鐵路管理論文：鐵路運輸節(jié)能技術(shù)與節(jié)能管理研究24977

1、鐵路管理論文：鐵路運輸節(jié)能技術(shù)與節(jié)能管理研究摘要:本文通過分析鐵路運輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)和層面，詳述了各項節(jié)能技術(shù)的機理以及可以達到的節(jié)能效果，并從微觀、中觀和宏觀角度闡述了節(jié)能管理。關(guān)鍵詞:鐵路運輸;節(jié)能技術(shù);節(jié)能管理一、引言按照調(diào)整后的中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，我國加快了大規(guī)模鐵路建設(shè)的步伐。截至2009年，全國普通鐵路營業(yè)里程8.6萬公里，鐵路路網(wǎng)密度達到89.1公里/萬平方公里。鐵路作為我國國民經(jīng)濟的大動脈，其主導(dǎo)地位將得到進一步加強。鼓勵鐵路發(fā)展成為提高交通運輸行業(yè)能源利用率的關(guān)鍵措施，有助于建立起可持續(xù)發(fā)展的交通運輸結(jié)構(gòu)。根據(jù)我國國家鐵路能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，20032008年國家鐵路運輸企業(yè)能源消耗量，

2、可見鐵路能源消耗量逐年增加，2008年國家鐵路運輸企業(yè)能源消耗折算標(biāo)準煤達1693.9萬噸，比2003年增加149.5萬噸、增長9.7%。從能源消耗的絕對量來看，鐵路運輸?shù)哪芎牧烤薮?，是?jié)能的重點行業(yè)。因此做好鐵路運輸?shù)墓?jié)能減排工作，十分必要而又形勢緊迫。鐵路節(jié)能工作按照不同的層面可分為節(jié)能技術(shù)和節(jié)能管理，節(jié)能技術(shù)是前提和基礎(chǔ)，必須進行技術(shù)創(chuàng)新，挖掘鐵路運輸中的節(jié)能潛力；節(jié)能管理是促進和保障，科學(xué)的管理機制和政策能確保各項節(jié)能技術(shù)落到實處，產(chǎn)生節(jié)能效益。二、鐵路運輸節(jié)能技術(shù)為了開發(fā)鐵路運輸?shù)墓?jié)能技術(shù)，需要分析列車運行時能源消耗的全過程，剖析能耗產(chǎn)生的機理，解構(gòu)總能耗構(gòu)成，找出影響能耗的關(guān)鍵因素

3、，然后改善相應(yīng)環(huán)節(jié)，力爭經(jīng)濟合理的節(jié)能效果。1.車體輕量化列車運行是一個基本的物理現(xiàn)象，即在牽引動力系統(tǒng)的作用下，克服運行過程中的阻力前行。眾所周知，列車質(zhì)量越小，受到的阻力則越小，牽引動力系統(tǒng)所做的功也變少，因此可達到節(jié)能的目的。車輛設(shè)計和建造時，可以通過減輕車體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架和車內(nèi)設(shè)備的質(zhì)量來減輕列車自重。普通的旅客列車平均400800公斤/座，一些高速列車如德國的ICE2則達到1100公斤/座。國外不少國家在高速列車的輕量化方面做出了很多的努力，如日本新干線車體重量減輕至537公斤/座，哥本哈根郊區(qū)鐵路輕至360公斤/座。減輕列車車體重量的方法通常有兩種：(1)減輕車體各組件的質(zhì)量;(2)

4、優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)整體設(shè)計，在保證車體整體強度的情況下追求車體各組件的最優(yōu)質(zhì)量布局。2.減小列車運行阻力列車運行過程中受到的阻力包括基本阻力和附加阻力，引起基本阻力的因素很多，主要的是列車表面與空氣的摩擦力以及輪軌摩擦力等。附加阻力產(chǎn)生于某些特定情況下，如上下坡時受到的坡道阻力、穿越隧道時受到的隧道阻力等。列車表面與空氣的摩擦力即空氣阻力，主要受到兩方面的影響:列車外部幾何形狀和列車表面光滑度。如高速列車70%的空氣阻力都來自于轉(zhuǎn)向架、車輪、車側(cè)和車頂?shù)目諝饽Σ亮?，車頭和車尾所占的比重較低。因此對高速列車而言，可采取下列措施:車頭的流線型設(shè)計;遮蓋轉(zhuǎn)向架和車輪，包裹整個車底等，可以減少10%的空氣阻

