地铁B型车牵引能耗与再生制动节能效果分析

梁广深 黄隆飞(北京城建设计发展集团有限公司,100082,北京∥第一作者,教授级高级工程师)



地铁B型车牵引能耗与再生制动节能效果分析

梁广深 黄隆飞
(北京城建设计发展集团有限公司,100082,北京∥第一作者,教授级高级工程师)

摘 要通过模拟列车运行速度曲线,分析列车的牵引耗电量和再生制动的节能效果;探讨地铁运营的节能措施,提高运营管理水平。通过对大量列车牵引计算图的分析,获得了地铁B2型车和B1型车日常运营的启动加速度、制动减速度、列车旅行速度、牵引耗电量、列车单位耗电量以及再生制动的节能效果;比较了运行速度由80 km/h提高到100 km/h的运行效果;探讨了地铁车辆选型的基本原则,对工程设计和运营管理具有一定的参考价值。

关键词地铁列车;牵引能耗;再生制动节能

Author′s address Beijing Nrban Construction Design Development Group Co.,Ltd.,100082,Beijing,China

目前我国地铁车辆以B型车为最多,B2型列车为4动2拖编组,B1型列车为3动3拖编组。地铁是城市中的用电大户,在城市线网中每天有数百列列车不间断地运行,每列列车的功率在2 000～3 000 k W左右,电费支出在地铁运营成本中占很大比重。地铁列车的用电包括牵引用电、空调用电和车辆自身用电三部分,其中以牵引耗电量为最大。

本文的目的是通过列车牵引计算图,分析列车的牵引耗电量以及再生制动的节能效果,探讨地铁的节能措施和途径,以提高运营管理水平。

1　基础资料

(1)以重庆地铁5号线早期的线路平面和纵断面资料为研究对象。运营线路长度为46.769 km, 设31座车站。线路最大坡度为34‰,其中30‰以上坡段总长度为9 530 m,占全线长度的20%左右。

(2)重庆地铁车辆采用B2型车,以其起动制动特性曲线编制合力表。列车荷载按定员(AW2)和超员(AW3)两种状态进行计算。

(3)列车按80 km/h和100 km/h两种目标速度运行,列车运行速度曲线按预留5～10 km/h安全余量绘制。

(4)以列车牵引计算软件,按照牵引加速—惰行—制动停车的节能模式,绘制上、下行方向列车牵引计算图。牵引图按B2、B1型车AW2和AW3两种荷载、目标速度80 km/h和100 km/h进行绘制,共绘出列车牵引计算图16套,总计480张。列车牵引计算图式样如图1所示。经过分析处理整理出各种汇总表格36张。

2　牵引能耗分析

2.1列车起动加速度、制动减速度分析

重庆目前采用的B2型车技术标准规定,在AW3和平直干燥轨道上列车从0加速到40 km/h时,平均起动加速度≥1.0m/s2;从0加速到100km/h时,平均起动加速度≥0.5 m/s2。列车制动初速度100 km/h时,常用制动平均减速度≥1.0 m/s2。

根据本文研究结果,B2型车从0加速到95 km/h(目标速度100 km/h),加速度在0.6～1.0 m/s2左右;B1型车从0加速到92 km/h,加速度在0.70～0.85 m/s2左右,均高于车辆的加速度指标(见表1)。究其原因是线路纵断面大都采用节能坡,车站高、区间低,列车出站时下坡运行,起动加速快;进站时上坡运行,制动减速较快。

图1　列车牵引计算图样例

表1　不同车速时B型车AW3工况起动、制动加减速度统计表　m/s2

(续表1)

2.2列车旅行速度及牵引耗电分析

表2是列车下行方向运行时间和牵引耗电量及再生制动电能汇总表。由此可分析列车的旅行速度、单位牵引电能消耗和再生电能量。

表2　B型车AW3工况下运行速度95 km/h时的牵引数据汇总表

(续表2)

2.2.1列车旅行速度

重庆5号线长46.769 km,设31座车站。平均站间距为1 559 m。按列车平均停站时间30 s计算,全线总停站时间870 s。B2型车全程运行时间为2 957 s,B1型车全程运行时间为3 168 s。B2型车v旅=44.0 km/h;B1型车v旅=41.7 km/h。

日本地铁根据多年的运营经验,总结出平均站间距和列车旅行速度的关系,如表3所示。重庆地铁5号线的旅行速度与该表数据很接近。

表3　平均站间距与旅行速度关系表

2.2.2列车牵引能耗比较

B2型列车比B1型列车多4台牵引电动机。在AW3荷载下,列车都以95 km/h速度运行。B2型车全程牵引耗电958.29 k Wh,B1型车耗电为912.3 1 k Wh。二者的耗电量相差不大。这说明列车的质量是决定牵引耗电量的主要因素,与牵引电动机的数量关系不大。从牵引数据分析可以看到如下现象:B2型车的线网电流比较大,但起动加速时间较短;B1型车的线网电流较小,其起动加速时间较长。这一现象与列车用电量计算公式(W=线网电压×线网电流×牵引用电时间)相吻合。

