王亞陸
(西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710068)
城市軌道交通(Rail Transit)具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點(diǎn)。世界各國普遍認(rèn)識(shí)到:解決城市的交通問題的根本出路在于優(yōu)先發(fā)展以軌道交通為骨干的城市公共交通系統(tǒng),我國目前已有近30 個(gè)大中城市已建或在建軌道交通。同時(shí),由于運(yùn)量大、運(yùn)營時(shí)將長、用能設(shè)備數(shù)量多,軌道交通又是耗電量巨大,運(yùn)行成本很高的行業(yè)。根據(jù)2006年中國主要城市的軌道交通能耗情況統(tǒng)計(jì),耗電量除長春輕軌外,均達(dá)到了數(shù)千萬千瓦時(shí),北京、上海、廣州等城市的個(gè)別線路甚至突破了億kW ·h。2008年北京軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃用電為6.5 億度,約占北京市用電總量的1%;到2015年,北京軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃用電為13.9 億度,約占北京市用電總量的1.2%,年耗電量增幅平均達(dá)12%。以廣州地鐵為例,2009年運(yùn)營票款收入為13.9 億元,不考慮固定資產(chǎn)折舊的運(yùn)營成本為14.5 億元,運(yùn)營虧損約0.6 億元。其中電費(fèi)支出約為3 億元,占總成本的20.5%,可見軌道交通是能耗大戶。正應(yīng)為如此,從軌道交通項(xiàng)目的可行性研究、設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備采購、聯(lián)調(diào)聯(lián)試等建設(shè)過程的各階段,都需要對(duì)節(jié)能降耗進(jìn)行反復(fù)的論證和評(píng)估,本文旨在通過對(duì)國內(nèi)軌道交通能耗現(xiàn)狀及影響能耗的要素分析,探索軌道交通降低能耗的有效途徑及措施,供同行商榷探討。
軌道交通項(xiàng)目的能耗主要分布在牽引供電系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)等;其中供電系統(tǒng)包括牽引系統(tǒng)、動(dòng)照系統(tǒng)等,機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)主要為設(shè)備耗電,含有通風(fēng)空調(diào)、車站設(shè)備、給排水及消防、電梯及扶梯等,弱電系統(tǒng)主要包含通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(FAS)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)門禁系統(tǒng)(ACS)等。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在軌道交通能耗中,電力為最重要的構(gòu)成部分,在系統(tǒng)能耗分布中牽引系統(tǒng)的能耗最大,主要是由于牽引系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車的運(yùn)行這個(gè)軌道交通最大的移動(dòng)設(shè)備。
根據(jù)資料,一般情況下軌道交通的能耗分布見圖1。
圖1 能耗分布圖
軌道交通能耗主要以電力為主,其他能耗種類的消耗較少,綜合分析,軌道交通工
程能耗具有以下幾個(gè)特點(diǎn):
(1)能源消耗以電力為主,其他能源種類消耗量很少。
(2)能耗分布明確,整體性強(qiáng)。軌道交通各個(gè)系統(tǒng)相對(duì)比較容易區(qū)分,但因其供能系統(tǒng)是一個(gè)綜合系統(tǒng),各個(gè)設(shè)備相互之間緊密聯(lián)系、相互配合才能使功效最大發(fā)揮,因此,節(jié)能分析既要根據(jù)不同用能特點(diǎn)和設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行,又要從整體分析。
(3)系統(tǒng)運(yùn)營時(shí)間長,能耗增長穩(wěn)定。軌道交通由于因其系統(tǒng)性,能耗用量的增長主要與客流量相關(guān),因此對(duì)于軌道交通的能耗增加可量化預(yù)測,增長過程相對(duì)穩(wěn)定。
(4)用能時(shí)間長,要求穩(wěn)定性高
軌道交通為百年工程,每日運(yùn)營 1 8 h,對(duì)能耗的穩(wěn)定性要求極高,在用能系統(tǒng)的選擇和實(shí)際時(shí)既要考慮穩(wěn)定性要求,又要考慮節(jié)能需要,從長遠(yuǎn)時(shí)間看,節(jié)能的效益是非常巨大的。
