高速铁路能源消耗影响因素的探讨

2011-01-29王天宁丁巍

铁路节能环保与安全卫生 2011年6期

王天宁，丁巍

(1.杭黄铁路筹备组，安徽黄山 242700;2.上海铁路局计划统计处，上海 200071)

国务院批准的《中长期铁路网规划》确立了我国高速铁路建设的蓝图。按照《中长期铁路网规划》(2008年调整)的目标，2020年全国铁路营业里程将达到12万 km，其中客运专线将达到1.6万km以上。到2010年，我局管内已有合宁、合武、甬台温、温福、沪宁和沪杭等多条高速铁路，高速铁路运营里程达到 1 756 km，占全路的四分之一，其中设计时速在350 km/h的沪宁、沪杭高速的里程达470 km。随着高速铁路大量开通，列车运营能耗和单耗会有怎样的变化，如何来实现高速铁路运行中的节能降耗是铁路行业急需关注的问题。

1 我局高速铁路能源消耗的总体情况

2010年，我局高速铁路动车组电耗为23 801万kW·h，同比上升366%。从既有铁路机车与高速铁路动车组的能源消耗对比情况来看，2010年，既有线电力机车单位牵引工作量电耗为110 kW·h/万总重 t·km，以沪宁、沪杭为代表的高速铁路运行的动车组单位牵引工作量电耗为259 kW·h/万总重t·km，单位牵引工作量电耗是既有线电力机车的2.4倍。由此可见，随着高速铁路时代的来临，在动车组牵引工作量大幅上升的情况下，能耗与费用将大幅度增加，需要引起关注，找出影响动车组能耗影响因素，提出降低高速铁路动车组能耗的对策建议。

2 影响高速铁路动车组单耗的主要因素

2.1 动车组技术速度的影响

从理论上分析，高速动车组速度与阻力大小存在一定的关系，当速度超过300 km/h时，运行阻力的80%以上均为空气阻力，当速度达到350～400 km/h时，空气阻力将占运行阻力的绝大部分。英国科学家 Davis［1］描述在水平轨道上列车运行的阻力与运行速度的关系方程:

式中:F为阻力;

v为速度;

A为独立于速度的机械阻力常数，数值为2240;

B为与速度成正比的机械阻力系数，数值为43.53;

C为与速度平方成正比的空气阻力系数，数值为4.41。

根据Davis方程式，可以绘制出列车运行阻力与速度的理论关系图(图1)，由图1可以得出两个结论:

(1)列车运行阻力随着速度的增加而迅速增加。

(2)列车在高速运行过程中阻力会有两个阶段性的突增。一是当列车的速度超过200 km/h时，阻力增加较快，曲线变得陡峭起来;二是列车的速度达到250～300 km/h区段，曲线出现明显跳跃，阻力持续快速上升。由此可见，列车运行到250 km/h以上，为克服越来越大的阻力，列车能耗增加幅度较快，决定了高速铁路克服阻力所消耗的能源要比传统既有铁路高，因此，高速铁路采取适当降速运行的举措有重要意义。

图1 列车运行阻力与速度理论关系图

根据某机务段2011年1－4月司机报单部分数据作为分析对象，可以看出技术速度与动车组单耗的关系，见表1。

表1 2011年1－4月某机务段动车组平均单耗与技术速度关系kW·h/万总重t·km

由此可见，在高速铁路动车组能耗统计中，无论是哪种类型的动车，技术速度与动车组单耗存在一定正比关系。在正常运行过程中，运行速度保持在200～250 km/h，从运营成本角度而言，具有一定的经济性。

2.2 机型差异的影响

目前，我局配属的动车车型共有 CRH1B、CRH1E、CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH3C、CRH380A、CRH380AL、CRH380BL等车型，动车组机型差异主要体现在三个方面:

(1)动车组再生制动临界值:CRH型动车组均采用了再生制动技术，在动车组实施制动时会将一部分动能转化为电能反馈至接触网，以达到节能减耗的效果。CRH1型动车组再生制动临界值为45 km/h，CRH2型动车组再生制动临界值为15 km/h，CRH3型动车组再生制动临界值为70 km/h。从能源消耗的角度而言，CRH2型动车组在运行速度大于15 km/h时实施制动，均可以将一部分动能转化成电能反馈至接触网，相对节能。

