中国可持续能源项目 大卫与露茜尔派克德基金会 威廉与佛洛拉休利特基金会 能 源 基 金 会 项目资助号 G-0911-11631 轨道交通技术规范及其发展规划评估 Technical Regulations of Rail Transport Modes and Appraisal of Their Development Planning 简要 报告 Summarization Report 北京交通大学中国综合交通研究中心 2010 年 12 月 Integrated Transport Research Center of China Beijing Jiaotong University, December, 2010 I 前 言 随着中国经济与社会的快速发展，交通运输总量有了快速增长，交通结构也在发生变化。交通总量与结构的变化无疑直接关系到交通行业的能耗与排放占全国各行业的比重。 进入 21 世纪以来，我国从中央主管部门到各级地方政府均加强了轨道交通的建设，目前开始形成三级网络体系一是铁道部负责规划与建设的面向城市间运输的客运专线网络；二是以改善区域经 济发展支撑条件的城际轨道交通网络，主要以地方政府为主体；三是由各大城市负责规划与建设的城市轨道交通网络，重点解决快速机动化背景下地面道路资源不足情况下的公共交通运输服务质量提高问题。 在铁路能力长期紧张局面下，铁道部加快了城市间铁路的规划与建设。自20 世纪 90 年代开始论证高速铁路建设计划，进入本世纪，先后启动了十余条客运专线的建设计划。中长期铁路网规划 （ 2008 年调整 ） 规划建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”等客运专线以及经济发达和人口稠密地区城际客运系统。到 2020 年 ,中国客运专线 网络全长将达到 16000km。此外，不少地方政府还提出了城际轨道交通网络的建设计划，珠江三角洲、长江三角洲、长株潭等区域也着手规划或已开始建设区域轨道交通网络 。此外，包括 北京 、 上海、广州等中国内地 48 个人口百万以上的特大城市中已有 11 个城市建成城市轨道交通并通轨，另有 14 个城市正在兴建城市轨道交通，预计 2014 年总里程将突破 2500km，中国城市轨道交通里程将很快步入世界先进行列。 随着我国轨道交通建设速度的加快，无论政府决策部门还是行业技术管理部门均已认识到从可持续发展角度加强轨道交通技术适用性研究的重要 性。作为可持续性研究的主要内容，能耗与排放是需要系统研究的要点。 II 对于发展中的我国来说，目前关于这三类网络的建设条件、技术经济特性与参数标准等问题还缺乏充分研究，各设计院在进行轨道交通线路设计时经常是“摸着石头过河”，缺乏确定相关设计参数与技术标准的依据，形成了许多线路的设备选型、技术参数与建设标准不一的局面。 2009 年 6 月，国家发展与改革委员会基础产业司与广东省发展与改革委员会以珠江三角洲为对象立项研究“珠江三角洲地区轨道交通一体化问题”，重点研究三种类型的轨道交通在不同类型轨道交通技术经济特性、建设制式 、通道能力、枢纽设计等方面的协调问题。上述事实表明政府和各行业部门已经意识到强化轨道交通建设技术参数与标准研究的重要性。 本项目受到能源基金会的资助 （ G-0911-11631） ，由北京交通大学中国综合交通研究中心组织开展研究。项目将以轨道交通的能耗为出发点，以我国当前铁路客运专线、区域城际轨道交通以及城市轨道交通三种形式的轨道交通系统的规划、建设实践为基础，结合规划、设计与运营管理中存在及亟待解决的问题，对轨道交通的关键技术进行研究。着重研究三类网络的能耗特性，提出三类网络的分类体系与适用条件，为国家和设计 部门进行轨道交通系统规划与建设提供科学依据。 项目重点研究以下内容 （ 1） 现有不同类型轨道交通系统相关技术标准与规范的比较分析； （ 2） 不同类型轨道交通系统能耗影响因素的重要度分析； （ 3） 不同类型轨道交通能耗因子测算 以及影响因素灵敏度分析 ； （ 4） 不同 轨道交通 的适用性 及相关发展政策研究。 