5、力;平滑車體外表面，車輛間用折棚連接，有效減少車側(cè)和車頂?shù)目諝庾枇?。對貨車而言，其運行速度雖然比高速列車要低很多，但在其運行時，也有相當(dāng)一部分能耗用于克服空氣阻力，主要原因是貨車的外部幾何形狀不合理，如車輛之間存在空擋，部分車輛為敞篷車(這種情況大大增加了空氣阻力)，研究表明，敞篷空車的空氣阻力甚至大于重車。針對此類問題，可以采取相應(yīng)的有效措施，如給敞篷車加蓋，貨物組裝時優(yōu)化外露形狀等可以節(jié)約10%的能耗。輪軌摩擦力與列車重量成正比，減輕列車車體重量即相當(dāng)于減小了輪軌摩擦力，另外通過添加潤滑劑，減少車輪之間的側(cè)向摩擦力，也可以減小輪軌摩擦力，達到節(jié)能的作用。3.減少轉(zhuǎn)化損失列車運行過程中的能量

6、轉(zhuǎn)換過程，發(fā)動機決定了能量轉(zhuǎn)換效率，對能耗的影響較大。(1)對于電力機車，變壓器是發(fā)動機功效的重要影響因素，而傳統(tǒng)變壓器的效率與它的質(zhì)量成正比，需要在效率與質(zhì)量之間加以權(quán)衡以求得最佳效果。除此之外還可以進行牽引組件的創(chuàng)新，通過各牽引組件的智能聯(lián)合控制，提高整個牽引模塊的效率，達到節(jié)能的效果。(2)對于內(nèi)燃機車，主要的節(jié)能技術(shù)是改進噴油器，如增加噴油孔或進行二階段噴油，提高噴油壓力，上述措施可以提高內(nèi)燃機燃燒效率15%20%。4.再生制動電力機車和電傳動內(nèi)燃機車均由牽引電動機驅(qū)動，當(dāng)列車制動時，電動機可以轉(zhuǎn)變成發(fā)電機，把列車的動能轉(zhuǎn)換成電能，被吸收到儲能裝置或反饋到牽引電網(wǎng)，實現(xiàn)電能的再利用，這

7、就是再生制動。再生制動技術(shù)非常適合于停站較多的列車運行模式如城際軌道交通，其總能耗可以下降15%30%，具有很大的節(jié)能潛力。5.列車節(jié)能操縱列車從始發(fā)站運行至終到站，能耗會因不同的操縱方式而產(chǎn)生差異。如果列車行駛的時間相等，停站次數(shù)相同，能耗會因加速、減速情況不同存在較大的差異。最理想的列車運行方式是以較低的速度勻速前行，但現(xiàn)實環(huán)境下，由于受到乘客需求、機車特性、工程限速和線路條件等各方面的約束，列車并不能按理想狀態(tài)運行。經(jīng)模型分析和理論研究得知，當(dāng)列車經(jīng)歷最大加速勻速惰行最大減速制動這四個階段跨越兩個起停站時，能耗最小。若因某些列車的控制級位為離散或因線路存在陡坡而不能維持勻速狀態(tài)時，應(yīng)盡可

8、能控制列車速度保持準勻速。依照這種方式操縱列車時，可以降低總能耗8%15%?？梢娙绻緳C增強節(jié)能意識，按照正確方式操控列車即可取得節(jié)能效果。6.基本線路條件改善線路條件對列車運行的能耗有很大的影響，根據(jù)理論推導(dǎo)，列車的運行速度越均衡，克服阻力所做的功就越小。因此，在設(shè)計鐵路線路時，要綜合考慮線路的工程造價和能耗情況，力爭線路平整，為日后的線路運營階段創(chuàng)造節(jié)能的潛在條件。城際軌道交通因站間距偏小，可以參考地鐵節(jié)能坡的設(shè)計，縱斷面可因勢制宜設(shè)計成“車站偏高，區(qū)間偏低”的凹形，使列車處于下坡段出站，以利于加速，處于上坡段進站以利于減速停站。其他的線路節(jié)能措施包括:高速鐵路鋪設(shè)無縫線路，提高線路平順性

9、，減少列車運行時對鋼軌的撞擊，降低高速鐵路能耗等。7.牽引供電系統(tǒng)改善牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引變電所和牽引接觸網(wǎng)。牽引變電所的節(jié)能措施有：(1)合理選擇變壓器類型，使?fàn)恳儔浩鞯碾娔軗p失降到最低，且盡可能選用容量利用率高且具有高過載能力，低阻抗電壓的牽引變壓器；(2)牽引變電所換接相序，減小單相牽引負荷在電力系統(tǒng)中引起的負序電流；(3)裝設(shè)并聯(lián)電容補償裝置，裝置的參數(shù)選擇，以濾掉3次諧波電流為主；(4)縮短牽引網(wǎng)供電臂長度，加大饋線截面或增設(shè)加強導(dǎo)線，采用單相自偶調(diào)壓器或增壓器提高牽引網(wǎng)電壓水平。接觸網(wǎng)的節(jié)能措施有:(1)增設(shè)加強導(dǎo)線，綜合考慮加強導(dǎo)線的成本支出和電能節(jié)約的相互關(guān)系;(2)對牽

