京滬高速動車組速度目標(biāo)值與列車能耗問題的研究及探討

黃　金， 劉詩佳

(1　中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

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京滬高速動車組速度目標(biāo)值與列車能耗問題的研究及探討

黃金1， 劉詩佳2

(1中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

動車組能耗水平是決定高速鐵路運營成本的關(guān)鍵因素，其大小取決于運營速度目標(biāo)值的選擇。依據(jù)新一代高速動車組京滬先導(dǎo)段的能耗測試結(jié)果，提出一種長距離多工況下列車牽引能耗估算方式。估算不同速度級直達(dá)開行方式下京滬全程高速列車的牽引能耗，比較不同速度級下總牽引能耗大小、牽引能耗組分、運行時間，以此作為選定京滬高速動車組速度目標(biāo)值的部分依據(jù)。能耗估算結(jié)果表明，京滬高鐵高速動車組一站直達(dá)開行方式選擇300 km/h作為速度目標(biāo)值相比其他速度級具有較優(yōu)的能耗水平和經(jīng)濟(jì)效益。

速度目標(biāo)值; 能耗試驗; 能耗估算

從旅客角度來說，旅行時間、舒適度、經(jīng)濟(jì)性是其選擇最終出行方式的重要標(biāo)準(zhǔn)。高速動車組具有運量大、速度快、準(zhǔn)時、污染小、能耗低等優(yōu)點，根據(jù)鐵道第三勘察設(shè)計院對京滬高速鐵路的運行率估算為0.32元/人公里(300 km/h目標(biāo)值)，遠(yuǎn)低于民航票價，并將京滬旅行時間縮短為4～5 h。高速鐵路能夠不斷發(fā)展并在與其他旅行方式競爭中顯示其優(yōu)越性，速度目標(biāo)值的選擇顯得尤為重要。

高速動車組作技術(shù)水平?jīng)Q定了速度目標(biāo)值的選擇，主要包括5個主要因素：牽引能力、制動性能、能耗、運行時分、環(huán)保要求。對于經(jīng)營者來說，動車組能耗對節(jié)能及保證運營經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要。兼顧速度目標(biāo)值和運營能耗，需要掌握區(qū)間內(nèi)運營動車組在不同速度級的能耗水平。以京滬高鐵先導(dǎo)段兩種國產(chǎn)新一代高速動車組牽引能耗水平為依托，從能耗的角度探討京滬高鐵速度目標(biāo)值的選擇。

1　新一代高速動車組牽引性能

高速動車組輪周牽引功率決定了列車加速性能及動車組加速過程中的能耗水平，對于同樣目標(biāo)速度等級及長距離運輸情況下，由牽引功率的不同引起的動車組加速能耗差異本文不做過多贅述，僅對兩種高速動車組牽引特性進(jìn)行描述。不同高速動車組阻力和輪周牽引功率有所差異，但不管哪種車型，列車輪周總功率均應(yīng)包括克服列車運行基本阻力所需的功率、坡道曲線附加阻力引起的功率損耗、剩余加速度所需的功率。京滬先導(dǎo)段試驗過程中采用兩種高速動車組：CRH380AL高速動車組、CRH380BL高速動車組，兩種高速動車組均為16輛編組，部分牽引參數(shù)見表1。

表1　新一代高速動車組牽引參數(shù)比較表

從表1中可以看出，兩種新一代高速動車組牽引功率均不小于設(shè)計值，對于350 km/h速度級下的任意目標(biāo)速度均滿足平直道剩余加速度不小于0.05 m/s2的要求。京滬先導(dǎo)段試驗過程中共對4個目標(biāo)速度級能耗進(jìn)行了考核：250，300，330，350 km/h，表2為不同目標(biāo)速度值下的兩種動車組牽引功率的要求。

由表2可見，對于CRH380AL動車組來說，250，300，330,350 km/h速度目標(biāo)值高速動車組牽引功率仍有較大裕量；CRH380BL動車組250，300,330 km/h速度目標(biāo)值高速動車組牽引功率有較大裕量。

