氫能源有軌電車車輛段工藝設計探討

2020-03-02 14:30:15姚應峰

現代城市軌道交通 2020年2期

姚應峰

摘要：氫能源有軌電車是采用氫燃料電池作為動力源的有軌電車車輛，是未來發展的趨勢。首先，從供電制式、修程修制方面分析氫能源有軌電車的特點;然后，針對這些特點，分析氫能源有軌電車車輛段的功能、運用檢修工藝流程;最后，研究車輛段主要生產設施如停車列檢庫、月檢庫、定臨修庫和加氫站的任務及工作范圍與配置，為類似項目工藝設計提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通;氫能源有軌電車;車輛段;工藝設計;修程修制;加氫站

中圖分類號：U279

1 概述

現代有軌電車是一種中低運量的軌道交通制式，具有轉彎半徑小、爬坡能力強、可與市政交通共享路權、車輛載客量大、節能環保等優勢，近年來發展迅速。截至2019年6月，我國現代有軌電車已開通運營的線路長度為356.72km，正在建設的線路長度約380km，規劃線路長度約700km。

氫能源電池技術的日益成熟，目前已在有軌電車領域得到了應用。如佛山市高明現代有軌電車試驗線已建成，氫能源有軌電車車輛已接車調試，佛山市里水有軌電車示范線工程已立項。氫能源有軌電車是采用氫燃料電池作為動力源的有軌電車車輛，具備續航里程長、零排放、無污染、噪聲低、全線無網等優勢。

由于采用氫燃料電池系統，車輛段的工藝流程、維修設施設置、維修設備配置都與其他有軌電車項目有較大的不同，因此需要對車輛段工藝進行研究。

2 特點

2.1 供電制式

氫能源有軌電車采用氫動力系統與鈦酸鋰電池供電，氫動力系統主要包括燃料電池子系統、儲氫子系統、冷卻子系統、DC-DC電源裝置、動力電池和燃料電池能量控制系統等。其中，儲氫子系統為燃料電池供應氫氣，包含氫氣的加注、儲存和供給。目前，氫能源有軌電車儲氫系統配置6個儲氫氣瓶，額定工作壓力為35MPa，額定充裝體積為840L，加滿后共儲存氫氣20kg，續航里程可達80～100km。

為防止儲氫瓶氫氣泄漏，儲氫系統具備超溫檢測、超壓檢測、溫度壓力檢測、限流保護、低壓放空、泄漏檢測、緊急關斷、防碰撞、防火災、防氫氣聚集等安全措施。

2.2 修程修制

目前尚無氫能源有軌電車的修程修制，那么根據氫能源有軌電車車輛的維修手冊，建議的修程及檢修周期如表1所示。

3 功能

氫能源有軌電車車輛段是有軌電車車輛日常維護和保養的場所，主要承擔有軌電車車輛各修程的維修任務，另外還負責車輛段及全線的物資供應、綜合維修、事故救援，并包含培訓中心、控制中心等機構。

氫能源有軌電車車輛由于需要加氫作業，因此需要設置加氫站。目前，加氫站的設置有2種方式：①設置在車輛段內，因此車輛段還應具備加氫功能;②利用社會化的加氫站（即加氫站不在車輛段內）。2種方式均需要在加氫站設置加氫股道。

4 工藝流程

氫能源有軌電車車輛在運行過程中，需要根據運行里程和時間補充氫氣。按目前45 MPa加氫站，加滿1列車（儲氫瓶容量840 L）需要10～15 min，遠遠大于系統發車間隔3min。另外，雖然車輛動力系統采用鈦酸鋰電池作為輔助，可單獨為列車提供牽引動力，維持列車運行至加氫站加氫，但是為了不影響第2天的正常運營，需要在當天列車退出運營回車輛段時，加滿氫氣后再入庫停放。

