油電混用客運(yùn)機(jī)車運(yùn)用模式研究

戎亞萍，蘇 圣，張 青，李衛(wèi)華，郭一唯，袁午陽(yáng)

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán) 有限公司 機(jī)務(wù)部，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3. 中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 嘉峪關(guān)機(jī)務(wù)段， 甘肅 蘭州 250001；4.中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸部，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

隨著我國(guó)鐵路大規(guī)模高質(zhì)量發(fā)展，電氣化線路在路網(wǎng)中的比例逐漸升高，但仍存在著部分非電氣化鐵路。截至2020年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到14.63萬(wàn)km，其中非電氣化線路占比27.2%[1]。目前在電氣化和非電氣化混合交路內(nèi)的擔(dān)當(dāng)機(jī)車，需要進(jìn)行機(jī)車換掛作業(yè)，造成列車停站時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、車站作業(yè)組織效率較低等問(wèn)題，不停車、不換頭、跨線運(yùn)行成為新的牽引需求。油電混用機(jī)車內(nèi)燃/電力牽引模式可便捷轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)“宜電則電，宜內(nèi)則內(nèi)”，對(duì)于提高運(yùn)輸組織效率、提升旅客服務(wù)水平、增強(qiáng)戰(zhàn)備及應(yīng)急保障能力等具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)適用于干線運(yùn)輸?shù)挠碗娀煊脵C(jī)車已處于研制階段。因此，有必要圍繞油電混用機(jī)車運(yùn)用需求和運(yùn)用模式開(kāi)展研究，在分析國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力機(jī)車運(yùn)用現(xiàn)狀，探析其運(yùn)用需求的基礎(chǔ)上，提出油電混用機(jī)車運(yùn)用模式，為油電混用機(jī)車的研制、設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供決策支撐。

1 國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外混合動(dòng)力列車運(yùn)用現(xiàn)狀

混合動(dòng)力機(jī)車或動(dòng)車組是指機(jī)車或動(dòng)車組上設(shè)置2種或2種以上不同類型的動(dòng)力源，列車的運(yùn)行動(dòng)力依據(jù)運(yùn)行區(qū)段特性由單個(gè)或多個(gè)動(dòng)力源共同提供[2]。常用的混合動(dòng)力源主要包括內(nèi)燃機(jī)+接觸網(wǎng)、內(nèi)燃機(jī)+蓄電池、接觸網(wǎng)+蓄電池、內(nèi)燃機(jī)+燃料電池、燃料電池+蓄電池，由于蓄電池、燃料電池存在容量有限、技術(shù)水平要求較高的特點(diǎn)，內(nèi)燃機(jī)+接觸網(wǎng)型混合動(dòng)力機(jī)車較為適應(yīng)在電氣化和非電氣化混合線路上進(jìn)行長(zhǎng)距離旅客運(yùn)輸。

國(guó)外對(duì)混合動(dòng)力技術(shù)研發(fā)較早，法國(guó)、德國(guó)、加拿大、瑞士等國(guó)家已逐步推廣運(yùn)用混合動(dòng)力機(jī)車，其中柴油機(jī)+動(dòng)力電池型混合動(dòng)力機(jī)車主要承擔(dān)短距離調(diào)車任務(wù)，干線機(jī)車主要采用柴油機(jī)+接觸網(wǎng)型混合動(dòng)力源。法國(guó)Alstom公司研發(fā)的Prima H4型油電混用調(diào)車機(jī)車配置“柴油機(jī)+鋰電池”“接觸網(wǎng)+柴油機(jī)”“接觸網(wǎng)+鋰電池”等3種混合動(dòng)力源模式，最高運(yùn)行速度為120 km/h，與傳統(tǒng)調(diào)車機(jī)車相比，能減少15%的燃油消耗[3]。德國(guó)研發(fā)的油電混用機(jī)車以DE60C型、DE75BB型、HELMS型調(diào)車機(jī)車為主，動(dòng)力源為柴油機(jī)和鋰電池，最高運(yùn)行速度為100 km/h，其中HELMS型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車采用的超級(jí)鋰電池具有超快速充電和超長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。加拿大研發(fā)的Green Goat混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車采用鉛酸蓄電池和柴油機(jī)混合供電模式，與傳統(tǒng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)相比，可節(jié)約油耗40% ～ 60%，碳氧化物排放量減少約80%[4]。瑞士研發(fā)的Euro Dual型柴油機(jī)+接觸網(wǎng)雙動(dòng)力源干線機(jī)車，最高運(yùn)營(yíng)速度達(dá)120 km/h，油箱容量3 500 L， 該型機(jī)車已出口至南非和我國(guó)臺(tái)灣省[5]。2002年日本率先研制了柴油機(jī)+蓄電池型混合動(dòng)力動(dòng)車組，2007年和2010年相繼投入使用KiHa E200和HB—E300型混合動(dòng)力觀光動(dòng)車組，運(yùn)行結(jié)果表明新型動(dòng)車組可減少NOX排放達(dá)60%，節(jié)省燃油10% ～ 20%。國(guó)外運(yùn)用的油電混用機(jī)車情況如表1所示。