表2　高速動車組阻力及最小牽引功率

2　新一代高速動車組牽引能耗

由于動車組在區(qū)間運行時，起點有加速過程，終點有減速過程，中間線路縱斷面變化較多，存在勢能的影響，某區(qū)段內(nèi)能耗不能反映動車組在特定速度點的能耗水平。從持續(xù)速度運行能耗的不同角度對京滬先導(dǎo)段CRH380AL、CRH380BL高速動車組能耗水平進(jìn)行了統(tǒng)計分析。持續(xù)速度運行能耗為動車組在較長區(qū)間內(nèi)以持續(xù)目標(biāo)速度運行時的牽引能耗(理論阻力能耗、附加能耗)。分析的目的是說明動車組在給定速度點運行時的能耗水平。圖1為持續(xù)速度運行能耗組成及計算方法示意圖，其中動車組持續(xù)速度運行時認(rèn)為動車組速度始終保持恒定，持續(xù)速度運行能耗不包括加速能耗。

圖1中各物理量分別為：Q耗為牽引能耗，kW·h;PL正為牽引工況網(wǎng)端功率，kW;Q阻力為理論阻力能耗，kW·h;W為動車組平直道惰行阻力,N;S為里程,m。

圖1　持續(xù)速度運行能耗組成及計算方法

2.1京滬先導(dǎo)段實測能耗數(shù)據(jù)

對新一代高速動車組京滬先導(dǎo)段綜合試驗期間能耗測試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果見表3。統(tǒng)計選取京滬先導(dǎo)段K730～K780間50 km長區(qū)段的實測能耗水平，該區(qū)間線路等效坡度約為0.042‰，最小曲線半徑9 000 m，可以忽略由于線路附加阻力引起的能耗，該區(qū)段內(nèi)高速動車組以目標(biāo)速度恒速運行。

表3　新一代高速動車組各速度級持續(xù)運行牽引能耗

從表3中看出，50 km區(qū)段內(nèi)由于司機(jī)操作方式不同以及牽引系統(tǒng)特性、效率差異，CRH380AL動車組與CRH380BL動車組能耗表現(xiàn)有所不同。CRH380AL速度目標(biāo)值由250 km/h增加至300 km/h，牽引能耗增加15%；速度目標(biāo)值由300 km/h增加至350 km/h，牽引能耗增加20%。CRH380BL速度目標(biāo)值由250 km/h增加至300 km/h，牽引能耗增加25%；速度目標(biāo)值由300 km/h增加至350 km/h，牽引能耗增加28%。兩車能耗變化規(guī)律相同，即牽引能耗隨著速度目標(biāo)值的增加而增加；提高相同的速度，牽引能耗的增加量隨著速度目標(biāo)值的增加而增加。

為進(jìn)一步分析CRH380AL與CRH380BL能耗情況，將牽引能耗分為理論阻力能耗和附加能耗進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4　新一代高速動車組各速度級持續(xù)運行牽引能耗

從表4中看出，理論阻力能耗在總牽引能耗中所占比重隨速度目標(biāo)值的增加而增加。提高相同的速度，理論阻力能耗比重增加量隨著速度目標(biāo)值的增加而減小。CRH380AL速度目標(biāo)值由250 km/h增加至300 km/h，理論阻力能耗比重增加14%；速度目標(biāo)值由300 km/h增加至350 km/h，理論阻力能耗比重增加5%。CRH380BL速度目標(biāo)值由250 km/h增加至300 km/h，理論阻力能耗比重增加8%；速度目標(biāo)值由300 km/h增加至350 km/h，理論阻力能耗比重增加3%。

綜合考慮50 km區(qū)段內(nèi)牽引能耗值與理論阻力能耗占總牽引能耗的比重，當(dāng)動車組以持續(xù)速度運行時，250 km/h速度級能耗最小，但其理論阻力能耗比重過低，從一定程度上造成了能源的浪費；300 km/h速度級比250 km/h速度級牽引能耗增加，但其理論阻力能耗比重也相應(yīng)提高，且理論阻力能耗比重提高百分比較為明顯；330,350 km/h速度級能耗相對300 km/h速度級又有較大的增加，但其理論阻力能耗比重提升卻不明顯。因此對于250，300，330，350 km/h 4個速度等級，從節(jié)能角度選擇300 km/h作為速度目標(biāo)值更具經(jīng)濟(jì)性。

2.2京滬全程牽引能耗

由于持續(xù)速度運行牽引能耗僅為50 km長度區(qū)間的能耗數(shù)據(jù)，因此對于動車組不同速度目標(biāo)值下京滬全程的能耗和時間沒有更加宏觀的認(rèn)識。采用估算的方式對不同速度級下全程能耗和運行時間做一個定性的判斷。

