地铁节能措施中牵引能耗和电扶梯设备能耗分析

李 渊,王英龙

（呼和浩特市地铁运营有限公司,内蒙古 呼和浩特 010000）

0 引言

从运营能耗分析，地铁能耗主要分布在牵引系统（列车牵引及照明等，占40%~48%）、动力照明设备（空调通风、照明、电扶梯、给排水等，占44%~62%）、弱电系统（通信、信号、消防及智能楼宇等，占2%~4%）及其他方面。其中牵引能耗加电扶梯的能耗占将近60%的比例，该文根据疫情期间通过调整列车间隔和调整电扶梯运行的数量来分析在不影响运营服务质量的前提下可执行节能的可行性途径分析。

呼和浩特地铁目前在运营线路2条，共计运营里程为49.019 km。1号线路全长21.719 km，共有20个车站，其中3座高架站，1座地面站；2号线，线路全长27.3 km，共有24座车站，均为地下车站。两条线均为列车6节编组，B型车，采用四动两拖的动拖比，其中中间四节是动车，车头和车尾两节是拖车。拖车自重约为32 t，动车自重约为35 t。列车的最大牵引功率和最大制动功率约为7 MW。AW2工况下列车牵引曲线在约44 km/h时进入恒功区，在52 km/h进入自然特性区，最大牵引力约为340 kN，最大制动力约为320 kN。列车运行时的最大制动功率在6 MW附近。

1 牵引供电系统对能耗影响的分析

1.1 牵引用电对能耗影响的分析

直流牵引供电系统是供电系统的最重要组成部分也是最重要的负荷。直流牵引供电系统由牵引变电所、接触网、轨道回流线电线以及列车组成。经过主变电站初步降压的交流电输送到牵引变电所，牵引变电所再将交流电经过整流变换成一定电压的直流电输送到接触网上，供给列车牵引取流使用。通常为了检修和运营维护的方便，接触网会在牵引变电所附近位置设置一个电分段，将接触网隔离成若干个供电分区。牵引变电所引出的馈电线连接接触网并向接触网供电，其中牵引变电所只向一侧供电区间供电称为单边供电，与左右两侧区间都有馈电线连接并向其供电称为双边供电。目前建设的地铁大多采用双边供电的方式，以提高牵引供电系统运行的稳定性和可靠性。

牵引变电所内一般设有两台12脉波整流机组，正常情况下两台机组同时运行，在一台机组不能正常工作时，另一台机组可以单独工作，保证供电稳定性。牵引变电所内设有直流母线，两台整流机组整流后的电流正极接到直流正极母线，电流负极接入到直流负极母线。

随着新型动能回收系统的投入运行，目前新建设的地铁牵引供电系统中普遍投入了中压能馈系统，它的工作原理是将再生制动能量转化为交流电，反馈到交流中压电网中。逆变回馈型因其回收效率高，回馈参数调整灵活，而且可兼无功补偿功能得到广泛的应用，这种方式与能量储存型相比，不仅价格更加便宜，而且节能效果更加显著。中压能馈装置的核心组成部分是三相PWM整流器，所以能馈装置还可以工作在整流状态和无功补偿状态，给列车提供牵引功率和补偿电网中的无功功率[1]。

采用逆变回馈型再生制动能量吸收装置减少了闸瓦制动次数，减少了车轮、闸瓦的维护与更换费用。该装置的分布式无功补偿功能提高了系统的功率因数同时减少了能耗电阻配置并降低了地下通道内的通风散热的要求，从而产生了一些间接经济效益。

1.2 列车运行方式对能耗的影响

1.2.1 单车驾驶策略能耗分析

列车从车站启动到进站停车一般需经过牵引、巡航、惰行及制动等4个阶段。如采取不同的单车驾驶策略，则列车牵引曲线不同，牵引能耗也有所差异。单车驾驶策略主要包括巡航速度及工况组合。

V巡是指列车在巡航阶段匀速运行的最高速度。研究表明，巡航速度越高，列车牵引能耗越大，两者呈正相关的关系。以6辆编组B型车为例，当V巡=120 km/h时，在长度为3 km某区间的列车牵引总能耗为73.2 kW·h，车千米能耗为4.07 kW·h，而相同线路状态下V巡=80 km/h时，总能耗为39.3 kW·h，车千米能耗为1.99 kW·h[2]。

