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中國可持續能源項目 大衛與露茜爾·派克德基金會 威廉與佛洛拉·休利特基金會 能 源 基 金 會 項目資助號 G-0911-11631 軌道交通技術規范及其發展規劃評估 Technical Regulations of Rail Transport Modes and Appraisal of Their Development Planning 簡要 報告 Summarization Report 北京交通大學中國綜合交通研究中心 2010 年 12 月 Integrated Transport Research Center of China Beijing Jiaotong University, December, 2010 I 前 言 隨著中國經濟與社會的快速發展，交通運輸總量有了快速增長，交通結構也在發生變化。交通總量與結構的變化無疑直接關系到交通行業的能耗與排放占全國各行業的比重。 進入 21 世紀以來，我國從中央主管部門到各級地方政府均加強了軌道交通的建設，目前開始形成三級網絡體系一是鐵道部負責規劃與建設的面向城市間運輸的客運專線網絡；二是以改善區域經 濟發展支撐條件的城際軌道交通網絡，主要以地方政府為主體；三是由各大城市負責規劃與建設的城市軌道交通網絡，重點解決快速機動化背景下地面道路資源不足情況下的公共交通運輸服務質量提高問題。 在鐵路能力長期緊張局面下，鐵道部加快了城市間鐵路的規劃與建設。自20 世紀 90 年代開始論證高速鐵路建設計劃，進入本世紀，先后啟動了十余條客運專線的建設計劃。中長期鐵路網規劃 （ 2008 年調整 ） 規劃建立省會城市及大中城市間的快速客運通道，規劃“四縱四橫”等客運專線以及經濟發達和人口稠密地區城際客運系統。到 2020 年 ,中國客運專線 網絡全長將達到 16000km。此外，不少地方政府還提出了城際軌道交通網絡的建設計劃，珠江三角洲、長江三角洲、長株潭等區域也著手規劃或已開始建設區域軌道交通網絡 。此外，包括 北京 、 上海、廣州等中國內地 48 個人口百萬以上的特大城市中已有 11 個城市建成城市軌道交通并通軌，另有 14 個城市正在興建城市軌道交通，預計 2014 年總里程將突破 2500km，中國城市軌道交通里程將很快步入世界先進行列。 隨著我國軌道交通建設速度的加快，無論政府決策部門還是行業技術管理部門均已認識到從可持續發展角度加強軌道交通技術適用性研究的重要 性。作為可持續性研究的主要內容，能耗與排放是需要系統研究的要點。 II 對于發展中的我國來說，目前關于這三類網絡的建設條件、技術經濟特性與參數標準等問題還缺乏充分研究，各設計院在進行軌道交通線路設計時經常是“摸著石頭過河”，缺乏確定相關設計參數與技術標準的依據，形成了許多線路的設備選型、技術參數與建設標準不一的局面。 2009 年 6 月，國家發展與改革委員會基礎產業司與廣東省發展與改革委員會以珠江三角洲為對象立項研究“珠江三角洲地區軌道交通一體化問題”，重點研究三種類型的軌道交通在不同類型軌道交通技術經濟特性、建設制式 、通道能力、樞紐設計等方面的協調問題。上述事實表明政府和各行業部門已經意識到強化軌道交通建設技術參數與標準研究的重要性。 本項目受到能源基金會的資助 （ G-0911-11631） ，由北京交通大學中國綜合交通研究中心組織開展研究。項目將以軌道交通的能耗為出發點，以我國當前鐵路客運專線、區域城際軌道交通以及城市軌道交通三種形式的軌道交通系統的規劃、建設實踐為基礎，結合規劃、設計與運營管理中存在及亟待解決的問題，對軌道交通的關鍵技術進行研究。著重研究三類網絡的能耗特性，提出三類網絡的分類體系與適用條件，為國家和設計 部門進行軌道交通系統規劃與建設提供科學依據。 項目重點研究以下內容 （ 1） 現有不同類型軌道交通系統相關技術標準與規范的比較分析； （ 2） 不同類型軌道交通系統能耗影響因素的重要度分析； （ 3） 不同類型軌道交通能耗因子測算 以及影響因素靈敏度分析 ； （ 4） 不同 軌道交通 的適用性 及相關發展政策研究。 