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城市轨道交通节能技术有哪些?

来源:株洲精瑞 发表时间:2016-04-11点击量:
1 城市轨道交通与节能
 
1.1 城市轨道交通是节能的公共交通  
城市轨道交通相对于其它城市公共交通工具而言,具有安全舒适、快速环保、运能大和能源消耗少的特点。按照同等运能比较,轨道交通的能耗只相当于小汽车的1/9,公交车的1/2。因此,轨道交通本身就具有重要的节能减排意义。城市轨道交通相对于其它城市交通工具的另一个特点是以耗电能为主,而不是燃油。石油作为国家核心能源,是工业经济的命脉,当今世界几乎所有国家都把石油安全置于能源战略的核心位置。石油安全直接关系到国家能源安全,关系到经济社会的可持续发展。因此在特大城市、大城市中,以城市轨道交通为骨干、提高占公共交通的出行比例,符合国家宏观经济层面的能源政策,有利于建设资源节约型、环境友好型社会。  
我国城市交通节能的措施之一,是建立绿色城市交通系统,应对城市化进程和交通机动化快速增长的挑战,构建可持续性的城市交通系统模式。超大、特大城市将加快轨道交通建设,形成立体城市交通系统,大力发展城市公共交通系统。通过优化城市交通系统结构和完善城市间交通模式,提高城市交通系统效率并达到系统节能目的。
 
2 城市轨道交通节能意义
 
城市轨道交通的节能减排工作也十分重要。虽然按同等运能比较,轨道交通能耗比其他形式交通方式小,但由于其大运量的特点,使得总耗电量相当大,是耗能大户,仍有节能潜力。因此,轨道交通建设和运营在遵循以人为本,方便旅客的出行和换乘,做到“方便、快捷、准时、舒适”等原则的同时,作为重点用能单位,严格遵守《中华人民共和国节约能源法》合理用能的原则,一直致力于加强节能管理、推进技术进步、提高能源利用效率、减少环境污染方面的研究。国家发展和改革委员会在交通基础设施建设项目审批程序中也要求必须进行“节能专篇”的研究,要求项目应遵循的合理用能标准及节能设计规范、项目能源消耗种类和数量分析、项目所在地能源供应状况分析、能耗指标、节能措施和节能效果分析等内容。应结合具体运营规模、技术标准和工程实施条件,进行城市轨道交通节能研究,并将具体措施融合到建设中。  
节能涉及到多项专业技术,应以有限的能源消耗取得最大的经济利益为目标,充分调动各方面积极因素,把节能分析、节能设计、节能管理紧密结合起来,达到降低综合能耗指标的目的。  
 
3 城市轨道交通节能技术现状及存在的问题
 
3.1 城市轨道交通主要能耗种类  
在轨道交通运营过程中主要消耗电能,基本不消耗其它形式的能源。耗电可以将其归结为车辆运行的牵引耗电和其它设备耗电两大类。
据初步统计,北京地铁1992年一线、环线正线的全年牵引耗电量为80196300kw/h,占全年总耗电量的70.6%,其余为动力照明耗电,以及车辆段、停车场的牵引耗电,调试、维修等耗电。以北京地铁为例,2002年一线地铁全年耗电量52139240kw/h,环线地铁全年耗电量为75751220kw/h,复八线地铁全年耗电量为50734670kw/h,三条线全年耗电总量为178625130kw/h。其中三条线路的牵引耗电总量占全年总耗电量的57%。新建的城市轨道交通工程除上述耗电内容外,还需增加车站空调和车辆空调等耗电。  
3.2 目前城市轨道交通能耗方面的问题
能源消耗总量过大是目前城市轨道交通面临的一大问题。轨道交通运营成本高居不下的问题日显突出,其中有近50%来自于列车牵引能耗。按照目前我国城市轨道交通的发展速度,城市轨道交通的能耗将达到相当的规模。应该说,尽快找到大幅降低轨道交通运行能耗的方法,已成为保持城市轨道交通高速度可持续发展必须解决的重要问题之一。北京轨道交通线网规划用电总量的趋势图如图1所示。
 