参加本项目研究的主要人员包括 毛保华 北京交通大学教授 贾顺平 北京交通大学教授 冯雪松 北京交通大学副教授 III 张秀媛 北京交通大学副教授 孙启鹏 长安大学副教授 刘海东 北京交通大学副教授 陈绍宽 北京 交通大学副教授 刘智丽 北京交通大学讲师 刘 爽 北京交通大学博士后研究人员 周方明 北京交通大学博士生 张笑杰 北京交通大学博士生 许 奇 北京交通大学博士生 冯旭杰 北京交通大学博士生 冯 佳 北京交通大学博士生 陈 涛 北京交通大学硕士生 周志龙 北京交通大学硕士生 李喜华 北京交通大学硕士生 田盟蒙 北京交通大学硕士生 在研究过程中，得到了国家发展与改革委员会基础产业司的大力支持；同时，国家物资储备局局长王庆云教授、国务院参事 （ 原国家科技部秘书长 ） 石定寰教授、国家发改委 基础产业司司长黄民教授、原国家发改委能源司司长白荣春、北京交通大学张国伍教授与胡思继教授、国家发改委基础产业司铁道处郑剑处长、综合运输研究所吴文化研究员、国家能源研究所姜克隽研究员与朱跃中研究员、北京市发展与改革委员会王玉明副处长、北京交通发展研究中心郭继孚教授级高级工程师、铁道部经济规划院林仲洪副院长与李建新高级工程师、交通运输部交通规划院方然教授级高级工程师、建设部中国城市规划研究院马林教授级高级工程师、广州铁路局科研所孙年友高级工程师、中国北车股份有限公司梁兵总工程师、大连机车车辆厂梁圣童总工程师、长 春客车厂牛得田总工程师、上海磁浮交通发展有限公司莫凡副总经理、广州市地下铁道总公司袁敏正主任、唐锐经理、IV 洪嫚工程师和廖振宁工程师等各位专家为本课题研究提供了大力支持。能源基金会的龚慧明先生、辛焰女士为本课题工作的开展也提供了许多帮助；课题组在此一并表示衷心感谢。 最后，课题组要感谢本报告中引用的全部文献的作者，正是他们的研究成果使得我们在该领域的认识能够得以深化。 北京交通大学 中国 综合交通研究中心 2010 年 12 月 i 目 录 1 我国轨道交通的发展现状及其分类 1 1.1 现有轨道交通方式分类 1 1.2 本研究所采用的轨道交通分类方式 1 1.3 我国不同轨道交通方式发展现状 2 1.4 小结 . 3 2 不同轨道交通方式主要技术参数 4 3 轨道交通能耗影响因素分析 . 4 3.1 技术因素与设施条件分析 . 4 3.2 组织与管理因素分析 . 5 3.3 能耗结构与影响因素 5 3.4 能耗影响因素重要度排序 7 3.5 小结 8 4 客货共线铁路列车单耗影响因素量化分析 9 4.1 速度变化对单耗的影响 . 9 4.2 载重 平均满载率 变化对单耗的影响 12 4.3 小结 14 5 典型客运专线单耗影响因素量化分析 15 5.1 最高速度变化对单耗的影响 15 5.2 平均满载率变化对单耗的影响 17 5.3 停站间距变化对单耗的影响 19 5.4 小结 20 6 典型地铁线路列车单耗影响因素的量化分析 20 6.1 技术速度变化对单耗的影响 21 6.2 平均满载率变化对单耗的影响 21 6.3 停站间距变化对单耗的影响 22 6.4 小结 23 7 我国部分轨道交通系统能耗情况 23 7.1 客货共线铁路 23 ii 7.2 客运专线与磁悬浮 23 7.3 典型地铁线路能耗分析 24 8 不同轨道交通方式适用性研究 25 8.1 线网 规模 25 8.2 运量规模 26 8.3 线路布局 27 8.4 衔接 服务 城市规模 . 27 8.5 能耗水平 27 8.6 小结 28 9 不同类型轨道交通系统的排放研究进展综述 28 9.1 客运专线排放研究及发展分析 28 9.2 客货共线铁路排放研究及分析 29 9.3 城市轨道交通排放及发展分析 29 9.4 小结 . 30 10 我国轨道交通建设与发展的政策建议 30 附表 1 不同轨道交通主要技术参数 . 33 1 1 我国轨道交通的发展 现状及其分类 1.1 现有轨道交通 方式 分类 由于所采用的分类依据各不相同，不同的研究角度对于目前各种轨道交通方式所属的类别的界定各不相同，如表 1-1-1 所示。这些界定互相交叉，非常容易造成统计数据的混乱，同时也不能有效地说明不同轨道交通方式的技术差异。 表 1-1-1 对各种轨道交通方式的不同分类 分类依据 类别 按导轨形式 单轨式、双轨式、自动导轨式 按线路纵面结构形式 高架线路、地面线路、地下线路、复合线路 按输送能力 高运量线、中运量线、低运量线 按服务区域 市区级线、市郊级线、区际级线、国家 干线 按运行速度 传统铁路、高速铁路 按规划、运营管理主体 大铁路、城际铁路、城市轨道交通 按载运对象 客运专线、货运专线、客货混行 1.2 本研究所采用的轨道交通分类 方式 根据各种技术标准，考虑到 列车 运行速度、行车组织模式、能耗以及线路条件的差异，本研究将目前各种轨道交通方式分为客运专线、货运专线、客货共线、城市轨道交通，如图 1-2-1 所示。 