油电混用客运机车运用模式研究

戎亚萍，苏 圣，张 青，李卫华，郭一唯，袁午阳

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081；2.中国铁路沈阳局集团 有限公司 机务部，辽宁 沈阳 110000；3. 中国铁路兰州局集团有限公司 嘉峪关机务段， 甘肃 兰州 250001；4.中国铁路沈阳局集团有限公司 运输部，辽宁 沈阳 110000）

随着我国铁路大规模高质量发展，电气化线路在路网中的比例逐渐升高，但仍存在着部分非电气化铁路。截至2020年底，全国铁路营业里程达到14.63万km，其中非电气化线路占比27.2%[1]。目前在电气化和非电气化混合交路内的担当机车，需要进行机车换挂作业，造成列车停站时间过长、车站作业组织效率较低等问题，不停车、不换头、跨线运行成为新的牵引需求。油电混用机车内燃/电力牵引模式可便捷转换，实现“宜电则电，宜内则内”，对于提高运输组织效率、提升旅客服务水平、增强战备及应急保障能力等具有重要现实意义。目前，国内适用于干线运输的油电混用机车已处于研制阶段。因此，有必要围绕油电混用机车运用需求和运用模式开展研究，在分析国内外混合动力机车运用现状，探析其运用需求的基础上，提出油电混用机车运用模式，为油电混用机车的研制、设计及推广应用提供决策支撑。

1 国内外混合动力技术发展现状

1.1 国外混合动力列车运用现状

混合动力机车或动车组是指机车或动车组上设置2种或2种以上不同类型的动力源，列车的运行动力依据运行区段特性由单个或多个动力源共同提供[2]。常用的混合动力源主要包括内燃机+接触网、内燃机+蓄电池、接触网+蓄电池、内燃机+燃料电池、燃料电池+蓄电池，由于蓄电池、燃料电池存在容量有限、技术水平要求较高的特点，内燃机+接触网型混合动力机车较为适应在电气化和非电气化混合线路上进行长距离旅客运输。

国外对混合动力技术研发较早，法国、德国、加拿大、瑞士等国家已逐步推广运用混合动力机车，其中柴油机+动力电池型混合动力机车主要承担短距离调车任务，干线机车主要采用柴油机+接触网型混合动力源。法国Alstom公司研发的Prima H4型油电混用调车机车配置“柴油机+锂电池”“接触网+柴油机”“接触网+锂电池”等3种混合动力源模式，最高运行速度为120 km/h，与传统调车机车相比，能减少15%的燃油消耗[3]。德国研发的油电混用机车以DE60C型、DE75BB型、HELMS型调车机车为主，动力源为柴油机和锂电池，最高运行速度为100 km/h，其中HELMS型混合动力调车机车采用的超级锂电池具有超快速充电和超长寿命的特点。加拿大研发的Green Goat混合动力调车机车采用铅酸蓄电池和柴油机混合供电模式，与传统内燃调车机相比，可节约油耗40% ～ 60%，碳氧化物排放量减少约80%[4]。瑞士研发的Euro Dual型柴油机+接触网双动力源干线机车，最高运营速度达120 km/h，油箱容量3 500 L， 该型机车已出口至南非和我国台湾省[5]。2002年日本率先研制了柴油机+蓄电池型混合动力动车组，2007年和2010年相继投入使用KiHa E200和HB—E300型混合动力观光动车组，运行结果表明新型动车组可减少NOX排放达60%，节省燃油10% ～ 20%。国外运用的油电混用机车情况如表1所示。

表1 国外油电混用机车运用现状Tab.1 Application of hybrid diesel-electric locomotives abroad

1.2 国内混合动力机车/动车组运用现状

我国对混合动力技术的研发和应用尚处于起步阶段，2010年11月中车资阳机车有限公司成功下线国内首台CKD6E5000型混合动力调车机车，该机车采用柴油机+磷酸铁锂蓄电池作为混合动力源，可节省30% ～ 50%的燃油，并降低30% ～ 50%的废气排放[6]。2015年5月该公司研制的HXN6型混合动力调车机车是世界上功率最大、牵引动力最强的油电混合动力机车，可提供动力蓄电池组、柴油发电机组单独或二者共同驱动3种工况。目前机车已经完成了寒冷地区和高温地区运用考核试验，在同等作业条件下，HXN6型机车较DF7G型机车节约燃油28%以上，较DF4C型机车节约燃油40%以上[7]。同时，该型机车还具备启动加速快、运行中制动能力强、噪音和环境污染小等性能优势。2017年9月我国首列混合动力动车组CJ5型完成上线试验，列车可提供接触网+蓄电池、接触网+内燃机+蓄电池、内燃机+蓄电池等不同动力组合，最高运行速度为160 km/h。2021年6月我国自主创新研制的高原型内电双源动车组已成功用于拉林铁路，内燃、电力动力车分别设置在动车组两端，满足高原低气压、高耐候性、连续长大隧道的环境运用条件[8]。

