地鐵節(jié)能措施中牽引能耗和電扶梯設(shè)備能耗分析

李 淵,王英龍

（呼和浩特市地鐵運(yùn)營有限公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

0 引言

從運(yùn)營能耗分析，地鐵能耗主要分布在牽引系統(tǒng)（列車牽引及照明等，占40%~48%）、動力照明設(shè)備（空調(diào)通風(fēng)、照明、電扶梯、給排水等，占44%~62%）、弱電系統(tǒng)（通信、信號、消防及智能樓宇等，占2%~4%）及其他方面。其中牽引能耗加電扶梯的能耗占將近60%的比例，該文根據(jù)疫情期間通過調(diào)整列車間隔和調(diào)整電扶梯運(yùn)行的數(shù)量來分析在不影響運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量的前提下可執(zhí)行節(jié)能的可行性途徑分析。

呼和浩特地鐵目前在運(yùn)營線路2條，共計運(yùn)營里程為49.019 km。1號線路全長21.719 km，共有20個車站，其中3座高架站，1座地面站；2號線，線路全長27.3 km，共有24座車站，均為地下車站。兩條線均為列車6節(jié)編組，B型車，采用四動兩拖的動拖比，其中中間四節(jié)是動車，車頭和車尾兩節(jié)是拖車。拖車自重約為32 t，動車自重約為35 t。列車的最大牽引功率和最大制動功率約為7 MW。AW2工況下列車牽引曲線在約44 km/h時進(jìn)入恒功區(qū)，在52 km/h進(jìn)入自然特性區(qū)，最大牽引力約為340 kN，最大制動力約為320 kN。列車運(yùn)行時的最大制動功率在6 MW附近。

1 牽引供電系統(tǒng)對能耗影響的分析

1.1 牽引用電對能耗影響的分析

直流牽引供電系統(tǒng)是供電系統(tǒng)的最重要組成部分也是最重要的負(fù)荷。直流牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所、接觸網(wǎng)、軌道回流線電線以及列車組成。經(jīng)過主變電站初步降壓的交流電輸送到牽引變電所，牽引變電所再將交流電經(jīng)過整流變換成一定電壓的直流電輸送到接觸網(wǎng)上，供給列車牽引取流使用。通常為了檢修和運(yùn)營維護(hù)的方便，接觸網(wǎng)會在牽引變電所附近位置設(shè)置一個電分段，將接觸網(wǎng)隔離成若干個供電分區(qū)。牽引變電所引出的饋電線連接接觸網(wǎng)并向接觸網(wǎng)供電，其中牽引變電所只向一側(cè)供電區(qū)間供電稱為單邊供電，與左右兩側(cè)區(qū)間都有饋電線連接并向其供電稱為雙邊供電。目前建設(shè)的地鐵大多采用雙邊供電的方式，以提高牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

牽引變電所內(nèi)一般設(shè)有兩臺12脈波整流機(jī)組，正常情況下兩臺機(jī)組同時運(yùn)行，在一臺機(jī)組不能正常工作時，另一臺機(jī)組可以單獨(dú)工作，保證供電穩(wěn)定性。牽引變電所內(nèi)設(shè)有直流母線，兩臺整流機(jī)組整流后的電流正極接到直流正極母線，電流負(fù)極接入到直流負(fù)極母線。

隨著新型動能回收系統(tǒng)的投入運(yùn)行，目前新建設(shè)的地鐵牽引供電系統(tǒng)中普遍投入了中壓能饋系統(tǒng)，它的工作原理是將再生制動能量轉(zhuǎn)化為交流電，反饋到交流中壓電網(wǎng)中。逆變回饋型因其回收效率高，回饋參數(shù)調(diào)整靈活，而且可兼無功補(bǔ)償功能得到廣泛的應(yīng)用，這種方式與能量儲存型相比，不僅價格更加便宜，而且節(jié)能效果更加顯著。中壓能饋裝置的核心組成部分是三相PWM整流器，所以能饋裝置還可以工作在整流狀態(tài)和無功補(bǔ)償狀態(tài)，給列車提供牽引功率和補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功功率[1]。

