国内地铁双能源电力工程车的应用现状及前景
2014-07-05王丽红张天彤
王丽红 张天彤
(郑州铁路职业技术学院车辆工程学院，450052，郑州∥第一作者，讲师)
地铁工程车作为车辆段的主要设备，在段内调车、牵引运输、线路维护、救援牵引、设备集成等方面发挥着重要作用。目前，国内各地铁公司主要采用以柴油机为牵引动力的内燃工程车。然而，随着轨道交通行业的技术进步，双能源电力工程车作为地铁工程车系列的一个新品种，因其低噪声和零排放等内燃工程车无可比拟的优点，正稳步向产业化方向发展，为用户提供了新的选择。
1 双能源电力工程车的技术特性
双能源电力工程车是一种轴式为B0-B0，采用直－交传动、异步牵引电机、微机控制等技术的双电源供电工程车，既可采用DC 1 500 V接触网供电，亦可采用DC 800 V蓄电池供电。机车的设计寿命为30年，具有重联功能，最多可4台机车重联运行;控制电源为DC 110 V，制动机采用电控空气制动机，基础制动采用独立单侧单缸制动器。
1.1 主要技术性能和参数
车体形式:单司机室，双侧外走廊;
最高运行速度:接触网(三轨)供电时为65 km/h，蓄电池供电时为40 km/h;
最大牵引力:100 kN;
轮周功率:接触网(三轨)供电时为400 kW，蓄电池供电时为300 kW;
传动方式:直－交;
蓄电池容量:400 Ah;
受流方式:接触网DC 1 500 V，蓄电池DC 800 V;
充电方式:外部或库内;
轨距:1 435 mm;
轴重:12.5 t;
车钩类型:密接式车钩;
车钩中心线距离:15 460 mm;车体宽度:2 780 mm;
车顶距轨面高:3 587 mm;转向架中心距:8 160 mm;转向架轴距:2 200 mm。
1.2 牵引及制动特性
双能源电力工程车的牵引特性如图1所示，电制动特性如图2所示。
1.3 牵引续航时间
400 kW、400 Ah双能源电力工程车的牵引续航时间如图3、图4所示。
图1 电力工程车牵引特性曲线
图2 电力工程车电制动特性曲线
图3 60 t负载条件下，不同坡度时的速度－持续时间关系曲线
图4 220 t(6辆A型车)负载条件下，不同坡度时的速度－持续时间关系曲线
2 国内典型的双能源电力工程车
2.1 出口新加坡的双能源电力工程车
2009年6月，新加坡陆路交通管理局从中国南车株洲电力机车有限公司(简为“株机公司”)采购了14台双能源电力工程车。到目前为止，该批工程车性能稳定，使用业绩良好。
2.1.1 基本技术参数
最高运营速度:65 km/h(DC 750 V第三轨供电)，40 km/h(DC 686 V牵引蓄电池供电);
机车功率(小时制):400 kW(DC 750 V第三轨供电)，320 kW(DC 686 V牵引蓄电池供电);
轴式:B0-B0;轴重:12.5 t;机车电制动方式:再生电阻制动。
2.1.2 牵引性能
该批双能源电力工程车的牵引性能如表1所示。
表1 株机公司出口新加坡的双能源电力工程车牵引性能
2.2 深圳地铁2号线双能源电力工程维护车
株机公司为深圳地铁2号线(蛇口线)首期工程提供的新型双能源电力工程维护车属国内首创，适用范围广，可用作调车、工程施工运输、救援牵引，还可用于集成轨道检测、限界检测，以及接触网、接触轨检测等。其基本技术参数为:
最高运营速度:80 km/h(DC 1 500 V接触网供电)，40 km/h(DC 750 V牵引蓄电池供电);
机车功率(小时制):300 kW(DC 1 500 V接触网供电)，240 kW(DC 750 V牵引蓄电池供电);
起动牵引力:62 kN;
电制动力:40 kN;
轴式:B0-B0;
机车电制动方式:再生电阻制动。
3 地铁双能源电力工程车的优势
从牵引动力来讲，现阶段的工程车主要有内燃型和电力型两类。本文从环保及噪声、控制精度、能耗、牵引能力、经济成本等方面进行对比分析。
3.1 环保及噪声
内燃工程车采用柴油机为牵引动力，二氧化碳排放量大，产生的烟尘对隧道造成污染，也会影响到隧道内电气设备的性能。双能源电力工程车采用环保清洁的电力能源，作业时不产生废气，能避免烟尘和废气对城市空气的污染，从而改善员工的工作环境及城市居民的生活环境。据专家分析，将内燃型工程车改为双能源型，每台使用30年可直接减少二氧化碳排放2 000余t。我国地铁工程维护车既有容量达数百台，如果将其全部改成双能源型，1年可直接减少二氧化碳排放数万吨。
双能源电力工程车由于采用交流电传动技术，噪声低。两种类型工程车噪声对比见表2。
