南寧城市軌道交通2號(hào)線節(jié)能設(shè)計(jì)研究*

柳 林

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，530021，南寧∥博士，高級(jí)工程師）

南寧城市軌道交通2號(hào)線節(jié)能設(shè)計(jì)研究*

柳 林

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，530021，南寧∥博士，高級(jí)工程師）

以南寧城市軌道交通2號(hào)線為例，依據(jù)能耗分析，主要從牽引耗電和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兩大方面采取節(jié)能設(shè)計(jì)。從設(shè)置節(jié)能坡、采用再生制動(dòng)吸收裝置、使用變頻技術(shù)等方面采取節(jié)能措施，達(dá)到了線路、行車、車輛、供電、通風(fēng)空調(diào)等專業(yè)綜合節(jié)能的目的。研究結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)節(jié)能效果明顯，可有效地降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

城市軌道交通；牽引耗電；通風(fēng)空調(diào)；節(jié)能坡；變頻技術(shù)

Author'saddressNanning Rail Transit Group Co.，Ltd.，530021，Nanning，China

城市軌道交通由于其大運(yùn)量的特點(diǎn)，使得總耗電量相當(dāng)大，是耗能大戶，但仍有節(jié)能潛力。如何最大限度地做好城市軌道交通的節(jié)能減排工作，已成為各位專家學(xué)者重點(diǎn)研究課題。目前，這項(xiàng)課題主要從運(yùn)營(yíng)組織、車輛系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等方面進(jìn)行了大量的優(yōu)化研究［1-6］。本文將以南寧市軌道交通2號(hào)線的設(shè)計(jì)探討相關(guān)的節(jié)能措施。

1 工程概況

作為《南寧市城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃（2008-2015）》的南北向骨干線，南寧市軌道交通2號(hào)線工程南起玉洞，北至西津，線路經(jīng)過良慶區(qū)、江南區(qū)、興寧區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)，全長(zhǎng)21.0 km；全線共設(shè)16座車站，2座主變電站，采用6輛B型車編組。該線以解決城市中心組團(tuán)與周邊組團(tuán)的南北向客流交通為主，對(duì)拉開城市布局、形成城市軌道交通“十”字骨架線網(wǎng)、進(jìn)一步提升城市地位等都將起到重要的作用。

2 能耗分析

軌道交通系統(tǒng)的能耗服務(wù)對(duì)象除運(yùn)送旅客的電動(dòng)車輛外，還有為旅客在旅行中提供良好環(huán)境和秩序的通風(fēng)空調(diào)設(shè)施、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)售檢票、排水泵、排污泵、通信、信號(hào)、消防設(shè)施和各種照明等。這些負(fù)荷構(gòu)成了地鐵用戶的龐大用電群體。項(xiàng)目能源消耗量如表1所示。

由表1可見，南寧市軌道交通2號(hào)線的能耗中電能為最重要的構(gòu)成部分，主要分布在牽引供電系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)等。其中：供電系統(tǒng)包括牽引系統(tǒng)、動(dòng)照系統(tǒng)等；機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)主要為設(shè)備耗電，含有通風(fēng)空調(diào)、車站設(shè)備、給排水及消防、電梯及扶梯等；弱電系統(tǒng)主要包含通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、門禁系統(tǒng)（ACS）等。

根據(jù)計(jì)算，南寧市軌道交通2號(hào)線的近期能耗分布如圖1所示。其中：牽引系統(tǒng)的能耗最大，約占41%；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗次之，約占38%。

表1 南寧市軌道交通2號(hào)線綜合能耗

圖1 南寧市軌道交通2號(hào)線近期能耗分布圖

3 節(jié)能設(shè)計(jì)

根據(jù)南寧市軌道交通2號(hào)線近期能耗分布情況，節(jié)能設(shè)計(jì)涉及的系統(tǒng)主要集中在牽引耗電和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兩大方面，照明和電扶梯也是節(jié)能的重點(diǎn)；節(jié)能措施具體有設(shè)置節(jié)能坡、采用再生制動(dòng)吸收裝置、采用輕型車體材料、使用變頻技術(shù)、選用屏蔽門制式、選用節(jié)能燈具等。

3.1 節(jié)能坡設(shè)計(jì)