呼和浩特地铁1、2号线提速的实例也充分说明了列车提速后对能耗的影响，具体的情况是：6月22日起，地铁1、2号线同时提速，1号线旅行速度提高10%，单程运行时间缩短3 min 56 s；2号线旅行速度提高4%，单程运行时间缩短1 min 45 s。通过提升旅行速度，进一步缩短了乘客出行时间，但随之而来的是牵引能耗的上升。在运营列车数不变的情况下，提速前后单日牵引电能增加8 519.4 kW·h。

1.2.2 列车运行图对能耗影响分析

运行图是全路行车指挥的基础，可以控制列车区间运行时间，调整发车间隔和停站时间，通过运行图，能够方便地调整车与车之间的关系，从全线宏观角度调整列车运行策略，达到节能的目的。因此，将节能与运行图相结合，能够更好发挥现有节能技术的节能作用，降低城市轨道交通系统的能耗。

列车运行图受到线路数据、车辆、客流等影响，且在很大程度上反映着整个铁路行车组织工作的水平。好的运行图，能达到运能和能耗的平衡，不仅可以改善乘客服务，还能把成本和能耗降下来，

在编写运行图时，应该满足以下要求：

1）应该确保列车的安全；2）迅速、便利运送乘客。即最大限度地为乘客提供方便的条件，完成运输任务；3）提高列车旅行速度，消除不必要的停留时间，充分利用通过能力，经济合理地运用机车车辆；4）妥善安排施工计划，保证维修和日常运输两不误；5）合理分析节假日及早晚高峰时间的客流量，适应日常运输生产和列车运行秩序变化，使列车运行图具有弹性；6）应保证各站、各区段间工作的协调和均衡，充分考虑车站、折返区、车辆段的通过能力。

如图1所示：表示每日开行列车数量趋势及车千米牵引能耗平均值趋势图。以日为单位，截取时长为2个月。当列车数量减少至50列时，车千米能耗超过3.3，远高于1.79的行业标准值。

图1 投入运营列车数量趋势和车公里能耗趋势的对比图

根据城市轨道交通运营指标体系（GB/T 38374—2019）的计算公式：

考虑到牵引供电系统的线损和空载能耗的存在，主要包含接触网的线路损失和牵引变压器及能馈变压器的空载损失的电能，能馈的反馈电量还有一部分要补充线网的无功损耗，这些损耗的值相对固定且变化不大。所以不是列车数量越少，车千米能耗越大，需要找到一个合理的区域达到能耗的最佳利用率。也可以根据负载情况，控制空载设备运行数量，达到节能目标。

2 电扶梯的能耗影响分析

地铁车站负荷中一级负荷是最重要的负荷，包括监控系统、通信系统、公共区与应急照明系统、信号系统等，对于应急照明、综合监控、专用通信与自动检票机等自动化设备，需要从变电所两路母线各引一路电源至设备处，两路电源在线路末端自动切换。消防风机由环控电控室统一配电，需从变电所两路母线各引一路电源至环控室自动切换，并采取单回路供电方式为设备供电。公共区照明的配电方式需由变电所两路母线各引一路电源至两个照明总配电箱，采用交叉配电方式为灯具配电，每个照明总配电箱箱承担一半的照明负荷。

二级负荷包括设备管理区照明，电扶梯、维修电源与出入通道照明等设备，须从降压变电所或环控电控室的一、二级负荷母线引出单回路电源线路至设备的电源箱进行供电。

电扶梯是车站的用电大户口，一个较大的车站在电梯全开的情况下能耗占用车站日用电量的近35%左右。

2.1 节能技术在电扶梯上的运用

利用变频技术在自动扶梯空载时以极低频率和极低电压对电机供电，当光电感器检测到有人进入扶梯时，扶梯便开始提速，通过PLC在2~4 s内将扶梯由停止状态提升到额定速度。当人踏入扶梯踏板时扶梯已接近或达到额定速度。这样就避免了人员在扶梯上的加速过程，保证人员的安全。当PLC检测到扶梯空载t秒后，发出指令给变频器，使额定速度变回为驻停状态。

