重慶軌道交通六號線行車組織節(jié)能方法探討

■ 王學貴

1 節(jié)能的意義及必要性

節(jié)能在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中有著重要的戰(zhàn)略地位，必須堅持“能源節(jié)約與開發(fā)并舉，把節(jié)約能源放在首位”的指導思想。為了能盡量吸引旅客選擇乘坐軌道交通系統(tǒng)，必須做到“安全、舒適、快捷、準點”，著重體現(xiàn)“以人為本”、服務乘客的思想，所以在軌道交通系統(tǒng)中配備大量滿足運營安全、快捷、準點要求和滿足旅客舒適性要求的設備系統(tǒng)。這些設備系統(tǒng)有的部分是軌道交通系統(tǒng)所必不可少的（如車輛、供電、信號、通信等），但有的部分主要是為了方便旅客，更好地服務于乘客為目的（如扶梯/電梯、空調(diào)、照明等）。根據(jù)重慶市軌道交通的實際環(huán)境情況，在這些設備系統(tǒng)中，直接服務于乘客、為乘客提供良好的乘車環(huán)境及方便乘客乘車的一些設施往往也是能耗較大的設備（特別是空調(diào)系統(tǒng)、電扶梯等）。因此在滿足運營需要的基礎上，重慶軌道交通六號線的設計工作必須考慮盡量減少這些設備的能耗，合理確定服務水平，將節(jié)能的總要求貫徹在設計工作中，確定與節(jié)能有關的技術原則，根據(jù)設備系統(tǒng)運行模式提出合理的運營方案，這對今后的運營節(jié)能具有重大意義。

除合理考慮設備系統(tǒng)的運行方式或采用新技術節(jié)能外，必須在總體設計思路和設計原則上重視節(jié)能、考慮節(jié)能措施顯得更為重要。故在條件容許的情況下，如果能縮小車站規(guī)模，或采用地面、高架線路和車站，或采用半敞開式區(qū)間線路，盡量利用自然通風和照明，尤其是線路專業(yè)與行車專業(yè)密切配合，不斷優(yōu)化平縱斷面設計，在工程條件許可下盡量將區(qū)間設計為節(jié)能坡，在工程建設投資增加不多的情況下，對今后運營中實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能具有深遠意義。

2 城市軌道交通能耗構成和狀況

根據(jù)城市軌道交通用電設備構成及特性，電能消耗主要由3部分構成：（1）電動車輛及其輔助設備所消耗的牽引用電負荷電能；（2）動力照明設備所消耗動力照明負荷電能；（3）為牽引和動力照明負荷提供電能的供電系統(tǒng)設備、線路的電能損耗。

在軌道交通系統(tǒng)的總用電量中，牽引用電量將占很大部分（約1/2）。牽引用電量的大小與車輛電動機功率大小、列車編組重量、車輛控制方式、車內(nèi)設備（有無空調(diào)、電熱）及線路平面、縱斷面等因素有關。

動力用電和照明用電量約占系統(tǒng)用電量的1/2，包括車站通風空調(diào)、給排水、自動扶梯、自動售檢票、通信、信號、照明、廣告、取暖、維修機具等用電量。

以上分析可以看出，列車的牽引用電量在軌道交通系統(tǒng)中占能耗比例最大。影響能耗指標的因素很多，為使重慶軌道交通六號線的能耗指標符合國家有關現(xiàn)行標準，在認真貫徹節(jié)能設計理念的基礎上，從本專業(yè)的角度分析線路運營后降低能耗的措施和方法，并提出應對措施。

3 行車組織節(jié)能途徑分析

軌道交通的節(jié)能需要在車輛和機電設備等方面綜合分析，在設計時必須全面考慮節(jié)能措施，采取綜合治理，才能收到實效。

在研究設計階段，行車組織應配合線路專業(yè)進行線路平縱斷面的優(yōu)化設計，通過反復的模擬牽引計算使縱斷面設計在條件允許的情況下基本實現(xiàn)節(jié)能坡的設計要求，在每個區(qū)間內(nèi)盡量縮短牽引時間，實現(xiàn)列車牽引能耗最低的目標。這屬于基礎性的節(jié)能措施，應在設計階段充分考慮。