參加本項目研究的主要人員包括 毛保華 北京交通大學教授 賈順平 北京交通大學教授 馮雪松 北京交通大學副教授 III 張秀媛 北京交通大學副教授 孫啟鵬 長安大學副教授 劉海東 北京交通大學副教授 陳紹寬 北京 交通大學副教授 劉智麗 北京交通大學講師 劉 爽 北京交通大學博士后研究人員 周方明 北京交通大學博士生 張笑杰 北京交通大學博士生 許 奇 北京交通大學博士生 馮旭杰 北京交通大學博士生 馮 佳 北京交通大學博士生 陳 濤 北京交通大學碩士生 周志龍 北京交通大學碩士生 李喜華 北京交通大學碩士生 田盟蒙 北京交通大學碩士生 在研究過程中，得到了國家發展與改革委員會基礎產業司的大力支持；同時，國家物資儲備局局長王慶云教授、國務院參事 （ 原國家科技部秘書長 ） 石定寰教授、國家發改委 基礎產業司司長黃民教授、原國家發改委能源司司長白榮春、北京交通大學張國伍教授與胡思繼教授、國家發改委基礎產業司鐵道處鄭劍處長、綜合運輸研究所吳文化研究員、國家能源研究所姜克雋研究員與朱躍中研究員、北京市發展與改革委員會王玉明副處長、北京交通發展研究中心郭繼孚教授級高級工程師、鐵道部經濟規劃院林仲洪副院長與李建新高級工程師、交通運輸部交通規劃院方然教授級高級工程師、建設部中國城市規劃研究院馬林教授級高級工程師、廣州鐵路局科研所孫年友高級工程師、中國北車股份有限公司梁兵總工程師、大連機車車輛廠梁圣童總工程師、長 春客車廠牛得田總工程師、上海磁浮交通發展有限公司莫凡副總經理、廣州市地下鐵道總公司袁敏正主任、唐銳經理、IV 洪嫚工程師和廖振寧工程師等各位專家為本課題研究提供了大力支持。能源基金會的龔慧明先生、辛焰女士為本課題工作的開展也提供了許多幫助；課題組在此一并表示衷心感謝。 最后，課題組要感謝本報告中引用的全部文獻的作者，正是他們的研究成果使得我們在該領域的認識能夠得以深化。 北京交通大學 中國 綜合交通研究中心 2010 年 12 月 i 目 錄 1 我國軌道交通的發展現狀及其分類 1 1.1 現有軌道交通方式分類 1 1.2 本研究所采用的軌道交通分類方式 1 1.3 我國不同軌道交通方式發展現狀 2 1.4 小結 . 3 2 不同軌道交通方式主要技術參數 4 3 軌道交通能耗影響因素分析 . 4 3.1 技術因素與設施條件分析 . 4 3.2 組織與管理因素分析 . 5 3.3 能耗結構與影響因素 5 3.4 能耗影響因素重要度排序 7 3.5 小結 8 4 客貨共線鐵路列車單耗影響因素量化分析 9 4.1 速度變化對單耗的影響 . 9 4.2 載重 平均滿載率 變化對單耗的影響 12 4.3 小結 14 5 典型客運專線單耗影響因素量化分析 15 5.1 最高速度變化對單耗的影響 15 5.2 平均滿載率變化對單耗的影響 17 5.3 停站間距變化對單耗的影響 19 5.4 小結 20 6 典型地鐵線路列車單耗影響因素的量化分析 20 6.1 技術速度變化對單耗的影響 21 6.2 平均滿載率變化對單耗的影響 21 6.3 停站間距變化對單耗的影響 22 6.4 小結 23 7 我國部分軌道交通系統能耗情況 23 7.1 客貨共線鐵路 23 ii 7.2 客運專線與磁懸浮 23 7.3 典型地鐵線路能耗分析 24 8 不同軌道交通方式適用性研究 25 8.1 線網 規模 25 8.2 運量規模 26 8.3 線路布局 27 8.4 銜接 服務 城市規模 . 27 8.5 能耗水平 27 8.6 小結 28 9 不同類型軌道交通系統的排放研究進展綜述 28 9.1 客運專線排放研究及發展分析 28 9.2 客貨共線鐵路排放研究及分析 29 9.3 城市軌道交通排放及發展分析 29 9.4 小結 . 30 10 我國軌道交通建設與發展的政策建議 30 附表 1 不同軌道交通主要技術參數 . 33 1 1 我國軌道交通的發展 現狀及其分類 1.1 現有軌道交通 方式 分類 由于所采用的分類依據各不相同，不同的研究角度對于目前各種軌道交通方式所屬的類別的界定各不相同，如表 1-1-1 所示。這些界定互相交叉，非常容易造成統計數據的混亂，同時也不能有效地說明不同軌道交通方式的技術差異。 表 1-1-1 對各種軌道交通方式的不同分類 分類依據 類別 按導軌形式 單軌式、雙軌式、自動導軌式 按線路縱面結構形式 高架線路、地面線路、地下線路、復合線路 按輸送能力 高運量線、中運量線、低運量線 按服務區域 市區級線、市郊級線、區際級線、國家 干線 按運行速度 傳統鐵路、高速鐵路 按規劃、運營管理主體 大鐵路、城際鐵路、城市軌道交通 按載運對象 客運專線、貨運專線、客貨混行 1.2 本研究所采用的軌道交通分類 方式 根據各種技術標準，考慮到 列車 運行速度、行車組織模式、能耗以及線路條件的差異，本研究將目前各種軌道交通方式分為客運專線、貨運專線、客貨共線、城市軌道交通，如圖 1-2-1 所示。 