武漢北編組站燈橋燈塔節(jié)能改造可行性分析及建議

段建國， 羅學(xué)平， 郭金彪， 金睿， 陸中玏

（中國鐵路武漢局集團有限公司，湖北武漢430071）

0 引言

武漢北編組站地處京廣鐵路在滬漢蓉沿江經(jīng)濟帶的武漢市境內(nèi)，是我國一次性整體建成的亞洲規(guī)模最大、現(xiàn)代化程度最高的編組站，是全國主要路網(wǎng)性編組站之一［1-2］。武漢北編組站承擔(dān)著繁重的解體、編組任務(wù)，對照明設(shè)備的要求極高，但現(xiàn)有照明設(shè)備老化嚴(yán)重、故障頻發(fā)、耗能較大。因此，開展武漢北編組站燈橋燈塔節(jié)能改造具有良好的綜合效益和遠(yuǎn)期示范效益，可為其他編組站、車站的燈橋燈塔節(jié)能改造提供借鑒。

1 編組站概況及節(jié)能改造方案

1.1 基本情況

2009年5月18日，武漢北編組站正式投入使用，改變了原來華中地區(qū)路網(wǎng)能力限制而產(chǎn)生的不合理運輸組織方式，保證了武漢鐵路樞紐運輸?shù)臅惩ǎ?］。武漢北編組站，三級七場規(guī)模，負(fù)責(zé)江村、株洲北等12 個方向的直達(dá)、直通列車集結(jié)、編組任務(wù)，同時也負(fù)責(zé)管內(nèi)武昌東、鐵山等7個方向的區(qū)段及小運轉(zhuǎn)列車集結(jié)、編組任務(wù)（見圖1）。全站日均解體、編組能力為178、171 列，辦理能力日均25364 輛。2018年日均解體、編組分別是115、116列，辦理車18074輛。

1.2 照明設(shè)備現(xiàn)狀

調(diào)車工作對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的照明有很高的要求。武漢北編組站內(nèi)燈橋燈塔燈具為高壓鈉燈，共有1052 盞，采用“遠(yuǎn)程控制+時間控制”系統(tǒng)管理模式。編組站燈橋燈塔燈具自開通運行至今，已服役11年，期間未對燈具進(jìn)行過整體檢修更換，僅零星替換部分燈具及易損件。

（1）設(shè)備故障。目前，在武漢北編組站燈橋燈塔1052 盞燈具中，已有417 盞無法正常照明，故障率高達(dá)39.6%（為保障作業(yè)安全，對照度不夠的點位，已將其中108 盞零星更換為200 W 的LED 節(jié)能燈），剩余正在使用的635 盞燈具，使用時間也已遠(yuǎn)超7年質(zhì)保期。燈具損壞及老化帶來站場照明不均問題，導(dǎo)致站場行車及作業(yè)安全存在隱患。

（2）設(shè)備能耗。武漢北編組站現(xiàn)有額定功率400 W的高壓鈉燈944 盞（另外108 盞為零星更換的200 W 的LED 節(jié)能燈），高壓鈉燈年用電量約181.93 萬kW·h，年用電費約178.29萬元（電費單價0.98元/（kW·h）），占編組站總電費支出的71%，燈具用電成本居高不下。

（3）設(shè)備管理。武漢北編組站燈橋燈塔燈具開關(guān)采用的“遠(yuǎn)程控制+時間控制”系統(tǒng)管理模式，存在無法根據(jù)季節(jié)、天氣狀況變化準(zhǔn)確調(diào)整開關(guān)燈時間的問題，出錯率高，存在安全隱患，且高度依賴人工管理，成本支出較大。

1.3 節(jié)能改造方案

TB 10089—2015《鐵路照明設(shè)計規(guī)范》第3.2.1 條：鐵路照明光源選擇應(yīng)根據(jù)不同場所的特點，在滿足照明的顯色性、色溫、啟動時間和再啟動時間等要求條件下，結(jié)合光源、燈具及鎮(zhèn)流器的效率、光通量維持率、壽命和價格進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟分析比較后確定［4］。根據(jù)武漢北編組站燈具目前存在的問題，綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟因素后，提出以下節(jié)能改造方案：

