地鐵B型車牽引能耗與再生制動節能效果分析

梁廣深 黃隆飛(北京城建設計發展集團有限公司,100082,北京∥第一作者,教授級高級工程師)

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地鐵B型車牽引能耗與再生制動節能效果分析

梁廣深 黃隆飛
(北京城建設計發展集團有限公司,100082,北京∥第一作者,教授級高級工程師)

摘 要通過模擬列車運行速度曲線,分析列車的牽引耗電量和再生制動的節能效果;探討地鐵運營的節能措施,提高運營管理水平。通過對大量列車牽引計算圖的分析,獲得了地鐵B2型車和B1型車日常運營的啟動加速度、制動減速度、列車旅行速度、牽引耗電量、列車單位耗電量以及再生制動的節能效果;比較了運行速度由80 km/h提高到100 km/h的運行效果;探討了地鐵車輛選型的基本原則,對工程設計和運營管理具有一定的參考價值。

關鍵詞地鐵列車;牽引能耗;再生制動節能

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

目前我國地鐵車輛以B型車為最多,B2型列車為4動2拖編組,B1型列車為3動3拖編組。地鐵是城市中的用電大戶,在城市線網中每天有數百列列車不間斷地運行,每列列車的功率在2 000～3 000 k W左右,電費支出在地鐵運營成本中占很大比重。地鐵列車的用電包括牽引用電、空調用電和車輛自身用電三部分,其中以牽引耗電量為最大。

本文的目的是通過列車牽引計算圖,分析列車的牽引耗電量以及再生制動的節能效果,探討地鐵的節能措施和途徑,以提高運營管理水平。

1　基礎資料

(1)以重慶地鐵5號線早期的線路平面和縱斷面資料為研究對象。運營線路長度為46.769 km, 設31座車站。線路最大坡度為34‰,其中30‰以上坡段總長度為9 530 m,占全線長度的20%左右。

(2)重慶地鐵車輛采用B2型車,以其起動制動特性曲線編制合力表。列車荷載按定員(AW2)和超員(AW3)兩種狀態進行計算。

(3)列車按80 km/h和100 km/h兩種目標速度運行,列車運行速度曲線按預留5～10 km/h安全余量繪制。

(4)以列車牽引計算軟件,按照牽引加速—惰行—制動停車的節能模式,繪制上、下行方向列車牽引計算圖。牽引圖按B2、B1型車AW2和AW3兩種荷載、目標速度80 km/h和100 km/h進行繪制,共繪出列車牽引計算圖16套,總計480張。列車牽引計算圖式樣如圖1所示。經過分析處理整理出各種匯總表格36張。

2　牽引能耗分析

2.1列車起動加速度、制動減速度分析

重慶目前采用的B2型車技術標準規定,在AW3和平直干燥軌道上列車從0加速到40 km/h時,平均起動加速度≥1.0m/s2;從0加速到100km/h時,平均起動加速度≥0.5 m/s2。列車制動初速度100 km/h時,常用制動平均減速度≥1.0 m/s2。

根據本文研究結果,B2型車從0加速到95 km/h(目標速度100 km/h),加速度在0.6～1.0 m/s2左右;B1型車從0加速到92 km/h,加速度在0.70～0.85 m/s2左右,均高于車輛的加速度指標(見表1)。究其原因是線路縱斷面大都采用節能坡,車站高、區間低,列車出站時下坡運行,起動加速快;進站時上坡運行,制動減速較快。

圖1　列車牽引計算圖樣例

表1　不同車速時B型車AW3工況起動、制動加減速度統計表　m/s2

(續表1)

2.2列車旅行速度及牽引耗電分析

表2是列車下行方向運行時間和牽引耗電量及再生制動電能匯總表。由此可分析列車的旅行速度、單位牽引電能消耗和再生電能量。

表2　B型車AW3工況下運行速度95 km/h時的牽引數據匯總表

(續表2)

2.2.1列車旅行速度

重慶5號線長46.769 km,設31座車站。平均站間距為1 559 m。按列車平均停站時間30 s計算,全線總停站時間870 s。B2型車全程運行時間為2 957 s,B1型車全程運行時間為3 168 s。B2型車v旅=44.0 km/h;B1型車v旅=41.7 km/h。

日本地鐵根據多年的運營經驗,總結出平均站間距和列車旅行速度的關系,如表3所示。重慶地鐵5號線的旅行速度與該表數據很接近。

表3　平均站間距與旅行速度關系表

2.2.2列車牽引能耗比較

B2型列車比B1型列車多4臺牽引電動機。在AW3荷載下,列車都以95 km/h速度運行。B2型車全程牽引耗電958.29 k Wh,B1型車耗電為912.3 1 k Wh。二者的耗電量相差不大。這說明列車的質量是決定牽引耗電量的主要因素,與牽引電動機的數量關系不大。從牽引數據分析可以看到如下現象:B2型車的線網電流比較大,但起動加速時間較短;B1型車的線網電流較小,其起動加速時間較長。這一現象與列車用電量計算公式(W=線網電壓×線網電流×牽引用電時間)相吻合。

