氫能源有軌電車的應(yīng)用實踐

陳 祥

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

氫能源有軌電車采用氫燃料電池作為動力源，全線無接觸網(wǎng)、變電所等系統(tǒng)，既解決了常規(guī)有軌電車需要架設(shè)接觸網(wǎng)的問題，又破解了普通儲能式有軌電車?yán)m(xù)航里程短的瓶頸。氫燃料電池不是利用燃燒燃料獲取能量，而是利用氫氣與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移形成電流；水是其唯一的產(chǎn)物，可以實現(xiàn)真正的零排放、無污染。由于氫能源有軌電車的綠色環(huán)保、無污染特點與國家正在推行的大政策、大方向一致，因此國內(nèi)很多地方政府開始對建設(shè)氫能源有軌電車進(jìn)行規(guī)劃研究。

1 氫能源有軌電車的技術(shù)特征

氫能源有軌電車是以氫能源為動力替代牽引供電系統(tǒng)的現(xiàn)代有軌電車。其具有如下技術(shù)特征。

1.1 與其他現(xiàn)代有軌電車相同的特征

1.1.1 中等運量

從國內(nèi)外的經(jīng)驗來看，現(xiàn)代有軌電車的高峰小時單向斷面合理運能為0.5～1.2萬人次/h，是一種中等運能的交通系統(tǒng)。

1.1.2 節(jié)能環(huán)保

現(xiàn)代有軌電車采用電力牽引或者新能源，環(huán)境污染小，符合當(dāng)前節(jié)能減排、生態(tài)城市的建設(shè)需求。現(xiàn)代有軌電車人均能耗約為0.07 kW · h/座席乘客，僅相當(dāng)于公交車的1/4，噪聲較汽車小5～10 dB，是一種節(jié)約能源的清潔交通工具。

1.1.3 人性化設(shè)計

現(xiàn)代有軌電車一般采用100%低地板車輛，地板高出軌道面約30 cm，嬰兒車、殘疾人輪椅車可以自由乘降。現(xiàn)代有軌電車在固定軌道上運行，當(dāng)采用較長車輛增大運能時，仍能保證較好的運營穩(wěn)定性和乘坐舒適性，是一種舒適、人性化的交通工具。

1.1.4 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

現(xiàn)代有軌電車采用流暢美觀的車輛造型，配以一體化接觸網(wǎng)、支柱、照明與網(wǎng)格狀草坪設(shè)計，與旅游、文化保護(hù)等景點具有很好的適應(yīng)性；轉(zhuǎn)彎半徑小，為10.5～25 m，方便在道路上敷設(shè)；軌道制式令其交通形象更為突出，具有更強(qiáng)的交通引導(dǎo)性。

1.1.5 建設(shè)靈活度高

現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)投資相當(dāng)于地鐵的1/6～1/4，具有較為合理的運量投資比；同時建設(shè)形式相對靈活，能夠與道路交通混行，建設(shè)周期較短，一般為2～3年。

1.2 自身獨特的技術(shù)特征

（1）環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。由于其無接觸網(wǎng)、變電所等設(shè)施，與周邊城市景觀協(xié)調(diào)性更好，可提升城市景觀效果，也減少了初期建設(shè)成本的投入。

（2）環(huán)保性能更好。由于氫燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成唯一產(chǎn)物——水，因此相比較電能的產(chǎn)生，更加綠色環(huán)保。

