《专家:美超级高铁可行性报告有“硬伤”》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-10-23
  • 网红名词的“超级高铁”,很难甘于寂寞。10月17日,超级高铁公司Hyperloop One又“更新”进展:首次公布美国密苏里州超级高铁可行性研究结果,“每年可节省4.1亿美元交通费用,行程最大可缩短3小时”。

    不过,这一可行性报告是否真“可行”?

    可行性研究:一份带“硬伤”的报告

    有细心者发现,报告中遗漏了一件重要事情:建这条超级循环到底需要多少钱?

    特斯拉和太空探索技术公司CEO埃隆·马斯克曾预估从洛杉矶到旧金山路线修建超级高铁的耗费约60亿美元,即每英里1150万美元。

    事实上,仅研究阶段,超级高铁就很“烧钱”。成都超级高铁试验线相关负责人接受媒体采访时曾坦言:“最缺资金和社会支持。一公里试验线约需2亿元资金。”

    中国科学院院士孙钧也曾表示,涉及磁悬浮的项目投资额都会是不小的数字。以京沪高铁1300公里线路为例,磁悬浮预算是4000亿元,轮轨造价预算约1300亿元。轮轨造价最终实际建造花费也约在2200亿元。由于造价过高,磁悬浮在实际中推广也相对困难。超级高铁可想而知。

    超级高铁要可行 至少需突破几大难

    此前,国防科技大学磁浮技术工程研究中心教授李杰在接受科技日报记者采访时表示,依据磁浮原理,磁浮列车速度可以“无极限”。1000公里时速,理论上完全可行。

    中车首席专家杨颖表示认同。他介绍说,实际研究表明,在非真空情况下,轨道交通时速极限值就约为600公里左右。而这一极限,主要受制于“风阻”影响。“风阻和速度的平方成正比。1000公里时速,比300公里时速的高铁速度大了3倍多,阻力也就约翻了10倍。超级高铁方案通过采用真空是可以解决风阻问题,不过,却带来了很多难以解决的其他问题。”杨颖说。

    比如,列车行驶路线通常“弯弯绕绕”,不可能是两点间的“直线”。而一旦“绕弯”,就涉及“拐弯半径”问题。拐弯半径,也与速度的平方成正比。目前,高铁拐弯半径大致为7公里左右。1000公里时速,拐弯半径则需在几十公里。换言之,时速千公里的超级高铁,几乎只能走直线。“在建设路线上如果存在障碍物,几乎不能‘绕道’而行。否则,千公里时速无法克服转弯时的离心力。因此,本身为建造超级高铁寻找一条理想的无障碍直线路线就很难。”当然,超级高铁并非完全不能“绕弯”,但必须通过降速来实现。只是来回加减速过程,会耗费不少时间和距离,原本的速度优势就被“灭”掉了。

    超级高铁在运行中的经济性也值得考虑。杨颖介绍,高铁商业化运营的“盈利点”,主要在起点、终点间的“经停站”客流上,而非起始点城市。但超级高铁站在几百公里内设置诸多经停站,则会失去其超高速带来的益处。不过,少了中间客流的支持,盈利则很困难。

    更重要的还有“每小时运送乘客数”,即“运能”的实现困难。“从北京到上海同样修一条线,假设建设费用相同,但超级高铁的运能最多都不足高铁十分之一。要和高铁保持同样的盈利,意味着票价至少要高于其10倍。”

    两年前的一次柏林会议上,杨颖曾询问过该公司副总裁,如何实现超级高铁胶囊的设计运能?胶囊载客量最多为二三十人,只有高铁运量的百分之二,为达设计运能,只能加密车次,缩短追踪间隔到20秒内。而该副总裁称,胶囊能实现10秒钟“追踪”,即每隔10秒发车一趟。“没法想象,即便要求乘客在两分钟内完成上下车,按照10秒的发车间隔,单向就有十几列高铁需要进站。10秒内如何实现高铁站上下人时,从真空到大气间的‘切换’?”