(2)动车组车体主要参数:见表2。

由表2可知，在相同编组的情况下，CRH2型车体自重和总重具有一定的比较优势，相对较轻的车体有利于降低能源消耗。

(3)动车组舒适功能设备的差异:动车组舒适功能通常包括照明、恒温、车厢通风等，这些功能大约消耗动车组运行过程中所需能耗的3%～10%左右，动车组车型不同，舒适功能设备的功率大小不同，对动车组能源消耗的影响也不同。

表2 各型动车组车体主要参数对比

表3 动车组舒适功能设备参数表

由表3可知，CRH2A、CRH2C、CRH380A三种车型在照明、空调等舒适功能设备功率上有一定的比较优势，在同等运行条件下，综合能耗更低，更有利于节能减排。

2.3 其他影响因素

2.3.1 运输组织的影响

高速铁路运输组织对动车组能源消耗有一定的影响。动车组在加速及减速的过程中耗能较大。这是由于高速动车组运行速度快，想要达到目标值就需要一定的加速距离，如果站与站之间的距离较短，就会导致动车组刚加速到一定的高位速度又要减速停车，动车组无法长时间保持目标速度匀速运行而且会因频繁加、减速而导致能耗上升。

2.3.2 线路参数的影响

2.3.2.1 最小曲线半径

最小曲线半径影响着高速铁路的运输模式、速度目标值、旅客乘坐的舒适度和列车运行的平稳度等，同时也受到这些因素的制约。一般来讲，平面曲线半径越大，安全度越高，平稳性越好，轮轨的磨损度越小，同时最小曲线半径和速度目标相关，间接也会影响到动车能源单耗。

2.3.2.2 最大坡度

在高速铁路建设过程中，最大坡度是主要技术标准之一，对运行动车的能耗也有一定的影响。客货共线运行的铁路，线路最大坡度通常是由列车牵引质量要求确定，一般在0.6%左右。高速铁路线路最大坡度一般高于普通既有线路，一般可达2%左右。如高速铁路线路有较多大坡度设计时，列车运行到上坡时速度会有较大的损失，要维持高速运行，能源单耗就会上升。因此，由于不同的高速线路在最大坡度和坡度线路里程上的差异，会导致同速、同型动车单耗也存在差异。

2.3.3 司机操作水平的影响

由于高速铁路动车组和既有线普速列车在牵引方式、列车的运行监控装置、平稳操纵等方面有较大的差异，因此，许多机车司机还不能很好地利用动能闯坡，而有些新提升司机不能熟练掌握各种线路坡道条件下的给退电时机，以及起步、停车、加减速等环节的节能技术，对动车组能源消耗也有一定的影响。

3 建议与措施

3.1 设置合适的速度目标值，以利于机车节能

高速铁路上运行的动车组技术速度与能源单耗有非常密切的关系，速度超过250 km/h，能源消耗会急剧上升，过高的速度目标值会使得高速铁路的节能减排效益降低，因此，在高速铁路运营过程中合理设置速度目标值将有利于降低动车组能耗。

3.2 合理编制列车运行图，以利于运行过程节能

(1)优化动车组运用:根据运输情况，合理配置动车组编组，尽量发挥动车组效能。(2)优化列车运行图:在确保安全运行、方便旅客出行前提下，行车途中尽量减少启停车、站次数，合理规划牵引区段，减少能源空耗损失。

3.3 强化车辆舒适功能的管理，以利于管理节能

动车组在日间运行途中，随车机械师要根据天气、日照和隧道通过情况控制列车照明灯使用，光照条件良好时应选择半灯或不开灯，严禁动车组全程“长明灯”和日间运行时一直使用全灯。动车组空调正常使用时须采取自动控温，温度值设置应在规定的范围内。据统计，把空调在习惯温度的基础上调高1℃，大致可节约6%的用电负荷;比设定温度高2℃，可节电20%。列车到达终到站后，随车机械师应停止使用全列空调。列车员根据客流情况，及时调整或关闭旅客车厢或包房内的影视系统;动车组到达终到站后，应全部关闭影视系统后方可退乘。