王月仙

WANG Yue-xian

（中國鐵道科學研究院 研發(fā)中心，北京 100081）

(Railway Science & Technology Research and Development Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

關于動車組列車能耗影響因素的研究

王月仙

WANG Yue-xian

（中國鐵道科學研究院 研發(fā)中心，北京 100081）

(Railway Science & Technology Research and Development Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

在分析國內外列車能耗影響研究現狀的基礎上，通過采用動車組列車能耗計算機仿真手段，以京津城際鐵路、武廣高速鐵路為例，選取動車組車型、速度等級、停站次數、線路條件等對動車組列車能耗影響的 4 個主要因素，對 CRH2C和 CRH3 型動車組列車能耗進行仿真計算。仿真計算結果顯示，動車組車型、速度等級、停站次數、線路條件對動車組列車能耗影響與理論分析相符，研究結論為有關部門有效控制動車組列車能耗提供理論支撐。

動車組列車；能耗；仿真計算；影響因素

1　國內外列車能耗影響研究現狀

隨著鐵路部門大運量、高密度、公交化運輸組織模式的逐漸成熟和各項便民利民舉措的完善配套，乘坐低碳、環(huán)保、綠色的高速鐵路列車出行成為越來越多人的選擇。在鐵路部門投入大量動車組列車運營的情況下，有效控制或減少動車組列車能耗具有重要的現實意義。

針對列車能耗影響因素的研究一直是國內外學者關注的焦點。在國外方面，Danziger N H[1]提出降低整個軌道交通的能耗，需要采用整合軌道交通系統(tǒng)的方法來解決，即需要考慮到各個主要軌道交通子系統(tǒng)之間的整合，分析影響和控制軌道交通系統(tǒng)整體能耗評價的關鍵因素，確保系統(tǒng)軌道交通整體能耗的降低；Hoyt E V等[2]將影響鐵路能耗的因素分為列車屬性、地理屬性，以及其他不可預測的變化因素等；IFEU (Institute for Energy and Environmental Research Certer) 和 SGKV[3](Association for Study of Combined Transport) 所做的研究報告顯示計算鐵路燃油時應考慮機車牽引類型、列車編組信息、線路屬性、司機操作方式和空氣阻力等影響因素；Lukaszewicz P[4]根據對瑞典鐵路的統(tǒng)計數據分析，認為鐵路運輸能源消耗量主要受軌道線路參數、鐵軌類型、機械和物理參數、乘務員駕駛策略及外部因素的影響，如風和氣候等因素影響，并根據牽引力、速度、加速度、惰行率、機車轉換效率和車輪半徑、傳動比公式等參數提出了估算列車能耗的方法；Yeh S T[5]采用仿真的方法研究了縱截面、技術參數中的速度及站間距對能耗的影響。Andersson 和 Lukaszewicz 提出確定列車運行阻力的新方法 (Energy Coasting Method)，通過采用仿真的方法研究速度、輪軸數量、軸重、列車長度，以及駕駛員行為對列車能耗的影響。在國內方面，史茂通過計算車站作業(yè)時間增加、途中停車和減速、駕駛員操作不當等帶來的燃油增加，分析了鐵路機車能耗；薛艷冰等[6]通過分析機車性能、線路屬性等因素對列車牽引能耗的影響，提出一種能耗計算方法；張燕燕研究軌道交通實際運營的線路條件、車輛選型、預測客運量等因素對其車載能耗的影響，對車站能耗的影響因素及影響程度進行定量分析；石靜雅對軌道交通能耗影響因素如運營長度、載客量、線路條件、車輛型號、節(jié)能設備及季節(jié)等進行分析；王玉明將列車運行能耗中影響因素區(qū)分為基礎設施與運輸組織模式 2 大類，重點分析基礎設施中運行能耗涉及的列車屬性和線路條件；馮佳從技術因素與設施條件、組織與管理因素 2個方面對軌道交通能耗影響因素進行比較分析，通過灰色關聯分析法得出“能耗主要影響因素有機車輔助牽引能耗、技術速度、速度均衡控制及滿載率”的結論。

綜上分析，目前缺少對 CRH 系列動車組列車能耗影響因素的分析。為此，通過采用計算機仿真手段，選擇 CRH 型動車組列車在實際線路條件下進行多種工況條件下的仿真計算，分析各影響因素對動車組列車能耗的影響。