線路方案中線路敷設(shè)方式對(duì)能耗的影響最大,地上車站通常采用自然通風(fēng)方式和自然采光,地上車站比地下車站減少了通風(fēng)空調(diào)和照明能耗,而從建設(shè)過程來看,地下車站的能耗也遠(yuǎn)大于高架車站,因此在用地規(guī)劃條件允許的情況下,采用適當(dāng)?shù)南暺琳?,?yīng)更多的考慮采用地上車站以節(jié)約能源。
北京5 號(hào)線及廣州1 號(hào)線耗能統(tǒng)計(jì)見表1。
表1 北京5 號(hào)線及廣州1 號(hào)線耗能統(tǒng)計(jì)
由表1 可看出,北京地鐵5 號(hào)線地上站和地下站的年耗電量分別為:90 萬kW ·h/站和329萬kW·h/站,因此運(yùn)營過程中地下站的能源消費(fèi)量遠(yuǎn)大于地上站。僅從減少能源消費(fèi)的角度來考慮,軌道交通在用地規(guī)劃許可的情況下,應(yīng)盡可能地采用地上線。
線路是車輛運(yùn)行的重要載體,平直線路可以減少列車運(yùn)行阻力,在車站處設(shè)節(jié)能坡可節(jié)省牽引耗電,但線路方案的設(shè)計(jì)需考慮上位規(guī)劃的要求、客流集散點(diǎn)分布、拆遷量、環(huán)境保護(hù)等問題,往往很難避免曲線線路,而地勢起伏情況也限制了節(jié)能坡的設(shè)置。因此在滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,盡量將車站布置在縱斷面的凸形部位上,并設(shè)置合理的進(jìn)出站坡度,使列車進(jìn)站時(shí)上坡,將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能,列車出站時(shí)下坡,再將勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,這樣有利于減少車輛牽引和制動(dòng)時(shí)的用能量,從而達(dá)到節(jié)能的目的。
合理的站位可提高對(duì)客流的吸引力,保證一定的客流量可降低軌道交通的人公里能耗,從而提高軌道交通的能效水平。從而降低軌道交通的單位產(chǎn)值能耗。
車輛出入段時(shí)列車處于空載狀態(tài),因此減少列車的出入段次數(shù)對(duì)于節(jié)約能耗來說是非常有意義的。車輛段(停車場)的選址,從節(jié)能的角度考慮,宜選在線路的終端或運(yùn)行區(qū)段的折返站附近,盡量靠近線路,以便于列車的出發(fā)和入段,減少列車的空車走行距離,降低空走能耗;但從另外一個(gè)角度來講,車輛段或者停車場占地面積大,場地的選擇通常是城市已經(jīng)為軌道交通預(yù)留控制的,因此可選擇的余地不大,因此,車輛段(停車場)選址對(duì)于軌道交通節(jié)能的影響并不顯著,應(yīng)盡量從車輛段內(nèi)部工藝去找尋節(jié)能突破點(diǎn)—車輛段(停車場)的平面布置,在場地條件確定的條件下,應(yīng)盡量通過優(yōu)化布局來減少作業(yè)的復(fù)雜性,通常來講平面布置主要考慮作業(yè)流程的連貫性,以減少車輛的調(diào)車作業(yè)及空走距離,因此在平面布局上應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注工藝流程的上下序環(huán)節(jié),降低車輛在場段內(nèi)的轉(zhuǎn)線作業(yè),可有效節(jié)約能源。
列車交路設(shè)置首先應(yīng)符合客流需求,同時(shí)也應(yīng)考慮工程投資和運(yùn)營成本,在同樣滿足客流需求、工程可行性的情況下,交路選擇的主要決定因素就是運(yùn)營成本的節(jié)約,而運(yùn)營成本中的重要構(gòu)成部分就是能耗支出,因此列車交路與能耗關(guān)系密切。交路設(shè)置包括列車對(duì)數(shù)和折返點(diǎn)的選擇,不同的列車對(duì)數(shù)和折返點(diǎn)決定了列車周轉(zhuǎn)公里不同,即年走行公里的區(qū)別,也就是說運(yùn)營能耗的差別主要是由于列車走行公里數(shù)不同決定的。下面通過國內(nèi)某城市軌道交通初期、近、遠(yuǎn)期交路方案的選擇,說明交路方案與能好的關(guān)系,見表2 、表3。
經(jīng)綜合比較,最終該線路初期交路選擇方案三、近遠(yuǎn)期交路選擇方案一,既滿足了客流的需要,同時(shí)適應(yīng)工程特點(diǎn),也是最節(jié)能的交路方案。由于推薦交路在客流量大的區(qū)段兩個(gè)交路列車均提供服務(wù),而線路兩端客流量小的區(qū)段則只開行大交路列車,從而提高了滿載率,提高了列車的輸送效率。經(jīng)測算,該交路方案初期滿載率為45.4%,近期滿載率為51.4%,遠(yuǎn)期滿載率為45.6%。由此可以說明,在軌道交通的前期論證過程中,應(yīng)高度重視大小交路的設(shè)置,最大限度的節(jié)省列車配置,提高滿載率,從而實(shí)現(xiàn)降低列車走行公里數(shù)的節(jié)能目標(biāo)。