表1 國(guó)外油電混用機(jī)車運(yùn)用現(xiàn)狀Tab.1 Application of hybrid diesel-electric locomotives abroad

1.2 國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力機(jī)車/動(dòng)車組運(yùn)用現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)混合動(dòng)力技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用尚處于起步階段，2010年11月中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司成功下線國(guó)內(nèi)首臺(tái)CKD6E5000型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車，該機(jī)車采用柴油機(jī)+磷酸鐵鋰蓄電池作為混合動(dòng)力源，可節(jié)省30% ～ 50%的燃油，并降低30% ～ 50%的廢氣排放[6]。2015年5月該公司研制的HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車是世界上功率最大、牽引動(dòng)力最強(qiáng)的油電混合動(dòng)力機(jī)車，可提供動(dòng)力蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)組單獨(dú)或二者共同驅(qū)動(dòng)3種工況。目前機(jī)車已經(jīng)完成了寒冷地區(qū)和高溫地區(qū)運(yùn)用考核試驗(yàn)，在同等作業(yè)條件下，HXN6型機(jī)車較DF7G型機(jī)車節(jié)約燃油28%以上，較DF4C型機(jī)車節(jié)約燃油40%以上[7]。同時(shí)，該型機(jī)車還具備啟動(dòng)加速快、運(yùn)行中制動(dòng)能力強(qiáng)、噪音和環(huán)境污染小等性能優(yōu)勢(shì)。2017年9月我國(guó)首列混合動(dòng)力動(dòng)車組CJ5型完成上線試驗(yàn)，列車可提供接觸網(wǎng)+蓄電池、接觸網(wǎng)+內(nèi)燃機(jī)+蓄電池、內(nèi)燃機(jī)+蓄電池等不同動(dòng)力組合，最高運(yùn)行速度為160 km/h。2021年6月我國(guó)自主創(chuàng)新研制的高原型內(nèi)電雙源動(dòng)車組已成功用于拉林鐵路，內(nèi)燃、電力動(dòng)力車分別設(shè)置在動(dòng)車組兩端，滿足高原低氣壓、高耐候性、連續(xù)長(zhǎng)大隧道的環(huán)境運(yùn)用條件[8]。

從國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力技術(shù)和應(yīng)用情況來(lái)看，雙動(dòng)力源機(jī)車和動(dòng)車組通常都是在成熟電力機(jī)車或動(dòng)車組的基礎(chǔ)上集成柴油機(jī)組，油箱容積大多為4 000 L 以內(nèi)，主要應(yīng)用于調(diào)車任務(wù)和短距離干線旅客運(yùn)輸，我國(guó)正在研制適用于牽引長(zhǎng)距離普速旅客列車的混合動(dòng)力機(jī)車，在六軸電力機(jī)車平臺(tái)上進(jìn)行柴油機(jī)的集成。

2 油電混用機(jī)車運(yùn)用需求分析

油電混用機(jī)車具有便捷轉(zhuǎn)換動(dòng)力源、降低能源消耗以及噪聲污染等特點(diǎn)，有利于列車在內(nèi)燃區(qū)段和電氣化區(qū)段的跨線銜接，在提高運(yùn)輸組織效率、提升旅客服務(wù)水平以及降低運(yùn)營(yíng)成本等方面具有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)油電混用機(jī)車的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，從滿足內(nèi)電跨線運(yùn)行、旅客乘車舒適性、應(yīng)急救援需求3個(gè)方面分析油電混用機(jī)車運(yùn)用需求。

