黃　金， 劉詩(shī)佳

(1　中國(guó)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(kāi)發(fā)公司， 北京 100094)

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京滬高速動(dòng)車組速度目標(biāo)值與列車能耗問(wèn)題的研究及探討

黃金1， 劉詩(shī)佳2

(1中國(guó)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(kāi)發(fā)公司， 北京 100094)

動(dòng)車組能耗水平是決定高速鐵路運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)鍵因素，其大小取決于運(yùn)營(yíng)速度目標(biāo)值的選擇。依據(jù)新一代高速動(dòng)車組京滬先導(dǎo)段的能耗測(cè)試結(jié)果，提出一種長(zhǎng)距離多工況下列車牽引能耗估算方式。估算不同速度級(jí)直達(dá)開(kāi)行方式下京滬全程高速列車的牽引能耗，比較不同速度級(jí)下總牽引能耗大小、牽引能耗組分、運(yùn)行時(shí)間，以此作為選定京滬高速動(dòng)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(dòng)車組一站直達(dá)開(kāi)行方式選擇300 km/h作為速度目標(biāo)值相比其他速度級(jí)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(yàn); 能耗估算

從旅客角度來(lái)說(shuō)，旅行時(shí)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(dòng)車組具有運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)時(shí)、污染小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院對(duì)京滬高速鐵路的運(yùn)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(jià)，并將京滬旅行時(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(dòng)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(gè)主要因素：牽引能力、制動(dòng)性能、能耗、運(yùn)行時(shí)分、環(huán)保要求。對(duì)于經(jīng)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，動(dòng)車組能耗對(duì)節(jié)能及保證運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要。兼顧速度目標(biāo)值和運(yùn)營(yíng)能耗，需要掌握區(qū)間內(nèi)運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組在不同速度級(jí)的能耗水平。以京滬高鐵先導(dǎo)段兩種國(guó)產(chǎn)新一代高速動(dòng)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(dòng)車組牽引性能

高速動(dòng)車組輪周牽引功率決定了列車加速性能及動(dòng)車組加速過(guò)程中的能耗水平，對(duì)于同樣目標(biāo)速度等級(jí)及長(zhǎng)距離運(yùn)輸情況下，由牽引功率的不同引起的動(dòng)車組加速能耗差異本文不做過(guò)多贅述，僅對(duì)兩種高速動(dòng)車組牽引特性進(jìn)行描述。不同高速動(dòng)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(yùn)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(yàn)過(guò)程中采用兩種高速動(dòng)車組：CRH380AL高速動(dòng)車組、CRH380BL高速動(dòng)車組，兩種高速動(dòng)車組均為16輛編組，部分牽引參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　新一代高速動(dòng)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(dòng)車組牽引功率均不小于設(shè)計(jì)值，對(duì)于350 km/h速度級(jí)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(yàn)過(guò)程中共對(duì)4個(gè)目標(biāo)速度級(jí)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(dòng)車組牽引功率的要求。

由表2可見(jiàn)，對(duì)于CRH380AL動(dòng)車組來(lái)說(shuō)，250，300，330,350 km/h速度目標(biāo)值高速動(dòng)車組牽引功率仍有較大裕量；CRH380BL動(dòng)車組250，300,330 km/h速度目標(biāo)值高速動(dòng)車組牽引功率有較大裕量。

表2　高速動(dòng)車組阻力及最小牽引功率

2　新一代高速動(dòng)車組牽引能耗

由于動(dòng)車組在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，起點(diǎn)有加速過(guò)程，終點(diǎn)有減速過(guò)程，中間線路縱斷面變化較多，存在勢(shì)能的影響，某區(qū)段內(nèi)能耗不能反映動(dòng)車組在特定速度點(diǎn)的能耗水平。從持續(xù)速度運(yùn)行能耗的不同角度對(duì)京滬先導(dǎo)段CRH380AL、CRH380BL高速動(dòng)車組能耗水平進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。持續(xù)速度運(yùn)行能耗為動(dòng)車組在較長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)以持續(xù)目標(biāo)速度運(yùn)行時(shí)的牽引能耗(理論阻力能耗、附加能耗)。分析的目的是說(shuō)明動(dòng)車組在給定速度點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的能耗水平。圖1為持續(xù)速度運(yùn)行能耗組成及計(jì)算方法示意圖，其中動(dòng)車組持續(xù)速度運(yùn)行時(shí)認(rèn)為動(dòng)車組速度始終保持恒定，持續(xù)速度運(yùn)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(dòng)車組平直道惰行阻力,N;S為里程,m。