對京滬下行直達(dá)開行方式進(jìn)行能耗估算，動車組僅在南京南站及上海虹橋站停車。能耗估算中，由于動車組全程基本以目標(biāo)速度恒速運行，全程牽引能耗和運行距離可分為4種運行工況考慮：起動加速、持續(xù)速度運行、過分相、制動停車。各種工況示意如圖2。

起動加速為動車組速度從0 km/h加速至目標(biāo)速度的過程；持續(xù)速度運行為動車組以目標(biāo)速度持續(xù)運行的過程；過分相過程包括動車組過分相時手柄回零及過分相后施加牽引力恢復(fù)目標(biāo)速度的過程；制動停車包括動車組由目標(biāo)速度制動至0的過程。

圖2　能耗估算中各種工況示意

根據(jù)先導(dǎo)段試驗情況采用的各種工況的運行距離及牽引能耗見表5、表6。表中均為動車組單次起動加速、單次過分相、單次制動停車所需要的距離及牽引能耗。

另外，本文不考慮由于限速造成的能耗量和加速過程中的過分相能耗。

表5　CRH380AL各種工況下運行距離及能耗

表6　CRH380BL各種工況下運行距離及能耗

京滬高鐵全程1 318 km，全線電分相52處，一站直達(dá)模式起動、停車2次。由文獻(xiàn)[1]可知，京滬直達(dá)旅行速度約在最高速度的90%左右，則4種速度目標(biāo)值(250，300，330， 350 km/h)能耗及運行時間估算值見表7。

表8為目標(biāo)速度變化時高速動車組京滬全程牽引能耗增量及旅行時間變化，從表中可以看出，目標(biāo)速度級由250 km/h提升至300 km/h較其他速度級的變化有明顯優(yōu)勢，從一個方面講選擇300 km/h作為速度目標(biāo)值兼顧了運營成本與乘客的旅行時間。

另外，從表中看出，高速動車組目標(biāo)速度由300 km/h提升至330 km/h與300 km/h提升至350 km/h相比并無太大能耗/時間優(yōu)勢，若再次提升京滬線路速度目標(biāo)值，350 km/h更為合理。

表7　不同速度目標(biāo)值京滬全程估算牽引能耗及時間

表8　不同速度級下能耗增量及時間變化

3　結(jié)束語

以京滬先導(dǎo)段高速動車組能耗試驗為基礎(chǔ)，統(tǒng)計動車組在250，300，330，350速度級下的能耗結(jié)果，以此為依托估算不同速度級下京滬全程動車組能耗水平，從能耗的角度得出以下結(jié)論：

(1) 京滬高鐵高速動車組一站直達(dá)開行方式選擇300 km/h作為速度目標(biāo)值相比其他速度級具有較優(yōu)的能耗水平和經(jīng)濟(jì)效益。

(2)新一代高速動車組設(shè)計輪周牽引功率完全滿足300 km/h持續(xù)運營的能力，并有較大功率裕量。僅考慮旅行時間和能耗，若今后提升京滬線路速度目標(biāo)值，330 km/h與350 km/h相比，350 km/h速度級更具優(yōu)勢。

[1]馬大煒. 高速列車及其速度目標(biāo)值的探討 [J]. 中國鐵道科學(xué)，2003，24(5)：2-6.

Research on Relationship Between Target Speed and Energy Consumption of Jing-Hu Passenger Dedicated Line

HUANGJin1，LIUShijia2

(1Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081,China; 2Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co , Beijing 100094,China)

Energy consumption of the EMU is the key factor deciding the cost of the High-speed railway, and the energy consumption lies on the operating target value. This paper presents a method to compute the energy consumption for a long distance and multi-condition, based on the experimental results on the Zaozhuang West to Bengbu section of the line. Energy consumption of entire journey in the nonstop mode was computed. Some factors, such as traction consumption, consumption components and runtime are analyzed as the partially supports for proper target speed value. The computation results indicate that selecting 300km/h as the target speed has the better energy consumption and more economical.

target value; energy consumption experimental; energy consumption computation

1008-7842 (2016) 04-0119-04

男，助理研究員(

2015-12-18)

U292.91+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.33