周新軍,薛 峰

(1.中國鐵道科學(xué)研究院運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100081;

2.北京鐵路局客運(yùn)處,北京 100860)

鐵路“以電代油”效應(yīng)評價及未來發(fā)展趨勢

周新軍1,薛 峰2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100081;

2.北京鐵路局客運(yùn)處,北京 100860)

在以石油為主導(dǎo)的世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)逐步陷入能源供給危機(jī)的背景下,一些國家已著手對運(yùn)輸業(yè)的能耗結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,其中之一就是在鐵路行業(yè)實(shí)施“以電代油”工程。通過對鐵路電氣化線路運(yùn)營效率的主要指標(biāo)、運(yùn)輸成本、能耗及其對整個行業(yè)能源結(jié)構(gòu)的影響等因素的比較分析,發(fā)現(xiàn)電氣化鐵路在速度、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)及社會效應(yīng)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。鐵路“以電代油”未來發(fā)展趨勢主要是發(fā)展高速電氣化鐵路,并改進(jìn)電力機(jī)車性能及供電方式。

鐵路;以電代油;效應(yīng);能耗;趨勢

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,一方面以石油為主導(dǎo)的世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)逐步陷入了能源供給的危機(jī),另一方面,全球氣候變暖以及環(huán)境逐漸惡化等問題日益嚴(yán)重,推行以低能耗、低污染和低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式(低碳經(jīng)濟(jì))成為許多國家的共識和政策調(diào)整的取向。低碳經(jīng)濟(jì)的內(nèi)容已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域,包括低碳能源、低碳農(nóng)業(yè)、低碳工業(yè)、低碳交通以及低碳生活等等。由于交通運(yùn)輸主要以消耗石油為主,因此,低碳交通在低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式中占有十分重要的位置。目前世界運(yùn)輸業(yè)發(fā)展低碳交通的一條主要路徑就是積極推廣“以電代油”技術(shù),包括公路方面使用電車等,因其數(shù)量極為有限,很難做到像鐵路一樣大范圍使用電力驅(qū)動,因而“以電代油”的核心內(nèi)容是提高電氣化鐵路在鐵路總里程中的比重,并改進(jìn)供電等領(lǐng)域的技術(shù)。

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,運(yùn)輸需求持續(xù)增長,交通運(yùn)輸能源消耗,主要是石油消耗大幅度增加。有資料顯示,從1990—2004年全社會石油消費(fèi)年增長率為6.5%,而道路交通汽、柴油消耗量由2480萬噸增長到8100萬噸,增長2.27倍,年增長率為8.82%;航空交通航油消耗量由118.7萬噸增長到788.8萬噸,增長 5.65倍,年增長率為14.48%[1]。最近幾年,交通運(yùn)輸中石油消耗的增速大大高于全社會石油消耗的增速。根據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)分析,從2005—至2007年,全社會汽油、煤油、柴油和燃料油年均增長率分別為5.55%、5.51%、8.1%和-5%,交通運(yùn)輸業(yè)汽油、煤油、柴油和燃料油年均增長率則為6.24%、11.33%、17.58%和 6.59%。

在各種交通工具中,鐵路是唯一可以大范圍(電氣化率比較高)采用多種能源替代石油的大能力綜合性綠色交通運(yùn)輸工具,因此,交通運(yùn)輸中實(shí)施“以電代油”不僅能起到降低能耗、緩解石油供需矛盾的重要作用,而且也是減少環(huán)境污染、凈化空氣的有效途徑。隨著水電和核電的發(fā)展,電氣化鐵路在能源消耗方面的優(yōu)勢還將更加突出。因此,大力推行電氣化鐵路,大量使用電力機(jī)車作為牽引力已成為世界鐵路發(fā)展的目標(biāo)取向。