图 1-2-1 本研究对各种轨道交通方式的分类 轨道交通 客运专线 客货共线 城市轨道交通 设计速度 200-250km/h 设计速度 300-350km/h 货运专线 设计速度 200km/h 以下 2 1 客运专线 实际上，通常所说的客运专线 与城际轨道交通采用的是相同体系的技术标准与规范，故 本研究 将客运专线与城际轨道交通归为一类进行分析研究，统称为客运专线。我国客运专线按设计速度一般为 200km/h-250km/h 和 300km/h-350km/h两个等级 。 客运专线列车最小行车间隔可达 3min，列车定员可达 1600-1800 人 /列，理论上每小时最大输运能力可达 7 万余 人 次。 2 客货共线 客货共线铁路包含既有铁路线以及 按照新建时速 200 公里客货共线铁路设计暂行规定 铁建设函 [2005]285 号 新修建的客货混用快速铁路。 大部分既有线受到现有 条件的限制，旅客列车的设计行车速度达到 160km/h，货物列车的设计行车速度达到 120km/h；在经济发达、客运量较大，又有一定数量货物不可分流的平原或丘陵地区，宜新建以客运为主的客货共线快速铁路，旅客列车的设计行车速度为 200km/h，货物列车的设计行车速度为 120km/h。 3 货运专线 货运专线包括以煤炭运输为主的货物列车专用线，以及一些物流公司用自备的货运车辆运送货物至其目的地的企业专用线。目前我国仅有少数几条货运专线。 4 城市轨道交通 主要包括地铁和轻轨。地铁旅行速度通常大于 35km/h，高峰小时运量为 2.5-7万人次；轻轨旅行速度通常大于 25km/h，高峰小时运量在 3 万人次以下 通常在1 万人次左右 。城市轨道交通由于运行速度较低，站间距较密，列车频繁起停，所以对基础线路的要求远低于其它轨道交通方式。 1.3 我国不同轨道交通 方式发展 现状 1.3.1 客运专线 1 “ 四纵 ” 客运专线 北京～上海客运专线 简称京沪客运专线 、 北京～武汉～广州～深圳客运专线 简称 京港客运专线 、 北京～沈阳～哈尔滨 大连 客运专线 、 上海～杭州～宁波～福州～深圳客运专线 简称 沪福深客运专线 。 2“ 四横 ” 客 运专线 3 徐州～郑州～兰州客运专线 简称 徐兰客运专线 、 杭州～南昌～长沙～贵阳～昆明客运专线 简称 沪昆客运专线 、 青岛～石家庄～太原客运专线 简称 青太客运专线 、 南京～武汉～重庆～成都客运专线 简称 宁汉蓉客运专线 。 3 城际客运系统 在环渤海、长江三角洲、珠江三角洲、长株潭、成渝以及中原城市群、武汉城市圈、关中城镇群、海峡西岸城镇群等经济发达和人口稠密地区建设城际客运系统，覆盖区域内主要城镇。 根据铁道部公布信息，截止 2010 年 11 月， 我 国已开通运营 16 条客运专线 ， 运营总里程约为 4997.27km， 在建客 运专线近 44 条，建设里程近 15200km。 1.3.2 客货共线铁路 我国 的传统客货共线 铁路已基本形成以北京为中心， 可通达全国 各 省市区的铁路网。 2009 年我 国 客货共线 铁路 含 控股合资铁路 营业里程达 8.60 万 km， 路网密度 为 89.10km/万 km2； 电气化里程 为 3.60 万 km， 电 气 化率 为 41.70。 到2020 年，全国客货共线铁路 营业里程 将 达到 10.40 万 km 以上 ，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路 运输 网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。 1.3.3 城市轨道交通 2000 年以来，我国 城市轨道交通 进入 高速 发展时期 。截止 2010 年 11 月，我国已有 12 个城市建成城市轨道交通系统并且投入运营， 运营总里程 达1265.50km，另有 14 个城市的城市轨道交通系统正在建设中。 