（1）使用LED 節(jié)能燈替換高壓鈉燈。大功率LED節(jié)能燈在安裝時，不改變原有燈橋燈塔的電路原狀，使用原有的接地裝置，只要換上燈具即可，且功率比原有的金鹵燈或高壓鈉燈小，不會產(chǎn)生原有設(shè)備設(shè)施超負(fù)荷的問題。大功率LED 節(jié)能燈主體材料是金屬導(dǎo)電材料且同時接地，不會產(chǎn)生靜電干擾［5］。因此，現(xiàn)有基礎(chǔ)條件支持使用LED 節(jié)能燈替換高壓鈉燈。

（2）采用“光控+遠(yuǎn)程智能監(jiān)控”模式替換現(xiàn)有的“遠(yuǎn)程控制+時間控制”管理模式。通過論證，既有編組站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和供電段的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)支持實現(xiàn)模式替換。

2 燈具技術(shù)、成本分析

以光源功率400 W的高壓鈉燈與200 W的LED節(jié)能燈為例，從技術(shù)指標(biāo)和綜合成本2個方面對節(jié)能改造方案采用燈具和現(xiàn)有燈具進(jìn)行對比分析。

2.1 技術(shù)指標(biāo)對比

LED節(jié)能燈作為第4代照明光源，在照明領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，已逐漸成為全球最熱門、最受矚目的光源［6］。LED 節(jié)能燈已在鐵路站房、站場、隧道、橋梁等場所照明中得到了廣泛應(yīng)用，其本身的安全性已在實際應(yīng)用中得到了驗證。高壓鈉燈和LED 節(jié)能燈光源參數(shù)（來源：主流燈具廠商技術(shù)規(guī)格書）及特性對比見表1。

表1 高壓鈉燈和LED節(jié)能燈光源參數(shù)及特性對比

照度測試方法：以垂直于光源的方向為照度測量面，沿股道方向布點，分為水平和垂直股道方向放置照度計，測試結(jié)果的最大值作為最大照度值；以平行于燈橋方向，等間距測量照度來計算照度均勻度（開燈后2 h 左右進(jìn)行測量）［7］?，F(xiàn)場測試2000 m2平均照度，LED 節(jié)能燈照度更高，照明效果更好。LED 節(jié)能燈在更換后不存在明顯光感變化，對整體平均照度影響更小，整體觀感更統(tǒng)一。

燈具炫光值與均勻度與光源關(guān)系不大，主要由燈具設(shè)計、配光曲線及燈具布置方案確定。TB 10089—2015 表4.5.3 中規(guī)定：編發(fā)場駝峰頂50～60 m 范圍、編發(fā)場道岔區(qū)首端，照度均勻度不低于0.25，炫光值不大于50；存輪場、客車整備線、機車整備臺位、列檢作業(yè)場所、轉(zhuǎn)車盤等場所照度均勻度不低于0.25，炫光值不大于45。本次燈具更換燈具布置間距不變，高壓鈉燈更換為LED 燈具后，照明均勻度及炫光值滿足規(guī)范設(shè)計要求。

通過對比說明：LED 節(jié)能燈額定功率較小、耗電量小，額外損耗比鈉燈低、更節(jié)能，光衰（減）更小、照明運行成本更低，故障率更低，相同功率相比LED節(jié)能燈光通量更高、平均使用壽命更長。在符合TB 10089—2015 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，LED 節(jié)能燈在技術(shù)指標(biāo)上全面優(yōu)于高壓鈉燈，使用LED 節(jié)能燈替換高壓鈉燈可顯著提升編組站照明水平，節(jié)能效果明顯，且具有較好的霧天穿透性［7］，可減少站場行車及作業(yè)安全隱患。

