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城市轨道交通绿色低碳技术研究及展望

国际金属加工网 2022年09月09日

城市轨道交通是大容量的公共交通基础设施,是引导及承载城市居民低碳出行的骨干交通方式。在碳达峰、碳中和上升为国家战略的背景下,为响应国家的号召,文章面向城市轨道交通绿色发展领域,在对绿色低碳技术按照其在全生命周期各阶段的应用进行分类阐述的基础上,从“绿色建设、绿色行车、绿色运营、绿色管养、绿色评价”五大场景出发,构建城市轨道交通绿色低碳技术体系,并为实现该体系提出4点展望,以期为促进城市轨道交通绿色、低碳、可持续发展提供参考和借鉴。

城轨绿色低碳技术的

分类与应用

交通运输行业处于能源消费的末端,降低交通领域碳排放不仅在于本领域自身,而且涉及交通运输行业的全产业链条。在城轨领域,可将现有绿色低碳技术按照规划设计、施工建造、装备制造、运营维护等全生命周期各个阶段进行划分。

1.1规划设计阶段

我国幅员辽阔,城轨规划建设及开通城市气候区覆盖广,各城市交通运输结构、气候特点不尽相同。针对城市及线路特点,提出合理的节能设计方案,可为后期运营节约大量能源。城轨节能设计包括以下方面。

(1)建筑节能设计。合理规划和控制车站及附属建筑规模,控制城轨建筑能耗总量;采取适宜的建筑形式和系统设计,优化地下车站站台、出入口、隧道、风井等设计方案,通过调整出入口风压、提高采光系数等降低车站机电系统负荷。

(2)线路节能设计。路网规划超前于城市发展,应充分考虑资源投入、环境承载力等因素,建立高效换乘系统,提升城轨可持续发展能力,引导城市向多中心发展转型;设计线路节能坡,通过设置合理的进出站坡度、泵站位置,减少列车牵引用电等能源消耗;在城市非中心区域优先设计高架或地面车站,控制车站能耗总量;设计正线停车、存车线停车等方案,降低列车空驶能耗。

(3)设备设施节能设计。传统供电系统结构下,采用电阻吸收列车再生制动能量不仅造成能源浪费,还可能导致隧道温升等问题。目前,行业普遍采用的成熟方案是:利用中压能馈系统,降低供电系统电能损耗;通过优化列车再生制动能量回馈吸收方案,如增设超级电容储能、飞轮储能、双向变流等装置,提升能源利用率。

1.2施工建造阶段

城轨施工建造阶段的能耗主要产生于建设需求所导致的原材料开采、建材生产、运输及现场施工环节。为实现上述各环节的绿色低碳,可采用以下技术。

(1)优先选用高强度、高性能、耐久性强、耐腐蚀、抗老化材料,延长车站等建筑的使用寿命,降低部件更换频次,从长远角度降低原材料生产运输安装消耗,实现源头减碳。

(2)加强装配式建造技术的研究与应用推广;实现施工临时设施与永久性设施的结合利用;选用高效的安装工法与安装工序,减少现场支模和脚手架搭建。

(3)采用工程总承包、全过程咨询等组织管理方式,促进设计、生产、施工深度协同,整体提升建造管理集约化水平。

1.3装备制造阶段

城轨装备是城轨运输的主要载体,也是其能源消耗的重要因素。加强新一代绿色智能技术装备的研发、制造和应用,提高城轨装备的能源利用效率,是实现城轨绿色化、低碳化发展的必由之路。城轨装备低碳技术主要包括以下方面。

1.3.1柔性供电技术

除选用能耗相对较低的电压制式、高效低耗的电气设备外,以中压能馈装置为代表的“能馈型再生能利用技术”和以锂离子电池为代表的“储能型再生能利用技术”得到了广泛应用,两者均能达到较好的节能效果,但也存在影响安全和效率等问题。在此背景下,基于新型再生能利用产品的柔性供电技术为供电专业装备制造节能发展提供了以下新思路。

(1)双向变流技术。该技术可在实现传统中压能馈装置功能的基础上,有效改善电能质量,增强系统可控性,达到更好的节能效果,目前已在宁波地铁5号线、绍兴地铁1号线、呼和浩特地铁1号线等线路实现应用。

