机场地面勤务节能减排方法探索

学术论文 2018-04-17 10:38:24
    1 民用机场节能减排现状分析
    我国民航运输业的发展速度位居世界第一,发展规模仅次于美国稳居世界第二,而我国民航业作为高耗能产业,其快速发展和大规模扩张为民航运输业带来较高的节能减排压力,迫使民航各单位实施节能减排项目[1]。由于民航节能减排项目的特殊性以及民航运输业与国民经济其他部门较强的关联关系,实施民航节能减排项目将为民航运输业以及整个国民经济带来经济效益。民航部门参照其他行业的规划和规程编制了《民航行业节能减排规划》[2],为民航业节能减排工作确立了指导性方针,并从整个行业层面推动节能减排工作的实施,具有较强的指导意义。
    中国民用航空业最近几年表现出强劲的发展趋势,年增长率维持在5%左右。从我国民航行业能耗和CO2排放情况来看,其在全国碳排放总量中所占的比重越来越大[3],据不完全统计中国民用航空1990年全行业的碳排放量为2.06×107KG,占本年度全国碳排放量的不到千分之一,中国民航业经过近30年的高速发展到2008年,民航业碳排放量约为20.09×107KG,年平均增长率在16%左右,占本年度全国碳排放量的千分之四。通过能耗分析得出民航业的耗能主体为航空运输业和机场,航空公司为民航运输业主要的生产单位,负责民航运输业务的具体开展,以此航空公司是民航业中排放的主要单位,其中航空器是能耗直接产生载体;同时机场作为航空运输业务的起点与终点,是航空公司完成航空运输业务的依托基地,所以机场地区成为民航业耗能密度较高的区域。随着民航行业的快速发展,为保障航空运输业务顺利完成,对地面特种车辆需求不断能加,同时造成负面的影响,飞行区已是特种车辆、能耗及有毒有害气体的高密度区。因此从地面保障车辆的节能减排工作的推进对于较少飞行区的能耗乃至于整个机场的能耗将产生较重要的影响,地面勤务节能减排的重要性表现的越来越重要。
    2 机场地面勤务节能减排主要探索性方法
    2.1 机场地面车辆“油改电”推广
    机场地面车辆按使用功能分类,主要分为用于航空器保障、旅客及行李货物保障、机场正常运行和安全保障的等3类车辆,从机场功能属性及主要的参与载体分析得出,机场地区主大气污染物排放来自航空器、地面保障车辆以及机场自身建筑物等。其中,我国机场地面保障车辆消耗约占机场总能耗的13%,是行业地面能耗与排放的重要源头之一。
    随着能源问题的加剧和节能减排工作的开展,机场应从提高能源使用效率为方向,开展节能减排工作,其中电力驱动相比化石燃料驱动的能源使用效率更高,因此以電机驱动的地面保障新能源特种车辆将迎来发展契机,随着电动汽车技术发展及性能提高,从而对传统地面保障车辆的可替代性增加。推动地面车辆“油改气”项目的实施,即:将地面保障车辆由以燃油为动力源改为以电动驱动,能有效降低有HC、CO、NOx等有害气体的排放。传统机场地面保障车辆以汽油或者柴油为动力,但发动机燃烧产生HC、CO、CO2、NOx等有害气体,又因为地面保障车辆在飞行区该特殊区域使用,保障车辆长时间处于怠速工况,使发动机燃料燃烧不充分,既增加了油耗又产生更多的有害气体,特别是HC化合物的排放严重超标。然而以电机驱动地面保障车辆的使用,其结果有效的减少因传统车辆排放污染物,有利于绿色机场建设;减轻对非可再生资源的依赖,有利于节约型机场建设。综上所述,电动化的地面保障车辆从使用性能角度可以较为满足行业内的使用需求,同时能有效减少有害气体排放,有利于机场节能减排工作的实施。民航业成为全国率先在全行业范围内统一推进新能源汽车应用的行业,其在2015年,民航局确定了以北京首都国际机场为首的旅客吞吐量千万级别以上的6家机场和上述机场在内的驻场单位共计29家作为首批地面保障车辆“油改气”项目推广实施试点单位。
    2.2 航空地面电源(GPU)使用
