关于动车组列车能耗影响因素的研究

王月仙

WANG Yue-xian

（中国铁道科学研究院 研发中心，北京 100081）

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

关于动车组列车能耗影响因素的研究

王月仙

WANG Yue-xian

（中国铁道科学研究院 研发中心，北京 100081）

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

在分析国内外列车能耗影响研究现状的基础上，通过采用动车组列车能耗计算机仿真手段，以京津城际铁路、武广高速铁路为例，选取动车组车型、速度等级、停站次数、线路条件等对动车组列车能耗影响的 4 个主要因素，对 CRH2C和 CRH3 型动车组列车能耗进行仿真计算。仿真计算结果显示，动车组车型、速度等级、停站次数、线路条件对动车组列车能耗影响与理论分析相符，研究结论为有关部门有效控制动车组列车能耗提供理论支撑。

动车组列车；能耗；仿真计算；影响因素

1　国内外列车能耗影响研究现状

随着铁路部门大运量、高密度、公交化运输组织模式的逐渐成熟和各项便民利民举措的完善配套，乘坐低碳、环保、绿色的高速铁路列车出行成为越来越多人的选择。在铁路部门投入大量动车组列车运营的情况下，有效控制或减少动车组列车能耗具有重要的现实意义。

针对列车能耗影响因素的研究一直是国内外学者关注的焦点。在国外方面，Danziger N H[1]提出降低整个轨道交通的能耗，需要采用整合轨道交通系统的方法来解决，即需要考虑到各个主要轨道交通子系统之间的整合，分析影响和控制轨道交通系统整体能耗评价的关键因素，确保系统轨道交通整体能耗的降低；Hoyt E V等[2]将影响铁路能耗的因素分为列车属性、地理属性，以及其他不可预测的变化因素等；IFEU (Institute for Energy and Environmental Research Certer) 和 SGKV[3](Association for Study of Combined Transport) 所做的研究报告显示计算铁路燃油时应考虑机车牵引类型、列车编组信息、线路属性、司机操作方式和空气阻力等影响因素；Lukaszewicz P[4]根据对瑞典铁路的统计数据分析，认为铁路运输能源消耗量主要受轨道线路参数、铁轨类型、机械和物理参数、乘务员驾驶策略及外部因素的影响，如风和气候等因素影响，并根据牵引力、速度、加速度、惰行率、机车转换效率和车轮半径、传动比公式等参数提出了估算列车能耗的方法；Yeh S T[5]采用仿真的方法研究了纵截面、技术参数中的速度及站间距对能耗的影响。Andersson 和 Lukaszewicz 提出确定列车运行阻力的新方法 (Energy Coasting Method)，通过采用仿真的方法研究速度、轮轴数量、轴重、列车长度，以及驾驶员行为对列车能耗的影响。在国内方面，史茂通过计算车站作业时间增加、途中停车和减速、驾驶员操作不当等带来的燃油增加，分析了铁路机车能耗；薛艳冰等[6]通过分析机车性能、线路属性等因素对列车牵引能耗的影响，提出一种能耗计算方法；张燕燕研究轨道交通实际运营的线路条件、车辆选型、预测客运量等因素对其车载能耗的影响，对车站能耗的影响因素及影响程度进行定量分析；石静雅对轨道交通能耗影响因素如运营长度、载客量、线路条件、车辆型号、节能设备及季节等进行分析；王玉明将列车运行能耗中影响因素区分为基础设施与运输组织模式 2 大类，重点分析基础设施中运行能耗涉及的列车属性和线路条件；冯佳从技术因素与设施条件、组织与管理因素 2个方面对轨道交通能耗影响因素进行比较分析，通过灰色关联分析法得出“能耗主要影响因素有机车辅助牵引能耗、技术速度、速度均衡控制及满载率”的结论。