10、引接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置、材質(zhì)和截面進行優(yōu)選，以降低牽引接觸網(wǎng)阻抗;(3)具備條件時，盡可能采用雙邊供電方式;(4)在雙線區(qū)段，采用上、下行線路接觸網(wǎng)于供電臂末端并聯(lián)供電;(5)在滿足對通信線路防干擾條件的電氣化區(qū)段，采用直接供電方式;(6)存在較大的迂回區(qū)段時，設(shè)置捷徑線等。8.舒適性相關(guān)的能耗車站是鐵路運輸網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，是旅客進出站、候車逗留的處所，車站的設(shè)備配置要滿足乘客的服務(wù)要求，如安全、舒適等。車站的空調(diào)、照明等設(shè)備通常占旅客運輸總能耗的1/5左右，受地區(qū)和季節(jié)的影響，甚至超過這個比例。影響空調(diào)系統(tǒng)的因素復(fù)雜而繁多，主要有客流密度、公共區(qū)面積和室內(nèi)外溫差等，應(yīng)根據(jù)環(huán)境與負荷變化調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，使

11、空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟高效運行，達到節(jié)能目的。另外照明系統(tǒng)可根據(jù)不同運輸距離、客流規(guī)律和服務(wù)水平進行差異化配置，確保亮度適宜，效果良好且能耗較小。三、鐵路運輸節(jié)能管理鐵路運輸?shù)墓?jié)能管理可以分為微觀、中觀和宏觀層面。微觀層面是指通過優(yōu)化列車運行圖達到節(jié)能目的，具體方法有改善列車運營組織，減少列車停站，優(yōu)化緩沖時間和多開行重載貨車等；中觀層面指推行體制改革，建立節(jié)能激勵、監(jiān)督和監(jiān)測機制；宏觀層面著重制定技術(shù)標(biāo)準、節(jié)能法規(guī)和政策，明確鐵路運輸總體能耗結(jié)構(gòu)等。1.微觀層面的節(jié)能管理(1)減少停站。列車運行過程中若發(fā)生停車制動，則會損失大量的動能，能耗也將相應(yīng)增加。據(jù)統(tǒng)計，列車制動耗能約占機車總牽引能耗的10%2

12、0%，因此，列車運行時要盡量避免不必要的停車制動。但鐵路系統(tǒng)是耦合性非常強的系統(tǒng)，且現(xiàn)存的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施多數(shù)達到了能力極限，路網(wǎng)中某處因意外情況發(fā)生延誤，可能導(dǎo)致許多連帶晚點，列車停站次數(shù)增多。因此，要確保鐵路系統(tǒng)通暢，需要借助移動通信網(wǎng)絡(luò)、遠程信息處理等現(xiàn)代通信技術(shù)，構(gòu)建列車運行中央控制系統(tǒng)，減少列車運行延誤和沖突。現(xiàn)代控制系統(tǒng)在確保鐵路運輸安全的基礎(chǔ)上，展現(xiàn)了極大的節(jié)能潛力。(2)靈活的運營組織和編組。旅客列車滿載率越高，列車自重占總重比例就越低，單位旅客周轉(zhuǎn)量所消耗的能源降低，即單耗降低。由于我國全年的客流量在時間和空間上分布不均，如重大節(jié)假日客流量明顯增加，經(jīng)濟繁榮地區(qū)客流量也遠高于經(jīng)濟

13、落后地區(qū)。因此，在客流量密度不大的情況下，可以采取靈活的運營組織模式和多變的編組方式，實現(xiàn)按流開行列車，在支線和干線間實行大小交路套跑;列車長度可根據(jù)乘客人數(shù)發(fā)生變化，客流量較大時，采用長編組，客流量較小時，采用短編組。動車組采用模塊化設(shè)計，較易實現(xiàn)這種長短編組的切換。(3)貨運重載。牽引重量對列車運行單耗有重要的影響，當(dāng)牽引重量增加時，列車運行單耗顯著降低。安排貨物列車編組計劃時，合理配置機車，使機車牽引重量科學(xué)合理，提高機車運用效率。(4)減少單機和空車。機車和車輛調(diào)配時需要開行部分空車與單機，這屬于鐵路運輸組織的一部分。據(jù)蘭州鐵路局統(tǒng)計，由于運行圖編制存在不合理因素，造成單機走行率較高，