    据悉,现高铁两辆车最小追踪间隔为3分钟,地铁最小追踪间隔为两分钟。不过,高铁每趟载客在千人以上。如按高铁追踪间隔时间发车,就更无法实现其对可行性报告中提出的客流量运载,也就无从谈及“4.1亿美元”的节约额。“400公里距离,高铁完成大约为1小时15分钟。报告中说‘缩短3小时’,应为相对汽车运行而言。”杨颖补充。

  • 原文来源:http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2018-10/23/content_406083.htm?div=-1
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    • 日前,西南交通大学首席教授张卫华在2018年世界交通运输大会上透露,世界上时速最快的超级高铁试验线正在成都搭建,预计将在今年年底前建成并投入试验测试。 据介绍,中国版超级高铁将采用“高温超导磁悬浮+真空管道”技术,且目前已着手探讨时速1500公里的可行性。 国家磁浮交通工程技术研究中心副主任林国斌曾对媒体表示,1500公里/小时只是目标的试验性速度,是否可行尚有待验证,即便在试验线上达到了,能否载人、能否实际应用等问题仍然需要解决。从目前的研究阶段来看,超级高铁投入商业化运行还有很长的路要走。 “前瞻性基础研究必须扎扎实实进行,欲速则不达。”中国科学院和中国工程院两院院士、机车车辆动力学专家沈志云告诉《中国科学报》记者。 为后高铁时代做准备 “超级高铁”的概念是特斯拉创始人埃隆·马斯克2013年在自己博客中提出来的。按照他的设计,“超级高铁”车厢像一个胶囊,每一个胶囊被放置于真空管道中,像炮弹一样被发射到目的地。 “超级高铁”最高速度可达1200公里/小时,超过目前飞行速度最快的客机之一波音787(最高速度800公里/小时~1000公里/小时),从上海到北京仅需1小时。美国很多科技公司都在积极研制“超级高铁”的相关技术,不过目前还在可行性分析和试验阶段,尚未有一个成熟的项目。 “人类对提高地面交通速度的追求是一个永恒的历史课题。”沈志云表示,在多年自主创新和实践经验积累的基础上,中国铁路成功实施“引进消化吸收再创新”战略,如今高铁“中国标准”正逐渐超越过去的“欧标”与“日标”,被越来越多的国家采用。 沈志云认为,人类地面交通的发展当然不会就此止步于高铁。“平行于高铁发展的是不断进步的技术,例如采用磁悬浮技术,常导、超导,低速、高速等等,层出不穷,人类创新的脚步,从未停止过。” “受粘着、弓网和噪声等制约,轮轨交通技术时速临界线为600公里。”张卫华认为,下一步,高速磁悬浮轨道交通将成为未来轨道交通技术发展的主攻方向。 中国对高速列车的研究由来已久,后高铁时代也早为学术界热烈讨论过。2004年,沈志云在中国科协举办的院士论坛上作了《真空管道高速交通》的报告。他在会上提出,真空(或低压)管道式地面交通是达到超高速的唯一途径,并认为我国应将目标定位在发展时速600至1000公里的超高速地面交通上。 “我们不主张急功近利,技术还未突破前绝不搞大量集资,搞工程化。”沈志云坦言,真空管道高速交通技术可能要到20到30年以后才能实现,“但这项技术对高铁来说是又一次颠覆,从现在起就要开始研究,才能确保中国能在引领高铁时代之后,继续引领后高铁时代”。 技术路线选择明朗 资料显示,今年年底前将建成并投入试验测试的全新的试验线是直径4.2米、长140米的特制管道,将在低气压环境中测试,实验车车底布满特制的高温超导材料,依靠液氮形成的低温达到超导和磁悬浮效果,悬浮高度10毫米,承重200公斤,测试时速最高可达400公里/小时。 “实验室已验证过,‘磁悬浮+真空管道’创造的低阻运行环境,能有效提升未来高铁的速度。”张卫华向《中国科学报》透露。 所谓高温超导,是指在零下196摄氏度的液氮环境中,特殊材料制成的超导体具有零电阻效应。