一、鐵路“以電代油”的現(xiàn)狀

(一)世界電氣化鐵路發(fā)展?fàn)顩r

雖然世界上第一條電氣化鐵路誕生于1879年,但世界各國鐵路真正開始大規(guī)模采用電力和內(nèi)燃機(jī)車取代蒸汽機(jī)車則始于20世紀(jì)40年代。50年代一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家為了完成急劇增長的運(yùn)輸任務(wù),以及與其他運(yùn)輸業(yè)競爭的需要,開始大規(guī)模地進(jìn)行鐵路運(yùn)輸業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè),電氣化鐵路建設(shè)速度不斷加快,修建的國家逐漸增多。60-70年代世界迎來了電氣化鐵路發(fā)展最快的時期,平均每年修建達(dá)5000公里。至70年代末,在工業(yè)發(fā)達(dá)的西歐、日本、前蘇聯(lián),以及東歐等國家,運(yùn)輸繁忙的主要鐵路干線都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電氣化,而且基本上已經(jīng)成網(wǎng)。80年代以后,一些發(fā)展中國家,如我國、印度等國家的電氣化鐵路發(fā)展也很快,其中南非1997—1998年2年就修建了電氣化鐵路7898公里,平均每年建成近4000公里,創(chuàng)造了世界電氣化鐵路建設(shè)速度的歷史記錄[2]。

但是,單純的電氣化鐵路已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代社會對速度交通的需要,如果不能在速度上取得競爭優(yōu)勢,電氣化鐵路很難為鐵路正名,重新獲得以往鐵路在各種交通運(yùn)輸方式中的競爭優(yōu)勢,它的社會效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也就很難得到顯現(xiàn)。1964年日本建成了世界上第一條高速鐵路——東京至大阪高速鐵路。從那以后,40多年來高速鐵路從無到有,并迅速得到發(fā)展。根據(jù)業(yè)內(nèi)學(xué)者分析研究,高速鐵路的發(fā)展大致可劃分為三個不同的階段,即20世紀(jì)60年代至80年代末的第一次建設(shè)高潮,90年代初期形成的第二次建設(shè)高潮,以及90年代中期以后形成的第三次建設(shè)高潮。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2005年12月,全世界運(yùn)營中的高速鐵路營業(yè)里程總長達(dá)6393公里,這些線路分布在10個國家和地區(qū)。21世紀(jì)的鐵路運(yùn)輸業(yè)將會出現(xiàn)輪軌系高速鐵路的全面發(fā)展,全球性高速鐵路網(wǎng)建設(shè)的時期已經(jīng)到來(見表1)。

表1 國外目前在建的高速鐵路(單位:km)

(二)我國電氣化鐵路發(fā)展?fàn)顩r

我國的電氣化鐵路近10年來發(fā)展也很快。1996—2000年“九五”期間建成開通了電氣化鐵路5030公里,平均每年建成電氣化鐵路多于1000公里。近年來,我國電氣化鐵路建設(shè)獲得了較快發(fā)展(見表2),但與日、德、法等一些先進(jìn)國家相比,仍然存在著較大差距,不但在電氣化比重上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這些國家,更主要的是許多關(guān)鍵技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于這些國家,設(shè)備的設(shè)計(jì)制造理念即便和準(zhǔn)發(fā)達(dá)國家相比差距仍然很大。我國鐵路在電氣化鐵路的建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)管理等方面尚未形成統(tǒng)一、有機(jī)的系統(tǒng)體系,如牽引供電、電力機(jī)車、行車指揮、環(huán)境災(zāi)害和設(shè)備維護(hù)等各專業(yè)各自發(fā)展的綜合系統(tǒng)尚未形成。

表2 2001—2008年電氣化鐵路里程變化 (單位:萬km)

表2顯示,“十五”期間鐵路電氣化里程逐漸增長,在全路所占比例逐年提高,電氣化率也在穩(wěn)步提高,已從2001年的24.14%上升至26.7%,但增長幅度緩慢。進(jìn)入“十一五”,電氣化開始了較快的增長。僅2006年一年就提升了5個百分點(diǎn),而整個十五期才提升 2.56個百分點(diǎn)。到2008年,在鐵路營業(yè)里程中電氣化率已超過1/3。最近幾年,我國的高速鐵路獲得了又好又快的發(fā)展,到2012年我國將有1.3萬公里客運(yùn)專線及城際鐵路投入運(yùn)營,技術(shù)水平和建設(shè)規(guī)模世界領(lǐng)先。隨著一大批高速鐵路相繼建成并投入運(yùn)營,到2020年我國鐵路電氣化率將達(dá)到60%以上。