2.2 綜合成本對比

選取質(zhì)量、商譽、銷售業(yè)績等方面較好的3個品牌（品牌A、品牌B、品牌C），以某電商集采平臺價格為基準(zhǔn)，從采購成本、維修成本、用電成本3個方面進(jìn)行對比分析。

（1）采購成本：高壓鈉燈與LED 節(jié)能燈的平均價格分別為3146元和3865元。以編組站現(xiàn)有944盞高壓鈉燈計算，全部替換為LED 節(jié)能燈的采購成本為355.79 萬元，更換為新高壓鈉燈的采購成本為296.98萬元。

（2）維修成本：高壓鈉燈主要部件包含光源、鎮(zhèn)流器、觸發(fā)器、電容。目前，高壓鈉燈售后三包為7年，其中易損件售后三包為1年，1年后更換非常頻繁［8］。高壓鈉燈易損件費用按均價計算，光源為242 元、鎮(zhèn)流器678 元、觸發(fā)器140 元、電容器145 元，每年燈具易損件的往年平均損壞率為11.2%，考慮更換燈具人工費200元/盞，944盞高壓鈉燈易損件售后以外的6年更換維修成本約為89.13 萬元。LED 節(jié)能燈售后三包7年，廠家免費維修更換，維修成本為0。

（3）用電成本：根據(jù)武漢北編組站燈橋燈塔燈具照明時間設(shè)定，全年日均照明時間約12 h，附加10%電損，按電費單價0.98 元/（kW·h）計算，高壓鈉燈7年用電成本約為1248.02 萬元，LED 節(jié)能燈7年用電成本約為624.02萬元。

對比采購成本，購置LED 節(jié)能燈成本略高于高壓鈉燈，投入使用后長期維修成本和用電成本卻遠(yuǎn)低于高壓鈉燈。三者綜合對比，LED 節(jié)能燈替換高壓鈉燈7年共計可節(jié)約654.32萬元，平均每年綜合成本可節(jié)約93.47萬元，經(jīng)濟效益明顯（見表2）。

表2 7年綜合成本對比 萬元

3 方案實施

武漢北編組站面積大、作業(yè)量多，人員穿行平交道與股道頻繁，特別是夜間作業(yè)對燈橋燈塔燈具照明要求較高。盡管LED 節(jié)能燈在各項指標(biāo)上優(yōu)于高壓鈉燈，但是為了保證運輸生產(chǎn)及作業(yè)人員安全，本次節(jié)能改造方案實施采取“三步走”策略：

第1步：先進(jìn)行多種場景試驗，取得第三方檢測報告。選擇專業(yè)資質(zhì)強、聲譽良好的第三方檢測機構(gòu)，按照TB 10089—2015 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測試LED 節(jié)能燈與高壓鈉燈相關(guān)參數(shù)，并對試驗全程數(shù)據(jù)的真實性、可靠性負(fù)責(zé)。將測試數(shù)據(jù)與鐵路照明設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，出具具有法律效力的檢測報告。

選取作業(yè)任務(wù)相對較少的場區(qū)，將其中1座燈橋上2 排平行燈具中的1 排更換為A 品牌的LED 節(jié)能燈。分天氣狀態(tài)、時間段，對該座燈橋2 排燈具進(jìn)行對照試驗，對比光通量、光效、顯示指數(shù)、色溫、啟動時間、功率因數(shù)、電壓及溫度變化影響等參數(shù)數(shù)據(jù)，對LED節(jié)能燈和高壓鈉燈的性能進(jìn)行全方位對比。同理，換裝B品牌LED節(jié)能燈，進(jìn)行對比試驗。