（3）獨立性更好。系統(tǒng)運行不依賴外部電源，不受外部電源穩(wěn)定性的影響，只需要加氫即可。

（4）制造成本低。氫氣來源途徑多，可以利用工業(yè)廢氫或者低峰電能制氫等。

2 氫能源有軌電車的發(fā)展

人類對于氫能源的研究已有幾百年的歷史。1839年，劍橋大學(xué)William Cecil首次提出燃料電池。1928年，Rudolph Jrren發(fā)明第一臺氫氣發(fā)動機(jī)。21世紀(jì)以來，隨著燃料電池的迅速發(fā)展和推廣，氫能源作為清潔能源進(jìn)入高速發(fā)展階段，燃料電池發(fā)展迅速，氫燃料電池應(yīng)用廣泛，美國、韓國、法國、日本、中國等國家都非常重視氫能基礎(chǔ)設(shè)施及儲運技術(shù)的發(fā)展。全球范圍內(nèi)，美國最早開始研制氫燃料電池，2002年成功研制了1臺氫燃料電池礦山車，加氫時間為1 h，可運行8 h；日本于2006年將柴油機(jī)車改造成氫燃料電池鐵路車，加1次氫能夠運行50～100 km；丹麥、西班牙、德國相繼研發(fā)了氫能源機(jī)車，并在鐵路上進(jìn)行試運行，取得了成功；法國、加拿大、印度、韓國也著手氫燃料電池機(jī)車的研制工作。我國在2016年，由中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院和氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會聯(lián)合發(fā)布的《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書2016》中，明確了我國分3個階段發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)。2017年11月，唐山市第一條氫能源有軌電車在唐胥鐵路使用。2019年12月，佛山市高明區(qū)第一條氫能源有軌電車商業(yè)運行線投入運營。

我國除唐山市和佛山市高明區(qū)實踐了氫能源有軌電車，成都新都區(qū)、濟(jì)南等城市擬建設(shè)氫能源有軌電車。作為移動裝備生產(chǎn)制造單位，中車長春軌道客車股份有限公司、中車株洲電機(jī)有限公司也積極投入到燃料電池的研發(fā)中。未來幾年我國將有更多的城市開始建設(shè)氫能源有軌電車。

3 氫能源有軌電車在佛山市高明區(qū)的應(yīng)用

本工程為滄江路站—智湖站，線路長約6.6 km，設(shè)車站10座，平均站間距約為640 m。其中，換乘站1座，為荷城站，該線在此與佛山市軌道交通2號線換乘；地面車站包括滄江路站、躍華路站、怡樂路站、智湖站；跨河車站包括荷城站、文化中心站、明湖公園站、新江路站、體育中心站、阮涌站。該線設(shè)置人行天橋3座、加氫站1座、車輛基地1座，調(diào)度指揮中心位于車輛基地的綜合樓內(nèi)。項目總平面圖如圖1所示。

該線路是全球第一條氫能源商業(yè)運行線路，在設(shè)計上與其他現(xiàn)代有軌電車有諸多不同，具體如下。

3.1 車輛制式

本線路采用設(shè)計速度為70 km/h、100%低地板、氫能源動力的現(xiàn)代有軌電車，3節(jié)車輛鉸接式編組，同步永磁電機(jī)驅(qū)動，座位有60個，載客量為285人，兩邊各設(shè)置6個車門。車輛編組示意圖如圖2所示。

氫氣通過長管束拖車公路運輸?shù)杰囕v基地加氫站。加氫站配置了壓縮機(jī)、固定式儲氫瓶（45 MPa）、加氫機(jī)（35 MPa）；在氫氣到達(dá)加氫站后，通過壓縮機(jī)將其儲存到固定式儲氫瓶，然后通過加氫機(jī)將氫氣加注到有軌電車車頂?shù)母邏簝淦浚鐖D3所示。

每列列車配置6支高壓儲氫瓶，充滿氫氣后質(zhì)量為20 kg，加注1次氫所需的時間為15 min。

3.2 行車組織

圖1 佛山市高明區(qū)有軌電車項目總平面圖

圖2 車輛編組示意圖

圖3 氫氣儲運、加注流程

氫能源有軌電車加注1次氫可運行100 km，續(xù)航能力為4～5 h。受續(xù)航能力的限制，該條線路運營計劃的編排與常規(guī)做法不同，還需要考慮加氫計劃的匹配，即6列運用車（1～6號列車）分組進(jìn)行加氫，與全日行車計劃相匹配。表1和表2分別列出全日行車計劃和加氫計劃。

3.3 基地防爆設(shè)計

氫能源雖然綠色環(huán)保、無污染，但氫氣易燃（燃點為500 ℃）、易爆（空氣中含4%～75.6%遇火則爆炸）。目前國內(nèi)尚無相關(guān)運營案例，也無針對氫能源有軌電車包括車輛基地等的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。由于車輛基地環(huán)境中存在一定的氫氣，因此其設(shè)計與常規(guī)的車輛基地不同，需要進(jìn)行防爆設(shè)計。

