氫能源有軌電車新制式工程項目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究

高 華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

氫能源是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源,正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一[1-3]。

我國研制了世界上首列氫能源有軌電車,并在佛山建設(shè)了首個氫能源軌道交通項目。制式選擇與線路方案設(shè)計是軌道交通建設(shè)中影響全局的重大決策,對工程建設(shè)、運(yùn)營以及沿線的環(huán)境產(chǎn)生長久而深遠(yuǎn)的影響,一旦決策失誤,將造成巨大損失,且后期難以消除[4-5]。工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗是進(jìn)行軌道交通制式選擇的重要參考,也是線路設(shè)計時對方案進(jìn)行評價的必備指標(biāo)[6]。但由于氫能源屬于一種全新的軌道交通制式,相關(guān)研究成果總體較少,而且大部分都集中在氫能源車輛、加氫、儲氫等技術(shù)領(lǐng)域[7-10],對于控制整個工程項目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究卻鮮有公開報道。這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的缺乏給軌道交通制式選擇與線路方案比選等重大決策帶來極大困難[11-13]。

因此本文依托佛山南海區(qū)氫能源有軌電車?yán)锼喂こ添椖?對接觸網(wǎng)、超級電容、氫能源3種制式條件下的工程項目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性開展了系統(tǒng)、深入的量化分析對比研究,包括車輛限界、土建工程、機(jī)電設(shè)備、車輛基地、運(yùn)營成本等方面。為軌道交通制式的比選提供量化的科學(xué)決策依據(jù),為氫能源有軌電車的線路方案設(shè)計與評價提供重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

佛山市南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ添椖恐胁捎脷淠茉从熊夒娷?充分響應(yīng)國家能源發(fā)展戰(zhàn)略,南海區(qū)部分氫能技術(shù)已接近國際先進(jìn)水平,但整體核心技術(shù)與國外先進(jìn)水平依然有差距。本文介紹了氫燃料有軌電車在南海區(qū)示范工程中的實際應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)的探索思考,對促進(jìn)氫能源有軌電車技術(shù)的自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化,推動具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化有積極的應(yīng)用價值,對以后建立成套標(biāo)準(zhǔn)體系,科學(xué)、合理地制定車輛購置、降低氫氣銷售價格,進(jìn)一步拓寬氫能應(yīng)用場景,發(fā)展氫能市場亦將起到示范推動作用。

1 南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ?/h2>

南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ添椖科鹩诶锖鲁钦?經(jīng)環(huán)鎮(zhèn)北路、草場工業(yè)大道、里廣路,止于里橫路站,線路全長9.834 km,全線共設(shè)車站13座,車輛基地1座。由于車輛采用氫能源,需對整車、供氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)及電動驅(qū)動系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的核心參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)體系進(jìn)行研究,對車輛基地的土地開發(fā)和運(yùn)營成本亦進(jìn)行了研究。

2 應(yīng)用比較分析

2.1 供電制式

目前國內(nèi)有軌電車的供電制式主要有接觸網(wǎng)、超級電容、氫能源等[14]。

接觸網(wǎng)有軌電車技術(shù)成熟可靠,路權(quán)設(shè)置靈活,在國內(nèi)天津、蘇州、沈陽等城市得到應(yīng)用。超級電容有軌電車兼有物理電容器和電池的特性,在車站及車輛基地設(shè)置充電裝置,車輛利用停站時間充電,在國內(nèi)廣州、深圳、武漢、淮安等城市得到應(yīng)用。氫能源有軌電車?yán)脷淙剂想姵貙錃夂脱鯕獾幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能,完全取消受電弓和接觸網(wǎng),實現(xiàn)污染物“零排放”和全程“無網(wǎng)”運(yùn)行。燃料電池通過化學(xué)反應(yīng)將電能事先儲存在動力電池中,由動力電池向電機(jī)發(fā)電。氫燃料電池只會產(chǎn)生水和熱,燃料電池運(yùn)行安靜,噪聲強(qiáng)度約為55 dB[15-18]。氫燃料電池目前在中車青島四方和中車唐客生產(chǎn)的有軌電車中得到應(yīng)用,已在佛山市高明區(qū)現(xiàn)代有軌電車示范線運(yùn)營。國內(nèi)有軌電車供電制式情況如表1所示。

表1 國內(nèi)有軌電車供電制式情況

2.2 系統(tǒng)方案

2.2.1 車輛及限界

根據(jù)目前國內(nèi)主要車輛廠商資料,各種供電制式有軌電車車輛尺寸及載客量分別見表2～表4,車輛限界見表5。

表3 接觸網(wǎng)車輛尺寸及載客量

表4 超級電容車輛尺寸及載客量

表5 各種供電制式有軌電車車輛限界

2.2.2 土建工程

(1)車站

對于地面站,采用氫能源供電時,軌頂面以上建筑限界高度為4 200 mm;當(dāng)采用接觸網(wǎng)供電時,軌頂面以上建筑限界高度為4 600 mm;當(dāng)采用超級電容供電時,軌頂面以上建筑限界高度為4 500 mm。