表2顯示B2型列車比B1型列車牽引多耗電45.98 k Wh(約合5%),可能與其質量大一點及列車自身用電量等因素有關系。

2.2.3列車單位能耗分析

B2型列車每車·km電能消耗為3.41 k Wh, 每t·km電能消耗為0.065 k Wh;B1型列車每車·km電能消耗為3.25 k Wh,每t·km電能消耗為0.063 k Wh。

據統計,我國地鐵每車·km的耗電量一般在2.5～3.0 k Wh之間。重慶地鐵5號線的單位耗電指標高于其他城市,與30‰以上坡段占全線總長度20%有關系。

2.2.4列車上下行方向能耗分析

重慶地鐵5號線是一條南北向線路,兩端車站的高差為34.1 m,上行方向為上坡運行,下行方向為下坡運行。對B2和B1型AW3列車以95 km/h速度運行,兩個方向的牽引耗電量進行了比較。B2型車上行方向比下行方向多耗電11.3%,B1型車上行比下行方向多耗電15.5%;B2型車上行方向的再生制動電能比下行方向高14.9%,B1型車上行比下行方向高8.19%。

3　列車制動再生電能分析

現代地鐵車輛具有再生制動功能,可將列車的巨大動能轉化為電能;或被相鄰列車所吸收,或經接觸網反饋到牽引變電所,作為其他用電。根據表4, B2型列車下行單程牽引耗電958.29 k Wh,再生電能為481.98 k Wh;B1型列車牽引耗電量912.31 k Wh,再生電能455.32 k Wh。其再生制動的理論節能效率為:B2型車節能為50.0%;B1型車節能為49.9%。

應該說從牽引圖上得到的再生電能量是理論值,與實際運營會有一定出入。原因是本文的牽引計算圖是按列車超負荷載計算的,而在實際運營中全日列車平均滿載率不足50%,因列車實際質量較輕,所需制動力較小,因而再生制動電能量小。國內外的經驗表明,列車再生制動的節能效率一般在30%左右。

經過研究得出以下結論。

(1)再生電能與列車制動初速度成正比:制動初速度越高,其再生電能量越多;制動初速度低,再生電能量越少。

(2)再生電能與制動坡道成反比:列車在下坡道制動,需要的制動力較大,再生電能量也大;在上坡道制動,需要的制動力較小,再生電能量也少。

(3)再生制動電能與列車質量有密切關系,與動車、拖車的比例關系不大。牽引計算圖分析結果還表明:B2型列車制動的線網電流比較大,但制動時間短;B1型列車制動時線網電流較小,其制動時間較長,最終二者的再生電能差別不大。

表4　列車上下行牽引能耗、再生電能比較表

4　提高運行速度與牽引能耗的關系

目前有不少地鐵新線,爭相把最高運行速度由80 km/h提高到100 km/h或120 km/h。本課題對這樣做是否經濟合理也進行了探討。B2型列車AW2運行速度80 km/h和100 km/h的全程運行時間和牽引耗電量見表5。從中分析旅行速度和牽引耗電量的關系。

表5　B2型AW2工況下列車運行時間及牽引能耗比較表

4.1列車旅行速度分析

表5列出的是列車目標速度下的實際速度,按照前述的計算方法,目標速度80 km/h的旅行速度為41.0 km/h,目標速度100 km/h的旅行速度為44.2 km/h。

4.2列車牽引耗電量分析

由表5看出,列車以75 km/h速度運行,全程牽引耗電709.51 k Wh;以95 km/h速度運行,牽引耗電897.04 k Wh。提速以后全程多耗電187.53 k Wh,增加比例為26.4%。

由此可見,列車運行速度由80 km/h提高到100 km/h,全程運行時間縮短267 s,旅行速度提高3.2 km/h,而列車的牽引耗電卻增加26.4%,投入和產出效果不對稱,也不符合國家的節能政策,這種做法值得深思。

4.3列車運行速度與車站站間距的合理匹配

列車經濟節能運行模式包括起動加速、惰行、制動3種工況。如果區間長度與3種工況運行距離之和相近,列車可以跑到最高運行速度;否則,尚未達到最高速度,列車就要惰行、制動停車。

從牽引圖可看出,本線路市區內的站間距較小,大部分區間跑不到目標速度就要惰行和制動,因此速度上不去。這說明列車的最高運行速度應該和車站站間距有一個合理的搭配。

筆者根據國鐵動車組資料,繪制了最高運行速度80 km/h、100 km/h、120 km/h、140 km/h和160 km/h的列車運行速度曲線,整理出各種運行速度的合理區間長度(見表6)。

