地鐵低壓供電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略研究

中國水利水電第五工程局有限公司 何興偉

1 引言

地鐵作為一種快速軌道交通工具，具有頻次高、速度快、運載量大、安全性高、輻射范圍廣等眾多優(yōu)勢，備受大中型城市的青睞，不僅緩解了城市的交通壓力，且對地鐵沿線區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展具有積極的帶動作用，為城市經(jīng)濟發(fā)展注入新的活力。但地鐵在運行過程中電能消耗較大，應(yīng)用地鐵低壓供電系統(tǒng)，在保證地鐵運行中能得到穩(wěn)定電力資源支持的同時，盡量減少不必要的電能消耗，提高電力資源的利用率，不但能顯著降低地鐵運營成本，擴大地鐵運營的經(jīng)濟效益，還能間接地減少電力生產(chǎn)過程中對自然能源的消耗量，保護(hù)自然環(huán)境，獲得良好的生態(tài)效益。

2 地鐵供電系統(tǒng)電力資源耗能原因分析

城市地鐵是依托軌道交通供電系統(tǒng)供能得以運行，軌道交通供電系統(tǒng)中主要包含高壓供電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)三個主要部分。城市電網(wǎng)中110kV等級電壓在輸入軌道交通供電系統(tǒng)后，先經(jīng)由高壓供電源系統(tǒng)的主變電所進(jìn)行降壓，再通過牽引所及降壓所為地鐵提供運行和照明所需電能。該部分電能產(chǎn)生損耗的主要原因包含空載、熱損耗、線路損耗等，深入分析地鐵運行中各項電能損耗的數(shù)值，對應(yīng)用針對性地鐵低壓供電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略具有重要意義。本文以某城市地鐵2號線2019年運營電能消耗記錄為例，全面分析引發(fā)地鐵抵押供電系統(tǒng)高耗能的主要原因，該線路地鐵2019年全年運行中的能耗類型和能耗值統(tǒng)計如表1和圖1所示。

表1 某城市地鐵2號線2019年能耗統(tǒng)計情況

圖1 某城市地鐵2號線電能消耗占比圖

2.1 牽引供電系統(tǒng)的電能消耗情況分析

牽引供電系統(tǒng)中包含牽引網(wǎng)、牽引變電所、回流線、鋼軌等多種場所及設(shè)備設(shè)施，其主要作用是通過牽引供電系統(tǒng)，使地鐵列車獲得運行所必需的動力及制動力。牽引供電系統(tǒng)能耗水平會直接受到地鐵頻次、載客量、列車運行速度、運行時間及線路坡度等因素的影響，也是城市地鐵運行中產(chǎn)生電能消耗的最主要原因。

2.2 低壓配電系統(tǒng)的電能消耗情況分析

低壓配電系統(tǒng)中包含動力照明配電線路、降壓變電所等設(shè)備設(shè)施和場所，其主要作用是為地鐵站、地鐵列車、區(qū)間、空調(diào)設(shè)備、電梯、商業(yè)場所及設(shè)備和自動化設(shè)備等提供運行所需電源。低壓配電系統(tǒng)在運行中的耗電途徑較多，具體包含以下幾種類型：

2.2.1 地鐵空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)運行耗電

地鐵建設(shè)在地下環(huán)境中，通風(fēng)換氣功能不足，加之人員密集程度高，必須全天候利用空調(diào)系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)對地下環(huán)境進(jìn)行換氣和制冷。地鐵軌道交通環(huán)境中的空調(diào)系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)中包含設(shè)備較多，如風(fēng)機設(shè)備、冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、消防水泵等，每個系統(tǒng)及設(shè)備在長時間運行中都會消耗大量電力資源，且相關(guān)空調(diào)設(shè)備和給排水設(shè)因運行時間較長，老化速度較快，電能消耗水平可能比同類型設(shè)備更高。因此，在地鐵運行過程中，空調(diào)系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)成為僅次于牽引供電系統(tǒng)的第二大耗電途徑。

2.2.2 地鐵門梯系統(tǒng)運行耗電

為提升地鐵客流量，增加居民出行的便捷性，地鐵站內(nèi)都設(shè)置多個用于集散的電梯設(shè)備，且電梯種類齊全，如客體、貨梯、扶梯、雜物梯等，各電梯設(shè)備需要和地鐵運行時間保持同步運行。另外，為保護(hù)乘客安全，當(dāng)前一些城市地鐵站臺都設(shè)置電動站臺門，跟隨地鐵列車出到站情況進(jìn)行開合，該類設(shè)備在長時間運行過程中也需要大量電能支撐。

2.2.3 地鐵照明系統(tǒng)運行耗電

地鐵內(nèi)部環(huán)境完全依靠各類照明設(shè)備進(jìn)行采光，照明設(shè)備覆蓋全面，如辦公照明、設(shè)備照明、隧道照明、列車內(nèi)部照明、車站內(nèi)部照明、電纜通道照明燈[1]。

