洛陽地鐵運營節能措施研究

張 昊,王志亮,王 杭

(洛陽市軌道交通集團有限責任公司,河南 洛陽 471023)

推動安全、便捷、綠色、高效、經濟的智慧城軌建設是實現交通強國的必然要求。城市軌道交通的主要能源為電力,具有“綠色交通”的特點,但是城市的資源承載能力也因地鐵系統巨大的耗電量而面臨著越來越大的壓力。為貫徹落實國家節能減排要求,深入實施綠色低碳轉型戰略,同時為地鐵節能運營積累經驗,結合洛陽地鐵能耗現狀,分析城市軌道交通系統能耗構成,提出節能措施,也為后續線路建設及設備選型提供參考。

1 城市軌道交通能耗分析

車輛系統及車站設備系統能耗構成了城市軌道交通運營的主要能耗。車輛系統能耗包括牽引制動能耗、車載輔助設備能耗等,車站設備系統能耗包括車站及區間設備如風機、空調、自動扶梯、照明、售檢票機等的能耗。根據城市軌道交通協會統計,2022年全國城軌交通總電能耗227.92億千瓦時、同比增長6.89%,其中牽引能耗113.15億千瓦時、同比增長6.39%,占總電能耗的49.65%。因此,針對車輛系統及車站設備系統開展節能措施研究,可有效降低城市軌道交通運營成本,以及提高能源利用率。

2 列車運行控制節能措施

2.1 牽引節能

(1)列車正線運行模式為CBTC(基于通信的列車控制)模式,列車在正線運行的速度工況如圖1所示。可以通過提高牽引制動力使用比率、增加運行時間、增加惰行時間、避免不必要的再次牽引及制動、減少進站限速長度等運行控制策略,實現列車的節能效果。

圖1 列車運行速度工況

(2)洛陽地鐵線路設置一種地面能饋裝置,以高再生率弱化機械摩擦制動,延長制動系統使用壽命。通過將列車制動過程中產生的能量收集并回饋至電網,有助于降低隧道溫度,減輕通風空調系統負荷,免除車載制動電阻及其散熱風機的輔助能耗,供牽引供電設備和動力照明設備使用,從而達到節能目的。

(3)采用輕量化車體,降低列車自重,減少能耗。鋁合金和碳素鋼為目前地鐵電客車車體選用的主流材料,輕量化是鋁合金車體的顯著優點,相較碳素鋼重量可降低30%～35%。洛陽地鐵電客車車體、主風道和門前防滑踏板材料均采用鋁合金,車體結構采用鋁合金中空結構,有效降低運行能耗。

(4)洛陽地鐵線路設計時,部分區間采用了進站上坡、出站下坡形式,有效降低列車能耗,節能坡設置示意圖如圖2所示。出站時,車輛可以借助下坡勢能提升速度,縮短牽引時間;進站時,車輛可借助上坡阻力降低速度、縮短制動時間、減少制動發熱。

圖2 節能坡設置示意圖

2.2 行車組織節能

行車組織模式主要包括列車技術速度、停站方案和運行方案等[1],規定了各車次運行交路及途經車站的到發時間,與牽引能耗密切相關。洛陽地鐵運營初期高峰時段客流量不大,采用單一交路方案,可以滿足平峰及高峰時段客流需要,節約初期牽引能耗;同時結合客流情況在特殊時期對運行圖進行合理優化,如在牡丹花會期間延長運營時間,縮短行車間隔。在近遠期,客流量會大幅增加,設計采用大小交路方案,不僅可以提高運力和服務水平,而且大大降低牽引能耗。

2.3 車載輔助設備節能

列車運行過程中,輔助裝置中的通風、照明、控制的功率相對穩定,影響其功率變化的主要因素是由于外界環境溫度變化導致的加熱器和空氣壓縮機功率的變化,進而使能耗發生相應變化[2]。為滿足乘車舒適性,洛陽地鐵電客車客室照明采用自動調光設備,包括調光控制器和感光器。感光器采集車廂內環境光照度發送給照明調光控制器進行數據處理,調整驅動電源的PWM(輸出脈沖寬度調制)占空值,從而調整燈具亮度。

測試不同占空值照明功率,根據測試情況洛陽地鐵電客車客室照明調光控制器設置為正常時的PWM=70%,即外界無光照時的PWM輸出值為70%(隧道無其他光源時滿足客室平均照度標準要求);在地面線路運行時的PWM輸出可降低至20%(外界天氣晴朗條件),在滿足車廂照度的同時降低列車能耗。

3 通風空調系統節能措施

洛陽地鐵車站通風空調系統公共區冷源采用水冷直接制冷式空調機組。為簡化空調系統配置、節約能耗,水冷直接制冷機組將水冷表面式空氣冷卻器改為制冷劑直接膨脹蒸發空氣冷卻器,處理空氣時由制冷劑直接蒸發冷卻帶走顯熱負荷和潛熱負荷,減少了中間的二次換熱(省去了冷凍水系統)。壓縮機采用磁懸浮壓縮機,磁懸浮機組一般是相同冷量螺桿式制冷機組重量的五分之一,體積的二分之一,噪聲值降低10 dB以上,而且兼具部分負荷高效率。水冷直接制冷機組比傳統的螺桿式冷水機組冷機運行效率高,降低了運行能耗,同時系統高度集成,節省機房面積。

4 動力照明系統節能措施

(1)洛陽地鐵車站采用智能照明系統,借助各種預設置控制方式及控制元件設置站廳、站臺、出入口的公共區照明、導向照明、地面廳照明等不同條件下的照度,達到節能效果。根據車站現場條件及運營情況,設置全亮、高峰、低峰、清掃、停運、節能計六種場景模式,依據運營時段和太陽光照度,實現車站照明的定時和自動管理。

(2)自動售票設備設計要求為滿足24小時不間斷運行條件,長期處于開機模式,設備每個模塊都長時間處于運行狀態加劇了老化,并在停運時間內造成能源浪費。因此,為了延長設備使用壽命,每天停運后將車站自動售票設備關閉,運營前30分鐘開啟,大幅降低設備能耗。后續將通過技術改造等途徑,增加時間控制模塊,實現自動售票設備定時開、關機功能,有效降低人工成本。

(3)通過搭建洛陽地鐵能源管理系統,構建先進、成熟、穩定、可靠的地鐵能耗平臺,分類統計電能數據并進行智能化分析,形成各種報表,為實現地鐵能耗的實時在線分類、分項、分戶計量,以及能源質量監測和用能設備自動化節能控制提供平臺和技術手段,從而達到提升能源管理水平、降低運營成本的目的。

5 結語

通過全面的節能改進措施,可以有效降低地鐵運營成本,最大程度體現地鐵運營公益加效益的優勢,最終使二者達到融合共存。隨著節能改造力度不斷提高,洛陽地鐵將堅持綠色規劃先行,大力推進綠色能源發展,打造“綠色城軌”。