表2 某城市軌道交通初期交路方案比較表
一條線路在建設(shè)階段,通常由行車組織專業(yè)在客流資料的基礎(chǔ)上,制定出運(yùn)營初期車輛編組運(yùn)行方案,目前國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)證明,由于地鐵對(duì)于周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)作用以及人口的吸引作用,一旦軌道交通投入運(yùn)營后,其客流往往與設(shè)計(jì)階段預(yù)測的客流存在一定的誤差,因此,應(yīng)由行車組織專業(yè)根據(jù)運(yùn)營一段時(shí)間穩(wěn)定后的客流現(xiàn)狀及周邊區(qū)域的發(fā)展規(guī)劃,在確保運(yùn)營安全的前提下,適當(dāng)調(diào)整行車組織方案,有效配置車輛數(shù)量,提高列車滿載率,減少列車低負(fù)載或空載行使距離,從而在確保安全運(yùn)送旅客的同時(shí),帶來一定的節(jié)能效果。
(1)地下車站,在滿足服務(wù)車站功能要求的前提下合理布置車站房間,控制車站建筑面積,盡量方便乘客,縮短車站內(nèi)步行距離。
(2)控制中心、車輛段與維修中心建筑嚴(yán)格執(zhí)行《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,項(xiàng)目建筑應(yīng)考慮合理的朝向和體型,在滿足通風(fēng)和采光的條件下,盡量減小窗墻比。
(3)建筑物主體朝向宜采用南北向或接近南北向。
(4)建筑物體形系數(shù),控制中心不應(yīng)大于0.40;車輛段與綜合基地中單體公共建筑面積大于20 000 m2,不應(yīng)大于 0 .40。
(5)墻與屋面的熱橋部位的內(nèi)表面溫度不應(yīng)低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度。⑽車輛段的總體布置應(yīng)分別按工藝、作業(yè)流程布置。
(6)車輛段的建筑物位置及朝向應(yīng)充分利用自然采光和自然通風(fēng),特別是運(yùn)用庫、聯(lián)合檢修庫和架修庫等大空間建筑合理設(shè)計(jì),處理好采光問題,節(jié)約電能。
表3 某城市軌道交通近/遠(yuǎn)期交路方案比較表
軌道車輛是軌道交通的重要設(shè)備,也是能耗較高的設(shè)備,其特點(diǎn)是自重大,單車質(zhì)量占定員車總重的60%,其用電量約2.4 kW·h/車·km,占運(yùn)營總電耗的40%~48%,因此應(yīng)充分重視車輛選型對(duì)節(jié)能降耗的影響。
(1)減少車輛自重
根據(jù)國內(nèi)外地鐵車輛車體采用不銹鋼和鋁合金的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),地鐵車輛耐候鋼車體自重約9~10 t,不銹鋼車體自重約6~7 t,鋁合金車體自重約4~5 t。如果以耐候鋼車體自重為基準(zhǔn),則不銹鋼車體可減輕自重30%左右,鋁合金車體可減輕自重50%左右。因此,鋁合金車體輕量化效果比不銹鋼車體更明顯些。由于車輛自重的減輕,減少了列車牽引和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量和粉塵,減輕隧道的溫升和污染;由于車輛自重的減輕,輪軌磨耗也相應(yīng)減少,可節(jié)省一定數(shù)量的維修費(fèi)用;由于車輛自重的減輕,改善了列車運(yùn)行品質(zhì),提高運(yùn)行速度,縮短制動(dòng)距離,減少振動(dòng)和噪聲等。同時(shí)車輛自重的減輕可減少列車能耗,因此建議新建線路采用鋁合金車體更節(jié)能。不同材料車輛能耗費(fèi)用見圖2。
(2)采用交流變頻變壓(VVVF)傳動(dòng)裝置
該系統(tǒng)和變阻調(diào)壓直流牽引系統(tǒng)比較,具有高效率的特點(diǎn)。因?yàn)樽冾l調(diào)速避免了列車調(diào)速時(shí)由附加電阻消耗掉大量的電能,同時(shí)也不會(huì)因電阻調(diào)速的發(fā)熱提高隧道內(nèi)的溫度而要求增加通風(fēng)量和制冷電能。根據(jù)某城市實(shí)際測量結(jié)果,采用VVVF 交流傳動(dòng)車輛,較凸輪變阻車輛節(jié)能約20%,較斬波調(diào)壓車輛節(jié)能約5%左右。
圖2 不同材質(zhì)車輛能耗費(fèi)用
(3)采用動(dòng)拖混合編組模式