(2)新型电力储能装置。诸如化学储能(蓄电池)、机械储能(飞轮储能)、电磁储能(超级电容)等新型电力储能技术在行业内均有应用案例,但在平衡容量、功率、效率、使用寿命及成本等因素与城轨建设、运营实际需求方面仍存在优化空间。

1.3.2车辆节能技术

城轨车辆主要通过永磁牵引、轻量化等技术实现节能优化。其中,永磁同步电机具有高效率、高功率密度、强过载能力等优点。与传统异步牵引系统相比,使用永磁牵引系统的列车每公里节能率可达约32%。

1.3.3新型动力电源技术

在动力电源方面包含以下新型技术。

(1)通过技术迭代升级,从提升能量转换效率、降低设备能量损耗的角度实现节能。例如,武汉地铁实施车辆和车站照明系统改造,采用LED照明光源,年均节省电量超过80万 kWh;深圳地铁9号线应用光导照明系统,日均节省电能预计可达200kWh;洛阳地铁1号线车站采用磁悬浮直膨式空调机组,相较于传统车站,单站每年可节约电量35万kWh以上。

(2)补强用能感知能力,通过施加智能控制策略实现对设备设施控制策略的优化。例如,宁波地铁“基于云平台的智能能源系统节能示范工程”应用智能变频控制的高效节能通风空调系统、直流集中供电智能照明系统等节能技术,目前高效节能通风空调系统已进入稳定运行阶段,经试验证明其综合节能率可达30%;上海地铁4号线应用客室照明光敏控制节能改造方案,实际节能率约30%。

1.4运营维护阶段

高效的运营管理与养护维修是推动城轨绿色低碳发展的重要途径之一。在运营维护阶段可通过以下方式提高城轨能源利用效率,实现绿色低碳目标。

(1)以智慧城轨关键技术为依托,实施网络化运营管理机制,实现运能和运量的精准匹配,形成节能高效的运营组织模式,提升出行效率及能源利用效率。

(2)通过优化单列车节能驾驶策略、优化列车运行图、实施多车协同节能运行控制等,提高列车再生制动能量利用效率,达到减小牵引能耗的效果。目前,北京地铁亦庄线、昌平线和深圳地铁7号线等国内多条线路均进行了单列车节能优化控制试验,但尚无成熟的工程应用案例;列车运行图优化、多车协同节能运行控制等技术仍处于理论研究阶段。

(3)引入绿色清洁能源。根据城轨占地与用能特点,分布式光伏发电技术已在城轨领域得到广泛应用,地源/空气源热泵、氢能源等技术也具有较好发展潜力。

城轨绿色低碳技术体系

目前,我国城轨仍采用粗放型快速发展模式,为实现其绿色、低碳、高质量发展,亟需做出转型。本文面向建设、行车、运营、管养4个场景提出节能低碳解决方案及评价方法,为构建城轨绿色低碳技术体系提供思路(图1)。

2.1绿色建设

在双碳背景下,“智能制造”“绿色建造”成为建造领域发展主题。未来,城轨将统筹考虑质量、安全、效率、节能、环保等要素,在设计、施工、交付全过程各阶段一体化协同落实绿色低碳技术。

(1)贯彻绿色、可持续发展设计理念,以最终节能效果为准则,制定场段、车站、线路、供电等全面节能优化设计方案,以驱动后序施工工法、设备选型、测试验收等达到预期节能效果。

(2)结合实际需求,运用建筑信息模型(BIM)等技术,推广装配式建造技术,采用高强低耗建筑材料,整体提升建造信息化、建材低碳化水平。

(3)实现建设机械电动化、清洁化,鼓励采用电网取电、插电混合动力、动力电池、燃料电池等电动工程机械装备,以“电”代“油”实现降噪、无尾气、智能化效果。

(4)建立涵盖设计、生产、施工等各阶段的协同设计机制,前置谋划生产、施工各方的用能过程管理,提高工程绿色建造水平。

2.2绿色行车

为降低城轨车辆运行能耗、提高其能源利用效率,应从打造基于多元化清洁能源的绿色节能供电系统、研发集成多种低碳技术的绿色简统化车辆、实施绿色低碳的列车运行控制3方面着眼,协同实现城轨的绿色行车。