2010-2014 年 我国城市 轨道交通 线路 年均建设里程约 为 289.00km。 1.4 小结 目前， 我国正进入轨道交通的快速发展时期 。 接下来的 5 至 10 年，不同 类型的 轨道交通 方式 都将会得到 飞速 发展，尤以客运专线 的 发展 速度 最为显著。 截至 2015 年，我国将建成客运专线约 23379.00km，每年平均新建线 路里程约为3707.75km； 截至 2020 年，全国客货共线铁路营业里程将达到 10.40 万 km 以上；到 2014 年，我国城市轨道交通线路建 成 总里程将达到 2713.00km。 虽然我国各种类型轨道交通方式的线网规模发展迅速，但与发达国家相比，仍存在很大的差距。 2008 年，日本新干线和普通铁路网络密度分别为我国 2010年客运专线和 2009 年普通铁路网络密度的 14.40 倍和 8.70 倍，美国普通铁路网4 密度为我国 2009 年的 3.23 倍。 2 不同轨道交通 方式 主要技术参数 本 部分将 主要从速度与运量、线路及相关设施、车站及旅 客站台、建筑界限、机车车辆及牵引供电、站间距与发车间隔方面，比较不同轨道交通 方式在 技术参数 上 的差异。不同轨道交通 方式的 技术参数比较如 附 表 1 所示。 未来我国轨道交通的发展应根据 区域经济发展和地理环境等 实际情况，综合考虑经济、环境等多方面因素，采取最为合理、有效的多样化综合发展模式 ；进一步 完善 客运专线、既有客货共线铁路、城际轨道交通和城市轨道交通的线网布局和其相互间的层次衔接，充分发挥不同类型轨道交通运输网络各自的优势；另外，还要从整个综合交通运输体系角度入手，做好不同层面轨道交通运输系统与公路、民航等其他交通 运输方式的整体优化配合。 3 轨道交通能耗影响因素分析 轨道交通能耗是指轨道交通客货运输及相关的调度、信号、机车、车辆、检修、工务等运输辅助活动中产生的能源消耗 。 3.1 技术因素 与设施条件分析 影响轨道交通能耗的技术因素与设施条件主要包括机车牵引特性、 车辆 技术速度、机车辅 助牵引能耗占牵引能耗的比例、车站动力设备能耗、车站照明设备能耗 5 种因素。 1 机车牵引特性 电力机车牵引特性指电力机车以牵引电动机为动力， 经齿轮传动驱动机车运行，实现电能到机械能的转换。 内燃机车牵引特性是指轮周牵引力与速度之间的关系。 2 技术 速度 根据铁道部 1999 公布的 铁路线路设计规范 ，列车技术速度应根据运输需求、铁路等级、正线数目和地形条件等因素合理选定。 3 机车辅助牵引能耗占牵引能耗的比例 轨道交通机车牵引辅助能耗主要指在列车运行过程中，为保证旅客的舒适性、安全性而设计的 列车车载辅助设备 所消耗的能量。 不同类型的轨道交通 系统因服务水平标准的差异，其列车车载辅助设备的数量及功能 存在一定差异。 5 4 车站动力设备能耗 动力设备系统由降压变电所和动力配电设备系统组成。在轨道交通系统里，动力设备主要包括隧道风机、火灾报警监控系 统、信号设备类以及水泵类 等用380/220V 交流电源的设备 。 5 车站照明设备能耗 轨道交通系统车站照明一般分为工作照明、节点照明、 事故照明、疏散标志照明和广告照明 。不同的轨道交通 方式由于其 服务水平标准、运输距离以及客流规律的 差异 ， 其 车站照明标准存在 很大 差异。 3.2 组织 与管理 因素 分析 组织与管理因素 主要 包括列车 停站间距、速度均衡性控制、满载率、编组方案等 。 1 停站间距 列车在停站间距较短时，要保持较高的运行速度，必须通过推高手柄位的方式来实现；而停站间距比较长时，可以保持在较高速度惰行的工况， 。 因此， 列车 停站间距也是影响列车单耗 能源消耗量 /旅客周转量 或货物周转量 的重要因素。 2 速度均衡性控制 速度均衡性是指列车 实际 运行 速度与目标速度的标准差 。 速度均衡性控制是指使列车在运行过程中速度均衡性达到最佳 状态 的一系列驾驶操纵控制策略。 3 满载率 满载率 指 某一时刻， 旅客 列车实际载客人数与列车定员之比 。 满载率对轨道交通 列车 单耗的影响主要体现在 其 直接影响 旅客列车 单耗 。 4 编组方案 列车编组 方案 是 指 确定 组成列车的 车种构成 和各种 车辆 的 数量。 列车编组 方案不同将 导致列车重量不同， 从而使列车 运行和制动时的能耗 发 生变化。 