曲尚開(kāi)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥高級(jí)工程師)

節(jié)能減排為我國(guó)的基本國(guó)策。地鐵在為市民提供便利交通的同時(shí)，也消耗著大量的電能資源。為節(jié)約能源，除加強(qiáng)管理、盡量減少能源消耗外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地鐵再生能源的利用。對(duì)地鐵系統(tǒng)而言，車輛再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量十分可觀，這些再生能量除被列車自用電消耗一部分外，還有一定比例被其他相鄰取流列車吸收利用，其余再生能量如果能被合理利用，其經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。

本文以西安某地鐵線路為例，進(jìn)行地鐵再生能量效益分析。該地鐵線線路全長(zhǎng)35.2 km，均為地下線路，共設(shè)車站28座。正線設(shè)置13座牽引變電所，車輛段和停車場(chǎng)分別設(shè)置1座牽引變電所。接觸網(wǎng)采用DC 1 500 V架空剛性懸掛方式。

1 再生能量與列車運(yùn)行的關(guān)系

1.1 地鐵列車制動(dòng)過(guò)程

當(dāng)列車進(jìn)站前開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，列車停止從接觸網(wǎng)受電，牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)工況，將列車慣性運(yùn)行的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電機(jī)制動(dòng)力使列車減速，此時(shí)列車向接觸網(wǎng)反饋電能(如圖1所示)。若鄰近無(wú)列車吸收再生能量，會(huì)造成接觸網(wǎng)電壓升高，在使用車載電阻情況下，控制回路自動(dòng)接通制動(dòng)電阻消耗回路，以降低網(wǎng)壓。制動(dòng)電阻安裝在車體底架上的牽引逆變箱外，制動(dòng)電阻由不會(huì)被磁化的鎳鉻合金制成。在使用電阻制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，制動(dòng)電阻通過(guò)一個(gè)1 500 W三相風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。

圖1 再生制動(dòng)過(guò)程示意圖

1.2 再生能量與列車運(yùn)行的關(guān)系

為比較準(zhǔn)確地論證再生能量消耗過(guò)程，結(jié)合西安某地鐵線路，對(duì)再生能量與列車行車追蹤間隔關(guān)系、再生能量大小等問(wèn)題進(jìn)行分析。該線路采用B型車，最高運(yùn)營(yíng)速度80 km/h，編組形式為4動(dòng)2拖。當(dāng)列車實(shí)施電制動(dòng)時(shí)，有反向電流向接觸網(wǎng)饋出。利用列車仿真軟件模擬該線路列車運(yùn)行情況(以1個(gè)區(qū)間為例)，仿真列車運(yùn)行工況～速度曲線見(jiàn)圖2。

圖2 列車運(yùn)行工況與速度曲線

由圖2可知，列車開(kāi)始制動(dòng)的初始速度一般在60～70 km/h，計(jì)算時(shí)取中間值65 km/h。查閱機(jī)車牽引電機(jī)制動(dòng)電流曲線可知，這一速度對(duì)應(yīng)的制動(dòng)電流為3 600 A。根據(jù)列車運(yùn)行仿真結(jié)果，本線旅行速度為41 km/h。該線路正線均為地下線路，按剛性懸掛接觸網(wǎng)計(jì)算，其接觸網(wǎng)阻抗為0.014 3 Ω/km;正線按60 kg鋼軌考慮，其阻抗為0.028 Ω/km。

根據(jù)供電仿真計(jì)算結(jié)果，列車正常運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)平均電壓為1 450 V左右，一般列車由再生制動(dòng)轉(zhuǎn)入電阻制動(dòng)的網(wǎng)壓為1 800 V，兩者差值為350 V。若要再生能量不被自身車載電阻消耗，列車的鄰近必須要有其他列車取流，并且其所處位置應(yīng)在由再生電流產(chǎn)生接觸網(wǎng)縱向壓降不超過(guò)350 V的位置;若超出此范圍，則因制動(dòng)列車附近無(wú)取流列車?yán)碗妷?，再生制?dòng)則轉(zhuǎn)入電阻消耗能量的制動(dòng)狀態(tài)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出，當(dāng)列車開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，保證臨近有運(yùn)行列車吸收再生能量的交路，該交路排布需滿足的最大追蹤間隔為:

式中:

U差——電壓差;