車輛檢修時，為保證檢修作業安全，需要將儲氫瓶的氫氣用氮氣置換，然后用公鐵兩用車牽引入庫檢修。

當加氫站設置在車輛段內時，車輛運用、檢修作業流程如圖1所示。

當加氫站設置在車輛段外時，車輛運用、檢修作業流程如圖2所示。

5 設備設施配置

氫能源有軌電車車輛段的主要設施包括生產設施、輔助生產設施和生活辦公設施等。其中生產設施主要有停車列檢庫、月檢庫、定臨修庫、加砂庫、洗車庫、鏇輪庫、試車線、加氫站、綜合維修、物資總庫和輔跨車間等;輔助生產設施主要有牽引變電所、給水加壓站、污水處理站和特種材料庫;生活辦公設施主要有綜合辦公樓、食堂和浴室等。由于生產設施的加砂、洗車、鏇輪、試車線、綜合維修、物資總庫及輔助生產設施和生活辦公設施與普通車輛段的差別不大，本文不再詳細分析。大架修設施，除氫動力系統為特種裝備須委外檢修外，其他零部件檢修設施與既有大架修設施相同。

5.1 停車列檢庫

5.1.1 任務及工作范圍

（1）承擔有軌電車車輛的停放、運用、整備作業。

（2）承擔列車進、出庫的技術交接、檢查和測試工作。

（3）承擔車輛段運用車輛司乘人員出、退勤技術交接工作。

（4）承擔車輛段運用車輛的功能檢查、技術檢查和一般性臨時故障的處理工作。

（5）承擔車輛段運用車輛的內部清掃及定期消毒工作。

5.1.2 主要設備配置

（1）由于庫內停放的都是充滿氫氣的有軌電車車輛，日檢人員在進入庫內作業前，需要進行靜電消除，因此，在入庫端需設置靜電消除裝置。

（2）為確保日檢人員對車頂電氣設備及氫動力系統的巡檢，需要設置車頂作業平臺及氫氣檢測儀。

（3）為防止一般人員上車頂，需要在平臺上設置安全連鎖系統。為方便工作人員上下列車，每列位首尾均設置固定式司機上車平臺。

（4）檢查坑內設帶防爆功能的安全照明、安全電壓照明插座及動力插座。

（5）庫內設有線廣播，以方便作業調度并利于列車出入庫安全。庫內適當位置設拖布池，以便于車內清掃及庫內地面清潔作業。

5.2 月檢庫

5.2.1 任務及工作范圍

月檢庫承擔有軌電車車輛的雙周、三月檢工作。對車輛進行全面技術檢查和必要的檢測，主要對司機室電器、車載通信信號設備、轉向架、控制系統、制動系統、輔助電源系統、牽引系統、客室設施、空調、氫動力系統進行全面檢查、清潔，并對部分設備進行檢測及更換易損件。

5.2.2 主要設備配置

月檢庫內每股道設置柱式檢查坑，坑內設照明和動力插座，檢修列位兩側設車頂作業平臺。月檢庫內設有線廣播，以方便作業調度并保證列車出入庫安全。為便于技術檢查、檢測、部件的更換和運輸，月檢庫內配置了靜調電源柜、蓄電池叉車等設備。

5.3 定臨修庫

5.3.1 任務及工作范圍

定臨修庫主要承擔車輛的定修任務及臨時故障處理工作。

5.3.2 檢修內容及工藝流程

（1）定修作業。根據車輛定修規程對車輛進行全面技術檢查，主要包括檢查牽引及制動系統、氫動力系統、轉向架及走行部分、車門及其控制系統、空調裝置等。對需檢修的部件進行拆卸更換，對蓄電池進行補液、充電或更換，對齒輪箱、軸箱進行檢查、補油、測試。最后對車輛進行靜、動態調試。

（2）臨修作業。對車輛的臨時故障進行檢修，更換需檢修的轉向架及其他大型部件。

（3）主要工藝流程。列車清洗—氫氣置換—列車送定修、臨修庫—系統測試—故障部件檢修、更換—電池充電或更換—齒輪箱、軸箱補油—列車全面測試—單元車、整列車靜調—出庫—注入氫氣—列車上試車線動調—交驗—出庫。

