铁路运输节能技术与节能管理研究.doc

键入文字关键词:铁路运输;节能技术;节能管理前 言根据中长期铁路网规划(2008年调整)，到2020年，我国铁路将逐步形成由客运专线、城际铁路和客货混跑快速线路相配套的快速客运网络呛。1。另据不完全统计，“十二五”期间还将有19个城市新建轨道交通线路，预计我国将拥有超过5 000公里的城市轨道交通网络口。这些巨大而复杂的交通网络必然会消耗大量的能源，一方面给运营企业带来巨大的运营成本和经济压力，另一方面也给日益紧缺的能源和环境保护工作带来挑战。与航空、公路等其他交通运输方式相比,铁路具有其独特的优势,因此近年来我国铁路运输发展迅速。按照调整后的中长期铁路网规划，我国加快了大规模铁路建设的步伐。截至2009年，全国普通铁路营业里程8.6万公里，铁路路网密度达到89.1公里/万平方公里。铁路作为我国国民经济的大动脉，其主导地位将得到进一步加强。鼓励铁路发展成为提高交通运输行业能源利用率的关键措施，有助于建立起可持续发展的交通运输结构。根据我国国家铁路能耗统计数据，20032008年国家铁路运输企业能源消耗量，可见铁路能源消耗量逐年增加，2008年国家铁路运输企业能源消耗折算标准煤达1693.9万吨，比2003年增加149.5万吨、增长9.7%。从能源消耗的绝对量来看，铁路运输的能耗量巨大，是节能的重点行业。因此做好铁路运输的节能减排工作，十分必要而又形势紧迫。铁路节能工作按照不同的层面可分为节能技术和节能管理，节能技术是前提和基础，必须进行技术创新，挖掘铁路运输中的节能潜力；节能管理是促进和保障，科学的管理机制和政策能确保各项节能技术落到实处，产生节能效益。第8页第1章 铁路运输系统节能研究现状随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，社会生产生活对能源及其他自然资源的需求与日俱增，环境污染和破坏日趋严重，经济发展与资源环境的矛盾越来越尖锐，髓源短缺和环境污染已成为建设和谐社会、实现可持续发展的重大制约因素。因此，节能减排也成为全社会广为关注的重要议题。铁路是我国能源消耗大户，根据统计，2008年我国铁路运输总能耗1693.9万吨标准煤，占交通运输业用能总量的1/3。铁路能耗主要分为三大部分：运输能耗、工业能耗和工程能耗。其中，运输能耗所占比重最大，约占铁路总能耗的80。运输能耗中又分为牵引能耗和生产辅助能耗两部分牵引能耗约占铁路总能耗的6070，是铁路能耗的主要部分。因此，如何通过有效的运输组织措施实现牵引节能对降低铁路能耗有若举足轻重的作用。大体而言，铁路运输系统中的节能研究环绕技术、管理和应用3个层面展开。技术层面的列车节能研究主要有列车动力牵引系统的更新改造、列车运行中机车操纵的优化方法2种思路。（1)列车动力系统的节能研究。列车动力牵引系统的节能技术包括新型的动力牵引系统、再生制动、储能装置等牵引动力研究。燃料电池混合动力系统。陈维荣等。，分析了燃料动力技术、混合动力系统、能源管理控制系统、电能存储设备以及高压氢安全措施等关键技术指出了需要重点研究的问题。再生制动。这方面的研究相对较多主要是探讨r再生制动技术地铁中的应用，同时研究深度有所深入比如结合列车运行图进行时刻表的编制，列车运行的仿真研究和能耗分析等等。储能装置。储能装置的应用主要在城市轨道交通系统中，如飞轮储能、超级电容器储能、混合逆变装置等等。（2)列车运行操纵优化的节能研究。列车运行操纵优化的研究具有较坚实的理论基础(牛顿运动定律和最优控制理论)研究成果比较多。但需要指出的是，国内率先研究的是安徽大学的程家兴教授，后续的研究力量主要集中在西南交通大学和北京交通大学，其他高校、科研院所如上海交通大学、同济大学、中南大学、铁科院、上海交通大学、军事交通学院等也陆续展开了研究他们对列车运行操纵优化的研究建立在以下原理和方法的基础之上。