油電混用客運機車運用模式研究

戎亞萍，蘇 圣，張 青，李衛(wèi)華，郭一唯，袁午陽

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081；2.中國鐵路沈陽局集團 有限公司 機務部，遼寧 沈陽 110000；3. 中國鐵路蘭州局集團有限公司 嘉峪關機務段， 甘肅 蘭州 250001；4.中國鐵路沈陽局集團有限公司 運輸部，遼寧 沈陽 110000）

隨著我國鐵路大規(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，全國鐵路營業(yè)里程達到14.63萬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)的擔當機車，需要進行機車換掛作業(yè)，造成列車停站時間過長、車站作業(yè)組織效率較低等問題，不停車、不換頭、跨線運行成為新的牽引需求。油電混用機車內(nèi)燃/電力牽引模式可便捷轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)“宜電則電，宜內(nèi)則內(nèi)”，對于提高運輸組織效率、提升旅客服務水平、增強戰(zhàn)備及應急保障能力等具有重要現(xiàn)實意義。目前，國內(nèi)適用于干線運輸?shù)挠碗娀煊脵C車已處于研制階段。因此，有必要圍繞油電混用機車運用需求和運用模式開展研究，在分析國內(nèi)外混合動力機車運用現(xiàn)狀，探析其運用需求的基礎上，提出油電混用機車運用模式，為油電混用機車的研制、設計及推廣應用提供決策支撐。

1 國內(nèi)外混合動力技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外混合動力列車運用現(xiàn)狀

混合動力機車或動車組是指機車或動車組上設置2種或2種以上不同類型的動力源，列車的運行動力依據(jù)運行區(qū)段特性由單個或多個動力源共同提供[2]。常用的混合動力源主要包括內(nèi)燃機+接觸網(wǎng)、內(nèi)燃機+蓄電池、接觸網(wǎng)+蓄電池、內(nèi)燃機+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、技術水平要求較高的特點，內(nèi)燃機+接觸網(wǎng)型混合動力機車較為適應在電氣化和非電氣化混合線路上進行長距離旅客運輸。

國外對混合動力技術研發(fā)較早，法國、德國、加拿大、瑞士等國家已逐步推廣運用混合動力機車，其中柴油機+動力電池型混合動力機車主要承擔短距離調(diào)車任務，干線機車主要采用柴油機+接觸網(wǎng)型混合動力源。法國Alstom公司研發(fā)的Prima H4型油電混用調(diào)車機車配置“柴油機+鋰電池”“接觸網(wǎng)+柴油機”“接觸網(wǎng)+鋰電池”等3種混合動力源模式，最高運行速度為120 km/h，與傳統(tǒng)調(diào)車機車相比，能減少15%的燃油消耗[3]。德國研發(fā)的油電混用機車以DE60C型、DE75BB型、HELMS型調(diào)車機車為主，動力源為柴油機和鋰電池，最高運行速度為100 km/h，其中HELMS型混合動力調(diào)車機車采用的超級鋰電池具有超快速充電和超長壽命的特點。加拿大研發(fā)的Green Goat混合動力調(diào)車機車采用鉛酸蓄電池和柴油機混合供電模式，與傳統(tǒng)內(nèi)燃調(diào)車機相比，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+接觸網(wǎng)雙動力源干線機車，最高運營速度達120 km/h，油箱容量3 500 L， 該型機車已出口至南非和我國臺灣省[5]。2002年日本率先研制了柴油機+蓄電池型混合動力動車組，2007年和2010年相繼投入使用KiHa E200和HB—E300型混合動力觀光動車組，運行結果表明新型動車組可減少NOX排放達60%，節(jié)省燃油10% ～ 20%。國外運用的油電混用機車情況如表1所示。

表1 國外油電混用機車運用現(xiàn)狀Tab.1 Application of hybrid diesel-electric locomotives abroad

1.2 國內(nèi)混合動力機車/動車組運用現(xiàn)狀

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

從國內(nèi)外混合動力技術和應用情況來看，雙動力源機車和動車組通常都是在成熟電力機車或動車組的基礎上集成柴油機組，油箱容積大多為4 000 L 以內(nèi)，主要應用于調(diào)車任務和短距離干線旅客運輸，我國正在研制適用于牽引長距離普速旅客列車的混合動力機車，在六軸電力機車平臺上進行柴油機的集成。

2 油電混用機車運用需求分析

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

2.1 內(nèi)電跨線運行需求

在內(nèi)燃區(qū)段和電氣化區(qū)段跨線運行的列車，由于油電機車換掛在站內(nèi)作業(yè)時間較長，影響車站接發(fā)車能力。運行圖技術資料規(guī)定非直供電旅客列車換掛作業(yè)時間為11 min，直供電旅客列車換掛作業(yè)時間為15 min。通過寫實發(fā)現(xiàn)，因為各站咽喉區(qū)長度、作業(yè)繁忙程度、交叉進路、機待線位置等多因素影響，在規(guī)定的標準時間內(nèi)很難完成機車換掛作業(yè)，實際作業(yè)時間一般為15 ～ 18 min。以中國鐵路沈陽局集團有限公司（以下簡稱“沈陽局集團公司”）為例，營業(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，沈陽局集團公司部分旅客列車換掛情況如表2所示。