    飞机辅助发动机也称为机载辅助动力源(auxiliary power units APU),其为飞机提供机载设备提供电源及气源,同时也可以作为飞机主发动机的启动机[4]。APU自身主要结构为一台小型涡轮式航空发动机,通过燃烧航空燃油来输出动力,由于结构局限性造成APU燃烧转化效率比航空发动机低得多,由于自身较低的燃烧效率从而直接导致单位功率油耗高,间接产生较高的污染物,同时噪声污染相对严重。APU排放污染物主要由CO2、HC、CO、NOx、SO2等气体组成,其中除CO2之外,其他气体均为有害气体,从排放污染物成分组成角度分析,APU与航空器发动机的污染物成分大致相同。由于APU一般用于航空器滑行至停机坪或者站坪,航空器主发动机处于停车状态,用地航空器地面保障作业,因此APU的使用所排放的污染物产生的噪音将给工作人员的身心健康造成严重影响,长此以往对周边地区空气质量及环境产生破坏。在民航业快速发展的大趋势之下,机场客货吞吐量不断增长,飞机起降架次不断增多,APU的使用频率越来越频繁,随之造成的污染物对周边环境影响也将越来越严重。
    采用地面电源(Ground Power Unit GPU)代替机载APU运行,可以有效的压缩APU的运行时间,通常可以压缩到仅适用1到2个小时,甚至更短,从而减少因使用APU所造成的 HC、CO、NOx、SO2等有害气体的排放,同时可以节省因APU燃烧所引起的航空燃油,其次可以有效的降低APU所造成的噪音影响。传统的电源车利用内燃机驱动发电机发来保障航空器主发动机停车时航空器附属设施的电需求,但其在使用过程中暴露出噪音大污染严重,排有害气体,连续工作稳定性较差等弊端,从而造成使用和维护成本较高,经济效率低下等现象,与民航业节能减排大趋势相背离。介于以上诸多因素,地面电源代替或者减少APU的使用,在降低机坪噪音的同时有能减少污染物的排放,还可以有效节约航空油料,无论从经济角度还是从环保角度都是一项既节能又减排的节能减排举措。
    2.3 优化地面保障车辆运行调度
    目前我国民航机场对机场地面服务车辆的运营调度,大多采用人工调度或基本运筹学初步求解最优化的辅助方法。上述方法大多以经验为基础,有一定的优化效果,但因缺乏宏观性全局较优调度策略,易造成服务车辆的局限性调度;另一方面基于运筹学的研究中,通常从静态问题角度进行机场特种车辆调度,缺乏对车辆动态现状的描述。介于上面两个原因在实际地面保障车辆指挥调度中很难找出最优的车辆运行路径,即:地面保障车辆最低的油耗,最低的有害气体排放等,实现节能减排的目标。
    车辆路径与调度问题(Vehicle routing and scheduling problem,VRSP)是制造系统和自动化和商业服务系统运行管理要解决的基本问题[5]。VRSP是指在满足一定的约束条件下,合理组织车辆数量、车辆的运行路线和时间等问题。依次访问在给定区域范围内具有服务需求和时间的顾客点,以实现系统的最优目标。针对机场地面保障车辆的运行调度问题,应采取合理的优化路径对过站机坪进行保障,以实现较低油耗,减少保障车辆有害气体的排放的目标。随着机场交通流量的增长、地面布局的日益复杂化,航空器地面滑行冲突风险增加。介于以上原因,地面保障车辆的优化调度实现,对机场节能减排工作有着至关重要的作用。机场运行管理部门应该加大地面保障车辆运行的优化调度工作的投入力度,尽可能规划出最优的运行保障路径,从而减少机场能源的消耗,推动节能减排工作的实施。
    3 总结与发展趋势
    根据民航局最新《全国民用机场布局规划》并结合建设绿色机场的理念,本文从机场地面勤务角度对机场节能减排的方法进行探索,希望有助于推动机场节能减排工作的開展。随着技术的进步,人类对能源保护意识的提高,绿色机场理念的深入,机场节能减排工作将会在机场全生命周期中起到越来越重要的作用,其中机场地面勤务的节能减排工作重要性将会更加突出,存在着更加深入研究的价值。
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