3.3 能耗 结构与影响因素 3.3.1 轨道交通单耗构成 6 单耗是指一定统计时段内轨道交通系统的总能量消耗与所完成的货物或旅客周转量之比。 本研究 将轨道交通 单 耗构成分为 2 部分，即机车运行牵引能耗 和车站设施能耗 ， 其 影响因素 构成 如图 3-3-1 所示。 轨 道 交 通 单 耗机 车 运 行 牵 引 能 耗 车 站 设 施 能 耗列车牵引特性列车设计速度满载率列车自重速度均衡性控制动力设备照明设备机车辅助牵引能耗站间距设置图 3-3-1 轨道交通 单 耗构成分析影响因素分析指标 3.3.2 轨道交通 能 耗影响因素 分析 指标 以 1995-2009 年全国铁路相关统计数据以及相关铁路、 客运专线 、地铁以及轻轨设计规范标准 等 为参照，不同类型轨道交通能耗影响因 素分析指标如表3-3-2 所示。 表 3-3-2 轨道交通能耗影响因素分析指标 能耗构成 影响因素 分析指标 机车运行 牵引能耗 机车牵引特性 蒸汽、内燃、电力机车单耗 机车辅助牵引能耗占牵引能耗的比例 车载辅助设备的能耗占总能耗的比例 技术 速度 技术 速度值 满载率 满载率 编组方案 编组方案下对应牵引自重 速度均衡控制 速度标准差 停 站间距 平均 停 站间距 车站设施 能耗 动力设备 动力设备占车站设施总能耗的比例 照明设备 照明设备占车站设施总能耗的比例 7 3.4 能耗影响因 素重要度排序 本节根据轨道交通系统能耗影响因素的特点采用灰色关联层次分析法 对各种能耗影响因素的重要度 进行 了指标 分析。 3.4.1 能耗构成结构重要度分析 通过 对轨道交通能耗构成以及灰色关联层次 分析，客运专线、客货共线以及城市轨道交通 3 类轨道交通 单耗 构成的重要度如图 3-4-1 所示。 图 3-4-1 不同类型轨道交通 单 耗结构重要度 从图 3-4-1 中可以看出 客货共线轨道交通系统能耗构成结构影响因素中对其能耗水平影响显著的因素是机车运行牵引能耗比例 ； 对于客 运专线铁路而言，机车运行牵引能耗和车站设施能耗与总能耗的重要度差别较大；对于 城市轨道交通 而言，机车运行牵引能耗和车站设施能耗与总能耗的重要度 相差不多 。 3.4.2 不同 影响因素重要度分析 由于不同类型的轨道交通系统采用的技术规范、服务标准的差别， 同一 能耗影响因素对于不同类型的轨道交通系 统总能耗的影响程度不同，即对控制总能耗水平高低的重要性程度不同。 根据灰色层次关联分析， 不同的 轨道交通能耗影响因素 按照其重要度被 分为 4 类，分别为重要影响因素 重要度大于 0.8000、 显著影响因素 重要度大于 0.6000、 一般影 响因素 重要度大于 0.4000和 轻微影响因素 重要度小于 0.4000。 各种 因素 在客运专线、客货共线铁路以及城市轨道交通能耗 中 的重要度如图 3-4-2 所示 ，从而我们可以得出以下结论 ① 对于客货共线铁路 客运 而言，系统总能耗与 编组方案 、机车牵引特性、车站动力设备能耗以及速度均衡控制等 密切相关。 8 ② 对于客运专线铁路而言，系统总能耗与 机车辅助牵引能耗、 技术 速度、速度均衡控制、满载率等因素 密切相关。 ③ 对于城市轨道交通系统而言， 对 系统总能耗影响显著的有 技术 速度、车站动力设备、速度均衡控制、 编组方案 4 个因素 ， 其他影响因素有机车牵引特性、停 站间距以及车站照明设备能耗等。 图 3-4-2 轨道交通能耗影响因素 重要度 3.5 小结 本 节 首先 从技术因素 与设施条件 、组织 与 管理因素 两 个方面对轨道交通能耗影响因素进行 了对比 分析， 并 在此基础上采用灰色关联层次分析法以 9 个 能耗分析指标，对不同 轨道交通 方式的 能耗影响因素进行了 进一步的 量化分析 ， 得出以下结论 1 对于影响轨道交通单耗的两方面因素而言 ， 技术因素与设施条件主要包括 机车牵引特性、 列车 技术 速度、机车辅助牵引能耗 占牵引能耗的比例、车站动力设备能耗、车站照明设备能耗等；组织与管理因素则主要包括停站间距、速度均衡性控制、满载率、编组方案等。 2 轨道交通总能耗构成分为 两 部分，即机车运行牵引能耗 和 车站设施能9 耗。机车运行牵引能耗 的大小决定着 客货共线铁路 和 客运专线 铁路的 能耗水平；而 对城市轨道交通系统而言， 以上两个因素的 重要度相差不大 。 