工业工程在津滨轻轨节能减排中的应用

郭明 王岩 能宗鹏

（天津滨海快速交通发展有限公司 天津 300457）

工业工程是从科学管理的基础上发展起来的一门应用性工程专业技术。它是对人、物料、设备、能源、和信息等所组成的集成系统，进行设计、改善和实施的一门学科，它综合运用专门知识和技术，以工程技术为基础，配合科学管理的技巧来发现问题，解决问题，预防问题。

津滨轻轨是天津城市轨道交通网的重要线路，轻轨系统配备了大量现代城市轨道交通必不可少的高能耗设备，如电客车、供电、信号、通信、环控、电扶梯等。在保证运营安全和服务质量的前提下，公司广泛应用工业工程原理，将节能减排工作融入到工程建设和运营管理中。通过引进SCADA电力监控系统、无功补偿、洗车水原位再生等工程技术，配合科学的节能减排管理体系、严格的规章制度、高效的行车组织，打造绿色低碳的交通方式。

1 将节能减排管理深入运营管理

1.1 明确管理方针，完善体系规章

津滨轻轨成立了节能减排委员会，下设节能办公室和四个节能分委会，明确了节能减排管理与运营生产管理紧密融合的管理方针，采用“系统推进、多维推进、关键突破”的节能管理思路，编制节能管理手册、节能奖惩规定、节能专项基金管理办法等一系列规章制度，形成了具有轻轨特色的节能管理体系。

1.2 开展能源审计，挖掘节能潜力

津滨轻轨定期开展能源审计工作，分析挖掘节能潜力，制定切实可行的节能减排目标、规划和措施。结合能源审计建议，公司不断调整能耗管控重点，做到运营发展与节能指标同频同步，紧密结合。节能委员会细化分解节能指标，以电、水、气、油分类确定消耗源99项，同时明确月度、年度消耗指标达1292个。

1.3 贯彻节能政策，加强监察力度

津滨轻轨每年与开发区签订《协议目标节能责任书》，接受相关管理部门的年度节能评审验收。建立了能源消耗管理统计系统，监控全线用能情况，及时收集、统计、分析用能数据，并在用电高峰进行不定期抽查。

1.4 优化行车组织，提高电能吸附

列车在起动时会消耗大量的电能，在制动时就必然要产生相当大的制动能量，如制定科学合理的运行图，行车密度较大，间隔均匀，且同一供电区间内各列车起动和制动的时机配合恰当，反馈制动把动能转化为电能送入轻轨供电网供其他列车使用，再生制动能量就会被其他运行车辆吸收，津滨轻轨一直运用此原理不断完善行车组织工作。

2012年津滨轻轨与天津地铁1、2、3号线实现并网接驳，城市轨道交通步入网络化运营阶段，公司适时调整行车方案以满足客流量增长的运输需求，最大行车间隔减少至12min，最短行车间隔达到5min，平峰行车间隔8min，行车密度增加，各时段间隔趋向均匀，列车牵引与制动进行匹配，根据各车站客流数据分配停车时间，在当前运营规模下最大程度利用再生制动的能量。

1.5 整合修程规程，降低检修能耗

参考同行业运维水平，对电客车及运营各系统的运行情况进行检测、评估、论证，最终确定延长电客车定修、架修、厂修的走行公里，运营系统中修以深度故障修为主，减少设备生命周期中、大修的检修次数，降低了设备检修过程、动静调试中的能源消耗。

2 能源利用现状

以2013年1-10月为例，津滨轻轨主要区域耗能6675tce，其中电力占比85.73%，天然气占比14.04%，水占比0.23%。主要消耗的能源是电力和燃气。电力驱动牵引电机，完成由电能、机械能的转换，带动机车运行。其中电力又分为牵引用电和动力用电两部分：牵引用电主要作用是轻轨机车运行时牵引系统牵引电机用电及车上的照明、空压机等辅助系统用电；动力用电维持各个轻轨站正常运行的用电，包括车站照明、电梯及办公区用电等。而燃气主要供食堂、锅炉房等辅助生产生活用能。津滨轻轨系统的能源流向见图。

图1 津滨轻轨系统的能源流向见图

3 将节能减排技术融入运营生产

3.1 供电系统

3.1.1 电压制式与电压等级

目前国内外轻轨供电系统的电压制式主要有DC750V和DC1500V两种，津滨轻轨采用的DC1500V电压等级可以显著减少牵引变电所数量，全线牵引整流机组总安装容量小，供电设备利用率高。另外，由于供电臂长度较长，位于同一供电区段的列车数量多，有利于列车再生能量的吸收利用。

津滨轻轨中压网络采用35KV等级，35KV中压网络输电半径和容量大，电能损失小，设备完全实现国产化，从设计之初就充分考虑了节能的合理可行性。

3.1.2 无功补偿技术

运营之初津滨轻轨主变电所35KV侧现场实际测试结果表明，母线平均功率因数仅为0.4左右，且由于轻轨本身工作特性，尤其是夜间停运后。使母线一直处于无功倒送状态，并且母线中5、7、11、13次谐波电流超标，造成能源浪费。为抑制无功倒送、节约能源、消除谐波，津滨轻轨分三期对主变电所加装无功补偿装置，深入开展无功治理工作。