低温超导是指在零下269摄氏度的液氦环境中,超导所具有的特性。高温超导磁悬浮有自稳定、自导向和能静浮的优点,换句话说,把高温超导体放在永磁轨道上后,可实现列车在低速甚至静止状态下,具有稳定的导向力和悬浮力。 张卫华进一步介绍称,由西南交通大学承担的“多态耦合轨道交通动模试验平台”,是在1500米可模拟不同低气压环境的真空管道里,开展不同磁悬浮模式比例模型车运行测试,包括高温超导磁悬浮模式在内,试验速度超过音速。据张卫华透露,我国最快将于2021年4月达到1500公里试验时速。 提到磁悬浮列车,不得不提的是世界上首条投入运营的磁悬浮线——上海浦东机场线,其采用的是德国常导磁悬浮技术。列车最高时速达430公里,平均运行时速380公里。 “常导磁悬浮技术利用磁场吸引力实现悬浮,是一个不稳定系统,需要强大的人工控制设备,才能保证悬浮高度。任何控制都需要时间,称为时迟,运行速度越高,容许的时迟越小。偶有不慎,就可导致失稳。”沈志云介绍,德国试验线上就曾发生类似事故而烧毁了一辆车,故德国目前没有继续发展常导高速,并且连试验线都拆掉了。“常导高速磁悬浮在世界上唯一保存下来的运营线路只有上海浦东常导磁浮机场线了,能否有更大突破,还要拭目以待。” “超导利用的是同性磁极相斥原理,靠排斥力把车辆悬浮高达100毫米以上。它是自稳定系统,不需要任何控制装置,即可自动保持设计的悬浮高度。仅此一点,高速列车采用超导技术相对于常导技术的优势就不言自明了。”沈志云说。 离商用还有时日 从当前情况来看,我国最新研制的“复兴号”动车组最高设计速度为400公里/小时,在测试中速度曾达到420公里/小时,而在实际中,仍以350公里/小时的速度运行。 “当时为了保证350公里/小时运营速度,我们建立了600—500—400公里/小时试验体系。即:地面模拟运行试验达到600公里/小时,使线路上的试验速度能达到500公里/小时,用以保证运营最高速度能达到400公里/小时。”沈志云介绍,对于超级高铁,要保证能以1000公里/小时的速度运营,地面模拟最高速度要拟定为1500公里/小时,这样不仅能确保初期1000公里/小时的运营速度,还可为以后运营速度的提高预留试验手段。 1000公里的时速并非不可能实现,而是需要花费大量的人力、物力与财力。无论是真空技术还是磁悬浮技术,并非没有突破的可能,而是需要推动落地试点。“原理上行得通,但要加快发展工程,把商业运行和科学实验结合起来。”中国工程院院士、空气动力学专家乐嘉陵在一场有关海底真空磁悬浮列车项目的研讨会上建议。 “超级高铁”在开始工程化以前,还有许多基础性研究要做。沈志云说:“我们已经取得小型环形线试验的突破,正在进行大管道(4.2米直径,140米长,0.05~5.0标准大气压)中加速到450公里/小时的动模风洞试验。已确定在成都市天府新区建设1.5公里管道,进行1500公里/小时超高速的动模风洞试验,研究解决‘超级高铁’一系列关键技术问题,然后才能够在铁路总公司领导下,进行工程化的1000公里/小时示范线建设。” 中国工程院副院长、中国铁路总公司总工程师何华武表示,上海虹桥到杭州预留了“超级高铁”的条件,在这条线路上继续深化,十年内是有可能实现的。 沈志云认为,真空管道高温超导磁浮沪杭线将是第一条示范线,建成后的发展是不可限量的,包括速度的提高。“应当说2000公里/小时,甚至4000公里/小时的超高速都是可以纳入视线之中的。”