根据以往多年的建设和运营经验数据,城市轨道交通列车牵引供电系统和通风空调系统是轨道交通中最主要的用电大户,分别占到轨道交通系统总能耗的1/2和1/3,节能潜力也相对最大。对于其它设备系统,虽然能耗比例不高,但能耗总量也不低,结合高效低耗设备及其它节能措施的应用,也存在一定的节能潜力。  
通过对北京及全国各地既有城市轨道交通线路运营情况的调研,我们发现电能费用占城市轨道交通运营费的50%左右,车辆牵引用电又占城市轨道交通用电的50%以上。用目前城市轨道交通电动车组普遍采用“再生制动+电阻制动+机械制动”的制动方式,制动能量可达到牵引能量的30%以上,部分再生制动的能量可以被线路上相邻车辆吸收,如不能被吸收则转换为电阻或空气制动,制动能量被白白消耗,初步估算该部分消耗的电能占制动能量的40%左右。  
通风空调系统作为城市轨道交通中的重要设备系统之一,是城市轨道交通运行的能耗大户,其用电量排在牵引供电之后,位居第二;在运营初期的特定条件下,其用电量甚至超过牵引供电,成为第一用电大户。因此,如何降低城市轨道交通通风空调系统运行能耗,是解决城市轨道交通运营能耗过高问题的重要内容。  
 
4 已采用的主要节能降耗措施
 
1)线路选线与运营组织重视节能  
线路节能设计主要考虑尽可能优化曲线半径,以减少车辆行驶过程中因曲线阻力大而增加电耗;优化线路节能坡,设置合理的进出站坡度,使列车进站时上坡,将动能转化为势能,列车出站时下坡,再将势能转化为动能,这样有利于减少牵引能耗;线路纵坡设计还综合考虑泵站位置等设备布置,以达到优化、合理、经济、节约能源的目的。  
确定全线的总体运营规模、合理确定利车编组、合理设置运营交路、合理安排列车运营对数等技术措施,将有效降低人车公里能耗。  
2)车辆节能  
选用调频调压控制的交流牵引系统。该系统通过变频调速避免了列车调速时由附加电阻消耗掉大量的电能,也不会因附加电阻的发热提高隧道内的温度而要求增加通风量和制冷电能。该系统能有效利用再生制动,利用车辆行车密度大、不同车辆同时处于不同牵引、制动工况的概率较高的特点,可较多地回收车辆制动能量。理论上可回收25%左右。选用轻体车辆。车辆采用不锈钢车体,车辆自重比普通铸钢车体约减少3t,用等能量比较的方法推算,每辆车可节约运送50位乘客所需的能量。随着车体自重的减轻,相应能减轻轮轨磨耗,减少维修量等附加节能效果。  
采用列车自动控制节能。电动客车采用微机控制自动驾驶。在信号系统设计时,根据线路的坡道、弯道及列车载重等情况,设计自动驾驶ATO曲线,自动调整行驶速度,控制随行点使电动客车永远处于最佳运行状态,以便减少电耗,达到更进一步节能的目的。  
3)供电系统节能
牵引供电系统节能设计。合理设置中压供电网络接线形式,既减少系统电缆的长度,也可以减少开关设备数量,降低设备损耗和线路损耗,达到节能的效果。合理设置各种类型变电所。牵引网采用导电率较高的钢铝复合接触轨,牵引网电能损失较少,减少变电所的空载能耗。牵引变电所预留设置车辆再生储能设备安装条件,如果每座变电所均设置该设备,每年可降低牵引用电量约5%左右。选用环保节能设备,如配电变压器选用非晶合金变压器,虽然一次投资有所增加,但是长期运行与普通变压器相比,可节约相当电能。  
动力照明系统节能设计。动力照明配电设计按照负荷分级供电的原则进行,对各种负荷,按其重要程度分为一、二、三级。减化了供电系统,节约配电设备。采用集中无功自动补偿和和分散无功补偿措施,提高功率因数,降低线路损耗。在照明产品的选择上,选择高效、节能的光源、灯具。选用先进节能的电机电器设备,电扶梯及大型风机、水泵等采用变频控制,节约设备用电。从运营管理上,当车站高峰过后,可以关闭部分公共照明设备,变频电梯低速运行。  
