铁路运输节能技术与节能管理研究

关键词:铁路运输;节能技术;节能管理

一、引言

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，2003～2008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。

二、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。

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400～800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.减小列车运行阻力

列车运行过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，主要的是列车表面与空气的摩擦力以及轮轨摩擦力等。附加阻力产生于某些特定情况下，如上下坡时受到的坡道阻力、穿越隧道时受到的隧道阻力等。列车表面与空气的摩擦力即空气阻力，主要受到两方面的影响:列车外部几何形状和列车表面光滑度。如高速列车70%的空气阻力都来自于转向架、车轮、车侧和车顶的空气摩擦力，车头和车尾所占的比重较低。因此对高速列车而言，可采取下列措施:车头的流线型设计;遮盖转向架和车轮，包裹整个车底等，可以减少10%的空气阻力;平滑车体外表面，车辆间用折棚连接，有效减少车侧和车顶的空气阻力。

对货车而言，其运行速度虽然比高速列车要低很多，但在其运行时，也有相当一部分能耗用于克服空气阻力，主要原因是货车的外部几何形状不合理，如车辆之间存在空挡，部分车辆为敞篷车(这种情况大大增加了空气阻力)，研究表明，敞篷空车的空气阻力甚至大于重车。针对此类问题，可以采取相应的有效措施，如给敞篷车加盖，货物组装时优化外露形状等可以节约10%的能耗。

轮轨摩擦力与列车重量成正比，减轻列车车体重量即相当于减小了轮轨摩擦力，另外通过添加润滑剂，减少车轮之间的侧向摩擦力，也可以减小轮轨摩擦力，达到节能的作用。

3.减少转化损失

列车运行过程中的能量转换过程，发动机决定了能量转换效率，对能耗的影响较大。

(1)对于电力机车，变压器是发动机功效的重要影响因素，而传统变压器的效率与它的质量成正比，需要在效率与质量之间加以权衡以求得最佳效果。除此之外还可以进行牵引组件的创新，通过各牵引组件的智能联合控制，提高整个牵引模块的效率，达到节能的效果。

(2)对于内燃机车，主要的节能技术是改进喷油器，如增加喷油孔或进行二阶段喷油，提高喷油压力，上述措施可以提高内燃机燃烧效率15%～20%。

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。

5.列车节能操纵

列车从始发站运行至终到站，能耗会因不同的操纵方式而产生差异。如果列车行驶的时间相等，停站次数相同，能耗会因加速、减速情况不同存在较大的差异。最理想的列车运行方式是以较低的速度匀速前行，但现实环境下，由于受到乘客需求、机车特性、工程限速和线路条件等各方面的约束，列车并不能按理想状态运行。经模型分析和理论研究得知，当列车经历最大加速—匀速—惰行—最大减速制动这四个阶段跨越两个起停站时，能耗最小。若因某些列车的控制级位为离散或因线路存在陡坡而不能维持匀速状态时，应尽可能控制列车速度保持准匀速。依照这种方式操纵列车时，可以降低总能耗8%～15%。可见如果司机增强节能意识，按照正确方式操控列车即可取得节能效果。

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。

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。

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。

三、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。

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。

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。

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.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。

参考文献：

1]孙忠国.铁路运输节能减排技术[M].北京:化工工业出版社,2009.

[2]柏,毛保华,周方明等.基于功耗分析的货物列车节能运行控制方法研究[J].交通运输系统工程与信息,2009,9(3).