3 由于 不同 轨道交通系统 所 采用的技术规范标准不同， 其单 耗 中不同 影响因素 的重要度 存在差异。 对于客货共线铁路而言，机车车辆特性 以及驾驶策略等影响因素与单耗水平密切相关；对客运专线而言，单 耗 影响因素 主要有机车辅助牵引能耗、技术速度、速度均衡控制 和 满载率 4 个因素； 城市轨道交通 单耗水平主要取决于 机车辅助牵引能耗、速度均衡控制、 停 站间距、车站动力设备 能耗等 。 4 客货共线铁路列车单耗影响因素量化分析 4.1 速度变化对单耗的影响 本节从列车牵引计算的角度，测算内燃机车货运、内燃机车客运、电力机车货运、电力机车客运四种 机车 牵引模式下 列车 技术速度 和载重 对 其 单耗 的影响。本节所用内燃机车货运单耗单位为 kg/mtkm千克 /万吨公里 ，内燃机车客运单耗单位为 kg/mpkm千克 /万人公里 ，电力机车货运单耗单位 为 kWh/mtkm千瓦时 /万吨公里 ，电力机车客运单耗单位为 kWh/mpkm千瓦时 /万人公里 。 4.1.1 内燃机车货运 内燃机车货运单耗随技术速度的增大而增大 ， 如 图 4-1-1 所示 。当列车技术速度从 30km/h 提高到 46km/h全国平均技术速度 时，货运单耗从 10.54 kg/mtkm增大到 13.13 kg/mtkm，提高了约 25。当 列车 技术速度从 46km/h全国平均技术速度 提高到 85km/h 时，货运单耗从 13.13 kg/mtkm 增大到 16.30 kg/mtkm，增幅约为 24。 从 30km/h 到 85km/h， 列车技术速度 平均每提高 10km/h，单耗约 增加 8。 04812162030 35 40 45 46 50 55 60 65 70 75 80 85货运牵引单耗kg/mtkm技术速度（ km / h ）图 4-1-1 不同技术速度下内燃机车货运单耗 10 4.1.2 内燃机车客运 内燃机车客运单耗随技术速度的变化关系如 图 4-1-2 所示 。 技术速度在30km/h 的单耗大于技术速度为 35km/h 时的单耗，这是因为当技术速度很小时，机车处于启动阶段，因此耗能较多；当技术速度达从 35km/h 增大到 76.2km/h全国平均技术速度 时，单耗由 8.71kg/mpkm 提高到 13.21kg/mpkm，增幅约为 52；当技术速度从 76.2km/h全国平均技术速度 提高到 95km/h 时，单耗由 13.21 kg/mpkm 增长到 17.65 kg/mpkm，提高了约 34。 从 30km/h 到 110km/h， 列车技术速度 平均每提高 10km/h，单耗约提高 9。 04812162030 40 50 60 70 76.2 85 95 105技术速度（ km / h ）客运牵引单耗kg/mpkm图 4-1-2 不同技术速度下内燃机车客运单耗曲线 4.1.3 电力机车货运 电力机车货运单耗随技术速度的变化关系如 图 4-1-3 所示 。 列车 技术速度 从45km/h 提高到 48.8km/h全国平均 技术速度 时，货运单耗由 54.68 kWh/mtkm 提高到了 59.75 kWh/mtkm，提高了约 9；当技术速度由 48.8km/h全国平均技术速度 提高到 85km/h 时，货运单耗由 59.75 kWh/mtkm 提高到了 92.06 kWh/mtkm，提高了约 54，变化趋势较大；当技术速度由 85km/h 提高到 100km/h 时，单耗由 92.06 kWh/mtkm 提高到了 93.74 kWh/mtkm，增幅约 2，变化较为平缓。列车技术速度由 45km/h 提高到 100km/h 时，平均每提高 10km/h，单耗约提高 10。 11 02040608010012045 48.8 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100技术速度（ km / h ）货运牵引单耗kWh/mtkm图 4-1-3 不同技术速度下电力机车货运单耗曲线 4.1.4 电力机车客运 电力机车客运单耗随技术速度的变化关系如 图 4-1-4 所示 。 电力机车客运单耗随技术速度的变化关系如 图 4-2-8 所示。 电力机车客运单耗随着技术速度的增加而增大。