彭道平，黃 濤，李云禎，陶雪峰，閔朝輝，趙明永

（1. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院清潔生產(chǎn)研究所，四川 成都 610041；3. 哈爾濱鐵路局 計(jì)劃統(tǒng)計(jì)處，黑龍江 哈爾濱 150006；4. 成都鐵路局 計(jì)劃統(tǒng)計(jì)處，四川 成都 610031）

0 引言

截至 2012 年底我國鐵路的運(yùn)營里程接近98 000 km，位列世界第二[1]。鐵路運(yùn)輸企業(yè)非常重視能源消耗和能源利用效率，鐵路運(yùn)輸企業(yè)的能耗主要用于機(jī)車牽引、發(fā)電車等主營項(xiàng)目，以及調(diào)度、檢修和日常生活等輔營項(xiàng)目，2012 年鐵路運(yùn)輸企業(yè)能耗達(dá)到了 1 745.7 萬 t 標(biāo)煤[2]。在研究能源利用效率時(shí)，傳統(tǒng)的能量分析法是以能量守恒和轉(zhuǎn)換定律為基礎(chǔ)，只能在量方面揭示出能量轉(zhuǎn)換、有效利用和損失情況，確定出某個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備的能源利用效率。但是，一直困擾人們的是如何將非同質(zhì)的能源投入要素加總、不同產(chǎn)出之間加總和成本分?jǐn)偟葐栴}。Exergy ( 以下簡稱 ) 分析法為正確評價(jià)不同形態(tài)的能量、不同狀態(tài)的物質(zhì)的價(jià)值提供了統(tǒng)一的標(biāo)尺[3-4]。

是指能量中可以轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)能量的那部分能量。 分析法是同時(shí)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為依據(jù)，將能量的“量”和“質(zhì)”統(tǒng)籌考慮的分析法。因而， 分析彌補(bǔ)了能量分析的不足，注重能量的質(zhì)量，以 效率為目標(biāo)函數(shù)，通過系統(tǒng)的

計(jì)算，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備、過程、工序中的各種損失。 分析法簡便且易于理解，在能量系統(tǒng)分析中， 分析法比熵分析法應(yīng)用更廣泛，發(fā)展速度更快。Rant 于 1956 年提出 的概念后， 分析法被廣泛應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)社會(huì)領(lǐng)域的各種能量分析中[3]。根據(jù)近年來我國鐵路運(yùn)輸企業(yè)的能耗數(shù)據(jù)，通過引入 分析法對其能源結(jié)構(gòu)、能源利用效率等進(jìn)行分析，為鐵路運(yùn)輸企業(yè)的節(jié)能降耗工作提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

交通行業(yè)中的 計(jì)算公式為

式中：EX為燃料的 值，γ為基于低熱值LHV的

系數(shù)。Kotas 提出了常見的燃料 系數(shù)和LHV如表 1所示[5]。

傳統(tǒng)的能量效率計(jì)算公式為

式中：η為系統(tǒng)的能量效率；W為系統(tǒng)做的功；Win為系統(tǒng)輸入的總能量。

表1 常見燃料的 LHV 和 系數(shù)

類似于⑵式， 效率計(jì)算公式為

式中：ψ是系統(tǒng)的 效率；EXin為系統(tǒng)輸入的總值。由⑴式可知，單位質(zhì)量的燃料 值EX為燃料的總能量Win乘以 系數(shù)，故可得⑷式為

即 效率等于傳統(tǒng)的能量效率除以 系數(shù)。需要注意的是，對于電能，其 值等于能量值，因而 效率等于能量效率。

為了分析整個(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的 效率，引入了加權(quán)平均整體 效率，計(jì)算公式為

式中：ψo(hù)verall加權(quán)平均整體 效率；ηm為運(yùn)輸企業(yè)第m種生產(chǎn)項(xiàng)目的能量效率；γn為第n種能源類型的 系數(shù)；Frmn為第n種能源占第m種生產(chǎn)項(xiàng)目中總能量的比例。

