宋吉鵬

(青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，266100，青島 ∥ 工程師)

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用在地鐵運(yùn)營(yíng)成本中占比相當(dāng)大，其運(yùn)行能耗約占地鐵總能耗的1/3～1/2[1-3]，尤其在線路運(yùn)營(yíng)初期，此占比甚至?xí)^1/2。在運(yùn)營(yíng)服務(wù)時(shí)間內(nèi)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行模式，既會(huì)直接影響地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)的乘車環(huán)境，又會(huì)直接影響其用電負(fù)荷。而機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表是地鐵控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)中用于編制所轄線路各站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(包括車站大系統(tǒng)、車站小系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng))、照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間及執(zhí)行模式的功能模塊。因此，能否制定科學(xué)、合理、精細(xì)的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表，不僅事關(guān)機(jī)電設(shè)備的智能運(yùn)行情況，而且還會(huì)間接影響地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)的服務(wù)水平和節(jié)能效果。目前國(guó)內(nèi)鮮有對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表的研究，本文將以青島地鐵2號(hào)線為例，根據(jù)線路運(yùn)營(yíng)初期的實(shí)際情況，闡述機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表的優(yōu)化制定過程。

1 原機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表簡(jiǎn)介

青島地鐵2號(hào)線機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表主要是根據(jù)青島市年平均氣溫變化趨勢(shì)、單日氣溫變化特征及日出日落時(shí)間，并結(jié)合線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間等來制定的。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表的制定，首先是根據(jù)青島市年平均氣溫變化趨勢(shì)將其運(yùn)行季劃分為空調(diào)季、過渡季和冬季3個(gè)時(shí)段，然后再根據(jù)各運(yùn)行季時(shí)段單日氣溫的變化特征及線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間，制定其詳細(xì)的運(yùn)行時(shí)間表[4]。照明系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間表則是直接根據(jù)日出日落時(shí)間及線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間來制定的。青島地鐵2號(hào)線優(yōu)化前的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表分別如表1、表2所示。

表1 青島地鐵2號(hào)線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表

表2 青島地鐵2號(hào)線照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表

2 精細(xì)化機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表制定

精細(xì)化機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表是以車站為單位、以各車站的首末班車時(shí)間為基本依據(jù)，結(jié)合相關(guān)通風(fēng)時(shí)間計(jì)算結(jié)果等制定的。其制定原則為“滿足運(yùn)營(yíng)服務(wù)需求，盡量減少電能浪費(fèi)”。本文詳細(xì)闡述青島地鐵2號(hào)線地鐵照明系統(tǒng)、車站大系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行時(shí)間表的制定策略。

2.1 車站首末班車時(shí)間統(tǒng)計(jì)及歸類

以青島地鐵2019年某號(hào)運(yùn)作命令為依據(jù)，統(tǒng)計(jì)2號(hào)線東段各車站的首末班車時(shí)間。部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 青島地鐵2號(hào)線東段部分車站2019年首末班車時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由表3可見，由于上下行列車相向而行，首班車最早到站時(shí)間為李村公園站，最遲到站時(shí)間為高雄路站；末班車最早離站時(shí)間為高雄路站，最遲離站時(shí)間為李村公園站。相鄰車站首末班車到站時(shí)間間隔，即列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間，其范圍在1～5 min之間，大部分到站時(shí)間間隔為2 min。鑒于此，地鐵機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表精細(xì)化制定的最小時(shí)間段應(yīng)以2 min間隔起?？紤]到車站的相關(guān)運(yùn)作情況及設(shè)計(jì)制定的便利性，本文以10 min間隔為最小時(shí)間段來制定?；谏鲜隹紤]，2號(hào)線列車最早到站時(shí)間按06:00、06:10、06:20、06:30來設(shè)計(jì)制定，最遲離站時(shí)間按23:10、23:20、23:30、23:40來設(shè)計(jì)制定。各站列車最早到站時(shí)間和最遲離站時(shí)間統(tǒng)計(jì)歸類分別如表4、表5所示。

