重庆轨道交通六号线行车组织节能方法探讨

■ 王学贵

1 节能的意义及必要性

节能在我国国民经济发展中有着重要的战略地位，必须坚持“能源节约与开发并举，把节约能源放在首位”的指导思想。为了能尽量吸引旅客选择乘坐轨道交通系统，必须做到“安全、舒适、快捷、准点”，着重体现“以人为本”、服务乘客的思想，所以在轨道交通系统中配备大量满足运营安全、快捷、准点要求和满足旅客舒适性要求的设备系统。这些设备系统有的部分是轨道交通系统所必不可少的（如车辆、供电、信号、通信等），但有的部分主要是为了方便旅客，更好地服务于乘客为目的（如扶梯/电梯、空调、照明等）。根据重庆市轨道交通的实际环境情况，在这些设备系统中，直接服务于乘客、为乘客提供良好的乘车环境及方便乘客乘车的一些设施往往也是能耗较大的设备（特别是空调系统、电扶梯等）。因此在满足运营需要的基础上，重庆轨道交通六号线的设计工作必须考虑尽量减少这些设备的能耗，合理确定服务水平，将节能的总要求贯彻在设计工作中，确定与节能有关的技术原则，根据设备系统运行模式提出合理的运营方案，这对今后的运营节能具有重大意义。

除合理考虑设备系统的运行方式或采用新技术节能外，必须在总体设计思路和设计原则上重视节能、考虑节能措施显得更为重要。故在条件容许的情况下，如果能缩小车站规模，或采用地面、高架线路和车站，或采用半敞开式区间线路，尽量利用自然通风和照明，尤其是线路专业与行车专业密切配合，不断优化平纵断面设计，在工程条件许可下尽量将区间设计为节能坡，在工程建设投资增加不多的情况下，对今后运营中实现系统节能具有深远意义。

2 城市轨道交通能耗构成和状况

根据城市轨道交通用电设备构成及特性，电能消耗主要由3部分构成：（1）电动车辆及其辅助设备所消耗的牵引用电负荷电能；（2）动力照明设备所消耗动力照明负荷电能；（3）为牵引和动力照明负荷提供电能的供电系统设备、线路的电能损耗。

在轨道交通系统的总用电量中，牵引用电量将占很大部分（约1/2）。牵引用电量的大小与车辆电动机功率大小、列车编组重量、车辆控制方式、车内设备（有无空调、电热）及线路平面、纵断面等因素有关。

动力用电和照明用电量约占系统用电量的1/2，包括车站通风空调、给排水、自动扶梯、自动售检票、通信、信号、照明、广告、取暖、维修机具等用电量。

以上分析可以看出，列车的牵引用电量在轨道交通系统中占能耗比例最大。影响能耗指标的因素很多，为使重庆轨道交通六号线的能耗指标符合国家有关现行标准，在认真贯彻节能设计理念的基础上，从本专业的角度分析线路运营后降低能耗的措施和方法，并提出应对措施。

3 行车组织节能途径分析

轨道交通的节能需要在车辆和机电设备等方面综合分析，在设计时必须全面考虑节能措施，采取综合治理，才能收到实效。

在研究设计阶段，行车组织应配合线路专业进行线路平纵断面的优化设计，通过反复的模拟牵引计算使纵断面设计在条件允许的情况下基本实现节能坡的设计要求，在每个区间内尽量缩短牵引时间，实现列车牵引能耗最低的目标。这属于基础性的节能措施，应在设计阶段充分考虑。

在线路平纵断面、列车编组及车辆技术参数确定的条件下，机电设备的能耗将很难降低，节能的主要任务集中在行车组织方面，目前可采取的节能途径主要有3种。

3.1 在保持服务水平不变情况下的节能

一般来讲，在高峰小时列车满载率高，客流主要以上班、上学等客流为主，乘客大都有快速到达的心理要求，因此通常按节时模式进行牵引。但在非高峰时段，主要以购物及日常出行需求的乘客为主，在保证服务水平不变（即行车间隔不变）的情况下，采用节能的牵引模式实现牵引能耗的节省是非常有益和必要的，也是目前多数运营公司运用较多的节能手段。采用该方式实现节能的缺点是增加区间运行时间，降低旅行速度。

以蔡家—茶园南段为例（仅列典型区间），分析比较节时和节能2种牵引模式（见图1—图4）。

采用节时模式牵引时，为了追求高速度，当列车运行速度低于最高运行速度约10～20 km/h时，如果出现上坡或下坡动能不足时需要进行再次牵引，因此在一个区间内可能出现多次牵引的情况，这种牵引模式往往会降低乘客的舒适度。在实际列车运行时为了避免一个区间内出现多次牵引，一般采用巡航运行模式，增加列车运行的平稳性，提高乘客舒适度。采用巡航运行模式在运行时分和牵引耗电量方面基本与节时牵引模式相同，因此，这里不再对巡航运行模式进行比较。