2.2.4 其他系統(tǒng)及設(shè)備運行耗電

除以上大型系統(tǒng)在運行中需要耗電外，地鐵軌道交通環(huán)境中還包含多種弱電設(shè)備設(shè)施需要長時間運行，如自動售票機、安檢機、地鐵信號設(shè)備、辦公設(shè)備等，加之一些地鐵站地下通道中設(shè)置便利店，各類店鋪用電及商業(yè)建設(shè)施工也會消耗電能，各類系統(tǒng)、設(shè)備、辦公、商業(yè)用電的年耗電總量也較為可觀。

3 地鐵低壓供電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略分析

3.1 構(gòu)建智能化能源管理系統(tǒng)

近年來，大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展，為各行業(yè)和企業(yè)發(fā)展提供了新的技術(shù)解決方案，對城市軌道交通來說，若想真正提高地鐵供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗水平，對地鐵運行中各耗電系統(tǒng)的耗電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分類、儲存十分必要，只有保障地鐵各系統(tǒng)耗能數(shù)據(jù)采集的全面性，才能根據(jù)各系統(tǒng)的耗電水平，采用針對性的節(jié)能降耗策略。因此，可借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立智能化能源管理系統(tǒng)，建立能耗管理架構(gòu)，對城市地鐵網(wǎng)絡(luò)中所有線路、地鐵站、各項設(shè)備、設(shè)施的用電信息進(jìn)行自動采集、處理、分類和匯總。能耗管理架構(gòu)按照分類和分戶兩種方式進(jìn)行建設(shè)，架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 地鐵耗電管理架構(gòu)圖

相關(guān)部門可利用智能化能源管理系統(tǒng)，對不同類別用戶和設(shè)備設(shè)施的耗電情況進(jìn)行監(jiān)控和管理，具體包含以下五個管理方向：

一是對地鐵站內(nèi)辦公用電及商業(yè)用電情況進(jìn)行采集、統(tǒng)計和分析，根據(jù)地鐵站正常辦公用電及商業(yè)用電情況設(shè)置用電上限預(yù)警值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某商戶或辦公用電超出預(yù)警值后，及時分析出現(xiàn)超量用電的原因，并采取有效措施對其進(jìn)行整改。

二是對地鐵站內(nèi)各設(shè)備設(shè)施進(jìn)行分類、分時段、分區(qū)域耗電量對比，通過分析各設(shè)備設(shè)施耗電的異常情況，即可發(fā)現(xiàn)存在過度老化或故障的設(shè)備設(shè)施，通過對其進(jìn)行維修或更換改善相關(guān)設(shè)備設(shè)施的異常耗電現(xiàn)象。

三是分析同一地鐵站內(nèi)不同設(shè)備的耗電情況，針對站內(nèi)耗電量較大設(shè)備設(shè)施采用合適的節(jié)能減排措施。

四是分析同一線路中不同地鐵站的整體耗電水平，同時結(jié)合不同車站的客流量、客流峰值等數(shù)據(jù)，對不同地鐵站運營采用針對性節(jié)能降耗策略。

五是按周、月、年對各條線路、各地鐵站運營過程中的耗電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，通過同比、環(huán)比等方式，對電能消耗較大的車站、設(shè)備等進(jìn)行針對性節(jié)能降耗改造。

3.2 牽引供電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略

通過上文分析某城市地鐵2號線年均總用電數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，牽引供電耗電和低壓配電耗電在地鐵運營總耗電量中約占85%，因此必須采用行之有效的節(jié)能降耗措施對以上兩種系統(tǒng)的耗電情況進(jìn)行優(yōu)化，才能切實提高地鐵低壓供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗水平。

3.2.1 合理調(diào)整列車頻次，減少電能消耗

應(yīng)用智能化能源管理系統(tǒng)對單條線路地鐵的月空載量進(jìn)行統(tǒng)計，并通過公式計算出各條線列車在空載過程中產(chǎn)生的不必要電量消耗，才能使制定針對性節(jié)能降耗措施得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[2]。假設(shè)單條地鐵月空載運營里程為13000km，載客運營里程為250000km，則地鐵牽引系統(tǒng)供電能耗計算公式為：

其中A空表示地鐵空載耗電值；A載表示地鐵定額載客耗電值；ΔA表示單位耗電，此處計算取值0.052kWh/t·km；M空表示地鐵空載運行里程；M載表示地鐵載客運行里程；G定表示地鐵空載重量；G定表示地鐵定額載運行重量。