动力学原理的节能理论研究。通过构建列车运行过程及能耗模型，应用多种优化算法如自适应计算过程与遗传算法相结合，或依据最优控制理论的最大值原理采用解析法进行求解，在此基础上研制了基于作为消耗能源资源的重要行业，铁路运输领域的节能工作对于建设资源节约型社会有重要意义，也是可持续发展对交通运输行业提出的现实要求。铁路运输相对于其他交通方式，具有单位货运和客运周转量能耗低、排放少的优点，譬如铁路运输每人公里的能源消耗量约是小汽车的16，飞机的14。但由于作业繁重，铁路运输行业消耗能源的总量很大，这也意味着铁路运输在节能方面仍有较大潜力。通过上面对铁路运输系统中节能研究层面的分析，可看到节能领域的研究方法呈现出多元化的特点，也意味着节能研究正在逐步深入和细化。（1)综合比较的研究方法。如周新军对我国铁路能耗现状和不同交通方式的比较，崔力心对国外高铁交通方式的能耗比较等。（2)现场调查的研究方法。主要是铁路运输企业工作和科研院所研究人员深入现场，通过第一手资料了解机车节能情况、企业节能情况。（3)模拟仿真的研究方法。通过建立列车牵引计算的运行仿真平台，能模拟现场情形，得到接近实际能耗的结果。（4)建模优化的研究方法。把铁路运输企业面临的实际问题抽象为或隐或显包含能耗最小的数学模型，然后利用最优化(包括精确的优化算法和启发式的智能算法)的方法进行求解得出解决方案，可为企业在不同层面进行决策时提供参考。键入文字第2章 铁路运输节能技术为了开发铁路运输的节能技术，需要分析列车运行时能源消耗的全过程，剖析能耗产生的机理，解构总能耗构成，找出影响能耗的关键因素，然后改善相应环节，力争经济合理的节能效果。铁路系统也明确了相关节能技术政策。2.1车体轻量化列车运行是一个基本的物理现象，即在牵引动力系统的作用下，克服运行过程中的阻力前行。众所周知，列车质量越小，受到的阻力则越小，牵引动力系统所做的功也变少，因此可达到节能的目的。车辆设计和建造时，可以通过减轻车体结构、转向架和车内设备的质量来减轻列车自重。普通的旅客列车平均400800公斤/座，一些高速列车如德国的ICE2则达到1100公斤/座。国外不少国家在高速列车的轻量化方面做出了很多的努力，如日本新干线车体重量减轻至537公斤/座，哥本哈根郊区铁路轻至360公斤/座。减轻列车车体重量的方法通常有两种：（1）减轻车体各组件的质量;（2）优化车体结构整体设计，在保证车体整体强度的情况下追求车体各组件的最优质量布局。2.2 大力发展铁路信息现代化信息技术在铁路运输中的使用大大提高了铁路作业技术的现代化水平，使原有的工作方式和作业流程产生了革命性的变化。利用现代化信息技术开发具有高度智能化的列车调度指挥系统、运行囤编制系统、信息系统等，可以提高工作效率使远行图的编制更加科学台珲，从而实现铁路运输资源的最优化配置。列车计划调度人员可根据信息采集系统提供的充足信息，利用智能化的调度指挥系统对运行进行灵活、快速的调整和调度，以确保运输组织的各个环节更为紧密的协调运作，为科学合理地组织行车调度指挥创造了条件利用现代化信息技术还可以优化动车组的运用，设计好交路的衔接，减少空车等待，提高动车组利用效率。列车调度指挥系统实现现代化、智能化最直接的效果就是大大提高了能源的利用效率，降低了能耗节约了能源。2.3 科学预测运量，优化开行方案。利用现代化的信息系统和智能化的调度指挥系统，在采集、分析大置的客运数据后，可以根据不同地域、不同时间、不同性质客流的出行特征，编制出合珲科学的列车开行方寨，并且具备较强的调整功能。