圖 1-2-1 本研究對各種軌道交通方式的分類 軌道交通 客運專線 客貨共線 城市軌道交通 設計速度 200-250km/h 設計速度 300-350km/h 貨運專線 設計速度 200km/h 以下 2 1 客運專線 實際上，通常所說的客運專線 與城際軌道交通采用的是相同體系的技術標準與規范，故 本研究 將客運專線與城際軌道交通歸為一類進行分析研究，統稱為客運專線。我國客運專線按設計速度一般為 200km/h-250km/h 和 300km/h-350km/h兩個等級 。 客運專線列車最小行車間隔可達 3min，列車定員可達 1600-1800 人 /列，理論上每小時最大輸運能力可達 7 萬余 人 次。 2 客貨共線 客貨共線鐵路包含既有鐵路線以及 按照新建時速 200 公里客貨共線鐵路設計暫行規定 鐵建設函 [2005]285 號 新修建的客貨混用快速鐵路。 大部分既有線受到現有 條件的限制，旅客列車的設計行車速度達到 160km/h，貨物列車的設計行車速度達到 120km/h；在經濟發達、客運量較大，又有一定數量貨物不可分流的平原或丘陵地區，宜新建以客運為主的客貨共線快速鐵路，旅客列車的設計行車速度為 200km/h，貨物列車的設計行車速度為 120km/h。 3 貨運專線 貨運專線包括以煤炭運輸為主的貨物列車專用線，以及一些物流公司用自備的貨運車輛運送貨物至其目的地的企業專用線。目前我國僅有少數幾條貨運專線。 4 城市軌道交通 主要包括地鐵和輕軌。地鐵旅行速度通常大于 35km/h，高峰小時運量為 2.5-7萬人次；輕軌旅行速度通常大于 25km/h，高峰小時運量在 3 萬人次以下 通常在1 萬人次左右 。城市軌道交通由于運行速度較低，站間距較密，列車頻繁起停，所以對基礎線路的要求遠低于其它軌道交通方式。 1.3 我國不同軌道交通 方式發展 現狀 1.3.1 客運專線 1 “ 四縱 ” 客運專線 北京～上?？瓦\專線 簡稱京滬客運專線 、 北京～武漢～廣州～深圳客運專線 簡稱 京港客運專線 、 北京～沈陽～哈爾濱 大連 客運專線 、 上?！贾荨珜幉āＶ荨钲诳瓦\專線 簡稱 滬福深客運專線 。 2“ 四橫 ” 客 運專線 3 徐州～鄭州～蘭州客運專線 簡稱 徐蘭客運專線 、 杭州～南昌～長沙～貴陽～昆明客運專線 簡稱 滬昆客運專線 、 青島～石家莊～太原客運專線 簡稱 青太客運專線 、 南京～武漢～重慶～成都客運專線 簡稱 寧漢蓉客運專線 。 3 城際客運系統 在環渤海、長江三角洲、珠江三角洲、長株潭、成渝以及中原城市群、武漢城市圈、關中城鎮群、海峽西岸城鎮群等經濟發達和人口稠密地區建設城際客運系統，覆蓋區域內主要城鎮。 根據鐵道部公布信息，截止 2010 年 11 月， 我 國已開通運營 16 條客運專線 ， 運營總里程約為 4997.27km， 在建客 運專線近 44 條，建設里程近 15200km。 1.3.2 客貨共線鐵路 我國 的傳統客貨共線 鐵路已基本形成以北京為中心， 可通達全國 各 省市區的鐵路網。 2009 年我 國 客貨共線 鐵路 含 控股合資鐵路 營業里程達 8.60 萬 km， 路網密度 為 89.10km/萬 km2； 電氣化里程 為 3.60 萬 km， 電 氣 化率 為 41.70。 到2020 年，全國客貨共線鐵路 營業里程 將 達到 10.40 萬 km 以上 ，基本形成布局合理、結構清晰、功能完善、銜接順暢的鐵路 運輸 網絡，運輸能力滿足國民經濟和社會發展需要，主要技術裝備達到或接近國際先進水平。 1.3.3 城市軌道交通 2000 年以來，我國 城市軌道交通 進入 高速 發展時期 。截止 2010 年 11 月，我國已有 12 個城市建成城市軌道交通系統并且投入運營， 運營總里程 達1265.50km，另有 14 個城市的城市軌道交通系統正在建設中。 2010-2014 年 我國城市 軌道交通 線路 年均建設里程約 為 289.00km。 1.4 小結 目前， 我國正進入軌道交通的快速發展時期 。 