鐵路管理論文：鐵路運(yùn)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(yùn)輸節(jié)能技術(shù)與節(jié)能管理研究摘要:本文通過(guò)分析鐵路運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)和層面，詳述了各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的機(jī)理以及可以達(dá)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(yùn)輸;節(jié)能技術(shù);節(jié)能管理一、引言按照調(diào)整后的中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，我國(guó)加快了大規(guī)模鐵路建設(shè)的步伐。截至2009年，全國(guó)普通鐵路營(yíng)業(yè)里程8.6萬(wàn)公里，鐵路路網(wǎng)密度達(dá)到89.1公里/萬(wàn)平方公里。鐵路作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，其主導(dǎo)地位將得到進(jìn)一步加強(qiáng)。鼓勵(lì)鐵路發(fā)展成為提高交通運(yùn)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(yùn)輸結(jié)構(gòu)。根據(jù)我國(guó)國(guó)家鐵路能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，20032008年國(guó)家鐵路運(yùn)輸企業(yè)能源消耗量，

2、可見(jiàn)鐵路能源消耗量逐年增加，2008年國(guó)家鐵路運(yùn)輸企業(yè)能源消耗折算標(biāo)準(zhǔn)煤達(dá)1693.9萬(wàn)噸，比2003年增加149.5萬(wàn)噸、增長(zhǎng)9.7%。從能源消耗的絕對(duì)量來(lái)看，鐵路運(yùn)輸?shù)哪芎牧烤薮?，是?jié)能的重點(diǎn)行業(yè)。因此做好鐵路運(yùn)輸?shù)墓?jié)能減排工作，十分必要而又形勢(shì)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(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，挖掘鐵路運(yùn)輸中的節(jié)能潛力；節(jié)能管理是促進(jìn)和保障，科學(xué)的管理機(jī)制和政策能確保各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)落到實(shí)處，產(chǎn)生節(jié)能效益。二、鐵路運(yùn)輸節(jié)能技術(shù)為了開(kāi)發(fā)鐵路運(yùn)輸?shù)墓?jié)能技術(shù)，需要分析列車運(yùn)行時(shí)能源消耗的全過(guò)程，剖析能耗產(chǎn)生的機(jī)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(zhēng)經(jīng)濟(jì)合理的節(jié)能效果。1.車體輕量化列車運(yùn)行是一個(gè)基本的物理現(xiàn)象，即在牽引動(dòng)力系統(tǒng)的作用下，克服運(yùn)行過(guò)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(dòng)力系統(tǒng)所做的功也變少，因此可達(dá)到節(jié)能的目的。車輛設(shè)計(jì)和建造時(shí)，可以通過(guò)減輕車體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架和車內(nèi)設(shè)備的質(zhì)量來(lái)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(guó)的ICE2則達(dá)到1100公斤/座。國(guó)外不少國(guó)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(jì)，在保證車體整體強(qiáng)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(yùn)行阻力列車運(yùn)行過(guò)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(shí)受到的坡道阻力、穿越隧道時(shí)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(lái)自于轉(zhuǎn)向架、車輪、車側(cè)和車頂?shù)目諝饽Σ亮Γ囶^和車尾所占的比重較低。因此對(duì)高速列車而言，可采取下列措施:車頭的流線型設(shè)計(jì);遮蓋轉(zhuǎn)向架和車輪，包裹整個(gè)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?。?duì)貨車而言，其運(yùn)行速度雖然比高速列車要低很多，但在其運(yùn)行時(shí)，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(duì)此類問(wèn)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(shí)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(guò)添加潤(rùn)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(dá)到節(jié)能的作用。3.減少轉(zhuǎn)化損失列車運(yùn)行過(guò)程中的能量

6、轉(zhuǎn)換過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)決定了能量轉(zhuǎn)換效率，對(duì)能耗的影響較大。(1)對(duì)于電力機(jī)車，變壓器是發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行牽引組件的創(chuàng)新，通過(guò)各牽引組件的智能聯(lián)合控制，提高整個(gè)牽引模塊的效率，達(dá)到節(jié)能的效果。(2)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車，主要的節(jié)能技術(shù)是改進(jìn)噴油器，如增加噴油孔或進(jìn)行二階段噴油，提高噴油壓力，上述措施可以提高內(nèi)燃機(jī)燃燒效率15%20%。4.再生制動(dòng)電力機(jī)車和電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車均由牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)，把列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，被吸收到儲(chǔ)能裝置或反饋到牽引電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能的再利用，這

