双源动力集中动车组技术经济性评价方法.pdf

2023年第5期 总第175期双源动力集中动车组技术经济性评价方法*张泽锡1,赖晴鹰2（1中国铁路经济规划研究院有限公司 助理研究员，北京 100038；2中国铁路经济规划研究院有限公司 博士后、助理研究员，北京 100038）摘 要：在我国铁路网的末端存在一些电化线路及非电化线路相互混合的现象，双源动力集中动车组具备“宜电则电”“宜内则内”的特性，在混合区段中选用双源动力集中动车组，可以实现内电牵引模式的便捷转换，极大程度满足电气化和非电气化铁路跨线衔接需求。通过划分双源动力集中动车组的主要应用场景，采用定量分析的方法探究利用双源动力集中动车组替换既有机车的可行性，测算出不同典型场景下使用双源动力集中动车组所带来的经济效益，进而推动双源动力集中动车组的部署，利用科技创新实现新时代铁路事业绿色低碳、高质量的发展。关键词：双源动力集中动车组；需求分析；经济性评价；定量分析文献标识码：A 文章编号：1004-9746（2023）05-0018-060引言我国幅员辽阔，受到历史沿革和地缘环境等因素影响，在东北、内蒙古北部、西北和西南等地区既有铁路网的末端存在一些电化线路及非电化线路相互混合的现象。在这些混合区段上会出现内燃机车走行电化线路的情况，从而造成牵引供电设施闲置及投资浪费，并增加燃油消耗及碳排放。铁路部门为避免内燃机车在电化线路上运行带来的负面影响，在混合区段进行换挂作业，确保电力机车在电化线路上运行，内燃机车在非电化线路上运行。然而频繁的换挂作业，又会占用车站及区间通过能力，增*基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题“内电双源动力集中动车组技术深化研究”（N2021J050）Econnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic EvaluationEconnomic Evaluation经济评价Economic Evaluation Method for Dual-Source Power Centralized EMUs TechnologyZHANG Zexi1,LAI Qingying2（1 China Railway Economic and Planning Research Institute Co.,Ltd.,Assistant Research Fellow,Beijing 100038,China;2 China Railway Economicand Planning Research Institute Co.,Ltd.,Assistant Research Fellow,Beijing 100038,China）Abstract:At the end of Chinas railway network,there are some electrified railways and non-electrified railways mixed with each other.Dual-source power centralized EMUs have the characteristics of electricity is suitable for electrified railways and internal combustion is suitable for non-electrified railways.The selection of dual-source power centralized EMUs in the mixed section can realize the convenient conversion of internal combustion and electric traction mode,and greatly meet the needs of electrified and non-electrified railways cross-line convergence.By dividing the mainapplication scenarios of dual-source power centralized EMUs,we explore the feasibility of replacing existing locomotives with dual-source