構(gòu)造速度和動(dòng)拖比在不同線路狀況下對(duì)能耗的影響是不同的,根據(jù)國內(nèi)某條線路采用不同構(gòu)造速度、不同動(dòng)拖比的列車進(jìn)行模擬分析,通過分析發(fā)現(xiàn),同樣在最高速度80 km/h 的情況下,4M2T列車比3D3M 列車能耗節(jié)約36%,而在100 km/h情況下,4M2T 列車比3D3M 列車能耗節(jié)約29%,因此運(yùn)營速度的選擇與動(dòng)拖比的選擇應(yīng)在滿足時(shí)間目標(biāo)的情況下,盡量選擇低運(yùn)行速度、高動(dòng)拖比的混合編組模式。
(4)采用再生制動(dòng)及再生能量吸收裝置
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),地鐵再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的20%甚至更多。但再生電能并不是都能被其它牽引車輛吸收,剩余部分則消耗在車輛制動(dòng)電阻上并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)到空氣中,其結(jié)果是加速隧道的溫升。因此再生制動(dòng)裝置需要電容儲(chǔ)能裝置配合使用,當(dāng)處于再生制動(dòng)工況下的列車產(chǎn)生的制動(dòng)電流不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備吸收時(shí),線路上設(shè)置的再生制動(dòng)能量吸收裝置立即投入工作,吸收多余的再生電流,使車輛再生電流持續(xù)穩(wěn)定,以最大限度地發(fā)揮電制動(dòng)性能。因此在車輛選取時(shí)應(yīng)注意再生制動(dòng)及再生能量吸收裝置的節(jié)能效果。
(1)外部電源
在選擇外部電源時(shí),往往受到線路地區(qū)周邊現(xiàn)狀、地區(qū)規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃等因素的制約,而主變電所數(shù)量及位置的選擇上往往取決于系統(tǒng)配置容量與線路特征。兩者需要有機(jī)的統(tǒng)一,實(shí)際工程中,特別是一個(gè)城市的電網(wǎng)規(guī)劃中,可以從資源共享的角度適當(dāng)考慮外電源的規(guī)劃,從而實(shí)現(xiàn)外電源資源合理規(guī)劃及使用,從項(xiàng)目前期為節(jié)能打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在主變電所容量配置上,也基于資源共享的角度,按照初、近期負(fù)荷配置主變電所主變壓器容量,從而可以有效控制主變電所運(yùn)行能耗。
(2)牽引變電所
牽引變電所布點(diǎn)在滿足牽引供電系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上,考慮牽引變電所間距對(duì)牽引網(wǎng)能耗的影響,盡量要求牽引變電所間距分布均勻,從而降低牽引供電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的電能損耗。根據(jù)工程客流規(guī)劃特點(diǎn),合理配置牽引變壓器容量,使變壓器在設(shè)計(jì)最大負(fù)荷時(shí),正常運(yùn)行方式下負(fù)載率在95%左右。
(3)牽引網(wǎng)系統(tǒng)
上下行走行軌設(shè)置均流線,降低牽引網(wǎng)回流系統(tǒng)阻抗,減少牽引網(wǎng)系統(tǒng)損耗。
(4)無功功率補(bǔ)償
在供電系統(tǒng)主變電所與車站變電所考慮無功功率補(bǔ)償措施,在主變電所預(yù)留SVG 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)節(jié)能,SVG 型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置是基于大功率IGBT 的全控型開關(guān)器件,既可向系統(tǒng)輸出容性無功功率,又可輸出感性無功功率,并能濾除系統(tǒng)各次諧波,既可解決軌道交通主變電所功率因數(shù)不合格的問題,又可以減少供電網(wǎng)絡(luò)中無功功率傳送導(dǎo)致的功率損耗,實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。在車站變電所低壓側(cè)考慮設(shè)置有源濾波兼做無功補(bǔ)償,從而有效濾除動(dòng)力照明系統(tǒng)中的諧波,減少諧波損耗,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)無功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
(5)合理的設(shè)備選型
