分析法在运输企业能耗分析中的应用

彭道平，黄 涛，李云祯，陶雪峰，闵朝辉，赵明永

（1. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2. 四川省环境保护科学研究院清洁生产研究所，四川 成都 610041；3. 哈尔滨铁路局 计划统计处，黑龙江 哈尔滨 150006；4. 成都铁路局 计划统计处，四川 成都 610031）

0 引言

截至 2012 年底我国铁路的运营里程接近98 000 km，位列世界第二[1]。铁路运输企业非常重视能源消耗和能源利用效率，铁路运输企业的能耗主要用于机车牵引、发电车等主营项目，以及调度、检修和日常生活等辅营项目，2012 年铁路运输企业能耗达到了 1 745.7 万 t 标煤[2]。在研究能源利用效率时，传统的能量分析法是以能量守恒和转换定律为基础，只能在量方面揭示出能量转换、有效利用和损失情况，确定出某个系统或设备的能源利用效率。但是，一直困扰人们的是如何将非同质的能源投入要素加总、不同产出之间加总和成本分摊等问题。Exergy ( 以下简称 ) 分析法为正确评价不同形态的能量、不同状态的物质的价值提供了统一的标尺[3-4]。

是指能量中可以转化为其他形态能量的那部分能量。 分析法是同时以热力学第一定律和第二定律为依据，将能量的“量”和“质”统筹考虑的分析法。因而， 分析弥补了能量分析的不足，注重能量的质量，以 效率为目标函数，通过系统的

计算，发现系统中设备、过程、工序中的各种损失。 分析法简便且易于理解，在能量系统分析中， 分析法比熵分析法应用更广泛，发展速度更快。Rant 于 1956 年提出 的概念后， 分析法被广泛应用到经济社会领域的各种能量分析中[3]。根据近年来我国铁路运输企业的能耗数据，通过引入 分析法对其能源结构、能源利用效率等进行分析，为铁路运输企业的节能降耗工作提供一定参考。

1 数据与方法

交通行业中的 计算公式为

式中：EX为燃料的 值，γ为基于低热值LHV的

系数。Kotas 提出了常见的燃料 系数和LHV如表 1所示[5]。

传统的能量效率计算公式为

式中：η为系统的能量效率；W为系统做的功；Win为系统输入的总能量。

表1 常见燃料的 LHV 和 系数

类似于⑵式， 效率计算公式为

式中：ψ是系统的 效率；EXin为系统输入的总值。由⑴式可知，单位质量的燃料 值EX为燃料的总能量Win乘以 系数，故可得⑷式为

即 效率等于传统的能量效率除以 系数。需要注意的是，对于电能，其 值等于能量值，因而 效率等于能量效率。

为了分析整个铁路运输系统的 效率，引入了加权平均整体 效率，计算公式为

式中：ψoverall加权平均整体 效率；ηm为运输企业第m种生产项目的能量效率；γn为第n种能源类型的 系数；Frmn为第n种能源占第m种生产项目中总能量的比例。

运输企业生产能耗数据由 2 种生产项目 ( 主营和辅营 )、6 种能源类型 ( 煤、柴油、汽油、液化石油气 ( Liquefied Petroleum Gas，LPG )、天然气和电 ) 构成。2006—2012 年铁路运输的全路能源消耗情况如表 2 所示。

2 结果与分析

2.1 铁路运输企业的能耗结构

我国的国家铁路是由 18 个铁路局和 3 个运输物流公司组成。2006—2012 年铁路运输企业的能源消耗结构如图 1 所示。可以看出，构成铁路运输企业主要能耗的前 3 位分别是柴油、煤和电力，占总能耗的 98% 左右；其他能源则有天然气、汽油、液化石油气等。除了主营生产外，调度、检修、日常生活等辅营项目也消耗了大量的能源。铁路企业的能耗中，煤主要是用于取暖，柴油和电力主要是用于机车牵引。

表2 2006—2012 年铁路运输的全路能源消耗情况

由于地域差异，我国南、北方各铁路局的能耗结构有较大的差异。2012 年哈尔滨铁路局的能源消耗结构如图 2 所示。由图 2 可知，煤和柴油是该铁路局的主要能源类型，主要由于哈尔滨铁路局地处东北地区，冬季取暖需要大量的煤，而且哈尔滨铁路局近 96.3% 的机车类型为内燃机车，因而柴油的消耗很大。2010 年成都铁路局的能源消耗结构如图 3 所示，由于成都铁路局的电气化率达到了84.7%，机车类型大部分为电力机车，内燃机车比例仅为 15.3%，因而柴油消耗仅占 16.80%。由于气候相对温暖，成都铁路局的煤消耗较少。可见，由于地域差异和牵引机车类型的不同，不同铁路运输企业间的能源消耗结构呈现较大的差异。因此，不同企业应根据自身特点，采取不同的措施，开展其节能降耗工作。