運(yùn)輸企業(yè)生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)由 2 種生產(chǎn)項(xiàng)目 ( 主營和輔營 )、6 種能源類型 ( 煤、柴油、汽油、液化石油氣 ( Liquefied Petroleum Gas，LPG )、天然氣和電 ) 構(gòu)成。2006—2012 年鐵路運(yùn)輸?shù)娜纺茉聪那闆r如表 2 所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵路運(yùn)輸企業(yè)的能耗結(jié)構(gòu)

我國的國家鐵路是由 18 個(gè)鐵路局和 3 個(gè)運(yùn)輸物流公司組成。2006—2012 年鐵路運(yùn)輸企業(yè)的能源消耗結(jié)構(gòu)如圖 1 所示?？梢钥闯?，構(gòu)成鐵路運(yùn)輸企業(yè)主要能耗的前 3 位分別是柴油、煤和電力，占總能耗的 98% 左右；其他能源則有天然氣、汽油、液化石油氣等。除了主營生產(chǎn)外，調(diào)度、檢修、日常生活等輔營項(xiàng)目也消耗了大量的能源。鐵路企業(yè)的能耗中，煤主要是用于取暖，柴油和電力主要是用于機(jī)車牽引。

表2 2006—2012 年鐵路運(yùn)輸?shù)娜纺茉聪那闆r

由于地域差異，我國南、北方各鐵路局的能耗結(jié)構(gòu)有較大的差異。2012 年哈爾濱鐵路局的能源消耗結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。由圖 2 可知，煤和柴油是該鐵路局的主要能源類型，主要由于哈爾濱鐵路局地處東北地區(qū)，冬季取暖需要大量的煤，而且哈爾濱鐵路局近 96.3% 的機(jī)車類型為內(nèi)燃機(jī)車，因而柴油的消耗很大。2010 年成都鐵路局的能源消耗結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，由于成都鐵路局的電氣化率達(dá)到了84.7%，機(jī)車類型大部分為電力機(jī)車，內(nèi)燃機(jī)車比例僅為 15.3%，因而柴油消耗僅占 16.80%。由于氣候相對溫暖，成都鐵路局的煤消耗較少。可見，由于地域差異和牽引機(jī)車類型的不同，不同鐵路運(yùn)輸企業(yè)間的能源消耗結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較大的差異。因此，不同企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)，采取不同的措施，開展其節(jié)能降耗工作。

圖 1 2006—2012 年鐵路運(yùn)輸企業(yè)能源消耗結(jié)構(gòu)圖

圖 2 2012 年哈爾濱鐵路局能源消耗結(jié)構(gòu)圖

圖 3 2010 年成都鐵路局能源消耗結(jié)構(gòu)圖

2.2 總 消耗

根據(jù)⑴式和表 2 可以計(jì)算出全路的總 消耗情況如圖 4 所示。通過計(jì)算，2006 年全路的總 消耗值為 491.74 PJ ( 注：1 PJ = 1 × 1015J )，2012 年則降至 480.44 PJ。其中，2006—2008 年全路的總 消耗值呈逐年上升的趨勢，2009—2010 年為基本持平狀態(tài)，2011—2012 年則呈逐年下降趨勢。與我國同期的 GDP 增長速率比較，可以發(fā)現(xiàn)能源消耗和 消耗值的變化曲線與國家的經(jīng)濟(jì)增長情況有一定的關(guān)系，交通運(yùn)輸需求隨經(jīng)濟(jì)增長而增長，而交通運(yùn)輸系統(tǒng)的能耗也會(huì)相應(yīng)增加，交通運(yùn)輸?shù)男枨蠛湍芰肯木哂芯o密聯(lián)系。