采用逆變回饋型再生制動能量吸收裝置減少了閘瓦制動次數(shù)，減少了車輪、閘瓦的維護(hù)與更換費(fèi)用。該裝置的分布式無功補(bǔ)償功能提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)同時減少了能耗電阻配置并降低了地下通道內(nèi)的通風(fēng)散熱的要求，從而產(chǎn)生了一些間接經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 列車運(yùn)行方式對能耗的影響

1.2.1 單車駕駛策略能耗分析

列車從車站啟動到進(jìn)站停車一般需經(jīng)過牽引、巡航、惰行及制動等4個階段。如采取不同的單車駕駛策略，則列車牽引曲線不同，牽引能耗也有所差異。單車駕駛策略主要包括巡航速度及工況組合。

V巡是指列車在巡航階段勻速運(yùn)行的最高速度。研究表明，巡航速度越高，列車牽引能耗越大，兩者呈正相關(guān)的關(guān)系。以6輛編組B型車為例，當(dāng)V巡=120 km/h時，在長度為3 km某區(qū)間的列車牽引總能耗為73.2 kW·h，車千米能耗為4.07 kW·h，而相同線路狀態(tài)下V巡=80 km/h時，總能耗為39.3 kW·h，車千米能耗為1.99 kW·h[2]。

呼和浩特地鐵1、2號線提速的實(shí)例也充分說明了列車提速后對能耗的影響，具體的情況是：6月22日起，地鐵1、2號線同時提速，1號線旅行速度提高10%，單程運(yùn)行時間縮短3 min 56 s；2號線旅行速度提高4%，單程運(yùn)行時間縮短1 min 45 s。通過提升旅行速度，進(jìn)一步縮短了乘客出行時間，但隨之而來的是牽引能耗的上升。在運(yùn)營列車數(shù)不變的情況下，提速前后單日牽引電能增加8 519.4 kW·h。

1.2.2 列車運(yùn)行圖對能耗影響分析

運(yùn)行圖是全路行車指揮的基礎(chǔ)，可以控制列車區(qū)間運(yùn)行時間，調(diào)整發(fā)車間隔和停站時間，通過運(yùn)行圖，能夠方便地調(diào)整車與車之間的關(guān)系，從全線宏觀角度調(diào)整列車運(yùn)行策略，達(dá)到節(jié)能的目的。因此，將節(jié)能與運(yùn)行圖相結(jié)合，能夠更好發(fā)揮現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)的節(jié)能作用，降低城市軌道交通系統(tǒng)的能耗。

列車運(yùn)行圖受到線路數(shù)據(jù)、車輛、客流等影響，且在很大程度上反映著整個鐵路行車組織工作的水平。好的運(yùn)行圖，能達(dá)到運(yùn)能和能耗的平衡，不僅可以改善乘客服務(wù)，還能把成本和能耗降下來，

在編寫運(yùn)行圖時，應(yīng)該滿足以下要求：

1）應(yīng)該確保列車的安全；2）迅速、便利運(yùn)送乘客。即最大限度地為乘客提供方便的條件，完成運(yùn)輸任務(wù)；3）提高列車旅行速度，消除不必要的停留時間，充分利用通過能力，經(jīng)濟(jì)合理地運(yùn)用機(jī)車車輛；4）妥善安排施工計劃，保證維修和日常運(yùn)輸兩不誤；5）合理分析節(jié)假日及早晚高峰時間的客流量，適應(yīng)日常運(yùn)輸生產(chǎn)和列車運(yùn)行秩序變化，使列車運(yùn)行圖具有彈性；6）應(yīng)保證各站、各區(qū)段間工作的協(xié)調(diào)和均衡，充分考慮車站、折返區(qū)、車輛段的通過能力。

如圖1所示：表示每日開行列車數(shù)量趨勢及車千米牽引能耗平均值趨勢圖。以日為單位，截取時長為2個月。當(dāng)列車數(shù)量減少至50列時，車千米能耗超過3.3，遠(yuǎn)高于1.79的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 投入運(yùn)營列車數(shù)量趨勢和車公里能耗趨勢的對比圖

