■ 王學(xué)貴

1 節(jié)能的意義及必要性

節(jié)能在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著重要的戰(zhàn)略地位，必須堅(jiān)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(dǎo)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(zhǔn)點(diǎn)”，著重體現(xiàn)“以人為本”、服務(wù)乘客的思想，所以在軌道交通系統(tǒng)中配備大量滿足運(yùn)營(yíng)安全、快捷、準(zhǔn)點(diǎn)要求和滿足旅客舒適性要求的設(shè)備系統(tǒng)。這些設(shè)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(hào)、通信等），但有的部分主要是為了方便旅客，更好地服務(wù)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(shí)際環(huán)境情況，在這些設(shè)備系統(tǒng)中，直接服務(wù)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(shè)施往往也是能耗較大的設(shè)備（特別是空調(diào)系統(tǒng)、電扶梯等）。因此在滿足運(yùn)營(yíng)需要的基礎(chǔ)上，重慶軌道交通六號(hào)線的設(shè)計(jì)工作必須考慮盡量減少這些設(shè)備的能耗，合理確定服務(wù)水平，將節(jié)能的總要求貫徹在設(shè)計(jì)工作中，確定與節(jié)能有關(guān)的技術(shù)原則，根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行模式提出合理的運(yùn)營(yíng)方案，這對(duì)今后的運(yùn)營(yíng)節(jié)能具有重大意義。

除合理考慮設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行方式或采用新技術(shù)節(jié)能外，必須在總體設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)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(fēng)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(shè)計(jì)，在工程條件許可下盡量將區(qū)間設(shè)計(jì)為節(jié)能坡，在工程建設(shè)投資增加不多的情況下，對(duì)今后運(yùn)營(yíng)中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能具有深遠(yuǎn)意義。

2 城市軌道交通能耗構(gòu)成和狀況

根據(jù)城市軌道交通用電設(shè)備構(gòu)成及特性，電能消耗主要由3部分構(gòu)成：（1）電動(dòng)車輛及其輔助設(shè)備所消耗的牽引用電負(fù)荷電能；（2）動(dòng)力照明設(shè)備所消耗動(dòng)力照明負(fù)荷電能；（3）為牽引和動(dòng)力照明負(fù)荷提供電能的供電系統(tǒng)設(shè)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(dòng)機(jī)功率大小、列車編組重量、車輛控制方式、車內(nèi)設(shè)備（有無空調(diào)、電熱）及線路平面、縱斷面等因素有關(guān)。

動(dòng)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(fēng)空調(diào)、給排水、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)售檢票、通信、信號(hào)、照明、廣告、取暖、維修機(jī)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(biāo)的因素很多，為使重慶軌道交通六號(hào)線的能耗指標(biāo)符合國(guó)家有關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，在認(rèn)真貫徹節(jié)能設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，從本專業(yè)的角度分析線路運(yùn)營(yíng)后降低能耗的措施和方法，并提出應(yīng)對(duì)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(jī)電設(shè)備等方面綜合分析，在設(shè)計(jì)時(shí)必須全面考慮節(jié)能措施，采取綜合治理，才能收到實(shí)效。

在研究設(shè)計(jì)階段，行車組織應(yīng)配合線路專業(yè)進(jìn)行線路平縱斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過反復(fù)的模擬牽引計(jì)算使縱斷面設(shè)計(jì)在條件允許的情況下基本實(shí)現(xiàn)節(jié)能坡的設(shè)計(jì)要求，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)盡量縮短牽引時(shí)間，實(shí)現(xiàn)列車牽引能耗最低的目標(biāo)。這屬于基礎(chǔ)性的節(jié)能措施，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段充分考慮。

在線路平縱斷面、列車編組及車輛技術(shù)參數(shù)確定的條件下，機(jī)電設(shè)備的能耗將很難降低，節(jié)能的主要任務(wù)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(wù)水平不變情況下的節(jié)能

一般來講，在高峰小時(shí)列車滿載率高，客流主要以上班、上學(xué)等客流為主，乘客大都有快速到達(dá)的心理要求，因此通常按節(jié)時(shí)模式進(jìn)行牽引。但在非高峰時(shí)段，主要以購(gòu)物及日常出行需求的乘客為主，在保證服務(wù)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(shí)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(yùn)營(yíng)公司運(yùn)用較多的節(jié)能手段。采用該方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能的缺點(diǎn)是增加區(qū)間運(yùn)行時(shí)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(shí)和節(jié)能2種牽引模式（見圖1—圖4）。

采用節(jié)時(shí)模式牽引時(shí)，為了追求高速度，當(dāng)列車運(yùn)行速度低于最高運(yùn)行速度約10～20 km/h時(shí)，如果出現(xiàn)上坡或下坡動(dòng)能不足時(shí)需要進(jìn)行再次牽引，因此在一個(gè)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(huì)降低乘客的舒適度。在實(shí)際列車運(yùn)行時(shí)為了避免一個(gè)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)多次牽引，一般采用巡航運(yùn)行模式，增加列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高乘客舒適度。采用巡航運(yùn)行模式在運(yùn)行時(shí)分和牽引耗電量方面基本與節(jié)時(shí)牽引模式相同，因此，這里不再對(duì)巡航運(yùn)行模式進(jìn)行比較。