从国内外混合动力技术和应用情况来看，双动力源机车和动车组通常都是在成熟电力机车或动车组的基础上集成柴油机组，油箱容积大多为4 000 L 以内，主要应用于调车任务和短距离干线旅客运输，我国正在研制适用于牵引长距离普速旅客列车的混合动力机车，在六轴电力机车平台上进行柴油机的集成。

2 油电混用机车运用需求分析

油电混用机车具有便捷转换动力源、降低能源消耗以及噪声污染等特点，有利于列车在内燃区段和电气化区段的跨线衔接，在提高运输组织效率、提升旅客服务水平以及降低运营成本等方面具有优势。根据油电混用机车的运用优势，从满足内电跨线运行、旅客乘车舒适性、应急救援需求3个方面分析油电混用机车运用需求。

2.1 内电跨线运行需求

在内燃区段和电气化区段跨线运行的列车，由于油电机车换挂在站内作业时间较长，影响车站接发车能力。运行图技术资料规定非直供电旅客列车换挂作业时间为11 min，直供电旅客列车换挂作业时间为15 min。通过写实发现，因为各站咽喉区长度、作业繁忙程度、交叉进路、机待线位置等多因素影响，在规定的标准时间内很难完成机车换挂作业，实际作业时间一般为15 ～ 18 min。以中国铁路沈阳局集团有限公司（以下简称“沈阳局集团公司”）为例，营业里程22 281 km，电气化率65%，局管内存在大量电气化和非电气化混合的交路，沈阳局集团公司部分旅客列车换挂情况如表2所示。

表2 沈阳局集团公司部分旅客列车换挂情况Tab.2 Replacing operation of some passenger trains from Shenyang Group

以K430次（通化—北京）在沈阳北站内燃机车换挂电力机车为例，说明机车换挂对车站通过能力的影响。沈阳北站为沈阳局集团公司管内日均办理旅客列车数量最多的车站，按2021年3季度运行图计，沈阳北站普速场共开行旅客列车86对/d，到发线平均办理旅客列车数为10.7对/d。K430次机车换挂作业时间为18 min，摘头机车转线、入段、挂头机车入线均占用咽喉进路和到发线，导致沈大线（沈阳—大连）上、下行线，沈大高速铁路（沈阳北—大连北）下行线，京哈线（北京—哈尔滨）上、下行线接发车进路均不能开放，影响第14至16道接发上述方向列车。油电混用机车不需机车换挂即可便捷转换动力源，满足电气化和非电气化铁路跨线衔接需求，减少因机车换挂作业额外占用咽喉和到发线的时间，有利于提高车站通过能力。

2.2 旅客乘车舒适性需求

直供电旅客列车在途中进行机车换挂时，主要依靠车载蓄电池供电，车厢内的工作用电和生活用电均需减载运行，仅维持照明、电热开水器等基本设备，空调设备停止运转，尤其夏季车厢内升温明显，旅客乘车舒适性不佳；非直供电旅客列车在途中机车换挂和正常运行时（包括电气化区段和内燃区段），均依靠加挂的发电车提供电力来源，发电车不仅占用列车编组，而且需要专人管理。新型油电混用客运机车在内燃模式和电力模式下，列车供电功率分别为895 kW和800 kW，无需加挂发电车即可保证车厢内各种设备的正常运转，不仅可增加列车编组，降低运营成本，还可提高旅客乘车舒适性。

2.3 应急救援需求

由电力机车牵引的普速列车在电气化区段运行时，车内各种设备用电均直接从接触网上取电，由于接触网具有露天设置、机电合一、没有备用、动态工作等特殊性，因而一旦接触网发生故障将会直接影响牵引供电系统的正常运行，严重时还会中断电气化铁路的行车功能[9]。油电混用机车采用内燃和电力2种动力源，可实现电气化线路故障时自救，保证了列车的正常运行。同时，当线路上的其他列车发生故障时，油电混用机车可充当救援列车，有利于提高铁路应急救援能力。