第2步：走訪調(diào)研排除安全隱患，逐步全面替換現(xiàn)有燈具。選定武漢北編組站Ⅳ場燈橋作為測試區(qū)域，按照依法合規(guī)采購方式，選定A、B 兩種品牌，各采購LED 節(jié)能燈38 盞，安裝并進(jìn)行對照性試用。在試用1個季度后，采用問卷調(diào)查、座談訪問等多種形式，對武漢北編組站職工進(jìn)行調(diào)研，了解職工在LED 節(jié)能燈具使用中發(fā)現(xiàn)的問題，征詢職工對LED 節(jié)能燈具的接受度，確定LED 節(jié)能燈對現(xiàn)場作業(yè)安全有無風(fēng)險隱患。在充分調(diào)研確定職工接受度高并排除安全風(fēng)險隱患后，對武漢北編組站燈橋燈塔燈具等設(shè)備逐步進(jìn)行替換更新。第1階段對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ場燈橋燈塔燈具及附屬設(shè)備進(jìn)行更新，共計燈橋6 座，燈塔9 座，更換472 盞LED節(jié)能燈及附屬設(shè)備。第2階段更換Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ場燈橋燈塔燈具及附屬設(shè)備進(jìn)行更新，共計燈橋7座，燈塔10座，更換472盞LED節(jié)能燈及附屬設(shè)備。

第3步：復(fù)核照明檢測和節(jié)能效果，推廣至其他編組站。完成武漢北編組站的燈橋燈塔燈具及附屬設(shè)備更換后，對照明監(jiān)測和節(jié)能效果進(jìn)行復(fù)核，達(dá)到照明預(yù)期和節(jié)能效果后，按上述模式全面推廣至鐵路局集團公司其他編組站。當(dāng)前中國鐵路武漢局集團有限公司所有供電段管轄的編組站共有高壓鈉燈2170 盞，若全部替換為LED 節(jié)能燈，預(yù)計全年綜合成本可節(jié)約約204.92萬元。

4 管理維護(hù)模式

為徹底解決武漢北編組站所用的“遠(yuǎn)程控制+時間控制”系統(tǒng)管理模式存在燈具無法準(zhǔn)確根據(jù)季節(jié)、天氣狀況適時調(diào)整開關(guān)燈時間，且高度依賴人工管理，成本支出大，出錯率高等問題，將現(xiàn)有管理模式升級為“光控+遠(yuǎn)程智能監(jiān)控”式，即利用既有編組站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和武漢供電段的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，加裝智能電表，將監(jiān)控數(shù)據(jù)和圖像通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接入武漢供電段安全生產(chǎn)指揮中心，以實現(xiàn)智能化管理，最終實現(xiàn)無線抄表、智能監(jiān)控、遠(yuǎn)程指揮、實時維修?；诰幗M站內(nèi)既有燈橋燈塔控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，對編組站內(nèi)站場照明智能監(jiān)視及控制系統(tǒng)架構(gòu)方案進(jìn)行了重點研究，提出近期和遠(yuǎn)期的可行方案。

4.1 近期方案：基于電力遠(yuǎn)動通道方案

在近期，可采用基于電力遠(yuǎn)動通道方案，對13 座燈橋（含17 套照明控制箱，其中4 座超長燈橋各設(shè)置2套照明控制箱）、19 座燈塔（含19 套照明控制箱）進(jìn)行集中更換?；陔娏h(yuǎn)動通道方案系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。控制箱內(nèi)設(shè)置電力遠(yuǎn)動終端RTU并配置光時控制模塊。各控制箱內(nèi)的RTU 通過敷設(shè)光纖至就近10.0 kV/0.4 kV變電所接入電力遠(yuǎn)動通道。編組站設(shè)置站場照明智能監(jiān)視及控制主站（簡稱監(jiān)控主站），通過視頻監(jiān)控改造工程設(shè)置的視頻監(jiān)控復(fù)示終端實現(xiàn)對燈橋燈塔狀態(tài)的實時監(jiān)視。監(jiān)視主站將燈橋燈塔監(jiān)視及控制信息接入武漢供電段安全生產(chǎn)指揮中心，與擬建的燈橋、燈塔照明遠(yuǎn)程抄表及節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行功能組合，最終實現(xiàn)編組站內(nèi)燈橋、燈塔照明光時自動控制、編組站就地級控制及供電段級集中控制。