综上分析，目前缺少对 CRH 系列动车组列车能耗影响因素的分析。为此，通过采用计算机仿真手段，选择 CRH 型动车组列车在实际线路条件下进行多种工况条件下的仿真计算，分析各影响因素对动车组列车能耗的影响。

2　动车组列车能耗仿真计算

2.1计算条件

动车组列车条件：采用 CRH2C (CRH2 型动车组的一种，其最高运营速度为 350 km/h)、CRH3 型动车组。

线路条件：京津城际铁路 (北京南—天津)，全长 119.4 km；武广高速铁路 (武汉—广州南)，全长946 km。

根据国内外研究可知，列车运行能耗主要受机车属性、线路属性、运行状态等因素影响[7-10]。因此，选取动车组车型、最高限速、停站次数、线路条件等 4 个主要因素进行研究，针对 2 种动车组列车在不同最高限速、不同停站次数、不同线路条件的动车组列车能耗进行仿真计算。

2.2仿真计算分析

2.2.1动车组车型对动车组列车能耗的影响

以京津城际铁路为例，采用 CRH2C 和 CRH3型动车组列车进行仿真计算，采用动车组牵引能耗仿真计算软件得到最高速度分别为 350 km/h 和300 km/h 时的动车组列车能耗值，计算结果如表1 所示。

根据仿真计算结果分析如下。①最高运行速度350 km/h 时，当 CRH2C 的总能耗为 2 086.38 kW · h、CRH3 的总能耗为 2 420.37 kW · h 时，CRH3总能耗比 CRH2C 高约 16%；当 CRH2C 的万吨公里单位能耗为 424.58 kW·h、CRH3 的万吨公里单位能耗为386.67 kW·h 时，CRH3 的万吨公里单位能耗比CRH2C 低约 8.9%。②最高运行速度 300 km/h时，当 CRH2C 的总能耗为 1 940.09 kW · h，CRH3 的总能耗为 2 312.01 kW · h，CRH3 的总能耗比 CRH2C高约 19%；当 CRH2C 的万吨公里单位能耗为 394.81 kW · h、CRH3 为 369.36 kW · h 时，CRH3 万吨公里单位能耗比 CRH2C 低约6.4%。由此可见，CRH2C在节能降耗方面明显具有优势，运行速度对动车组列车能耗影响较大，从 300 km/h 到 350 km/h，2 种车型的能耗都升高 5%～12% 左右。

表1　京津城际铁路 CRH2C、CRH3 动车组列车能耗仿真计算结果

2.2.2速度等级对动车组列车能耗的影响

采用 CRH2C 和 CRH3 型动车组进行京津城际铁路下行线运行方向的仿真计算，最高限制速度分别按照 300 km/h、330 km/h、350 km/h，其中最高速度限制区段为 K6+867—K107+305，其他区段限速依据线路工务数据。京津城际铁路不同速度等级下的动车组列车能耗比较如表2 所示，京津城际铁路 CRH2C 及 CRH3 能耗指标比较如图1 所示。

按照辅助能耗与牵引能耗 15 ∶ 100 考虑，京津城际铁路最高限速 350 km/h 情况下试验结果比较，动车组列车能耗数据差异在 5% 之内，仿真计算结果准确可靠。根据仿真计算结果分析如下。

（1）随着最高限制速度的逐步提高，CRH2C、CRH3 这 2 种动车组车型的各项能耗指标均表现出明显的上升趋势。最高限速每增加 1%，CRH2C 型动车组列车总能耗增加 1.3%～1.5%，CRH3 型动车组列车总能耗增加 1.3%～1.6%。

（2）在同一最高限制速度等级下，CRH3 型动车组列车总能耗高于 CRH2C 型，在最高限速为300 km/h、330 km/h、350 km/h 情况下分别高出424.9 kW · h、523.3 kW · h、560.4 kW · h，再次印证了 CRH2C 在节能降耗方面明显具有优势。

