi)氫能源有軌電車車輛的相關(guān)技術(shù)，分析了氫能源有軌電車車輛的特點(diǎn)，討論了氫能源車輛段的功能、檢修工藝流程和主要的設(shè)備設(shè)施配置，以供參考。

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收稿日期 2019-11-02

責(zé)任編輯 黨選麗