軌道交通機(jī)電創(chuàng)新節(jié)能工作的思考與探索

劉彧 李文杰 張東海

摘要：隨著我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)能耗快速增長(zhǎng)，軌道交通已逐漸成為各城市的用電大戶。開展軌道交通機(jī)電創(chuàng)新節(jié)能探索研究，既是相應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，也是降低運(yùn)營(yíng)成本、實(shí)現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。在總結(jié)國(guó)內(nèi)軌道交通機(jī)電創(chuàng)新節(jié)能成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究提出了促進(jìn)軌道交通機(jī)電創(chuàng)新節(jié)能工作的措施和方法，為國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)創(chuàng)新節(jié)能工作提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通；運(yùn)營(yíng)能耗；創(chuàng)新節(jié)能；措施

引言

近年來，為滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的公共交通出行需求，全國(guó)各地市都在加快建設(shè)城際軌道交通。截止2017年末，我國(guó)內(nèi)地共計(jì)35個(gè)城市開通軌道交通并投入運(yùn)營(yíng)，開通線路171條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度達(dá)到5083公里。軌道交通用電總負(fù)荷量大，已成為城市的用電大戶。開展軌道交通領(lǐng)域創(chuàng)新節(jié)能探索與研究，對(duì)促進(jìn)軌道交通可持續(xù)發(fā)展，降低能源消耗，節(jié)約運(yùn)行成本具有重要意義。通過對(duì)北京、上海、杭州、寧波等城市軌道交通創(chuàng)新節(jié)能工作的深入調(diào)查，總結(jié)提煉有關(guān)做法和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合杭海城際鐵路機(jī)電工程實(shí)際，提出了軌道交通行業(yè)創(chuàng)新節(jié)能的對(duì)策和建議。

一、發(fā)展現(xiàn)狀

（一）能耗分析

軌道交通機(jī)電系統(tǒng)組成復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量眾多，其在運(yùn)營(yíng)過程需要消耗大量能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)約20km的軌道交通線路，北方城市和南方城市的年耗電量約為8000萬(wàn)kWh和10000萬(wàn)kWh。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)軌道交通線路的用能情況統(tǒng)計(jì)分析，軌道交通運(yùn)營(yíng)過程中消耗能源的主要形式是電能和水。電能消耗主要分布在列車牽引用電和各種動(dòng)力照明設(shè)備用電，如通風(fēng)空調(diào)、自動(dòng)扶梯、照明、弱電設(shè)備等方面。用水消耗主要是車站、控制中心及車輛段等生產(chǎn)生活用水等。

軌道交通能耗分布見下圖1

如圖1所示，列車牽引用電占總能耗的45～60%、通風(fēng)空調(diào)用電占總能耗的30～40%、照明用電占總能耗的12～15%、電扶梯占總能耗的8～12%、給排水占總能耗的1～3%、其它占總能耗的5～8%。列車牽引供電、通風(fēng)空調(diào)、電扶梯、照明等的能耗占總能耗的90%左右。

（二）發(fā)展趨勢(shì)

目前軌道交通創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)發(fā)展日新月異，技術(shù)和設(shè)備發(fā)展主要呈現(xiàn)人性化、自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化[1]等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市已開展軌道交通創(chuàng)新節(jié)能方面的探索與研究，也有一些成功實(shí)施的案例，如車輛輕量化設(shè)計(jì)、車輛再生制動(dòng)應(yīng)用、供電系統(tǒng)變壓器容量合理化[2]、弱電專業(yè)UPS電源集中供電、節(jié)能設(shè)備和太陽(yáng)能資源利用等?，F(xiàn)將各機(jī)電專業(yè)行業(yè)趨勢(shì)及創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如下：

1、車輛

軌道交通車輛采用的電動(dòng)車組特點(diǎn)是車輛自重較大，其質(zhì)量約占定員車總重的60%，絕大部分牽引用電消耗在車輛自重上，因此應(yīng)從車輛設(shè)計(jì)、選型考慮節(jié)能降耗，降低車輛運(yùn)營(yíng)能耗。