根据客流出行的特征，通过调整编组织“临客”等手段，在满足客流出行需求、并保证有一定弹性空间的前提下，制定科学合理的客车开行方案，提高满员率，也是一种行之有效地节约能源的方法。2.4再生制动电力机车和电传动内燃机车均由牵引电动机驱动，当列车制动时，电动机可以转变成发电机，把列车的动能转换成电能，被吸收到储能装置或反馈到牵引电网，实现电能的再利用，这就是再生制动。再生制动技术非常适合于停站较多的列车运行模式如城际轨道交通，其总能耗可以下降15%30%，具有很大的节能潜力。2.5制定合理的列车操纵策略列车运行所消耗的能量除了与列车性能、线路条件等设备、设备有较大的关系外，与司机(或列车自动驾驶装置)的驾驶策略也有很大的关系。相同的列车、相同的线路条件下不同驾驶策略消耗的能耗也会有一定的差异，因此可以通过寻求一种科学合理的驾驶策略来实现列车运行节能。列车在途运行的工况、速度以及环境因素千变万化，而能耗又是与运行速度、线路条件、空气阻力以及电机工况动态相关，因此，通过简单的数学计算是无法得到科学合理的节能列车操纵策略的，这需要以数学、物理科学知识以及计算机仿真技术建立列车节能运行模拟系统，针对具体的运营线路通过大量的仿真分析比较最终得出最佳的列车操纵策略。2.6基本线路条件改善线路条件对列车运行的能耗有很大的影响，根据理论推导，列车的运行速度越均衡，克服阻力所做的功就越小。因此，在设计铁路线路时，要综合考虑线路的工程造价和能耗情况，力争线路平整，为日后的线路运营阶段创造节能的潜在条件。城际轨道交通因站间距偏小，可以参考地铁节能坡的设计，纵断面可因势制宜设计成“车站偏高，区间偏低”的凹形，使列车处于下坡段出站，以利于加速，处于上坡段进站以利于减速停站。其他的线路节能措施包括:高速铁路铺设无缝线路，提高线路平顺性，减少列车运行时对钢轨的撞击，降低高速铁路能耗等。2.7牵引供电系统改善牵引供电系统主要包括牵引变电所和牵引接触网。牵引变电所的节能措施有：（1）合理选择变压器类型，使牵引变压器的电能损失降到最低，且尽可能选用容量利用率高且具有高过载能力，低阻抗电压的牵引变压器；（2）牵引变电所换接相序，减小单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流；（3）装设并联电容补偿装置，装置的参数选择，以滤掉3次谐波电流为主；（4）缩短牵引网供电臂长度，加大馈线截面或增设加强导线，采用单相自偶调压器或增压器提高牵引网电压水平。接触网的节能措施有:（1）增设加强导线，综合考虑加强导线的成本支出和电能节约的相互关系；（2）对牵引接触网结构布置、材质和截面进行优选，以降低牵引接触网阻抗；（3）具备条件时，尽可能采用双边供电方式；（4）在双线区段，采用上、下行线路接触网于供电臂末端并联供电；（5）在满足对通信线路防干扰条件的电气化区段，采用直接供电方式；（6）存在较大的迂回区段时，设置捷径线等。2.8舒适性相关的能耗车站是铁路运输网络的节点，是旅客进出站、候车逗留的处所，车站的设备配置要满足乘客的服务要求，如安全、舒适等。车站的空调、照明等设备通常占旅客运输总能耗的1/5左右，受地区和季节的影响，甚至超过这个比例。影响空调系统的因素复杂而繁多，主要有客流密度、公共区面积和室内外温差等，应根据环境与负荷变化调节相关参数，使空调系统经济高效运行，达到节能目的。另外照明系统可根据不同运输距离、客流规律和服务水平进行差异化配置，确保亮度适宜，效果良好且能耗较小。第3章 铁路运输节能管理铁路运输的节能管理可以分为微观、中观和宏观层面。微观层面是指通过优化列车运行图达到节能目的，具体方法有改善列车运营组织，减少列车停站，优化缓冲时间和多开行重载货车等；中观层面指推行体制改革，建立节能激励、监督和监测机制；宏观层面着重制定技术标准、节能法规和政策，明确铁路运输总体能耗结构等。