圖1　持續(xù)速度運(yùn)行能耗組成及計(jì)算方法

2.1京滬先導(dǎo)段實(shí)測(cè)能耗數(shù)據(jù)

對(duì)新一代高速動(dòng)車組京滬先導(dǎo)段綜合試驗(yàn)期間能耗測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。統(tǒng)計(jì)選取京滬先導(dǎo)段K730～K780間50 km長(zhǎng)區(qū)段的實(shí)測(cè)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(dòng)車組以目標(biāo)速度恒速運(yùn)行。

表3　新一代高速動(dòng)車組各速度級(jí)持續(xù)運(yùn)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(dòng)車組與CRH380BL動(dòng)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(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　新一代高速動(dòng)車組各速度級(jí)持續(xù)運(yùn)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(dòng)車組以持續(xù)速度運(yùn)行時(shí)，250 km/h速度級(jí)能耗最小，但其理論阻力能耗比重過(guò)低，從一定程度上造成了能源的浪費(fèi)；300 km/h速度級(jí)比250 km/h速度級(jí)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(jí)能耗相對(duì)300 km/h速度級(jí)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(duì)于250，300，330，350 km/h 4個(gè)速度等級(jí)，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(yùn)行牽引能耗僅為50 km長(zhǎng)度區(qū)間的能耗數(shù)據(jù)，因此對(duì)于動(dòng)車組不同速度目標(biāo)值下京滬全程的能耗和時(shí)間沒(méi)有更加宏觀的認(rèn)識(shí)。采用估算的方式對(duì)不同速度級(jí)下全程能耗和運(yùn)行時(shí)間做一個(gè)定性的判斷。

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

起動(dòng)加速為動(dòng)車組速度從0 km/h加速至目標(biāo)速度的過(guò)程；持續(xù)速度運(yùn)行為動(dòng)車組以目標(biāo)速度持續(xù)運(yùn)行的過(guò)程；過(guò)分相過(guò)程包括動(dòng)車組過(guò)分相時(shí)手柄回零及過(guò)分相后施加牽引力恢復(fù)目標(biāo)速度的過(guò)程；制動(dòng)停車包括動(dòng)車組由目標(biāo)速度制動(dòng)至0的過(guò)程。

圖2　能耗估算中各種工況示意

根據(jù)先導(dǎo)段試驗(yàn)情況采用的各種工況的運(yùn)行距離及牽引能耗見(jiàn)表5、表6。表中均為動(dòng)車組單次起動(dòng)加速、單次過(guò)分相、單次制動(dòng)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(guò)程中的過(guò)分相能耗。

表5　CRH380AL各種工況下運(yùn)行距離及能耗

表6　CRH380BL各種工況下運(yùn)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(dòng)、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(yùn)行時(shí)間估算值見(jiàn)表7。

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

另外，從表中看出，高速動(dòng)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(wú)太大能耗/時(shí)間優(yōu)勢(shì)，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(shí)間

表8　不同速度級(jí)下能耗增量及時(shí)間變化

3　結(jié)束語(yǔ)

以京滬先導(dǎo)段高速動(dòng)車組能耗試驗(yàn)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)動(dòng)車組在250，300，330，350速度級(jí)下的能耗結(jié)果，以此為依托估算不同速度級(jí)下京滬全程動(dòng)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(dòng)車組一站直達(dá)開(kāi)行方式選擇300 km/h作為速度目標(biāo)值相比其他速度級(jí)具有較優(yōu)的能耗水平和經(jīng)濟(jì)效益。

(2)新一代高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)輪周牽引功率完全滿足300 km/h持續(xù)運(yùn)營(yíng)的能力，并有較大功率裕量。僅考慮旅行時(shí)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(jí)更具優(yōu)勢(shì)。

[1]馬大煒. 高速列車及其速度目標(biāo)值的探討 [J]. 中國(guó)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