城市轨道交通地下线路节能坡设计研究

GXF360 2019-09-22

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1 概述

近年来，我国城市轨道交通发展迅速，截至 2017年底，累计有 34 个城市建成线路约 5 033 km，其中地下线路长约 3 884 km。根据国内已建成轨道交通线路的运营经验，一条 20 km 的线路年用电量约为 6 000 万～1 亿 kW · h，电费占到了城市轨道交通运营费用的 50%左右，而车辆牵引用电又占到城市轨道交通用电的 50%以上。如何有效地降低轨道交通车辆的牵引能耗，是城市轨道交通节能研究的主要方向。本文以成都市轨道交通 9 号线地下线路纵断面设计为背景，通过分析单面坡、V 型坡、W 型坡等不同类型坡道下列车牵引计算数据，研究如何合理设置节能坡以降低牵引能耗、节约资源。

2 节能坡应用研究

所谓节能坡就是既符合轨道交通车辆运行规律、又可节省能耗的坡道。根据沿线地形、地质及施工方法，在纵断面设计时将车站布置在纵断面的凸形部位上，使列车进站时上坡，将动能转化为势能，以缩短制动时间，减少制动发热，节约环控能耗。出站时下坡，将势能转化为动能，以缩短牵引时间，快速起步，减少牵引能耗。

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2.1 单面坡

单面坡是最简单的坡道形式，受地形地势、重大管线、站间距、车站埋深等因素的控制，在采用 V 字坡达不到节能效果，且要增设中间废水泵房的情况下，考虑采用单面坡。

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2.1.1 坡度大小与节能效果的关系

在不考虑平面线型条件的前提下，研究不同坡度下列车加速至 100 km/h（设计最高运行速度）时所需要的坡段长度、运行时间和节能效果。结合 GB 50157-2013《地铁设计规范》、施工误差及后期调线调坡的余量，坡度研究范围定为 5‰～28‰，牵引计算结果如表1所示。

表1 不同坡度下牵引计算结果

坡度值/ ‰节能率/ %5 52.5 936 43.55 0.00 8 50.5 894 41.86 3.88 12 48.0 842 39.75 8.73 16 45.5 789 37.59 13.69 20 43.5 749 35.91 17.54 22 42.5 728 35.06 19.49 24 42.0 721 34.69 20.34 26 41.0 700 33.82 22.34 28 40.0 678 32.95 24.34运行时间/ s加速距离/ m牵引能耗/ kW · h

由表1可见，随着坡度由 5‰ 增大至 28‰，列车加速至最高运行速度所需要的运行时间和加速距离逐渐缩短，电能能耗不断降低，节能效果整体呈上升趋势，坡度在 20‰～28‰ 之间节能率差值在 2% 左右。可见，坡度的增加可以明显优化节能效果，且坡度在 24‰～28‰之间节能率均超过 20%，节能效果更佳。

但当坡度达到 24‰ 及以上，且列车加速距离超过667 m 时，就构成了长大陡坡，需根据线路条件和气候条件，核查车辆的编组及其牵引和制动的动力性能，以及故障运行能力。另外，过长的坡段长度也会导致列车因超速而采取制动，不利于列车运营。

由此可见，随着节能坡坡度的增加，列车牵引能耗明显降低，但不能一味地追求大坡度，应结合工程实际，合理选取节能坡的坡度，以达到节能效果最优、工程设置最合理的目的。

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2.1.2 组合坡节能效果

成都市轨道交通 9 号线一期工程三色路站—心岛站区间长度约 930 m，三色路站车站埋深约 16.6 m，心岛站车站埋深约 25.6 m，两车站轨面垂直高差约 7.85 m。

据两站的高差情况，原方案采用930 m /-8.43‰ 的单面坡，运行时间为66.92 s，牵引能耗 35.86 kW · h。当采用275 m / -16‰ 和 655 m/-5.26‰ 的组合坡段时，运行时间为 65.61 s，牵引能耗35.06 kW · h。2 个方案的牵引计算对比情况如表2所示。

根据表2的数据分析，相较单一坡度，采用陡坡加缓坡的组合形式，列车的区间运行时间更短，牵引及制动的总消耗也更少，节能效果更优。

有脑卒中家族史者、肥胖、体育运动较少、糖尿病、血脂异常、吸烟、瓣膜性心脏病或房颤、高血压、既往有TIA史者、既往有脑卒中史者的筛查率分别是15.60%、6.20%、8.40%、6.85%、10.70%、6.75%、1.00%、20.75%、1.85%、2.80%，见表1。

