青島膠州灣海底隧道能耗淺析

青島膠州灣海底隧道能耗實(shí)測(cè)與分析張建陽（青島國信膠州灣交通有限公司，青島266001）摘要：公路隧道節(jié)能的前提是要保證在安全運(yùn)行的前提下，合理安排隧道機(jī)電系統(tǒng)的開啟數(shù)量和開啟時(shí)間。本文在對(duì)青島膠州灣海底隧道機(jī)電能耗構(gòu)成分析的基礎(chǔ)上，基于實(shí)際微觀角度與行業(yè)宏觀角度的對(duì)比，來說明海底隧道利用管理和新技術(shù)進(jìn)步，來實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)營成本下降的重要意義。關(guān)鍵詞：公路隧道；能耗分析；節(jié)能對(duì)策1前言自1923年英國在泰晤士河上建造的跨河隧道以來，海底隧道迄今已經(jīng)有150年的歷史，建造了百余座海底交通隧道，如日本青函海底隧道、英法海峽隧道、日本東京灣海底隧道等，都是非常著名的。國內(nèi)也相繼規(guī)劃和建成了一批海底隧道，如廈門東通海底隧道、渤海灣跨海隧道、杭州灣海底隧道等等。目前青島膠州灣海底隧道是國內(nèi)已經(jīng)建成的最長的海底交通隧道，其運(yùn)營中的問題和特點(diǎn)，對(duì)國內(nèi)其他在建或正在規(guī)劃中的海底隧道，有著非常重要的借鑒和學(xué)習(xí)的意義。青島膠州灣海底隧道，南接黃島區(qū)的薛家島街道辦事處，北連青島主城區(qū)的團(tuán)島，下穿膠州灣灣口海域。隧道全長約7800米，其中海底段隧道長約3950米。設(shè)雙向六車道，設(shè)計(jì)車速80公里/小時(shí)。膠州灣隧道處于火山巖及次火山群地帶,覆蓋層較薄,斷裂帶密集,共穿越18條斷層破碎帶,斷面最大跨度達(dá)28.20米,最深處位于海平面以下82.8米。路線等級(jí)為城市快速路，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。圖錯(cuò)誤！文檔中沒有指定樣式的文字。.1青島膠州灣隧道示意圖青島膠州灣海底隧道機(jī)電系統(tǒng)按照用途劃分，可分為照明系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、變壓器等12項(xiàng)用電分項(xiàng)。其中隧道輸配電系統(tǒng)采用安全系數(shù)較高的雙變壓器負(fù)載用電設(shè)備，保證在一臺(tái)變壓器無法正常工作的情況下，另外一臺(tái)變壓器可以迅速的擔(dān)負(fù)起低壓側(cè)供電的功能。青島膠州灣海底隧道的照明系統(tǒng)采用LED燈具，控制上采用照明等級(jí)控制。照明共分為9級(jí)，按照隧道內(nèi)的不同位置，設(shè)置不同的照明功率密度和照度，來滿足實(shí)際的使用需求。隧道排水系統(tǒng)分廢水系統(tǒng)和雨水系統(tǒng)，采用分流制方式，將隧道、匝道敞口的雨水、結(jié)構(gòu)滲水、沖洗廢水、消防廢水等分別匯入雨水泵房或海水泵房集水池內(nèi)，然后提升至城市排水管道系統(tǒng)中。隧道最低點(diǎn)為海拔-82.3m,在此設(shè)置一座海底海水泵房，排水管沿服務(wù)隧道管廊敷設(shè)，排到黃島端風(fēng)井海水泵池內(nèi)，該海水泵提升到地面壓力窖井，再排到大海中。在隧道兩端的風(fēng)井附近的橫通道內(nèi)分別設(shè)置風(fēng)井海水泵房各一座，以排除隧道進(jìn)出口到風(fēng)井間的隧道沖洗廢水、結(jié)構(gòu)滲水及海底海水泵房的出水。