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也谈地铁列车动力配置问题
发布日期:2018-12-18 10:50:51

也谈地铁列车动力配置问题  
黄隆飞

文章摘要:有人在刊物和网络上发表文章,宣称地铁列车中动车与拖车占比66% 列车(4M2T),在牵引耗能、环保、全寿命期运营成本等方面,优于动拖占比50%列车(3M3T)。本文对地铁B型车的牵引特性研究,证明上述意见与事实不符。动拖占比66% 列车的牵引能耗比50% 列车高4.7%,全寿命期运营成本高,加剧企业亏损。
 
关键词:列车动力配置   动车与拖车   牵引耗电   再生制动   运营成本
 
一  叙言  
        国内地铁使用的车辆有A型、B型、C型三种。列车编组有4动2拖和3动3拖两种形式。前者动拖比为2:1,动车数量占66%,;后者动拖比为1:1,动车数量占50%,。近年有人在媒体上发表地铁列车动力配置文章,宣称动车比例66%以上的列车,在牵引耗能、环保和经济性方面优于50%的列车。建议新老用户和旧线增购列车时,尽量选择66%以上的列车。受此风影响在建的地铁新线,一刀切采用4M2T编组列车,经济适用的3M3T编组列车被淘汰出局。由此增大列车牵引电能消耗,提高运营成本。为叙述方便起见,本文直称4M2T或3M3T编组列车。
       笔者对B型车的牵引特性进行过深入研究。以B型车4M2T及3M3T列车的启动、制动特性曲线图,借助某线长46.769km线路纵断面。做出列车在不同荷载、不同运行速度的牵引计算图480张,整理数据汇总表36张。据此想对网络文章谈点不同看法,与专家们共同探讨。

二  国内地铁的运营实践

1  车辆选型及动力配置

       地铁交流车是在直流车转向架上,以交流牵引电动机取代直流电动机形成的。因为同体积交流电机的牵引力是直流电机的2倍以上。因此,保持列车总功率不变,只需一半车辆配置动力。其他车辆作为拖车。故日本和香港地铁交流车的动车与拖车采用1:1比例。即6辆编组为3M3T,8辆为4M4T,12辆为6M6T。早期修建的北京、天津等城市地铁,动车和拖车比例也采用1:1。初期列车采用4辆2M2T编组运营,远期为3M3T编组。该型列车具有以下优点:

(1) 列车运用灵活,根据客流量大小,初期可采用4辆编组2M2T运行,远期改为6辆编组3M3T运行。提高运营效率。

(2) 3M3T编组列车比4M2T列车可减少牵引电能消耗4.7%,降低运营成本。

(3) 初期客运量较小的线路,采用4辆编组列车运行,可减少运行车公里数50%,降低列车牵引能耗和车辆维修费用。

(4) 初期列车全日平均满载率在50%上下。运营效率高,运营成本低。

       近些年刮起一股加大列车动力之风。列车动拖比采用2:1,即4M2T编组。并称之为 “标准配置”。运营实践证明4M2T编组列车的缺点是,只能6辆编组运行。对于新建线路和客流量不大的线路,列车空驶浪费现象严重。加大运营成本。

现在有的线路动、拖比采用3:1,即6M2T编组。更有甚者,列车采用5M1T编组、牵引电机功率加大为230kw。列车总功率达4600KW。堪比韶山型电力机车。一列不足400t、速度100km/h的地铁动车组,配如此大的动力令人费解。

2  运营效益分析

     城市轨道交通协会公布了,2014年全国22座城市,地铁总运营成本为426亿元,运营收入仅为成本的54%,即年亏损额迏196亿元;去年又公布了2016年城市轨道交通每车公里运营收入及支出情况。其中只有1—2条地铁运营线路的南宁、哈尔滨、西安和青岛等城市亏损较为严重。究其原因是线路日客运量少(5—18万人),采用4M2T编组A型或B型车运营,列车满载率低,空驶浪费严重,运营成本高。如果它们初期采用2M2T编组列车运行,既能减少亏损,又可缩小行车间隔,提高服务水平。\

图1   2016年城轨交通车公里运营收支表

三  对列车动力配置文章的几点质疑

1  关于3M3T列车的故障运行能力

       网文称3M3T列车在一个动力单元发生故障后,只剩下33%的动力,必须在下一站清客退出运营,对运营组织有较大影响”。实际上3M3T列车采用架控模式,以一个转向架作为一个动力单元。在一台牵引逆变器发生故障时把它切除,列车只损失1/6动力。尚有83.3%的动力,而不是33%。
       图2是3M3T超员列车在损失1/3动力时,在43‰坡道上停车再起动的运行速度曲线。列车重启后用13‘52“时间,以40km/h速度到达变坡点。说明3M3T列车应对故障运行的能力很强。