3 油电混用机车运用模式

油电混用机车作为新型机车，与传统单一动力源的内燃机车或电力机车的运用模式有较大区别，需从编组辆数、运用场景、修程修制等方面提出油电混用机车运用模式。

3.1 编组辆数

普速旅客列车由机车和车辆组成，机车编挂客车辆数受站台长度和到发线有效长度限制。考虑停车附加距离要求，客货共线铁路旅客列车到发线有效长组成如图1所示。目前，我国正在研制的油电混用机车是在六轴电力机车平台上进行柴油机的集成，机车长度为23 m。普速列车通常采用25K或25T型客车底，停车附加距离按30 m计，不同条件下油电混用机车编挂客车辆数适用的到发线有效长如表3所示。

《铁路工程设计技术手册—站场及枢纽》规定，旅客列车到发线有效长度一般为650 m或550 m， 站台长度通常按550 m设置，特别困难条件下可采用400 m[10]。由表3可知，站台长度按550 m计，当到发线有效长为650 m时，油电混用机车采用单机牵引模式或双机牵引模式可编挂16 ～ 19节25T型或25K客车底；当到发线有效长为550 m时，单机牵引模式下油电混用机车采用25T型和25K型客车底时，列车编组分别可达18辆和17辆，双机牵引模式下采用25T型和25K型客车底时，列车编组分别可达17辆和16辆。

表3 不同条件下油电混用机车编挂客车辆数适用的 到发线有效长Tab.3 Suitable arrival-departure track length for passenger train numbers coupled with hybrid diesel-electric locomotives under different conditions

3.2 运用场景

油电混用机车运用场景主要有3种形式：电主内辅、内主电辅、内电相当。电主内辅是指列车运行径路上电气化区段里程占比较大，内燃区段里程占比较小；内主电辅是指列车运行径路上内燃区段里程占比较大，电气化区段里程占比较小；内电相当是指列车运行径路上电气化区段和内燃区段里程基本相当。

研究表明，影响列车牵引能耗的列车属性主要包括列车质量、单位基本阻力和牵引电机效率，这三者中以列车质量对牵引能耗的影响最大[11]。油电混用机车由于同时搭载了2套动力设备，如自重较大的内燃机引擎、燃油以及电动机，导致机车自重较大，油电混用机车牵引模式会增加列车牵引能耗。因此，为分析油电混用机车适用场景，采用列车牵引计算与能耗测算系统，在电气化区段和内燃区段不同长度比例下，均采用16节编组25T客车底，对比分析油电混用机车牵引模式与传统机车换挂模式下的列车总能耗。为消除电力模式和内燃模式能耗度量单位对结果的影响，采用归一法对数据进行标准化处理，1 kW·h能耗按1元计，1 L燃油按10元计，油电混用机车模式与传统机车换挂模式下牵引能耗对比如表4所示。

由表4可知，在电主内辅场景中，当电气化区段与内燃区段比例由5 : 1下降至2 : 1的过程中，油电混用机车模式与传统机车换挂模式的列车全程总能耗最大差值仅为0.357%；在内电相当场景中，即电气化区段与内燃区段比例为1 : 1时，列车全程总能耗最大差值为0.221%；在内主电辅场景中，当内燃区段与电气化区段比例由5 : 1下降至2 : 1的过程中，列车全程总能耗差值均不高于0.1%。这说明油电混用机车因机车自重增加带来的牵引能耗增加值可以忽略，油电混用机车适用于电主内辅、内主电辅、油内相当3种场景，但需根据油电混用机车油箱容积和列车能耗曲线综合确定内燃牵引的区段长度。

表4 油电混用机车模式与传统机车换挂模式下牵引能耗对比Tab.4 Comparison of traction energy between hybrid locomotive mode and traditional locomotive replacing mode

3.3 修程修制

科学合理的修程修制是机车安全可靠、正常运行的基本保障。目前电力机车和内燃机车采用不同的修程修制，内燃机车检修周期低于电力机车，电力机车和内燃机车检修规程如表5所示[12]。油电混用机车在原有柴油机发电机组的基础上，增加接触网受电的电力牵引装置，建议以柴油机组的工作时间或运行距离作为油电混用机车的检修周期，油电混用机车修程修制可参考内燃机车。

表5 电力机车和内燃机车检修规程Tab.5 Maintenance system for electric locomotives and diesel locomotives

4 结束语

与传统的单一动力源机车相比，油电混用客运机车无需机车换挂即可实现内燃/电力牵引模式的便捷转换，具有提高车站运输组织效率和旅客服务水平的优势，运用前景广阔。结合油电混用客运机车的运用优势和运输需求，科学合理地确定油电混用机车适用的到发线长度、线路情况以及修程修制，提出油电混用客运机车运用模式，为新型机车的研发提供理论依据。未来还需进一步深入分析油电混用客运机车经济效益，为其推广应用提供决策支撑。