高 華

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

氫能源是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源,正逐步成為全球能源轉型發(fā)展的重要載體之一[1-3]。

我國研制了世界上首列氫能源有軌電車,并在佛山建設了首個氫能源軌道交通項目。制式選擇與線路方案設計是軌道交通建設中影響全局的重大決策,對工程建設、運營以及沿線的環(huán)境產(chǎn)生長久而深遠的影響,一旦決策失誤,將造成巨大損失,且后期難以消除[4-5]。工程技術經(jīng)濟數(shù)據(jù)與經(jīng)驗是進行軌道交通制式選擇的重要參考,也是線路設計時對方案進行評價的必備指標[6]。但由于氫能源屬于一種全新的軌道交通制式,相關研究成果總體較少,而且大部分都集中在氫能源車輛、加氫、儲氫等技術領域[7-10],對于控制整個工程項目的技術經(jīng)濟性研究卻鮮有公開報道。這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的缺乏給軌道交通制式選擇與線路方案比選等重大決策帶來極大困難[11-13]。

因此本文依托佛山南海區(qū)氫能源有軌電車里水段工程項目,對接觸網(wǎng)、超級電容、氫能源3種制式條件下的工程項目技術經(jīng)濟性開展了系統(tǒng)、深入的量化分析對比研究,包括車輛限界、土建工程、機電設備、車輛基地、運營成本等方面。為軌道交通制式的比選提供量化的科學決策依據(jù),為氫能源有軌電車的線路方案設計與評價提供重要的技術經(jīng)濟指標。

佛山市南海區(qū)有軌電車里水示范段工程項目中采用氫能源有軌電車,充分響應國家能源發(fā)展戰(zhàn)略,南海區(qū)部分氫能技術已接近國際先進水平,但整體核心技術與國外先進水平依然有差距。本文介紹了氫燃料有軌電車在南海區(qū)示范工程中的實際應用及關鍵技術的探索思考,對促進氫能源有軌電車技術的自主創(chuàng)新及成果轉化,推動具有自主知識產(chǎn)權的關鍵核心技術產(chǎn)業(yè)化有積極的應用價值,對以后建立成套標準體系,科學、合理地制定車輛購置、降低氫氣銷售價格,進一步拓寬氫能應用場景,發(fā)展氫能市場亦將起到示范推動作用。

1 南海區(qū)有軌電車里水示范段工程

南海區(qū)有軌電車里水示范段工程項目起于里湖新城站,經(jīng)環(huán)鎮(zhèn)北路、草場工業(yè)大道、里廣路,止于里橫路站,線路全長9.834 km,全線共設車站13座,車輛基地1座。由于車輛采用氫能源,需對整車、供氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)及電動驅動系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的核心參數(shù)及技術指標體系進行研究,對車輛基地的土地開發(fā)和運營成本亦進行了研究。

2 應用比較分析

2.1 供電制式

目前國內(nèi)有軌電車的供電制式主要有接觸網(wǎng)、超級電容、氫能源等[14]。

接觸網(wǎng)有軌電車技術成熟可靠,路權設置靈活,在國內(nèi)天津、蘇州、沈陽等城市得到應用。超級電容有軌電車兼有物理電容器和電池的特性,在車站及車輛基地設置充電裝置,車輛利用停站時間充電,在國內(nèi)廣州、深圳、武漢、淮安等城市得到應用。氫能源有軌電車利用氫燃料電池將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能,完全取消受電弓和接觸網(wǎng),實現(xiàn)污染物“零排放”和全程“無網(wǎng)”運行。燃料電池通過化學反應將電能事先儲存在動力電池中,由動力電池向電機發(fā)電。氫燃料電池只會產(chǎn)生水和熱,燃料電池運行安靜,噪聲強度約為55 dB[15-18]。氫燃料電池目前在中車青島四方和中車唐客生產(chǎn)的有軌電車中得到應用,已在佛山市高明區(qū)現(xiàn)代有軌電車示范線運營。國內(nèi)有軌電車供電制式情況如表1所示。

表1 國內(nèi)有軌電車供電制式情況

2.2 系統(tǒng)方案

2.2.1 車輛及限界

根據(jù)目前國內(nèi)主要車輛廠商資料,各種供電制式有軌電車車輛尺寸及載客量分別見表2～表4,車輛限界見表5。

表3 接觸網(wǎng)車輛尺寸及載客量

表4 超級電容車輛尺寸及載客量

表5 各種供電制式有軌電車車輛限界

2.2.2 土建工程

(1)車站

對于地面站,采用氫能源供電時,軌頂面以上建筑限界高度為4 200 mm;當采用接觸網(wǎng)供電時,軌頂面以上建筑限界高度為4 600 mm;當采用超級電容供電時,軌頂面以上建筑限界高度為4 500 mm。