二、鐵路“以電代油”效應(yīng)評估

對鐵路“以電代油”實(shí)際效果的評價需要綜合考慮多種因素,目前國內(nèi)外的研究還沒有建立起一個比較客觀實(shí)際的量化指標(biāo)體系。本文擬從電氣化線路運(yùn)營效率的主要指標(biāo)、成本及能耗結(jié)構(gòu)的改善等方面來分析和評估目前世界以及我國鐵路推行“以電代油”工程的實(shí)際效果。

(一)電氣化線路的運(yùn)營效率指標(biāo)

根據(jù)國外相關(guān)研究,電氣化鐵路的運(yùn)營效率主要指標(biāo)(貨運(yùn)列車平均重量、線路區(qū)間平均速度、機(jī)車平均日產(chǎn)量)比非電氣化線路高20%-30%[3]。這些效率指標(biāo)表明了電氣化鐵路本身所具有的優(yōu)點(diǎn),使得它在與內(nèi)燃牽引方式相比較時,顯示出絕對的競爭實(shí)力。

貨運(yùn)列車平均重量指標(biāo)表明不同類型的機(jī)車牽引下的貨物運(yùn)輸能力。線路區(qū)間平均速度用來衡量不同類型機(jī)車作業(yè)時的工作效率,平均速度越高,貨物周轉(zhuǎn)時間越短,周轉(zhuǎn)速度越高,工作效率越高。機(jī)車平均日產(chǎn)量,又名機(jī)車平均每日生產(chǎn)量,或機(jī)車生產(chǎn)率,用來衡量機(jī)車每天的工作效率。以貨運(yùn)列車平均重量指標(biāo)為例,一條電氣化鐵路的輸送能力,相當(dāng)于一條半內(nèi)燃機(jī)車牽引或3條蒸汽機(jī)車牽引的鐵路輸送能力。電力機(jī)車的最大功率可以達(dá)到9600千瓦,而內(nèi)燃機(jī)車只有6000千瓦,僅及電力機(jī)車的2/3。機(jī)車的功率大使得它在牽引作業(yè)時具有10%-40%的短時超載能力。21世紀(jì)初,世界鐵路總里程為94.99萬公里,其中25%為電氣化鐵路,而75%的鐵路采用內(nèi)燃牽引,兩種牽引方式的運(yùn)量相當(dāng)平衡(各占50%)。換言之,全球電力牽引的列車平均貨運(yùn)量是內(nèi)燃牽引的3倍。獨(dú)聯(lián)體國家的比例更高一些,電力牽引運(yùn)量是內(nèi)燃牽引運(yùn)量的3.7倍。

(二)電氣化線路的運(yùn)營成本

運(yùn)營成本是列車在運(yùn)行過程中發(fā)生的所有成本的總和,鐵路維修和服務(wù)費(fèi)用、人力成本等。運(yùn)營成本高低直接關(guān)系到一條線路的經(jīng)濟(jì)效應(yīng),因此有效降低運(yùn)輸成本,可以大大提高線路運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。由于運(yùn)能大,所需機(jī)車少,相應(yīng)要維修的設(shè)備量也少。另外,電氣化鐵路還大大改善了機(jī)車乘務(wù)人員和沿線養(yǎng)護(hù)人員的勞動條件,精簡了人員,降低人力成本。根據(jù)俄羅斯有關(guān)研究結(jié)構(gòu)提供的調(diào)查數(shù)據(jù),就成本而言,在同等工作負(fù)載下,電力機(jī)車數(shù)量和機(jī)車乘務(wù)員可以減少15%-20%,電力供應(yīng)設(shè)備和交流車輛的故障率也明顯降低。結(jié)果是,交流線路區(qū)段上運(yùn)輸成本比直流牽引低20%。俄羅斯電氣化線路總的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(運(yùn)輸成本)比內(nèi)燃機(jī)車線路低50%-100%。電氣化鐵路運(yùn)輸成本的降低從另一個方面提高了運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。電氣化高速鐵路投入運(yùn)行以來,不僅倍受旅客青睞,而且其經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也十分可觀。日本東海道新干線開通后僅7年就收回了全部建設(shè)資金,自1985年以后,每年純利潤就達(dá)2000億日元。德國ICE城市間高速列車每年純利潤達(dá)10.7億馬克。法國 TGV年純利潤達(dá)19.44億法郎[4]。

