地鐵節能措施中牽引能耗和電扶梯設備能耗分析

李 淵,王英龍

（呼和浩特市地鐵運營有限公司,內蒙古 呼和浩特 010000）

0 引言

從運營能耗分析，地鐵能耗主要分布在牽引系統（列車牽引及照明等，占40%~48%）、動力照明設備（空調通風、照明、電扶梯、給排水等，占44%~62%）、弱電系統（通信、信號、消防及智能樓宇等，占2%~4%）及其他方面。其中牽引能耗加電扶梯的能耗占將近60%的比例，該文根據疫情期間通過調整列車間隔和調整電扶梯運行的數量來分析在不影響運營服務質量的前提下可執行節能的可行性途徑分析。

呼和浩特地鐵目前在運營線路2條，共計運營里程為49.019 km。1號線路全長21.719 km，共有20個車站，其中3座高架站，1座地面站；2號線，線路全長27.3 km，共有24座車站，均為地下車站。兩條線均為列車6節編組，B型車，采用四動兩拖的動拖比，其中中間四節是動車，車頭和車尾兩節是拖車。拖車自重約為32 t，動車自重約為35 t。列車的最大牽引功率和最大制動功率約為7 MW。AW2工況下列車牽引曲線在約44 km/h時進入恒功區，在52 km/h進入自然特性區，最大牽引力約為340 kN，最大制動力約為320 kN。列車運行時的最大制動功率在6 MW附近。

1 牽引供電系統對能耗影響的分析

1.1 牽引用電對能耗影響的分析

直流牽引供電系統是供電系統的最重要組成部分也是最重要的負荷。直流牽引供電系統由牽引變電所、接觸網、軌道回流線電線以及列車組成。經過主變電站初步降壓的交流電輸送到牽引變電所，牽引變電所再將交流電經過整流變換成一定電壓的直流電輸送到接觸網上，供給列車牽引取流使用。通常為了檢修和運營維護的方便，接觸網會在牽引變電所附近位置設置一個電分段，將接觸網隔離成若干個供電分區。牽引變電所引出的饋電線連接接觸網并向接觸網供電，其中牽引變電所只向一側供電區間供電稱為單邊供電，與左右兩側區間都有饋電線連接并向其供電稱為雙邊供電。目前建設的地鐵大多采用雙邊供電的方式，以提高牽引供電系統運行的穩定性和可靠性。

牽引變電所內一般設有兩臺12脈波整流機組，正常情況下兩臺機組同時運行，在一臺機組不能正常工作時，另一臺機組可以單獨工作，保證供電穩定性。牽引變電所內設有直流母線，兩臺整流機組整流后的電流正極接到直流正極母線，電流負極接入到直流負極母線。

隨著新型動能回收系統的投入運行，目前新建設的地鐵牽引供電系統中普遍投入了中壓能饋系統，它的工作原理是將再生制動能量轉化為交流電，反饋到交流中壓電網中。逆變回饋型因其回收效率高，回饋參數調整靈活，而且可兼無功補償功能得到廣泛的應用，這種方式與能量儲存型相比，不僅價格更加便宜，而且節能效果更加顯著。中壓能饋裝置的核心組成部分是三相PWM整流器，所以能饋裝置還可以工作在整流狀態和無功補償狀態，給列車提供牽引功率和補償電網中的無功功率[1]。

采用逆變回饋型再生制動能量吸收裝置減少了閘瓦制動次數，減少了車輪、閘瓦的維護與更換費用。該裝置的分布式無功補償功能提高了系統的功率因數同時減少了能耗電阻配置并降低了地下通道內的通風散熱的要求，從而產生了一些間接經濟效益。

1.2 列車運行方式對能耗的影響

1.2.1 單車駕駛策略能耗分析

列車從車站啟動到進站停車一般需經過牽引、巡航、惰行及制動等4個階段。如采取不同的單車駕駛策略，則列車牽引曲線不同，牽引能耗也有所差異。單車駕駛策略主要包括巡航速度及工況組合。

V巡是指列車在巡航階段勻速運行的最高速度。研究表明，巡航速度越高，列車牽引能耗越大，兩者呈正相關的關系。以6輛編組B型車為例，當V巡=120 km/h時，在長度為3 km某區間的列車牽引總能耗為73.2 kW·h，車千米能耗為4.07 kW·h，而相同線路狀態下V巡=80 km/h時，總能耗為39.3 kW·h，車千米能耗為1.99 kW·h[2]。

