氢能源有轨电车新制式工程项目技术经济性研究.pdf
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1、收稿日期:20230105;修回日期:20230321基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB2600403)作者简介:高 华(1981),女,高级工程师,2007 年毕业于中南大学道路与铁道工程专业,工学硕士,主要从事轨道交通线路、站场设计研究工作,E-mail:34805525 。第 67 卷 第 11 期2023 年 11 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.11Nov.2023文章编号:10042954(2023)11017806氢能源有轨电车新制式工程项目技术经济性研究高 华(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 43006
2、3)摘 要:氢能作为一种高能量密度、零碳排放的可再生能源,被视为 21 世纪最具发展潜力的清洁能源,也是国家推进双碳战略的重要新型能源选择。随着 2019 年世界上第一条氢能源有轨电车在佛山开通运营,氢能源有轨电车已成为一种极具潜力的新型轨道交通制式备受关注。然而现有研究主要集中在氢能源车辆与储/加氢技术,对于控制整个工程项目的技术经济性研究却鲜有公开报道,给轨道交通制式选择与线路方案比选等重大决策带来极大困难。对此,以佛山南海区氢能源有轨电车里水段工程项目为依托,对接触网、超级电容、氢能源 3 种制式条件下的工程项目技术经济性开展了系统、深入的量化分析对比研究,包括车辆限界、土建工程、机电设
3、备、车辆基地、运营成本等方面。研究表明:氢能源制式相比于传统的接触网、超级电容,虽然车辆购置和车辆基地投资、运营成本增加,但土建投资减少,地面站建筑限界减少至 4.2 m,路基、桥梁直线段最小线间距 3.6 m,隧道平面限界 4.2 m;另外,相比接触网供电和超级电容,氢能源有轨电车无供电投资。根据佛山市南海区推进氢能产业发展的相关文件,氢气销售价格将持续下降至 35 元/kg 及以下,本研究可为轨道交通制式的比选提供量化的科学决策依据,为氢能源有轨电车的线路方案设计与评价提供重要的技术经济指标参考。关键词:氢能源;有轨电车;经济性;供电制式;系统方案中图分类号:U223.5 文献标识码:A
4、DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202301050003Research on Technology and Economy of Hydrogen Energy Tram New Standard Engineering ProjectGAO Hua(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)Abstract:As a kind of renewable energy with high energy density and zero carbon emissi
5、on,hydrogen energy is regarded as the clean energy with the greatest development potential in the 21st century,and is also an important new energy choice for the national two-carbon strategy.With the worlds first hydrogen-powered tram being put into operation in Foshan in 2019,hydrogen energy has be
6、come a new type of rail transit system with great potential.However,existing researches mainly focus on hydrogen energy vehicles and storage/hydrogenation technology,and few public reports on the technical and economic research of controlling the entire engineering project,which brings great difficu
7、lties to major decisions such as the selection of rail transit system and the comparison of route schemes.In this regard,based on the inner water section engineering project of hydrogen energy tram in Nanhai District of Foshan,this paper carries out a systematic and in-depth quantitative analysis an