2　動車組列車能耗仿真計算

2.1計算條件

動車組列車條件：采用 CRH2C (CRH2 型動車組的一種，其最高運營速度為 350 km/h)、CRH3 型動車組。

線路條件：京津城際鐵路 (北京南—天津)，全長 119.4 km；武廣高速鐵路 (武漢—廣州南)，全長946 km。

根據國內外研究可知，列車運行能耗主要受機車屬性、線路屬性、運行狀態(tài)等因素影響[7-10]。因此，選取動車組車型、最高限速、停站次數、線路條件等 4 個主要因素進行研究，針對 2 種動車組列車在不同最高限速、不同停站次數、不同線路條件的動車組列車能耗進行仿真計算。

2.2仿真計算分析

2.2.1動車組車型對動車組列車能耗的影響

以京津城際鐵路為例，采用 CRH2C 和 CRH3型動車組列車進行仿真計算，采用動車組牽引能耗仿真計算軟件得到最高速度分別為 350 km/h 和300 km/h 時的動車組列車能耗值，計算結果如表1 所示。

根據仿真計算結果分析如下。①最高運行速度350 km/h 時，當 CRH2C 的總能耗為 2 086.38 kW · h、CRH3 的總能耗為 2 420.37 kW · h 時，CRH3總能耗比 CRH2C 高約 16%；當 CRH2C 的萬噸公里單位能耗為 424.58 kW·h、CRH3 的萬噸公里單位能耗為386.67 kW·h 時，CRH3 的萬噸公里單位能耗比CRH2C 低約 8.9%。②最高運行速度 300 km/h時，當 CRH2C 的總能耗為 1 940.09 kW · h，CRH3 的總能耗為 2 312.01 kW · h，CRH3 的總能耗比 CRH2C高約 19%；當 CRH2C 的萬噸公里單位能耗為 394.81 kW · h、CRH3 為 369.36 kW · h 時，CRH3 萬噸公里單位能耗比 CRH2C 低約6.4%。由此可見，CRH2C在節(jié)能降耗方面明顯具有優(yōu)勢，運行速度對動車組列車能耗影響較大，從 300 km/h 到 350 km/h，2 種車型的能耗都升高 5%～12% 左右。

表1　京津城際鐵路 CRH2C、CRH3 動車組列車能耗仿真計算結果

2.2.2速度等級對動車組列車能耗的影響

采用 CRH2C 和 CRH3 型動車組進行京津城際鐵路下行線運行方向的仿真計算，最高限制速度分別按照 300 km/h、330 km/h、350 km/h，其中最高速度限制區(qū)段為 K6+867—K107+305，其他區(qū)段限速依據線路工務數據。京津城際鐵路不同速度等級下的動車組列車能耗比較如表2 所示，京津城際鐵路 CRH2C 及 CRH3 能耗指標比較如圖1 所示。

按照輔助能耗與牽引能耗 15 ∶ 100 考慮，京津城際鐵路最高限速 350 km/h 情況下試驗結果比較，動車組列車能耗數據差異在 5% 之內，仿真計算結果準確可靠。根據仿真計算結果分析如下。

（1）隨著最高限制速度的逐步提高，CRH2C、CRH3 這 2 種動車組車型的各項能耗指標均表現出明顯的上升趨勢。最高限速每增加 1%，CRH2C 型動車組列車總能耗增加 1.3%～1.5%，CRH3 型動車組列車總能耗增加 1.3%～1.6%。

（2）在同一最高限制速度等級下，CRH3 型動車組列車總能耗高于 CRH2C 型，在最高限速為300 km/h、330 km/h、350 km/h 情況下分別高出424.9 kW · h、523.3 kW · h、560.4 kW · h，再次印證了 CRH2C 在節(jié)能降耗方面明顯具有優(yōu)勢。

表2　京津城際鐵路 CRH2C、CRH3 不同速度等級下的動車組列車能耗比較

（3）由于 2 種型號動車組列車的定員數比較接近且 CRH2C 略高 (CRH2C 為 610 座，CRH3 為 601座)，相同最高限速等級下 CRH3 型的運輸周轉量指標萬人公里能耗高于 CRH2C 型。但是，由于 CRH3型動車組列車的計算總重明顯大于 CRH2C 型(CRH2C 為419.6 t，CRH3 為 536 t)，因而在相同最高限速等級下，CRH3 型動車組列車的牽引質量周轉量指標萬噸公里能耗低于 CRH2C 型。