4)通风空调系统节能  
系统形式节能设计。根据地区的气候环境条件及对通风空调系统方案的比选,城市轨道交通通风空调系统形式。尽量利用列车活塞效应,从而采用自然通风方式,节省风机的能耗。  
风机变频控制。通风空调系统的设备一般按远期高峰小时运行情况进行配置,而系统负荷随列车的对数、客流的变化而变化。在运行初期、近期客流及行车对数远没有达到设计水平,因此设备容量有较大的富裕量;同样在非高峰时段的系统负荷较高峰时段也有较大的差距,也存在设备容量富裕的问题。  
表冷器开启降低能耗。该设备设计为门式,两侧设轴,可以在通风季节电控延轴开启,降低系统的通风阻力和能耗。根据实测结果,8万m3/h的组合式空调机组,表冷器打开前的风机功率为50kw,打开后风机功率降为36.8kW。通过表冷器开启,在通风季节能耗可以降低28%左右。对于通风季节长的城市来说,节能意义非常重大。  
采用节能运行模式。由于城市轨道交通内部的发热量大,具有全年热负荷的特性,通风空调系统的设计应充分利用非空调季节室外的天然冷源对城市轨道交通内部进行冷却,尽量减少空调系统的运行时间,节约能耗。  
其它节能措施。车站的各风机及空调机组,根据环境的变化自动启动或停止设备,减少不必要的能耗。采用有效的空调风管、冷媒管等保温措施,减少冷量运输能耗。选用合理的室内温湿度标准,尽量取用温湿度的上限值,以减少空调冷负荷,降低制冷能耗。详细计算空调负荷及管路水力计算,选用合适的设备容量以避免浪费。  
5)设备监控系统节能  
采用综合监控系统对全线各车站内的变电所系统设备、通风空调系统设备、给排水系统设备、电梯系统设备、低压照明系统设备进行综合性的监控与调度管理。可以对全线的变电所系统的基础设备进行集中管理;根据不同季节、各车站不同的客流情况、室内外的环境情况,做到合理送排风(空调),使空调得到有效的利用;通过综合监控系统程序的合理设计、运营调度人员的合理组织可以减少能耗损失。  
6)给排水系统  
最大限度地利用市政自来水供水压力,采用生产生活用水由市政自来水直接供水,消防给水系统平常运行时尽量市政自来水稳压。选用行之有效的新技术、新工艺、新材料和新设备,以提高供水的安全可靠性,降低能耗和水损。   车辆段应最大限度地利用市政自来水供水压力,给水加压采用变频供水设备或无负压供水设备,职工浴室热源可采用太阳能热水器。车辆冲洗和检修废水经处理、消毒后再回用于洗车或冲洗零部件,既节约用水,又保护环境,完全符合国家节能环保政策。建立中水处理和回用系统,并考虑雨水利用,以最大限度地节约水资源,进而减少环境污染。在有条件收集、处理和利用雨水时,应尽量利用雨水。
7)自动扶梯  
采用具有变频调速功能的公共交通重载荷型自动扶梯,其特点是当扶梯空驶一段时间后,会自动将运行速度由0.65m/s切换到0.13m/s的节能运行速度。当有人乘坐扶梯时,通过其部传感器感知到有乘客后,其内部变频器将控制扶梯速度由0.13m/s平稳过渡到0.65m/s的正常运行速度,保证及时将乘车送至目的地。  
8)车站综合UPS电源系统
均需要设置UPS电源,新建城市轨道交通线路的弱电系统如通信、信号、综合监控、AFC等,设置综合UPS电源系统,对各设备系统的UPS电源进行技术整合设置。这种方式符合系统集成的发展趋势,并具有实现资源共享,减少UPS电源设备的重复设置的节能效果。  
 