8、d comparative study on the technical economy of engineering projects under the three system conditions of overhead contact line,supercapacitor and hydrogen energy,including vehicle limit,civil engineering,mechanical and electrical equipment,vehicle base,operation cost,etc.The research shows that com
9、pared with the traditional catenary and supercapacitor,the hydrogen energy system increases the cost of vehicle purchase,vehicle base investment and operation.However,the construction limit of ground station is reduced to 4.2 m,the minimum line spacing between roadbed and bridge is 3.6 m,and the tun
10、nel plane limit is 4.2 m.In addition,compared with catenary power supply and ultracapacitors,hydrogen energy trams have no power supply investment.According to relevant documents on promoting the development of hydrogen energy industry in Nanhai District of Foshan City,hydrogen sales price will cont
11、inue to drop to 35 CNY per kilogram or less.This study can provide quantitative scientific decision-making basis for the comparison and selection of rail transit system,and provide important technical and economic index reference for the design and evaluation of hydrogen energy tram line scheme.Key
12、words:hydrogen energy;tram;economy;power supply system;system scheme引言氢能源是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一1-3。我国研制了世界上首列氢能源有轨电车,并在佛山建设了首个氢能源轨道交通项目。制式选择与线路方案设计是轨道交通建设中影响全局的重大决策,对工程建设、运营以及沿线的环境产生长久而深远的影响,一旦决策失误,将造成巨大损失,且后期难以消除4-5。工程技术经济数据与经验是进行轨道交通制式选择的重要参考,也是线路设计时对方案进行评价的必备指标6。但由于氢能源属于一种全新的
13、轨道交通制式,相关研究成果总体较少,而且大部分都集中在氢能源车辆、加氢、储氢等技术领域7-10,对于控制整个工程项目的技术经济性研究却鲜有公开报道。这些数据和经验的缺乏给轨道交通制式选择与线路方案比选等重大决策带来极大困难11-13。因此本文依托佛山南海区氢能源有轨电车里水段工程项目,对接触网、超级电容、氢能源 3 种制式条件下的工程项目技术经济性开展了系统、深入的量化分析对比研究,包括车辆限界、土建工程、机电设备、车辆基地、运营成本等方面。为轨道交通制式的比选提供量化的科学决策依据,为氢能源有轨电车的线路方案设计与评价提供重要的技术经济指标。佛山市南海区有轨电车里水示范段工程项目中采用氢能源
14、有轨电车,充分响应国家能源发展战略,南海区部分氢能技术已接近国际先进水平,但整体核心技术与国外先进水平依然有差距。本文介绍了氢燃料有轨电车在南海区示范工程中的实际应用及关键技术的探索思考,对促进氢能源有轨电车技术的自主创新及成果转化,推动具有自主知识产权的关键核心技术产业化有积极的应用价值,对以后建立成套标准体系,科学、合理地制定车辆购置、降低氢气销售价格,进一步拓宽氢能应用场景,发展氢能市场亦将起到示范推动作用。1 南海区有轨电车里水示范段工程南海区有轨电车里水示范段工程项目起于里湖新城站,经环镇北路、草场工业大道、里广路,止于里横路站,线路全长9.834 km,全线共设车站13 座,车辆基
15、地1 座。由于车辆采用氢能源,需对整车、供氢系统、燃料电池系统及电动驱动系统等环节的核心参数及技术指标体系进行研究,对车辆基地的土地开发和运营成本亦进行了研究。2 应用比较分析2.1 供电制式目前国内有轨电车的供电制式主要有接触网、超级电容、氢能源等14。接触网有轨电车技术成熟可靠,路权设置灵活,在国内天津、苏州、沈阳等城市得到应用。超级电容有轨电车兼有物理电容器和电池的特性,在车站及车辆基地设置充电装置,车辆利用停站时间充电,在国内广州、深圳、武汉、淮安等城市得到应用。氢能源有轨电车利用氢燃料电池将氢气和氧气的化学能直接转换成电能,完全取消受电弓和接触网,实现污染物“零排放”和全程“无网”运