Z網(wǎng)——接觸網(wǎng)電阻;

v旅——列車的旅行速度。

也就是說(shuō)，在理想情況下，若列車行車追蹤間隔大于9.95 min，列車制動(dòng)所產(chǎn)生的再生能量將無(wú)法被臨近運(yùn)行的列車吸收，只能接通制動(dòng)電阻進(jìn)行消耗。該線路初期的列車行車追蹤間隔為5 min，近期的追蹤間隔為4 min，遠(yuǎn)期的追蹤間隔為4 min。根據(jù)追蹤間隔推算，在理想狀態(tài)下，列車運(yùn)行中所產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量能夠被臨近的列車吸收，但地鐵線路區(qū)間長(zhǎng)短不一，最理想的運(yùn)行圖并不易得到，實(shí)際吸收效果達(dá)不到理論計(jì)算結(jié)果。

2 再生能量利用分析

在地鐵線路的運(yùn)營(yíng)初期，列車再生能量被本線其它列車吸收的概率是相當(dāng)可觀的。但在地鐵線路的試運(yùn)營(yíng)期間，由于行車密度比較稀疏，追蹤間隔一般在10 min以上，列車再生能量基本要靠電阻消耗。以下對(duì)各運(yùn)營(yíng)期間電阻消耗電量的情況進(jìn)行分析。

2.1 試運(yùn)營(yíng)期間電阻消耗電量及折算電費(fèi)

根據(jù)列車仿真計(jì)算結(jié)果，該線路1列列車上下行方向耗電量為1 826 kWh，再生制動(dòng)能量為585 kWh，再生制動(dòng)能量約占牽引耗電量的31%。假設(shè)試運(yùn)營(yíng)期間列車全天運(yùn)行10 h，列車追蹤間隔為12 min，全日發(fā)車量為50對(duì)列車。由于試運(yùn)營(yíng)期間列車的追蹤間隔遠(yuǎn)大于9.95 min，可以認(rèn)為列車的再生制動(dòng)能量全部需要車載電阻消耗，因此全年電阻消耗的電量為:Q=N×Q電阻×365=10 676 250 kWh(N為列車對(duì)數(shù);Q電阻為電阻消耗的電量)。若按電費(fèi)收取標(biāo)準(zhǔn)1 kWh為0.7元計(jì)算，其全年消耗電的費(fèi)用為7 473 375元。

2.2 初、近、遠(yuǎn)期電阻消耗電量及折算電費(fèi)

根據(jù)廣州、上海等地的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，在追蹤間隔相對(duì)緊密的情況下，制動(dòng)電阻所消耗的能量約占整個(gè)再生制動(dòng)能量的4% ～8%，取中間值6%，可計(jì)算得出消耗在制動(dòng)電阻上的能量約為35 kWh。根據(jù)該線路的行車資料，運(yùn)營(yíng)初期全日發(fā)車量為150對(duì)，全年電阻消耗電量為:Q=N×Q電阻×365=1 916 250 kWh。若按電費(fèi)收取標(biāo)準(zhǔn)1 kWh為0.7元計(jì)算，則初期全年消耗電的費(fèi)用為1 341 375元。運(yùn)營(yíng)近期全日發(fā)車量為204對(duì)，全年電阻消耗的電量為:Q=N×Q電阻×365=2 606 100 kWh。運(yùn)營(yíng)近期全年消耗的電的費(fèi)用為1 824 270元。運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期全日發(fā)車量為246對(duì)，全年電阻消耗的電量為:Q=N×Q電阻×365=2 555 000 kWh。運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)期全年電阻消耗電費(fèi)為1 788 500元。

2.3 車載制動(dòng)電阻和散熱風(fēng)機(jī)的輔助能耗及折算電費(fèi)

每輛動(dòng)車自重約35 t，拖車自重約30 t，按額定載客1 440人，每人60 kg計(jì)算，一列車在額定載客情況下的總重約為286 t。結(jié)合前述1列列車上下行耗電量可計(jì)算得出:列車單趟上下行折返消耗能量約為7 kWh/t。

每輛動(dòng)車安裝有1組制動(dòng)電阻及相應(yīng)的軸流冷卻風(fēng)機(jī)，其質(zhì)量約為400 kg，4輛動(dòng)車相應(yīng)的制動(dòng)電阻設(shè)備質(zhì)量約為1.6 t，據(jù)此可計(jì)算出由制動(dòng)電阻設(shè)備引起的牽引能耗為10 kWh。結(jié)合全日行車對(duì)數(shù)可計(jì)算出相應(yīng)的年耗電量。車載電阻大都采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，風(fēng)機(jī)功率約1.4 kW。根據(jù)該線路牽引模擬計(jì)算結(jié)果，單列車上下行1個(gè)折返投入制動(dòng)電阻消耗的累積時(shí)間約15 min，可以認(rèn)為與風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間相同。這樣，可計(jì)算得出各運(yùn)營(yíng)期間因車載電阻質(zhì)量及風(fēng)機(jī)所增加的電耗及費(fèi)用(見(jiàn)表1)。

