氢能源有轨电车新制式工程项目技术经济性研究

高 华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

氢能源是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一[1-3]。

我国研制了世界上首列氢能源有轨电车,并在佛山建设了首个氢能源轨道交通项目。制式选择与线路方案设计是轨道交通建设中影响全局的重大决策,对工程建设、运营以及沿线的环境产生长久而深远的影响,一旦决策失误,将造成巨大损失,且后期难以消除[4-5]。工程技术经济数据与经验是进行轨道交通制式选择的重要参考,也是线路设计时对方案进行评价的必备指标[6]。但由于氢能源属于一种全新的轨道交通制式,相关研究成果总体较少,而且大部分都集中在氢能源车辆、加氢、储氢等技术领域[7-10],对于控制整个工程项目的技术经济性研究却鲜有公开报道。这些数据和经验的缺乏给轨道交通制式选择与线路方案比选等重大决策带来极大困难[11-13]。

因此本文依托佛山南海区氢能源有轨电车里水段工程项目,对接触网、超级电容、氢能源3种制式条件下的工程项目技术经济性开展了系统、深入的量化分析对比研究,包括车辆限界、土建工程、机电设备、车辆基地、运营成本等方面。为轨道交通制式的比选提供量化的科学决策依据,为氢能源有轨电车的线路方案设计与评价提供重要的技术经济指标。

佛山市南海区有轨电车里水示范段工程项目中采用氢能源有轨电车,充分响应国家能源发展战略,南海区部分氢能技术已接近国际先进水平,但整体核心技术与国外先进水平依然有差距。本文介绍了氢燃料有轨电车在南海区示范工程中的实际应用及关键技术的探索思考,对促进氢能源有轨电车技术的自主创新及成果转化,推动具有自主知识产权的关键核心技术产业化有积极的应用价值,对以后建立成套标准体系,科学、合理地制定车辆购置、降低氢气销售价格,进一步拓宽氢能应用场景,发展氢能市场亦将起到示范推动作用。

1 南海区有轨电车里水示范段工程

南海区有轨电车里水示范段工程项目起于里湖新城站,经环镇北路、草场工业大道、里广路,止于里横路站,线路全长9.834 km,全线共设车站13座,车辆基地1座。由于车辆采用氢能源,需对整车、供氢系统、燃料电池系统及电动驱动系统等环节的核心参数及技术指标体系进行研究,对车辆基地的土地开发和运营成本亦进行了研究。

2 应用比较分析

2.1 供电制式

目前国内有轨电车的供电制式主要有接触网、超级电容、氢能源等[14]。

接触网有轨电车技术成熟可靠,路权设置灵活,在国内天津、苏州、沈阳等城市得到应用。超级电容有轨电车兼有物理电容器和电池的特性,在车站及车辆基地设置充电装置,车辆利用停站时间充电,在国内广州、深圳、武汉、淮安等城市得到应用。氢能源有轨电车利用氢燃料电池将氢气和氧气的化学能直接转换成电能,完全取消受电弓和接触网,实现污染物“零排放”和全程“无网”运行。燃料电池通过化学反应将电能事先储存在动力电池中,由动力电池向电机发电。氢燃料电池只会产生水和热,燃料电池运行安静,噪声强度约为55 dB[15-18]。氢燃料电池目前在中车青岛四方和中车唐客生产的有轨电车中得到应用,已在佛山市高明区现代有轨电车示范线运营。国内有轨电车供电制式情况如表1所示。

表1 国内有轨电车供电制式情况

2.2 系统方案

2.2.1 车辆及限界

根据目前国内主要车辆厂商资料,各种供电制式有轨电车车辆尺寸及载客量分别见表2～表4,车辆限界见表5。

表3 接触网车辆尺寸及载客量

表4 超级电容车辆尺寸及载客量

表5 各种供电制式有轨电车车辆限界

2.2.2 土建工程

(1)车站

对于地面站,采用氢能源供电时,轨顶面以上建筑限界高度为4 200 mm;当采用接触网供电时,轨顶面以上建筑限界高度为4 600 mm;当采用超级电容供电时,轨顶面以上建筑限界高度为4 500 mm。

(2)路基

南海区有轨电车里水示范段工程路基采用接触网供电时,地面区间直线段最小线间距为4.1 m,较氢能源方式3.6 m增加了0.5 m,路基填料及地基处理范围均有增加。

(3)桥梁

氢能源有轨电车与超级电容、接触网有轨电车荷载基本一致,三种车辆对应的荷载、竖向限界对桥梁结构基本无影响。氢能源与超级电容有轨电车平面线间距相同,均为3.6 m,采用接触网供电时,高架区间直线段最小线间距为4.1 m,较氢能源及超级电容方式3.6 m增加了0.5 m。双线桥相应桥梁宽度增加0.5 m,单线桥宽度不变。图1为某大桥施工现场。

图1 里水有轨电车项目某大桥施工现场

(4)隧道

氢能源有轨电车与接触网、超级电容有轨电车的平面限界相同,但竖向限界氢能源有轨电车为4 200 mm,接触网及超级电容有轨电车为4 500 mm。

(5)轨道

采用接触网供电时,需要在道床里面设置一定的钢筋排流截面,且所有的道床缝两端均需要设置防杂散电流连接端子;可以减少加氢线轨道的布置数量,采用超级电容供电时,轨道的道床方案与氢能源方式相比没有差异,但同样可以减少加氢线轨道的布置数量。