但是单耗随着运行技术速度的提高整体变化趋势不大，当技术速度从45km/h 提高到 85.1km/h全国平均技术速度 时，单耗由 77.89 kWh/mpkm 增大到102.51kWh/mpkm，增幅约为 31.61；当技术速度从 85.1km/h全国平均技术速度 提高到 100km/h 时，单耗由 102.51kWh/mpkm 增大到 117.11kWh/mpkm，增幅约为 14.24。列车技术速度由 45km/h 提高到 100km/h 时，速度平均每提高10km/h，单耗约提高 7.70。 02040608010012014045 55 65 75 85 90 100技术速度（k m / h ）电力机车客运单耗kWh/mpkm图 4-1-4 不同技术速度下电力机车客运单耗曲线 12 4.2 载重 平均满载率 变化对单耗的影响 4.2.1 内燃机车货运 当列车平均牵引总重在 3000t 以下时，货运单耗随着平均牵引总重的增加下降速度较快，当牵引总重由 1000t 提高到 3250t全国平均牵引总重 时，单耗由16.07 kg/mtkm 下降到 12.49 kg/mtkm，幅度约为 22；当 列车牵引总重由 3250t全国平均牵引总重 提高到 4000t 时，单耗由 12.49 kg/mtkm 下降到 11.82 kg/mtkm，幅度约为 5.3，货运单耗随着平均牵引总重的增加下降速度有所减慢。 牵引总重由 1000t 提高到 4000t 时， 牵引总重 平均每提高 100t，单耗约下降 10。 0246810121416181000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000内燃机车货运单耗kg/mtkm平均牵引总重（ t ）图 4-2-1 不同载重下内燃机车货运单耗曲线 4.2.2 内燃机车客运 内燃机车客运单耗随 平均满载率 在多个时刻，列车实际载客人数与列车定员之比的平均值 ；对于客货共线旅客列车而言，其定员按 1500 人 /列计算 的变化关系如图 4-2-2 所示。当载客人数从 300 人 平均满载率 20增大到 1500 人 平均满载率 100时，单耗由 190.00 kg/mpkm 减 少至 87.94 kg/mpkm，即 平均满载率 平均每增大 10，单耗 也随之下降约 10。 13 0408012016020020 40 60 80 100平均满载率客运牵引单耗kg/mpkm图 4-2-2 不同 平均满载率 下内燃机车客运单耗曲线 4.2.3 电力机车货运 电力机车货运单耗随载重的变化关系如 图 4-2-3 所示 。 整体上电力机车货运单耗随着牵引总重的增大而减少。当列车平均牵引总重从 1000t 提高到 3750t全国平均载重 时，货运单耗由 101.74 kWh/mtkm 下降到 68.75kWh/mtkm，幅度约为 32；当列车牵引总重由 3750t全国平均载重 提高到 4000t 时，货运单耗由74.33 kWh/mtkm 下降到 56.44 kWh/mtkm。 牵引 总 重由 1000t 提高到 4000t 时，牵引总重 平均每增加 100t，单耗约下降 10。 0204060801001201000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000货运牵引单耗kWh/mtkm平均 牵引总重 （ t ）图 4-2-3 不同载重下电力机车货运单耗曲线 14 4.2.4 电力机车客运 电力机车客运单耗随 平均满载率 的变化关系如图 4-2-4 所示。当载客人数从300 人 平均满载率 20 增大到 1500 人 平均满载率 100 ，单耗由284.00kWh/mpkm 减 少至 168.00kWh/mpkm，即 平均满载率 平均每增大 10，单耗 随之下降约 6.8。 05010015020025030020 40 60 80 100平均满载率电力机车客运牵引单耗（kWh/mpkm）图 4-2-4 不同 平均满载率 下电力机车客运单耗曲线 4.3 小结 本节 研究了速度、载重 超员率 变化对 客货共线铁路 内燃 和 电力 机车 客 运以及 货运四种 状态下列车 单耗的 影响，主要 结论 如下 1 列车牵引单耗随着技术速度的提高而增大。