power centralized EMUs by quantitative analysis,and measure the economic benefits brought by using dual-source power centralized EMUs under different typical scenarios.The study promotes the deployment of dual-source power centralized EMUs and realizes the green,low-carbon,and high-quality development of the railway business in the new era by using scientific and technological innovations.Key words:dual-source power centralized EMUs;demand analysis;economic evaluation;quantitative analysis18加旅行时间，进而影响旅客乘车的舒适程度1。双源动力集中动车组具备“宜电则电”“宜内则内”的特性，在混合区段中选用双源动力集中动车组，可以实现内电牵引模式的便捷转换，满足电气化和非电气化铁路跨线衔接需求。双源动力集中动车组的选用除可以有效避免内燃机车在电化线路上运行外，还可以最大程度上消除原有换挂作业所带来的负面影响，充分利用既有固定设施和移动设备的同时，避免投资浪费，降低燃油消耗，进而显著降低运营成本。此外，由于减少了机车换挂作业额外占用咽喉和到发线的时间，也有利于提高车站通过能力，极大程度上提升旅客舒适度。双源动力集中动车组采用内燃和电力两种不同的动力源，当接触网发生故障时可通过切换内燃牵引模式实现自救，无须等待救援机车，有利于保障路网运输秩序的稳定，提升路网容错能力。本文以双源动力集中动车组为主要研究对象，结合双源动力集中动车组的优势潜能，划分出双源动力集中动车组的主要应用场景，通过分析利用双源动力集中动车组替换既有机车的可行性，在运用需求分析成果的基础上，采用定量分析的手段，测算出不同典型场景下使用双源动力集中动车组所具备的经济效益，进而推动双源动力集中动车组的合理部署。1双源动力集中动车组主要应用场景研究双源动力集中动车组的运用推广需要充分考虑既有运力布局和装备生命周期。目前，不适宜作为双源动力集中动车组替换对象的情况有两类：第一类是动力集中型动车组，由于该车组上路年限较短，且已经采用了主流电力牵引的模式，因而从合理投资回报的角度来看不应在短期内淘汰换新；第二类是公益性“慢火车”，由于运行速度较低，且乘坐该火车的旅客对运到时限要求不高，因而从投入产出的角度来看宜保持现状。根据应用场景的不同，双源动力集中动车组主要包括以下三种不同的类型，分别为：（1）平原型电力、内燃动力分置式动力集中动车组；（2）更高海拔电力、内燃动力分置式动力集中动车组；（3）内电集成式动力集中动车组2。其中，在拉林、拉日高原铁路中更适合选用更高海拔电力、内燃动力分置式动力集中动车组3。而双源动力集中动车组在平原地区的运用则需要充分考虑条件变化，例如：在运用方式、牵引动力、编组方式、设备布局、混合牵引能力等方面，以最终确定双源动力集中动车组的类型4。结合平原型电力、内燃动力分置式动力集中动车组，更高海拔电力、内燃动力分置式动力集中动车组以及内电集成式动力集中动车组的技术指标，通过分析可能替换的对象，得出双源动力集中动车组的三种主要应用场景5。“场景一”是指在既有电化线路上由内燃机车牵引普速客车完成的工作改由双源动力集中动车组（电力模式）完成，如图1所示。“场景二”是指在混合区段中存在机车换挂情况的普速客车改由双源动力集中动车组完成，如图2所示。“场景三”是指在既有电化线路上由电力机车牵引普速客车完成的工作改由双源动力集中动车组（内燃模式）完成。其中，“场景三”存在一个较为强烈的前提假设，即需要完全拆除基础供电设施后，内燃牵引模式才能获得成本节约，由于这种前提假设落地门槛较高，经过多方论证后，暂不考虑该场景。同时，采用双源动力集中动车组（内燃模式）替换运量不足的电力普速客车会增加碳排放，与“碳达峰”“碳中和”的“双碳”目标不符。此外，由电力牵引改为双源动力集中动车组（内燃模式）后会明显降速，对区间通过能力以及运到时限均有较大影响，因而暂不考虑“场景三”。