根據(jù)城市軌道交通運(yùn)營指標(biāo)體系（GB/T 38374—2019）的計算公式：

考慮到牽引供電系統(tǒng)的線損和空載能耗的存在，主要包含接觸網(wǎng)的線路損失和牽引變壓器及能饋?zhàn)儔浩鞯目蛰d損失的電能，能饋的反饋電量還有一部分要補(bǔ)充線網(wǎng)的無功損耗，這些損耗的值相對固定且變化不大。所以不是列車數(shù)量越少，車千米能耗越大，需要找到一個合理的區(qū)域達(dá)到能耗的最佳利用率。也可以根據(jù)負(fù)載情況，控制空載設(shè)備運(yùn)行數(shù)量，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

2 電扶梯的能耗影響分析

地鐵車站負(fù)荷中一級負(fù)荷是最重要的負(fù)荷，包括監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、公共區(qū)與應(yīng)急照明系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等，對于應(yīng)急照明、綜合監(jiān)控、專用通信與自動檢票機(jī)等自動化設(shè)備，需要從變電所兩路母線各引一路電源至設(shè)備處，兩路電源在線路末端自動切換。消防風(fēng)機(jī)由環(huán)控電控室統(tǒng)一配電，需從變電所兩路母線各引一路電源至環(huán)控室自動切換，并采取單回路供電方式為設(shè)備供電。公共區(qū)照明的配電方式需由變電所兩路母線各引一路電源至兩個照明總配電箱，采用交叉配電方式為燈具配電，每個照明總配電箱箱承擔(dān)一半的照明負(fù)荷。

二級負(fù)荷包括設(shè)備管理區(qū)照明，電扶梯、維修電源與出入通道照明等設(shè)備，須從降壓變電所或環(huán)控電控室的一、二級負(fù)荷母線引出單回路電源線路至設(shè)備的電源箱進(jìn)行供電。

電扶梯是車站的用電大戶口，一個較大的車站在電梯全開的情況下能耗占用車站日用電量的近35%左右。

2.1 節(jié)能技術(shù)在電扶梯上的運(yùn)用

利用變頻技術(shù)在自動扶梯空載時以極低頻率和極低電壓對電機(jī)供電，當(dāng)光電感器檢測到有人進(jìn)入扶梯時，扶梯便開始提速，通過PLC在2~4 s內(nèi)將扶梯由停止?fàn)顟B(tài)提升到額定速度。當(dāng)人踏入扶梯踏板時扶梯已接近或達(dá)到額定速度。這樣就避免了人員在扶梯上的加速過程，保證人員的安全。當(dāng)PLC檢測到扶梯空載t秒后，發(fā)出指令給變頻器，使額定速度變回為駐停狀態(tài)。

采用上述的節(jié)能方法，其優(yōu)點(diǎn)在于：

1）無人乘梯時，扶梯為駐停狀態(tài)，節(jié)約了能源；2）有人乘梯時，保證扶梯自動以駐停狀態(tài)平穩(wěn)過渡到額定速度運(yùn)行，保證了正常的使用；3）由于無人乘梯時扶梯不運(yùn)行，使得機(jī)械部分的磨損大大降低，延長了扶梯的使用壽命；4）技術(shù)成熟，便于實(shí)施和推廣；5）電扶梯設(shè)備采用變頻技術(shù)后，對配電系統(tǒng)的沖擊明顯減小，同時降低了無功損耗并提高了功率因數(shù)[3]。

呼和浩特市地鐵1號線自動扶梯電機(jī)功率的配變頻扶梯與非變頻扶梯年耗能費(fèi)用比較如下：

1）不采用變頻時199部電扶梯每年消耗的電能為：4 546 kW×16.5 h×365天=267 032 04 kW·h，若每度電價0.4元，則電費(fèi)：267 032 04 kW·h×0.4≈1 068萬元；2）采用變頻時199部電扶梯每年消耗的電能為（按每天滿載運(yùn)行0.65 m/s 8 h、駐停待客運(yùn)行8.5 h）：[4 546 kW×8 h+4 546 kW×0.25×8.5 h]×365天=168 068 81.25 kW·h。電費(fèi)：168 068 81.25 kW·h×0.4≈673萬元。年節(jié)約電費(fèi)約395萬元。

