高 華

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

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

我國(guó)研制了世界上首列氫能源有軌電車,并在佛山建設(shè)了首個(gè)氫能源軌道交通項(xiàng)目。制式選擇與線路方案設(shè)計(jì)是軌道交通建設(shè)中影響全局的重大決策,對(duì)工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)以及沿線的環(huán)境產(chǎn)生長(zhǎng)久而深遠(yuǎn)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(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)是進(jìn)行軌道交通制式選擇的重要參考,也是線路設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)的必備指標(biāo)[6]。但由于氫能源屬于一種全新的軌道交通制式,相關(guān)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(chǔ)氫等技術(shù)領(lǐng)域[7-10],對(duì)于控制整個(gè)工程項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究卻鮮有公開報(bào)道。這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)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(lái)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?yán)锼喂こ添?xiàng)目,對(duì)接觸網(wǎng)、超級(jí)電容、氫能源3種制式條件下的工程項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性開展了系統(tǒng)、深入的量化分析對(duì)比研究,包括車輛限界、土建工程、機(jī)電設(shè)備、車輛基地、運(yùn)營(yíng)成本等方面。為軌道交通制式的比選提供量化的科學(xué)決策依據(jù),為氫能源有軌電車的線路方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

佛山市南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ添?xiàng)目中采用氫能源有軌電車,充分響應(yīng)國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略,南海區(qū)部分氫能技術(shù)已接近國(guó)際先進(jìn)水平,但整體核心技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)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(shí)際應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)的探索思考,對(duì)促進(jìn)氫能源有軌電車技術(shù)的自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化,推動(dòng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化有積極的應(yīng)用價(jià)值,對(duì)以后建立成套標(biāo)準(zhǔn)體系,科學(xué)、合理地制定車輛購(gòu)置、降低氫氣銷售價(jià)格,進(jìn)一步拓寬氫能應(yīng)用場(chǎng)景,發(fā)展氫能市場(chǎng)亦將起到示范推動(dòng)作用。

1 南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ?/h2>

南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ添?xiàng)目起于里湖新城站,經(jīng)環(huán)鎮(zhèn)北路、草場(chǎng)工業(yè)大道、里廣路,止于里橫路站,線路全長(zhǎng)9.834 km,全線共設(shè)車站13座,車輛基地1座。由于車輛采用氫能源,需對(duì)整車、供氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)及電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的核心參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)體系進(jìn)行研究,對(duì)車輛基地的土地開發(fā)和運(yùn)營(yíng)成本亦進(jìn)行了研究。

2 應(yīng)用比較分析

2.1 供電制式

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

接觸網(wǎng)有軌電車技術(shù)成熟可靠,路權(quán)設(shè)置靈活,在國(guó)內(nèi)天津、蘇州、沈陽(yáng)等城市得到應(yīng)用。超級(jí)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(shè)置充電裝置,車輛利用停站時(shí)間充電,在國(guó)內(nèi)廣州、深圳、武漢、淮安等城市得到應(yīng)用。氫能源有軌電車?yán)脷淙剂想姵貙錃夂脱鯕獾幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能,完全取消受電弓和接觸網(wǎng),實(shí)現(xiàn)污染物“零排放”和全程“無(wú)網(wǎng)”運(yùn)行。燃料電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將電能事先儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中,由動(dòng)力電池向電機(jī)發(fā)電。氫燃料電池只會(huì)產(chǎn)生水和熱,燃料電池運(yùn)行安靜,噪聲強(qiáng)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(yīng)用,已在佛山市高明區(qū)現(xiàn)代有軌電車示范線運(yùn)營(yíng)。國(guó)內(nèi)有軌電車供電制式情況如表1所示。