围绕“场景一”和“场景二”，分别考虑平原及高原地形下的成本变化，通过三个步骤，确定两个不同场景下可采用双源动力集中动车组替换的列车数图1“场景一”应用场景示意图图2“场景二”应用场景示意图双源动力集中动车组技术经济性评价方法张泽锡,赖晴鹰192023年第5期 总第175期量，具体步骤如图3所示。综上，双源动力集中动车组潜在的替换对象包括两类：一类是在电化线路上运行的内燃普速客车；另一类是存在换挂情况的内燃及电力普速客车。2双源动力集中动车组经济效益测算方法2.1 测算原则为了测算出不同典型场景下使用双源动力集中动车组所带来的经济效益，确定双源动力集中动车组经济效益测算的基本原则如下：1）全流程、全链条对比。测算既有普速列车和双源动力集中动车组全程运输效益（即完整交路），不仅需要关注双源动力集中动车组（电力模式）替换内燃普速列车后取得的成本节约，同时也要分析双源动力集中动车组（内燃模式）在非电化线路上运行时的成本增量。2）指标一致。既有普速列车和双源动力集中动车组使用的成本、效益参数是统一的。3）周期一致。将所有成本效益的测算结果均转换为年化值。4）统一维度简化模型。为了便于对比分析，假设双源动力集中动车组与既有旅客列车的单位运价率及上座率相同，即客源不变、收入一致，重点比较二者的单位成本。在测算双源动力集中动车组所具备的经济效益过程中，应遵循由点到面、由典型到全路的规律，在运用需求分析成果的基础上匡算出车型替换所产生的经济效益6-10。不同场景下，测算替换双源动力集中动车组所带来的经济效益的侧重点不同。具体而言，“场景一”利用双源动力集中动车组替换电化线路上的内燃普速客车，其经济效益主要体现在电化牵引替代内燃牵引后的成本节约。“场景二”利用双源动力集中动车组“宜电则电、宜内则内”的优势消除了由于机车换挂而带来的成本增加，但需要同时考虑“场景一”与“场景二”叠加的情况。双源动力集中动车组技术经济性分析的思路如图4所示。图3 场景需求车次筛选原则列车开行方案明确替换对象论证技术可行论证经济可行确定替换数量图4 不同场景下双源动力集中动车组经济效益分析步骤明确双源动车组场景使用类型明确利用双源动车组替代既有换挂列车的成本效益种类统计电化线路里程、非电化线路里程以及内燃走电化线路里程替换存在换挂情况的普速客车替换电化线路上的内燃普速客车确定计算成本各项参数分别确定单位人公里的成本损益确定需要替换双源动车组的数量统计内燃走电化线路里程计算出该场景下的经济效益汇总出该场景下的经济效益估算出潜在的电气化改造投资计算由于替换存在换挂情况的普速客车从而减少的换挂次数确定需要替换双源动车组的数量确定计算成本的各项参数场景一测算流程场景二测算流程得出各场景下是否利用双源动车组替换的结论双源动力集中动车组技术经济性评价方法张泽锡,赖晴鹰202.2“场景一”经济效益测算模型“场景一”是指在既有电化线路上，由内燃机车牵引普速客车完成的工作改由双源动力集中动车组（电力模式）完成。与内燃机车在既有电化线路上运行相比，双源动力集中动车组（电力模式）牵引能够充分发挥既有基础设施优势，极大程度上减少能耗和碳排放。因而，电化区段利用双源动力集中动车组替换内燃机车单位人公里的成本节省可以表示为：单位人公里成本节约=内燃机车单位人公里成本双源动力集中动车组（电力模式）单位人公里成本（1）式中，内燃机车单位人公里成本和双源动力集中动车组（电力模式）单位人公里成本分别通过下式计算。内燃机车单位人公里成本可以表示为：内燃机车单位人公里成本=内燃机车单位人公里能耗+内燃机车单位人公里碳排放治理+内燃单位机车公里检备成本/内燃列车定员+内燃单位机车公里维修成本/内燃列车定员+内燃机车造价/全寿命里程/内燃列车定员（2）为了确保定员人数不随车型的变化而改变，双源动力集中动车组则采用重联的方式运行，故双源动力集中动车组（电力模式）单位人公里成本可以表示为：双源动力集中动车组（电力模式）单位人公里成本=双源动力集中动车组（电力模式）单位人公里能耗+双源动力集中动车组（电力模式）单位机公里检备成本*2/双源动力集中动车组定员+双源动力集中动车组（电力模式）单位机车公里维修成本*2/双源动力集中动车组定员+双源动力集中动车组造价及资金机会成本*2/全寿命里程/双源动力集中动车组定员（3）由于平原及高原双源动力集中动车组牵引的列车定员数量不同，因而，通过对比内燃机车及双源动力集中动车组的单位人公里成本，在平原区段，采用双源动力集中动车组（电力模式）替代内燃机车在既有电化线路上运行，可以节约单位人公里运行成本0.011 1元/人km。