表2显示B2型列车比B1型列车牵引多耗电45.98 k Wh(约合5%),可能与其质量大一点及列车自身用电量等因素有关系。

2.2.3列车单位能耗分析

B2型列车每车·km电能消耗为3.41 k Wh, 每t·km电能消耗为0.065 k Wh;B1型列车每车·km电能消耗为3.25 k Wh,每t·km电能消耗为0.063 k Wh。

据统计,我国地铁每车·km的耗电量一般在2.5～3.0 k Wh之间。重庆地铁5号线的单位耗电指标高于其他城市,与30‰以上坡段占全线总长度20%有关系。

2.2.4列车上下行方向能耗分析

重庆地铁5号线是一条南北向线路,两端车站的高差为34.1 m,上行方向为上坡运行,下行方向为下坡运行。对B2和B1型AW3列车以95 km/h速度运行,两个方向的牵引耗电量进行了比较。B2型车上行方向比下行方向多耗电11.3%,B1型车上行比下行方向多耗电15.5%;B2型车上行方向的再生制动电能比下行方向高14.9%,B1型车上行比下行方向高8.19%。

3　列车制动再生电能分析

现代地铁车辆具有再生制动功能,可将列车的巨大动能转化为电能;或被相邻列车所吸收,或经接触网反馈到牵引变电所,作为其他用电。根据表4, B2型列车下行单程牵引耗电958.29 k Wh,再生电能为481.98 k Wh;B1型列车牵引耗电量912.31 k Wh,再生电能455.32 k Wh。其再生制动的理论节能效率为:B2型车节能为50.0%;B1型车节能为49.9%。

应该说从牵引图上得到的再生电能量是理论值,与实际运营会有一定出入。原因是本文的牵引计算图是按列车超负荷载计算的,而在实际运营中全日列车平均满载率不足50%,因列车实际质量较轻,所需制动力较小,因而再生制动电能量小。国内外的经验表明,列车再生制动的节能效率一般在30%左右。

经过研究得出以下结论。

(1)再生电能与列车制动初速度成正比:制动初速度越高,其再生电能量越多;制动初速度低,再生电能量越少。

(2)再生电能与制动坡道成反比:列车在下坡道制动,需要的制动力较大,再生电能量也大;在上坡道制动,需要的制动力较小,再生电能量也少。

(3)再生制动电能与列车质量有密切关系,与动车、拖车的比例关系不大。牵引计算图分析结果还表明:B2型列车制动的线网电流比较大,但制动时间短;B1型列车制动时线网电流较小,其制动时间较长,最终二者的再生电能差别不大。

表4　列车上下行牵引能耗、再生电能比较表

4　提高运行速度与牵引能耗的关系

目前有不少地铁新线,争相把最高运行速度由80 km/h提高到100 km/h或120 km/h。本课题对这样做是否经济合理也进行了探讨。B2型列车AW2运行速度80 km/h和100 km/h的全程运行时间和牵引耗电量见表5。从中分析旅行速度和牵引耗电量的关系。

表5　B2型AW2工况下列车运行时间及牵引能耗比较表

4.1列车旅行速度分析

表5列出的是列车目标速度下的实际速度,按照前述的计算方法,目标速度80 km/h的旅行速度为41.0 km/h,目标速度100 km/h的旅行速度为44.2 km/h。

4.2列车牵引耗电量分析

由表5看出,列车以75 km/h速度运行,全程牵引耗电709.51 k Wh;以95 km/h速度运行,牵引耗电897.04 k Wh。提速以后全程多耗电187.53 k Wh,增加比例为26.4%。

由此可见,列车运行速度由80 km/h提高到100 km/h,全程运行时间缩短267 s,旅行速度提高3.2 km/h,而列车的牵引耗电却增加26.4%,投入和产出效果不对称,也不符合国家的节能政策,这种做法值得深思。

4.3列车运行速度与车站站间距的合理匹配

列车经济节能运行模式包括起动加速、惰行、制动3种工况。如果区间长度与3种工况运行距离之和相近,列车可以跑到最高运行速度;否则,尚未达到最高速度,列车就要惰行、制动停车。

从牵引图可看出,本线路市区内的站间距较小,大部分区间跑不到目标速度就要惰行和制动,因此速度上不去。这说明列车的最高运行速度应该和车站站间距有一个合理的搭配。

笔者根据国铁动车组资料,绘制了最高运行速度80 km/h、100 km/h、120 km/h、140 km/h和160 km/h的列车运行速度曲线,整理出各种运行速度的合理区间长度(见表6)。

5　关于地铁车辆选型的思考

《地铁设计规范》规定地铁车辆分为A型和B型两种。早年只有上海、广州、南京和深圳地铁采用A型车,其他城市均采用B型车。近年随着经济的发展,采用A型车的城市逐渐多起来。北京地铁自14号线、武汉地铁自6号线以后建设的新线,均改为A型车;西安、石家庄、太原、兰州和乌鲁木齐等城市的地铁已确定采用A型车。

5.1A型车辆

A型车宽3 m,动车长22.8 m,带司机室的拖车长24.4 m,4动2拖编组,列车定员1 860人。根据多年的设计和运营实践,笔者认为对于高运量的线路来说,采用A型车更经济合理。表7为A型和B型车辆技术参数。