若地鐵列車種類為B型車4動2拖，動力列車重量為35t/列，拖車重量為33t/列，則地鐵列車重量為35×4+33×2=206t；乘客人均重量取值60㎏，單節(jié)列車額定載客量為1460人，則客重87.6t。

通過計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單條地鐵月空載運營里程為13000km時，該條地鐵空載耗電量約為1671 072kWh，數(shù)值較高。因此，地鐵供電管理部門必須對單條地鐵的運行情況進(jìn)行深入調(diào)查和分析，了解每條地鐵線路、各地鐵站的人流情況，在節(jié)假日、上下班高峰時段中，適當(dāng)提高地鐵運行頻次，還可在高峰地段中設(shè)置區(qū)間車，以在減少電力消耗的基礎(chǔ)上，提高地鐵運力。在低峰時段中，延長地鐵間隔頻次，減少列車空載率，進(jìn)一步節(jié)省電能。

3.2.2 優(yōu)化列車行駛速度，減少電能消耗水平

當(dāng)?shù)罔F列車以速度v進(jìn)行行駛時，行駛過程中所受阻力設(shè)為Fw，列車總重量設(shè)為M，列車制動距離設(shè)為S，則制動過程中產(chǎn)生的能量E可用以下公式進(jìn)行計算：

通過上述公式計算可知，當(dāng)列車行駛速度越大，產(chǎn)生的制動能量越大，列車制動距離越遠(yuǎn)，制動所需時間越多，用于制動消耗的能量越高[3]。因此，可根據(jù)列車載客流量情況合理調(diào)整列車的行駛速度，提高列車運行效率的同時，減少地鐵在客流低峰時段中不必要的電能消耗。

3.3 低壓配電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略

地鐵低壓配電系統(tǒng)運行中可應(yīng)用的節(jié)能降耗策略主要包含以下四種：

一是根據(jù)地鐵列車所在環(huán)境的氣候條件優(yōu)化地鐵空調(diào)運行效果。如在溫度宜人的春秋兩季，可減少地鐵環(huán)境中通風(fēng)空調(diào)的運行數(shù)量，在滿足地鐵交通環(huán)境通風(fēng)基本需求的基礎(chǔ)上，減少電能的消耗[4]。冬、夏兩季溫度屬全年最冷或最熱時段，地鐵交通環(huán)境對空調(diào)設(shè)備的依賴性較強，可根據(jù)不同地鐵站、不同客流時段對地鐵站內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)控，既能充分保證地鐵環(huán)境的舒適度，又能減少各地鐵站以統(tǒng)一運行溫度運行而產(chǎn)生的不必要的電能浪費。

二是應(yīng)用變頻技術(shù)減少地鐵電梯設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備運行的耗電水平。變頻技術(shù)在當(dāng)前公共場所電梯設(shè)備管理中的應(yīng)用較為廣泛，根據(jù)客流情況對電梯設(shè)備的運行速度進(jìn)行智能調(diào)控，在無人時段自動進(jìn)行低頻運轉(zhuǎn)，高峰時段提高運轉(zhuǎn)頻率，能顯著提高電能利用率。對通風(fēng)設(shè)備來說，應(yīng)用先進(jìn)的變頻空調(diào)設(shè)備度其運行中的送風(fēng)量和給水量進(jìn)行控制，能顯著減少通風(fēng)空調(diào)設(shè)備運行中的耗電水平。

三是積極應(yīng)用自然能源補充電能。我國太陽能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，可在地鐵站地上建筑外部增設(shè)太陽能照明設(shè)備，利用太陽能為地鐵站內(nèi)照明設(shè)備等進(jìn)行補充供電，以減少對電力資源的消耗[5]。

四是應(yīng)用分區(qū)照明節(jié)能方案，減少照明耗電水平。在地鐵站站臺、站廳等環(huán)境的照明設(shè)備中加裝時段控制設(shè)備，在地鐵停運后，統(tǒng)一對站內(nèi)照明設(shè)備進(jìn)行關(guān)停操作，節(jié)省非運營段中照明耗電水平；在辦公房、設(shè)備房、巡視通道等非連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，應(yīng)用聲控照明設(shè)備；在地面站臺、站廳環(huán)境中應(yīng)用光敏控制設(shè)備，在陰雨、黑天等時段中，自動啟動照明設(shè)備，在白天自動關(guān)閉照明設(shè)備，節(jié)能充分保障照明需求，又能避免電能浪費。

4 結(jié)語

綜上所述，地鐵軌道交通對緩解城市公共交通壓力、便捷居民出行、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展都有重要作用，但地鐵列車在運行過程中，會消耗大量電力資源。在全民提倡節(jié)能減排的社會背景下，全面分析地鐵運行過程中產(chǎn)生能耗的原因，結(jié)合地鐵運營的實際需求，采用行之有效的低壓供電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略，對提高電力資源的利用率，實現(xiàn)國家可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。