圖1　京津城際鐵路 CRH2C 及 CRH3 動車組列車能耗指標比較

2.2.3停站次數對動車組列車能耗的影響

采用 CRH2C 型動車組列車進行武廣高速鐵路下行運行方向的仿真計算，最高限制速度為 350 km/h，對不同起停次數工況下的動車組列車能耗進行仿真計算。武廣高速鐵路 CRH2C 不同起停次數工況下動車組列車能耗計算結果如表3 所示，武廣高速鐵路 CRH2C 型動車組列車不同起停次數能耗比較如圖2 所示。

表3　武廣高速鐵路不同起停次數工況下CRH2C 型動車組列車能耗計算結果

圖2　武廣高速鐵路 CRH2C 型動車組不同起停次數能耗比較

根據仿真計算結果分析可見：最高限制速度為 350 km/h 的運行條件下，直達工況與停 1 站工況的動車組列車能耗無明顯差異；而在站站停 (停 16 站) 工況下，動車組列車總能耗明顯上升，萬噸公里及萬人公里周轉量能耗指標也隨之增大。武廣高速鐵路與京津城際鐵路CRH2C 型動車組列車在最高限制速度為350 km/h 工況下動車組列車總能耗仿真結果相比，萬噸公里及萬人公里周轉量能耗指標無明顯差異。

動車組列車啟動時，發(fā)動機做功、將電力轉化為動能；停車時，制動系統(tǒng)產生的摩擦力做功，列車動能將會損失。因此，動車組列車起停過程均需要消耗電力做功，其中更以啟動能耗消耗為主。運用仿真手段對動車組列車啟動加速過程進行單獨分析，京津城際鐵路 CRH2C 和 CRH3 型動車組列車啟動過程牽引耗電量計算結果如圖3 所示，京津城際鐵路 CRH2C 和 CRH3 動車組列車啟動過程能耗占比如表4 所示。

圖3　京津城際鐵路 CRH2C 和 CRH3 型動車組列車啟動過程牽引耗電量

根據仿真計算結果分析如下。①在京津城際鐵路里程約為 120 km 的線路上，動車組列車啟動牽引能耗占到了全程牽引能耗相當大比例，而且隨著最高運行速度的提高，CRH2C、CRH3 這 2 種車型的動車組列車啟動能耗的絕對值和占全程能耗比例指標均呈現明顯的增長趨勢，尤其在最高運行速度為 350 km/h 時，CRH2C 和 CRH3 型動車組列車啟動能耗分別占到了全程能耗的 50% 和 60%。②比較 CRH2C、CRH3 這 2 種車型，在同一最高運行速度下，CRH3 型動車組列車啟動牽引能耗明顯高于CRH2C 型，而且隨著最高運行速度的提高，這種差距愈發(fā)明顯。

表4　京津城際鐵路 CRH2C 和 CRH3 動車組列車啟動過程能耗占比

由此可見，列車的最高運行速度越高，停站次數對動車組列車能耗的影響越大，因而在滿足客流需求情況下，盡量減少列車停站。

2.2.4線路條件對動車組列車能耗的影響

京津城際鐵路和武廣高速鐵路分別選用相同運行速度，對其運用 CRH2C 動車組列車進行仿真計算。由于京津城際鐵路和武廣高速鐵路里程差異及運行工況不同，導致能耗差異近 30%。京津城際鐵路與武廣高速鐵路萬噸公里能耗比較如表5 所示。

表5　京津城際鐵路與武廣高速鐵路萬噸公里能耗比較

線路條件不同對能耗產生影響的主要原因有坡道和曲線等因素。在上坡過程中，動車組列車需要克服重力做功；在轉彎過程中，動車組列車需要克服離心力做功。由于京津城際鐵路與武廣高速鐵路線路情況不同，武廣高速鐵路的設計標準較高，線路曲線半徑大、坡度小，因而武廣高速鐵路的附加能耗消耗小，仿真計算結果與理論分析相符。