2.1 內(nèi)電跨線運(yùn)行需求

在內(nèi)燃區(qū)段和電氣化區(qū)段跨線運(yùn)行的列車，由于油電機(jī)車換掛在站內(nèi)作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，影響車站接發(fā)車能力。運(yùn)行圖技術(shù)資料規(guī)定非直供電旅客列車換掛作業(yè)時(shí)間為11 min，直供電旅客列車換掛作業(yè)時(shí)間為15 min。通過(guò)寫實(shí)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楦髡狙屎韰^(qū)長(zhǎng)度、作業(yè)繁忙程度、交叉進(jìn)路、機(jī)待線位置等多因素影響，在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)很難完成機(jī)車換掛作業(yè)，實(shí)際作業(yè)時(shí)間一般為15 ～ 18 min。以中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“沈陽(yáng)局集團(tuán)公司”）為例，營(yíng)業(yè)里程22 281 km，電氣化率65%，局管內(nèi)存在大量電氣化和非電氣化混合的交路，沈陽(yáng)局集團(tuán)公司部分旅客列車換掛情況如表2所示。

表2 沈陽(yáng)局集團(tuán)公司部分旅客列車換掛情況Tab.2 Replacing operation of some passenger trains from Shenyang Group

以K430次（通化—北京）在沈陽(yáng)北站內(nèi)燃機(jī)車換掛電力機(jī)車為例，說(shuō)明機(jī)車換掛對(duì)車站通過(guò)能力的影響。沈陽(yáng)北站為沈陽(yáng)局集團(tuán)公司管內(nèi)日均辦理旅客列車數(shù)量最多的車站，按2021年3季度運(yùn)行圖計(jì)，沈陽(yáng)北站普速場(chǎng)共開(kāi)行旅客列車86對(duì)/d，到發(fā)線平均辦理旅客列車數(shù)為10.7對(duì)/d。K430次機(jī)車換掛作業(yè)時(shí)間為18 min，摘頭機(jī)車轉(zhuǎn)線、入段、掛頭機(jī)車入線均占用咽喉進(jìn)路和到發(fā)線，導(dǎo)致沈大線（沈陽(yáng)—大連）上、下行線，沈大高速鐵路（沈陽(yáng)北—大連北）下行線，京哈線（北京—哈爾濱）上、下行線接發(fā)車進(jìn)路均不能開(kāi)放，影響第14至16道接發(fā)上述方向列車。油電混用機(jī)車不需機(jī)車換掛即可便捷轉(zhuǎn)換動(dòng)力源，滿足電氣化和非電氣化鐵路跨線銜接需求，減少因機(jī)車換掛作業(yè)額外占用咽喉和到發(fā)線的時(shí)間，有利于提高車站通過(guò)能力。

2.2 旅客乘車舒適性需求

直供電旅客列車在途中進(jìn)行機(jī)車換掛時(shí)，主要依靠車載蓄電池供電，車廂內(nèi)的工作用電和生活用電均需減載運(yùn)行，僅維持照明、電熱開(kāi)水器等基本設(shè)備，空調(diào)設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其夏季車廂內(nèi)升溫明顯，旅客乘車舒適性不佳；非直供電旅客列車在途中機(jī)車換掛和正常運(yùn)行時(shí)（包括電氣化區(qū)段和內(nèi)燃區(qū)段），均依靠加掛的發(fā)電車提供電力來(lái)源，發(fā)電車不僅占用列車編組，而且需要專人管理。新型油電混用客運(yùn)機(jī)車在內(nèi)燃模式和電力模式下，列車供電功率分別為895 kW和800 kW，無(wú)需加掛發(fā)電車即可保證車廂內(nèi)各種設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅可增加列車編組，降低運(yùn)營(yíng)成本，還可提高旅客乘車舒適性。