采用上述的节能方法，其优点在于：

1）无人乘梯时，扶梯为驻停状态，节约了能源；2）有人乘梯时，保证扶梯自动以驻停状态平稳过渡到额定速度运行，保证了正常的使用；3）由于无人乘梯时扶梯不运行，使得机械部分的磨损大大降低，延长了扶梯的使用寿命；4）技术成熟，便于实施和推广；5）电扶梯设备采用变频技术后，对配电系统的冲击明显减小，同时降低了无功损耗并提高了功率因数[3]。

呼和浩特市地铁1号线自动扶梯电机功率的配变频扶梯与非变频扶梯年耗能费用比较如下：

1）不采用变频时199部电扶梯每年消耗的电能为：4 546 kW×16.5 h×365天=267 032 04 kW·h，若每度电价0.4元，则电费：267 032 04 kW·h×0.4≈1 068万元；2）采用变频时199部电扶梯每年消耗的电能为（按每天满载运行0.65 m/s 8 h、驻停待客运行8.5 h）：[4 546 kW×8 h+4 546 kW×0.25×8.5 h]×365天=168 068 81.25 kW·h。电费：168 068 81.25 kW·h×0.4≈673万元。年节约电费约395万元。

2.2 通过电扶梯动态管理的节能降耗分析

呼和浩特地铁1号线2022年3月份根据疫情期间客流情况做出调整，全线停用四分之一的电扶梯，节约约14.2万元电费。

而正常运营期间，根据全天的客流进行电扶梯的动态开启与关闭则更具有可行性。以杭州地铁为例，对出入口电扶梯实施单向低客流时间段停机的方式运营。根据客流量集中在早晚高峰的规律，2号线东南段和4号线首通段进站电扶梯大部分只在早晚高峰（7：00—9：30、16：30—19：00）开启，车站扶梯工作处于节能模式，与之前全天候开启相比，每年节约电能75.34万 kW·h[4]。

从上述节能措施和设备部分停运的实例来看，在客流较少时段和客流较少的车站采用分时段停用电扶梯也可以达到节省电能电费的目标。如果考虑既不影响乘客服务质量又能达到节能的目标，可以视客流高低峰情况来控制电扶梯的开关数量。

3 其他对于地铁节能降耗及电费成本的影响因素

3.1 通过灵活的编组方案，提高列车的满载率

满载率=线路客运周转量/线路客位里程×100%

研究数据表明：随着满载率的降低，单位客流量能耗将随之增加，当满载率达到75%时，比满载率100%时单位客流量能耗增加20.9%；当满载率达到49%时，单位客流量能耗增加69.8%，随着满载率的逐步下降，单位客流量能耗的上升幅度也会逐渐增大[5]。

随着城市人口的增加和线网的完善，列车满载率也会逐步改善，进而通过动态地优化列车数量与满载率的关系，达到节能降耗的目标。所以，根据高峰断面客流量及运输组织方案，灵活编制运行图，达到提高列车的满载率和降低牵引能耗的目的。

3.2 机电设备节能降耗技术运用

通风设备及冷水机组的投入使用情况和变频技术的充分运用，以及车站设备区照明等的能耗分析节能降耗的作用也很明显，还可以从使用新型的节能设备、电机的变频技术在照明和通风系统的节能效果上再进行挖掘，从而最大限度地为节能及碳达峰做出积极的贡献。后期也可以分析相关的电能数据来统一进行分析。

3.3 完善基础数据，减小样本误差

呼和浩特作为一个新开通地铁的城市，地铁每个系统的设计和设备使用上都用到了很多最新的理念和技术，但目前还存在数据指标的分析深度不够、数据统计不够精确的问题。通过基础数据的逐步完善，为后期再深挖运营相关数据，达到提高运营服务质量和节能增效的目标提供真实有效的数据支持。

4 结束语

城市轨道交通与其他交通方式相比具有节能和保护环境等优势，故其快速发展是符合国家产业政策和城市总体规划要求的。但从上文中的描述中也能看出，其自身的较高的能耗和较低的能源利用率的现状并没有改变，巨大的能源消耗已成为制约其发展的关键问题之一。随着城市轨道交通里程及运载能力的增长，其所需电力供应也必将大幅增加，对其自身的发展是一个严重的限制，也不符合建设绿色、节能的未来城市的总体目标和趋势。因此，作为地铁运营方应该挖掘和优化地铁能源消耗，向绿色、节能的城市轨道交通方向努力，达到高效便捷、公平有序、安全舒适、节能环保是中国城市交通建设的远景目标。