为了防止出现过补和欠补情况，轻轨联合设计院利用加拿大曼尼托巴大学PSCAD/EMTDC软件建立负荷及电缆的仿真模型，得出无功补偿容量。通过对集中式补偿、分区集中补偿、分布式补偿三种方案的效果评价与经济对照，轻轨采用集中式补偿方案，无功补偿改造后供电系统无功功率基本维持在零附近，功率因数基本维持在0.99以上，创造直接经济效益近90万元/月，每年节约1000万元电力费用，年减CO2排量6220t。

图2 SVC 投运后35kV 系统无功曲线

图3 SVC 投运后35kV系统功率因数曲线

3.1.3 电力监控系统（SCADA）

电力监控系统由设在控制中心主站的电力监控调度系统，设在沿线各变电所被控站的全所综合自动化系统，设在车辆段供电车间的电力监控复视系统及远动通道组成，用于对沿线变电所内主要电气设备的遥控、遥信、遥测、遥调和遥视等。该系统实现了轨道交通电力输配和消耗环节实施集中扁平化的动态监控和数字化管理。通过运营行车组织及节能管理相互配合，可不断改进和优化能源平衡，达到系统性节能降耗的管控一体化。

3.2 车辆设备

3.2.1 车体采用不锈钢材料的轻量化整体承载结构，流线型前端采用进口树脂玻璃钢结构，降低车辆负荷，提高了牵引动力效率，降低了牵引能量消耗。

3.2.2 采用由VVVF逆变器、交流异步牵引电机和微机控制装置组成的动力系统，使列车的智能动力输出有效降低牵引能耗。

3.2.3 全封闭的车体填充了隔热保暖材料，避免了车内能量的流失。

3.2.4 采用两动两拖的混合编组，既满足了运营需求又达到了节能减排的效果。

3.3 机电系统

3.3.1 屏蔽门系统：津滨轻轨地下段采用全封闭屏蔽门技术，大幅减少了隧道与站台区域的热量交换。

3.3.2 空调系统：为了应对传统定速空调能耗大、故障走高的问题，津滨轻轨投资数百万元对车站中央空调系统进行变频改造，预计可节能20%以上。

3.3.3 照明系统：地面车站充分利用自然光，并于2009年响应国家号召全线集中采购更换了节能灯具。

3.4 自动列车清洗设备

为实现废水零排放，津滨轻轨自运营前就签订了西班牙自动列车清洗设备的采购合同，该设备具有先进的循环再生过滤系统，分别采用固定沉淀、油脂分离、生物净化、石英砂活性炭精滤等方式，有效除去水中污染物，达到回用达标。根据使用情况统计，水处理系统每年可减少废水排放23868t,节省开支15万元。

4 让节能减排技术服务员工生产生活

4.1 太阳能

津滨轻轨投建车辆基地、停车场太阳能热水系统，通过搜集气象资料，计算太阳的辐照强度和集热器面积，本项目共设计安装集热器125组，共计250m2，按照冷水温度10℃，用水温度45℃（即温差35℃），太阳能保证率按照75%计算，则250m2集热器年产热量约为1268008MJ。即安装太阳能热水系统后，每年可节约能量1268008MJ。按照太阳能设备使用寿命15a计算，15a一共可以节约燃气费用约100～110万元。

4.2 辐射采暖技术

车辆基地库区（组合车库、列检车库、特种车库）负责日常轻轨车辆各种修程作业，库区面积7.569×104m2，建筑主体采用轻钢结构门式钢架，墙体为双层加芯钢板，平均高度达20m，由于不同库区负责修程任务不同，并且同一库区又划分不同维修区域，机车维修通常为全天不定时开展，导致供暖需要具有区域及进段相对分散的特点。

为了权衡库区采暖在节能、环保、安全等要求，轻轨车辆基地库区采暖系统摆脱了传统的陈旧的暖通设计习惯，引进国际先进的节能型采暖系统—燃气远红外辐射采暖技术为车辆基地库区作业供暖。辐射采暖系统比传统的蒸汽采暖系统节能40%。对同样的室内温度效果，该采暖系统的设计热负荷只需其它传统采暖系统的80%～85%，且设计室温可比对流型采暖系统低2～4℃，按照工况厂房室温达到14℃的下限标准，采用热水管网对流供暖每年需消耗燃气335.60×104m3，而采用辐射采暖系统供暖每年仅需消耗燃气126×104m3，节约燃气费用300余万元。

5 结语

天津城市轨道交通将由单线运营跨入多线网络化运营阶段，低碳环保的轨道交通工具成为市民出行首选。为响应环保号召，为建设“美丽天津”，为发展绿色交通，我们会不断应用工业工程原理，树立问题与改革意识，发现问题，考察分析，寻求对策，勇于改革和创新，优化节能减排管理体系，引入先进节能技术，持续提升运营水平，推动区域发展，服务广大市民。

[1]罗振璧.朱立强.工业工程导论[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]刘枳鋆.天津轻轨无功补偿系统节能效果研究[J].能源节约与环保，2010.

[3]王芳.津滨轻轨自动列车清洗设备——水处理系统介绍[J].能源节约与环保，2010.