呼和浩特地鐵1、2號線提速的實例也充分說明了列車提速后對能耗的影響，具體的情況是：6月22日起，地鐵1、2號線同時提速，1號線旅行速度提高10%，單程運行時間縮短3 min 56 s；2號線旅行速度提高4%，單程運行時間縮短1 min 45 s。通過提升旅行速度，進一步縮短了乘客出行時間，但隨之而來的是牽引能耗的上升。在運營列車數不變的情況下，提速前后單日牽引電能增加8 519.4 kW·h。

1.2.2 列車運行圖對能耗影響分析

運行圖是全路行車指揮的基礎，可以控制列車區間運行時間，調整發車間隔和停站時間，通過運行圖，能夠方便地調整車與車之間的關系，從全線宏觀角度調整列車運行策略，達到節能的目的。因此，將節能與運行圖相結合，能夠更好發揮現有節能技術的節能作用，降低城市軌道交通系統的能耗。

列車運行圖受到線路數據、車輛、客流等影響，且在很大程度上反映著整個鐵路行車組織工作的水平。好的運行圖，能達到運能和能耗的平衡，不僅可以改善乘客服務，還能把成本和能耗降下來，

在編寫運行圖時，應該滿足以下要求：

1）應該確保列車的安全；2）迅速、便利運送乘客。即最大限度地為乘客提供方便的條件，完成運輸任務；3）提高列車旅行速度，消除不必要的停留時間，充分利用通過能力，經濟合理地運用機車車輛；4）妥善安排施工計劃，保證維修和日常運輸兩不誤；5）合理分析節假日及早晚高峰時間的客流量，適應日常運輸生產和列車運行秩序變化，使列車運行圖具有彈性；6）應保證各站、各區段間工作的協調和均衡，充分考慮車站、折返區、車輛段的通過能力。

如圖1所示：表示每日開行列車數量趨勢及車千米牽引能耗平均值趨勢圖。以日為單位，截取時長為2個月。當列車數量減少至50列時，車千米能耗超過3.3，遠高于1.79的行業標準值。

圖1 投入運營列車數量趨勢和車公里能耗趨勢的對比圖

根據城市軌道交通運營指標體系（GB/T 38374—2019）的計算公式：

考慮到牽引供電系統的線損和空載能耗的存在，主要包含接觸網的線路損失和牽引變壓器及能饋變壓器的空載損失的電能，能饋的反饋電量還有一部分要補充線網的無功損耗，這些損耗的值相對固定且變化不大。所以不是列車數量越少，車千米能耗越大，需要找到一個合理的區域達到能耗的最佳利用率。也可以根據負載情況，控制空載設備運行數量，達到節能目標。

2 電扶梯的能耗影響分析

地鐵車站負荷中一級負荷是最重要的負荷，包括監控系統、通信系統、公共區與應急照明系統、信號系統等，對于應急照明、綜合監控、專用通信與自動檢票機等自動化設備，需要從變電所兩路母線各引一路電源至設備處，兩路電源在線路末端自動切換。消防風機由環控電控室統一配電，需從變電所兩路母線各引一路電源至環控室自動切換，并采取單回路供電方式為設備供電。公共區照明的配電方式需由變電所兩路母線各引一路電源至兩個照明總配電箱，采用交叉配電方式為燈具配電，每個照明總配電箱箱承擔一半的照明負荷。

二級負荷包括設備管理區照明，電扶梯、維修電源與出入通道照明等設備，須從降壓變電所或環控電控室的一、二級負荷母線引出單回路電源線路至設備的電源箱進行供電。

電扶梯是車站的用電大戶口，一個較大的車站在電梯全開的情況下能耗占用車站日用電量的近35%左右。

2.1 節能技術在電扶梯上的運用

利用變頻技術在自動扶梯空載時以極低頻率和極低電壓對電機供電，當光電感器檢測到有人進入扶梯時，扶梯便開始提速，通過PLC在2~4 s內將扶梯由停止狀態提升到額定速度。當人踏入扶梯踏板時扶梯已接近或達到額定速度。這樣就避免了人員在扶梯上的加速過程，保證人員的安全。當PLC檢測到扶梯空載t秒后，發出指令給變頻器，使額定速度變回為駐停狀態。