表4 青島地鐵2號(hào)線各站的列車最早到站時(shí)間統(tǒng)計(jì)歸類

表5 青島地鐵2號(hào)線各站的列車最遲離站時(shí)間統(tǒng)計(jì)歸類

2.2 照明系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行時(shí)間表制定

通過查閱青島市的日出日落時(shí)刻得出，2號(hào)線東段所有車站所在區(qū)域的日出日落時(shí)刻相差不超過1 min。此外通過觀察得出，天氣良好的情況下，天亮?xí)r刻比日出時(shí)刻通常早25 min，天黑時(shí)刻比日落時(shí)刻通常晚25 min；日出前10 min和日落后10 min，天空亮度均可滿足乘客進(jìn)出站的亮度需求。同時(shí)為給站內(nèi)人員提供巡查車站相關(guān)照明設(shè)備設(shè)施時(shí)間和運(yùn)營(yíng)前/后準(zhǔn)備時(shí)間，需提前/延后約30 min開啟/關(guān)閉車站照明。綜合以上所有要求和條件，并結(jié)合各站列車最早到站時(shí)間和最遲離站時(shí)間統(tǒng)計(jì)歸類表，精細(xì)化制定了照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表。其中冬天某個(gè)典型時(shí)間段的照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間如表6所示。

由表6與表2相比較可知，車站照明關(guān)閉時(shí)間(即夜間停運(yùn)模式時(shí)間)比之前延長(zhǎng)10 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min的車站分別有2個(gè)、2個(gè)、2個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、1個(gè)，合計(jì)總延長(zhǎng)關(guān)閉時(shí)間為730 min，相當(dāng)于每天節(jié)省了一個(gè)車站三分之二的照明能耗。

表6 青島地鐵2號(hào)線冬天(1月1日至2月5日)某個(gè)典型時(shí)間段的照明系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行時(shí)間表

2.3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行時(shí)間表制定

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間與車站環(huán)境密切相關(guān)，需著重考慮車站的空氣新鮮度和舒適度，下面就車站大系統(tǒng)和隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表的精細(xì)化制定進(jìn)行分別介紹。

2.3.1 車站大系統(tǒng)

2.3.1.1 車站公共區(qū)一次換氣時(shí)間計(jì)算

2號(hào)線典型車站的大系統(tǒng)采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，由空調(diào)新風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)機(jī)組、回/排風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)等設(shè)備以及相關(guān)的輔助設(shè)備組成。有關(guān)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)為：組合式空調(diào)機(jī)組(AHU)A、B端各1臺(tái)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為65 000 m3/h，功率為22 kW；回/排風(fēng)機(jī)(RAF-101、201)A、B端各1臺(tái)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為48 000 m3/h，功率為15 kW。

通過查閱設(shè)計(jì)資料得知，2號(hào)線某車站站廳層公共區(qū)面積為1 651 m2，站臺(tái)層公共區(qū)面積為1 205 m2；另一車站站廳層公共區(qū)面積為1 592.4 m2，站臺(tái)層公共區(qū)面積為956 m2。為考慮通風(fēng)余量，將每個(gè)站的站廳層公共區(qū)面積按1 700 m2計(jì)算，站臺(tái)層公共區(qū)面積按1 250 m2計(jì)算。層高按裝修高度計(jì)算，其中站廳層層高為3.3 m，站臺(tái)層層高為3.0 m。據(jù)此計(jì)算車站公共區(qū)空間體積V公共區(qū)=9 360 m3，考慮到通風(fēng)余量，將車站公共區(qū)空間按9 500 m3計(jì)算。車站大系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，送風(fēng)量明顯大于排風(fēng)量，故按送風(fēng)量計(jì)算換氣時(shí)間。車站大系統(tǒng)風(fēng)機(jī)50 Hz頻率運(yùn)行時(shí)，按送風(fēng)量Q送計(jì)算一次換氣時(shí)間t=V公共區(qū)/Q送=263.1 s，約4.4 min；車站大系統(tǒng)風(fēng)機(jī)30 Hz頻率運(yùn)行時(shí)，則t=438.5 s，約7.3 min。因此，風(fēng)機(jī)按50 Hz頻率運(yùn)行時(shí)，車站公共區(qū)換一次新風(fēng)大約需5 min，若計(jì)算風(fēng)道存風(fēng)量，車站公共區(qū)換一次新風(fēng)大約需6 min；風(fēng)機(jī)按30 Hz頻率運(yùn)行時(shí)，車站公共區(qū)換一次新風(fēng)大約需8 min，若計(jì)算風(fēng)道存風(fēng)量，車站公共區(qū)換一次新風(fēng)大約需9 min。