(2)路基

南海區(qū)有軌電車里水示范段工程路基采用接觸網(wǎng)供電時,地面區(qū)間直線段最小線間距為4.1 m,較氫能源方式3.6 m增加了0.5 m,路基填料及地基處理范圍均有增加。

(3)橋梁

氫能源有軌電車與超級電容、接觸網(wǎng)有軌電車荷載基本一致,三種車輛對應的荷載、豎向限界對橋梁結構基本無影響。氫能源與超級電容有軌電車平面線間距相同,均為3.6 m,采用接觸網(wǎng)供電時,高架區(qū)間直線段最小線間距為4.1 m,較氫能源及超級電容方式3.6 m增加了0.5 m。雙線橋相應橋梁寬度增加0.5 m,單線橋寬度不變。圖1為某大橋施工現(xiàn)場。

圖1 里水有軌電車項目某大橋施工現(xiàn)場

(4)隧道

氫能源有軌電車與接觸網(wǎng)、超級電容有軌電車的平面限界相同,但豎向限界氫能源有軌電車為4 200 mm,接觸網(wǎng)及超級電容有軌電車為4 500 mm。

(5)軌道

采用接觸網(wǎng)供電時,需要在道床里面設置一定的鋼筋排流截面,且所有的道床縫兩端均需要設置防雜散電流連接端子;可以減少加氫線軌道的布置數(shù)量,采用超級電容供電時,軌道的道床方案與氫能源方式相比沒有差異,但同樣可以減少加氫線軌道的布置數(shù)量。

2.2.3 機電設備

(1)牽引供電系統(tǒng)

如采用接觸網(wǎng)供電,推薦采用DC750V架空接觸網(wǎng)進行供電,全線設置牽引變電所6座,其中1座為車輛段專用,正線2座牽引變電所兼做開閉所。如采用超級電容,可利用車輛的停站時間進行快速充電,一般采用每個車站都設置充電站或者隔站設置充電站的方式。如采用氫能源,不需牽引供電。

(2)信號系統(tǒng)

采用氫能源供電時,信號中心調度管理子系統(tǒng)可采集加氫站中央監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)對加氫站運行狀態(tài)及參數(shù)的安全監(jiān)控。采用接觸網(wǎng)或超級電容時,則無需設置加氫站,無需采集加氫站及氫能源有軌電車實時數(shù)據(jù)及監(jiān)控。

(3)火災自動報警系統(tǒng)

采用接觸網(wǎng)供電時,火災自動報警系統(tǒng)與車輛供電制式無關,但在車輛段的聯(lián)合車庫由于有接觸網(wǎng)的存在,在消防聯(lián)動過程中需先把接觸網(wǎng)供電斷開方可實施自動噴水滅火救援。采用超級電容供電時,火災自動報警系統(tǒng)與車輛供電制式無關,按規(guī)范設置火災地洞報警系統(tǒng)即可。采用氫能源制式供電時,火災自動報警系統(tǒng)需考慮列車存放及在隧道段行駛時氫氣外漏的情況,需增加可燃氣體探測系統(tǒng)(氫氣濃度探測)。

(4)給排水及消防

采用接觸網(wǎng)供電時,地下車站及區(qū)間設置消防水池并設置消防泵進行加壓,車輛基地主要設置室外消火栓系統(tǒng)、室內(nèi)消火栓系統(tǒng)和滅火器等。采用超級電容供電時,方案與接觸網(wǎng)制式一致。采用氫能源制式時,地下車站及區(qū)間設置消防水池并設置消防泵進行加壓。水消防火災持續(xù)時間按3 h考慮。對于地下站及地下區(qū)間,接觸網(wǎng)、超級電容制式的給排水及消防方案均沒有區(qū)別。由于氫能源制式的水消防火災持續(xù)時間按3 h考慮,相對于接觸網(wǎng)、超級電容制式火災持續(xù)時間2 h而言,需設置更大容積的消防水池。