線路設(shè)計(jì)在滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量將地下車站布置在縱斷面的凸形部位上，并設(shè)置合理的進(jìn)出站坡度即：列車進(jìn)站時(shí)上坡，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能；列車出站時(shí)下坡，再將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。這樣有利于減少車輛牽引和制動(dòng)時(shí)的能耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。本工程全線共設(shè)置8處節(jié)能坡，平均坡度為20‰，長(zhǎng)度為300 m。根據(jù)文獻(xiàn)［7］研究成果，本工程中一個(gè)節(jié)能坡在列車一次運(yùn)行過程中相對(duì)可節(jié)電3～4 k Wh；根據(jù)運(yùn)行交路和列車運(yùn)行計(jì)劃可估算初期年節(jié)能約為249萬kWh，近期年節(jié)能約為350萬k Wh，遠(yuǎn)期年節(jié)能約為433萬k Wh（如表2所示）。

表2 節(jié)能坡節(jié)能量

3.2 風(fēng)機(jī)變頻設(shè)計(jì)

變風(fēng)量系統(tǒng)可減少介質(zhì)輸送能耗。由于每日客流量隨時(shí)間變化，所以人員散熱量也將不同。根據(jù)客流量的變化可以計(jì)算出全日的負(fù)荷變化。平峰總散熱量約為高峰的80%。設(shè)計(jì)風(fēng)量是按照早高峰負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算的。若根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量，可減少風(fēng)機(jī)能耗。

安裝變頻器可根據(jù)日客流量的變化（見圖2）調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況。若選擇在10：00-16：00和20：00-23：00時(shí)間段風(fēng)機(jī)按85%負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，其余時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，則一天之內(nèi)，風(fēng)機(jī)通過變頻可以減少7%左右的風(fēng)量。采用變風(fēng)量的通風(fēng)系統(tǒng)全年可節(jié)約用能20%。根據(jù)2號(hào)線能耗分布計(jì)算結(jié)果，通風(fēng)系統(tǒng)用能初、近、遠(yuǎn)期分別為970 kWh/年、1 235 k Wh/年、1 355 k Wh/年，則初期節(jié)能約194萬k Wh/年，近期節(jié)能約247萬k Wh/年，遠(yuǎn)期節(jié)能約271萬k Wh/年。

3.3 再生制動(dòng)設(shè)計(jì)

電氣制動(dòng)可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將車輛動(dòng)能回饋至牽引網(wǎng)，供相鄰車輛吸收。根據(jù)已建地鐵相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，與

電阻制動(dòng)相比，再生制動(dòng)節(jié)能效果顯著，采用再生制動(dòng)及再生制動(dòng)吸收裝置，再生回饋電能在40%左右。但由于非高峰時(shí)段行車密度低，故再生率低，只有約15%的電能被再生制動(dòng)吸收裝置吸收。2號(hào)線列車運(yùn)行一個(gè)單程的牽引電能消耗總量約為325.08 kWh，全日發(fā)車對(duì)數(shù)在初、近、遠(yuǎn)期分別為142、188/12（總的配屬車/小交路）、209/38（總的配屬車/小交路）對(duì)。經(jīng)計(jì)算，電容式再生制動(dòng)吸收裝置比電阻式吸收裝置初期節(jié)能約505萬kWh/年，近期節(jié)能約706萬kWh/年，遠(yuǎn)期節(jié)能約874萬kWh/年。

3.4 中壓供電設(shè)計(jì)

項(xiàng)目選用35 k V的中壓供電網(wǎng)絡(luò)，在同等線路長(zhǎng)度和負(fù)荷情況下，與分散式供電系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的10 k V電壓等級(jí)相比，可節(jié)省線路損耗約10%。采用平均功率乘系統(tǒng)K的方法估算可得2號(hào)線35 k V中壓供電網(wǎng)絡(luò)年損耗為142.68萬kWh，與10 k V供電網(wǎng)絡(luò)相比則每年可節(jié)約電能16萬kWh左右。

3.5 牽引供電設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)采用1 500 V接觸軌為列車供電，與750 V接觸軌相比，可使?fàn)恳冸娝鶖?shù)量減少，相同牽引功率下牽引網(wǎng)的電流也較小，相應(yīng)的牽引網(wǎng)能耗更低。采用1 500 V供電每公里年節(jié)約牽引網(wǎng)能耗約4萬k Wh［8］，每年可節(jié)約電能約84萬k Wh。不同電壓等級(jí)下相關(guān)參數(shù)如表3所示。