在線路平縱斷面、列車編組及車輛技術參數(shù)確定的條件下，機電設備的能耗將很難降低，節(jié)能的主要任務集中在行車組織方面，目前可采取的節(jié)能途徑主要有3種。

3.1 在保持服務水平不變情況下的節(jié)能

一般來講，在高峰小時列車滿載率高，客流主要以上班、上學等客流為主，乘客大都有快速到達的心理要求，因此通常按節(jié)時模式進行牽引。但在非高峰時段，主要以購物及日常出行需求的乘客為主，在保證服務水平不變（即行車間隔不變）的情況下，采用節(jié)能的牽引模式實現(xiàn)牽引能耗的節(jié)省是非常有益和必要的，也是目前多數(shù)運營公司運用較多的節(jié)能手段。采用該方式實現(xiàn)節(jié)能的缺點是增加區(qū)間運行時間，降低旅行速度。

以蔡家—茶園南段為例（僅列典型區(qū)間），分析比較節(jié)時和節(jié)能2種牽引模式（見圖1—圖4）。

采用節(jié)時模式牽引時，為了追求高速度，當列車運行速度低于最高運行速度約10～20 km/h時，如果出現(xiàn)上坡或下坡動能不足時需要進行再次牽引，因此在一個區(qū)間內(nèi)可能出現(xiàn)多次牽引的情況，這種牽引模式往往會降低乘客的舒適度。在實際列車運行時為了避免一個區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)多次牽引，一般采用巡航運行模式，增加列車運行的平穩(wěn)性，提高乘客舒適度。采用巡航運行模式在運行時分和牽引耗電量方面基本與節(jié)時牽引模式相同，因此，這里不再對巡航運行模式進行比較。

采用節(jié)能模式牽引時，列車將最大限度地利用自身動能或可能產(chǎn)生的下坡動能，直到運行速度低于某一設定值時才開始再次牽引，盡量減少牽引次數(shù)，完成區(qū)間牽引任務，實現(xiàn)降低能耗的目的。

2種牽引模式牽引耗電量和運行時分（不含停站時分）比較見表1。

圖1 長大區(qū)間節(jié)時模式模擬計算牽引圖

圖2 長大區(qū)間節(jié)能模式模擬計算牽引圖

圖3 一般區(qū)間節(jié)時模式模擬計算牽引圖

圖4 一般區(qū)間節(jié)能模式模擬計算牽引圖

表1 2種牽引模式牽引耗電量和運行時分比較表

從表1可以看出，采用節(jié)能模式時，較節(jié)時模式茶園南—蔡家段運行時間增加4.1 min，而耗電量節(jié)省196.0 kW·h；蔡家—茶園南段運行時間增加1.8 min，而耗電量節(jié)省225.6 kW·h。

3.2 在滿足運能需求情況下的節(jié)能

從目前我國各大城市地鐵運營現(xiàn)狀看，雖然在設計時都考慮了在高峰小時大小交路套跑模式，但在實際運營過程中采用較少。雖然在上海等城市也嘗試采用大小交路運行方式，但全線采用一個交路的簡單運營方式更為廣泛。

茶園南—蔡家段初、近、遠期均設計一個交路，但預留小交路折返條件。在滿足高峰小時運能需求的前提下，開行小交路可大大節(jié)省牽引耗電量。因此隨著運營管理水平的不斷提高，可充分利用預留的折返設施，在高峰時段組織開行小交路，實現(xiàn)節(jié)能目的。采用該方式實現(xiàn)節(jié)能雖然可用滿足運能需求，但會降低不開行小交路區(qū)段的服務水平。