表1 國(guó)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(guó)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(jí)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(duì)于地面站,采用氫能源供電時(shí),軌頂面以上建筑限界高度為4 200 mm;當(dāng)采用接觸網(wǎng)供電時(shí),軌頂面以上建筑限界高度為4 600 mm;當(dāng)采用超級(jí)電容供電時(shí),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?yán)锼痉抖喂こ搪坊捎媒佑|網(wǎng)供電時(shí),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(jí)電容、接觸網(wǎng)有軌電車荷載基本一致,三種車輛對(duì)應(yīng)的荷載、豎向限界對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)基本無(wú)影響。氫能源與超級(jí)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(shí),高架區(qū)間直線段最小線間距為4.1 m,較氫能源及超級(jí)電容方式3.6 m增加了0.5 m。雙線橋相應(yīng)橋梁寬度增加0.5 m,單線橋?qū)挾炔蛔?。圖1為某大橋施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 里水有軌電車項(xiàng)目某大橋施工現(xiàn)場(chǎng)

(4)隧道

氫能源有軌電車與接觸網(wǎng)、超級(jí)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(jí)電容有軌電車為4 500 mm。

(5)軌道

采用接觸網(wǎng)供電時(shí),需要在道床里面設(shè)置一定的鋼筋排流截面,且所有的道床縫兩端均需要設(shè)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(jí)電容供電時(shí),軌道的道床方案與氫能源方式相比沒(méi)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(jī)電設(shè)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(jìn)行供電,全線設(shè)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(jí)電容,可利用車輛的停站時(shí)間進(jìn)行快速充電,一般采用每個(gè)車站都設(shè)置充電站或者隔站設(shè)置充電站的方式。如采用氫能源,不需牽引供電。

(2)信號(hào)系統(tǒng)

采用氫能源供電時(shí),信號(hào)中心調(diào)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)加氫站運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)的安全監(jiān)控。采用接觸網(wǎng)或超級(jí)電容時(shí),則無(wú)需設(shè)置加氫站,無(wú)需采集加氫站及氫能源有軌電車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及監(jiān)控。

(3)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

采用接觸網(wǎng)供電時(shí),火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與車輛供電制式無(wú)關(guān),但在車輛段的聯(lián)合車庫(kù)由于有接觸網(wǎng)的存在,在消防聯(lián)動(dòng)過(guò)程中需先把接觸網(wǎng)供電斷開方可實(shí)施自動(dòng)噴水滅火救援。采用超級(jí)電容供電時(shí),火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與車輛供電制式無(wú)關(guān),按規(guī)范設(shè)置火災(zāi)地洞報(bào)警系統(tǒng)即可。采用氫能源制式供電時(shí),火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)需考慮列車存放及在隧道段行駛時(shí)氫氣外漏的情況,需增加可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)(氫氣濃度探測(cè))。

(4)給排水及消防

采用接觸網(wǎng)供電時(shí),地下車站及區(qū)間設(shè)置消防水池并設(shè)置消防泵進(jìn)行加壓,車輛基地主要設(shè)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(jí)電容供電時(shí),方案與接觸網(wǎng)制式一致。采用氫能源制式時(shí),地下車站及區(qū)間設(shè)置消防水池并設(shè)置消防泵進(jìn)行加壓。水消防火災(zāi)持續(xù)時(shí)間按3 h考慮。對(duì)于地下站及地下區(qū)間,接觸網(wǎng)、超級(jí)電容制式的給排水及消防方案均沒(méi)有區(qū)別。由于氫能源制式的水消防火災(zāi)持續(xù)時(shí)間按3 h考慮,相對(duì)于接觸網(wǎng)、超級(jí)電容制式火災(zāi)持續(xù)時(shí)間2 h而言,需設(shè)置更大容積的消防水池。

(5)通風(fēng)與空調(diào)