當(dāng)然,許多例子也同樣證明,每條鐵路都有其“臨界貨運(yùn)量”,只有在這個水平之上,電力牽引在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上才是有效的選擇。因此,任何一個考慮向電力牽引轉(zhuǎn)換的國家在對這個問題做出決定之前需要確定其“臨界”運(yùn)量 Tkr(反映機(jī)車牽引運(yùn)量與其每單位輸出成本之間的函數(shù)關(guān)系)[3]。高于這個值,電力牽引的運(yùn)輸成本就比內(nèi)燃牽引低。當(dāng)然,各國的費(fèi)用是不同的,首先主要取決于相應(yīng)的電和柴油的價格、基礎(chǔ)設(shè)施的價值(以折舊的形式計(jì)入運(yùn)輸成本)、服務(wù)于運(yùn)輸?shù)乃薪?jīng)濟(jì)單元的運(yùn)營成本。顯然,從牽引的有效選擇模式來看,電力牽引有一定的約束條件,電力牽引必須達(dá)到了一定的規(guī)模,才能取得規(guī)模效應(yīng),規(guī)模太小其有效性就難以表現(xiàn)出來。換言之,電力牽引的規(guī)模越大,它的有效性就越強(qiáng)。

(三)電氣化鐵路的能耗

電氣化鐵路的能耗是衡量線路“以電代油”內(nèi)外效應(yīng)的一個重要指標(biāo),表明“代油節(jié)電”能力的大小,也間接表明外部成本的大小。它一般包括三大部分,一是機(jī)車本身所產(chǎn)生的能耗水平。電力牽引的燃料和能量消耗比內(nèi)燃牽引經(jīng)濟(jì)得多:通過對某一種給定燃料值的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)前者比后者的消耗要低50%-60%。電氣化鐵路可以綜合利用資源,降低燃料消耗。旅客列車每萬人公里的耗能量,電力機(jī)車分別是蒸汽機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車的12%和60%。俄羅斯鐵路采用交流制電氣化的經(jīng)驗(yàn)是,具有較高的能量利用效率,列車牽引的總能耗低于5%-6%(用電比用油節(jié)省)。隨著機(jī)車性能的提高,節(jié)能效應(yīng)會更好。我國首條高速鐵路京津城際客運(yùn)專線由于使用了動車組,節(jié)能效果更為明顯。比如,“和諧號”CRH2型和CRH3型動車組,采用了流線型車體和輕量化技術(shù),重量比一般鐵路客車輕30%以上,降低能耗效果顯著。大致測算,CRH3型“和諧號”動車組列車每小時人均耗電僅15千瓦,從北京南站到天津站人均耗電7.5千瓦·時,是陸路運(yùn)輸方式中最節(jié)省能源的[5];二是電氣化線路的能耗。電氣化線路可能會造成一定的電流損耗,如果使用內(nèi)燃機(jī)車,在非電氣化線路上就不會造成這樣的結(jié)果。但這部分的損耗不是很大;三是中途停車產(chǎn)生的能耗。需要考察電力機(jī)車與內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行區(qū)間各車站停車時損耗的能量。由于電力機(jī)車的速度優(yōu)勢,特快以及直達(dá)列車一般都使用電力機(jī)車,中間停站少,而且時間比較短,因此,這部分能耗比內(nèi)燃機(jī)車要低很多。這也從另外一個側(cè)面說明了電氣化鐵路比非電氣化線路對環(huán)境造成的外部成本要低。