3.6 變壓器容量設(shè)計(jì)

降壓變電所根據(jù)各專業(yè)負(fù)荷情況合理配置變壓器容量為1 000 k VA，在滿足項(xiàng)目用電需求的同時(shí)不設(shè)置過大容量的變壓器。計(jì)算可得年綜合功率損耗為196.48萬k Wh/年；與類似地鐵工程地下車站變壓器采用1 250 k VA相比，節(jié)約電能約10.37萬k Wh/年。變壓器空、負(fù)載損耗值如表4所示。

表4 不同容量變壓器空載、負(fù)載損耗比較

3.7 變頻自動(dòng)扶梯設(shè)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)自動(dòng)扶梯采用變頻運(yùn)行方式（VVVF方式），其低速運(yùn)行時(shí)耗電量?jī)H為設(shè)計(jì)負(fù)荷用電量的10%，整體可以節(jié)約電能50%左右（見表5）。計(jì)算可得到變頻扶梯和普通扶梯的年耗電量，如表6所示。

表5 自動(dòng)扶梯電機(jī)功率

表6 變頻扶梯與普通扶梯年耗電量比較

3.8 輕型車體材料設(shè)計(jì)

選用不同的車體材料，車體自重就不同，牽引能耗也不同。耐候鋼、不銹鋼、鋁合金車體自重分別為44.23 t、41.53 t、39.73 t，其載重同為3.2 t。2號(hào)線玉洞—西津段不同車體的牽引能耗量見表7。經(jīng)計(jì)算可知，近期選用不銹鋼車比耐候鋼車節(jié)能297萬kWh，選用鋁合金車比耐候鋼車節(jié)能494萬kWh。

表7 不同車體材料牽引能耗量

3.9 LED照明設(shè)計(jì)

由于LED（發(fā)光二極管）燈光效高，比日光燈節(jié)能，本工程采用LED燈具照明。不同燈具的能耗量見表8。

表8 不同燈具的能耗量

南寧市軌道交通2號(hào)線共13座地下站和3座高架站，因此全線照明系統(tǒng)采用LED燈可節(jié)約能耗約為567萬k Wh/年。采用了3座高架站，比全地下站可節(jié)約照明能耗約為73萬k Wh/年。

3.10 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用屏蔽門設(shè)計(jì)

南寧地區(qū)全年使用空調(diào)季節(jié)長(zhǎng)，且氣溫高、空氣濕度大。地鐵車站設(shè)置屏蔽門后，車站公共區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷將大大減小（約為普通閉式空調(diào)系統(tǒng)的1/ 3），通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的初投資、運(yùn)行費(fèi)用和土建初投資也會(huì)比閉式系統(tǒng)節(jié)省。根據(jù)2號(hào)線能耗分布計(jì)算結(jié)果，空調(diào)系統(tǒng)用能近期約為2 789 kWh/年，估算每座地下車站可節(jié)約運(yùn)行能耗80萬k Wh/年。

4 結(jié)語

節(jié)能設(shè)計(jì)是軌道交通設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)。南寧城市軌道交通2號(hào)線在節(jié)能設(shè)計(jì)方面采取了一系列措施，從工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)三個(gè)不同階段出發(fā)，結(jié)合軌道交通工程設(shè)備專業(yè)多、車站建筑工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，著重從材料選擇、系統(tǒng)方案、節(jié)能設(shè)備選型這幾個(gè)方面采取節(jié)能措施。所采取的節(jié)能措施，在滿足城市軌道交通可靠運(yùn)行的前提下，體現(xiàn)較好的節(jié)能效果，可有效地降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

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Energy-saving Design and Application for Nanning Metro Line 2

Liu Lin

Taking Nanning metro Line 2 as a case study，and based on an analysis of energy consumption，the energysaving measures are adopted from 2 aspects：the traction power supply loss；the ventilation and air conditioning system.By setting energy conservation section，adopting regenerative braking energy absorption devices，using frequency conversion technology and so on，the goal of energy-saving is achieved in the fields of track，operation，vehicle，power supply and ventilation.The research results show that the energy-saving effect is obvious，and the implemented measures can effectively reduce the operating costs，achieve higher economic and environmental benefits.

urban rail transit；traction power supply loss；ventilation and air conditioning；energy conservation section；frequency conversion technology

TK 018：U 231

2013-12-20）

*南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20123121）