圖 4 2006—2012 年全路能耗及 GDP 增長情況

由表 2 可知，煤在總能耗中的比例由 2006 年的29.56% 下降至 2012 年的 24.32%；柴油比例由 2006年的 51.78% 降至 2012 年的 40.60%；而電力的比例則由 2006 年的 17.44% 升至 2012 年的 33.49%。盡管化石燃料 ( 如煤、柴油等 ) 仍然是鐵路運(yùn)輸中的主要能源類型，但是電力所占的比例越來越大，這主要是由于近年來鐵路部門進(jìn)行了大量的電氣化改造，以及大批的內(nèi)燃機(jī)車和燃煤 ( 油 ) 鍋爐被淘汰。

2.3 效率分析

Reistard 的研究認(rèn)為，鐵路運(yùn)輸業(yè)的能量效率η約為 28%。全路的 效率可以由⑸式計(jì)算得到[6]；各種能源類型的 效率由⑷式計(jì)算得到，如表 3所示[7-8]。

表3 各種燃料類型 效率

而特定年份鐵路運(yùn)輸企業(yè)的整體 效率可由⑹式計(jì)算為

式中：為第t年的整體 效率；ψi為第i(i=c，d，g，l，n，e) 種類型燃料的 效率；f i，t為主營中第t年第i種燃料所占全部燃料的比例；f 'i，t為輔營中第t年第i種燃料所占全部燃料的比例。

例如，計(jì)算2006年的鐵路運(yùn)輸企業(yè)的整體 效率計(jì)算為

圖 5 2006—2012 年鐵路運(yùn)輸企業(yè)的整體效率

2006—2012 年鐵路運(yùn)輸企業(yè)整體 效率如圖5 所示。整體 效率的范圍是 26.41%～26.73%，其均值為 26.57%。 效率的提升主要源自鐵路運(yùn)輸企業(yè)能耗結(jié)構(gòu)的變化，高效的電力能源所占比重越來越大?？梢钥闯?， 分析法得到的鐵路行業(yè)能源利用效率比傳統(tǒng)的能量效率低，這是由于 分析法考慮了整個(gè)系統(tǒng)中不可逆導(dǎo)致的各種 損失，因而

效率可以更加真實(shí)地反映鐵路運(yùn)輸企業(yè)的能耗效率。

3 結(jié)束語

通過收集近年來鐵路運(yùn)輸企業(yè)的全路能耗數(shù)據(jù)，對全路的能耗結(jié)構(gòu)、能耗水平等進(jìn)行分析，并且引入 分析法對全路的能耗效率進(jìn)行計(jì)算，得到的平均 效率為 26.57%，較傳統(tǒng)能量分析法計(jì)算的鐵路行業(yè)能量效率 28%低，這是由于 分析法考慮了系統(tǒng)中不可逆的 損失，因而更能真實(shí)地反映出企業(yè)的能耗效率。

[1] 中國鐵路總公司. 中國鐵路總公司概況[EB/OL]. (2013-09-18)[2013-10-23]. http://www.china-railway.com.cn/gkl/gsjj/201309/t20130918_39086.htm.

[2] 鐵道部統(tǒng)計(jì)中心. 中華人民共和國鐵道部 2012 年鐵道統(tǒng)計(jì)公報(bào)[N]. 人民鐵道，2013-03-13(A02).

[3] Rant Z. Exergy，A New Word for Technical Available Work[J]. Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurwesens，1956，22 (1)：36-37.

[4] Ahern E. The Exergy Method of Energy Systems Analysis[M].New York：Wiley，1980.

[5] Kotas T. J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis[M].London：London Boston Butterworths，1985.

[6] Reistard M. Available Energy Conversion Utilization in the United States[J]. Journal of Engineering for Power-transaction of the ASME，1975，97(2)：429-434.

[7] 蔣愛華. 泛 分析方法及其應(yīng)用研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2011.

[8] 魏 楚. 中國能源效率問題研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2009.