(四)電耗在鐵路能耗結(jié)構(gòu)中所占比重

通過電力所處地位的變化也可以看出鐵路能耗結(jié)構(gòu)的變化,由此可以直接評估“以電代油”在優(yōu)化能耗結(jié)構(gòu)中的重要作用。中國鐵路經(jīng)過長期以來的牽引動力結(jié)構(gòu)改革,機(jī)車結(jié)構(gòu)已從過去以蒸汽機(jī)車為主,轉(zhuǎn)變到目前以內(nèi)燃、電力機(jī)車為主,最近幾年電力機(jī)車發(fā)展尤為迅速。牽引動力結(jié)構(gòu)的這種變化相應(yīng)地帶來了整個鐵路能源消耗結(jié)構(gòu)的根本性變化,已由過去以煤為主轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳耙杂碗姙橹鳌?981—1985年間的機(jī)車能源消耗結(jié)構(gòu),原煤占89%的比重,燃油占8%,電力僅占3%。在經(jīng)過了三個5年期后,到2001—2005年期間,鐵路能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)情況發(fā)生了根本性的重大變化。原煤比重下降至27%,燃油和電力分別上升至39%和34%,電力所占比重僅次于燃油。鐵路企業(yè)的能耗結(jié)構(gòu)已從以原煤為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀加秃碗娏Σ⑴e的能源結(jié)構(gòu)[6]。表3數(shù)據(jù)顯示,2006年電耗第一次超過油耗,成為鐵路首要能耗,2007年、2008年電耗所占比例進(jìn)一步提升至45%和47%,接近一半的比例。與此相反,原煤和燃油消耗則呈進(jìn)一步下降趨勢。鐵路企業(yè)能耗結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)根本性的改善和優(yōu)化。

表3 1981—2008年鐵路企業(yè)能耗結(jié)構(gòu)的變化(%)

隨著中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的一大批高速鐵路相繼建成,動車組將大量投入運(yùn)營,加上既有線電氣化改造,鐵路“以電代油”進(jìn)程將會進(jìn)一步加快,預(yù)計(jì)2015年左右鐵路企業(yè)電能消耗將占到其煤油電三方總能耗的60%左右。

(五)“以電代油”能源替代及節(jié)能指標(biāo)

這一指標(biāo)衡量一個國家“以電代油”的總體效應(yīng),是最直接的指標(biāo)。根據(jù)鐵道部已公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),“十五”期間,我國鐵路新增電氣化里程5287公里,電氣化鐵路承擔(dān)的運(yùn)輸工作量比重由2000年的31.8%上升為42.7%,實(shí)現(xiàn)鐵路“以電代油”566萬噸。通過提高既有線電氣化率和電力機(jī)車牽引比重,“十一五”期末,在運(yùn)輸能耗總量增長幅度低于換算周轉(zhuǎn)量增長幅度的基礎(chǔ)上,鐵路行業(yè)將實(shí)現(xiàn)“以電代油”1200萬噸,鐵路牽引成品油消耗量將比“十五”期末下降90萬噸。

(六)電氣化鐵路的社會效應(yīng)

雖然這是一個間接衡量指標(biāo),但它能反映出“以電代油”在保護(hù)環(huán)境和造福社會方面的效果。電氣化鐵路在強(qiáng)調(diào)建設(shè)節(jié)約型和環(huán)保型社會的今天,尤其具有明顯的社會效應(yīng)。主要表現(xiàn)在它能減少環(huán)境污染,改善和保護(hù)沿線生態(tài)環(huán)境。另外,它還能夠促進(jìn)鐵路沿線實(shí)現(xiàn)電氣化,有利于當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的迅速提高。

上述各項(xiàng)指標(biāo)基本上構(gòu)成了一個對“以電代油”效應(yīng)進(jìn)行評價的指標(biāo)體系,但還不完善,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:一是有些指標(biāo)是短期指標(biāo),比如,高速鐵路的運(yùn)營成本等,缺乏長期性,很難對其趨勢值進(jìn)行測算;二是很多指標(biāo)都是國外的數(shù)據(jù),缺乏國內(nèi)的數(shù)據(jù);三是社會效應(yīng)還缺乏能量化的指標(biāo)值。這些不足需要在今后的實(shí)踐中不斷完善,以建立我國鐵路的“以電代油”評價體系。改進(jìn)的思路如下:一是改進(jìn)統(tǒng)計(jì)工作,將這些指標(biāo)“年鑒化”,在鐵路和交通年度統(tǒng)計(jì)中加以反映;二是將京滬高速鐵路作為一個研究樣本,進(jìn)行調(diào)研分析,進(jìn)一步完善現(xiàn)有的評價體系;三是對社會效應(yīng)的評價采用間接手段來進(jìn)行,比如用高速鐵路沿線房地產(chǎn)增值、環(huán)境污染的防治成本、沿線居民用電比例變化等指標(biāo)來體現(xiàn)。