接下來的 5 至 10 年，不同 類型的 軌道交通 方式 都將會得到 飛速 發展，尤以客運專線 的 發展 速度 最為顯著。 截至 2015 年，我國將建成客運專線約 23379.00km，每年平均新建線 路里程約為3707.75km； 截至 2020 年，全國客貨共線鐵路營業里程將達到 10.40 萬 km 以上；到 2014 年，我國城市軌道交通線路建 成 總里程將達到 2713.00km。 雖然我國各種類型軌道交通方式的線網規模發展迅速，但與發達國家相比，仍存在很大的差距。 2008 年，日本新干線和普通鐵路網絡密度分別為我國 2010年客運專線和 2009 年普通鐵路網絡密度的 14.40 倍和 8.70 倍，美國普通鐵路網4 密度為我國 2009 年的 3.23 倍。 2 不同軌道交通 方式 主要技術參數 本 部分將 主要從速度與運量、線路及相關設施、車站及旅 客站臺、建筑界限、機車車輛及牽引供電、站間距與發車間隔方面，比較不同軌道交通 方式在 技術參數 上 的差異。不同軌道交通 方式的 技術參數比較如 附 表 1 所示。 未來我國軌道交通的發展應根據 區域經濟發展和地理環境等 實際情況，綜合考慮經濟、環境等多方面因素，采取最為合理、有效的多樣化綜合發展模式 ；進一步 完善 客運專線、既有客貨共線鐵路、城際軌道交通和城市軌道交通的線網布局和其相互間的層次銜接，充分發揮不同類型軌道交通運輸網絡各自的優勢；另外，還要從整個綜合交通運輸體系角度入手，做好不同層面軌道交通運輸系統與公路、民航等其他交通 運輸方式的整體優化配合。 3 軌道交通能耗影響因素分析 軌道交通能耗是指軌道交通客貨運輸及相關的調度、信號、機車、車輛、檢修、工務等運輸輔助活動中產生的能源消耗 。 3.1 技術因素 與設施條件分析 影響軌道交通能耗的技術因素與設施條件主要包括機車牽引特性、 車輛 技術速度、機車輔 助牽引能耗占牽引能耗的比例、車站動力設備能耗、車站照明設備能耗 5 種因素。 1 機車牽引特性 電力機車牽引特性指電力機車以牽引電動機為動力， 經齒輪傳動驅動機車運行，實現電能到機械能的轉換。 內燃機車牽引特性是指輪周牽引力與速度之間的關系。 2 技術 速度 根據鐵道部 1999 公布的 鐵路線路設計規范 ，列車技術速度應根據運輸需求、鐵路等級、正線數目和地形條件等因素合理選定。 3 機車輔助牽引能耗占牽引能耗的比例 軌道交通機車牽引輔助能耗主要指在列車運行過程中，為保證旅客的舒適性、安全性而設計的 列車車載輔助設備 所消耗的能量。 不同類型的軌道交通 系統因服務水平標準的差異，其列車車載輔助設備的數量及功能 存在一定差異。 5 4 車站動力設備能耗 動力設備系統由降壓變電所和動力配電設備系統組成。在軌道交通系統里，動力設備主要包括隧道風機、火災報警監控系 統、信號設備類以及水泵類 等用380/220V 交流電源的設備 。 5 車站照明設備能耗 軌道交通系統車站照明一般分為工作照明、節點照明、 事故照明、疏散標志照明和廣告照明 。不同的軌道交通 方式由于其 服務水平標準、運輸距離以及客流規律的 差異 ， 其 車站照明標準存在 很大 差異。 3.2 組織 與管理 因素 分析 組織與管理因素 主要 包括列車 停站間距、速度均衡性控制、滿載率、編組方案等 。 1 停站間距 列車在停站間距較短時，要保持較高的運行速度，必須通過推高手柄位的方式來實現；而停站間距比較長時，可以保持在較高速度惰行的工況， 。 因此， 列車 停站間距也是影響列車單耗 能源消耗量 /旅客周轉量 或貨物周轉量 的重要因素。 2 速度均衡性控制 速度均衡性是指列車 實際 運行 速度與目標速度的標準差 。 速度均衡性控制是指使列車在運行過程中速度均衡性達到最佳 狀態 的一系列駕駛操縱控制策略。 3 滿載率 滿載率 指 某一時刻， 旅客 列車實際載客人數與列車定員之比 。 滿載率對軌道交通 列車 單耗的影響主要體現在 其 直接影響 旅客列車 單耗 。 4 編組方案 列車編組 方案 是 指 確定 組成列車的 車種構成 和各種 車輛 的 數量。 列車編組 方案不同將 導致列車重量不同， 從而使列車 運行和制動時的能耗 發 生變化。 3.3 能耗 結構與影響因素 3.3.1 軌道交通單耗構成 6 單耗是指一定統計時段內軌道交通系統的總能量消耗與所完成的貨物或旅客周轉量之比。 