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  開(kāi)始檢測(cè)

　　摘要：本文對(duì)城市軌道交通線(xiàn)路中逆變?cè)偕苿?dòng)裝置在不同工況下的綜合效益進(jìn)行分析，得出客流量、列車(chē)制動(dòng)初速度以及線(xiàn)路的地下區(qū)間占比為影響影響效益的主要因素，并通過(guò)實(shí)際工況，對(duì)既有項(xiàng)目是否引入逆變?cè)偕到y(tǒng)給出具體建議。

　　關(guān)鍵詞：城市軌道交通、逆變?cè)偕b置、綜合效益

　　0引言

　　近些年來(lái)，城市軌道交通迅猛發(fā)展，城市軌道交通的運(yùn)量、密度積極速度，都在不斷地提升。在享受城市軌道交通帶來(lái)的便利的同時(shí)，也有些亟待解決的問(wèn)題。地鐵列車(chē)短距離地、頻繁地開(kāi)啟與制動(dòng)，產(chǎn)生了極大地能量浪費(fèi),同時(shí)由于大量的制動(dòng)能量被電阻轉(zhuǎn)換成熱量排放到隧道或車(chē)站中，變相提高了環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，增加了環(huán)控系統(tǒng)后期運(yùn)行成本[1]。

　　相關(guān)期刊推薦：《現(xiàn)代城市軌道交通》(雙月刊)創(chuàng)刊于2004年，由鐵道部主管、鐵道部科學(xué)技術(shù)信息研究所和鐵科院(北京)工程咨詢(xún)有限公司主辦。將以新傳媒模式運(yùn)作，密切關(guān)注城市軌道交通事業(yè)的焦點(diǎn)、熱點(diǎn);全方位介紹國(guó)內(nèi)外地鐵、輕軌等快捷交通的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn);及時(shí)報(bào)道相關(guān)技術(shù)及其裝備和高新技術(shù)成果;不斷擴(kuò)大國(guó)際合作，多元化促進(jìn)學(xué)術(shù)研討與技術(shù)交流。

　　列車(chē)制動(dòng)再生裝置的引入，為解決電能的浪費(fèi)以及節(jié)能環(huán)保帶來(lái)了解決方案。但再生裝置前期高昂的設(shè)備費(fèi)用投入，讓很多城市在修建地鐵過(guò)程中對(duì)于是否引入有所顧慮。本文基于實(shí)際的城市軌道交通新建線(xiàn)路，通過(guò)理論計(jì)算數(shù)據(jù)，分析逆變?cè)偕b置的節(jié)能的影響因素，從而對(duì)新建線(xiàn)路是否安裝再生制動(dòng)系統(tǒng)以及再生系統(tǒng)對(duì)的經(jīng)濟(jì)效益給出具有指導(dǎo)意義的建議。

　　1、地鐵制動(dòng)方案

　　目前，城市軌道交通常用的制動(dòng)能量消耗吸收裝置主要有電阻耗能型和逆變回饋型。

　　(1)地面電阻耗能型是較為成熟制動(dòng)方案，利用車(chē)載大功率電阻將再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量以電阻發(fā)熱的形式消耗掉[2]，如圖1-1所示。

　　(2)逆變型再生回饋裝置：列車(chē)發(fā)生制動(dòng)時(shí)，通過(guò)逆變器和變壓器將制動(dòng)能量饋入35kV交流電網(wǎng)，從而達(dá)到了列車(chē)制動(dòng)能量再次利用的目的[3]。當(dāng)牽引網(wǎng)上的電壓高于設(shè)定參考值時(shí)，逆變回饋裝置投入運(yùn)行，將制動(dòng)產(chǎn)生的能量饋入交流電網(wǎng)[2]。

　　兩種方案的產(chǎn)品的具體的性能及投資情況如下表所示：

　　除此之外，在用的制動(dòng)方案還有電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型等，本文著重對(duì)分析電阻消耗型與逆變回饋型兩種。