表6　不同最高运行速度与区间长度配合表

表7　A型和B型车辆技术参数比较表

由表7可看出,6辆A型车的长度与7辆B型车的长度相近,因此,二者的站台长度及车站土建规模无明显差别。但6辆A型车比7辆B型车多运输4 500人次/h。另一方面,地铁区间隧道大都采用盾构法施工,A型车和B型车的区间隧道限界完全相同。因此二者的区间隧道投资没有差别。综合考虑,对高运量的地铁系统采用A型车更加经济合理。

5.2B型车辆

B型车是国内地铁使用最多的车辆,车宽2.8 m,长19.52 m,,定员1 460人。现在发展为B1和B2型两个品种,B1型为3动3拖编组,B2型为4 动2拖编组。笔者通过仿真计算和列车运行模拟,证明B2型和B1型AW3列车,均能在55‰以下的坡道上启动运行。长春轨道客车股份有限公司制造的B型车辆,已经在德黑兰地铁50‰大坡道上安全运营了14年。

5.2.1B2型列车

B2型列车采用4动2拖编组,牵引电机功率190 k W,启动牵引力384 k N。经计算其在平直道的启动加速度为1.1 m/s2,制动减速度为1.24 m/ s2。由于加、减速度较大,列车启动加速和制动减速较快,适合在线路坡度较大、系统运输能力在30对/ h以上高运量线路上运营。莫斯科地铁高峰小时行车密度达到45对/h,规定车辆的加速度应达到1.0 ～1.1 m/s2,减速度在1.2～1.3 m/s2,左右。B2型车辆具备上述运行能力。

5.2.2B1型列车

B1型列车采用3动3拖编组,牵引电机功率为180 k W,启动牵引力304 k N。平直道启动加速度为0.83 m/s2,减速度为1.0 m/s2左右。B1型车在北京地铁已经运行了20多年。B1型车具有以下优势:

(1)在荷载相同条件下,B1型列车比B2型列车可节约牵引耗电5%左右。

(2)因为动车数量少,车辆购置费和维修费较低,有利于降低工程投资和运营成本。

(3)列车由3动+1拖单元车组编成,能实行4辆编组或6辆编组运行,运用比较灵活方便。北京地铁1、2号线、13号线、八通线,天津地铁1号线和武汉地铁1号线,初、近期都曾采用4辆编组运行。

(4)初、近期采用4辆编组,列车运行间隔较小,方便乘客,列车满载率高。

(5)初、近期采用4辆编组,每天可减少列车运行车·km 50%,降低运营成本。

笔者曾探讨过列车4辆、6辆编组分期实施的优越性,认为B1型车非常适合在二、三线城市大运量级的线路上,以4辆、6辆编组分期运营最为经济合理。

现在二、三线城市全部照搬大城市地铁的建设模式,采用B2型列车4动2拖编组,6辆编组一步到位,未来的前景并不乐观。原因是二、三线城市的规模较小,新线建成后相当长一段时间客运量上不去。按规范要求新线开通后每天应开行300～400列列车,因此,6辆编组列车的满载率很低,会造成巨大浪费。如果采用B1型列车,初、近期采用4辆编组运行十年以上,远期采用6辆编组运行,上述情况就可以避免。

有观点认为B1型车起动加速度0.83 m/s2偏小。其实0.83 m/s2的加速度,对于行车密度不超过30对/h的地铁系统已经够用了。北京地铁1、2号线的B1型列车,高峰小时发车间隔现在已达到2 min。

图2为B1型列车利用德黑兰地铁1号线纵断面模拟的列车运行速度曲线。由图2可见,B1型车以52 km/h速度顺利通过了6个连续50‰上坡道,其牵引性能非常好。

图2　德黑兰地铁1号线B1型列车50‰大坡道运行速度曲线图

参考文献

[1] 中国中车珠州电力机车研究所有限公司.重庆轨道交通1号线牵引电制动特性及性能计算[R].珠州:中国中车珠州电力机车研究所有限公司,2011.

[2] 林仕立,宋文吉,胡婧娴,等.轨道交通车辆再生制动能量及利用率的仿真研究[J].城市轨道交通研究,2014(5):59.

Analysis of Energy Consumption and Renewable Energy Saving Effect of Metro B-type Train

Liang Guangshen,Huang Longfei

AbstractThrough a simulation of train running speed curve,the traction power consumption and the effect of regenerative braking energy conservation of the train are analyzed.Then,energy conservation measures in metro operation and improvement of the operation level and management are discussed.Based on the analysis of a great number of train traction calculation diagrams,train acceleration and deceleration,operation speed,traction power consumption,unit electric energy consumption and the effect of regenerative braking energy conservation of B2 train and B1 train in daily operation have been obtained.The operation effect is compared between the running velocities from 80 km/h to 100 km/h.In addition,the basic principles of metro vehicle selection are discussed,which have a certain reference value to the engineering design and operation management.

Key wordsmetro train;traction consumption;regenerative braking energy conservation

(收稿日期:2014-12-04)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.006

中图分类号U 270.35