在高原区段，采用双源动力集中动车组（电力模式）替代内燃机车在既有电化线路上运行，可以节约单位人公里运行成本0.009 5元/人km。虽然采用双源动力集中动车组（电力模式）替代内燃机车在既有电化线路上运行可节省成本，但是替换双源动力集中动车组后，重联后的机车数量较既有内燃单机牵引有所增加，故对应的检备成本、维修成本和折旧成本也随之增加，进而使得列车在非电化区段运行的成本增加。因此，双源动力集中动车组在非电化区段替换内燃机车的单位人公里成本增量可以表示为：非电化区段单位人公里成本增量=内燃单位机车公里检备成本/双源动力集中动车组定员-内燃单位机车公里检备成本/传统内燃列车定员+内燃单位机车公里维修成本/双源动力集中动车组定员-内燃单位机车公里维修成本/传统内燃列车定员+双源动力集中动车组造价及资金机会成本/全寿命里程/双源动力集中动车组定员-内燃机车造价/全寿命里程/传统内燃列车定员（4）同样，由于平原及高原双源动力集中动车组牵引的列车定员数量不同，则平原双源动力集中动车组（内燃模式）在非电化区段行驶单位人公里成本增量为 0.007 6 元/人km，高原双源动力集中动车组（内燃模式）在非电化区段行驶单位人公里成本增量为0.009 6元/人km。在非电化区段上，双源动力集中动车组（内燃模式）较传统内燃机车的运行成本有所增加；在电化区段上，双源动力集中动车组（电力模式）较传统内燃机车的运行成本有所降低。需要从列车运行全程的角度比较这“一升一降”，即只有当双源动力集中动车组在电化区段取得的成本节约大于其在非电化区段的成本增量时，才存在替换需求。根据单位人公里的成本变化情况，分别分析“场景一”中的每一对列车，测算其全年成本是否由于替换了双源动力集中动车组而产生节省，比较公式为：双源动力集中动车组（内燃模式）在非电化区段替换内燃机车的成本增量双源动力集中动车组（电力模式）在电化区段替换内燃机车的成本节约（5）即成本节约值=（每对列车的电化里程在电化区段替换内燃机车单位人公里成本节约）（每对列车的非电化里程在非电化区段替换内燃机车单位人公里成本增量）（6）若成本节约值大于0，证明替换双源动力集中双源动力集中动车组技术经济性评价方法张泽锡,赖晴鹰212023年第5期 总第175期动车组后会产生相应的费用节省，该对列车可以替换为双源动力集中动车组。若成本节约值小于0，则证明替换为双源动力集中动车组没有产生相应的成本节约，则该对列车不应替换为双源动力集中动车组。最终，在运用需求分析成果的基础上，测算全路“场景一”下由双源动力集中动车组替换电化线路上内燃机车所带来的经济效益。2.3“场景二”经济效益测算模型“场景二”是指在混合区段存在机车换挂情况的普速客车改由双源动力集中动车组完成。在混合区段内，若存在机车换挂情况的普速客车由双源动力集中动车组替代后，除最大程度上避免内燃机车走行电化线路的情况，还可以有效提升车站通行能力，增加车站接发列车数量，并节约运输时间，也节省非电化铁路的改造投资费用。在“场景二”下利用双源动力集中动车组替换混合区段存在机车换挂情况的普速客车经济性分析思路如图5所示。首先，双源动力集中动车组与既有区段上的内燃机车和电力机车相比，维修成本、检备成本和折旧成本均有提高；其次，与“场景一”类似，在“场景二”中也存在内燃机车走行电化线路的情况，因此替换后可以在一定程度上减少内燃列车在电化线路上运行的成本；再次，减少换挂作业后，充分释放了车站接发能力和通过能力，因此也可以增加多接发列车所创造的潜在效益；最后，由于双源动力集中动车组的引入减少了换挂作业，实现了内电牵引模式的便捷转换，进而带来了节约旅客时间成本、节约电化改造投资和维护成本等间接效益。从经济效益角度分析，双源动力集中动车组的经济性体现在运行全程的成本增量是否小于成本节约与收入增量之和。其余相关参数的取值与2.2中“场景一”经济效益测算模型相同。在既有的非电化区段和电化区段上，双源动力集中动车组的运营成本要高于内燃机车和电力机车。除在“场景一”所提出的在非电化区段利用双源动力集中动车组（内燃模式）替换内燃机车所产生的成本增量外，在电化区段利用双源动力集中动车组（电力模式）替代电力机车所产生的成本增量为：电化区段单位人公里成本增量=电力单位机车公里检备成本/双源动力集中动车组定员-电力单位机车公里检备成本/传统电力列车定员+电力单位机车公里维修成本/双源动力集中动车组定员-电力单位机车公里维修成本/传统电力列车定员+双源动力集中动车组造价及资金机会成本/全寿命里程/双源动力集中动车组定员-电力机车造价/全寿命里程/传统电力列车定员（7）同样，由于平原及高原双源动力集中动车组牵引的列车定员数量不同，则平原双源动力集中动车组（电力模式）在电化区段单位人公里成本增量为0.007 0元/人km，高原双源动力集中动车组（电力模式）在电化区段单位人公里成本增量为0.009 0元/人km。