采用氫能源制式時(shí),地下車站采用大開口滿足自然通風(fēng),地下區(qū)間盡量采用大開口+封閉段設(shè)置射流風(fēng)機(jī)結(jié)合的方式,聯(lián)合車庫(kù)頂部做自然通風(fēng)器并設(shè)置事故通風(fēng)機(jī)。采用接觸網(wǎng)供電時(shí),地下車站采用較小的開口滿足自然通風(fēng),地下區(qū)間可完全封閉采用射流風(fēng)機(jī)通風(fēng),聯(lián)合車庫(kù)主要采取自然通風(fēng),無(wú)需事故通風(fēng)。采用超級(jí)電容供電時(shí),地下車站及地下區(qū)間同接觸網(wǎng)有軌電車,聯(lián)合車庫(kù)自然通風(fēng)并設(shè)置事故排風(fēng)系統(tǒng)。

2.2.4 車輛基地

(1)站場(chǎng)

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

圖2 里水有軌電車項(xiàng)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(kù)這一單體。首先在建筑平面布局上,3種制式在庫(kù)房?jī)?nèi)線間距一致,沒(méi)有區(qū)別;在建筑高度上,接觸網(wǎng)制式需要在庫(kù)房?jī)?nèi)安裝接觸網(wǎng),超級(jí)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(jí)電容的庫(kù)房建筑高度要比氫能源制式的高2 m左右;在防火構(gòu)造措施上,采用氫能源制式的庫(kù)房,其鋼梁防火需采用厚涂型鋼防火涂料,同時(shí)聯(lián)合車庫(kù)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(chǎng)。

圖3 里水有軌電車項(xiàng)目車輛段綜合樓施工現(xiàn)場(chǎng)

2.3 運(yùn)營(yíng)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(duì)車次,運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)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(yùn)營(yíng)的能源成本比接觸網(wǎng)有軌電車增加約895萬(wàn)/年,比超級(jí)電容有軌電車增加約811萬(wàn)元/年。

由于車輛供電方式、限界不同,南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ添?xiàng)目采用氫能源有軌電車時(shí),與接觸網(wǎng)有軌電車相比,工程費(fèi)增加6 138.1萬(wàn)元,征地費(fèi)用增加約1 274.2萬(wàn)元;與超級(jí)電容有軌電車相比,工程費(fèi)增加7 981.5萬(wàn)元,征地費(fèi)用增加約1 594.7萬(wàn)元[19-21]。

本項(xiàng)目涉及氫氣概算1.41億元,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為0.14億元/正線公里。目前南海區(qū)氫能源的價(jià)格是55元/kg,根據(jù)南府辦[2020]3號(hào)文《佛山市南海區(qū)促進(jìn)加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)及氫能源車輛運(yùn)行扶持辦法(修訂)的通知》和南府辦函[2022]47號(hào)文《佛山市南海區(qū)推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(2022—2025年)》文件,氫氣銷售價(jià)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(shí),目前國(guó)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(jì),氫能源電堆的維修維護(hù)成本約480萬(wàn)元/年。采用接觸網(wǎng)供電時(shí),無(wú)電堆維修維護(hù)費(fèi)用。采用超級(jí)電容供電時(shí),超級(jí)電容壽命為10年,更換超級(jí)電容電池的費(fèi)用約190萬(wàn)元,折算費(fèi)用約19萬(wàn)元/年,按初期12列車計(jì),超級(jí)電容維修電池的維護(hù)成本約228萬(wàn)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(hù)成本增加約480萬(wàn)元/年,比超級(jí)電容有軌電車維修維護(hù)成本增加約252萬(wàn)元/年。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以佛山南海區(qū)有軌電車?yán)锼痉抖喂こ添?xiàng)目為依托,通過(guò)氫能源有軌電車在路基、橋梁、牽引供電等設(shè)計(jì)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(shì),對(duì)于培育地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長(zhǎng)極,有效提升氫能產(chǎn)業(yè)的知名度和影響力起到了推動(dòng)示范作用。本項(xiàng)目氫能源價(jià)格的確定,對(duì)實(shí)現(xiàn)軌道交通領(lǐng)域的“去碳化”,引領(lǐng)國(guó)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(dǎo)作用。