3.3.1 總平面設(shè)計

在車輛基地靠近加氫站位置設(shè)置有軌電車加氫線，方便其近距離加氫；10 m范圍內(nèi)設(shè)置安全隔離帶，以保證加氫的安全。

基地內(nèi)需把帶氫作業(yè)庫房與非帶氫庫房分開，動火庫房與非動火庫房分開。帶氫作業(yè)廠房有月檢/臨修庫、鏇輪庫，不帶氫作業(yè)的建筑如綜合樓和蓄電池間，根據(jù)氫能源防爆要求，不帶氫作業(yè)建筑應(yīng)距離帶氫廠房30 m安全距離。考慮到鏇輪庫需要動火工藝，月檢/臨修庫和鏇輪庫因此也需按30 m隔開。

調(diào)整道路與廠房間的間距，滿足洗車庫距主要道路10 m、月檢/臨修庫距次要道路6 m的要求。

根據(jù)檢修要求，需要對車輛進(jìn)行氫氣放空，同時考慮安全因素，應(yīng)在庫外設(shè)置車輛氫氣放氫線。牽出線分別距荷富大道15.11 m、蓄電池間33 m、圍墻5.22 m，可兼作放氫線功能，滿足《加氫站技術(shù)規(guī)范》（GB 50516-2010）的要求。車輛基地總平面圖如圖4所示。

表1 全日行車計劃 對/h

表2 加氫計劃

圖4 車輛基地總平面圖（單位：m）

3.3.2 專業(yè)設(shè)計

（1）建筑設(shè)計。將月檢/臨修庫、停車列檢庫、洗車庫定義為甲類廠房，屋頂應(yīng)設(shè)置泄壓設(shè)施。

（2）給排水及消防設(shè)計。將月檢/臨修庫、停車列檢庫、洗車庫室外消火栓的設(shè)計用水量調(diào)整為25 L/s。與氫有關(guān)的廠房、構(gòu)筑物均需根據(jù)規(guī)范要求配置滅火器。手提滅火器選用撲救A、B、C類火災(zāi)和帶電火災(zāi)的磷酸銨鹽干粉滅火器。

（3）通風(fēng)空調(diào)設(shè)計。月檢/臨修庫采用事故通風(fēng)，換氣次數(shù)不小于12次/h，設(shè)置泄漏警告報警裝置及聯(lián)動排氣裝置，排氣裝置采用防爆風(fēng)機(jī)，且按事故通風(fēng)要求分別在室內(nèi)及靠近外門的外墻上設(shè)置電氣開關(guān)。

（4）動力照明設(shè)計。考慮到月檢/臨修庫（帶氫）可能存在足以點燃爆炸性氣體混合物的火花、電弧或高溫現(xiàn)象，電力裝置應(yīng)采用防爆電氣設(shè)備，并按爆炸性環(huán)境考慮接地設(shè)計。

（5）弱電系統(tǒng)設(shè)計。需對停車列檢庫、月檢/臨修庫等帶有氫氣的庫房內(nèi)設(shè)置氫濃度傳感器，當(dāng)發(fā)生月檢/臨修庫氫氣檢測報警時需聯(lián)動其內(nèi)的防爆通風(fēng)裝置，如圖5和圖6所示。氫氣檢測及報警系統(tǒng)的主機(jī)設(shè)置在值班室內(nèi)，報警裝置應(yīng)設(shè)置在庫房及值班室內(nèi)。月檢/臨修庫及停車列檢庫內(nèi)的各強(qiáng)、弱電系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)采用防爆型設(shè)備，如圖7的防爆照明裝置。

此外，具體操作過程中還有許多注意事項，例如：基地工作人員進(jìn)出庫房需采用防靜電服裝和工具，進(jìn)入加氫區(qū)域嚴(yán)禁打電話等。

圖5 氫濃度傳感器

圖6 防爆通風(fēng)裝置

圖7 防爆照明裝置

4 結(jié)語

氫能源有軌電車以氫燃料電池為動力，全線無接觸網(wǎng)運營，不影響城市景觀；不需要設(shè)置充電裝置，節(jié)省投資；具有良好的續(xù)航能力；零排放的綠色環(huán)保特性與國家節(jié)能減排政策一致。佛山市高明區(qū)氫能源有軌電車項目開通運營1年多以來，給高明區(qū)人民的出行帶來便利。其應(yīng)用實踐積累了一定的經(jīng)驗，也發(fā)現(xiàn)了一些不足，但這些有益的實踐未來將會給更多的城市建設(shè)氫能源有軌電車線路樹立信心。