(1)打造基于多元化清洁能源的绿色节能供电系统。一方面,搭建基于双向变流技术、新型储能技术的柔性直流牵引供电系统,在改善电能质量的同时,将再生制动电能回馈至电网,实现“节流”;另一方面,将分布式光伏发电等新能源技术与城轨供电系统相结合,降低城轨供电系统对于城市电网的供电需求,提升绿电比例,做到“开源”。

(2)研发集成多种低碳技术的绿色简统化车辆。在城轨车辆中引入新型储能车载动力装置、永磁同步电机、高频辅助变流器、节能空调系统、智能照明装置等高效节能技术装备,并采用铝合金、碳纤维等轻量化材料,实施轻量化结构设计,以提升整车的节能水平。

(3)实现绿色低碳的列车运行控制。采用高效的运营组织模式,精准匹配运能与运量,实现网络化运营;采取多车协同节能运行控制策略,与柔性直流供电系统相结合,在保证电能质量的基础上提升列车再生制动能量利用率;充分应用线路节能坡设计方案,推广灵活编组、正线停车等提高运输效能的新模式。

2.3绿色运营

在绿色运营方面,应打造“光伏+储能/蓄电池+直流配电+智能充电桩”的柔性用电车站建筑。柔性直流输电技术可实现对输电系统相关参数的灵活调节,使输电线路的输送能力提高、故障影响降低,提升电力系统的灵活性和稳定性,近年来已成为能源互联网发展的必然趋势。例如,天津轨道交通集团有限公司“基于绿智融合技术的城市轨道交通光-储-直-柔示范工程”,规划了光伏发电系统、储能系统、直流配电系统与双向变流技术相融合的城轨绿色低碳系统解决方案,其具体举措如下。

(1)采用建筑光伏一体化技术,充分利用城轨车站及附属建筑屋顶和垂直外表面、人行天桥、疏散平台、沿线边坡等可用场地发展光伏发电,并将光伏发电产生的电能优先用于满足车站建筑自身的用电需求。

(2)车站建筑采用直流母线供电,通过DC/DC转换与智能调控装置调节用电功率,实现“柔性用电”。

(3)设置储能或蓄电池装置,调节峰谷电能,实现光伏发电与城市电网的匹配,增强用电可靠性。

(4)推进智能充电桩与车站建筑内部配电系统的一体化,实现城轨向城市电网供电,有助于解决城市客运“最后一公里”问题。

(5)采用直流式、智能化的照明、电扶梯、通风空调系统,试点节能列车运行控制模式,在实现电能消耗最小化的同时,确保乘客舒适性,吸引公众选择城轨出行。

2.4绿色管养

在城轨设施设备养护维修及能源管理方面,应推广故障预测与健康管理技术(PHM),建立能耗管理工作机制,研发城轨能源管理平台,对城轨设施设备的运行状态、能耗状况进行实时监控、动态管理,以实现其绿色管养。

(1)以城轨设备设施养护维修为基础,基于全域设备设施PHM技术,建立能耗管理工作机制,实现对城轨建筑物、关键系统、设备设施等的寿命监测、故障诊断与状态评估,形成设备设施能耗台账,规避能耗统计边界不清、跨部门数据收集困难等问题。

(2)研发城市轨道交通能源管理平台。在实现能源管理基础功能的同时,与综合监控系统(ISCS)、电力监控系统(PSCADA)等既有的能源相关管控系统进行交互、集成与深度融合,基于大数据、物联网、云平台、人工智能、移动互联网等先进技术,结合客流量等城轨运营特征,研究行车组织、运营场景、客流量乃至城市交通结构与城轨能耗之间的关联关系,与工程总承包、全过程咨询、柔性供电技术等节能管控技术配合,实现能源动态管控,支撑城轨节能效果评估与决策。

2.5绿色评价

建立城轨绿色绩效评价体系,应注重增强城轨绿色低碳转型成效评价的全局性、系统性,可分别从途径、层次、过程3个维度出发开展城轨绿色绩效评价,使其面向绿色建设、绿色行车、绿色运营、绿色管养各个环节,覆盖从政府到城轨企业的各层主体,贯穿城轨绿色低碳转型全过程(图2)。此外,应开展能耗统计监测,汇集全国城轨能耗和碳排放相关的基础数据,建立产业链数据共享机制和数据库,提升城轨行业绿色节能决策与管理的科学性。