2.2 通過電扶梯動態(tài)管理的節(jié)能降耗分析

呼和浩特地鐵1號線2022年3月份根據(jù)疫情期間客流情況做出調(diào)整，全線停用四分之一的電扶梯，節(jié)約約14.2萬元電費(fèi)。

而正常運(yùn)營期間，根據(jù)全天的客流進(jìn)行電扶梯的動態(tài)開啟與關(guān)閉則更具有可行性。以杭州地鐵為例，對出入口電扶梯實(shí)施單向低客流時間段停機(jī)的方式運(yùn)營。根據(jù)客流量集中在早晚高峰的規(guī)律，2號線東南段和4號線首通段進(jìn)站電扶梯大部分只在早晚高峰（7：00—9：30、16：30—19：00）開啟，車站扶梯工作處于節(jié)能模式，與之前全天候開啟相比，每年節(jié)約電能75.34萬 kW·h[4]。

從上述節(jié)能措施和設(shè)備部分停運(yùn)的實(shí)例來看，在客流較少時段和客流較少的車站采用分時段停用電扶梯也可以達(dá)到節(jié)省電能電費(fèi)的目標(biāo)。如果考慮既不影響乘客服務(wù)質(zhì)量又能達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，可以視客流高低峰情況來控制電扶梯的開關(guān)數(shù)量。

3 其他對于地鐵節(jié)能降耗及電費(fèi)成本的影響因素

3.1 通過靈活的編組方案，提高列車的滿載率

滿載率=線路客運(yùn)周轉(zhuǎn)量/線路客位里程×100%

研究數(shù)據(jù)表明：隨著滿載率的降低，單位客流量能耗將隨之增加，當(dāng)滿載率達(dá)到75%時，比滿載率100%時單位客流量能耗增加20.9%；當(dāng)滿載率達(dá)到49%時，單位客流量能耗增加69.8%，隨著滿載率的逐步下降，單位客流量能耗的上升幅度也會逐漸增大[5]。

隨著城市人口的增加和線網(wǎng)的完善，列車滿載率也會逐步改善，進(jìn)而通過動態(tài)地優(yōu)化列車數(shù)量與滿載率的關(guān)系，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。所以，根據(jù)高峰斷面客流量及運(yùn)輸組織方案，靈活編制運(yùn)行圖，達(dá)到提高列車的滿載率和降低牽引能耗的目的。

3.2 機(jī)電設(shè)備節(jié)能降耗技術(shù)運(yùn)用

通風(fēng)設(shè)備及冷水機(jī)組的投入使用情況和變頻技術(shù)的充分運(yùn)用，以及車站設(shè)備區(qū)照明等的能耗分析節(jié)能降耗的作用也很明顯，還可以從使用新型的節(jié)能設(shè)備、電機(jī)的變頻技術(shù)在照明和通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果上再進(jìn)行挖掘，從而最大限度地為節(jié)能及碳達(dá)峰做出積極的貢獻(xiàn)。后期也可以分析相關(guān)的電能數(shù)據(jù)來統(tǒng)一進(jìn)行分析。

3.3 完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，減小樣本誤差

呼和浩特作為一個新開通地鐵的城市，地鐵每個系統(tǒng)的設(shè)計和設(shè)備使用上都用到了很多最新的理念和技術(shù)，但目前還存在數(shù)據(jù)指標(biāo)的分析深度不夠、數(shù)據(jù)統(tǒng)計不夠精確的問題。通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的逐步完善，為后期再深挖運(yùn)營相關(guān)數(shù)據(jù)，達(dá)到提高運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能增效的目標(biāo)提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語

城市軌道交通與其他交通方式相比具有節(jié)能和保護(hù)環(huán)境等優(yōu)勢，故其快速發(fā)展是符合國家產(chǎn)業(yè)政策和城市總體規(guī)劃要求的。但從上文中的描述中也能看出，其自身的較高的能耗和較低的能源利用率的現(xiàn)狀并沒有改變，巨大的能源消耗已成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。隨著城市軌道交通里程及運(yùn)載能力的增長，其所需電力供應(yīng)也必將大幅增加，對其自身的發(fā)展是一個嚴(yán)重的限制，也不符合建設(shè)綠色、節(jié)能的未來城市的總體目標(biāo)和趨勢。因此，作為地鐵運(yùn)營方應(yīng)該挖掘和優(yōu)化地鐵能源消耗，向綠色、節(jié)能的城市軌道交通方向努力，達(dá)到高效便捷、公平有序、安全舒適、節(jié)能環(huán)保是中國城市交通建設(shè)的遠(yuǎn)景目標(biāo)。