采用上述的節能方法，其優點在于：

1）無人乘梯時，扶梯為駐停狀態，節約了能源；2）有人乘梯時，保證扶梯自動以駐停狀態平穩過渡到額定速度運行，保證了正常的使用；3）由于無人乘梯時扶梯不運行，使得機械部分的磨損大大降低，延長了扶梯的使用壽命；4）技術成熟，便于實施和推廣；5）電扶梯設備采用變頻技術后，對配電系統的沖擊明顯減小，同時降低了無功損耗并提高了功率因數[3]。

呼和浩特市地鐵1號線自動扶梯電機功率的配變頻扶梯與非變頻扶梯年耗能費用比較如下：

1）不采用變頻時199部電扶梯每年消耗的電能為：4 546 kW×16.5 h×365天=267 032 04 kW·h，若每度電價0.4元，則電費：267 032 04 kW·h×0.4≈1 068萬元；2）采用變頻時199部電扶梯每年消耗的電能為（按每天滿載運行0.65 m/s 8 h、駐停待客運行8.5 h）：[4 546 kW×8 h+4 546 kW×0.25×8.5 h]×365天=168 068 81.25 kW·h。電費：168 068 81.25 kW·h×0.4≈673萬元。年節約電費約395萬元。

2.2 通過電扶梯動態管理的節能降耗分析

呼和浩特地鐵1號線2022年3月份根據疫情期間客流情況做出調整，全線停用四分之一的電扶梯，節約約14.2萬元電費。

而正常運營期間，根據全天的客流進行電扶梯的動態開啟與關閉則更具有可行性。以杭州地鐵為例，對出入口電扶梯實施單向低客流時間段停機的方式運營。根據客流量集中在早晚高峰的規律，2號線東南段和4號線首通段進站電扶梯大部分只在早晚高峰（7：00—9：30、16：30—19：00）開啟，車站扶梯工作處于節能模式，與之前全天候開啟相比，每年節約電能75.34萬 kW·h[4]。

從上述節能措施和設備部分停運的實例來看，在客流較少時段和客流較少的車站采用分時段停用電扶梯也可以達到節省電能電費的目標。如果考慮既不影響乘客服務質量又能達到節能的目標，可以視客流高低峰情況來控制電扶梯的開關數量。

3 其他對于地鐵節能降耗及電費成本的影響因素

3.1 通過靈活的編組方案，提高列車的滿載率

滿載率=線路客運周轉量/線路客位里程×100%

研究數據表明：隨著滿載率的降低，單位客流量能耗將隨之增加，當滿載率達到75%時，比滿載率100%時單位客流量能耗增加20.9%；當滿載率達到49%時，單位客流量能耗增加69.8%，隨著滿載率的逐步下降，單位客流量能耗的上升幅度也會逐漸增大[5]。

隨著城市人口的增加和線網的完善，列車滿載率也會逐步改善，進而通過動態地優化列車數量與滿載率的關系，達到節能降耗的目標。所以，根據高峰斷面客流量及運輸組織方案，靈活編制運行圖，達到提高列車的滿載率和降低牽引能耗的目的。

3.2 機電設備節能降耗技術運用

通風設備及冷水機組的投入使用情況和變頻技術的充分運用，以及車站設備區照明等的能耗分析節能降耗的作用也很明顯，還可以從使用新型的節能設備、電機的變頻技術在照明和通風系統的節能效果上再進行挖掘，從而最大限度地為節能及碳達峰做出積極的貢獻。后期也可以分析相關的電能數據來統一進行分析。

3.3 完善基礎數據，減小樣本誤差

呼和浩特作為一個新開通地鐵的城市，地鐵每個系統的設計和設備使用上都用到了很多最新的理念和技術，但目前還存在數據指標的分析深度不夠、數據統計不夠精確的問題。通過基礎數據的逐步完善，為后期再深挖運營相關數據，達到提高運營服務質量和節能增效的目標提供真實有效的數據支持。

4 結束語

城市軌道交通與其他交通方式相比具有節能和保護環境等優勢，故其快速發展是符合國家產業政策和城市總體規劃要求的。但從上文中的描述中也能看出，其自身的較高的能耗和較低的能源利用率的現狀并沒有改變，巨大的能源消耗已成為制約其發展的關鍵問題之一。隨著城市軌道交通里程及運載能力的增長，其所需電力供應也必將大幅增加，對其自身的發展是一個嚴重的限制，也不符合建設綠色、節能的未來城市的總體目標和趨勢。因此，作為地鐵運營方應該挖掘和優化地鐵能源消耗，向綠色、節能的城市軌道交通方向努力，達到高效便捷、公平有序、安全舒適、節能環保是中國城市交通建設的遠景目標。