展望

当前,我国各地城轨发展水平存在较大差异,现有建设及运营模式亟待向节能低碳目标转型升级,管控与评价体系亟需完善,部分先进绿色低碳技术应用路径不够清晰,仍有电力、制造业等领域的国外先进技术未引入应用,因此城轨绿色低碳转型仍面临诸多挑战。本文通过梳理城轨全生命周期各阶段绿色低碳技术应用情况,构建以“绿色建设、绿色行车、绿色运营、绿色养、绿色评价”五大场景为驱动的城轨绿色低碳技术体系,以支撑城轨行业低碳发展规划与 2025 年发展目标的实现(图3)。为推进此体系的实现,提出以下4点展望。

3.1坚持系统观念,充分利用各方优势资源

践行为乘客服务的使命,做我国城市交通绿色出行引领者。强化政府、城轨协会、城轨国家工程研究中心及城轨创新网络、业内创新企业、业主单位等城轨全产业链条各类主体之间的联动关系,结合最新绿色低碳产品和研究成果,为城轨全产业链各环节绿色低碳发展加强顶层设计,制定发展规划;将智慧城轨与绿色低碳发展深度融合,提升客运服务水平,实现网络化运营,提高线网覆盖率,不断提升城轨在公共交通中的承运比例;建立更为全面且符合城轨发展现状的用能和节能标准体系、节能统计及考核评价体系,建立标准统一的行业能耗及碳排放统计管理平台,完善城轨能耗管控机制;推动节能项目、关键技术研发等与碳交易、绿色金融等市场机制相融合,在资金与合作机制方面为城轨绿色低碳发展提供动力。

3.2优化用能结构,率先实现交通能源转型

持续引进新能源技术,争做我国交通运输领域能源转型先行者。以“可装尽装、可用尽用”为原则,实现分布式光伏发电技术与城轨各类场地条件的充分结合;探索丰富的光伏用电场景,形成自发自用、余电上网等多种消纳方案,实现光伏接入牵引供电网的试点示范。因地制宜,将地源热泵、空气源热泵等系统充分应用于具备条件的城轨线路。论证、规划、制定氢能源对传统石化能源的替代方案、氢能基础设施和用能机制建设方案。

3.3加强研发投入,推动技术装备绿色升级

逐步实现高能耗设备系统的全面淘汰或升级,在既有成熟绿色低碳技术装备的基础上进行技术集成,开展集成创新,形成绿色低碳成套解决方案,如基于双向变流技术的节能柔性牵引供电系统,基于智能化直流照明、通风空调、电扶梯的绿色车站,基于分布式光伏、新一代储能、直流配电系统、柔性牵引供电系统的“光-储-直-柔”一体化供电网络,采用永磁牵引技术、轻量化材料的绿色简统化车辆,可实现多车协同、灵活编组的列车节能运行控制系统等。

3.4营造良好氛围,开展绿色低碳协同创新

不断拓展城轨绿色低碳创新发展的广度和深度。实现智慧城轨建设与绿色低碳的融合发展,围绕智慧城轨建设布局绿色低碳发展,推动城轨向智慧化、绿色化多维度延伸;依托城轨各层级创新平台,开展创新技术成果转化方式探索,建立城轨绿色低碳自主创新技术转移机制,实现行业外先进绿色低碳技术的引进与转化,为城轨绿色低碳创新发展注入强劲动能。

结语

双碳对城轨行业而言,既是挑战也是机遇,更是其面临的历史性任务和重大战略,关系到城轨规划、建设、运营、维保等全生命周期和上下游全产业链的高效、绿色、高质量可持续健康发展。城轨行业应着眼目前现状和未来发展的全局,统筹谋划、顶层设计,全面践行绿色低碳发展理念,加快自身的绿色低碳转型,结合城轨特征,做好双碳目标制定、技术引领、政策扶持等宏观战略部署,坚持自主创新,攻克城轨绿色低碳转型的关键核心技术,加强上下游产业协同,提升城轨节能减排潜力,并进一步推进智慧城轨技术与城轨绿色低碳业务深度融合,以智慧赋能城轨绿色低碳发展目标,为双碳战略的有效实施贡献力量。

参考文献[1]于鑫. 城市轨道交通绿色低碳技术研究及展望[J]. 现代城市轨道交通,2022(8):1-6.

作者简介:于鑫,研究员,中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心主任,城轨创新网络中心有限公司总经理

(现代城市轨道交通)

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