2測(cè)試調(diào)研方法能耗的拆分和估算，其基本思想是以運(yùn)行記錄為基礎(chǔ)，補(bǔ)充實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，即在有運(yùn)行記錄的情況下盡可能利用運(yùn)行記錄得出電耗結(jié)果，在運(yùn)行記錄不能反映出電耗的情況下，可以借助一定的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，推算出電耗結(jié)果。運(yùn)行記錄是能耗拆分的基礎(chǔ)，理想情況下，詳細(xì)的運(yùn)行記錄包括了各項(xiàng)用電環(huán)節(jié)的用電量。但是實(shí)際情況并非如此，不同的項(xiàng)目中，運(yùn)行記錄水平參差不齊，在進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)時(shí)只能從其中得到部分用能信息。因此在進(jìn)行能耗拆分時(shí)，除了基于運(yùn)行記錄外，還要增加一定的實(shí)際調(diào)查測(cè)試。最終拆分的結(jié)果是運(yùn)行記錄和調(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的結(jié)果，具有一定的估計(jì)性［1］。測(cè)試中調(diào)取了青島膠州灣海底隧道2012年高壓側(cè)和低壓側(cè)用電數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)用電設(shè)備的作息時(shí)間、設(shè)備功率和數(shù)量，估算出每一個(gè)用電分項(xiàng)的實(shí)際全年電耗，具體結(jié)果見下一章節(jié)。3能耗分析青島膠州灣海底隧道2012年能耗并沒有明顯的季節(jié)性變化，根據(jù)不同的用途，將青島膠州灣海底隧道2012年電耗，拆分成若干用電分項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)，見下圖：青島膠州灣隧道2012年能耗拆分照明系統(tǒng)48%17%照明系統(tǒng)48%17%圖錯(cuò)誤！文檔中沒有指定樣式的文字。.2青島膠州灣海底隧道2012年能耗拆分青島膠州灣海底隧道，2012年以上個(gè)用電分項(xiàng)全年用電總計(jì)為687.5萬kWh。如圖可知，青島膠州灣海底隧道2012年能耗排在前三位的分別是：照明系統(tǒng)48%，排水系統(tǒng)17%，變壓器損耗9%。根據(jù)國外已有的海底隧道運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，海底隧道年運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用為隧道初投資的1%~1.5%左右，其中25%為電費(fèi)［2］。青島膠州灣海底隧道初投資33億，按照初投資的1%~1.5%計(jì)算，隧道一年運(yùn)營費(fèi)用在3300萬元~4800萬元左右，其中電費(fèi)為825萬元~1200萬元之間。按照上面所述，青島膠州灣海底隧道年運(yùn)營耗電量為687.5萬kWh,能源單價(jià)在1元左右，核算年電費(fèi)為687.5萬元左右，低于國際海底隧道年能耗水平，說明了青島膠州灣海底隧道目前的運(yùn)營水平較好。照明系統(tǒng)：圖為隧道照明系統(tǒng)不同用電分項(xiàng)的能耗拆分圖：

