地铁运营初期部分机电设备精细化运行时间表制定策略

宋吉鹏

(青岛地铁集团有限公司运营分公司，266100，青岛 ∥ 工程师)

地铁通风空调系统、照明系统等机电设备运行费用在地铁运营成本中占比相当大，其运行能耗约占地铁总能耗的1/3～1/2[1-3]，尤其在线路运营初期，此占比甚至会超过1/2。在运营服务时间内，通风空调系统、照明系统等机电设备的运行时间及运行模式，既会直接影响地铁运营时的乘车环境，又会直接影响其用电负荷。而机电设备运行时间表是地铁控制中心综合监控系统中用于编制所辖线路各站通风空调系统(包括车站大系统、车站小系统、隧道通风系统)、照明系统运行时间及执行模式的功能模块。因此，能否制定科学、合理、精细的机电设备运行时间表，不仅事关机电设备的智能运行情况，而且还会间接影响地铁运营时的服务水平和节能效果。目前国内鲜有对机电设备运行时间表的研究，本文将以青岛地铁2号线为例，根据线路运营初期的实际情况，阐述机电设备运行时间表的优化制定过程。

1 原机电设备运行时间表简介

青岛地铁2号线机电设备运行时间表主要是根据青岛市年平均气温变化趋势、单日气温变化特征及日出日落时间，并结合线路运营时间等来制定的。通风空调系统运行时间表的制定，首先是根据青岛市年平均气温变化趋势将其运行季划分为空调季、过渡季和冬季3个时段，然后再根据各运行季时段单日气温的变化特征及线路运营时间，制定其详细的运行时间表[4]。照明系统的运行时间表则是直接根据日出日落时间及线路运营时间来制定的。青岛地铁2号线优化前的通风空调系统、照明系统运行时间表分别如表1、表2所示。

表1 青岛地铁2号线通风空调系统运行时间表

表2 青岛地铁2号线照明系统运行时间表

2 精细化机电设备运行时间表制定

精细化机电设备运行时间表是以车站为单位、以各车站的首末班车时间为基本依据，结合相关通风时间计算结果等制定的。其制定原则为“满足运营服务需求，尽量减少电能浪费”。本文详细阐述青岛地铁2号线地铁照明系统、车站大系统、隧道通风系统精细化运行时间表的制定策略。

2.1 车站首末班车时间统计及归类

以青岛地铁2019年某号运作命令为依据，统计2号线东段各车站的首末班车时间。部分统计结果如表3所示。

表3 青岛地铁2号线东段部分车站2019年首末班车时间统计

由表3可见，由于上下行列车相向而行，首班车最早到站时间为李村公园站，最迟到站时间为高雄路站；末班车最早离站时间为高雄路站，最迟离站时间为李村公园站。相邻车站首末班车到站时间间隔，即列车在区间的运行时间，其范围在1～5 min之间，大部分到站时间间隔为2 min。鉴于此，地铁机电设备运行时间表精细化制定的最小时间段应以2 min间隔起。考虑到车站的相关运作情况及设计制定的便利性，本文以10 min间隔为最小时间段来制定。基于上述考虑，2号线列车最早到站时间按06:00、06:10、06:20、06:30来设计制定，最迟离站时间按23:10、23:20、23:30、23:40来设计制定。各站列车最早到站时间和最迟离站时间统计归类分别如表4、表5所示。

表4 青岛地铁2号线各站的列车最早到站时间统计归类

表5 青岛地铁2号线各站的列车最迟离站时间统计归类

2.2 照明系统精细化运行时间表制定

通过查阅青岛市的日出日落时刻得出，2号线东段所有车站所在区域的日出日落时刻相差不超过1 min。此外通过观察得出，天气良好的情况下，天亮时刻比日出时刻通常早25 min，天黑时刻比日落时刻通常晚25 min；日出前10 min和日落后10 min，天空亮度均可满足乘客进出站的亮度需求。同时为给站内人员提供巡查车站相关照明设备设施时间和运营前/后准备时间，需提前/延后约30 min开启/关闭车站照明。综合以上所有要求和条件，并结合各站列车最早到站时间和最迟离站时间统计归类表，精细化制定了照明系统运行时间表。其中冬天某个典型时间段的照明系统运行时间如表6所示。