3　研究結論

（1）動車組類型。動車組類型是指不同類別動車組列車由于其牽引特性、外型特征、功率及能耗利用效率等方面特征造成其能耗差異。從全路目前配屬的動車組車型來看，各型動車組列車的差異主要體現在以下方面。①動車組列車再生制動臨界值。例如，CRH1 型動車組列車再生制動臨界值為 45 km/h，CRH2 型動車組列車再生制動臨界值為 15 km/h，CRH3 型動車組列車再生制動臨界值為70 km/h。從能源消耗的角度而言，動車組列車在運行速度大于臨界值時實施制動，均可以將一部分動能轉化成電能反饋至接觸網，相對節(jié)能，而再生能源的利用將根據不同車型存在差異。②動車組車體主要參數。不同車型車體自重和總重存在差異，相對較輕的車體非常有利于降低能源消耗。③動車組輔助功能設備的差異。動車組輔助功能通常包括照明、恒溫、車廂通風等，這些功能大約消耗動車組列車運行過程中所需能耗的 3%～10% 左右，動車組車型不同，舒適功能設備的功率大小不同，對動車組列車能源消耗的影響也不同。由此可見，根據京津城際鐵路和武廣高速鐵路 2 種動車組列車的仿真計算結果，最高運行速度為 300～350 km/h時，CRH3 型動車組列車總能耗比 CRH2C 型高約16%～19%，CRH2C 型動車組列車在節(jié)能降耗方面具有明顯優(yōu)勢。

（2）動車組列車技術速度。動車組列車牽引能耗主要用來克服運行阻力做功，運行速度與阻力大小存在非線性上升的關系，隨著動車組列車運行速度的增加，動車組列車運行阻力也將顯著增加。在動車組列車運行速度 300 km/h 及以上時，牽引能耗的 70% 以上均用于克服空氣阻力來做功，因而動車組列車的運行速度對牽引能耗影響顯著。京津城際鐵路和武廣高速鐵路隨著最高限制速度的逐步提高，CRH2C 和 CRH3 型動車組列車的各項能耗指標均表現出明顯的上升趨勢，最高限速每增加 1%，CRH2C 型動車組列車能耗增加 1.3%～1.5%，CRH3 型動車組列車能耗增加 1 .3%～1.6%。

（3）運營狀況。運營狀況是指動車組列車在運行過程中由于線路坡度、牽引質量、運行速度等運營條件不同造成運輸過程中功率消耗產生差異。運營狀況是對動車組列車能耗影響最大的因素，也是最重要、最復雜的環(huán)節(jié)。運營狀況涉及線路坡度、曲線半徑、列車編組、運行速度、起停次數等諸多因素，以及由地區(qū)差異引起的氣候、氣壓變化等。另外，在列車運行過程中，啟動過程的耗能占比較大，而且隨著動車組列車最高運行速度的提高，停站次數對動車組列車能耗的影響越大。因此，在滿足客流需求情況下，應盡可能減少列車停站。

（4）司機操縱。司機操縱主要指列車在運行過程中，由于操作方式的不同對動車組列車能耗造成的影響。操作技術熟練程度不同的司機，在擔當相同出行任務時所產生的能耗值會大不相同。司機對線路情況熟悉，操縱手法流暢，有利于節(jié)約能源。

（5）其他因素。動車組列車能耗還受到動車組屬性、線路屬性、編組情況、運行狀態(tài)、大氣壓力、季節(jié)溫度等一系列復雜因素影響，應精確預測動車組能耗，還需要對仿真軟件中的模型進行進一步的完善。

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責任編輯：楊 倩

Study on Influence Factors of EMU Train Energy Consumption

Based on analyzing the study present situation of influence of train energy consumption in China and foreign countries, by using the approach of computer simulation of EMU train energy consumption, taking Beijing-Tianjin inter-city railway and Wuhan-Guangzhou high-speed railway as the examples, the 4 main factors influencing EMU train energy consumption are selected, which include EMU type, speed grade, stopping times and line conditions, and simulation on CRH2C and CRH3 trains energy consumption are taken. The simulation result shows the influence of the 4 main factors on EMU train energy consumption are in accordance with theoretical analysis, and the research conclusion provides theoretical support for relative departments to effectively control EMU train energy consumption.

EMU Train; Energy Consumption; Simulation Calculation; Influence Factor

1003-1421(2016)06-0084-06

U298.5；TP391.7

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.06.17

2016-05-01

中國鐵道科學研究院創(chuàng)新基金項目(1151GC6302)