圖2 基于電力遠(yuǎn)動通道方案系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 遠(yuǎn)期方案：基于無線公網(wǎng)通道方案

在遠(yuǎn)期，可采用基于無線公網(wǎng)通道方案，方案的燈橋燈塔照明控制箱數(shù)量及位置均與近期方案一致，對36套照明控制箱（13座燈橋內(nèi)含17套、19座燈塔內(nèi)含19 套）進(jìn)行集中更換，照明控制箱內(nèi)設(shè)置無線終端并配置光時控制模塊，無線終端具備公網(wǎng)通信接口，通過4G 公網(wǎng)通信通道實現(xiàn)監(jiān)視及控制數(shù)據(jù)上傳下發(fā)。編組站智能監(jiān)視及控制系統(tǒng)架構(gòu)與主要功能與近期方案一致，編組站智能監(jiān)視及控制系統(tǒng)至現(xiàn)場級無線終端及遠(yuǎn)方武漢供電段智能監(jiān)視及控制平臺間均設(shè)置公網(wǎng)無線通信接口?；跓o線公網(wǎng)通道方案系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

遠(yuǎn)期方案和近期方案均能實現(xiàn)通過監(jiān)視主站將燈橋燈塔控制及監(jiān)視信息接入武漢供電段安全生產(chǎn)指揮中心，與燈橋、燈塔照明遠(yuǎn)程抄表及節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行功能組合，最終實現(xiàn)編組站內(nèi)燈橋燈塔特殊點位開關(guān)燈數(shù)量及光強調(diào)控。遠(yuǎn)期方案與近期方案主要區(qū)別如下：

（1）遠(yuǎn)期方案通信通道均采用基于4G 公網(wǎng)的無線通道方案，近期方案采用的遠(yuǎn)動光纖傳輸通道。

圖3 基于無線公網(wǎng)通道方案架構(gòu)圖

（2）遠(yuǎn)期方案現(xiàn)場照明控制箱監(jiān)控數(shù)據(jù)，不經(jīng)過站場低壓變電所匯聚，直接點對點傳輸至編組站智能監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

武漢北編組站燈橋燈塔節(jié)能改造以問題為導(dǎo)向，從技術(shù)指標(biāo)、綜合成本、方案實施和控制管理方面進(jìn)行綜合考慮，采用更為經(jīng)濟節(jié)能的LED 照明燈具，大幅降低了電能消耗和電費支出。改造后燈具壽命、照明經(jīng)濟效益、安全性及未來運營管控等方面較現(xiàn)狀均得到提升。

在深入貫徹落實習(xí)近平生態(tài)文明思想的時代背景下，認(rèn)真落實中國國家鐵路集團有限公司2020年節(jié)支降耗要求，武漢北編組站在照明設(shè)備節(jié)能改造方面的研究與探索具有十分重要的意義：

（1）武漢北編組站照明設(shè)備的成功改造，可為其他編組站、車站提供借鑒和參考，大幅提升節(jié)能改造效果，精準(zhǔn)實現(xiàn)節(jié)支降耗目標(biāo)。

（2）通過此次照明設(shè)備節(jié)能改造的逐步推廣與應(yīng)用，編組站照明能耗量將持續(xù)降低，并在較大程度上減少鐵路非牽引耗電量，促進(jìn)鐵路整體能效水平的提升。

（3）在踐行“交通強國、鐵路先行”的發(fā)展理念背景下，構(gòu)建經(jīng)濟、高效、節(jié)能的照明系統(tǒng)能夠有效提升鐵路綠色發(fā)展水平，在一定程度上擴大鐵路在“綠色高效”方面的比較優(yōu)勢，體現(xiàn)鐵路構(gòu)建“綠色交通運輸體系”、建設(shè)“交通強國”的使命與擔(dān)當(dāng)［9-10］。