表2　京津城际铁路 CRH2C、CRH3 不同速度等级下的动车组列车能耗比较

（3）由于 2 种型号动车组列车的定员数比较接近且 CRH2C 略高 (CRH2C 为 610 座，CRH3 为 601座)，相同最高限速等级下 CRH3 型的运输周转量指标万人公里能耗高于 CRH2C 型。但是，由于 CRH3型动车组列车的计算总重明显大于 CRH2C 型(CRH2C 为419.6 t，CRH3 为 536 t)，因而在相同最高限速等级下，CRH3 型动车组列车的牵引质量周转量指标万吨公里能耗低于 CRH2C 型。

图1　京津城际铁路 CRH2C 及 CRH3 动车组列车能耗指标比较

2.2.3停站次数对动车组列车能耗的影响

采用 CRH2C 型动车组列车进行武广高速铁路下行运行方向的仿真计算，最高限制速度为 350 km/h，对不同起停次数工况下的动车组列车能耗进行仿真计算。武广高速铁路 CRH2C 不同起停次数工况下动车组列车能耗计算结果如表3 所示，武广高速铁路 CRH2C 型动车组列车不同起停次数能耗比较如图2 所示。

表3　武广高速铁路不同起停次数工况下CRH2C 型动车组列车能耗计算结果

图2　武广高速铁路 CRH2C 型动车组不同起停次数能耗比较

根据仿真计算结果分析可见：最高限制速度为 350 km/h 的运行条件下，直达工况与停 1 站工况的动车组列车能耗无明显差异；而在站站停 (停 16 站) 工况下，动车组列车总能耗明显上升，万吨公里及万人公里周转量能耗指标也随之增大。武广高速铁路与京津城际铁路CRH2C 型动车组列车在最高限制速度为350 km/h 工况下动车组列车总能耗仿真结果相比，万吨公里及万人公里周转量能耗指标无明显差异。

动车组列车启动时，发动机做功、将电力转化为动能；停车时，制动系统产生的摩擦力做功，列车动能将会损失。因此，动车组列车起停过程均需要消耗电力做功，其中更以启动能耗消耗为主。运用仿真手段对动车组列车启动加速过程进行单独分析，京津城际铁路 CRH2C 和 CRH3 型动车组列车启动过程牵引耗电量计算结果如图3 所示，京津城际铁路 CRH2C 和 CRH3 动车组列车启动过程能耗占比如表4 所示。

图3　京津城际铁路 CRH2C 和 CRH3 型动车组列车启动过程牵引耗电量

根据仿真计算结果分析如下。①在京津城际铁路里程约为 120 km 的线路上，动车组列车启动牵引能耗占到了全程牵引能耗相当大比例，而且随着最高运行速度的提高，CRH2C、CRH3 这 2 种车型的动车组列车启动能耗的绝对值和占全程能耗比例指标均呈现明显的增长趋势，尤其在最高运行速度为 350 km/h 时，CRH2C 和 CRH3 型动车组列车启动能耗分别占到了全程能耗的 50% 和 60%。②比较 CRH2C、CRH3 这 2 种车型，在同一最高运行速度下，CRH3 型动车组列车启动牵引能耗明显高于CRH2C 型，而且随着最高运行速度的提高，这种差距愈发明显。

表4　京津城际铁路 CRH2C 和 CRH3 动车组列车启动过程能耗占比

由此可见，列车的最高运行速度越高，停站次数对动车组列车能耗的影响越大，因而在满足客流需求情况下，尽量减少列车停站。

2.2.4线路条件对动车组列车能耗的影响

京津城际铁路和武广高速铁路分别选用相同运行速度，对其运用 CRH2C 动车组列车进行仿真计算。由于京津城际铁路和武广高速铁路里程差异及运行工况不同，导致能耗差异近 30%。京津城际铁路与武广高速铁路万吨公里能耗比较如表5 所示。