1）減輕車輛自重。采用流線型車體設(shè)計(jì)，合理布置車下設(shè)備是減少牽引耗電的有效措施；

2）改進(jìn)調(diào)速控制方式。采用交流變頻變壓傳動(dòng)裝置（VVVF），減少列車調(diào)速時(shí)由附加電阻消耗掉的電能；

3）列車采用動(dòng)拖混合編組形式，使用列車動(dòng)力軸動(dòng)態(tài)配置方式，控制降低能耗；

4）使用變頻調(diào)節(jié)的空調(diào)設(shè)備和節(jié)能照明燈具；

5）采用填充隔熱保溫材料提高車輛密封性，以降低空調(diào)能量的消耗。

2、供配電系統(tǒng)

1）根據(jù)各類負(fù)荷特點(diǎn)和運(yùn)行要求，合理選定變壓器容量和采用無功補(bǔ)償裝置；

2）合理安排牽引整流機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，晚間列車停運(yùn)后可考慮牽引整流機(jī)組停止運(yùn)行，以減少空載損耗；

3）各種設(shè)備電機(jī)選擇高效電機(jī)[3]，同時(shí)保持其始終工作在高效率區(qū)；

4）推廣應(yīng)用再生制動(dòng)能量循環(huán)利用技術(shù)[4]；

5）采用LED等高效節(jié)能燈具，根據(jù)不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段和區(qū)間要求，實(shí)現(xiàn)按需照明。

3、弱電系統(tǒng)

1）通信、綜合監(jiān)控、AFC等系統(tǒng)UPS電源采用集中供電方式；

2）盡量采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、設(shè)備配置少的系統(tǒng)；

3）采用高效節(jié)能的設(shè)備和器材；

4）在滿足運(yùn)營(yíng)需求的情況下，采用節(jié)能模式運(yùn)行。

4、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

通過采用全封閉屏蔽門技術(shù)、風(fēng)機(jī)水泵變頻技術(shù)、空調(diào)冷凍水大溫差技術(shù)、集中供冷技術(shù)等達(dá)到環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能。

1）空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采用智能控制技術(shù)、車站空調(diào)水系統(tǒng)變流量智能控制技術(shù)，推廣應(yīng)用再生能源的空調(diào)系統(tǒng)等；

2）車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制；

3）采用節(jié)能、高效型空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備和配件；

4）冷凍泵站采用群控，提高供冷系統(tǒng)的能效比；

5）車站控制室、信號(hào)設(shè)備室、信號(hào)電源室等房間采用VRV系統(tǒng)，作為備用冷源。

5、自動(dòng)扶梯

采用具有變頻調(diào)速功能的公共交通重載荷型自動(dòng)扶梯，實(shí)行分時(shí)管理，自動(dòng)變速，達(dá)到有效節(jié)能的目的。

6、車輛段及綜合基地

1）推廣使用光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱水器等“四新”技術(shù)；

2）加強(qiáng)對(duì)廢水的循環(huán)利用，將洗車后將水收集處理后循環(huán)使用[5]；

3）綜合分析設(shè)備使用工況及負(fù)載狀況，合理選用起重機(jī)、內(nèi)燃機(jī)車和叉車等高能耗設(shè)備的容量；

4）充分利用自然采光措施，設(shè)計(jì)選用采光帶、帶孔磚等；

5）加強(qiáng)對(duì)列檢檢查坑照明系統(tǒng)的分級(jí)回路控制。

7、行車組織

1）確定全線總體運(yùn)營(yíng)規(guī)模、合理確定列車編組、合理設(shè)置運(yùn)營(yíng)交路、合理安排列車運(yùn)營(yíng)對(duì)數(shù)等措施有效降低能耗；