14、2006年電力機車單機率達6.5%，內(nèi)燃機車單機率達7.2%，能耗占全年機車總能耗的1.8%。因此要力爭少開空車，避免單機走行，減少鐵路系統(tǒng)的“無用功”，減少能源消耗損失。(5)緩沖時間優(yōu)化。為了增加鐵路運輸系統(tǒng)的可靠性，在列車區(qū)間運行和車站停車都加入了一定的緩沖時間，以確保列車準點運行。據(jù)調(diào)查，雖然乘客較多從時間成本出發(fā)考慮快捷性，但相對于爭取更少一點的旅行時間而言，更傾向于列車的準點。能源消耗對鐵路系統(tǒng)中所布設(shè)的緩沖時間非常敏感，尤其是緩沖時間較少(<5%)的情況下，稍增加一些緩沖時間，將大大節(jié)約能耗。因此，需要綜合考慮時間成本和節(jié)能來優(yōu)化緩沖時間，力爭整體效益最大化。此外，還可以采

15、取一些措施增加緩沖時間，如合理設(shè)置車站的電子信息指示系統(tǒng)，使旅客在最短的時間內(nèi)上下車、進出站，增加車站的緩沖時間；盡力移除區(qū)間不合理的低限速，提高列車的區(qū)間運行速度，增加區(qū)間的緩沖時間，這些措施都同時減少了旅行時間和能源消耗。2.中觀層面的節(jié)能管理(1)能耗的測量和記錄。能耗監(jiān)測本身并不節(jié)約能源，但可以為用能單位的節(jié)能技術(shù)和節(jié)能管理提供客觀公正的事實依據(jù)，以便更好地認識諸如車體輕量化、再生制動和貨運重載等技術(shù)措施的節(jié)能數(shù)量和節(jié)能效應(yīng)，進而統(tǒng)籌安排各項節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。(2)管理和組織。建立科學(xué)合理的獎罰機制，采取能源經(jīng)濟承包和節(jié)能指標(biāo)考核等經(jīng)濟手段，激勵鐵路各單位和個人的節(jié)能積極性；加強節(jié)能宣傳

16、工作，舉辦培訓(xùn)研討會，提高乘務(wù)員的節(jié)能意識，對節(jié)油突出者給與物質(zhì)鼓勵和精神鼓勵；建立鐵路各關(guān)聯(lián)企業(yè)的激勵機制，如對車輛制造商，若生產(chǎn)車輛的平均質(zhì)量/座低于某給定標(biāo)準，則給與一定的獎勵，激發(fā)關(guān)聯(lián)企業(yè)技術(shù)革新的動力。對重點用能設(shè)備如牽引變電所、電動機等進行單項測試，達不到用能標(biāo)準的設(shè)備限期進行改造或淘汰。(3)合同能源管理。積極推行“合同能源管理”的節(jié)能新模式，2010年4月2日，國務(wù)院轉(zhuǎn)發(fā)了國家發(fā)展和改革委員會等部門聯(lián)合制定的關(guān)于加快推行合同能源管理促進節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見，要求各地區(qū)各部門結(jié)合實際情況貫徹執(zhí)行。合同能源管理是一種新型的市場化節(jié)能機制，其實質(zhì)是以減少的能源費用來支付節(jié)能項目全部

17、成本的節(jié)能業(yè)務(wù)方式。鐵路行業(yè)已成立了由多家出資的中國鐵路節(jié)能技術(shù)服務(wù)公司，通過融資進行多項節(jié)能技術(shù)改造，用項目產(chǎn)生的節(jié)能效益返還資金，調(diào)動了用能單位節(jié)能改造的積極性。3.宏觀層面的節(jié)能管理(1)牽引動力升級。我國鐵路幾十年來一直致力于推進牽引動力結(jié)構(gòu)改革。推薦電力牽引代替蒸汽牽引和內(nèi)燃牽引，因為電力機車比蒸汽機車和內(nèi)燃機車的能耗要低，且排放大幅度下降。根據(jù)鐵道部的要求，“十一五”期末電力機車牽引比重要達到80%以上，新建的客運專線要全部使用電力牽引。因此要大力發(fā)展電氣化鐵路，加快機車牽引動力換代，使鐵路能耗結(jié)構(gòu)更趨合理，降低對石油的依存度。(2)制定規(guī)范和標(biāo)準。技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準是軌道交通工程建設(shè)的基礎(chǔ)，是開展鐵路工程建設(shè)的基礎(chǔ)，對建設(shè)質(zhì)量和技術(shù)參數(shù)等起到關(guān)鍵作用，決定著鐵路的行業(yè)規(guī)范和發(fā)展方向。為加強鐵路工程項目節(jié)能管理，198