三、鐵路“以電代油”未來發(fā)展方向

(一)提高電氣化比重,大力發(fā)展高速鐵路

自1879年世界上第一條電氣化鐵路誕生以來,經(jīng)過100多年特別是最近50年世界各國的鐵路發(fā)展實(shí)踐證明,鐵路電氣化是實(shí)現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化的主要方向。至20世紀(jì)80年代,除了中國、印度、南非國家還有少量運(yùn)營中的蒸汽機(jī)外,全球基本上實(shí)現(xiàn)了牽引動力的改革,為高速電氣化鐵路的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。電氣化鐵路受到格外重視,成為世界鐵路發(fā)展的目標(biāo)取向,主要有兩個方面的原因:一是能更好地滿足客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載的需求,提高鐵路運(yùn)輸能力;二是它符合環(huán)境保護(hù)的要求,是合理利用資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的最佳辦法,受到各國的廣泛青睞。因此,世界各國都在積極謀求發(fā)展電氣化鐵路,只是單純的電氣化鐵路已經(jīng)不能完全滿足人們出行和貨物運(yùn)輸?shù)男枰?改進(jìn)的方向是邁向高速化,于是一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家開始建設(shè)高速電氣化鐵路(即“高速鐵路”,高速鐵路成為現(xiàn)代電氣化鐵路的主要標(biāo)志),20世紀(jì)90年代以后世界就已進(jìn)入建設(shè)高速電氣化鐵路的新時期。

高速鐵路以其快速便捷、安全環(huán)保的獨(dú)特魅力,已成為世界許多國家鐵路的發(fā)展趨勢。預(yù)計(jì)到2015年,世界修建高速電氣化鐵路的國家和地區(qū)將達(dá)到23個,高速電氣化鐵路里程將達(dá)到30000公里。目前,歐洲高速鐵路已經(jīng)突破了國界,向路網(wǎng)化、國際化發(fā)展。就連過去很長一段時間比較排斥電氣化鐵路的美國,迫于世界石油資源日益短缺的壓力,近年來也出現(xiàn)了發(fā)展電氣化鐵路的新動向。美國已開始加快高速鐵路和城市軌道交通的建設(shè),計(jì)劃修建13條總長達(dá)13364公里的高速鐵路和大約有20個城市擴(kuò)建和新建城市軌道交通。而在我國,根據(jù)2008年調(diào)整后的《鐵路中長期規(guī)劃》,通過大規(guī)模的高速鐵路建設(shè),到2020年鐵路電氣化率將達(dá)到60%以上。當(dāng)然,這個比例與歐洲的一些發(fā)達(dá)國家相比,仍然是比較低的。因此,進(jìn)一步提高電氣化鐵路的比重就成為了我國鐵路今后較長時間內(nèi)發(fā)展的一個主攻目標(biāo)。比較可行的路徑是:改造存量,保證增量,即對繁忙的既有線實(shí)行電氣化改造,新建線路全部按電氣化線路進(jìn)行設(shè)計(jì)和投資施工。這個方案有三點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào),一是新建客運(yùn)專線全部實(shí)現(xiàn)電氣化,做到“一步到位”;二是煤運(yùn)通道全部實(shí)現(xiàn)雙線電氣化;三是在客貨混跑的既有線中,爭取做到主要干線全部實(shí)現(xiàn)電氣化。

(二)鐵路“以電代油”技術(shù)發(fā)展方向

鐵路“以電代油”技術(shù)發(fā)展方向主要集中在三大領(lǐng)域:供電方式的改進(jìn)、電力牽引機(jī)車的改進(jìn)以及電氣化線路運(yùn)行方式的改進(jìn)。

1.供電方式的改進(jìn)