7、就是再生制動(dòng)。再生制動(dòng)技術(shù)非常適合于停站較多的列車運(yùn)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(yùn)行至終到站，能耗會(huì)因不同的操縱方式而產(chǎn)生差異。如果列車行駛的時(shí)間相等，停站次數(shù)相同，能耗會(huì)因加速、減速情況不同存在較大的差異。最理想的列車運(yùn)行方式是以較低的速度勻速前行，但現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，由于受到乘客需求、機(jī)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(yùn)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(dòng)這四個(gè)階段跨越兩個(gè)起停站時(shí)，能耗最小。若因某些列車的控制級(jí)位為離散或因線路存在陡坡而不能維持勻速狀態(tài)時(shí)，應(yīng)盡可

8、能控制列車速度保持準(zhǔn)勻速。依照這種方式操縱列車時(shí)，可以降低總能耗8%15%?？梢?jiàn)如果司機(jī)增強(qiáng)節(jié)能意識(shí)，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(duì)列車運(yùn)行的能耗有很大的影響，根據(jù)理論推導(dǎo)，列車的運(yùn)行速度越均衡，克服阻力所做的功就越小。因此，在設(shè)計(jì)鐵路線路時(shí)，要綜合考慮線路的工程造價(jià)和能耗情況，力爭(zhēng)線路平整，為日后的線路運(yùn)營(yíng)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(jì)，縱斷面可因勢(shì)制宜設(shè)計(jì)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(jìn)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(wú)縫線路，提高線路平順性

9、，減少列車運(yùn)行時(shí)對(duì)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(guò)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(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序電流；(3)裝設(shè)并聯(lián)電容補(bǔ)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(zhǎng)度，加大饋線截面或增設(shè)加強(qiáng)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(qiáng)導(dǎo)線，綜合考慮加強(qiáng)導(dǎo)線的成本支出和電能節(jié)約的相互關(guān)系;(2)對(duì)牽

10、引接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置、材質(zhì)和截面進(jìn)行優(yōu)選，以降低牽引接觸網(wǎng)阻抗;(3)具備條件時(shí)，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(duì)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(shí)，設(shè)置捷徑線等。8.舒適性相關(guān)的能耗車站是鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，是旅客進(jìn)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(yùn)輸總能耗的1/5左右，受地區(qū)和季節(jié)的影響，甚至超過(guò)這個(gè)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(fù)荷變化調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，使

11、空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能目的。另外照明系統(tǒng)可根據(jù)不同運(yùn)輸距離、客流規(guī)律和服務(wù)水平進(jìn)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(yùn)輸節(jié)能管理鐵路運(yùn)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(guò)優(yōu)化列車運(yùn)行圖達(dá)到節(jié)能目的，具體方法有改善列車運(yùn)營(yíng)組織，減少列車停站，優(yōu)化緩沖時(shí)間和多開(kāi)行重載貨車等；中觀層面指推行體制改革，建立節(jié)能激勵(lì)、監(jiān)督和監(jiān)測(cè)機(jī)制；宏觀層面著重制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能法規(guī)和政策，明確鐵路運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中若發(fā)生停車制動(dòng)，則會(huì)損失大量的動(dòng)能，能耗也將相應(yīng)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，列車制動(dòng)耗能約占機(jī)車總牽引能耗的10%2

12、0%，因此，列車運(yùn)行時(shí)要盡量避免不必要的停車制動(dòng)。但鐵路系統(tǒng)是耦合性非常強(qiáng)的系統(tǒng)，且現(xiàn)存的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施多數(shù)達(dá)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(diǎn)，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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程信息處理等現(xiàn)代通信技術(shù)，構(gòu)建列車運(yùn)行中央控制系統(tǒng)，減少列車運(yùn)行延誤和沖突?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)在確保鐵路運(yùn)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(yùn)營(yíng)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(guó)全年的客流量在時(shí)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(jì)繁榮地區(qū)客流量也遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)