 

2  关于列车旅行速度

       网文认为 4M2T列车的加速度大,可明显提高旅行速度。以上表1的数据,4M2T列车全程运行时间2936秒,3M3T列车3133秒 。按中间站停站30秒,计算他们的旅行速度V
4M2T  V=46769÷(2936+29ⅹ30)ⅹ3.6=44.23km/h,
3M3T  V=46769÷(3133+29ⅹ30)ⅹ3.6=42.06km/h。
       可见4M2T列车的提速效果有限。原因是4M2T列车只是在起动、制动过程中能节省几秒时间,区间两列车的运行速度相同,并不节省时间。

 

3  关于列车牵引能耗问题

       网文认为3M3T列车的牵引能耗远高于4M2T列车。由表1查出 4M2T列车单程牵引耗电量为897.04KWh,3M3T列车为856.89KWh。4M2T列车多耗电40.15KWh,比3M3T列车增加牵引耗电量4.7%。
4M2T列车牵引耗电量高,原因是它多1辆动车和一套牵引电气设备,其质量比3M3T列车重3—4t,增加牵引耗电量是必然结果。

 

4  关于环境污染问题

       网文称4M2T列车,可较充分地利用电气制动,减少摩擦制动闸瓦消耗,保护隧道环境,3M3T列车,闸瓦消耗量是4M2T 列车的几倍、甚至数十倍。由表1查出,4M2T列车全程再生制动电能量为439.94KWh,3M3T列车再生电能为416.96KWh。二者相差22.98KWh。由此可以得出以下结论:
(1)列车的再生电能量取决于再生制动力大小。4M2T列车与3M3T列车的再生电能量相近,说明它们的再生制动力也相近。何谈3M3T列车频繁地施加空气摩擦制动?
(2)列车的制动力取决于列车质量。质量大的列车其再生制动力和再生电能量也大。因为4M2T列车的质量比3M3T列车大3—4t,故其电制动力和再生电能量也大。
(3) 4M2T与3M3T列车的再生电能量和再生制动力相近,与动车数量多少关系不大。


5 关于车辆全寿命期成本问题

       网文称4M2T列车比3M3T 列车在全寿命期成本上拥有较大优势。地铁的运营成本主要包括车辆购置费、车辆维修费、牵引耗电费等。根据表1的数据可对4M2T列车与3M3T 列车全寿命期的主要运营成本做一个大概分析。

(1) 车辆购置费分析   
表1的线路长度为46.796km。以4M2T列车旅行速度44.23km/h计算,系统应配置运用列车35列。以3M3T列车旅行速度42.06km/h计算,系统应配置运用列车需37列。4M2T编组方案可减少2列运用列车。但因4M2T列车多一辆动车,其价格比3M3T列车要高2%—5%,由此4M2T与 3M3T列车的购置费差别不大。

(2) 车辆维修费分析
从车辆日常维修分析,动车的构造复杂,电气设备较多,维修工作量大。拖车的设备数量较少,维修工作量小。在4M2T系统中有动车140辆,拖车70辆; 3M3T系统有动车111辆,拖车111辆。由此判断,动车数量多的方案,维修费自然要高。
从车辆定期检修工作量分析,按地铁设计规范车辆检修周期表27.2.3和车辆寿命期30年计算。每个地铁列车在全寿命期内,需要做2次大修、3次架修、18次定修。4M2T系统的动车数量多,全寿命期维修成本高无可争议。

(3)  列车牵引电费分析
列车牵引用电量,约占地铁总用电量的50%。现以每日开行400个列车,按表1列车全程牵引耗电量,电价0.81元,计算全寿命期车辆的牵引电费支出:
4M2T列车  Q=897.04×400×365×30 ×0.81 =3182518512元=31.825亿元。
3M3T列车   Q=856.89×400×365×30×0.81=3040074342元=30.4亿元。
即全寿命期内4M2T列车,比3M3T列车多支出牵引电费1.42亿元,平均每年多支出474.8万元.