2.3.1.2 車站大系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行時(shí)間表

在過渡季階段，應(yīng)保證剛開始運(yùn)營(yíng)時(shí)能完成一次換氣，因此大系統(tǒng)須在首班車到站前10 min開啟通風(fēng)，運(yùn)營(yíng)結(jié)束后停止通風(fēng)即可；在空調(diào)季階段，7:00左右人流量開始進(jìn)入高峰期，根據(jù)青島氣候特點(diǎn),6:30之前保持正常通風(fēng)、6:30之后開啟冷水機(jī)組即可[5]，運(yùn)營(yíng)結(jié)束時(shí)提前10 min關(guān)停冷水機(jī)組即可；在冬季階段,可以采取間歇性通風(fēng)的方式，所有車站在早晚高峰時(shí)段及中午時(shí)段(7:00-9:00、12:00-15:00、17:00-19:00)運(yùn)行通風(fēng)模式，其余時(shí)間運(yùn)行停運(yùn)模式。據(jù)此制定的大系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行時(shí)間如表7所示。

表7 青島地鐵2號(hào)線車站大系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行時(shí)間表

由表7與表1相比較可知，車站大系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間比之前延長(zhǎng)10 min、20 min、30 min、40 min的車站分別有2個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、1個(gè)，縮短10 min、20 min的車站分別各有2個(gè)，合計(jì)總延長(zhǎng)停運(yùn)時(shí)間為230 min，相當(dāng)于每天節(jié)省了1個(gè)車站四分之一的大系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

2.3.2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)

2.3.2.1 區(qū)間隧道一次換氣時(shí)間計(jì)算

2號(hào)線區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)由隧道風(fēng)機(jī)、軌道排風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī)等設(shè)備以及相關(guān)的輔助設(shè)備組成。其中，軌道排風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī)不參與早晚隧道通風(fēng)，不納入計(jì)算范圍。隧道風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)為：隧道風(fēng)機(jī)(TVF)A、B端各2臺(tái)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為60 m3/s，功率為90 kW，可正反轉(zhuǎn)變頻運(yùn)行。

通過查閱設(shè)計(jì)資料得知，某區(qū)間1、區(qū)間2、區(qū)間3、區(qū)間4分別為馬蹄形隧道、圓形隧道、馬蹄形隧道、馬蹄形隧道，半徑分別為2.6 m、2.7 m、2.6 m、2.6 m，區(qū)間長(zhǎng)度分別為610 m、915 m、760 m、850 m。為計(jì)算方便，區(qū)間隧道橫截面積統(tǒng)一按圓形計(jì)算。利用上述參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，圓形區(qū)間隧道橫截面積為21.24 m2，馬蹄形區(qū)間隧道橫截面積為22.90 m2，為考慮通風(fēng)余量，將區(qū)間隧道橫截面積近似取值為23 m2。按較長(zhǎng)區(qū)間計(jì)算區(qū)間隧道空間，選取區(qū)間2以及區(qū)間2至區(qū)間4(連續(xù)3個(gè)區(qū)間)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為：區(qū)間2隧道空間體積V區(qū)間2=21 045 m3；區(qū)間2至區(qū)間4隧道空間體積V區(qū)間2～4=61 433 m3。當(dāng)每個(gè)車站4臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)正常開啟時(shí)，區(qū)間風(fēng)量Q隧基本在57～59 m3/s之間；關(guān)閉連續(xù)2個(gè)車站所有隧道風(fēng)機(jī)時(shí)，此區(qū)間風(fēng)量Q隧1基本在50～55 m3/s之間[5]，取最小區(qū)間風(fēng)量值對(duì)上述區(qū)間的一次換氣時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為：區(qū)間一次換氣時(shí)間t區(qū)間2=V區(qū)間2/Q隧≈369.2 s，約6.2 min；區(qū)間2至區(qū)間4一次換氣時(shí)間t區(qū)間2～4=V區(qū)間2～4/Q隧1=1 228.66 s，約20.5 min。由上述計(jì)算結(jié)果可知，單個(gè)區(qū)間一次換氣可在7 min內(nèi)完成，長(zhǎng)區(qū)間(連續(xù)3個(gè)區(qū)間)一次換氣時(shí)間可在25 min內(nèi)完成。

2.3.2.2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行時(shí)間表

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)區(qū)間隧道早晚通風(fēng)情況并未做具體要求，只明確區(qū)間隧道內(nèi)二氧化碳的日平均濃度應(yīng)小于1.5‰，區(qū)間隧道內(nèi)的溫度應(yīng)在5～40 ℃之間。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)早晚通風(fēng)的主要作用總結(jié)如下：利用室外空氣對(duì)地鐵隧道進(jìn)行預(yù)冷卻和通風(fēng)，排除隧道內(nèi)的余熱和相關(guān)污染物；同時(shí)還可以檢查隧道風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥等設(shè)備的運(yùn)行狀況，確保區(qū)間發(fā)生火災(zāi)、阻塞事故時(shí)能及時(shí)投用[6]。結(jié)合2號(hào)線區(qū)間隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)可得出，在地鐵運(yùn)營(yíng)初期隧道通風(fēng)換氣一次即可滿足上述要求。

