國內地鐵雙能源電力工程車的應用現狀及前景

王麗紅 張?zhí)焱?/p>

(鄭州鐵路職業(yè)技術學院車輛工程學院，450052，鄭州∥第一作者，講師)

地鐵工程車作為車輛段的主要設備，在段內調車、牽引運輸、線路維護、救援牽引、設備集成等方面發(fā)揮著重要作用。目前，國內各地鐵公司主要采用以柴油機為牽引動力的內燃工程車。然而，隨著軌道交通行業(yè)的技術進步，雙能源電力工程車作為地鐵工程車系列的一個新品種，因其低噪聲和零排放等內燃工程車無可比擬的優(yōu)點，正穩(wěn)步向產業(yè)化方向發(fā)展，為用戶提供了新的選擇。

1 雙能源電力工程車的技術特性

雙能源電力工程車是一種軸式為B0-B0，采用直－交傳動、異步牽引電機、微機控制等技術的雙電源供電工程車，既可采用DC 1 500 V接觸網供電，亦可采用DC 800 V蓄電池供電。機車的設計壽命為30年，具有重聯功能，最多可4臺機車重聯運行;控制電源為DC 110 V，制動機采用電控空氣制動機，基礎制動采用獨立單側單缸制動器。

1.1 主要技術性能和參數

車體形式:單司機室，雙側外走廊;

最高運行速度:接觸網(三軌)供電時為65 km/h，蓄電池供電時為40 km/h;

最大牽引力:100 kN;

輪周功率:接觸網(三軌)供電時為400 kW，蓄電池供電時為300 kW;

傳動方式:直－交;

蓄電池容量:400 Ah;

受流方式:接觸網DC 1 500 V，蓄電池DC 800 V;

充電方式:外部或庫內;

軌距:1 435 mm;

軸重:12.5 t;

車鉤類型:密接式車鉤;

車鉤中心線距離:15 460 mm;車體寬度:2 780 mm;

車頂距軌面高:3 587 mm;轉向架中心距:8 160 mm;轉向架軸距:2 200 mm。

1.2 牽引及制動特性

雙能源電力工程車的牽引特性如圖1所示，電制動特性如圖2所示。

1.3 牽引續(xù)航時間

400 kW、400 Ah雙能源電力工程車的牽引續(xù)航時間如圖3、圖4所示。

圖1 電力工程車牽引特性曲線

圖2 電力工程車電制動特性曲線

圖3 60 t負載條件下，不同坡度時的速度－持續(xù)時間關系曲線

圖4 220 t(6輛A型車)負載條件下，不同坡度時的速度－持續(xù)時間關系曲線

2 國內典型的雙能源電力工程車

2.1 出口新加坡的雙能源電力工程車

2009年6月，新加坡陸路交通管理局從中國南車株洲電力機車有限公司(簡為“株機公司”)采購了14臺雙能源電力工程車。到目前為止，該批工程車性能穩(wěn)定，使用業(yè)績良好。

2.1.1 基本技術參數

最高運營速度:65 km/h(DC 750 V第三軌供電)，40 km/h(DC 686 V牽引蓄電池供電);

機車功率(小時制):400 kW(DC 750 V第三軌供電)，320 kW(DC 686 V牽引蓄電池供電);

軸式:B0-B0;軸重:12.5 t;機車電制動方式:再生電阻制動。

2.1.2 牽引性能

該批雙能源電力工程車的牽引性能如表1所示。

表1 株機公司出口新加坡的雙能源電力工程車牽引性能

2.2 深圳地鐵2號線雙能源電力工程維護車

株機公司為深圳地鐵2號線(蛇口線)首期工程提供的新型雙能源電力工程維護車屬國內首創(chuàng)，適用范圍廣，可用作調車、工程施工運輸、救援牽引，還可用于集成軌道檢測、限界檢測，以及接觸網、接觸軌檢測等。其基本技術參數為:

最高運營速度:80 km/h(DC 1 500 V接觸網供電)，40 km/h(DC 750 V牽引蓄電池供電);

機車功率(小時制):300 kW(DC 1 500 V接觸網供電)，240 kW(DC 750 V牽引蓄電池供電);

起動牽引力:62 kN;

電制動力:40 kN;

軸式:B0-B0;

機車電制動方式:再生電阻制動。

3 地鐵雙能源電力工程車的優(yōu)勢

從牽引動力來講，現階段的工程車主要有內燃型和電力型兩類。本文從環(huán)保及噪聲、控制精度、能耗、牽引能力、經濟成本等方面進行對比分析。

3.1 環(huán)保及噪聲

內燃工程車采用柴油機為牽引動力，二氧化碳排放量大，產生的煙塵對隧道造成污染，也會影響到隧道內電氣設備的性能。雙能源電力工程車采用環(huán)保清潔的電力能源，作業(yè)時不產生廢氣，能避免煙塵和廢氣對城市空氣的污染，從而改善員工的工作環(huán)境及城市居民的生活環(huán)境。據專家分析，將內燃型工程車改為雙能源型，每臺使用30年可直接減少二氧化碳排放2 000余t。我國地鐵工程維護車既有容量達數百臺，如果將其全部改成雙能源型，1年可直接減少二氧化碳排放數萬噸。

雙能源電力工程車由于采用交流電傳動技術，噪聲低。兩種類型工程車噪聲對比見表2。

表2 雙能源電力工程車與內燃工程車的噪聲對比dB

3.2 控制精度

雙能源電力工程車具有低恒速控制功能，可以達到1.5 km/h的低恒速，且控制精度高;內燃工程車的低恒速控制則是5 km/h。相比內燃工程車，電力工程車速度低而恒定的牽引性能能較好地滿足施工工藝和安全要求。