 

四  对车辆动力配置的几点想法

1  加大列车动力之风不可取

       当前盲目加大地铁列车动力之风,其根源在于人们对列车的牵引特性认识不足,对车辆的牵引能力心里无数。实践告诉我们,只要车辆的加速度达到规定标准,其牵引力就够用了。因为牵引电动机具有牛马特性,对大小坡道都能适应。下图3左侧是列车在2‰坡道上运行,因运行阻力小牵引力富裕,车速达到70km/h就断电惰行到前方车站。右图列车在50‰大坡道上运行,因运行阻力大,牵引电机满负荷运转,当牵引力与坡道阻力相平衡时,列车以52km/h速度等速运行。说明3M3T列车对大小坡道都能适应。

     图3  a 在一般坡道上              b 在 50‰坡道上

2  列车牵引能力与动车数量关系不大  

       据查,高铁CHR3动车组采用4M4T编组,CHR2动车组采用6M2T编组,它们最高运行速度均为350km/h。下图4是B型车4M2T和3M3T列车,在德黑兰地铁连续6个50‰上坡道区段的牵引计算图。4M2T列车以68km/h速度,6分55秒通过大上坡道区段;3M3T列车以52km/h速度,8分18秒通过该区段。上述事实说明,列车的功率和粘着力是决定牵引能力的因素,与动车数量多少关系不大。

3  地铁车应该多样化

       我国建成地下铁道铁已有50年的历史,随着时代进步和科学技术的发展,我国的造车技术水平大幅度提高。无人驾驶地铁列车、线性电机车辆和磁悬浮车辆已投入运营。我国地铁车辆已向世界出口。
       从运营需求分析,地铁列车动力配置偏大,能耗高。列车编组缺乏灵活性,与2—3线城市的客运量不适应。大马拉小车现象突出,运营成本高,加剧企业亏损。我国的地铁市场庞大,今后应该使车辆品种多样化,给客户更多的选择余地。B型车有4M2T和3M3T编组,可实现4辆或6辆编组运行,客户有选择的余地。 A型车4M2T编组,只能6辆编组运行,单向30对运输能力为55800人,用在一般线路上运营成本高。 香港地铁公司经营的深圳地铁4号线,为了降低运营成本,把A型车改造为动拖比1:1,初期4辆2M2T编组运营。后期6辆3M3T运营。取得了较好的经济效益。
       他们保持A型车的功率3000kw不变,将185kw牵引电机改为200kw,列车额定功率为2400kw。此外,他们进一步挖掘牵引电动机潜力。根据牵引电动机技术标准,起动时电动机的电流允许不大于额定电流的2倍;制动时电动机电流和电压,均不超过额定值2倍。据此200kw牵引电机,起动时瞬时功率为256kw,制动时瞬时功率为418kw。以此计算A型3M3T列车起动时瞬时功率为3072kw;制动时瞬时功率为5016Kw。他们这一经验值得借鉴和推广。
       因为A型车和B型车的盾构隧道限界相同,在不增加土建工程投资情况下,采用A型车可比B型车提高运输能力27%。建议车辆制造商借鉴深圳港铁公司经验,将A型3M3T列车做为一个定型产品,为缩短列车编组,扩大使用范围创造条件。也可在4M2T基础上,将司机室移到动车上,采用3辆2M1T编组运行。两组车连挂6辆编组运行。
       另外, B1型3M3T列车的加速度为0.83m/s2,客户嫌小被边缘化。若适当加大牵引电机功率,或以B2型车190kw牵引电机,更换既有的180kw电机,其加速度也可以适当提高。

  结语
       本文以自己的研究成果,证实在网上鼓吹加大地铁列车动力配置的说法均为不实之辞。由此造成的牵引能耗和运营支出浪费是巨大的。我国是世界最大的地铁市场,车辆需求数量巨大。建议国家对地铁车辆实行归口管理,加强列车牵引技术和车辆制造技术研究,提高造车技术水平,制定地铁车辆系列化标准,满足不同运量系统对车辆的需求,提高运营效益。
 
 
参考文献:
(1)施仲衡,抓住机遇再创十三五城市轨道交通新辉煌,都市快轨交通2016第1期卷首语。
(2)上海市城市轨道交通运营现状,2014年中国城市快轨交通年度报告第27页。
(3)刘书斌,二线城市轨道交通发展浅思,都市快轨交通2016第2期101页。
(4)侯秀芳, 城市轨道交通2016年统计和分析,都市快轨交通2017第3期3页。
(5)陆缙华(2006):关于6辆地铁列车编组的动车与拖车配置,都市快轨交通,第3期;
(6)杨颖、陈中杰(2009):国内地铁车辆动力配置研究,城市轨道交通研究,第11期;
(7)李春成(2011),关于地铁列车的动力配置,城市轨道交通研究,第02期;
(9)梁广深,黄隆飞(2016):地铁B型车牵引能耗与再生节能效果初探,城市轨道交通研究,第2期;
(10)建标104-2008 城市轨道交通工程项目建设标准;
(11)GB 50157-2013  地铁设计规范。
 

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