表1 各運(yùn)營(yíng)期間由車載電阻所引起的費(fèi)用

2.4 車載制動(dòng)電阻購(gòu)置費(fèi)用

每輛動(dòng)車的電阻器及其斬波控制器的費(fèi)用約為15萬(wàn)元，每列車按4動(dòng)2拖計(jì)算，若列車取消車載制動(dòng)電阻，則每列車可節(jié)約采購(gòu)費(fèi)用約為60萬(wàn)元。具體按各運(yùn)營(yíng)期間根據(jù)行車配屬列車數(shù)量計(jì)算，可節(jié)約列車采購(gòu)費(fèi)用見(jiàn)表2。

表2 取消車載制動(dòng)電阻可減少的列車購(gòu)置費(fèi)用

2.5 再生利用裝置采購(gòu)費(fèi)用

目前再生能量利用裝置形式主要有混合逆變型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、蓄電池儲(chǔ)能型等形式。就國(guó)內(nèi)產(chǎn)品而言，混合逆變型產(chǎn)品已在某些城市地鐵線路采用，技術(shù)相對(duì)較成熟，故本文以混合逆變型為例進(jìn)行投資分析。該線路共設(shè)置15座牽引變電所，按每座牽引變電所均設(shè)置再生利用裝置考慮，其投資費(fèi)用見(jiàn)表3。

表3 再生利用裝置采購(gòu)費(fèi)用

2.6 牽引變電所設(shè)置再生利用裝置所增加的房屋建筑費(fèi)用

牽引變電所安裝混合逆變型再生裝置，需增加約70 m2的面積安裝相關(guān)設(shè)備，由此引起的土建費(fèi)用見(jiàn)表4。

表4 牽引所設(shè)置再生利用裝置所增加的房屋建筑費(fèi)用

2.7 環(huán)控投資影響

若將混合逆變裝置中的電阻設(shè)置于地面，雖在一定程度上可以降低環(huán)控投資，但電阻所散發(fā)的熱量、強(qiáng)迫風(fēng)冷風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的噪聲，將對(duì)周邊居住人群產(chǎn)生不良影響，故而按設(shè)置于牽引變電所內(nèi)部考慮。無(wú)論采用車載還是在牽引變電所設(shè)置混合逆變裝置，均有電阻發(fā)熱。車載電阻造成隧道內(nèi)溫度升高，而混合逆變型設(shè)備將造成牽引變電所設(shè)備房屋溫度升高，均需增加適當(dāng)?shù)沫h(huán)控設(shè)備，或者提高其容量。并且相應(yīng)的這部分環(huán)控設(shè)備需要消耗電能，綜合考慮其費(fèi)用見(jiàn)表5。由表5可以看出，兩種方式對(duì)環(huán)控系統(tǒng)而言，費(fèi)用基本相當(dāng)。

表5 環(huán)控費(fèi)用

3 全壽命周期費(fèi)用比較

按一般電氣設(shè)備壽命計(jì)算，車載電阻、環(huán)控設(shè)備、混合逆變裝置壽命均按25年考慮，則設(shè)備安裝至近期運(yùn)行年度結(jié)束正好為25年，此期間設(shè)備不用更換。地鐵工程為百年工程，假設(shè)其使用期限為100年，進(jìn)入遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)后，將有75年的運(yùn)營(yíng)時(shí)間，此期間設(shè)備需更換3次。混合逆變裝置出于保護(hù)逆變電子器件的目的，其控制對(duì)短時(shí)大功率回饋電流接通電阻消耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)，逆變轉(zhuǎn)換能量能達(dá)到再生回饋能量的70%。綜合考慮這些因素，綜合投資及效益比較見(jiàn)表6。

表6 不同再生能量轉(zhuǎn)換方式下全壽命周期投資效益表

從表6的數(shù)據(jù)可以看出:若采用牽引所內(nèi)設(shè)置混合逆變裝置的方式，至初期運(yùn)營(yíng)結(jié)束，其投資效益還未體現(xiàn)出來(lái);但從近期開(kāi)始，其投資效益明顯體現(xiàn);至近期運(yùn)營(yíng)結(jié)束，相對(duì)車載制動(dòng)電阻的方式，可產(chǎn)生7 894萬(wàn)元的效益;至整個(gè)工程結(jié)束時(shí)，可產(chǎn)生79 693萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

在牽引變電所安裝再生能量利用裝置、取消車載制動(dòng)電阻的運(yùn)營(yíng)方式，從初期投資來(lái)看，增加了地鐵建設(shè)的投資，但從地鐵工程全壽命周期成本的角度來(lái)看，其效益是非常顯著的。

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