在整個電力牽引的發(fā)展過程中,電氣化鐵路的供電制式經(jīng)歷了由低壓直流、三相交流、單相低頻交流到單相工頻交流的演變過程?，F(xiàn)在各國所采用的電流制式逐漸趨向統(tǒng)一,電壓也逐漸趨向提高。如德國、瑞士等北歐國家主要采用15千伏的16Hz單相低頻交流制。意大利、波蘭、南非、西班牙、巴西等國家主要采用3千伏直流制。俄羅斯、法國等和我國都采用25千伏的單相工頻交流制。近年來由于各國鐵路運(yùn)量急劇增大,行車速度不斷提高,逐漸向高速、重載、大密度發(fā)展,有些國家積極發(fā)展使用2×25千伏的自耦變壓器供電方式,如日本的東海道、山陽、東北和上越新干線,我國的京秦、大秦和鄭武鐵路都采用了這種供電方式。美國黑臺地至波維爾湖的運(yùn)煤專線和南非錫申至薩爾丹哈的鐵路上還采用了50千伏的工頻單相交流制式[2]。

20世紀(jì)所選擇的最具優(yōu)勢的電力牽引供電系統(tǒng)是交流制25千伏、50赫茲,已經(jīng)成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)供電制,但全球使用此供電制的線路只占電氣化鐵路總量的40%。因此,改造非標(biāo)準(zhǔn)供電制線路的任務(wù)仍然十分繁重[7]。

從技術(shù)發(fā)展的角度來看,雖然我國電氣化鐵路的發(fā)展起步較晚,但起步初期就選用了當(dāng)時世界最先進(jìn)的工頻單相交流25千伏供電制式,這一正確技術(shù)決策使我國電氣化鐵路建設(shè)少走了不少彎路,并實(shí)現(xiàn)了從一開始就站在較高起點(diǎn)上的預(yù)期目標(biāo)。改革開放以后,依托京秦線電氣化工程,結(jié)合重載運(yùn)輸要求,首次利用外資引進(jìn)了一系列先進(jìn)技術(shù)和成套設(shè)備,通過消化吸收,加速先進(jìn)裝備國產(chǎn)化進(jìn)程,基本形成了自己的技術(shù)模式,促進(jìn)了電氣化鐵路科研、設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)營維護(hù)的發(fā)展,我國電氣化鐵路技術(shù)開始向世界先進(jìn)水平邁進(jìn)[8]。

2.電力牽引機(jī)車的改進(jìn)

中國鐵路機(jī)車實(shí)現(xiàn)了從普載到重載、從常速到高速、從引進(jìn)到出口、從交直傳動到交流傳動的四大跨越。由中國北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司自主設(shè)計(jì)研制的首臺和諧型大功率交流傳動貨運(yùn)電力機(jī)車,牽引功率達(dá)到9600千瓦,運(yùn)行最大時速達(dá)到120公里,是我國目前牽引功率最大的電力機(jī)車,也是目前世界上單機(jī)功率最大、技術(shù)水平最高、性能指標(biāo)最先進(jìn)的中國品牌機(jī)車,具有更大的加速能力和牽引通過能力,將成為中國鐵路貨運(yùn)重載的主型機(jī)車。

鐵路第六次大提速使用的動車組,標(biāo)志著我國鐵路在牽引動力發(fā)展上的新突破。2008年4月11日,首列國產(chǎn)時速350公里 CRH3“和諧號”動車組在中國北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司下線,標(biāo)志著中國鐵路技術(shù)裝備現(xiàn)代化取得又一重大成果,我國由此成為世界上僅有的幾個能制造時速350公里高速鐵路移動裝備的國家之一。中國鐵路已全面系統(tǒng)掌握了時速200公里及以上動車組的設(shè)計(jì)制造技術(shù),實(shí)現(xiàn)了動車組列車由時速200公里至?xí)r速300—350公里的技術(shù)升級,具備了時速350公里動車組的批量生產(chǎn)能力,掌握了核心技術(shù)。通過引進(jìn)消化吸收,我國完全掌握了大功率的交流傳統(tǒng)技術(shù),現(xiàn)在的動車組一列車交流傳統(tǒng)的功率可以做到8800千瓦,而且采用世界上最先進(jìn)的電流IPG技術(shù)。在這里它有變壓器、變流器、牽引電機(jī)、牽引控制四個關(guān)鍵技術(shù)。

3.電氣化線路運(yùn)行方式的改進(jìn)