青島膠州灣隧道2012年照明系統(tǒng)能耗拆分下管廊照明18W1%逃生指示燈（3w）0%安全指示燈（3w）0%服務(wù)隧道照明36W4%設(shè)備房單管熒光燈逃生口照明路燈250W（＞路燈250W（高）1%-隧道內(nèi)照明燈具77%圖錯(cuò)誤！文檔中沒有指定樣式的文字。設(shè)備房單管熒光燈逃生口照明路燈250W（＞路燈250W（高）1%-隧道內(nèi)照明燈具77%如圖可知，2012年青島膠州灣海底隧道照明系統(tǒng)中，隧道內(nèi)照明燈具（LED燈具）的用電量占照明系統(tǒng)總用電量的77%，是照明系統(tǒng)中的主要用電設(shè)備。隧道服務(wù)隧道以及其他設(shè)備房照明燈具占2012年青島膠州灣海底隧道照明系統(tǒng)年用電量的23%。青島膠州灣海底隧道洞內(nèi)LED燈具，通過隧道管理人員1年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)將洞口處的照明加強(qiáng)段LED燈，關(guān)閉了一半的燈具數(shù)量。排水系統(tǒng)：青島膠州灣海底隧道2012年排水系統(tǒng)年用電量114.5萬kWh，占青島膠州灣海底隧道年總用電量的17%。黃島廢水泵房部分典型日的單周期水泵開啟小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)h:位單0.80.60.41.61.41.21.00.2■3#■2#■h:位單0.80.60.41.61.41.21.00.2■3#■2#■1#圖錯(cuò)誤！文檔中沒有指定樣式的文字。.4青島膠州灣海底隧道海水泵房潛水泵開啟時(shí)間統(tǒng)計(jì)1圖錯(cuò)誤！文檔中沒有指定樣式的文字。.5青島膠州灣海底隧道海水泵房潛水泵開啟時(shí)間統(tǒng)計(jì)2■3#■2#■1#■3#■2#■1#圖錯(cuò)誤！文檔中沒有指定樣式的文字。.6青島膠州灣海底隧道海水泵房潛水泵開啟時(shí)間統(tǒng)計(jì)3如圖所示，黃島海水泵房單周期內(nèi)開啟潛水泵1.3h；青島海水泵房單周期內(nèi)開啟潛水泵0.3h；海底海水泵房單周期內(nèi)開啟潛水泵0.9h。黃島和海底海水泵房每個(gè)排水周期為2個(gè)小時(shí)，青島海水泵房每個(gè)排水周期為0.9h。在單位排水周期內(nèi)，黃島海水泵房潛水泵間歇0.7h，間歇率35%；青島海水泵房潛水泵間歇0.6h,間歇率66%；海底海水泵房潛水泵間歇1.1h，間歇率55%。水泵間歇運(yùn)行，對(duì)水泵運(yùn)行不利，會(huì)大大減小水泵壽命和正常使用時(shí)間。將潛水泵變頻使用，會(huì)有一定的節(jié)能潛力。變壓器：青島膠州灣海底隧道2012年變壓器年損耗62.5萬kWh,占青島膠州灣海底隧道年總用電量的9%。一般情況下的變壓器銅損為5%，而青島膠州灣海底隧道的變壓器年損耗占全年高壓側(cè)用電量的%，有些許偏高。青島膠州灣海底隧道采用干式變壓器，干式變壓器以其高效、節(jié)能、環(huán)保等許多優(yōu)點(diǎn)，已在民用建筑中被廣泛采納。通過記錄青島膠州灣海底隧道2013年4月18日~4月24日的低壓側(cè)瞬時(shí)功率，可知各個(gè)變壓器的負(fù)載率，統(tǒng)計(jì)如下：

mI廿■1111L14：Jt'l1135.0%30.0%2013年4月18日~4mI廿■1111L14：Jt'l1135.0%30.0%2013年4月18日~4月24日全天隧道變壓器負(fù)載率變化統(tǒng)計(jì)率25.0%載20.0%15.0%45.0%40.0%10.0%5.0%0.0%..-——....■-■...■#2風(fēng)機(jī)房變電站主變#3風(fēng)機(jī)房變電站1主變左匝變電站1主變管理中，心f1主變#2風(fēng)機(jī)房變電站主變#3風(fēng)機(jī)房變電站主變左匝變電站主變管理中心2主變#2風(fēng)機(jī)房變電站主變#3風(fēng)機(jī)房變電站主變右匝變電站主變海底#1變#2風(fēng)機(jī)房變電站主變#3風(fēng)機(jī)房變電站主變右匝變電站主變海底#2變圖錯(cuò)誤！