表5　京津城际铁路与武广高速铁路万吨公里能耗比较

线路条件不同对能耗产生影响的主要原因有坡道和曲线等因素。在上坡过程中，动车组列车需要克服重力做功；在转弯过程中，动车组列车需要克服离心力做功。由于京津城际铁路与武广高速铁路线路情况不同，武广高速铁路的设计标准较高，线路曲线半径大、坡度小，因而武广高速铁路的附加能耗消耗小，仿真计算结果与理论分析相符。

3　研究结论

（1）动车组类型。动车组类型是指不同类别动车组列车由于其牵引特性、外型特征、功率及能耗利用效率等方面特征造成其能耗差异。从全路目前配属的动车组车型来看，各型动车组列车的差异主要体现在以下方面。①动车组列车再生制动临界值。例如，CRH1 型动车组列车再生制动临界值为 45 km/h，CRH2 型动车组列车再生制动临界值为 15 km/h，CRH3 型动车组列车再生制动临界值为70 km/h。从能源消耗的角度而言，动车组列车在运行速度大于临界值时实施制动，均可以将一部分动能转化成电能反馈至接触网，相对节能，而再生能源的利用将根据不同车型存在差异。②动车组车体主要参数。不同车型车体自重和总重存在差异，相对较轻的车体非常有利于降低能源消耗。③动车组辅助功能设备的差异。动车组辅助功能通常包括照明、恒温、车厢通风等，这些功能大约消耗动车组列车运行过程中所需能耗的 3%～10% 左右，动车组车型不同，舒适功能设备的功率大小不同，对动车组列车能源消耗的影响也不同。由此可见，根据京津城际铁路和武广高速铁路 2 种动车组列车的仿真计算结果，最高运行速度为 300～350 km/h时，CRH3 型动车组列车总能耗比 CRH2C 型高约16%～19%，CRH2C 型动车组列车在节能降耗方面具有明显优势。

（2）动车组列车技术速度。动车组列车牵引能耗主要用来克服运行阻力做功，运行速度与阻力大小存在非线性上升的关系，随着动车组列车运行速度的增加，动车组列车运行阻力也将显著增加。在动车组列车运行速度 300 km/h 及以上时，牵引能耗的 70% 以上均用于克服空气阻力来做功，因而动车组列车的运行速度对牵引能耗影响显著。京津城际铁路和武广高速铁路随着最高限制速度的逐步提高，CRH2C 和 CRH3 型动车组列车的各项能耗指标均表现出明显的上升趋势，最高限速每增加 1%，CRH2C 型动车组列车能耗增加 1.3%～1.5%，CRH3 型动车组列车能耗增加 1 .3%～1.6%。

（3）运营状况。运营状况是指动车组列车在运行过程中由于线路坡度、牵引质量、运行速度等运营条件不同造成运输过程中功率消耗产生差异。运营状况是对动车组列车能耗影响最大的因素，也是最重要、最复杂的环节。运营状况涉及线路坡度、曲线半径、列车编组、运行速度、起停次数等诸多因素，以及由地区差异引起的气候、气压变化等。另外，在列车运行过程中，启动过程的耗能占比较大，而且随着动车组列车最高运行速度的提高，停站次数对动车组列车能耗的影响越大。因此，在满足客流需求情况下，应尽可能减少列车停站。

（4）司机操纵。司机操纵主要指列车在运行过程中，由于操作方式的不同对动车组列车能耗造成的影响。操作技术熟练程度不同的司机，在担当相同出行任务时所产生的能耗值会大不相同。司机对线路情况熟悉，操纵手法流畅，有利于节约能源。

（5）其他因素。动车组列车能耗还受到动车组属性、线路属性、编组情况、运行状态、大气压力、季节温度等一系列复杂因素影响，应精确预测动车组能耗，还需要对仿真软件中的模型进行进一步的完善。

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责任编辑：杨 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

中国铁道科学研究院创新基金项目(1151GC6302)