2.2.3 机电设备

(1)牵引供电系统

如采用接触网供电,推荐采用DC750V架空接触网进行供电,全线设置牵引变电所6座,其中1座为车辆段专用,正线2座牵引变电所兼做开闭所。如采用超级电容,可利用车辆的停站时间进行快速充电,一般采用每个车站都设置充电站或者隔站设置充电站的方式。如采用氢能源,不需牵引供电。

(2)信号系统

采用氢能源供电时,信号中心调度管理子系统可采集加氢站中央监控和数据采集系统实时数据,实现对加氢站运行状态及参数的安全监控。采用接触网或超级电容时,则无需设置加氢站,无需采集加氢站及氢能源有轨电车实时数据及监控。

(3)火灾自动报警系统

采用接触网供电时,火灾自动报警系统与车辆供电制式无关,但在车辆段的联合车库由于有接触网的存在,在消防联动过程中需先把接触网供电断开方可实施自动喷水灭火救援。采用超级电容供电时,火灾自动报警系统与车辆供电制式无关,按规范设置火灾地洞报警系统即可。采用氢能源制式供电时,火灾自动报警系统需考虑列车存放及在隧道段行驶时氢气外漏的情况,需增加可燃气体探测系统(氢气浓度探测)。

(4)给排水及消防

采用接触网供电时,地下车站及区间设置消防水池并设置消防泵进行加压,车辆基地主要设置室外消火栓系统、室内消火栓系统和灭火器等。采用超级电容供电时,方案与接触网制式一致。采用氢能源制式时,地下车站及区间设置消防水池并设置消防泵进行加压。水消防火灾持续时间按3 h考虑。对于地下站及地下区间,接触网、超级电容制式的给排水及消防方案均没有区别。由于氢能源制式的水消防火灾持续时间按3 h考虑,相对于接触网、超级电容制式火灾持续时间2 h而言,需设置更大容积的消防水池。

(5)通风与空调

采用氢能源制式时,地下车站采用大开口满足自然通风,地下区间尽量采用大开口+封闭段设置射流风机结合的方式,联合车库顶部做自然通风器并设置事故通风机。采用接触网供电时,地下车站采用较小的开口满足自然通风,地下区间可完全封闭采用射流风机通风,联合车库主要采取自然通风,无需事故通风。采用超级电容供电时,地下车站及地下区间同接触网有轨电车,联合车库自然通风并设置事故排风系统。

2.2.4 车辆基地

(1)站场

采用接触网或超级电容供电时,不需设置加氢站或加氢线,相应用地面积、股道长度、道岔数量、水沟长度等均可以减小。氢能源有轨电车与接触网、超级电容有轨电车相比,车辆段站场征地面积增加约3 667 m2。车辆基地站场平面布置如图2所示。

图2 里水有轨电车项目车辆段平面

(2) 建筑

3种制式在车辆段建筑上,主要区别在于联合车库这一单体。首先在建筑平面布局上,3种制式在库房内线间距一致,没有区别;在建筑高度上,接触网制式需要在库房内安装接触网,超级电容制式需要在车辆顶部安装充电轨,因此,接触网和超级电容的库房建筑高度要比氢能源制式的高2 m左右;在防火构造措施上,采用氢能源制式的库房,其钢梁防火需采用厚涂型钢防火涂料,同时联合车库四周墙体由砖墙改为双层压型钢板保温墙,环氧自流平地面改为不发火环氧砂浆地面。图3为综合楼施工现场。

图3 里水有轨电车项目车辆段综合楼施工现场

2.3 运营成本

2.3.1 投资分析

里水有轨电车初期上线列车12列,全天开行108对车次,运营线路长度为9.7 km,全天行驶里程约2 250列·km。

在目前条件下,采用氢能源有轨电车运营的能源成本比接触网有轨电车增加约895万/年,比超级电容有轨电车增加约811万元/年。

由于车辆供电方式、限界不同,南海区有轨电车里水示范段工程项目采用氢能源有轨电车时,与接触网有轨电车相比,工程费增加6 138.1万元,征地费用增加约1 274.2万元;与超级电容有轨电车相比,工程费增加7 981.5万元,征地费用增加约1 594.7万元[19-21]。

本项目涉及氢气概算1.41亿元,技术经济指标为0.14亿元/正线公里。目前南海区氢能源的价格是55元/kg,根据南府办[2020]3号文《佛山市南海区促进加氢站建设运营及氢能源车辆运行扶持办法(修订)的通知》和南府办函[2022]47号文《佛山市南海区推进氢能产业发展三年行动计划(2022—2025年)》文件,氢气销售价格将持续下降至35元/kg及以下[22-25]。

2.3.2 电堆成本

采用氢能源供电时,目前国内氢能源电堆使用寿命最高为20 000 h(折合3年),按初期12列车计,氢能源电堆的维修维护成本约480万元/年。采用接触网供电时,无电堆维修维护费用。采用超级电容供电时,超级电容寿命为10年,更换超级电容电池的费用约190万元,折算费用约19万元/年,按初期12列车计,超级电容维修电池的维护成本约228万元/年。在电堆方面,氢能源有轨电车比接触网有轨电车维修维护成本增加约480万元/年,比超级电容有轨电车维修维护成本增加约252万元/年。

3 结语

本文以佛山南海区有轨电车里水示范段工程项目为依托,通过氢能源有轨电车在路基、桥梁、牵引供电等设计方面的研究创新,挖掘了氢能产业和轨道交通产业的优势,对于培育地方经济发展新的增长极,有效提升氢能产业的知名度和影响力起到了推动示范作用。本项目氢能源价格的确定,对实现轨道交通领域的“去碳化”,引领国内有轨电车走向“绿色交通,低碳发展”的道路有一定的指导作用。