3.1微观层面的节能管理(1)减少停站。列车运行过程中若发生停车制动，则会损失大量的动能，能耗也将相应增加。据统计，列车制动耗能约占机车总牵引能耗的10%20%，因此，列车运行时要尽量避免不必要的停车制动。但铁路系统是耦合性非常强的系统，且现存的铁路基础设施多数达到了能力极限，路网中某处因意外情况发生延误，可能导致许多连带晚点，列车停站次数增多。因此，要确保铁路系统通畅，需要借助移动通信网络、远程信息处理等现代通信技术，构建列车运行中央控制系统，减少列车运行延误和冲突。现代控制系统在确保铁路运输安全的基础上，展现了极大的节能潜力。(2)灵活的运营组织和编组。旅客列车满载率越高，列车自重占总重比例就越低，单位旅客周转量所消耗的能源降低，即单耗降低。由于我国全年的客流量在时间和空间上分布不均，如重大节假日客流量明显增加，经济繁荣地区客流量也远高于经济落后地区。因此，在客流量密度不大的情况下，可以采取灵活的运营组织模式和多变的编组方式，实现按流开行列车，在支线和干线间实行大小交路套跑;列车长度可根据乘客人数发生变化，客流量较大时，采用长编组，客流量较小时，采用短编组。动车组采用模块化设计，较易实现这种长短编组的切换。(3)货运重载。牵引重量对列车运行单耗有重要的影响，当牵引重量增加时，列车运行单耗显著降低。安排货物列车编组计划时，合理配置机车，使机车牵引重量科学合理，提高机车运用效率。(4)减少单机和空车。机车和车辆调配时需要开行部分空车与单机，这属于铁路运输组织的一部分。据兰州铁路局统计，由于运行图编制存在不合理因素，造成单机走行率较高，2006年电力机车单机率达6.5%，内燃机车单机率达7.2%，能耗占全年机车总能耗的1.8%。因此要力争少开空车，避免单机走行，减少铁路系统的“无用功”，减少能源消耗损失。(5)缓冲时间优化。为了增加铁路运输系统的可靠性，在列车区间运行和车站停车都加入了一定的缓冲时间，以确保列车准点运行。据调查，虽然乘客较多从时间成本出发考虑快捷性，但相对于争取更少一点的旅行时间而言，更倾向于列车的准点。能源消耗对铁路系统中所布设的缓冲时间非常敏感，尤其是缓冲时间较少(5%)的情况下，稍增加一些缓冲时间，将大大节约能耗。(6)列车节能操作策略。列车的运行过程分为起动加速、途中运行、停车制动等3个阶段。在列车起动时，需要从列车运行的平稳与节能的角度考虑。起动初期，手柄位应尽量低，缓慢拉伸列车，待尾部开始移动后再逐渐提高手柄位；起动后期，要以最大牵引力加速列车，对于有级牵引来说，在满足手柄位转换时间、持续时间的条件下尽快将手柄位上升为较大手柄位。在列车停车制动阶段，要在列车制动前惰行以降低制动前的运行速度并以适宜的制动力停车制动。在途中运行阶段，列车的节能操纵需要通过计算机模拟系统的多次仿真比较，对于平直道等简单运行线路，节能的优化操纵方案比较简单。锯齿形的操纵方法或匀速牵引被证明是可以节能的操纵方式，但它并不适合起伏坡道的运行线路。对于起伏坡道，列车在下坡道尽可能利用势能惰行，在上坡利用机车的经济手柄位牵引。列车在上坡道运行时，由于坡道阻力较大，虽然使用经济手柄位，但运行速度并不是很高，运行基本阻力也不是很大，牵引力也无需多做功。而当列车在下坡道惰行时，因为坡度大小与列车运行速度的差异，列车运行状态也会有所不同。列车的单位基本阻力与列车运行速度线性相关，当列车下坡道情行时，如果下坡越大，坡度千分数为正时，列车可能会在某一速度下单位合力为零(即列车匀速运行)。因此，可以计算出相应的平衡状态下的运行速度；反之，根据列车当前的运行速度也可以计算出平衡状态下的坡道值(简称平衡坡)。因此，需要综合考虑时间成本和节能来优化缓冲时间，力争整体效益最大化。