許多國家(法國、印度、荷蘭等)正在把原有的1.5千伏直流線路改造成交流。1996年,俄羅斯進(jìn)行了一次前所未有的系統(tǒng)改造,將400公里長的區(qū)段從3千伏改造成25千伏/50赫茲。盡管這次工程造成了列車運(yùn)行中斷總共5.5小時,但卻收到了很好的改造效果。

交流牽引供電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展在于提高網(wǎng)壓,例如提高到35千伏、50千伏甚至100千伏,這有利于提升牽引定數(shù)在12000-18000噸(煤、礦石等)重載干線的技術(shù)水平。從長遠(yuǎn)一點(diǎn)來看,隨著可控高壓以及變壓技術(shù)的發(fā)展,有可能將直流牽引系統(tǒng)發(fā)展到12千伏、24千伏、36千伏電壓。實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的主要困難實(shí)際上是如何讓所用的電力機(jī)車車輛適應(yīng)這些高電壓。

四、結(jié)語

在世界石油供需缺口日益加大以及環(huán)境保護(hù)日益被重視的今天,在鐵路行業(yè)實(shí)施“以電代油”工程,不僅對改善本行業(yè)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),提高使用清潔能源電能的比重,降低對石油的依賴,具有積極的作用,而且對推動整個交通行業(yè)的節(jié)能降耗,提升整個社會的環(huán)保質(zhì)量,具有十分重要的示范作用。大力發(fā)展高速鐵路,是進(jìn)一步提高鐵路電氣化率、實(shí)現(xiàn)“代油”最佳效果的有效途徑。而在此基礎(chǔ)上推動供電方式、電力牽引機(jī)車以及電氣化線路運(yùn)行方式這三大技術(shù)領(lǐng)域的改進(jìn),是實(shí)現(xiàn)“節(jié)電”最佳效果的有效途徑。

[1]張守營.交通運(yùn)輸節(jié)能重在結(jié)構(gòu)調(diào)整[N].中國經(jīng)營報,2006-09-12.

[2]馮金柱.世界電氣化鐵路的發(fā)展[J].電氣化鐵道,2001,(4).

[3](俄)A.Kotelnikov等.世界鐵路電氣化發(fā)展趨勢[J].曾小娟,譯.變流技術(shù)與機(jī)車牽引,2002,(3).

[4]謝賢良.世界高速鐵路現(xiàn)狀及其社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[J].中國鐵路,2003,(11).

[5]劉志軍.我國鐵路建設(shè)史上的又一座里程碑[J].求是,2008,(22).

[6]周新軍.高速鐵路與能源可持續(xù)發(fā)展[J].中國能源,2009,(3).

[7]楊瑛.全球電氣化鐵路發(fā)展勢頭強(qiáng)勁[J].鐵道知識,2002,(1).

[8]劉志遠(yuǎn).走國際化和集成化道路,實(shí)現(xiàn)我國電氣化鐵路的跨越式發(fā)展[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究,2004,(2).

Evaluation on Effect of Replacing Oil by Electical Power in Railway and its Future Development Tendency

ZHOU Xin-jun1,XUE Feng2
(1.Transportation and Economics Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.Passenger Transportation Dept,Beijing Railway Bureau,Beijing 100860,China)

On the background of that energy consuming structure led by oil is gradually being deep supply crisis,the global transportation industry start to promote the project of replacing oil by electrical power.By the analysis on the electrization railway’operating efficiency,transportation cost,energy consuming and the influence on railway’s energy structure,it easy to find that electrization railway has the unique characteristics in speed,economic and social effect.The future Development tendency of replacing oil by electrical power is to develop the high speed railway and improve the capability of the electronic locomotive and the way of its electrical supply.

railway;replacing oil by electrical power;effect;energy consume;tendency

F416.22

A

1008-2603(2010)02-0023-06

2010-03-09

鐵道部白皮書項(xiàng)目“鐵路發(fā)展與國家能源安全的研究”(項(xiàng)目編號:2006F003)。

周新軍,男,中國鐵道科學(xué)研究院運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所高級經(jīng)濟(jì)師,博士;薛峰,男,北京鐵路局客運(yùn)處工程師。

(責(zé)任編輯:李瀟雨)