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    • 芝商所此前发布公告称,从5月17日开始,部分天然气期货和期权合约将在芝商所CMEGlobex中被标记为可以承受负价格,部分精炼能源产品的期货合约也将被允许进行负价格交易。   5月13日,油气行业资深人士、管道能效专家刘冰对经济观察网表示,一方面,3月19日芝商所把熔断价格阀值从7%提高到15%,但称“0不能做除数”,因而跌到负数时,无法设置涨跌幅;另一方面,4月15日又宣布修改规则,明确“可以承受负价格”。这两点是“负价油”会出现在芝商所的直接原因。上述关于天然气期货合约的公告,也使“负气价”成为可能。从表面上看是芝商所的“游戏规则”直接造成了油气储运系统资源配置的短期失衡。  从美国“负价油”和储运系统资源配置失衡这一现象来看,这种极端情况为何不会出现在国内?  刘冰认为,在我国中央能有效进行宏观调控、资源配置。以油气储运系统为例,发改委能源局通过煤电油运综合协调机制,实现对中石油、中石化、中海油的油气资源,乃至全国的资源统一调配。2008年汶川地震期间迅速解决成渝地区油荒,近年来迅速处里部分省市的“气荒”,皆是国内油气储运系统资源配置有效性的证明。  作为基础设施,油气管网承担社会责任、有社会公益属性。去年国家油气管网集团有限公司正式组建。刘冰认为,这是进一步加强调控手段的最新举措,将加速实现利用自动化、信息化手段,集中统一调控全国油气管网,是实现全局优化、提高资源配置效率的重要一步。   管网统一调度的意义   在我国现阶段,油气储运系统主要包括油气长输管道、油库、储气库、LNG接驳码头等重要储运设施,骨干管网建设是基石。  过去10年间,陆续建成投产了“西气东输”一线、二线、三线和陕京管道系统、中俄原油管道、中缅油气管道等一批重点工程,油气骨干管网基本形成,总里程超过12万公里,惠及近10亿人口。  此外还构建了东北、西北、西南管输进口三大通道。陆续建成投产了天津LNG、青岛LNG等一批LNG接驳码头,目前已建成投产的接驳码头已经超过20个。海上油气战略通道也已形成。基本构成“西油东送、北油南运、西气东输、北气南下、缅气北上、海气登陆”的油气供应格局。  据刘冰介绍,有了管道,新疆的石油从开采、加工、炼制,直到运输至成渝、湘鄂的加油站,全程不超过3天;中亚的天然气从井口集输、净化、处理,输送至上海也不超过一周。管道运输的确是一种快捷便利、节能高效的现代化运输方式。  炼油厂的原油供给要通过原油管道,炼制好的成品油,也要通过管道输送至城市、机场、码头以及军队的油库。清洁方便的天然气,也要通过管网送到千家万户。油气管网确实与国计民生息息相关,因此它被列入了国民经济的顶层设计和中长期规划。  而要全面地理解管网的作用和任务,需从全局视角来看。据刘冰回忆,十年前,当我国石油公司向俄罗斯机构开展有关中国油气管道布局的咨询时,俄罗斯专家首先做的是“煤炭资源供需布局研究”。当时中方专家还有些不解,而俄方专家则指出“研究油气资源配置,必须从能源供需的宏观着手”。而中国国情与俄罗斯不同,一次能源消费中煤炭彼时占比70%,所以要“站在管网外看管网,研究管网布局”。  上世纪50年代,我国一次能源消费中煤炭占90%左右,到21世纪初下降到70%左右。近年来油气消耗占我国一次能源比重逐年上升,而煤炭呈下降趋势,2018年一次能源消费中煤炭占比首次低于60%,而油气占比则首次超过25%。目前我国原油消耗已接近7亿吨/年,天然气消耗接近2000亿立方米/年。年油气消费的总费用已达5万亿人民币。  宏观上,油气管网的布局,可在落实国家能源调控战略和产业布局方面起到重要作用。微观上,管网可通过统一调度,实现油气资源的实时调控。而近日的“北溪二管道”美欧争端,以及几年前的“乌克兰关阀事件”都表明管道在国际政治舞台上的重要地位。  国家管网公司的成立,一方面为实现“全国一张网”、避免重复建设,实现集约式发展奠定了基础;另一方面,也为在“一张网”上统一调度油气资源,实现资源的优化配置,准备了条件。在国家管网公司完成资源整合、实现统一调控后,可以在安全、平稳、高效这几方面得到进一步提升。  而未来的优化不限于在横向的互联互通、管网内,管网资源整合后给纵向的全产业链的资源优化配置提供了可能。