氢能源有轨电车车辆段工艺设计探讨

姚应峰

摘 要：氢能源有轨电车是采用氢燃料电池作为动力源的有轨电车车辆，是未来发展的趋势。首先，从供电制式、修程修制方面分析氢能源有轨电车的特点;然后，针对这些特点，分析氢能源有轨电车车辆段的功能、运用检修工艺流程;最后，研究车辆段主要生产设施如停车列检库、月检库、定临修库和加氢站的任务及工作范围与配置，为类似项目工艺设计提供参考。

关键词：城市轨道交通;氢能源有轨电车;车辆段;工艺设计;修程修制;加氢站

中图分类号：U279

1 概述

现代有轨电车是一种中低运量的轨道交通制式，具有转弯半径小、爬坡能力强、可与市政交通共享路权、车辆载客量大、节能环保等优势，近年来发展迅速。截至2019年6月，我国现代有轨电车已开通运营的线路长度为356.72km，正在建设的线路长度约380km，规划线路长度约700km。

氢能源电池技术的日益成熟，目前已在有轨电车领域得到了应用。如佛山市高明现代有轨电车试验线已建成，氢能源有轨电车车辆已接车调试，佛山市里水有轨电车示范线工程已立项。氢能源有轨电车是采用氢燃料电池作为动力源的有轨电车车辆，具备续航里程长、零排放、无污染、噪声低、全线无网等优势。

由于采用氢燃料电池系统，车辆段的工艺流程、维修设施设置、维修设备配置都与其他有轨电车项目有较大的不同，因此需要对车辆段工艺进行研究。

2 特点

2.1 供电制式

氢能源有轨电车采用氢动力系统与钛酸锂电池供电，氢动力系统主要包括燃料电池子系统、储氢子系统、冷却子系统、DC-DC电源装置、动力电池和燃料电池能量控制系统等。其中，储氢子系统为燃料电池供应氢气，包含氢气的加注、储存和供给。目前，氢能源有轨电车储氢系统配置6个储氢气瓶，额定工作压力为35MPa，额定充装体积为840L，加满后共储存氢气20kg，续航里程可达80～100km。

为防止储氢瓶氢气泄漏，储氢系统具备超温检测、超压检测、温度压力检测、限流保护、低压放空、泄漏检测、紧急关断、防碰撞、防火灾、防氢气聚集等安全措施。

2.2 修程修制

目前尚无氢能源有轨电车的修程修制，那么根据氢能源有轨电车车辆的维修手册，建议的修程及检修周期如表1所示。

3 功能

氢能源有轨电车车辆段是有轨电车车辆日常维护和保养的场所，主要承担有轨电车车辆各修程的维修任务，另外还负责车辆段及全线的物资供应、综合维修、事故救援，并包含培训中心、控制中心等机构。

氢能源有轨电车车辆由于需要加氢作业，因此需要设置加氢站。目前，加氢站的设置有2种方式：①设置在车辆段内，因此车辆段还应具备加氢功能;②利用社会化的加氢站（即加氢站不在车辆段内）。2种方式均需要在加氢站设置加氢股道。

4 工艺流程

氢能源有轨电车车辆在运行过程中，需要根据运行里程和时间补充氢气。按目前45 MPa加氢站，加满1列车（储氢瓶容量840 L）需要10～15 min，远远大于系统发车间隔3min。另外，虽然车辆动力系统采用钛酸锂电池作为辅助，可单独为列车提供牵引动力，维持列车运行至加氢站加氢，但是为了不影响第2天的正常运营，需要在当天列车退出运营回车辆段时，加满氢气后再入库停放。