由表6与表2相比较可知，车站照明关闭时间(即夜间停运模式时间)比之前延长10 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min的车站分别有2个、2个、2个、4个、5个、1个，合计总延长关闭时间为730 min，相当于每天节省了一个车站三分之二的照明能耗。

表6 青岛地铁2号线冬天(1月1日至2月5日)某个典型时间段的照明系统精细化运行时间表

2.3 通风空调系统精细化运行时间表制定

通风空调系统的运行时间与车站环境密切相关，需着重考虑车站的空气新鲜度和舒适度，下面就车站大系统和隧道通风系统运行时间表的精细化制定进行分别介绍。

2.3.1 车站大系统

2.3.1.1 车站公共区一次换气时间计算

2号线典型车站的大系统采用一次回风全空气系统，由空调新风机、组合式空调机组、回/排风机、排烟风机等设备以及相关的辅助设备组成。有关设备的相关参数为：组合式空调机组(AHU)A、B端各1台，风机风量为65 000 m3/h，功率为22 kW；回/排风机(RAF-101、201)A、B端各1台，风机风量为48 000 m3/h，功率为15 kW。

通过查阅设计资料得知，2号线某车站站厅层公共区面积为1 651 m2，站台层公共区面积为1 205 m2；另一车站站厅层公共区面积为1 592.4 m2，站台层公共区面积为956 m2。为考虑通风余量，将每个站的站厅层公共区面积按1 700 m2计算，站台层公共区面积按1 250 m2计算。层高按装修高度计算，其中站厅层层高为3.3 m，站台层层高为3.0 m。据此计算车站公共区空间体积V公共区=9 360 m3，考虑到通风余量，将车站公共区空间按9 500 m3计算。车站大系统正常运行时，送风量明显大于排风量，故按送风量计算换气时间。车站大系统风机50 Hz频率运行时，按送风量Q送计算一次换气时间t=V公共区/Q送=263.1 s，约4.4 min；车站大系统风机30 Hz频率运行时，则t=438.5 s，约7.3 min。因此，风机按50 Hz频率运行时，车站公共区换一次新风大约需5 min，若计算风道存风量，车站公共区换一次新风大约需6 min；风机按30 Hz频率运行时，车站公共区换一次新风大约需8 min，若计算风道存风量，车站公共区换一次新风大约需9 min。

2.3.1.2 车站大系统精细化运行时间表

在过渡季阶段，应保证刚开始运营时能完成一次换气，因此大系统须在首班车到站前10 min开启通风，运营结束后停止通风即可；在空调季阶段，7:00左右人流量开始进入高峰期，根据青岛气候特点,6:30之前保持正常通风、6:30之后开启冷水机组即可[5]，运营结束时提前10 min关停冷水机组即可；在冬季阶段,可以采取间歇性通风的方式，所有车站在早晚高峰时段及中午时段(7:00-9:00、12:00-15:00、17:00-19:00)运行通风模式，其余时间运行停运模式。据此制定的大系统精细化运行时间如表7所示。

表7 青岛地铁2号线车站大系统精细化运行时间表

由表7与表1相比较可知，车站大系统停运时间比之前延长10 min、20 min、30 min、40 min的车站分别有2个、4个、5个、1个，缩短10 min、20 min的车站分别各有2个，合计总延长停运时间为230 min，相当于每天节省了1个车站四分之一的大系统运行能耗。

2.3.2 隧道通风系统

2.3.2.1 区间隧道一次换气时间计算

2号线区间隧道通风系统由隧道风机、轨道排风机、射流风机等设备以及相关的辅助设备组成。其中，轨道排风机、射流风机不参与早晚隧道通风，不纳入计算范围。隧道风机的相关参数为：隧道风机(TVF)A、B端各2台，风机风量为60 m3/s，功率为90 kW，可正反转变频运行。