2）通過列車采用節(jié)能運(yùn)行圖，降低牽引電機(jī)負(fù)荷和車輛制動(dòng)能耗，從而達(dá)到減少列車牽引能耗；

3）研究制定節(jié)能合理的列車運(yùn)行方式和行車組織；

4）根據(jù)線路的坡度、彎道及列車載重等情況，自動(dòng)調(diào)整行車速度，控制惰行點(diǎn)，使列車運(yùn)行速度保持在最佳狀態(tài)，以減少能耗；

5）在滿足客流量要求的前提下，適當(dāng)安排各時(shí)段的列車開行對(duì)數(shù)，提高列車滿載率。

二、存在主要問題

1、各專業(yè)工程沒有節(jié)能專項(xiàng)驗(yàn)收環(huán)節(jié)、節(jié)能工作基本是呈現(xiàn)專業(yè)、板塊拼湊的現(xiàn)狀；

2、城際鐵路交通用能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)缺失，急需建立節(jié)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)估、評(píng)價(jià)體系；

3、單一節(jié)能技術(shù)多，缺乏綜合性和系統(tǒng)性的創(chuàng)新節(jié)能解決方案；

4、能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)零散，急需建立能耗大數(shù)據(jù)庫(kù)和能源管控平臺(tái)。

三、對(duì)策和建議

1、加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，建立相應(yīng)考核激勵(lì)措施

成立創(chuàng)新節(jié)能領(lǐng)導(dǎo)小組，制定節(jié)能管理辦法，明確規(guī)定節(jié)能管理的要求和責(zé)任，重點(diǎn)從“列車運(yùn)行組織優(yōu)化、設(shè)備節(jié)能模式運(yùn)行、定時(shí)通風(fēng)排熱、空調(diào)溫度智能調(diào)節(jié)、分時(shí)段照明、節(jié)能用電用水” 等方面制定了機(jī)車、車站、車輛維修基地、控制中心等各類節(jié)能管理措施和辦法，并出臺(tái)了相應(yīng)的獎(jiǎng)懲措施。

2、廣泛調(diào)研，全面掌握行業(yè)技術(shù)發(fā)展

對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)外軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)技術(shù)發(fā)展，深入廣泛開展市場(chǎng)調(diào)研，組織開展國(guó)內(nèi)外主流設(shè)備廠家技術(shù)交流，拓寬行業(yè)視野，全面了解掌握行業(yè)發(fā)展及創(chuàng)新節(jié)能措施，為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)備選型奠定了基礎(chǔ)。

3、優(yōu)化設(shè)計(jì)，切實(shí)落實(shí)創(chuàng)新節(jié)能要求

在借鑒國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域創(chuàng)新節(jié)能實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合杭海城鐵工程“建設(shè)+運(yùn)營(yíng)”實(shí)際，堅(jiān)持全壽命周期成本的理念，從設(shè)計(jì)源頭抓起，組織設(shè)計(jì)院、運(yùn)營(yíng)公司等重點(diǎn)對(duì)牽引系統(tǒng)節(jié)能控制設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，并同步將有關(guān)創(chuàng)新節(jié)能要求落實(shí)到招標(biāo)文件技術(shù)規(guī)格書。

4、創(chuàng)新引領(lǐng)，高起點(diǎn)明確機(jī)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)

組織設(shè)計(jì)院、運(yùn)營(yíng)公司對(duì)技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行多次審查及確認(rèn)，從可靠性、免維護(hù)性、智能化等方面，高標(biāo)準(zhǔn)地提出并明確了關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和功能要求，確保選優(yōu)配強(qiáng)物資設(shè)備，為打造品質(zhì)工程奠定了基礎(chǔ)。

5、提前謀劃，穩(wěn)步推進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用

加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先的企業(yè)、科研院所的交流合作，取長(zhǎng)補(bǔ)短，依托其技術(shù)與研發(fā)優(yōu)勢(shì)，對(duì)標(biāo)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，積極跟蹤無人駕駛、掃碼過閘、互聯(lián)互通、云平臺(tái)與大數(shù)據(jù)等技術(shù)發(fā)展，切實(shí)推動(dòng)創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)的落地應(yīng)用。針對(duì)軌道交通機(jī)電工程的重難點(diǎn)問題，聯(lián)合開展專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，突破一些創(chuàng)新節(jié)能的核心技術(shù)，取得一批實(shí)用性強(qiáng)、節(jié)能效果好的成果，有力支持機(jī)電工程的創(chuàng)新節(jié)能。