2.3 應(yīng)急救援需求

由電力機(jī)車牽引的普速列車在電氣化區(qū)段運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)各種設(shè)備用電均直接從接觸網(wǎng)上取電，由于接觸網(wǎng)具有露天設(shè)置、機(jī)電合一、沒(méi)有備用、動(dòng)態(tài)工作等特殊性，因而一旦接觸網(wǎng)發(fā)生故障將會(huì)直接影響牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)中斷電氣化鐵路的行車功能[9]。油電混用機(jī)車采用內(nèi)燃和電力2種動(dòng)力源，可實(shí)現(xiàn)電氣化線路故障時(shí)自救，保證了列車的正常運(yùn)行。同時(shí)，當(dāng)線路上的其他列車發(fā)生故障時(shí)，油電混用機(jī)車可充當(dāng)救援列車，有利于提高鐵路應(yīng)急救援能力。

3 油電混用機(jī)車運(yùn)用模式

油電混用機(jī)車作為新型機(jī)車，與傳統(tǒng)單一動(dòng)力源的內(nèi)燃機(jī)車或電力機(jī)車的運(yùn)用模式有較大區(qū)別，需從編組輛數(shù)、運(yùn)用場(chǎng)景、修程修制等方面提出油電混用機(jī)車運(yùn)用模式。

3.1 編組輛數(shù)

普速旅客列車由機(jī)車和車輛組成，機(jī)車編掛客車輛數(shù)受站臺(tái)長(zhǎng)度和到發(fā)線有效長(zhǎng)度限制。考慮停車附加距離要求，客貨共線鐵路旅客列車到發(fā)線有效長(zhǎng)組成如圖1所示。目前，我國(guó)正在研制的油電混用機(jī)車是在六軸電力機(jī)車平臺(tái)上進(jìn)行柴油機(jī)的集成，機(jī)車長(zhǎng)度為23 m。普速列車通常采用25K或25T型客車底，停車附加距離按30 m計(jì)，不同條件下油電混用機(jī)車編掛客車輛數(shù)適用的到發(fā)線有效長(zhǎng)如表3所示。

《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)—站場(chǎng)及樞紐》規(guī)定，旅客列車到發(fā)線有效長(zhǎng)度一般為650 m或550 m， 站臺(tái)長(zhǎng)度通常按550 m設(shè)置，特別困難條件下可采用400 m[10]。由表3可知，站臺(tái)長(zhǎng)度按550 m計(jì)，當(dāng)?shù)桨l(fā)線有效長(zhǎng)為650 m時(shí)，油電混用機(jī)車采用單機(jī)牽引模式或雙機(jī)牽引模式可編掛16 ～ 19節(jié)25T型或25K客車底；當(dāng)?shù)桨l(fā)線有效長(zhǎng)為550 m時(shí)，單機(jī)牽引模式下油電混用機(jī)車采用25T型和25K型客車底時(shí)，列車編組分別可達(dá)18輛和17輛，雙機(jī)牽引模式下采用25T型和25K型客車底時(shí)，列車編組分別可達(dá)17輛和16輛。

表3 不同條件下油電混用機(jī)車編掛客車輛數(shù)適用的 到發(fā)線有效長(zhǎng)Tab.3 Suitable arrival-departure track length for passenger train numbers coupled with hybrid diesel-electric locomotives under different conditions

3.2 運(yùn)用場(chǎng)景

油電混用機(jī)車運(yùn)用場(chǎng)景主要有3種形式：電主內(nèi)輔、內(nèi)主電輔、內(nèi)電相當(dāng)。電主內(nèi)輔是指列車運(yùn)行徑路上電氣化區(qū)段里程占比較大，內(nèi)燃區(qū)段里程占比較小；內(nèi)主電輔是指列車運(yùn)行徑路上內(nèi)燃區(qū)段里程占比較大，電氣化區(qū)段里程占比較??；內(nèi)電相當(dāng)是指列車運(yùn)行徑路上電氣化區(qū)段和內(nèi)燃區(qū)段里程基本相當(dāng)。