采用節(jié)能模式牽引時(shí)，列車將最大限度地利用自身動(dòng)能或可能產(chǎn)生的下坡動(dòng)能，直到運(yùn)行速度低于某一設(shè)定值時(shí)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(wù)，實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。

2種牽引模式牽引耗電量和運(yùn)行時(shí)分（不含停站時(shí)分）比較見表1。

圖1 長(zhǎng)大區(qū)間節(jié)時(shí)模式模擬計(jì)算牽引圖

圖2 長(zhǎng)大區(qū)間節(jié)能模式模擬計(jì)算牽引圖

圖3 一般區(qū)間節(jié)時(shí)模式模擬計(jì)算牽引圖

圖4 一般區(qū)間節(jié)能模式模擬計(jì)算牽引圖

表1 2種牽引模式牽引耗電量和運(yùn)行時(shí)分比較表

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

3.2 在滿足運(yùn)能需求情況下的節(jié)能

從目前我國(guó)各大城市地鐵運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀看，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)都考慮了在高峰小時(shí)大小交路套跑模式，但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)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(yùn)行方式，但全線采用一個(gè)交路的簡(jiǎn)單運(yùn)營(yíng)方式更為廣泛。

茶園南—蔡家段初、近、遠(yuǎn)期均設(shè)計(jì)一個(gè)交路，但預(yù)留小交路折返條件。在滿足高峰小時(shí)運(yùn)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(yùn)營(yíng)管理水平的不斷提高，可充分利用預(yù)留的折返設(shè)施，在高峰時(shí)段組織開行小交路，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。采用該方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能雖然可用滿足運(yùn)能需求，但會(huì)降低不開行小交路區(qū)段的服務(wù)水平。

以茶園南—蔡家段為例，近期早晚高峰小時(shí)全線按只運(yùn)行一個(gè)交路和大小2個(gè)交路計(jì)算，交路圖分別見圖5、圖6?；景捶?wù)水平相同進(jìn)行比較，大小交路考慮開行比例的需要多開行4對(duì)列車，2種交路早高峰小時(shí)開行對(duì)數(shù)見表2，2種運(yùn)行交路牽引耗電量比較見表3。從表3可以看出，在滿足運(yùn)能需求的情況下，僅一天內(nèi)因高峰小時(shí)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(dòng)能量利用技術(shù)，利用再生制動(dòng)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(duì)數(shù) 對(duì)

表3 近期高峰2種運(yùn)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(dòng)為主、空氣制動(dòng)為輔的制動(dòng)方式。軌道交通線路站間距離短，列車制動(dòng)頻繁，使制動(dòng)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(shí)，這些能量都將通過制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)化為熱能損失掉，不僅對(duì)周邊環(huán)境或隧道產(chǎn)生熱能釋放或熱效應(yīng)積累，也不利于能量的循環(huán)利用和環(huán)境保護(hù)。

隨著再生制動(dòng)能量利用技術(shù)的不斷提高和完善，充分利用再生制動(dòng)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(diǎn)，在運(yùn)行速度快、服務(wù)水平高的條件下實(shí)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(dòng)時(shí)的再生電能可以更多地被處于啟動(dòng)狀態(tài)的列車吸收和利用，列車再生制動(dòng)能量的利用率也將不斷提高。再生制動(dòng)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(dòng)能量及利用效果分析表

從表4可用看出，再生制動(dòng)能力巨大，約占總牽引能耗的25%～30%，如果再生制動(dòng)能量?jī)H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(gè)系統(tǒng)工程，不僅對(duì)線路縱斷面設(shè)計(jì)有較高要求，還對(duì)車輛性能、通風(fēng)空調(diào)、車站建筑等方面提出了滿足運(yùn)營(yíng)條件下盡量節(jié)能的設(shè)計(jì)要求，以便達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的。

就行車組織專業(yè)來講，在運(yùn)營(yíng)階段可以根據(jù)不同時(shí)段的客流需求，采用不同的列車運(yùn)行模式。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)和能源利用效率看，再生制動(dòng)能量利用潛力巨大。大力發(fā)展再生制動(dòng)能量利用技術(shù)是行車組織節(jié)能的關(guān)鍵。

除再生制動(dòng)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(dòng)能量利用不僅能大大節(jié)約能源消耗，而且科學(xué)環(huán)保。目前利用該方式節(jié)能的最大障礙是我國(guó)技術(shù)不夠成熟，進(jìn)口的再生制動(dòng)裝置造價(jià)昂貴。北京地鐵五號(hào)線的14座牽引變電所均預(yù)留了安裝再生制動(dòng)裝置的條件，但目前僅安裝了4套試運(yùn)行，每套裝置的采購(gòu)價(jià)達(dá)到510多萬元。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。

隨著再生制動(dòng)能量利用技術(shù)的不斷完善，再生制動(dòng)能量吸收裝置國(guó)產(chǎn)化程度的提高，該裝置的購(gòu)置價(jià)格將大大降低，相信在不久的將來再生制動(dòng)能量吸收技術(shù)將在地鐵系統(tǒng)廣泛采用，成為地鐵運(yùn)營(yíng)后的最佳節(jié)能措施。

[1] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 重慶市軌道交通六號(hào)線工程可行性研究[R]，2007