5.3.3 主要設備配備

定臨修庫內分別設10t、2t電動單梁橋式起重機各1臺。臨修庫為了方便臨修架車，設移動式架車機（架1列車）1套。定修線設置柱式檢查坑，坑內設照明和動力插座，庫內股道兩側設低地面，設計標高-1.2m，定修臺位兩側設車頂作業平臺。

5.4 加氫站

加氫站是為有軌電車提供氫氣的重要設施。加氫站的選址、規模，以及加氫股道的設置數量直接影響運營的效率。

5.4.1 加氫站選址

目前，加氫站的設置有設置在車輛段內和單獨選址（即車輛段外）2種方式。從加氫作業及有軌電車車輛運營管理的便利性出發，推薦將加氫站設置在車輛段內。但是，車輛段內設置加氫站，需要考慮加氫站與其他房屋的消防間距，用地需要考慮充足。

5.4.2 加氫站規模

根據GB 50516-2010《加氫站技術規范》，加氫站等級劃分為3級，如表2所示。該規范規定城市建成區不應建設一級加氫站;個別城市還規定，一、二級加氫站均不應設置在城市建成區。

有軌電車加氫站設計，在前期階段，每日用氫量可利用日車公里數進行估算;詳細設計階段，可利用全日行車運行圖進行詳細牽引計算。

5.4.3 加氫股道的設置

為確保有軌電車加氫，需要在加氫站內或附近設置加氫股道，由于車輛加氫口位于車頂，需要在加氫股道間設置加氫島。加氫股道的設置，需根據行車間隔、加氫作業時間統籌考慮。

6 結束語

氫能源作為清潔能源是未來發展的一個趨勢，而氫能源有軌電車是近年來的一個重大的技術創新，目前已在佛山高明得到應用。采用氫燃料電池作為牽引動力，有軌電車車輛需要設置儲氫系統，這對有軌電車車輛段的工藝設計提出了更高的要求，如車輛段需要考慮加氫設施，工藝流程發生了較大的變化，設備配置需要考慮作業環境的安全性，等等。本文調研了國內氫能源有軌電車車輛的相關技術，分析了氫能源有軌電車車輛的特點，討論了氫能源車輛段的功能、檢修工藝流程和主要的設備設施配置，以供參考。

參考文獻

[1]中國城市軌道交通協會. 2019年上半年中國內地城軌交通線路概況[J].城市軌道交通， 2019 （7）：48-51.

[2]張方強. 增程式電動汽車動力系統參數匹配與仿真優化研究[D].浙江杭州：浙江大學，2017.

[3]徐順余，高海鷗，邱國茂，等.混合動力汽車車用鎳氫動力電池分析[J].上海汽車，2006（2）：7-9.

[4]張弛. 新能源有軌電車儲能系統的優化配置及控制[D].北京：北京交通大學，2018.

[5]張瀚舟. 上海市氫能發展總體技術路線選擇[J].交通與運輸，2019，35（4）：65-68.

[6]楊繼斌，宋鵬云，張繼業，等. 混合動力現代有軌電車仿真系統研究[J].機械工程學報， 2017，53（18）：161-168.

[7]孫效杰，陸正剛，張勁. 低地板有軌電車用盤式永磁電機直驅技術[J].同濟大學學報（自然科學版），2014，42（8）：1245-1250.

[8]GB 50516-2010 加氫站技術規范[S]. 北京：中國計劃出版社，2010.

[9]黎冬平. 有軌電車交通適應性研究[J].現代城市軌道交通，2019（12）：61-65.

[10]王莉，吳金賢. 全線無網有軌電車儲能系統設計方案[J].中國新技術新產品，2019（8）：60-61.

[11]趙文風，梁永華. 深圳龍華儲能式低地板有軌電車項目日常維保執行模式解析[J].技術與市場， 2018，25（10）：177-178.