通过查阅设计资料得知，某区间1、区间2、区间3、区间4分别为马蹄形隧道、圆形隧道、马蹄形隧道、马蹄形隧道，半径分别为2.6 m、2.7 m、2.6 m、2.6 m，区间长度分别为610 m、915 m、760 m、850 m。为计算方便，区间隧道横截面积统一按圆形计算。利用上述参数进行计算，圆形区间隧道横截面积为21.24 m2，马蹄形区间隧道横截面积为22.90 m2，为考虑通风余量，将区间隧道横截面积近似取值为23 m2。按较长区间计算区间隧道空间，选取区间2以及区间2至区间4(连续3个区间)进行计算，计算结果为：区间2隧道空间体积V区间2=21 045 m3；区间2至区间4隧道空间体积V区间2～4=61 433 m3。当每个车站4台隧道风机正常开启时，区间风量Q隧基本在57～59 m3/s之间；关闭连续2个车站所有隧道风机时，此区间风量Q隧1基本在50～55 m3/s之间[5]，取最小区间风量值对上述区间的一次换气时间进行计算，结果为：区间一次换气时间t区间2=V区间2/Q隧≈369.2 s，约6.2 min；区间2至区间4一次换气时间t区间2～4=V区间2～4/Q隧1=1 228.66 s，约20.5 min。由上述计算结果可知，单个区间一次换气可在7 min内完成，长区间(连续3个区间)一次换气时间可在25 min内完成。

2.3.2.2 隧道通风系统精细化运行时间表

GB 50157—2013《地铁设计规范》对区间隧道早晚通风情况并未做具体要求，只明确区间隧道内二氧化碳的日平均浓度应小于1.5‰，区间隧道内的温度应在5～40 ℃之间。通过查阅相关文献，对隧道通风系统早晚通风的主要作用总结如下：利用室外空气对地铁隧道进行预冷却和通风，排除隧道内的余热和相关污染物；同时还可以检查隧道风机、风阀等设备的运行状况，确保区间发生火灾、阻塞事故时能及时投用[6]。结合2号线区间隧道内环境参数可得出，在地铁运营初期隧道通风换气一次即可满足上述要求。

区间隧道早晚通风的常规做法是，每个站均开启所有隧道风机，相邻车站分别采取送风、排风模式间隔运行，形成推挽式的区间隧道通风，如图1所示。若考虑节能或减少噪声等因素，还可采取隔站开启隧道风机的模式，如图2所示[6-7]。其缺点是若一个区间有环境问题则可能影响到相邻区间。隔站开启模式下，运行与停机的相关各站应在相同间隔时间里依次轮流更换状态模式，保证各站在每个周期(通常为一个月)内均开机运行过。此外可根据环网供电分区将车站划分为不同的大组，每个大组里相邻的两个车站为一小组，各个小组依次间隔30～60 s开启隧道风机，以减少启动时的线损。

图1 地铁隧道早晚通风各站隧道风机均开启的通风模式

图2 地铁隧道早晚通风隧道风机隔站开启的通风模式

考虑到青岛市靠近海边，整体湿度较大，地铁隧道通风时间越长，越会加重地铁隧道相关设备的腐蚀程度，因此应尽量缩短地铁隧道通风时间(或取消夜间地铁隧道通风，只保留运营前地铁隧道通风)。此外，考虑到夏天通风时间长会使地铁隧道内温度上升，冬天通风时间长则可能会使地铁隧道内温度过低，因此在夏冬季节也应适当缩短地铁隧道通风时间。据此制定的精细化隧道通风时间表如表8所示。

由表8与表1相比较可知，隧道通风系统运行时间进行优化调整后，每天可节省一半以上的隧道通风系统运行能耗，节能效果显著。

表8 青岛地铁2号线隧道通风系统精细化运行时间表

3 运行时间表优化前后能耗对比分析

以过渡季典型日为例，青岛地铁2号线原时间表与精细化时间表下的总运营能耗，以及牵引、动力及照明、线损、其他三方面的能耗及占比如表9所示。由表9可知，每天全线在动力及照明方面可节约能耗约4 000 kWh。实践证明，运营初期的精细化时间表运行效果良好，节能效果明显。此外，对地铁运营远期时的机电设备运行时间表还需做持续的深入研究。

表9 青岛地铁2号线原时间表与精细化时间表下的单日能耗对比表

4 结语

机电设备运行时间表是自动控制技术在地铁相关系统控制中的重要体现，其可替代车站人员每天的重复开关操作。制定合理、科学、精细的运行时间表，不仅有利于地铁相关机电设备系统的合理运行，还可达到良好的节能效果。本文根据青岛地铁2号线的相关设备参数、车站和隧道空间参数、运营首末班车时间等，并结合当地环境条件和一次通风时间等计算结果，在满足运营要求的条件下，制定了精细化、节能化的照明系统、通风空调系统运行时间表。该时间表既可满足各站的运营需求，又可避免不必要的电能浪费，有效降低全线的照明用电、动力用电等。