牽引變壓器合理選擇二次側(cè)電壓等級(jí),以便在遠(yuǎn)期非高峰時(shí)段,保持接觸網(wǎng)電壓水平不至于過高,為列車再生制動(dòng)創(chuàng)造條件。配電變壓器可選擇非晶合金變壓器,其空載損耗可降低 7 0%左右。二次回路的選擇上有限考慮1A 的電流互感器,降低二次回路損耗。對(duì)于UPS 設(shè)備可考慮整流模塊應(yīng)選擇IGBT 整流,提高UPS 整機(jī)效率,由95%可提高至99%。
(1)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的用電負(fù)荷通常占到地下車站的30%左右,從低壓負(fù)荷特性來看,無論是風(fēng)機(jī)還是水泵均為電動(dòng)機(jī)類負(fù)載,因此,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)類負(fù)載,需根據(jù)正常工況模式下的運(yùn)行方式以及溫度控制器的采集的相應(yīng)區(qū)域的溫度,變頻運(yùn)行,系統(tǒng)內(nèi)部電動(dòng)機(jī)類負(fù)載均應(yīng)配置變頻裝置,從而,在正常運(yùn)行工況條件下,變頻節(jié)能運(yùn)行。
(2)電梯與扶梯建議采用無機(jī)房形式,既節(jié)省了土建費(fèi)用,也在一定程度上節(jié)約了能源。自動(dòng)扶梯采用變頻運(yùn)行方式(VVVF 方式),人少時(shí)電梯運(yùn)轉(zhuǎn)變慢,其負(fù)荷僅為總額的10%,達(dá)到節(jié)約能源的效果。
(1)自動(dòng)售票系統(tǒng)。
系統(tǒng)運(yùn)行模式上,自動(dòng)售檢票系統(tǒng)具備關(guān)閉模式,在此模式下設(shè)備將關(guān)閉服務(wù),處于最低功耗狀態(tài),這種模式的設(shè)計(jì)將有利于能源的節(jié)約。在自動(dòng)檢票機(jī)門機(jī)控制方式上,對(duì)于門式自動(dòng)檢票機(jī),將具備常開和常閉模式,既提高了自動(dòng)檢票機(jī)的通過能力,又減少了門機(jī)的動(dòng)作次數(shù),有利用于能源節(jié)約。
(2)設(shè)備選型包括了整機(jī)及部件,對(duì)于這些采用相應(yīng)節(jié)能措施。如:
a.終端設(shè)備應(yīng)整機(jī)低功耗設(shè)計(jì),包括降低輕載功耗;
b.終端設(shè)備應(yīng)具備待機(jī)功能,可處于最低功耗運(yùn)行狀態(tài);
c.關(guān)鍵部件,如工控機(jī)、CPU、閘門,采用低功耗產(chǎn)品,電機(jī)應(yīng)具有節(jié)能特點(diǎn)等;
d.開關(guān)電源、UPS 電源等應(yīng)采用高功率因數(shù)、高轉(zhuǎn)換效率(包括輕載效率)及低諧波的產(chǎn)品等;
e.優(yōu)化布線設(shè)計(jì)及接線設(shè)計(jì),減少銅耗及接觸損耗。
(3)站廳、站臺(tái)的照明采用多路交叉供電,能節(jié)省更多的電能。按照設(shè)計(jì)規(guī)范的照度標(biāo)準(zhǔn)配備照明設(shè)施,但運(yùn)營時(shí)通過節(jié)能運(yùn)行模式,采取打開一部分照明燈,關(guān)閉一部分照明燈的辦法來達(dá)到節(jié)能的目的。照明產(chǎn)品選用高效節(jié)能壽命長的燈具,如LED 燈具,無極燈具等;
目前國內(nèi)軌道交通系統(tǒng)尚無相應(yīng)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,且每個(gè)城市軌道交通線路和車站形式不同,采用的車輛和設(shè)備制式也不同,給軌道交通的節(jié)能評(píng)估帶來了困難,客觀上容易造成很大的資源浪費(fèi)。本文通過對(duì)近年來軌道交通能耗情況的梳理和分析,對(duì)未來軌道交通的建設(shè)方案提出以下幾點(diǎn)建議:
(1)在后續(xù)線路建設(shè)中應(yīng)注重各系統(tǒng)之間的聯(lián)系,將軌道交通系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)的整體來考慮各系統(tǒng)的建設(shè)方案和設(shè)備選型,通過系統(tǒng)之間合理的匹配實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)行,提高節(jié)能措施的綜合效率。
(2)應(yīng)充分考慮投資、建設(shè)、運(yùn)營各個(gè)階段的需求,保證建設(shè)方案和節(jié)能措施切實(shí)可行,避免出現(xiàn)廢棄工程。
(3)應(yīng)在有條件的地段盡量采用高架或地面敷設(shè)方式,可大幅降低車站及隧道通風(fēng)、照明能耗。
(4)應(yīng)因地制宜,利用新能源和可再生能源。
(5)積極采用先進(jìn)的節(jié)能措施。