张 昊,王志亮,王 杭
(洛阳市轨道交通集团有限责任公司,河南 洛阳 471023)
推动安全、便捷、绿色、高效、经济的智慧城轨建设是实现交通强国的必然要求。城市轨道交通的主要能源为电力,具有“绿色交通”的特点,但是城市的资源承载能力也因地铁系统巨大的耗电量而面临着越来越大的压力。为贯彻落实国家节能减排要求,深入实施绿色低碳转型战略,同时为地铁节能运营积累经验,结合洛阳地铁能耗现状,分析城市轨道交通系统能耗构成,提出节能措施,也为后续线路建设及设备选型提供参考。
车辆系统及车站设备系统能耗构成了城市轨道交通运营的主要能耗。车辆系统能耗包括牵引制动能耗、车载辅助设备能耗等,车站设备系统能耗包括车站及区间设备如风机、空调、自动扶梯、照明、售检票机等的能耗。根据城市轨道交通协会统计,2022年全国城轨交通总电能耗227.92亿千瓦时、同比增长6.89%,其中牵引能耗113.15亿千瓦时、同比增长6.39%,占总电能耗的49.65%。因此,针对车辆系统及车站设备系统开展节能措施研究,可有效降低城市轨道交通运营成本,以及提高能源利用率。
2.1 牵引节能
(1)列车正线运行模式为CBTC(基于通信的列车控制)模式,列车在正线运行的速度工况如图1所示。可以通过提高牵引制动力使用比率、增加运行时间、增加惰行时间、避免不必要的再次牵引及制动、减少进站限速长度等运行控制策略,实现列车的节能效果。
图1 列车运行速度工况
(2)洛阳地铁线路设置一种地面能馈装置,以高再生率弱化机械摩擦制动,延长制动系统使用寿命。通过将列车制动过程中产生的能量收集并回馈至电网,有助于降低隧道温度,减轻通风空调系统负荷,免除车载制动电阻及其散热风机的辅助能耗,供牵引供电设备和动力照明设备使用,从而达到节能目的。
(3)采用轻量化车体,降低列车自重,减少能耗。铝合金和碳素钢为目前地铁电客车车体选用的主流材料,轻量化是铝合金车体的显著优点,相较碳素钢重量可降低30%～35%。洛阳地铁电客车车体、主风道和门前防滑踏板材料均采用铝合金,车体结构采用铝合金中空结构,有效降低运行能耗。
(4)洛阳地铁线路设计时,部分区间采用了进站上坡、出站下坡形式,有效降低列车能耗,节能坡设置示意图如图2所示。出站时,车辆可以借助下坡势能提升速度,缩短牵引时间;进站时,车辆可借助上坡阻力降低速度、缩短制动时间、减少制动发热。
图2 节能坡设置示意图
2.2 行车组织节能
行车组织模式主要包括列车技术速度、停站方案和运行方案等[1],规定了各车次运行交路及途经车站的到发时间,与牵引能耗密切相关。洛阳地铁运营初期高峰时段客流量不大,采用单一交路方案,可以满足平峰及高峰时段客流需要,节约初期牵引能耗;同时结合客流情况在特殊时期对运行图进行合理优化,如在牡丹花会期间延长运营时间,缩短行车间隔。在近远期,客流量会大幅增加,设计采用大小交路方案,不仅可以提高运力和服务水平,而且大大降低牵引能耗。
2.3 车载辅助设备节能
列车运行过程中,辅助装置中的通风、照明、控制的功率相对稳定,影响其功率变化的主要因素是由于外界环境温度变化导致的加热器和空气压缩机功率的变化,进而使能耗发生相应变化[2]。为满足乘车舒适性,洛阳地铁电客车客室照明采用自动调光设备,包括调光控制器和感光器。感光器采集车厢内环境光照度发送给照明调光控制器进行数据处理,调整驱动电源的PWM(输出脉冲宽度调制)占空值,从而调整灯具亮度。
测试不同占空值照明功率,根据测试情况洛阳地铁电客车客室照明调光控制器设置为正常时的PWM=70%,即外界无光照时的PWM输出值为70%(隧道无其他光源时满足客室平均照度标准要求);在地面线路运行时的PWM输出可降低至20%(外界天气晴朗条件),在满足车厢照度的同时降低列车能耗。
洛阳地铁车站通风空调系统公共区冷源采用水冷直接制冷式空调机组。为简化空调系统配置、节约能耗,水冷直接制冷机组将水冷表面式空气冷却器改为制冷剂直接膨胀蒸发空气冷却器,处理空气时由制冷剂直接蒸发冷却带走显热负荷和潜热负荷,减少了中间的二次换热(省去了冷冻水系统)。压缩机采用磁悬浮压缩机,磁悬浮机组一般是相同冷量螺杆式制冷机组重量的五分之一,体积的二分之一,噪声值降低10 dB以上,而且兼具部分负荷高效率。水冷直接制冷机组比传统的螺杆式冷水机组冷机运行效率高,降低了运行能耗,同时系统高度集成,节省机房面积。
(1)洛阳地铁车站采用智能照明系统,借助各种预设置控制方式及控制元件设置站厅、站台、出入口的公共区照明、导向照明、地面厅照明等不同条件下的照度,达到节能效果。根据车站现场条件及运营情况,设置全亮、高峰、低峰、清扫、停运、节能计六种场景模式,依据运营时段和太阳光照度,实现车站照明的定时和自动管理。
(2)自动售票设备设计要求为满足24小时不间断运行条件,长期处于开机模式,设备每个模块都长时间处于运行状态加剧了老化,并在停运时间内造成能源浪费。因此,为了延长设备使用寿命,每天停运后将车站自动售票设备关闭,运营前30分钟开启,大幅降低设备能耗。后续将通过技术改造等途径,增加时间控制模块,实现自动售票设备定时开、关机功能,有效降低人工成本。
(3)通过搭建洛阳地铁能源管理系统,构建先进、成熟、稳定、可靠的地铁能耗平台,分类统计电能数据并进行智能化分析,形成各种报表,为实现地铁能耗的实时在线分类、分项、分户计量,以及能源质量监测和用能设备自动化节能控制提供平台和技术手段,从而达到提升能源管理水平、降低运营成本的目的。
通过全面的节能改进措施,可以有效降低地铁运营成本,最大程度体现地铁运营公益加效益的优势,最终使二者达到融合共存。随着节能改造力度不断提高,洛阳地铁将坚持绿色规划先行,大力推进绿色能源发展,打造“绿色城轨”。
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