采用节能模式牵引时，列车将最大限度地利用自身动能或可能产生的下坡动能，直到运行速度低于某一设定值时才开始再次牵引，尽量减少牵引次数，完成区间牵引任务，实现降低能耗的目的。

2种牵引模式牵引耗电量和运行时分（不含停站时分）比较见表1。

图1 长大区间节时模式模拟计算牵引图

图2 长大区间节能模式模拟计算牵引图

图3 一般区间节时模式模拟计算牵引图

图4 一般区间节能模式模拟计算牵引图

表1 2种牵引模式牵引耗电量和运行时分比较表

从表1可以看出，采用节能模式时，较节时模式茶园南—蔡家段运行时间增加4.1 min，而耗电量节省196.0 kW·h；蔡家—茶园南段运行时间增加1.8 min，而耗电量节省225.6 kW·h。

3.2 在满足运能需求情况下的节能

从目前我国各大城市地铁运营现状看，虽然在设计时都考虑了在高峰小时大小交路套跑模式，但在实际运营过程中采用较少。虽然在上海等城市也尝试采用大小交路运行方式，但全线采用一个交路的简单运营方式更为广泛。

茶园南—蔡家段初、近、远期均设计一个交路，但预留小交路折返条件。在满足高峰小时运能需求的前提下，开行小交路可大大节省牵引耗电量。因此随着运营管理水平的不断提高，可充分利用预留的折返设施，在高峰时段组织开行小交路，实现节能目的。采用该方式实现节能虽然可用满足运能需求，但会降低不开行小交路区段的服务水平。

以茶园南—蔡家段为例，近期早晚高峰小时全线按只运行一个交路和大小2个交路计算，交路图分别见图5、图6。基本按服务水平相同进行比较，大小交路考虑开行比例的需要多开行4对列车，2种交路早高峰小时开行对数见表2，2种运行交路牵引耗电量比较见表3。从表3可以看出，在满足运能需求的情况下，仅一天内因高峰小时开行小交路在茶园南—蔡家段可节省耗电量2 898 kW·h，在蔡家—茶园南段可节省耗电量6 552 kW·h。

3.3 提高再生制动能量利用技术，利用再生制动能量节能

图5 单一交路

图6 大小交路

表2 近期2种交路高峰列车开行对数 对

表3 近期高峰2种运行交路牵引耗电量比较表

目前城市轨道交通车辆普遍采用以再生制动为主、空气制动为辅的制动方式。轨道交通线路站间距离短，列车制动频繁，使制动产生的能量占总牵引耗电量的25%以上。在没有再生能量利用装置时，这些能量都将通过制动电阻转化为热能损失掉，不仅对周边环境或隧道产生热能释放或热效应积累，也不利于能量的循环利用和环境保护。

随着再生制动能量利用技术的不断提高和完善，充分利用再生制动能量是行车组织节能的最有效途径。利用该方式节能可以克服上述2种途径带来的缺点，在运行速度快、服务水平高的条件下实现最大限度的节能。尤其是随着行车密度的提高，列车制动时的再生电能可以更多地被处于启动状态的列车吸收和利用，列车再生制动能量的利用率也将不断提高。再生制动能量及利用效果分析（以节能牵引模式为例）见表4。

冉家坝推荐方案

表4 再生制动能量及利用效果分析表

从表4可用看出，再生制动能力巨大，约占总牵引能耗的25%～30%，如果再生制动能量仅利用20%，也可使茶园南—蔡家段的牵引耗电量由858.8 kW·h降低到815.3 kW·h，蔡家—茶园南段由745.6 kW·h降低到698.8 kW·h。

4 结束语

行车组织节能是一个系统工程，不仅对线路纵断面设计有较高要求，还对车辆性能、通风空调、车站建筑等方面提出了满足运营条件下尽量节能的设计要求，以便达到系统节能的目的。

就行车组织专业来讲，在运营阶段可以根据不同时段的客流需求，采用不同的列车运行模式。但从长远和能源利用效率看，再生制动能量利用潜力巨大。大力发展再生制动能量利用技术是行车组织节能的关键。

除再生制动能量利用外，其他行车组织的节能方法总有或多或少的缺陷。再生制动能量利用不仅能大大节约能源消耗，而且科学环保。目前利用该方式节能的最大障碍是我国技术不够成熟，进口的再生制动装置造价昂贵。北京地铁五号线的14座牵引变电所均预留了安装再生制动装置的条件，但目前仅安装了4套试运行，每套装置的采购价达到510多万元。从现场运行情况看，在改善牵引网供电质量、能量利用效果等方面效果良好，基本达到设计要求。

随着再生制动能量利用技术的不断完善，再生制动能量吸收装置国产化程度的提高，该装置的购置价格将大大降低，相信在不久的将来再生制动能量吸收技术将在地铁系统广泛采用，成为地铁运营后的最佳节能措施。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司. 重庆市轨道交通六号线工程可行性研究[R]，2007