表2 双能源电力工程车与内燃工程车的噪声对比dB
3.2 控制精度
双能源电力工程车具有低恒速控制功能，可以达到1.5 km/h的低恒速，且控制精度高;内燃工程车的低恒速控制则是5 km/h。相比内燃工程车，电力工程车速度低而恒定的牵引性能能较好地满足施工工艺和安全要求。
3.3 能耗
能源利用率是反映能耗的一个重要参数。内燃工程车的能源利用率为35%。双能源电力工程车采用电力直接变换，能源利用率可达85%;且相对于日益增长的柴油价格，电能的来源多样且廉价。双能源电力工程车与内燃工程车的能耗对比见图5。
图5 双能源电力工程车与内燃工程车的能耗对比
3.4 牵引能力
400 kW双能源电力工程车与447 kW(600 hp)内燃工程车在不同速度、不同坡度时的牵引吨位比较如表3所示。可以看出，在实际应用工况下，双能源电力工程车的牵引能力优于内燃工程车。
3.5 经济成本
(1)采购成本。传统的内燃工程车工艺和部件相对简单，造价较低，因而采购成本低。双能源电力工程车的构成与地铁车辆动车基本相同，购置成本较高。例如，447 kW(600 hp)内燃调机一般在350万左右，336 kW(450 hp)内燃轨道车一般在240万左右，若采用双能源电力工程车，400 kW 调机与300 kW轨道车的采购成本大约在700万元与600万元，在购置成本上高出内燃调车机车1倍左右。然而，双能源电力工程车的设计寿命为30年，内燃工程车的设计寿命为15年，因此，在30年全寿命周期内，选用内燃工程车与双能源电力工程车的购置费用相当。
(2)能源成本。地铁工程车的使用频率大约为每年200 d，每天约4 h。内燃工程车以柴油为能源，柴油价格按6.5元/kg计算。一台功率为447 kW的内燃工程车，耗油量为0.21 kg/(kW·h)，满功率工况每年消耗的能源费用为48.8万元。除此之外，内燃工程车需要加油，需建设油库或采购加油车，或委托加油站为其加油，因此都要考虑燃料补给带来的附加成本。双能源电力工程车以电力为能源，电费以0.8元/(kW·h)计算。一台400 kW的双能源电力工程车满功率工况每年消耗的能源费用为25.6万元。因此，双能源电力工程车每年可比内燃工程车节约能源费用23.2万元，30年累计节省能源费用696万元。
(3)维护成本。双能源电力工程车与地铁车辆属同一技术体系，其绝大部分部件如牵引逆变器、转向架等与地铁车辆相同或类似，因此，双能源电力工程车的维护工艺检修技术平台、维护工人、操作司机及备件储备等都与地铁车辆相同，大大降低了工程车的维保成本和难度。而内燃工程车以柴油机为动力，与城市轨道交通系统中的其它车辆存在较大的差异，需另行配置检修设备与人员，且车辆段无架修及大修能力，需委外维修。
综上所述，尽管双能源电力工程车的初始采购成本较高，但在30年全寿命周期内，选用内燃工程车与双能源电力工程车的购置费用相当。综合起来看，双能源电力工程车在改善作业环境、能耗、牵引能力、后期维护成本以及其它综合社会效益等方面明显占优。
4 结语
不论是从现实的综合效益，还是从对城市轨道交通系统今后发展的推动作用来看，双能源电力工程车都是一种很有前途的理想的牵引装备，具有很大的市场潜力。目前，国内地铁仍普遍采用高耗能、高污染的内燃型工程车，这与我国先进的城市轨道交通车辆装备技术形成巨大反差。因此，如何逐步推动绿色、低碳、节能的双能源电力工程车深度融入城市轨道交通系统，成为当前亟待解决的问题。
从技术角度讲，双能源电力工程车与地铁车辆的技术是相通的，地铁车辆的快速发展为双能源电力工程车的发展奠定了坚实的技术基础，再借鉴深圳地铁等现有电力工程车的成功运用经验，构建我国双能源电力工程车技术体系的条件已经具备。当然，双能源电力工程车与城市轨道交通系统中其它车辆和设备的整合需要一个过程，其在城市轨道交通领域内取代内燃工程车将是一个渐进的过程。对于初次接触该产品的城市轨道交通用户，建议采用电力和内燃型工程车搭配使用的模式，待双能源电力工程车运用成熟并对其充分了解后，再逐步在以后的项目中淘汰内燃工程车。就目前而言，在功能定位及配置数量上，暂以替代内燃调车机车或轨道车为益。
目前，国内双能源电力工程车还处于市场培育期，单个项目采购的数量偏少，且用户相对分散;但随着其关键部件配套水平的提升及成本的进一步降低，双能源电力工程车在国内势必具有广阔的产业化前景。这也将有效拉动我国该领域高能蓄电池、牵引传动、网络控制的同步发展，推动我国轨道交通装备的科技进步。
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