5　關于地鐵車輛選型的思考

《地鐵設計規范》規定地鐵車輛分為A型和B型兩種。早年只有上海、廣州、南京和深圳地鐵采用A型車,其他城市均采用B型車。近年隨著經濟的發展,采用A型車的城市逐漸多起來。北京地鐵自14號線、武漢地鐵自6號線以后建設的新線,均改為A型車;西安、石家莊、太原、蘭州和烏魯木齊等城市的地鐵已確定采用A型車。

5.1A型車輛

A型車寬3 m,動車長22.8 m,帶司機室的拖車長24.4 m,4動2拖編組,列車定員1 860人。根據多年的設計和運營實踐,筆者認為對于高運量的線路來說,采用A型車更經濟合理。表7為A型和B型車輛技術參數。

表6　不同最高運行速度與區間長度配合表

表7　A型和B型車輛技術參數比較表

由表7可看出,6輛A型車的長度與7輛B型車的長度相近,因此,二者的站臺長度及車站土建規模無明顯差別。但6輛A型車比7輛B型車多運輸4 500人次/h。另一方面,地鐵區間隧道大都采用盾構法施工,A型車和B型車的區間隧道限界完全相同。因此二者的區間隧道投資沒有差別。綜合考慮,對高運量的地鐵系統采用A型車更加經濟合理。

5.2B型車輛

B型車是國內地鐵使用最多的車輛,車寬2.8 m,長19.52 m,,定員1 460人?，F在發展為B1和B2型兩個品種,B1型為3動3拖編組,B2型為4 動2拖編組。筆者通過仿真計算和列車運行模擬,證明B2型和B1型AW3列車,均能在55‰以下的坡道上啟動運行。長春軌道客車股份有限公司制造的B型車輛,已經在德黑蘭地鐵50‰大坡道上安全運營了14年。

5.2.1B2型列車

B2型列車采用4動2拖編組,牽引電機功率190 k W,啟動牽引力384 k N。經計算其在平直道的啟動加速度為1.1 m/s2,制動減速度為1.24 m/ s2。由于加、減速度較大,列車啟動加速和制動減速較快,適合在線路坡度較大、系統運輸能力在30對/ h以上高運量線路上運營。莫斯科地鐵高峰小時行車密度達到45對/h,規定車輛的加速度應達到1.0 ～1.1 m/s2,減速度在1.2～1.3 m/s2,左右。B2型車輛具備上述運行能力。

5.2.2B1型列車

B1型列車采用3動3拖編組,牽引電機功率為180 k W,啟動牽引力304 k N。平直道啟動加速度為0.83 m/s2,減速度為1.0 m/s2左右。B1型車在北京地鐵已經運行了20多年。B1型車具有以下優勢:

(1)在荷載相同條件下,B1型列車比B2型列車可節約牽引耗電5%左右。

(2)因為動車數量少,車輛購置費和維修費較低,有利于降低工程投資和運營成本。

(3)列車由3動+1拖單元車組編成,能實行4輛編組或6輛編組運行,運用比較靈活方便。北京地鐵1、2號線、13號線、八通線,天津地鐵1號線和武漢地鐵1號線,初、近期都曾采用4輛編組運行。

(4)初、近期采用4輛編組,列車運行間隔較小,方便乘客,列車滿載率高。

(5)初、近期采用4輛編組,每天可減少列車運行車·km 50%,降低運營成本。

筆者曾探討過列車4輛、6輛編組分期實施的優越性,認為B1型車非常適合在二、三線城市大運量級的線路上,以4輛、6輛編組分期運營最為經濟合理。

現在二、三線城市全部照搬大城市地鐵的建設模式,采用B2型列車4動2拖編組,6輛編組一步到位,未來的前景并不樂觀。原因是二、三線城市的規模較小,新線建成后相當長一段時間客運量上不去。按規范要求新線開通后每天應開行300～400列列車,因此,6輛編組列車的滿載率很低,會造成巨大浪費。如果采用B1型列車,初、近期采用4輛編組運行十年以上,遠期采用6輛編組運行,上述情況就可以避免。

有觀點認為B1型車起動加速度0.83 m/s2偏小。其實0.83 m/s2的加速度,對于行車密度不超過30對/h的地鐵系統已經夠用了。北京地鐵1、2號線的B1型列車,高峰小時發車間隔現在已達到2 min。

圖2為B1型列車利用德黑蘭地鐵1號線縱斷面模擬的列車運行速度曲線。由圖2可見,B1型車以52 km/h速度順利通過了6個連續50‰上坡道,其牽引性能非常好。

圖2　德黑蘭地鐵1號線B1型列車50‰大坡道運行速度曲線圖

參考文獻

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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

中圖分類號U 270.35