本研究 將軌道交通 單 耗構成分為 2 部分，即機車運行牽引能耗 和車站設施能耗 ， 其 影響因素 構成 如圖 3-3-1 所示。 軌 道 交 通 單 耗機 車 運 行 牽 引 能 耗 車 站 設 施 能 耗列車牽引特性列車設計速度滿載率列車自重速度均衡性控制動力設備照明設備機車輔助牽引能耗站間距設置圖 3-3-1 軌道交通 單 耗構成分析影響因素分析指標 3.3.2 軌道交通 能 耗影響因素 分析 指標 以 1995-2009 年全國鐵路相關統計數據以及相關鐵路、 客運專線 、地鐵以及輕軌設計規范標準 等 為參照，不同類型軌道交通能耗影響因 素分析指標如表3-3-2 所示。 表 3-3-2 軌道交通能耗影響因素分析指標 能耗構成 影響因素 分析指標 機車運行 牽引能耗 機車牽引特性 蒸汽、內燃、電力機車單耗 機車輔助牽引能耗占牽引能耗的比例 車載輔助設備的能耗占總能耗的比例 技術 速度 技術 速度值 滿載率 滿載率 編組方案 編組方案下對應牽引自重 速度均衡控制 速度標準差 停 站間距 平均 停 站間距 車站設施 能耗 動力設備 動力設備占車站設施總能耗的比例 照明設備 照明設備占車站設施總能耗的比例 7 3.4 能耗影響因 素重要度排序 本節根據軌道交通系統能耗影響因素的特點采用灰色關聯層次分析法 對各種能耗影響因素的重要度 進行 了指標 分析。 3.4.1 能耗構成結構重要度分析 通過 對軌道交通能耗構成以及灰色關聯層次 分析，客運專線、客貨共線以及城市軌道交通 3 類軌道交通 單耗 構成的重要度如圖 3-4-1 所示。 圖 3-4-1 不同類型軌道交通 單 耗結構重要度 從圖 3-4-1 中可以看出 客貨共線軌道交通系統能耗構成結構影響因素中對其能耗水平影響顯著的因素是機車運行牽引能耗比例 ； 對于客 運專線鐵路而言，機車運行牽引能耗和車站設施能耗與總能耗的重要度差別較大；對于 城市軌道交通 而言，機車運行牽引能耗和車站設施能耗與總能耗的重要度 相差不多 。 3.4.2 不同 影響因素重要度分析 由于不同類型的軌道交通系統采用的技術規范、服務標準的差別， 同一 能耗影響因素對于不同類型的軌道交通系 統總能耗的影響程度不同，即對控制總能耗水平高低的重要性程度不同。 根據灰色層次關聯分析， 不同的 軌道交通能耗影響因素 按照其重要度被 分為 4 類，分別為重要影響因素 重要度大于 0.8000、 顯著影響因素 重要度大于 0.6000、 一般影 響因素 重要度大于 0.4000和 輕微影響因素 重要度小于 0.4000。 各種 因素 在客運專線、客貨共線鐵路以及城市軌道交通能耗 中 的重要度如圖 3-4-2 所示 ，從而我們可以得出以下結論 ① 對于客貨共線鐵路 客運 而言，系統總能耗與 編組方案 、機車牽引特性、車站動力設備能耗以及速度均衡控制等 密切相關。 8 ② 對于客運專線鐵路而言，系統總能耗與 機車輔助牽引能耗、 技術 速度、速度均衡控制、滿載率等因素 密切相關。 ③ 對于城市軌道交通系統而言， 對 系統總能耗影響顯著的有 技術 速度、車站動力設備、速度均衡控制、 編組方案 4 個因素 ， 其他影響因素有機車牽引特性、停 站間距以及車站照明設備能耗等。 圖 3-4-2 軌道交通能耗影響因素 重要度 3.5 小結 本 節 首先 從技術因素 與設施條件 、組織 與 管理因素 兩 個方面對軌道交通能耗影響因素進行 了對比 分析， 并 在此基礎上采用灰色關聯層次分析法以 9 個 能耗分析指標，對不同 軌道交通 方式的 能耗影響因素進行了 進一步的 量化分析 ， 得出以下結論 1 對于影響軌道交通單耗的兩方面因素而言 ， 技術因素與設施條件主要包括 機車牽引特性、 列車 技術 速度、機車輔助牽引能耗 占牽引能耗的比例、車站動力設備能耗、車站照明設備能耗等；組織與管理因素則主要包括停站間距、速度均衡性控制、滿載率、編組方案等。 2 軌道交通總能耗構成分為 兩 部分，即機車運行牽引能耗 和 車站設施能9 耗。機車運行牽引能耗 的大小決定著 客貨共線鐵路 和 客運專線 鐵路的 能耗水平；而 對城市軌道交通系統而言， 以上兩個因素的 重要度相差不大 。 3 由于 不同 軌道交通系統 所 采用的技術規范標準不同， 其單 耗 中不同 影響因素 的重要度 存在差異。 