6、構(gòu)建城際鐵路用能評(píng)價(jià)體系

通過對(duì)城際鐵路機(jī)電各專業(yè)能耗深入調(diào)研分析，掌握能耗用能規(guī)律特性，研究建立一套能耗指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，研發(fā)一套基于云平臺(tái)的能源管理系統(tǒng)，通過對(duì)能耗數(shù)據(jù)的深度挖掘分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)各用電系統(tǒng)及大型設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析對(duì)比、診斷預(yù)警及節(jié)能優(yōu)化等精細(xì)化管理[6]，有效提升能源利用效率和管理水平。

7、全面深化BIM技術(shù)應(yīng)用

結(jié)合機(jī)電工程實(shí)際，綜合考慮BIM技術(shù)在機(jī)電工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等階段全過程的應(yīng)用，建立涵蓋設(shè)備信息、施工工藝等全過程的BIM數(shù)字化模型。利用BIM技術(shù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，提前發(fā)現(xiàn)并解決機(jī)電工程管線綜合、深化設(shè)計(jì)難題，利用支吊架工廠化預(yù)制等措施，有效保障工程進(jìn)度和質(zhì)量，提升機(jī)電工程標(biāo)準(zhǔn)化管理。開發(fā)基于BIM模型的運(yùn)營(yíng)管理信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在機(jī)電工程的全壽命周期應(yīng)用。

8、全面推行標(biāo)準(zhǔn)化施工管理

堅(jiān)持“走出去、引進(jìn)來”，對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)軌道交通機(jī)電工程管理經(jīng)驗(yàn)，高標(biāo)準(zhǔn)建立機(jī)電工程施工、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，全面推行實(shí)施機(jī)電工程標(biāo)準(zhǔn)化管理，結(jié)合勞動(dòng)立功競(jìng)賽等活動(dòng)，積極鼓勵(lì)各施工單位加強(qiáng)對(duì)技術(shù)創(chuàng)新投入，優(yōu)化工藝、工序及施工方法，全力打造杭海城鐵品質(zhì)工程、精品工程。

9、嚴(yán)格落實(shí)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化要求

根據(jù)國(guó)家有關(guān)軌道交通機(jī)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)率的有關(guān)要求，在不降低軌道交通建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，合理確定各種設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率，積極采用技術(shù)成熟、安全可靠、技術(shù)性能相對(duì)先進(jìn)，便于維護(hù)管理的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備及零部件，有效降低運(yùn)營(yíng)成本。

10、打造設(shè)備全壽命周期管理

堅(jiān)持“建運(yùn)維”一體化，始終將全壽命周期成本理念貫徹了工程的全過程，重點(diǎn)從設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、施工管理、資產(chǎn)移交等方面著手，統(tǒng)籌創(chuàng)新節(jié)能設(shè)計(jì)，選擇穩(wěn)定可靠、便于維修管理的物資設(shè)備，全面提升工程品質(zhì)，充分考慮建設(shè)與運(yùn)維階段數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)全壽命周期管理。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)軌道交通的快速發(fā)展和創(chuàng)新節(jié)能要求的不斷提高，針對(duì)軌道交通節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)單一、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)零散、評(píng)價(jià)體系缺失等現(xiàn)狀，結(jié)合工程建設(shè)實(shí)際，研究提出了建立考核激勵(lì)機(jī)制、構(gòu)建用能評(píng)價(jià)體系、實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期、推行BIM技術(shù)的應(yīng)用等措施，以“技術(shù)+管理”的模式實(shí)現(xiàn)軌道交通的創(chuàng)新節(jié)能管理，從而為國(guó)內(nèi)同類軌道交通機(jī)電項(xiàng)目創(chuàng)新節(jié)能工作提供借鑒。

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