研究表明，影響列車牽引能耗的列車屬性主要包括列車質(zhì)量、單位基本阻力和牽引電機(jī)效率，這三者中以列車質(zhì)量對(duì)牽引能耗的影響最大[11]。油電混用機(jī)車由于同時(shí)搭載了2套動(dòng)力設(shè)備，如自重較大的內(nèi)燃機(jī)引擎、燃油以及電動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致機(jī)車自重較大，油電混用機(jī)車牽引模式會(huì)增加列車牽引能耗。因此，為分析油電混用機(jī)車適用場(chǎng)景，采用列車牽引計(jì)算與能耗測(cè)算系統(tǒng)，在電氣化區(qū)段和內(nèi)燃區(qū)段不同長(zhǎng)度比例下，均采用16節(jié)編組25T客車底，對(duì)比分析油電混用機(jī)車牽引模式與傳統(tǒng)機(jī)車換掛模式下的列車總能耗。為消除電力模式和內(nèi)燃模式能耗度量單位對(duì)結(jié)果的影響，采用歸一法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，1 kW·h能耗按1元計(jì)，1 L燃油按10元計(jì)，油電混用機(jī)車模式與傳統(tǒng)機(jī)車換掛模式下?tīng)恳芎膶?duì)比如表4所示。

由表4可知，在電主內(nèi)輔場(chǎng)景中，當(dāng)電氣化區(qū)段與內(nèi)燃區(qū)段比例由5 : 1下降至2 : 1的過(guò)程中，油電混用機(jī)車模式與傳統(tǒng)機(jī)車換掛模式的列車全程總能耗最大差值僅為0.357%；在內(nèi)電相當(dāng)場(chǎng)景中，即電氣化區(qū)段與內(nèi)燃區(qū)段比例為1 : 1時(shí)，列車全程總能耗最大差值為0.221%；在內(nèi)主電輔場(chǎng)景中，當(dāng)內(nèi)燃區(qū)段與電氣化區(qū)段比例由5 : 1下降至2 : 1的過(guò)程中，列車全程總能耗差值均不高于0.1%。這說(shuō)明油電混用機(jī)車因機(jī)車自重增加帶來(lái)的牽引能耗增加值可以忽略，油電混用機(jī)車適用于電主內(nèi)輔、內(nèi)主電輔、油內(nèi)相當(dāng)3種場(chǎng)景，但需根據(jù)油電混用機(jī)車油箱容積和列車能耗曲線綜合確定內(nèi)燃牽引的區(qū)段長(zhǎng)度。

表4 油電混用機(jī)車模式與傳統(tǒng)機(jī)車換掛模式下?tīng)恳芎膶?duì)比Tab.4 Comparison of traction energy between hybrid locomotive mode and traditional locomotive replacing mode

3.3 修程修制

科學(xué)合理的修程修制是機(jī)車安全可靠、正常運(yùn)行的基本保障。目前電力機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車采用不同的修程修制，內(nèi)燃機(jī)車檢修周期低于電力機(jī)車，電力機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車檢修規(guī)程如表5所示[12]。油電混用機(jī)車在原有柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上，增加接觸網(wǎng)受電的電力牽引裝置，建議以柴油機(jī)組的工作時(shí)間或運(yùn)行距離作為油電混用機(jī)車的檢修周期，油電混用機(jī)車修程修制可參考內(nèi)燃機(jī)車。

表5 電力機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車檢修規(guī)程Tab.5 Maintenance system for electric locomotives and diesel locomotives

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的單一動(dòng)力源機(jī)車相比，油電混用客運(yùn)機(jī)車無(wú)需機(jī)車換掛即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃/電力牽引模式的便捷轉(zhuǎn)換，具有提高車站運(yùn)輸組織效率和旅客服務(wù)水平的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用前景廣闊。結(jié)合油電混用客運(yùn)機(jī)車的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)和運(yùn)輸需求，科學(xué)合理地確定油電混用機(jī)車適用的到發(fā)線長(zhǎng)度、線路情況以及修程修制，提出油電混用客運(yùn)機(jī)車運(yùn)用模式，為新型機(jī)車的研發(fā)提供理論依據(jù)。未來(lái)還需進(jìn)一步深入分析油電混用客運(yùn)機(jī)車經(jīng)濟(jì)效益，為其推廣應(yīng)用提供決策支撐。