在非电化区段或电化区段上，双源动力集中动车组较传统内燃机车和电力机车的运行成本均有所增加，但双源动力集中动车组能够减少内燃机车走行电化线路的情况，且通过减少换挂带来效益提升。与“场景一”的逻辑一致，从列车运行全程的角度比较这“两升一降一增收”，即只有当双源动力集中动车组在成本节约和创收方面的效益大于其在既有区段的成本增量时，才存在替换需求。根据单位人公里的成本变化情况，分析“场景二”中的每一对列车，测算其全年经济效益是否由于替换了双源动力集中动车组而增加。其具体形式可以表示为：双源动力集中动车组（内燃模式）在非电化区段图5 利用双源动力集中动车组替代既有换挂列车的经济性分析利用双源动力集中动车组替换存在机车换挂情况的普速客车的成本效益成本增加成本降低间接效益增加潜在收入增加维修成本增加检备成本增加折旧支出增加减少“内燃走电化”节约旅客时间价值节约电气化改造投资节约电气化维护成本多接发列车创收双源动力集中动车组技术经济性评价方法张泽锡,赖晴鹰22替换内燃机车的成本增量+双源动力集中动车组（电力模式）在电化区段替换电力机车的成本增量双源动力集中动车组（电力模式）在电化区段替换内燃机车的成本节约+减少换挂的收益（8）即效益增加值=（全年列车由于减少换挂获得收益+每对列车的电化里程在电化区段替换内燃机车的单位人公里成本节约全年开行的列车对数）（每对列车的内燃里程在非电化区段替换内燃机车的单位人公里成本增量全年开行的列车对数+每对列车的电化里程在电化区段替换电力机车的单位人公里成本增量全年开行的列车对数）（9）若效益增加值大于0，则证明替换双源动力集中动车组后会产生相应的经济效益，该对列车可以替换为双源动力集中动车组。若效益增加值小于0，则证明替换为双源动力集中动车组没有产生相应的经济效益，则该对列车不应替换为双源动力集中动车组。最终，在运用需求分析成果的基础上，测算全路“场景二”下由双源动力集中动车组替换混合区段存在机车换挂情况普速客车的经济效益。3双源动力集中动车组典型应用场景测算以某个典型年度全国铁路运行图数据为基础，结合运用需求分析成果，匡算出采用双源动力集中动车组所产生的经济效益。其中，在“场景一”中，利用双源动力集中动车组替换内燃机车在电化区段运行可以实现成本节约，但是在非电化区段运行会导致成本增加，通过计算判断，共有21对列车满足替换条件（均为平原双源动力集中动车组），共涉及6个路局。这21对列车替换双源动力集中动车组后，每年可实现正向收益0.9亿元。在“场景二”中，利用双源动力集中动车组替换既有列车后，可以减少换挂作业产生的能力占用和时间占用，通过释放车站能力、多接发列车实现增收创效。同时，取消换挂作业还会带来其他间接效益，如节约旅客时间、减少线路电化投资等。在运营成本方面，双源动力集中动车组相较于既有的内燃及电力机车，在非电化及电化区段上的运行成本均有所增加。但通过综合对比成本增加和效益提升可知：（1）平原双源动力集中动车组需求为95对，涉及16个路局，替换平原双源动力集中动车组后，每年增加列车运行成本1.54亿元，每年多接发列车的潜在收入约4.14亿元。（2）高原双源动力集中动车组需求为9对，涉及2个路局，替换高原双源动力集中动车组后，每年增加列车运行成本0.3亿元，每年多接发列车的潜在收入约0.4亿元。4结论双源动力集中动车组具备“宜电则电”“宜内则内”的特性，在混合区段中选用双源动力集中动车组，实现了内电牵引模式的便捷转换，满足了电气化和非电气化铁路跨线衔接需求。根据历史列车运行图初步匡算，全路可替换双源动力集中动车组125对，其中平原116对、高原9对。虽然每年增加了全路列车运行成本0.94亿元，但通过取消换挂、增加接发列车可实现潜在收入约4.54亿元，节约旅客时间效益约4.09亿元，节约电气化改造投资维护成本约63.6亿元。双源动力集中动车组的应用符合国家和铁路行业对于建设交通强国和实现“双碳”目标的要求，因而建议在满足条件的路局先行试点，再逐步推广应用。参考文献1.,邢澍.国外双动力源机车和双动力源动车组概述J.国外铁道机车与动车，2014(5):20-26.2 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