2.2 V 型坡

V 型坡是最常见的坡道形式，基于“高站位、低区间”的设计原则，可以视 V 型坡为 2 个单面坡的组合，将车站设置于纵断面凸型部位，列车出站下坡、进站上坡，以达到节能效果。

成都市轨道交通 9 号线一期工程西区大道口站—机投镇站区间长度约 2 453 m，西区大道口站车站埋深约23.23 m，机投镇站车站埋深约 23.73 m，区间中部设置中间风井 1 座。

根据上述线路条件，分别研究 24‰、26‰、28‰ 坡度下，不同的坡段长度所对应的节能效果，如表3～表5所示。

表2 不同坡度组合下的牵引计算结果

坡段长度 / 坡度启动时间/ s加速距离/ m运行时间/ s牵引能耗/ kW · h制动能耗/ kW · h总能耗/ kW · h 930 m / -8.43‰ 35.06 518.93 66.92 35.86 25.12 60.98 275 m / -16‰655 m / -5.26‰ 34.41 524.98 65.61 35.06 24.58 59.64

表3 24‰ 坡度对应的列车运行时间和能耗

坡长 / 坡度行驶方向启动时间/ s运行时间/ s牵引能耗/ kW · h制动能耗/ kW · h总能耗/ kW · h最低埋深/ m 400 m / -24‰ + 650 m / -5‰ +1 002.7 m / 7.2‰ + 400 m / 24‰西区→机投 40 119.28 64.79 21.12 85.91 36.7机投→西区 39 119.33 54.88 19.54 74.42 36.7合计 79 238.61 119.67 40.66 160.33 -500 m / -24‰ + 550 m / -5‰ +902.7 m / 7.5‰ + 500 m / 24‰西区→机投 38 119.20 64.16 20.68 84.84 38.6机投→西区 37 119.29 54.83 19.54 74.37 38.6合计 75 238.49 118.99 40.22 159.21 -600 m / -24‰ + 450 m / -5‰ +802.7 m / 7.7‰ + 600 m / 24‰西区→机投 36 119.34 63.39 20.12 83.51 40.5机投→西区 36 119.25 54.89 19.45 74.34 40.5合计 72 238.59 118.28 39.57 157.85 -700 m / -24‰ + 350 m / -5‰ +702.7 m / 8.2‰ + 700 m / 24‰西区→机投 35 119.39 62.98 19.60 82.58 42.4机投→西区 35 118.53 57.82 21.72 79.54 42.4合计 70 237.92 120.8 41.32 162.12 -

根据表3～表5的数据分析，在不同的节能坡度下，采用 600 m 的坡长所对应的列车运行时间最短，节能效果最优。但随着坡度由 24‰ 递增至 28‰，区间最低点的轨面埋深在不断加大，区间废水泵房、中间风井的埋深也就越大，增加了直接工程规模和后期运营投入，反而不利于节能。因此，对于设计速度 100 km/h 的地下线路，当采用 600 m/24‰ 的节能坡时，节能效果最优。对于设有废水泵房、中间风井区段，应结合工程实际合理选取节能坡的长度，以达到节能效果最优、工程设置最合理的目的。

在这场宪政运动中，沙千里是积极参与者之一。当时，沙千里和沈钧儒、韩幽桐、张申府、钱俊瑞、柳湜等7人，对国民党的“宪法草案”提出了批评，并写了《我们对于“五五宪草”的意见》一文。沙千里还单独写了《中国宪政运动的回顾与展望》《对于“宪法草案”的意见》等论文。他强调指出：“为要求抗战的胜利，国家的长治久安，必须实行民主政治，使人民积极来管理自己的共同事务。而要达到此目的，必须提高人民的权力，使行政的权从属于人民的‘政权’，而行政，仅仅行使它的‘治权’。这样，中山先生权能分立的主张，既得实现，而胜利的强大的三民主义的国家，也必然涌现于我们四万万五千万人民的眼前！”