(2)路基

南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ搪坊捎媒佑|網(wǎng)供電時,地面區(qū)間直線段最小線間距為4.1 m,較氫能源方式3.6 m增加了0.5 m,路基填料及地基處理范圍均有增加。

(3)橋梁

氫能源有軌電車與超級電容、接觸網(wǎng)有軌電車荷載基本一致,三種車輛對應(yīng)的荷載、豎向限界對橋梁結(jié)構(gòu)基本無影響。氫能源與超級電容有軌電車平面線間距相同,均為3.6 m,采用接觸網(wǎng)供電時,高架區(qū)間直線段最小線間距為4.1 m,較氫能源及超級電容方式3.6 m增加了0.5 m。雙線橋相應(yīng)橋梁寬度增加0.5 m,單線橋?qū)挾炔蛔?。圖1為某大橋施工現(xiàn)場。

圖1 里水有軌電車項目某大橋施工現(xiàn)場

(4)隧道

氫能源有軌電車與接觸網(wǎng)、超級電容有軌電車的平面限界相同,但豎向限界氫能源有軌電車為4 200 mm,接觸網(wǎng)及超級電容有軌電車為4 500 mm。

(5)軌道

采用接觸網(wǎng)供電時,需要在道床里面設(shè)置一定的鋼筋排流截面,且所有的道床縫兩端均需要設(shè)置防雜散電流連接端子;可以減少加氫線軌道的布置數(shù)量,采用超級電容供電時,軌道的道床方案與氫能源方式相比沒有差異,但同樣可以減少加氫線軌道的布置數(shù)量。

2.2.3 機(jī)電設(shè)備

(1)牽引供電系統(tǒng)

如采用接觸網(wǎng)供電,推薦采用DC750V架空接觸網(wǎng)進(jìn)行供電,全線設(shè)置牽引變電所6座,其中1座為車輛段專用,正線2座牽引變電所兼做開閉所。如采用超級電容,可利用車輛的停站時間進(jìn)行快速充電,一般采用每個車站都設(shè)置充電站或者隔站設(shè)置充電站的方式。如采用氫能源,不需牽引供電。

(2)信號系統(tǒng)

采用氫能源供電時,信號中心調(diào)度管理子系統(tǒng)可采集加氫站中央監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)對加氫站運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)的安全監(jiān)控。采用接觸網(wǎng)或超級電容時,則無需設(shè)置加氫站,無需采集加氫站及氫能源有軌電車實時數(shù)據(jù)及監(jiān)控。

(3)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

采用接觸網(wǎng)供電時,火災(zāi)自動報警系統(tǒng)與車輛供電制式無關(guān),但在車輛段的聯(lián)合車庫由于有接觸網(wǎng)的存在,在消防聯(lián)動過程中需先把接觸網(wǎng)供電斷開方可實施自動噴水滅火救援。采用超級電容供電時,火災(zāi)自動報警系統(tǒng)與車輛供電制式無關(guān),按規(guī)范設(shè)置火災(zāi)地洞報警系統(tǒng)即可。采用氫能源制式供電時,火災(zāi)自動報警系統(tǒng)需考慮列車存放及在隧道段行駛時氫氣外漏的情況,需增加可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)(氫氣濃度探測)。

(4)給排水及消防

采用接觸網(wǎng)供電時,地下車站及區(qū)間設(shè)置消防水池并設(shè)置消防泵進(jìn)行加壓,車輛基地主要設(shè)置室外消火栓系統(tǒng)、室內(nèi)消火栓系統(tǒng)和滅火器等。采用超級電容供電時,方案與接觸網(wǎng)制式一致。采用氫能源制式時,地下車站及區(qū)間設(shè)置消防水池并設(shè)置消防泵進(jìn)行加壓。水消防火災(zāi)持續(xù)時間按3 h考慮。對于地下站及地下區(qū)間,接觸網(wǎng)、超級電容制式的給排水及消防方案均沒有區(qū)別。由于氫能源制式的水消防火災(zāi)持續(xù)時間按3 h考慮,相對于接觸網(wǎng)、超級電容制式火災(zāi)持續(xù)時間2 h而言,需設(shè)置更大容積的消防水池。

(5)通風(fēng)與空調(diào)