以茶園南—蔡家段為例，近期早晚高峰小時全線按只運行一個交路和大小2個交路計算，交路圖分別見圖5、圖6?；景捶账较嗤M行比較，大小交路考慮開行比例的需要多開行4對列車，2種交路早高峰小時開行對數(shù)見表2，2種運行交路牽引耗電量比較見表3。從表3可以看出，在滿足運能需求的情況下，僅一天內(nèi)因高峰小時開行小交路在茶園南—蔡家段可節(jié)省耗電量2 898 kW·h，在蔡家—茶園南段可節(jié)省耗電量6 552 kW·h。

3.3 提高再生制動能量利用技術，利用再生制動能量節(jié)能

圖5 單一交路

圖6 大小交路

表2 近期2種交路高峰列車開行對數(shù) 對

表3 近期高峰2種運行交路牽引耗電量比較表

目前城市軌道交通車輛普遍采用以再生制動為主、空氣制動為輔的制動方式。軌道交通線路站間距離短，列車制動頻繁，使制動產(chǎn)生的能量占總牽引耗電量的25%以上。在沒有再生能量利用裝置時，這些能量都將通過制動電阻轉(zhuǎn)化為熱能損失掉，不僅對周邊環(huán)境或隧道產(chǎn)生熱能釋放或熱效應積累，也不利于能量的循環(huán)利用和環(huán)境保護。

隨著再生制動能量利用技術的不斷提高和完善，充分利用再生制動能量是行車組織節(jié)能的最有效途徑。利用該方式節(jié)能可以克服上述2種途徑帶來的缺點，在運行速度快、服務水平高的條件下實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。尤其是隨著行車密度的提高，列車制動時的再生電能可以更多地被處于啟動狀態(tài)的列車吸收和利用，列車再生制動能量的利用率也將不斷提高。再生制動能量及利用效果分析（以節(jié)能牽引模式為例）見表4。

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表4 再生制動能量及利用效果分析表

從表4可用看出，再生制動能力巨大，約占總牽引能耗的25%～30%，如果再生制動能量僅利用20%，也可使茶園南—蔡家段的牽引耗電量由858.8 kW·h降低到815.3 kW·h，蔡家—茶園南段由745.6 kW·h降低到698.8 kW·h。

4 結(jié)束語

行車組織節(jié)能是一個系統(tǒng)工程，不僅對線路縱斷面設計有較高要求，還對車輛性能、通風空調(diào)、車站建筑等方面提出了滿足運營條件下盡量節(jié)能的設計要求，以便達到系統(tǒng)節(jié)能的目的。

就行車組織專業(yè)來講，在運營階段可以根據(jù)不同時段的客流需求，采用不同的列車運行模式。但從長遠和能源利用效率看，再生制動能量利用潛力巨大。大力發(fā)展再生制動能量利用技術是行車組織節(jié)能的關鍵。

除再生制動能量利用外，其他行車組織的節(jié)能方法總有或多或少的缺陷。再生制動能量利用不僅能大大節(jié)約能源消耗，而且科學環(huán)保。目前利用該方式節(jié)能的最大障礙是我國技術不夠成熟，進口的再生制動裝置造價昂貴。北京地鐵五號線的14座牽引變電所均預留了安裝再生制動裝置的條件，但目前僅安裝了4套試運行，每套裝置的采購價達到510多萬元。從現(xiàn)場運行情況看，在改善牽引網(wǎng)供電質(zhì)量、能量利用效果等方面效果良好，基本達到設計要求。

隨著再生制動能量利用技術的不斷完善，再生制動能量吸收裝置國產(chǎn)化程度的提高，該裝置的購置價格將大大降低，相信在不久的將來再生制動能量吸收技術將在地鐵系統(tǒng)廣泛采用，成為地鐵運營后的最佳節(jié)能措施。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司. 重慶市軌道交通六號線工程可行性研究[R]，2007