车辆检修时，为保证检修作业安全，需要将储氢瓶的氢气用氮气置换，然后用公铁两用车牵引入库检修。

当加氢站设置在车辆段内时，车辆运用、检修作业流程如图1所示。

当加氢站设置在车辆段外时，车辆运用、检修作业流程如图2所示。

5 设备设施配置

氢能源有轨电车车辆段的主要设施包括生产设施、辅助生产设施和生活办公设施等。其中生产设施主要有停车列检库、月检库、定临修库、加砂库、洗车库、镟轮库、试车线、加氢站、综合维修、物资总库和辅跨车间等;辅助生产设施主要有牵引变电所、给水加压站、污水处理站和特种材料库;生活办公设施主要有综合办公楼、食堂和浴室等。由于生产设施的加砂、洗车、镟轮、试车线、综合维修、物资总库及辅助生产设施和生活办公设施与普通车辆段的差别不大，本文不再详细分析。大架修设施，除氢动力系统为特种装备须委外检修外，其他零部件检修设施与既有大架修设施相同。

5.1 停车列检库

5.1.1 任务及工作范围

（1）承担有轨电车车辆的停放、运用、整备作业。

（2）承担列车进、出库的技术交接、检查和测试工作。

（3）承担车辆段运用车辆司乘人员出、退勤技术交接工作。

（4）承担车辆段运用车辆的功能检查、技术检查和一般性临时故障的处理工作。

（5）承担车辆段运用车辆的内部清扫及定期消毒工作。

5.1.2 主要设备配置

（1）由于库内停放的都是充满氢气的有轨电车车辆，日检人员在进入库内作业前，需要进行静电消除，因此，在入库端需设置静电消除装置。

（2）为确保日检人员對车顶电气设备及氢动力系统的巡检，需要设置车顶作业平台及氢气检测仪。

（3）为防止一般人员上车顶，需要在平台上设置安全连锁系统。为方便工作人员上下列车，每列位首尾均设置固定式司机上车平台。

（4）检查坑内设带防爆功能的安全照明、安全电压照明插座及动力插座。

（5）库内设有线广播，以方便作业调度并利于列车出入库安全。库内适当位置设拖布池，以便于车内清扫及库内地面清洁作业。

5.2 月检库

5.2.1 任务及工作范围

月检库承担有轨电车车辆的双周、三月检工作。对车辆进行全面技术检查和必要的检测，主要对司机室电器、车载通信信号设备、转向架、控制系统、制动系统、辅助电源系统、牵引系统、客室设施、空调、氢动力系统进行全面检查、清洁，并对部分设备进行检测及更换易损件。

5.2.2 主要设备配置

月检库内每股道设置柱式检查坑，坑内设照明和动力插座，检修列位两侧设车顶作业平台。月检库内设有线广播，以方便作业调度并保证列车出入库安全。为便于技术检查、检测、部件的更换和运输，月检库内配置了静调电源柜、蓄电池叉车等设备。

5.3 定临修库

5.3.1 任务及工作范围

定临修库主要承担车辆的定修任务及临时故障处理工作。

5.3.2 检修内容及工艺流程

（1）定修作业。根据车辆定修规程对车辆进行全面技术检查，主要包括检查牵引及制动系统、氢动力系统、转向架及走行部分、车门及其控制系统、空调装置等。对需检修的部件进行拆卸更换，对蓄电池进行补液、充电或更换，对齿轮箱、轴箱进行检查、补油、测试。最后对车辆进行静、动态调试。

（2）临修作业。对车辆的临时故障进行检修，更换需检修的转向架及其他大型部件。

（3）主要工艺流程。列车清洗—氢气置换—列车送定修、临修库—系统测试—故障部件检修、更换—电池充电或更换—齿轮箱、轴箱补油—列车全面测试—单元车、整列车静调—出库—注入氢气—列车上试车线动调—交验—出库。

5.3.3 主要设备配备

定临修库内分别设10t、2t电动单梁桥式起重机各1台。临修库为了方便临修架车，设移动式架车机（ 架1列车）1套。定修线设置柱式检查坑，坑内设照明和动力插座，库内股道两侧设低地面，设计标高-1.2m，定修台位两侧设车顶作业平台。