图 1 2006—2012 年铁路运输企业能源消耗结构图

图 2 2012 年哈尔滨铁路局能源消耗结构图

图 3 2010 年成都铁路局能源消耗结构图

2.2 总 消耗

根据⑴式和表 2 可以计算出全路的总 消耗情况如图 4 所示。通过计算，2006 年全路的总 消耗值为 491.74 PJ ( 注：1 PJ = 1 × 1015J )，2012 年则降至 480.44 PJ。其中，2006—2008 年全路的总 消耗值呈逐年上升的趋势，2009—2010 年为基本持平状态，2011—2012 年则呈逐年下降趋势。与我国同期的 GDP 增长速率比较，可以发现能源消耗和 消耗值的变化曲线与国家的经济增长情况有一定的关系，交通运输需求随经济增长而增长，而交通运输系统的能耗也会相应增加，交通运输的需求和能量消耗具有紧密联系。

图 4 2006—2012 年全路能耗及 GDP 增长情况

由表 2 可知，煤在总能耗中的比例由 2006 年的29.56% 下降至 2012 年的 24.32%；柴油比例由 2006年的 51.78% 降至 2012 年的 40.60%；而电力的比例则由 2006 年的 17.44% 升至 2012 年的 33.49%。尽管化石燃料 ( 如煤、柴油等 ) 仍然是铁路运输中的主要能源类型，但是电力所占的比例越来越大，这主要是由于近年来铁路部门进行了大量的电气化改造，以及大批的内燃机车和燃煤 ( 油 ) 锅炉被淘汰。

2.3 效率分析

Reistard 的研究认为，铁路运输业的能量效率η约为 28%。全路的 效率可以由⑸式计算得到[6]；各种能源类型的 效率由⑷式计算得到，如表 3所示[7-8]。

表3 各种燃料类型 效率

而特定年份铁路运输企业的整体 效率可由⑹式计算为

式中：为第t年的整体 效率；ψi为第i(i=c，d，g，l，n，e) 种类型燃料的 效率；f i，t为主营中第t年第i种燃料所占全部燃料的比例；f 'i，t为辅营中第t年第i种燃料所占全部燃料的比例。

例如，计算2006年的铁路运输企业的整体 效率计算为

图 5 2006—2012 年铁路运输企业的整体效率

2006—2012 年铁路运输企业整体 效率如图5 所示。整体 效率的范围是 26.41%～26.73%，其均值为 26.57%。 效率的提升主要源自铁路运输企业能耗结构的变化，高效的电力能源所占比重越来越大。可以看出， 分析法得到的铁路行业能源利用效率比传统的能量效率低，这是由于 分析法考虑了整个系统中不可逆导致的各种 损失，因而

效率可以更加真实地反映铁路运输企业的能耗效率。

3 结束语

通过收集近年来铁路运输企业的全路能耗数据，对全路的能耗结构、能耗水平等进行分析，并且引入 分析法对全路的能耗效率进行计算，得到的平均 效率为 26.57%，较传统能量分析法计算的铁路行业能量效率 28%低，这是由于 分析法考虑了系统中不可逆的 损失，因而更能真实地反映出企业的能耗效率。

[1] 中国铁路总公司. 中国铁路总公司概况[EB/OL]. (2013-09-18)[2013-10-23]. http://www.china-railway.com.cn/gkl/gsjj/201309/t20130918_39086.htm.

[2] 铁道部统计中心. 中华人民共和国铁道部 2012 年铁道统计公报[N]. 人民铁道，2013-03-13(A02).

[3] Rant Z. Exergy，A New Word for Technical Available Work[J]. Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurwesens，1956，22 (1)：36-37.

[4] Ahern E. The Exergy Method of Energy Systems Analysis[M].New York：Wiley，1980.

[5] Kotas T. J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis[M].London：London Boston Butterworths，1985.

[6] Reistard M. Available Energy Conversion Utilization in the United States[J]. Journal of Engineering for Power-transaction of the ASME，1975，97(2)：429-434.

[7] 蒋爱华. 泛 分析方法及其应用研究[D]. 长沙：中南大学，2011.

[8] 魏 楚. 中国能源效率问题研究[D]. 杭州：浙江大学，2009.