區(qū)間隧道早晚通風(fēng)的常規(guī)做法是，每個(gè)站均開啟所有隧道風(fēng)機(jī)，相鄰車站分別采取送風(fēng)、排風(fēng)模式間隔運(yùn)行，形成推挽式的區(qū)間隧道通風(fēng)，如圖1所示。若考慮節(jié)能或減少噪聲等因素，還可采取隔站開啟隧道風(fēng)機(jī)的模式，如圖2所示[6-7]。其缺點(diǎn)是若一個(gè)區(qū)間有環(huán)境問題則可能影響到相鄰區(qū)間。隔站開啟模式下，運(yùn)行與停機(jī)的相關(guān)各站應(yīng)在相同間隔時(shí)間里依次輪流更換狀態(tài)模式，保證各站在每個(gè)周期(通常為一個(gè)月)內(nèi)均開機(jī)運(yùn)行過。此外可根據(jù)環(huán)網(wǎng)供電分區(qū)將車站劃分為不同的大組，每個(gè)大組里相鄰的兩個(gè)車站為一小組，各個(gè)小組依次間隔30～60 s開啟隧道風(fēng)機(jī)，以減少啟動(dòng)時(shí)的線損。

圖1 地鐵隧道早晚通風(fēng)各站隧道風(fēng)機(jī)均開啟的通風(fēng)模式

圖2 地鐵隧道早晚通風(fēng)隧道風(fēng)機(jī)隔站開啟的通風(fēng)模式

考慮到青島市靠近海邊，整體濕度較大，地鐵隧道通風(fēng)時(shí)間越長(zhǎng)，越會(huì)加重地鐵隧道相關(guān)設(shè)備的腐蝕程度，因此應(yīng)盡量縮短地鐵隧道通風(fēng)時(shí)間(或取消夜間地鐵隧道通風(fēng)，只保留運(yùn)營(yíng)前地鐵隧道通風(fēng))。此外，考慮到夏天通風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)會(huì)使地鐵隧道內(nèi)溫度上升，冬天通風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)則可能會(huì)使地鐵隧道內(nèi)溫度過低，因此在夏冬季節(jié)也應(yīng)適當(dāng)縮短地鐵隧道通風(fēng)時(shí)間。據(jù)此制定的精細(xì)化隧道通風(fēng)時(shí)間表如表8所示。

由表8與表1相比較可知，隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，每天可節(jié)省一半以上的隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗，節(jié)能效果顯著。

表8 青島地鐵2號(hào)線隧道通風(fēng)系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行時(shí)間表

3 運(yùn)行時(shí)間表優(yōu)化前后能耗對(duì)比分析

以過渡季典型日為例，青島地鐵2號(hào)線原時(shí)間表與精細(xì)化時(shí)間表下的總運(yùn)營(yíng)能耗，以及牽引、動(dòng)力及照明、線損、其他三方面的能耗及占比如表9所示。由表9可知，每天全線在動(dòng)力及照明方面可節(jié)約能耗約4 000 kWh。實(shí)踐證明，運(yùn)營(yíng)初期的精細(xì)化時(shí)間表運(yùn)行效果良好，節(jié)能效果明顯。此外，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期時(shí)的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表還需做持續(xù)的深入研究。

表9 青島地鐵2號(hào)線原時(shí)間表與精細(xì)化時(shí)間表下的單日能耗對(duì)比表

4 結(jié)語

機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間表是自動(dòng)控制技術(shù)在地鐵相關(guān)系統(tǒng)控制中的重要體現(xiàn)，其可替代車站人員每天的重復(fù)開關(guān)操作。制定合理、科學(xué)、精細(xì)的運(yùn)行時(shí)間表，不僅有利于地鐵相關(guān)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的合理運(yùn)行，還可達(dá)到良好的節(jié)能效果。本文根據(jù)青島地鐵2號(hào)線的相關(guān)設(shè)備參數(shù)、車站和隧道空間參數(shù)、運(yùn)營(yíng)首末班車時(shí)間等，并結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和一次通風(fēng)時(shí)間等計(jì)算結(jié)果，在滿足運(yùn)營(yíng)要求的條件下，制定了精細(xì)化、節(jié)能化的照明系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表。該時(shí)間表既可滿足各站的運(yùn)營(yíng)需求，又可避免不必要的電能浪費(fèi)，有效降低全線的照明用電、動(dòng)力用電等。