文檔中沒有指定樣式的文字。.7青島膠州灣海底隧道變壓器負(fù)載率統(tǒng)計(jì)圖如圖可知，青島膠州灣海底隧道變壓器負(fù)載率偏低，變壓器負(fù)載率全部低于40%，大部分變壓器負(fù)載率低于25%。干式變壓器的負(fù)載率在50%以上時(shí)，處于高效運(yùn)行狀態(tài)，目前青島膠州灣海底隧道干式變壓器處于低效運(yùn)行狀態(tài)。收費(fèi)島：下表為收費(fèi)島分項(xiàng)電耗統(tǒng)計(jì)：表錯(cuò)誤！文檔中沒有指定樣式的文字。-1青島膠州灣海底隧道2012年收費(fèi)島能耗拆分統(tǒng)計(jì)表用電分項(xiàng)ETC（萬kWh）MTC（萬kWh）電腦2.01.3打印機(jī)2.91.9照明0.30.5空調(diào)1.39.7總計(jì)6.613.4如表所示，MTC（人工收費(fèi)崗?fù)ぃ┤旰碾娏渴荅TC（自動(dòng)收費(fèi)崗?fù)ぃ┑?倍。MTC（人工收費(fèi)崗?fù)ぃ┲械目照{(diào)能耗占MTC全年能耗的72.4%，減少M(fèi)TC的使用時(shí)間，可以有效的減少M(fèi)TC中的空調(diào)使用時(shí)間。3.5隧道通風(fēng)系統(tǒng)：射流風(fēng)機(jī)目前基本很少開啟，這主要是因?yàn)樗淼纼?nèi)的通行車輛沒有達(dá)到設(shè)計(jì)流量，但是遠(yuǎn)期的能耗水平尚難估計(jì)。下圖為青島膠州灣2012年車流量統(tǒng)計(jì)：青島膠州灣海底隧道2012年車流量統(tǒng)計(jì)表■右線■左線圖錯(cuò)誤！文檔中沒有指定樣式的文字。.8青島膠州灣海底隧道2012年車流量逐月統(tǒng)計(jì)如圖所示，2012年青島膠州灣海底隧道全年雙向通行車輛634萬量，月均雙向通行52.8萬量。由于左線與右線的車輛通行數(shù)量大致相同，所以單日單向隧道，日均通行車輛為8800量。一般情況下，隧道照明和通風(fēng)系統(tǒng)占總耗電量的絕大多數(shù)。中短隧道照明負(fù)荷會(huì)占的比例較高，在65%以上；而在長大隧道中，通風(fēng)系統(tǒng)能耗比重則會(huì)顯著增加［3］。但與基本處于常開狀態(tài)的照明系統(tǒng)相比，通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)荷持續(xù)時(shí)間相對(duì)有限，從全年看通風(fēng)系統(tǒng)所占比例并不大。4結(jié)論照明系統(tǒng)可以通過節(jié)能控制策略，降低用電量；排水系統(tǒng)可以通過水泵變頻控制，降低用電量；變壓器可以通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整變壓器單臺(tái)用電負(fù)載率，降低空載損耗。指示燈和情報(bào)板、監(jiān)測(cè)中心屬于24小時(shí)不間斷運(yùn)行，這兩項(xiàng)的用電全年比較穩(wěn)定，變化不大。收費(fèi)島的能耗拆分顯示，MTC崗?fù)さ哪昴芎囊蟠蟪^ETC崗?fù)さ哪昴芎?。通過減少M(fèi)TC的開啟數(shù)量，增加ETC的使用率，可以大大降低收費(fèi)島的全年能耗。通過鼓勵(lì)司機(jī)使用ETC收費(fèi)磁卡，有望做到這一點(diǎn)。綜上所述，海底隧道的照明系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，是目前海底隧道節(jié)能工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過更換節(jié)能照明燈具和按照室外照度控制洞口亮度，可有效的減