这将给整个油气产业经济带来不小的变化。  刘冰表示可以预见的是:相关管理方式和绩效指标的变化,自动化、信息化水平的不断提高,工控系统网络安全的升级,以及储运设施公平开放的加速和管网建设提速等。   关键业绩指标反映管网资源配置效率   一般来说,反映管网资源配置效率的关键业绩指标(KPI)应遵循五条基本原则,即:目的性、全面性、可行性、稳定性以及与评价方法的协调性等原则。  据刘冰梳理,目前在工业实践中使用的资源配置效率关键业绩指标主要有,系统效率类,包括能源利用率、管道利用率、节流损失率等;以及能效指数类,主要有能效偏差指数、能效相对指数、能量平衡指数等。这些事顶层的业绩指标,可以直接反映资源配置水平。  要得到这些指标,首先要获得有用功率、周转量等实物类指标,并据此进行科学而复杂的计算。具体计算公式在2011年出版的《油气管道能效管理》一书中有详细介绍。  据悉,早在2007年中石油牵头,中石化、中海油参与,就已经开始了相关KPI研究,并逐步形成了一系列标准。在充分考虑国际对比的协调性基础上,于2010年初步形成了具有中国特色的油气管道能效管理体系。这个体系包括KPI指标体系、数据采集体系、预测体系和后评价体系四个部分,是由刘冰主持完成的。  2011年至今,在这个体系下,我们先后在中石油、中石化的多条管道上实现了指标的自动采集、实时计算、计算机自主评价和在线离线预测。可以预见的是,管网整合、统一调度后将进一步促进管理科学化,这些KPI的功能性会被加强。  管网整合、统一调度后,国家能源局、国家管网公司该管什么、该怎么管?什么样算是管好了?企业怎样做才是做好了?刘冰认为,上述问题其实最终会在这些指标上得以体现,即行业关键业绩指标(KPI)的功能性。  从另一个角度讲,这个能效管理体系也是中央落实宏观调控政策,执行资源配置的有力抓手。通过这个体系,可以了解管网运营是否健康?有没有承担好它的社会责任?是否充分体现了制度的优越性?国家管网公司履职效能,是否符合组建的初衷?  以天然气管道利用率为例,资源整合互联互通后,管道输送价格体制也发生巨大变化。原来管道运输费标准仅依据“按距收费”原则,采用固定内部收益率的形式计算管输费,现在标准则改为收益率与负荷率挂钩。如何提高天然气管道利用率,确保负荷率大于75%,是体现整合效益的重要标志,是管道运营者迫切需要考虑的问题。整合前,由于多种因素影响,符合率能够达到75%的并不多。这就给整合后的工作提供了很大的优化空间。建设和运营管网动用了大量的国、民资源。大管道每公里造价近1亿,国家管网资产在5000亿上下,其年运营费用超过百亿。  从能效指数方面来看,在管道运输环节能耗成本更是占到50%。可以说控制住能耗成本,是油气产业降本增效,以及降低油气价格的关键之一。例如,能量平衡指数,它的物理意义是报告期供给油气管道的总能量与有用功的比值。能量平衡指数越低,说明效率越高、资源配置的更合理。经测算,仅通过管道储运环节的运行优化、降本增效,甚至可实现每升汽油降价0.2元,每立方米天然气降价0.1元。  管网统一调度后,运行数据高度集中,远程控制高度集中,有利于更好地开展油气管网的“两测一评”工作。即:能耗在线监测、能耗预测和能效评价。“两测一评”可以有效地支持“PDCA管理循环”。通过这个科学的管理循环,全面实现低成本、高效效益(包括经济效益和社会效益)运营就只是时间问题。  如果进一步发挥管网“能源枢纽”的作用,还可以将“两测一评”模式延伸至油气工业的上游和下游环节,实现更大程度的降本增效,甚至可以推广至其它相关产业,实现更广泛的资源优化配置。效率高即成本低,油气价格就低了,惠及民众,有助于经济发展,经济效益与社会效益也将提高。  另外,刘冰认为,资源配置效率指标既是“晴雨表”、也是“温度计”。它在呈现全国管网运营情况的同时,也可从能源供需这个侧面间接反映国民经济运转情况。这方面的功能和全国用电指数类似。