　　2、再生制動(dòng)系統(tǒng)綜合效能分析

　　2.1工程概況

　　某城市軌道交通線(xiàn)路線(xiàn)全長(zhǎng)32.4公里，高架段約18.1km，地下段約12.6km，過(guò)渡段1.7km。全線(xiàn)車(chē)站12座，1段1場(chǎng)，其中地下站7座，高架站5座。共設(shè)14座混合所，2座降壓所以及2座跟隨所。除去段場(chǎng)以及區(qū)間牽引所部分，具備設(shè)置再生裝置條件的牽引所共11座。采購(gòu)車(chē)輛為A型車(chē)，初近遠(yuǎn)期均采用4 動(dòng)2 拖6 輛編組。

　　根據(jù)再生裝置在國(guó)內(nèi)的發(fā)展與運(yùn)用情況，其中電阻耗能型，前期投資少，但是后期運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較高;而逆變回饋型，前期投資成本較高，但是后期會(huì)產(chǎn)生較為可觀的節(jié)能效果。結(jié)合既有經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)工況，需評(píng)估設(shè)置再生裝置能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

　　2.2 前期土建及系統(tǒng)設(shè)備投資

　　(1)土建及系統(tǒng)設(shè)備增加費(fèi)用

　　根據(jù)既有工況，具備設(shè)置再生裝置的牽引所共11座。若設(shè)置再生裝置，每座牽引所需要單獨(dú)的設(shè)備放置室，故需每個(gè)牽引所需增加土建面積50平方米。當(dāng)增加1套再生制動(dòng)裝置時(shí)，需要在額外增加配套的35kV開(kāi)關(guān)柜1面，1500V直流開(kāi)關(guān)柜1面，具體如下表2-3所示：

　　(2)系統(tǒng)設(shè)備節(jié)約費(fèi)用

　　采用常規(guī)的電阻消耗，每列車(chē)中需安裝4套車(chē)載制動(dòng)電阻，每套費(fèi)用為13萬(wàn)元;若采用再生裝置，則可將4套車(chē)載制動(dòng)電阻替換為4套單價(jià)為8萬(wàn)元的過(guò)壓吸收裝置，每列車(chē)節(jié)省20萬(wàn)元，具體如下表2-4所示。

　　2.3.1制動(dòng)節(jié)能

　　(1)列車(chē)總荷載計(jì)算

　　A、車(chē)輛編組形式與車(chē)重：車(chē)輛分為T(mén)c車(chē)、Mp車(chē)和M車(chē)，Tc車(chē)為帶司機(jī)室的拖車(chē)，Mp車(chē)為裝有受電弓的動(dòng)車(chē)，M車(chē)為動(dòng)車(chē)。Tc車(chē)、Mp車(chē)和M車(chē)組成一個(gè)基本單元，每列車(chē)有二個(gè)基本單元組成，為實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行，列車(chē)的編組方式如下為：-Tc+Mp+M=M+Mp+Tc-。

　　B、車(chē)輛軸重：列車(chē)按照載客量分為空載、坐席、定員和超員四種工況，不同工況下列車(chē)的總荷載如下表2-5所示。

　　2.3.2通風(fēng)節(jié)能

　　采用用一般的電阻耗能，電阻耗能所散發(fā)的熱量需要對(duì)應(yīng)的冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)進(jìn)行及時(shí)的降溫散熱，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。當(dāng)采用再生裝置之后，散熱問(wèn)題得以解決，對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的費(fèi)用即為后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中節(jié)能費(fèi)用的一部分。

　　結(jié)合本線(xiàn)路的具體情況，列車(chē)運(yùn)行時(shí)間16h/日，整條線(xiàn)路有56.8%的路段為地下隧道，需要進(jìn)行散熱。

　　2.3.3運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用

　　逆變?cè)偕b置系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)使用年限一般為20年，在此期間，設(shè)備運(yùn)營(yíng)每年所需的維護(hù)費(fèi)用按照設(shè)備費(fèi)用的也會(huì)不斷增加，按照設(shè)備總費(fèi)用的百分比計(jì)取。