在非高速运行情况下，内燃机车货运，技术速度平均每提高 10km/h，单耗约提高 8；内燃机车客运，技术速度平均每提高 10km/h，单耗约提高 9；电力机车货运，技术速度平均每提高10km/h，单耗约提高 10；电力机车客运，技术速度平均每提高 10km/h，单耗约提高 8。总体而言，客货共线铁路列车技术速度每提高 10km/h，单耗大约提高 8-10。 2 列车牵引单耗随着载重水平的增大而降低。内燃 和电力 机车货运牵引总重由 1000t 提高到 4000t 时， 牵引总重 平均每提高 100t，单耗 均 下降 约 10；内燃 客运列车 平均满载率 从 20至 100平均每增大 10，单耗 随之下降约 10。；电力 客运列车 平均满载率 从 20至 100平均每增大 10， 单耗 随之下降约 6.8。 3 DF11、 SS7 型机车无论是牵引客运还是货运情形下，在相同技术速度或者相同载重水平下时其能耗均低于其他类型机车。但是，目前这两种机车在我国15 铁路机车中比例较小 DF11 占 5.67， SS7 占 7.82。 5 典型客运专线单耗影响因素 量化分析 本研究主要以我国已开通 的客运专线 为研究对象，采用 仿真的手段研 究动车组 单耗 单位 千瓦时 /万人公里， kWh/mpkm。 动车组 CRH3以 短距离的 京津 北京 -天津 城际 和长距离的武广 武汉 -广州 客运专线 作为典型线路，动车组 CRH5以 石太 石家庄 -太原 客运专线 为 典型 线路 ，研究最高速度、 平均 满载率 在线路不同断面上列车实际载客人数与列车定员之比的平均值；对于客运专线动车组列车而言，其定员按坐席计算 以及停站间距变化对 单耗 的影响 。 5.1 最高 速度变化对单耗的影响 5.1.1 京津城际 CRH3和武广客专 CRH3 CRH3型 动车组 运行的单位基本阻力 方程 为速度的一元二次 函数 形式 20 . 4 2 0 . 0 0 1 6 0 . 0 0 0 1 3 2F v v  ，单位为 N/kN。 在直达方案下，列车 平均 满载率 100时， 京津城际 CRH3型动车组在不同 最高速度 下的 单耗 情况 如图 5-1-1所示 。 CRH3动 车组 随着 最高速度 的增加，单耗 呈二次函数式的 增长，且增长 趋势与单位基本阻力的增长趋势 基本 保持同步。 图 5-1-1 京津城际 CRH3不同 最高速度 下的单耗 设置 平均 满载率为 100、中间站只停长沙南的停站方案下，武广客运专线CRH3型动车组在不同 最高速度 下的 总能耗和单耗如图 5-1-2所示 。 随着 最高速度16 的增加， 武广客运专线 CRH3的 单耗 也呈二次函数式的增长趋势。 图 5-1-2 武广客运专线 CRH3不同 最高速度 下的单耗 5.1.2 石太客专 CRH5 与 CRH3型动车组类似， CRH5型动车组运行的单位基本阻力 方程也 为速度的一元二次 函数 形式 21 . 6 5 0 . 0 0 0 1 0 . 0 0 0 1 7 9F v v  ，单位为 N/kN 。 设置 平均 满载率 为 100，在中间站 停站一次 阳泉北站 的 方案下， 石太客运专线 CRH5型动车组 单耗随最高速度 的变化情况 如 图 5-2-1所示 。 随着 最高速度 的增加，石太客运专线 CRH5的单耗呈二次函数增长趋势。 y 0.0005x 2 2.6787x - 153.81R 0.9967010020030040050060075 100 125 150 175 200 225 250 275单耗kWh/万人km最高速度 k m / h图 5-2-1 石太客运专线 CRH5不同 最高速度 下的单耗 17 5.2 平均 满载率变化对单耗的影响 5.2.1 京津城际 CRH3 在最大速度同为 350km/h的直达方案下， 采用仿真手段得出京津城际不同 平均 满载率的单耗情况如 图 5-2-1所示。 动车组 CRH3的总能耗随着 平均 满载率的增加呈缓慢增长趋势 ，当 平均 满载率从 20增加到 120时，总能耗仅增加了 3.1；单耗随着 平均 满载率的增加 而 递减， 当 平均 满载率 分别 为 20和 120时，单耗分别为 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 单耗kWh/mpkm总能耗kWh平均满载率 总能耗单耗图 5-2-