3.3 能耗

能源利用率是反映能耗的一個重要參數。內燃工程車的能源利用率為35%。雙能源電力工程車采用電力直接變換，能源利用率可達85%;且相對于日益增長的柴油價格，電能的來源多樣且廉價。雙能源電力工程車與內燃工程車的能耗對比見圖5。

圖5 雙能源電力工程車與內燃工程車的能耗對比

3.4 牽引能力

400 kW雙能源電力工程車與447 kW(600 hp)內燃工程車在不同速度、不同坡度時的牽引噸位比較如表3所示。可以看出，在實際應用工況下，雙能源電力工程車的牽引能力優(yōu)于內燃工程車。

3.5 經濟成本

(1)采購成本。傳統(tǒng)的內燃工程車工藝和部件相對簡單，造價較低，因而采購成本低。雙能源電力工程車的構成與地鐵車輛動車基本相同，購置成本較高。例如，447 kW(600 hp)內燃調機一般在350萬左右，336 kW(450 hp)內燃軌道車一般在240萬左右，若采用雙能源電力工程車，400 kW 調機與300 kW軌道車的采購成本大約在700萬元與600萬元，在購置成本上高出內燃調車機車1倍左右。然而，雙能源電力工程車的設計壽命為30年，內燃工程車的設計壽命為15年，因此，在30年全壽命周期內，選用內燃工程車與雙能源電力工程車的購置費用相當。

(2)能源成本。地鐵工程車的使用頻率大約為每年200 d，每天約4 h。內燃工程車以柴油為能源，柴油價格按6.5元/kg計算。一臺功率為447 kW的內燃工程車，耗油量為0.21 kg/(kW·h)，滿功率工況每年消耗的能源費用為48.8萬元。除此之外，內燃工程車需要加油，需建設油庫或采購加油車，或委托加油站為其加油，因此都要考慮燃料補給帶來的附加成本。雙能源電力工程車以電力為能源，電費以0.8元/(kW·h)計算。一臺400 kW的雙能源電力工程車滿功率工況每年消耗的能源費用為25.6萬元。因此，雙能源電力工程車每年可比內燃工程車節(jié)約能源費用23.2萬元，30年累計節(jié)省能源費用696萬元。

(3)維護成本。雙能源電力工程車與地鐵車輛屬同一技術體系，其絕大部分部件如牽引逆變器、轉向架等與地鐵車輛相同或類似，因此，雙能源電力工程車的維護工藝檢修技術平臺、維護工人、操作司機及備件儲備等都與地鐵車輛相同，大大降低了工程車的維保成本和難度。而內燃工程車以柴油機為動力，與城市軌道交通系統(tǒng)中的其它車輛存在較大的差異，需另行配置檢修設備與人員，且車輛段無架修及大修能力，需委外維修。

綜上所述，盡管雙能源電力工程車的初始采購成本較高，但在30年全壽命周期內，選用內燃工程車與雙能源電力工程車的購置費用相當。綜合起來看，雙能源電力工程車在改善作業(yè)環(huán)境、能耗、牽引能力、后期維護成本以及其它綜合社會效益等方面明顯占優(yōu)。

4 結語

不論是從現實的綜合效益，還是從對城市軌道交通系統(tǒng)今后發(fā)展的推動作用來看，雙能源電力工程車都是一種很有前途的理想的牽引裝備，具有很大的市場潛力。目前，國內地鐵仍普遍采用高耗能、高污染的內燃型工程車，這與我國先進的城市軌道交通車輛裝備技術形成巨大反差。因此，如何逐步推動綠色、低碳、節(jié)能的雙能源電力工程車深度融入城市軌道交通系統(tǒng)，成為當前亟待解決的問題。

從技術角度講，雙能源電力工程車與地鐵車輛的技術是相通的，地鐵車輛的快速發(fā)展為雙能源電力工程車的發(fā)展奠定了堅實的技術基礎，再借鑒深圳地鐵等現有電力工程車的成功運用經驗，構建我國雙能源電力工程車技術體系的條件已經具備。當然，雙能源電力工程車與城市軌道交通系統(tǒng)中其它車輛和設備的整合需要一個過程，其在城市軌道交通領域內取代內燃工程車將是一個漸進的過程。對于初次接觸該產品的城市軌道交通用戶，建議采用電力和內燃型工程車搭配使用的模式，待雙能源電力工程車運用成熟并對其充分了解后，再逐步在以后的項目中淘汰內燃工程車。就目前而言，在功能定位及配置數量上，暫以替代內燃調車機車或軌道車為益。

目前，國內雙能源電力工程車還處于市場培育期，單個項目采購的數量偏少，且用戶相對分散;但隨著其關鍵部件配套水平的提升及成本的進一步降低，雙能源電力工程車在國內勢必具有廣闊的產業(yè)化前景。這也將有效拉動我國該領域高能蓄電池、牽引傳動、網絡控制的同步發(fā)展，推動我國軌道交通裝備的科技進步。

［1］楊志華，陳成，毛如香.地鐵工程維護車的新發(fā)展［J］.電力機車與城軌車輛，2010(4):1.

［2］胡鵬，楊海通，曾其威.城市軌道交通工程車選型分析［J］.電力機車與城軌車輛，2012(2):75.

［3］樊運新，葉彪.國產DWA型地鐵工程維護車［J］.電力機車與城軌車輛，2000(4):32.

［4］王偉.地鐵工程機車選型應考慮的若干問題［J］.內燃機車，2001(11):14.

［5］王灝.城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展思考［J］.宏觀經濟研究，2009(3):36.

［6］付蓉，吳偉巍.地鐵維護工作安全風險研究現狀及發(fā)展［J］.都市快軌交通，2009(6):18.