對于客貨共線鐵路而言，機車車輛特性 以及駕駛策略等影響因素與單耗水平密切相關；對客運專線而言，單 耗 影響因素 主要有機車輔助牽引能耗、技術速度、速度均衡控制 和 滿載率 4 個因素； 城市軌道交通 單耗水平主要取決于 機車輔助牽引能耗、速度均衡控制、 停 站間距、車站動力設備 能耗等 。 4 客貨共線鐵路列車單耗影響因素量化分析 4.1 速度變化對單耗的影響 本節從列車牽引計算的角度，測算內燃機車貨運、內燃機車客運、電力機車貨運、電力機車客運四種 機車 牽引模式下 列車 技術速度 和載重 對 其 單耗 的影響。本節所用內燃機車貨運單耗單位為 kg/mtkm千克 /萬噸公里 ，內燃機車客運單耗單位為 kg/mpkm千克 /萬人公里 ，電力機車貨運單耗單位 為 kWh/mtkm千瓦時 /萬噸公里 ，電力機車客運單耗單位為 kWh/mpkm千瓦時 /萬人公里 。 4.1.1 內燃機車貨運 內燃機車貨運單耗隨技術速度的增大而增大 ， 如 圖 4-1-1 所示 。當列車技術速度從 30km/h 提高到 46km/h全國平均技術速度 時，貨運單耗從 10.54 kg/mtkm增大到 13.13 kg/mtkm，提高了約 25。當 列車 技術速度從 46km/h全國平均技術速度 提高到 85km/h 時，貨運單耗從 13.13 kg/mtkm 增大到 16.30 kg/mtkm，增幅約為 24。 從 30km/h 到 85km/h， 列車技術速度 平均每提高 10km/h，單耗約 增加 8。 04812162030 35 40 45 46 50 55 60 65 70 75 80 85貨運牽引單耗kg/mtkm技術速度（ km / h ）圖 4-1-1 不同技術速度下內燃機車貨運單耗 10 4.1.2 內燃機車客運 內燃機車客運單耗隨技術速度的變化關系如 圖 4-1-2 所示 。 技術速度在30km/h 的單耗大于技術速度為 35km/h 時的單耗，這是因為當技術速度很小時，機車處于啟動階段，因此耗能較多；當技術速度達從 35km/h 增大到 76.2km/h全國平均技術速度 時，單耗由 8.71kg/mpkm 提高到 13.21kg/mpkm，增幅約為 52；當技術速度從 76.2km/h全國平均技術速度 提高到 95km/h 時，單耗由 13.21 kg/mpkm 增長到 17.65 kg/mpkm，提高了約 34。 從 30km/h 到 110km/h， 列車技術速度 平均每提高 10km/h，單耗約提高 9。 04812162030 40 50 60 70 76.2 85 95 105技術速度（ km / h ）客運牽引單耗kg/mpkm圖 4-1-2 不同技術速度下內燃機車客運單耗曲線 4.1.3 電力機車貨運 電力機車貨運單耗隨技術速度的變化關系如 圖 4-1-3 所示 。 列車 技術速度 從45km/h 提高到 48.8km/h全國平均 技術速度 時，貨運單耗由 54.68 kWh/mtkm 提高到了 59.75 kWh/mtkm，提高了約 9；當技術速度由 48.8km/h全國平均技術速度 提高到 85km/h 時，貨運單耗由 59.75 kWh/mtkm 提高到了 92.06 kWh/mtkm，提高了約 54，變化趨勢較大；當技術速度由 85km/h 提高到 100km/h 時，單耗由 92.06 kWh/mtkm 提高到了 93.74 kWh/mtkm，增幅約 2，變化較為平緩。列車技術速度由 45km/h 提高到 100km/h 時，平均每提高 10km/h，單耗約提高 10。 11 02040608010012045 48.8 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100技術速度（ km / h ）貨運牽引單耗kWh/mtkm圖 4-1-3 不同技術速度下電力機車貨運單耗曲線 4.1.4 電力機車客運 電力機車客運單耗隨技術速度的變化關系如 圖 4-1-4 所示 。 電力機車客運單耗隨技術速度的變化關系如 圖 4-2-8 所示。 電力機車客運單耗隨著技術速度的增加而增大。但是單耗隨著運行技術速度的提高整體變化趨勢不大，當技術速度從45km/h 提高到 85.1km/h全國平均技術速度 時，單耗由 77.89 kWh/mpkm 增大到102.51kWh/mpkm，增幅約為 31.61；當技術速度從 85.1km/h全國平均技術速度 提高到 100km/h 時，單耗由 102.51kWh/mpkm 增大到 117.11kWh/mpkm，增幅約為 14.24。