青岛胶州湾海底隧道能耗浅析.docx

中国桥梁（隧道）管理研究会第17届年会论文集青岛胶州湾海底隧道能耗实测与分析 摘要：公路隧道节能的前提是要保证在安全运行的前提下，合理安排隧道机电系统的开启数量和开启时间。本文在对青岛胶州湾海底隧道机电能耗构成分析的基础上，基于实际微观角度与行业宏观角度的对比，来说明海底隧道利用管理和新技术进步，来实现隧道运营成本下降的重要意义。关键词：公路隧道；能耗分析；节能对策1 前言自1923年英国在泰晤士河上建造的跨河隧道以来，海底隧道迄今已经有150年的历史，建造了百余座海底交通隧道，如日本青函海底隧道、英法海峡隧道、日本东京湾海底隧道等，都是非常著名的。国内也相继规划和建成了一批海底隧道，如厦门东通海底隧道、渤海湾跨海隧道、杭州湾海底隧道等等。目前青岛胶州湾海底隧道是国内已经建成的最长的海底交通隧道，其运营中的问题和特点，对国内其他在建或正在规划中的海底隧道，有着非常重要的借鉴和学习的意义。青岛胶州湾海底隧道，南接黄岛区的薛家岛街道办事处，北连青岛主城区的团岛，下穿胶州湾湾口海域。隧道全长约7800米，其中海底段隧道长约3950米。设双向六车道，设计车速80公里/小时。胶州湾隧道处于火山岩及次火山群地带,覆盖层较薄,断裂带密集,共穿越18条断层破碎带,断面最大跨度达28.20米,最深处位于海平面以下82.8米。路线等级为城市快速路，设计基准期为100年。图error! no text of specified style in document.1青岛胶州湾隧道示意图青岛胶州湾海底隧道机电系统按照用途划分，可分为照明系统、排水系统、通风系统、交通控制系统、变压器等12项用电分项。其中隧道输配电系统采用安全系数较高的双变压器负载用电设备，保证在一台变压器无法正常工作的情况下，另外一台变压器可以迅速的担负起低压侧供电的功能。青岛胶州湾海底隧道的照明系统采用led灯具，控制上采用照明等级控制。照明共分为9级，按照隧道内的不同位置，设置不同的照明功率密度和照度，来满足实际的使用需求。隧道排水系统分废水系统和雨水系统，采用分流制方式，将隧道、匝道敞口的雨水、结构渗水、冲洗废水、消防废水等分别汇入雨水泵房或海水泵房集水池内，然后提升至城市排水管道系统中。隧道最低点为海拔-82.3m，在此设置一座海底海水泵房，排水管沿服务隧道管廊敷设，排到黄岛端风井海水泵池内，该海水泵提升到地面压力窖井，再排到大海中。在隧道两端的风井附近的横通道内分别设置风井海水泵房各一座，以排除隧道进出口到风井间的隧道冲洗废水、结构渗水及海底海水泵房的出水。2 测试调研方法能耗的拆分和估算，其基本思想是以运行记录为基础，补充实测数据，即在有运行记录的情况下尽可能利用运行记录得出电耗结果，在运行记录不能反映出电耗的情况下，可以借助一定的实际测试结果，推算出电耗结果。运行记录是能耗拆分的基础，理想情况下，详细的运行记录包括了各项用电环节的用电量。但是实际情况并非如此，不同的项目中，运行记录水平参差不齐，在进行能耗统计时只能从其中得到部分用能信息。因此在进行能耗拆分时，除了基于运行记录外，还要增加一定的实际调查测试。最终拆分的结果是运行记录和调查实测数据相结合的结果，具有一定的估计性1。测试中调取了青岛胶州湾海底隧道2012年高压侧和低压侧用电数据，同时根据用电设备的作息时间、设备功率和数量，估算出每一个用电分项的实际全年电耗，具体结果见下一章节。3 能耗分析青岛胶州湾海底隧道2012年能耗并没有明显的季节性变化，根据不同的用途，将青岛胶州湾海底隧道2012年电耗，拆分成若干用电分项进行对比和统计，见下图：图error! no text of specified style in document.2青岛胶州湾海底隧道2012年能耗拆分青岛胶州湾海底隧道，2012年以上个用电分项全年用电总计为687.5万kwh。如图可知，青岛胶州湾海底隧道2012年能耗排在前三位的分别是：照明系统48%，排水系统17%，变压器损耗9%。根据国外已有的海底隧道运营经验数据，海底隧道年运行和维护费用为隧道初投资的1%1.5%左右，其中25%为电费2。青岛胶州湾海底隧道初投资33亿，按照初投资的1%1.5%计算，隧道一年运营费用在3300万元4800万元左右，其中电费为825万元1200万元之间。按照上面所述，青岛胶州湾海底隧道年运营耗电量为687.5万kwh，能源单价在1元左右，核算年电费为687.5万元左右，低于国际海底隧道年能耗水平，说明了青岛胶州湾海底隧道目前的运营水平较好。