表4 26‰ 坡度对应的列车运行时间和能耗

坡长 / 坡度行驶方向启动时间/ s运行时间/ s牵引能耗/ kW · h制动能耗/ kW · h总能耗/ kW · h最低埋深/ m 400 m / -26‰ + 650 m / -5‰ +1 002.7 m / 7.2‰ + 400 m / 26‰西区→机投 39 118.85 64.25 20.75 85.00 37.5机投→西区 38 118.95 54.37 19.18 73.55 37.5合计 77 237.8 118.62 39.93 158.55 -500 m / -26‰ + 550 m / -5‰ +902.7 m / 7.5‰ + 500 m / 26‰西区→机投 36 118.81 63.63 20.35 83.98 39.6机投→西区 36 118.80 54.28 19.13 73.41 39.6合计 72 237.61 117.91 39.48 157.39 -600 m / -26‰ + 450 m / -5‰ +802.7 m / 7.7‰ + 600 m / 26‰西区→机投 34 118.89 62.84 19.73 82.57 41.6机投→西区 34 118.93 54.42 19.12 73.54 41.6合计 68 237.82 117.26 38.85 156.11 -700 m / -26‰ + 350 m / -5‰ +702.7 m / 8.2‰ + 700 m / 26‰西区→机投 34 118.96 62.22 18.97 81.19 43.8机投→西区 33 118.13 57.00 21.17 78.17 43.8合计 67 237.09 119.22 40.14 159.36 -

表5 28‰ 坡度对应的列车运行时间和能耗

坡长 / 坡度行驶方向启动时间/ s运行时间/ s牵引能耗/ kW · h制动能耗/ kW · h总能耗/ kW · h最低埋深/ m 400 m / -28‰ + 650 m / -5‰ +1 002.7 m / 7.2‰ + 400 m / 28‰西区→机投 38 118.33 63.94 20.57 84.51 38.3机投→西区 37 118.54 54.11 19.05 73.16 38.3合计 75 236.87 118.05 39.62 157.67 -500 m / -28‰ + 550 m / -5‰ +902.7 m / 7.5‰ + 500 m / 28‰西区→机投 35 118.37 62.81 19.77 82.58 40.6机投→西区 35 118.56 53.55 18.65 72.2 40.6合计 70 236.93 116.36 38.42 154.78 -600 m / -28‰ + 450 m / -5‰ +802.7 m / 7.7‰ + 600 m / 28‰西区→机投 33 118.46 62.05 19.13 81.18 42.9机投→西区 33 118.49 53.63 18.50 72.13 42.9合计 66 236.95 115.68 37.63 153.31 -700 m / -28‰ + 350 m / -5‰ +702.7 m / 8.2‰ + 700 m / 28‰西区→机投 32 118.63 61.47 18.42 79.89 45.2机投→西区 32 117.75 55.96 20.37 76.33 45.2合计 64 236.38 117.43 38.79 156.22 -

2.3 W 型坡

针对列车运行时间超过 120 s、需要设置区间风井的长大地下区间，如果按照常规 V 型坡来设计纵断面，则区间最低点的埋深将会随区间长度不断增大，列车出站后不断加速，在达到最高运行速度后又需要采取制动措施；当爬坡时又需要供电牵引，不利于列车动能与势能的相互转换。因此，为了在长大地下区间达到节能效果，可以结合地质条件、区间风井、联络通道和废水泵房等的设置，根据节能坡原理，在纵断面设计中采用 W型坡。

以成都市轨道交通 9 号线一期工程西区大道口站—机投镇站区间为例，分别对采用 V 型坡和 W 型坡所对应的列车运行时间和能耗进行计算对比分析。

表6 V 型坡及 W 型坡所对应的列车运行时间和能耗

坡型行驶方向启动时间/ s运行时间/ s牵引能耗/ kW · h制动能耗/ kW · h总能耗/ kW · h V西区→机投 44.03 119.75 64.89 21.06 85.95机投→西区 41.82 119.47 57.05 21.01 78.06合计 85.85 239.22 121.94 42.07 164.01 W西区→机投 60.25 119.36 63.39 19.82 83.21机投→西区 55.01 119.46 55.79 20.05 75.84合计 115.26 238.82 119.18 39.87 159.05

表6给出了 V 型坡（坡段组合250 m/-25‰ +952.698 m /-5‰ + 1 000 m / 8.734‰ + 250 m / 25‰）及 W型坡（坡段组合 250 m /-25‰ + 350 m /-5‰ + 652.698 m /18.048‰ + 600 m /-13‰ + 350 m / 5‰ + 250 m / 25‰）所对应的列车运行时间和能耗。由表6可以看出，对于列车运行时间超过 120 s、需要设置区间风井的长大地下区间，采用 W 型坡的能耗较 V 型坡更低，节能效果更好。