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(yùn)營(yíng)組織模式和多變的編組方式，實(shí)現(xiàn)按流開(kāi)行列車，在支線和干線間實(shí)行大小交路套跑;列車長(zhǎng)度可根據(jù)乘客人數(shù)發(fā)生變化，客流量較大時(shí)，采用長(zhǎng)編組，客流量較小時(shí)，采用短編組。動(dòng)車組采用模塊化設(shè)計(jì)，較易實(shí)現(xiàn)這種長(zhǎng)短編組的切換。(3)貨運(yùn)重載。牽引重量對(duì)列車運(yùn)行單耗有重要的影響，當(dāng)牽引重量增加時(shí)，列車運(yùn)行單耗顯著降低。安排貨物列車編組計(jì)劃時(shí)，合理配置機(jī)車，使機(jī)車牽引重量科學(xué)合理，提高機(jī)車運(yùn)用效率。(4)減少單機(jī)和空車。機(jī)車和車輛調(diào)配時(shí)需要開(kāi)行部分空車與單機(jī)，這屬于鐵路運(yùn)輸組織的一部分。據(jù)蘭州鐵路局統(tǒng)計(jì)，由于運(yùn)行圖編制存在不合理因素，造成單機(jī)走行率較高，

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

15、取一些措施增加緩沖時(shí)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(shí)間內(nèi)上下車、進(jìn)出站，增加車站的緩沖時(shí)間；盡力移除區(qū)間不合理的低限速，提高列車的區(qū)間運(yùn)行速度，增加區(qū)間的緩沖時(shí)間，這些措施都同時(shí)減少了旅行時(shí)間和能源消耗。2.中觀層面的節(jié)能管理(1)能耗的測(cè)量和記錄。能耗監(jiān)測(cè)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(shí)依據(jù)，以便更好地認(rèn)識(shí)諸如車體輕量化、再生制動(dòng)和貨運(yùn)重載等技術(shù)措施的節(jié)能數(shù)量和節(jié)能效應(yīng)，進(jìn)而統(tǒng)籌安排各項(xiàng)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(jiǎng)罰機(jī)制，采取能源經(jīng)濟(jì)承包和節(jié)能指標(biāo)考核等經(jīng)濟(jì)手段，激勵(lì)鐵路各單位和個(gè)人的節(jié)能積極性；加強(qiáng)節(jié)能宣傳

16、工作，舉辦培訓(xùn)研討會(huì)，提高乘務(wù)員的節(jié)能意識(shí)，對(duì)節(jié)油突出者給與物質(zhì)鼓勵(lì)和精神鼓勵(lì)；建立鐵路各關(guān)聯(lián)企業(yè)的激勵(lì)機(jī)制，如對(duì)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(zhǔn)，則給與一定的獎(jiǎng)勵(lì)，激發(fā)關(guān)聯(lián)企業(yè)技術(shù)革新的動(dòng)力。對(duì)重點(diǎn)用能設(shè)備如牽引變電所、電動(dòng)機(jī)等進(jìn)行單項(xiàng)測(cè)試，達(dá)不到用能標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備限期進(jìn)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(guó)務(wù)院轉(zhuǎn)發(fā)了國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等部門聯(lián)合制定的關(guān)于加快推行合同能源管理促進(jìn)節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見(jiàn)，要求各地區(qū)各部門結(jié)合實(shí)際情況貫徹執(zhí)行。合同能源管理是一種新型的市場(chǎng)化節(jié)能機(jī)制，其實(shí)質(zhì)是以減少的能源費(fèi)用來(lái)支付節(jié)能項(xiàng)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(guó)鐵路節(jié)能技術(shù)服務(wù)公司，通過(guò)融資進(jìn)行多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)改造，用項(xiàng)目產(chǎn)生的節(jié)能效益返還資金，調(diào)動(dòng)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(dòng)力升級(jí)。我國(guó)鐵路幾十年來(lái)一直致力于推進(jìn)牽引動(dòng)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?yàn)殡娏C(jī)車比蒸汽機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)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(jī)車牽引比重要達(dá)到80%以上，新建的客運(yùn)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(jī)車牽引動(dòng)力換代，使鐵路能耗結(jié)構(gòu)更趨合理，降低對(duì)石油的依存度。(2)制定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是軌道交通工程建設(shè)的基礎(chǔ)，是開(kāi)展鐵路工程建設(shè)的基礎(chǔ)，對(duì)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(qiáng)鐵路工程項(xiàng)目節(jié)能管理，198