16、行。燃料电池通过化学反应将电能事先储存在动力电池中,由动力电池向电机发电。氢燃料电池只会产生水和热,燃料电池运行安静,噪声强度约为 55 dB15-18。氢燃料电池目前在中车青岛四方和中车唐客生产的有轨电车中得到应用,已在佛山市高明区现代有轨电车示范线运营。国内有轨电车供电制式情况如表 1 所示。表 1 国内有轨电车供电制式情况Table 1 Power supply system of domestic trams城市线路供电方式天津天津开发区导轨电车 1 号线接触网上海松江有轨电车 T1 线接触网苏州高新有轨电车 1 号线接触网苏州高新有轨电车 2 号线接触网沈阳沈阳浑南现代有轨电车接触网
17、广州海珠有轨电车试验段超级电容971第 11 期高 华氢能源有轨电车新制式工程项目技术经济性研究续表1城市线路供电方式黄埔有轨电车 1 号线超级电容淮安现代有轨电车列车 1 号线超级电容青岛青岛现代有轨电车示范线接触网武汉大汉阳有轨电车光谷有轨电车超级电容深圳龙华现代有轨电车超级电容北京北京现代有轨电车西郊线亦庄新城现代有轨电车 T1 线接触网成都成都有轨电车蓉 2 号线接触网+车载超级电容天水天水市有轨电车示范线工程超级电容三亚三亚有轨电车 T1 线超级电容丘北县文山普者黑有轨电车超级电容嘉兴嘉兴有轨电车示范线超级电容昆明昆明长水国际机场旅客捷运系统超级电容佛山南海有轨电车 1 号线高明有轨
18、电车接触网氢能源燃料电池2.2 系统方案2.2.1 车辆及限界根据目前国内主要车辆厂商资料,各种供电制式有轨电车车辆尺寸及载客量分别见表 2表 4,车辆限界见表 5。2.2.2 土建工程(1)车站对于地面站,采用氢能源供电时,轨顶面以上建筑限界高度为 4 200 mm;当采用接触网供电时,轨顶面以上建筑限界高度为 4 600 mm;当采用超级电容供电时,轨顶面以上建筑限界高度为 4 500 mm。(2)路基南海区有轨电车里水示范段工程路基采用接触网供电时,地面区间直线段最小线间距为 4.1 m,较氢能源方式3.6 m 增加了0.5 m,路基填料及地基处理范围均有增加。(3)桥梁氢能源有轨电车与
19、超级电容、接触网有轨电车荷载基本一致,三种车辆对应的荷载、竖向限界对桥梁结构基本无影响。氢能源与超级电容有轨电车平面线间表 2 氢能源有轨电车尺寸及载客量Table 2 Size and passenger capacity of hydrogen energy trams工况青岛四方中车唐山中铁工业AW1(座客)568048AW2(座客+5 人/m2)3 模块,车长 35.19 m2434 模块,车长 37.5 m2755 模块,车长 33.26 m254AW3(座客+8 人/m2)350394378表 3 接触网车辆尺寸及载客量Table 3 Size and passenger capa
20、city of overhead contact line vehicles工况青岛四方中车株机南京浦镇AW1(座客)565656AW2(座客+5 人/m2)3 模块,车长 35.19 m2434 模块,车长 37 m2605 模块,车长 33.26 m260AW3(座客+8 人/m2)350380382表 4 超级电容车辆尺寸及载客量Table 4 Size and passenger capacity of ultracapacitor vehicles工况青岛四方中车株机南京浦镇AW1(座客)565656AW2(座客+5 人/m2)3 模块,车长 35.19 m2434 模块,车长 37
21、 m2605 模块,车长 33.26 m260AW3(座客+8 人/m2)350380382表 5 各种供电制式有轨电车车辆限界Table 5 Vehicle limits of various power supply trams项目车宽/mm地面区间直线地段路基段建筑限界/mm高架区间直线地段双线桥建筑限界/mm地下区间直线地段矩形隧道建筑限界/mm最小线间距线路中心至两侧距离轨顶面以上建筑限界高度最小线间距线路中心至两侧护栏轨顶面以上建筑限界高度最小线间距线路中心线至两边侧墙建筑限界轨顶面以上建筑限界高度轴重/t氢能源超级电容接触网2 6502 6502 6503 6003 6004 1
22、002 0002 0002 0004 2004 5004 6003 6003 6004 1002 2002 2002 2004 2004 5004 6003 6003 6003 6002 1002 1002 1004 2004 5004 50012.512.512.5081铁 道 标 准 设 计第 67 卷距相同,均为 3.6 m,采用接触网供电时,高架区间直线段最小线间距为 4.1 m,较氢能源及超级电容方式3.6 m 增加了 0.5 m。双线桥相应桥梁宽度增加0.5 m,单线桥宽度不变。图 1 为某大桥施工现场。图 1 里水有轨电车项目某大桥施工现场Fig.1 A bridge const
23、ruction site of Lishui tram project(4)隧道氢能源有轨电车与接触网、超级电容有轨电车的平面 限 界 相 同,但 竖 向 限 界 氢 能 源 有 轨 电 车 为4 200 mm,接触网及超级电容有轨电车为 4 500 mm。(5)轨道采用接触网供电时,需要在道床里面设置一定的钢筋排流截面,且所有的道床缝两端均需要设置防杂散电流连接端子;可以减少加氢线轨道的布置数量,采用超级电容供电时,轨道的道床方案与氢能源方式相比没有差异,但同样可以减少加氢线轨道的布置数量。2.2.3 机电设备(1)牵引供电系统如采用接触网供电,推荐采用 DC750V 架空接触网进行供电,全
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