此外，还可以采取一些措施增加缓冲时间，如合理设置车站的电子信息指示系统，使旅客在最短的时间内上下车、进出站，增加车站的缓冲时间；尽力移除区间不合理的低限速，提高列车的区间运行速度，增加区间的缓冲时间，这些措施都同时减少了旅行时间和能源消耗。3.2中观层面的节能管理(1)能耗的测量和记录。能耗监测本身并不节约能源，但可以为用能单位的节能技术和节能管理提供客观公正的事实依据，以便更好地认识诸如车体轻量化、再生制动和货运重载等技术措施的节能数量和节能效应，进而统筹安排各项节能技术的应用。(2)管理和组织。建立科学合理的奖罚机制，采取能源经济承包和节能指标考核等经济手段，激励铁路各单位和个人的节能积极性；加强节能宣传工作，举办培训研讨会，提高乘务员的节能意识，对节油突出者给与物质鼓励和精神鼓励；建立铁路各关联企业的激励机制，如对车辆制造商，若生产车辆的平均质量/座低于某给定标准，则给与一定的奖励，激发关联企业技术革新的动力。对重点用能设备如牵引变电所、电动机等进行单项测试，达不到用能标准的设备限期进行改造或淘汰。(3)合同能源管理。积极推行“合同能源管理”的节能新模式，2010年4月2日，国务院转发了国家发展和改革委员会等部门联合制定的关于加快推行合同能源管理促进节能服务产业发展的意见，要求各地区各部门结合实际情况贯彻执行。合同能源管理是一种新型的市场化节能机制，其实质是以减少的能源费用来支付节能项目全部成本的节能业务方式。铁路行业已成立了由多家出资的中国铁路节能技术服务公司，通过融资进行多项节能技术改造，用项目产生的节能效益返还资金，调动了用能单位节能改造的积极性。3.3 宏观层面的节能管理(1)牵引动力升级。我国铁路几十年来一直致力于推进牵引动力结构改革。推荐电力牵引代替蒸汽牵引和内燃牵引，因为电力机车比蒸汽机车和内燃机车的能耗要低，且排放大幅度下降。根据铁道部的要求，“十一五”期末电力机车牵引比重要达到80%以上，新建的客运专线要全部使用电力牵引。因此要大力发展电气化铁路，加快机车牵引动力换代，使铁路能耗结构更趋合理，降低对石油的依存度。(2)制定规范和标准。技术规范和标准是轨道交通工程建设的基础，是开展铁路工程建设的基础，对建设质量和技术参数等起到关键作用，决定着铁路的行业规范和发展方向。为加强铁路工程项目节能管理，1986年铁道部发布了铁路工程节能设计规范，于2001年进行了修订。为加强节能统计分析，1995年铁道部发布了铁路企业能源消耗与节约统计办法，于2007年进行了修订。根据节能法对合理用能和节能技术进步的要求，铁道部于1999年组织编制了铁路节能技术政策，于2007年进行了修订。通过建立科学的标准和规范体系，切实把握与节能有关的技术参数，引导铁路发展的方向。第4章 铁路运输系统节能研究的展望基于以上对铁路运输系统的节能研究及其存在问题的分析，我们认为除了继续在已有技术操作层面加强对节能研究外，更可考虑直接面向实际提出新的能耗模型，并且把研究提升到运输组织管理的层面，突出管理与技术的集成研究。4.1基于数据挖掘的能耗模型研究已有的列车牵引能耗模型其实也不能完全反映列车实际能耗情况，考虑到真实的列车有油耗、电耗统计情况，而且经过长时间的数据沉淀，已经积累了不同机型在各种实际情况下运行的大量能耗数据。因此，利用相对成熟的数据挖掘方法和软件进行能耗数据挖掘，建立机车的各种数学模型在技术上是完全可行的。同时如果建模成功，这些模型还可以固化积累并自学习调整成为机车牵引能耗系统的“知识”，从而为机车的操纵、调度、维修、购买等技术作业和管理决策奠定基础，提供参考。4.2基于运输组织管理的节能研究良好的节能技术需要科学的组织管理才能发挥更大的作用，必须通过管理制度、模式和方法实现各种技术的有机结合，基于运输组织管理的