5 城市轨道交通节能技术发展方向  
 
根据我国目前城市轨道交通的现状、能源利用情况以及技术水平,以下几个方向应该作为未来我国城市轨道交通节能技术发展的重点。  
1)加快研发环保型高架系统技术  
城市轨道交通的高架线路具有建设安全风险小、建设速度快、投资见效快、运营成本低等优点。尤其是节省运营期的能耗,高架线的运营能耗仅为地下线的0.45倍,节能效果明显。但是多数已建高架线用于大运量城市轨道交通系统上,由于采用了较大轴重A、B型车辆,已运营高架线的振动、噪声对沿线居住环境、土地的经济价值确实存在一定的负面影响。  
所以应该加快开展“环保型高架系统”的研究,即将高架线路的桥梁梁式、减振降噪综合控制、景观等作为一体进行综合研究。力求解决高架线的振动噪声、景观协调、沿线土地利用等问题,为扩大高架线路的敷设提供技术支持,也才能取得城市轨道交通低耗资、高效益的目的。综合轨道、轨旁减振降噪系统的技术措施,力求部分代替或取消声屏障。适合敷设高架线的环境条件及技术条件研究。  
车辆、轨道的减振降噪技术和产品已有较系统的研究。目前应加快开展桥梁梁式对噪声尤其是结构二次噪声的影响研究,如研究城市轨道交通U型梁高架线系统等等。同时也需要开展适合高架线敷设方式的系统制式,应采用低噪声的系统制式,如直线电机系统、跨座式单轨系统等。
2)加快开发高效、低耗的新型设备与设备系统
针对目前城市轨道交通能耗大,能源利用效率较低的现状,最首要的工作就是抓紧开发高效、低耗的设备系统与新型设备。这里应包括设备系统和设备两个部分。  
设备系统的开发主要是设计单位在方案研究阶段,将系统节能作为重要的设计目标,并且勇于创新,开发研究并采用新型的各种节能方案。例如:在通风空调系统中采用变频变风量、表冷器可开启的集成通风空调系统;在控制系统的设计中采用智能环境控制系统,对车站与隧道内部的温、湿度、空气质量、照明等进行有效的实时调控。  
设备的开发主要是城市轨道交通有关设备供货商通过技术革新,降低所供设备的能耗。例如:供电系统的能量回收装置可以通过回收列车刹车的机械能损耗用于其它列车的牵引供电,可以大大降低列车牵引能耗。但是由于国内产品不成熟,目前多采用进口设备。投资很高,影响了技术的推广。此外,集成通风空调系统中的可电动开启表冷器也是通过多次技术研发产生的节能产品。
3)提高城市轨道交通装备节能标准  
目前,城市轨道交通尚没有专用的节能标准,通车套用一般楼宇建筑设备节能标准。考虑到轨道交通的特殊性与影响性,其标准应高于一般楼宇建筑设备的标准。对城市轨道交通装备的能耗标准应进行严格规定,以便在设计选型、设备采购时有据可依。   在轨道交通装备的招标采购中,不应简单地采用低价中标原则。应综合考虑设备的各项性能参数,突出重点,使国内生产厂家对其引起足够的重视,把精力投入到提高产品性能上来,避免单纯的价格恶性竞争。这样,有利于整个行业向高端发展,提高轨道交通的服务水平。  
4)建立城市轨道交通设计节能标准  
目前国内尚没有城市轨道交通设计节能标准。城市轨道交通应根据不同地区的气候特点,逐步建立完善各种能耗标准,指导与考核工程节能设计,并作为项目审批的条件。  
5)鼓励城市轨道交通采用新型能源  
随着科学技术的发展,太阳能、地热能源、海洋能源等新型能源已开始应用于很多行业,对于城市轨道交通来说,属于城市公共交通,能耗量巨大,若能合理使用这些新型能源,会产生很好的经济和社会效益。我们应该紧密跟踪各种新型能源的发展状态,适时的将其引入城市轨道交通建设。
6)加强城市轨道交通运营节能管理  
城市轨道交通的能耗水平除了与设施是否先进有关,还与运营节能管理是否到位密切相关。例如,运营部门应充分了解设备系统的节能设计思想,按照设计模式进行系统控制,并根据具体情况进行优化。保证各种节能设施的正常运转,例如空调系统根据室内温度调节冷水机组与通风机的工作状态,如果反应室内温度的传感器故障而没有得到及时修复,就会影响系统的正常运行,增加空调系统的能耗。  
7)处理好节能与环保的关系  
在节能的同时应处理好与环保的关系。有的系统方案能够节省能耗,但会影响环境,在这种情况下应服从环境保护的目标。例如,地下水水源热泵空调系统可以降低空调系统能耗,但是会对地下水资源造成一定的污染和破坏,可能造成地下水水位下降,地面下沉等危险。因此,当节能与环保发生矛盾是应服从环保目标。  
8)将节能作为建设决策的重要标准  
节能不能仅停留在口号上,必须将是否节能作为工程建设决策的重要指标。例如:对于南方炎热地区,屏蔽门系统可以有效降低空调季节的空调能耗,应大力推广使用;但是在北方寒冷甚至严寒地区,屏蔽门系统在非空调季节的通风能耗会高于非屏蔽门系统,不宜采用。在车站设置屏蔽门还是非屏蔽门的问题上,就应该根据节能的原则,在不同地区采用不同的方案,而不应该盲目攀比建设标准,不顾地区特点,全部设置屏蔽门。
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