5.4 加氢站

加氢站是为有轨电车提供氢气的重要设施。加氢站的选址、规模，以及加氢股道的设置数量直接影响运营的效率。

5.4.1 加氢站选址

目前，加氢站的设置有设置在车辆段内和单独选址（即车辆段外）2种方式。从加氢作业及有轨电车车辆运营管理的便利性出发，推荐将加氢站设置在车辆段内。但是，车辆段内设置加氢站，需要考虑加氢站与其他房屋的消防间距，用地需要考虑充足。

5.4.2 加氢站规模

根据GB 50516-2010《加氢站技术规范》，加氢站等级划分为3级，如表2所示。该规范规定城市建成区不应建设一级加氢站;个别城市还规定，一、二级加氢站均不应设置在城市建成区。

有轨电车加氢站设计，在前期阶段，每日用氢量可利用日车公里数进行估算;详细设计阶段，可利用全日行车运行图进行详细牵引计算。

5.4.3 加氢股道的设置

为确保有轨电车加氢，需要在加氢站内或附近设置加氢股道，由于车辆加氢口位于车顶，需要在加氢股道间设置加氢岛。加氢股道的设置，需根据行车间隔、加氢作业时间统筹考虑。

6 结束语

氫能源作为清洁能源是未来发展的一个趋势，而氢能源有轨电车是近年来的一个重大的技术创新，目前已在佛山高明得到应用。采用氢燃料电池作为牵引动力，有轨电车车辆需要设置储氢系统，这对有轨电车车辆段的工艺设计提出了更高的要求，如车辆段需要考虑加氢设施，工艺流程发生了较大的变化，设备配置需要考虑作业环境的安全性，等等。本文调研了国内氢能源有轨电车车辆的相关技术，分析了氢能源有轨电车车辆的特点，讨论了氢能源车辆段的功能、检修工艺流程和主要的设备设施配置，以供参考。

参考文献

[1]中国城市轨道交通协会. 2019年上半年中国内地城轨交通线路概况[J].城市轨道交通， 2019 （7）：48-51.

[2]张方强. 增程式电动汽车动力系统参数匹配与仿真优化研究[D].浙江杭州：浙江大学，2017.

[3]徐顺余，高海鸥，邱国茂，等.混合动力汽车车用镍氢动力电池分析[J].上海汽车，2006（2）：7-9.

[4]张弛. 新能源有轨电车储能系统的优化配置及控制[D].北京：北京交通大学，2018.

[5]张瀚舟. 上海市氢能发展总体技术路线选择[J].交通与运输，2019，35（4）：65-68.

[6]杨继斌，宋鹏云，张继业，等. 混合动力现代有轨电车仿真系统研究[J].机械工程学报， 2017，53（18）：161-168.

[7]孙效杰，陆正刚，张劲. 低地板有轨电车用盘式永磁电机直驱技术[J].同济大学学报（自然科学版），2014，42（8）：1245-1250.

[8]GB 50516-2010 加氢站技术规范[S]. 北京：中国计划出版社，2010.

[9]黎冬平. 有轨电车交通适应性研究[J].现代城市轨道交通，2019（12）：61-65.

[10]王莉，吴金贤. 全线无网有轨电车储能系统设计方案[J].中国新技术新产品，2019（8）：60-61.

[11]赵文风，梁永华. 深圳龙华储能式低地板有轨电车项目日常维保执行模式解析[J].技术与市场， 2018，25（10）：177-178.

[12]牛悦丞，李芾，杨阳，等. 国外新一代100%低地板有轨电车技术特征及发展趋势[J].铁道标准设计，2018，62（11）：144-149.

[13]首条氢能源现代有轨电车线落地佛山[J].驾驶园，2017（4）：7.

[14]梁建英，刘玉文，李克雷. 氢能在轨道交通领域的应用及前景[C]// 2017国际清洁能源论坛论文集. 澳门：国际清洁能源论坛（澳门），2018：276-293.

收稿日期 2019-11-02

责任编辑 党选丽