列車技術速度由 45km/h 提高到 100km/h 時，速度平均每提高10km/h，單耗約提高 7.70。 02040608010012014045 55 65 75 85 90 100技術速度（k m / h ）電力機車客運單耗kWh/mpkm圖 4-1-4 不同技術速度下電力機車客運單耗曲線 12 4.2 載重 平均滿載率 變化對單耗的影響 4.2.1 內燃機車貨運 當列車平均牽引總重在 3000t 以下時，貨運單耗隨著平均牽引總重的增加下降速度較快，當牽引總重由 1000t 提高到 3250t全國平均牽引總重 時，單耗由16.07 kg/mtkm 下降到 12.49 kg/mtkm，幅度約為 22；當 列車牽引總重由 3250t全國平均牽引總重 提高到 4000t 時，單耗由 12.49 kg/mtkm 下降到 11.82 kg/mtkm，幅度約為 5.3，貨運單耗隨著平均牽引總重的增加下降速度有所減慢。 牽引總重由 1000t 提高到 4000t 時， 牽引總重 平均每提高 100t，單耗約下降 10。 0246810121416181000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000內燃機車貨運單耗kg/mtkm平均牽引總重（ t ）圖 4-2-1 不同載重下內燃機車貨運單耗曲線 4.2.2 內燃機車客運 內燃機車客運單耗隨 平均滿載率 在多個時刻，列車實際載客人數與列車定員之比的平均值 ；對于客貨共線旅客列車而言，其定員按 1500 人 /列計算 的變化關系如圖 4-2-2 所示。當載客人數從 300 人 平均滿載率 20增大到 1500 人 平均滿載率 100時，單耗由 190.00 kg/mpkm 減 少至 87.94 kg/mpkm，即 平均滿載率 平均每增大 10，單耗 也隨之下降約 10。 13 0408012016020020 40 60 80 100平均滿載率客運牽引單耗kg/mpkm圖 4-2-2 不同 平均滿載率 下內燃機車客運單耗曲線 4.2.3 電力機車貨運 電力機車貨運單耗隨載重的變化關系如 圖 4-2-3 所示 。 整體上電力機車貨運單耗隨著牽引總重的增大而減少。當列車平均牽引總重從 1000t 提高到 3750t全國平均載重 時，貨運單耗由 101.74 kWh/mtkm 下降到 68.75kWh/mtkm，幅度約為 32；當列車牽引總重由 3750t全國平均載重 提高到 4000t 時，貨運單耗由74.33 kWh/mtkm 下降到 56.44 kWh/mtkm。 牽引 總 重由 1000t 提高到 4000t 時，牽引總重 平均每增加 100t，單耗約下降 10。 0204060801001201000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000貨運牽引單耗kWh/mtkm平均 牽引總重 （ t ）圖 4-2-3 不同載重下電力機車貨運單耗曲線 14 4.2.4 電力機車客運 電力機車客運單耗隨 平均滿載率 的變化關系如圖 4-2-4 所示。當載客人數從300 人 平均滿載率 20 增大到 1500 人 平均滿載率 100 ，單耗由284.00kWh/mpkm 減 少至 168.00kWh/mpkm，即 平均滿載率 平均每增大 10，單耗 隨之下降約 6.8。 05010015020025030020 40 60 80 100平均滿載率電力機車客運牽引單耗（kWh/mpkm）圖 4-2-4 不同 平均滿載率 下電力機車客運單耗曲線 4.3 小結 本節 研究了速度、載重 超員率 變化對 客貨共線鐵路 內燃 和 電力 機車 客 運以及 貨運四種 狀態下列車 單耗的 影響，主要 結論 如下 1 列車牽引單耗隨著技術速度的提高而增大。在非高速運行情況下，內燃機車貨運，技術速度平均每提高 10km/h，單耗約提高 8；內燃機車客運，技術速度平均每提高 10km/h，單耗約提高 9；電力機車貨運，技術速度平均每提高10km/h，單耗約提高 10；電力機車客運，技術速度平均每提高 10km/h，單耗約提高 8?？