(5)通風與空調

采用氫能源制式時,地下車站采用大開口滿足自然通風,地下區(qū)間盡量采用大開口+封閉段設置射流風機結合的方式,聯(lián)合車庫頂部做自然通風器并設置事故通風機。采用接觸網(wǎng)供電時,地下車站采用較小的開口滿足自然通風,地下區(qū)間可完全封閉采用射流風機通風,聯(lián)合車庫主要采取自然通風,無需事故通風。采用超級電容供電時,地下車站及地下區(qū)間同接觸網(wǎng)有軌電車,聯(lián)合車庫自然通風并設置事故排風系統(tǒng)。

2.2.4 車輛基地

(1)站場

采用接觸網(wǎng)或超級電容供電時,不需設置加氫站或加氫線,相應用地面積、股道長度、道岔數(shù)量、水溝長度等均可以減小。氫能源有軌電車與接觸網(wǎng)、超級電容有軌電車相比,車輛段站場征地面積增加約3 667 m2。車輛基地站場平面布置如圖2所示。

圖2 里水有軌電車項目車輛段平面

(2) 建筑

3種制式在車輛段建筑上,主要區(qū)別在于聯(lián)合車庫這一單體。首先在建筑平面布局上,3種制式在庫房內(nèi)線間距一致,沒有區(qū)別;在建筑高度上,接觸網(wǎng)制式需要在庫房內(nèi)安裝接觸網(wǎng),超級電容制式需要在車輛頂部安裝充電軌,因此,接觸網(wǎng)和超級電容的庫房建筑高度要比氫能源制式的高2 m左右;在防火構造措施上,采用氫能源制式的庫房,其鋼梁防火需采用厚涂型鋼防火涂料,同時聯(lián)合車庫四周墻體由磚墻改為雙層壓型鋼板保溫墻,環(huán)氧自流平地面改為不發(fā)火環(huán)氧砂漿地面。圖3為綜合樓施工現(xiàn)場。

圖3 里水有軌電車項目車輛段綜合樓施工現(xiàn)場

2.3 運營成本

2.3.1 投資分析

里水有軌電車初期上線列車12列,全天開行108對車次,運營線路長度為9.7 km,全天行駛里程約2 250列·km。

在目前條件下,采用氫能源有軌電車運營的能源成本比接觸網(wǎng)有軌電車增加約895萬/年,比超級電容有軌電車增加約811萬元/年。

由于車輛供電方式、限界不同,南海區(qū)有軌電車里水示范段工程項目采用氫能源有軌電車時,與接觸網(wǎng)有軌電車相比,工程費增加6 138.1萬元,征地費用增加約1 274.2萬元;與超級電容有軌電車相比,工程費增加7 981.5萬元,征地費用增加約1 594.7萬元[19-21]。

本項目涉及氫氣概算1.41億元,技術經(jīng)濟指標為0.14億元/正線公里。目前南海區(qū)氫能源的價格是55元/kg,根據(jù)南府辦[2020]3號文《佛山市南海區(qū)促進加氫站建設運營及氫能源車輛運行扶持辦法(修訂)的通知》和南府辦函[2022]47號文《佛山市南海區(qū)推進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃(2022—2025年)》文件,氫氣銷售價格將持續(xù)下降至35元/kg及以下[22-25]。

2.3.2 電堆成本

采用氫能源供電時,目前國內(nèi)氫能源電堆使用壽命最高為20 000 h(折合3年),按初期12列車計,氫能源電堆的維修維護成本約480萬元/年。采用接觸網(wǎng)供電時,無電堆維修維護費用。采用超級電容供電時,超級電容壽命為10年,更換超級電容電池的費用約190萬元,折算費用約19萬元/年,按初期12列車計,超級電容維修電池的維護成本約228萬元/年。在電堆方面,氫能源有軌電車比接觸網(wǎng)有軌電車維修維護成本增加約480萬元/年,比超級電容有軌電車維修維護成本增加約252萬元/年。

3 結語

本文以佛山南海區(qū)有軌電車里水示范段工程項目為依托,通過氫能源有軌電車在路基、橋梁、牽引供電等設計方面的研究創(chuàng)新,挖掘了氫能產(chǎn)業(yè)和軌道交通產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢,對于培育地方經(jīng)濟發(fā)展新的增長極,有效提升氫能產(chǎn)業(yè)的知名度和影響力起到了推動示范作用。本項目氫能源價格的確定,對實現(xiàn)軌道交通領域的“去碳化”,引領國內(nèi)有軌電車走向“綠色交通,低碳發(fā)展”的道路有一定的指導作用。