采用氫能源制式時,地下車站采用大開口滿足自然通風(fēng),地下區(qū)間盡量采用大開口+封閉段設(shè)置射流風(fēng)機(jī)結(jié)合的方式,聯(lián)合車庫頂部做自然通風(fēng)器并設(shè)置事故通風(fēng)機(jī)。采用接觸網(wǎng)供電時,地下車站采用較小的開口滿足自然通風(fēng),地下區(qū)間可完全封閉采用射流風(fēng)機(jī)通風(fēng),聯(lián)合車庫主要采取自然通風(fēng),無需事故通風(fēng)。采用超級電容供電時,地下車站及地下區(qū)間同接觸網(wǎng)有軌電車,聯(lián)合車庫自然通風(fēng)并設(shè)置事故排風(fēng)系統(tǒng)。

2.2.4 車輛基地

(1)站場

采用接觸網(wǎng)或超級電容供電時,不需設(shè)置加氫站或加氫線,相應(yīng)用地面積、股道長度、道岔數(shù)量、水溝長度等均可以減小。氫能源有軌電車與接觸網(wǎng)、超級電容有軌電車相比,車輛段站場征地面積增加約3 667 m2。車輛基地站場平面布置如圖2所示。

圖2 里水有軌電車項目車輛段平面

(2) 建筑

3種制式在車輛段建筑上,主要區(qū)別在于聯(lián)合車庫這一單體。首先在建筑平面布局上,3種制式在庫房內(nèi)線間距一致,沒有區(qū)別;在建筑高度上,接觸網(wǎng)制式需要在庫房內(nèi)安裝接觸網(wǎng),超級電容制式需要在車輛頂部安裝充電軌,因此,接觸網(wǎng)和超級電容的庫房建筑高度要比氫能源制式的高2 m左右;在防火構(gòu)造措施上,采用氫能源制式的庫房,其鋼梁防火需采用厚涂型鋼防火涂料,同時聯(lián)合車庫四周墻體由磚墻改為雙層壓型鋼板保溫墻,環(huán)氧自流平地面改為不發(fā)火環(huán)氧砂漿地面。圖3為綜合樓施工現(xiàn)場。

圖3 里水有軌電車項目車輛段綜合樓施工現(xiàn)場

2.3 運(yùn)營成本

2.3.1 投資分析

里水有軌電車初期上線列車12列,全天開行108對車次,運(yùn)營線路長度為9.7 km,全天行駛里程約2 250列·km。

在目前條件下,采用氫能源有軌電車運(yùn)營的能源成本比接觸網(wǎng)有軌電車增加約895萬/年,比超級電容有軌電車增加約811萬元/年。

由于車輛供電方式、限界不同,南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ添椖坎捎脷淠茉从熊夒娷嚂r,與接觸網(wǎng)有軌電車相比,工程費(fèi)增加6 138.1萬元,征地費(fèi)用增加約1 274.2萬元;與超級電容有軌電車相比,工程費(fèi)增加7 981.5萬元,征地費(fèi)用增加約1 594.7萬元[19-21]。

本項目涉及氫氣概算1.41億元,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為0.14億元/正線公里。目前南海區(qū)氫能源的價格是55元/kg,根據(jù)南府辦[2020]3號文《佛山市南海區(qū)促進(jìn)加氫站建設(shè)運(yùn)營及氫能源車輛運(yùn)行扶持辦法(修訂)的通知》和南府辦函[2022]47號文《佛山市南海區(qū)推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃(2022—2025年)》文件,氫氣銷售價格將持續(xù)下降至35元/kg及以下[22-25]。

2.3.2 電堆成本

采用氫能源供電時,目前國內(nèi)氫能源電堆使用壽命最高為20 000 h(折合3年),按初期12列車計,氫能源電堆的維修維護(hù)成本約480萬元/年。采用接觸網(wǎng)供電時,無電堆維修維護(hù)費(fèi)用。采用超級電容供電時,超級電容壽命為10年,更換超級電容電池的費(fèi)用約190萬元,折算費(fèi)用約19萬元/年,按初期12列車計,超級電容維修電池的維護(hù)成本約228萬元/年。在電堆方面,氫能源有軌電車比接觸網(wǎng)有軌電車維修維護(hù)成本增加約480萬元/年,比超級電容有軌電車維修維護(hù)成本增加約252萬元/年。

3 結(jié)語

本文以佛山南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ添椖繛橐劳?通過氫能源有軌電車在路基、橋梁、牽引供電等設(shè)計方面的研究創(chuàng)新,挖掘了氫能產(chǎn)業(yè)和軌道交通產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢,對于培育地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長極,有效提升氫能產(chǎn)業(yè)的知名度和影響力起到了推動示范作用。本項目氫能源價格的確定,對實現(xiàn)軌道交通領(lǐng)域的“去碳化”,引領(lǐng)國內(nèi)有軌電車走向“綠色交通,低碳發(fā)展”的道路有一定的指導(dǎo)作用。