表2 沈陽局集團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）在沈陽北站內(nèi)燃機車換掛電力機車為例，說明機車換掛對車站通過能力的影響。沈陽北站為沈陽局集團公司管內(nèi)日均辦理旅客列車數(shù)量最多的車站，按2021年3季度運行圖計，沈陽北站普速場共開行旅客列車86對/d，到發(fā)線平均辦理旅客列車數(shù)為10.7對/d。K430次機車換掛作業(yè)時間為18 min，摘頭機車轉(zhuǎn)線、入段、掛頭機車入線均占用咽喉進路和到發(fā)線，導致沈大線（沈陽—大連）上、下行線，沈大高速鐵路（沈陽北—大連北）下行線，京哈線（北京—哈爾濱）上、下行線接發(fā)車進路均不能開放，影響第14至16道接發(fā)上述方向列車。油電混用機車不需機車換掛即可便捷轉(zhuǎn)換動力源，滿足電氣化和非電氣化鐵路跨線銜接需求，減少因機車換掛作業(yè)額外占用咽喉和到發(fā)線的時間，有利于提高車站通過能力。

2.2 旅客乘車舒適性需求

直供電旅客列車在途中進行機車換掛時，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行，僅維持照明、電熱開水器等基本設備，空調(diào)設備停止運轉(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車換掛和正常運行時（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。新型油電混用客運機車在內(nèi)燃模式和電力模式下，列車供電功率分別為895 kW和800 kW，無需加掛發(fā)電車即可保證車廂內(nèi)各種設備的正常運轉(zhuǎn)，不僅可增加列車編組，降低運營成本，還可提高旅客乘車舒適性。

2.3 應急救援需求

由電力機車牽引的普速列車在電氣化區(qū)段運行時，車內(nèi)各種設備用電均直接從接觸網(wǎng)上取電，由于接觸網(wǎng)具有露天設置、機電合一、沒有備用、動態(tài)工作等特殊性，因而一旦接觸網(wǎng)發(fā)生故障將會直接影響牽引供電系統(tǒng)的正常運行，嚴重時還會中斷電氣化鐵路的行車功能[9]。油電混用機車采用內(nèi)燃和電力2種動力源，可實現(xiàn)電氣化線路故障時自救，保證了列車的正常運行。同時，當線路上的其他列車發(fā)生故障時，油電混用機車可充當救援列車，有利于提高鐵路應急救援能力。

3 油電混用機車運用模式

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

3.1 編組輛數(shù)

普速旅客列車由機車和車輛組成，機車編掛客車輛數(shù)受站臺長度和到發(fā)線有效長度限制?？紤]停車附加距離要求，客貨共線鐵路旅客列車到發(fā)線有效長組成如圖1所示。目前，我國正在研制的油電混用機車是在六軸電力機車平臺上進行柴油機的集成，機車長度為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，不同條件下油電混用機車編掛客車輛數(shù)適用的到發(fā)線有效長如表3所示。

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

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

3.2 運用場景

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

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效率，這三者中以列車質(zhì)量對牽引能耗的影響最大[11]。油電混用機車由于同時搭載了2套動力設備，如自重較大的內(nèi)燃機引擎、燃油以及電動機，導致機車自重較大，油電混用機車牽引模式會增加列車牽引能耗。因此，為分析油電混用機車適用場景，采用列車牽引計算與能耗測算系統(tǒng)，在電氣化區(qū)段和內(nèi)燃區(qū)段不同長度比例下，均采用16節(jié)編組25T客車底，對比分析油電混用機車牽引模式與傳統(tǒng)機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結果的影響，采用歸一法對數(shù)據(jù)進行標準化處理，1 kW·h能耗按1元計，1 L燃油按10元計，油電混用機車模式與傳統(tǒng)機車換掛模式下牽引能耗對比如表4所示。

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

表4 油電混用機車模式與傳統(tǒng)機車換掛模式下牽引能耗對比Tab.4 Comparison of traction energy between hybrid locomotive mode and traditional locomotive replacing mode

3.3 修程修制

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

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

4 結束語

與傳統(tǒng)的單一動力源機車相比，油電混用客運機車無需機車換掛即可實現(xiàn)內(nèi)燃/電力牽引模式的便捷轉(zhuǎn)換，具有提高車站運輸組織效率和旅客服務水平的優(yōu)勢，運用前景廣闊。結合油電混用客運機車的運用優(yōu)勢和運輸需求，科學合理地確定油電混用機車適用的到發(fā)線長度、線路情況以及修程修制，提出油電混用客運機車運用模式，為新型機車的研發(fā)提供理論依據(jù)。未來還需進一步深入分析油電混用客運機車經(jīng)濟效益，為其推廣應用提供決策支撐。