　　2.4綜合效益分析

　　綜合以上分析，選取其中一種最常見(jiàn)的工況進(jìn)行定量的計(jì)算。設(shè)列車(chē)制動(dòng)初速度為70kM/h，列車(chē)一日內(nèi)平均荷載按照定員的荷載Aw2考慮，列車(chē)每3分鐘制動(dòng)一次，則該線(xiàn)路20年內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益情況如下：

　　(1)前期土建投資：770萬(wàn)元

　　(2)前期系統(tǒng)設(shè)備投資：3560萬(wàn)元

　　(3)單列車(chē)制動(dòng)一年節(jié)省的費(fèi)用如下表2-13所示。

　　(4)單列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)一年節(jié)省費(fèi)用

　　(5)單列車(chē)車(chē)載過(guò)壓吸頂裝置相對(duì)車(chē)載制動(dòng)電阻，節(jié)約費(fèi)用為20萬(wàn)元。

　　(6)系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用前期每年為178萬(wàn)元，中期每年為356萬(wàn)元，后期每年為534萬(wàn)元。

　　根據(jù)以上情況，分別計(jì)算不同制動(dòng)速度下，再生裝置在20年設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)所產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益如下圖所示

　　由圖2-3可知，逆變?cè)偕b置前期投資費(fèi)用4320萬(wàn)元，通過(guò)后期運(yùn)營(yíng)，投資逐漸得以收回。

　　(1)當(dāng)列車(chē)平均制動(dòng)初速度為80km/h時(shí)，該線(xiàn)路7年的時(shí)間就可以收回前期的投資，并在后期穩(wěn)定地產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)備在20年的設(shè)計(jì)使用時(shí)間里，總共可以節(jié)約費(fèi)用6713萬(wàn)元。

　　(2)當(dāng)列車(chē)平均制動(dòng)初速度為70km/h和60km/h時(shí)，收回前期成本則分別需要9年和12年的時(shí)間，設(shè)備在20年的設(shè)計(jì)使用時(shí)間里，總共可以節(jié)約費(fèi)用分別為3698和1087萬(wàn)元。

　　(3)當(dāng)列車(chē)平均制動(dòng)初速度為50km/h時(shí)，設(shè)備在使用前期，能逐漸有效地回收成本，但隨著后期設(shè)備維護(hù)費(fèi)用的逐漸增加，設(shè)備在20年的時(shí)間并未能實(shí)現(xiàn)綜合經(jīng)濟(jì)效益的正值。

　　綜上可知，是列車(chē)不同的制動(dòng)速度，產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益差異較大，該線(xiàn)路若要最大限度的利用再生設(shè)備系統(tǒng)，則需要盡量提高運(yùn)營(yíng)速度。當(dāng)日常進(jìn)站的制動(dòng)速度小于50km/時(shí)，將無(wú)法在設(shè)備使用生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)綜合經(jīng)濟(jì)效益的正值。

　　3、結(jié)論與建議

　　(1)列車(chē)荷載越大，再生制動(dòng)系統(tǒng)的能量制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量就越多，列車(chē)超員工況下產(chǎn)生的制動(dòng)能量約為空載時(shí)的1.7倍。由此可知，線(xiàn)路客流量越大，對(duì)于再生系統(tǒng)制動(dòng)節(jié)能產(chǎn)生的效果越好。

　　(2)制動(dòng)時(shí)速度越大，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的制動(dòng)能量越多。因此該線(xiàn)路中列車(chē)的運(yùn)營(yíng)速度以及進(jìn)入車(chē)站的制動(dòng)速度越大，節(jié)約的費(fèi)用越多。

　　(3)對(duì)于同一條線(xiàn)路，地下區(qū)間占比越大，相比于車(chē)載電阻式裝置，引入在再生裝置對(duì)應(yīng)節(jié)省的費(fèi)用越多。所以，對(duì)于全地下線(xiàn)或者地下區(qū)間占比較大的線(xiàn)路，引入再生裝置節(jié)約的費(fèi)用越多。

　　(4)按照列車(chē)平均為定員荷載的情況下，一般制動(dòng)速度為70～80km時(shí)，需要7～9年才能收回成本，在設(shè)備使用的20年，共可以節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用3600到6400萬(wàn)元之間。