傮w而言，客貨共線鐵路列車技術速度每提高 10km/h，單耗大約提高 8-10。 2 列車牽引單耗隨著載重水平的增大而降低。內燃 和電力 機車貨運牽引總重由 1000t 提高到 4000t 時， 牽引總重 平均每提高 100t，單耗 均 下降 約 10；內燃 客運列車 平均滿載率 從 20至 100平均每增大 10，單耗 隨之下降約 10。；電力 客運列車 平均滿載率 從 20至 100平均每增大 10， 單耗 隨之下降約 6.8。 3 DF11、 SS7 型機車無論是牽引客運還是貨運情形下，在相同技術速度或者相同載重水平下時其能耗均低于其他類型機車。但是，目前這兩種機車在我國15 鐵路機車中比例較小 DF11 占 5.67， SS7 占 7.82。 5 典型客運專線單耗影響因素 量化分析 本研究主要以我國已開通 的客運專線 為研究對象，采用 仿真的手段研 究動車組 單耗 單位 千瓦時 /萬人公里， kWh/mpkm。 動車組 CRH3以 短距離的 京津 北京 -天津 城際 和長距離的武廣 武漢 -廣州 客運專線 作為典型線路，動車組 CRH5以 石太 石家莊 -太原 客運專線 為 典型 線路 ，研究最高速度、 平均 滿載率 在線路不同斷面上列車實際載客人數與列車定員之比的平均值；對于客運專線動車組列車而言，其定員按坐席計算 以及停站間距變化對 單耗 的影響 。 5.1 最高 速度變化對單耗的影響 5.1.1 京津城際 CRH3和武廣客專 CRH3 CRH3型 動車組 運行的單位基本阻力 方程 為速度的一元二次 函數 形式 20 . 4 2 0 . 0 0 1 6 0 . 0 0 0 1 3 2F v v? ? ?，單位為 N/kN。 在直達方案下，列車 平均 滿載率 100時， 京津城際 CRH3型動車組在不同 最高速度 下的 單耗 情況 如圖 5-1-1所示 。 CRH3動 車組 隨著 最高速度 的增加，單耗 呈二次函數式的 增長，且增長 趨勢與單位基本阻力的增長趨勢 基本 保持同步。 圖 5-1-1 京津城際 CRH3不同 最高速度 下的單耗 設置 平均 滿載率為 100、中間站只停長沙南的停站方案下，武廣客運專線CRH3型動車組在不同 最高速度 下的 總能耗和單耗如圖 5-1-2所示 。 隨著 最高速度16 的增加， 武廣客運專線 CRH3的 單耗 也呈二次函數式的增長趨勢。 圖 5-1-2 武廣客運專線 CRH3不同 最高速度 下的單耗 5.1.2 石太客專 CRH5 與 CRH3型動車組類似， CRH5型動車組運行的單位基本阻力 方程也 為速度的一元二次 函數 形式 21 . 6 5 0 . 0 0 0 1 0 . 0 0 0 1 7 9F v v? ? ?，單位為 N/kN 。 設置 平均 滿載率 為 100，在中間站 停站一次 陽泉北站 的 方案下， 石太客運專線 CRH5型動車組 單耗隨最高速度 的變化情況 如 圖 5-2-1所示 。 隨著 最高速度 的增加，石太客運專線 CRH5的單耗呈二次函數增長趨勢。 y 0.0005x 2 2.6787x - 153.81R2 0.9967010020030040050060075 100 125 150 175 200 225 250 275單耗kWh/萬人km最高速度 k m / h圖 5-2-1 石太客運專線 CRH5不同 最高速度 下的單耗 17 5.2 平均 滿載率變化對單耗的影響 5.2.1 京津城際 CRH3 在最大速度同為 350km/h的直達方案下， 采用仿真手段得出京津城際不同 平均 滿載率的單耗情況如 圖 5-2-1所示。 動車組 CRH3的總能耗隨著 平均 滿載率的增加呈緩慢增長趨勢 ，當 平均 滿載率從 20增加到 120時，總能耗僅增加了 3.1；單耗隨著 平均 滿載率的增加 而 遞減， 當 平均 滿載率 分別 為 20和 120時，單耗分別為 5064.19和 869.54kWh/mpkm， 前者比后者高 4.8倍 。 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 6000 6400 6800 7200 7600 8000 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 單耗kWh/mpkm總能耗kWh平均滿載率 總能耗單耗圖 5-2-