3.1照明系统：下图为隧道照明系统不同用电分项的能耗拆分图：图error! no text of specified style in document.3青岛胶州湾海底隧道2012年照明系统能耗拆分如图可知，2012年青岛胶州湾海底隧道照明系统中，隧道内照明灯具（led灯具）的用电量占照明系统总用电量的77%，是照明系统中的主要用电设备。隧道服务隧道以及其他设备房照明灯具占2012年青岛胶州湾海底隧道照明系统年用电量的23%。青岛胶州湾海底隧道洞内led灯具，通过隧道管理人员1年的运行经验，已经将洞口处的照明加强段led灯，关闭了一半的灯具数量。3.2排水系统：青岛胶州湾海底隧道2012年排水系统年用电量114.5万kwh，占青岛胶州湾海底隧道年总用电量的17%。图error! no text of specified style in document.4青岛胶州湾海底隧道海水泵房潜水泵开启时间统计1图error! no text of specified style in document.5青岛胶州湾海底隧道海水泵房潜水泵开启时间统计2图error! no text of specified style in document.6青岛胶州湾海底隧道海水泵房潜水泵开启时间统计3如图所示，黄岛海水泵房单周期内开启潜水泵1.3h；青岛海水泵房单周期内开启潜水泵0.3h；海底海水泵房单周期内开启潜水泵0.9h。黄岛和海底海水泵房每个排水周期为2个小时，青岛海水泵房每个排水周期为0.9h。在单位排水周期内，黄岛海水泵房潜水泵间歇0.7h，间歇率35%；青岛海水泵房潜水泵间歇0.6h，间歇率66%；海底海水泵房潜水泵间歇1.1h，间歇率55%。水泵间歇运行，对水泵运行不利，会大大减小水泵寿命和正常使用时间。将潜水泵变频使用，会有一定的节能潜力。3.3变压器：青岛胶州湾海底隧道2012年变压器年损耗62.5万kwh，占青岛胶州湾海底隧道年总用电量的9%。一般情况下的变压器铜损为5%，而青岛胶州湾海底隧道的变压器年损耗占全年高压侧用电量的%，有些许偏高。青岛胶州湾海底隧道采用干式变压器，干式变压器以其高效、节能、环保等许多优点，已在民用建筑中被广泛采纳。通过记录青岛胶州湾海底隧道2013年4月18日4月24日的低压侧瞬时功率，可知各个变压器的负载率，统计如下：图error! no text of specified style in document.7青岛胶州湾海底隧道变压器负载率统计图如图可知，青岛胶州湾海底隧道变压器负载率偏低，变压器负载率全部低于40%，大部分变压器负载率低于25%。干式变压器的负载率在50%以上时，处于高效运行状态，目前青岛胶州湾海底隧道干式变压器处于低效运行状态。3.4收费岛：下表为收费岛分项电耗统计：表error! no text of specified style in document.1青岛胶州湾海底隧道2012年收费岛能耗拆分统计表：用电分项etc（万kwh）mtc（万kwh）电脑2.01.3打印机2.91.9照明0.30.5空调1.39.7总计6.613.4如表所示，mtc（人工收费岗亭）全年耗电量是etc（自动收费岗亭）的2倍。mtc（人工收费岗亭）中的空调能耗占mtc全年能耗的72.4%，减少mtc的使用时间，可以有效的减少mtc中的空调使用时间。3.5隧道通风系统：射流风机目前基本很少开启，这主要是因为隧道内的通行车辆没有达到设计流量，但是远期的能耗水平尚难估计。下图为青岛胶州湾2012年车流量统计：图error! no text of specified style in document.8青岛胶州湾海底隧道2012年车流量逐月统计如图所示，2012年青岛胶州湾海底隧道全年双向通行车辆634万量，月均双向通行52.8万量。由于左线与右线的车辆通行数量大致相同，所以单日单向隧道，日均通行车辆为8800量。一般情况下，隧道照明和通风系统占总耗电量的绝大多数。中短隧道照明负荷会占的比例较高，在65%以上；而在长大隧道中，通风系统能耗比重则会显著增加3。但与基本处于常开状态的照明系统相比，通风系统的负荷持续时间相对有限，从全年看通风系统所占比例并不大。4 结论照明系统可以通过节能控制策略，降低用电量；排水系统可以通过水泵变频控制，降低用电量；变压器可以通过适当的调整变压器单台用电负载率，降低空载损耗。指示灯和情报板、监测中心属于24小时不间断运行，这两项的用电全年比较稳定，变化不大。收费岛的能耗拆分显示，mtc岗亭的年能耗要大大超过etc岗亭的年能耗。通过减少mtc的开启数量，增加etc的使用率，可以大大降低收费岛的全年能耗。通过鼓励司机使用etc收费磁卡，有望做到这一点。综上所述，海底隧道的照明系统和通风系统，是目前海底隧道节能工作的重点和难点。通过更换节能照明灯具和按照室外照度控制