工礦機(jī)車(chē)采用超級(jí)電容儲(chǔ)能的應(yīng)用研究

□劉云溥 李 臻 王曉燕

一、引言

工礦機(jī)車(chē)是鋼鐵、煤炭、電廠、港口、碼頭、油田等企業(yè)所屬的鐵路線上調(diào)車(chē)作業(yè)或工礦企業(yè)內(nèi)部運(yùn)輸?shù)臋C(jī)車(chē)。我國(guó)工礦廣泛采用內(nèi)燃機(jī)車(chē)，內(nèi)燃機(jī)車(chē)機(jī)動(dòng)靈活，不受天氣、時(shí)間影響，可以快速將列車(chē)進(jìn)行編組、解體，不受有無(wú)供電的限制。由于鐵路線路深入企業(yè)內(nèi)部和運(yùn)輸作業(yè)過(guò)程復(fù)雜，接觸網(wǎng)(軌)供電牽引安全隱患較大，較少采用電力機(jī)車(chē)。

然內(nèi)燃機(jī)車(chē)排放污染嚴(yán)重、震動(dòng)噪聲大，嚴(yán)重影響企業(yè)工作環(huán)境。柴油是不可再生資源，并且根據(jù)工礦內(nèi)燃機(jī)車(chē)作業(yè)的特點(diǎn)，較少在滿負(fù)荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)，空載(柴油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn))待命時(shí)間較多，機(jī)車(chē)效率低，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。黨的十九大把生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提升到前所未有的戰(zhàn)略高度，全國(guó)上下致力堅(jiān)決打好生態(tài)環(huán)境保護(hù)攻堅(jiān)戰(zhàn)，為人民創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境，還自然以寧?kù)o、和諧、美麗。對(duì)節(jié)能環(huán)保提出了更高的要求，很顯然，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)已經(jīng)不能滿足要求，需要研究開(kāi)發(fā)新型節(jié)能環(huán)保的工礦機(jī)車(chē)。

隨著超級(jí)電容器研發(fā)應(yīng)用水平的不斷提高，技術(shù)日趨成熟，中車(chē)超級(jí)電容已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，在有軌電車(chē)、跨座式單軌車(chē)輛、智軌列車(chē)上得到了成功應(yīng)用，呈現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，超級(jí)電容在工礦機(jī)車(chē)的應(yīng)用具有可行性和研究的必要。

二、工礦機(jī)車(chē)牽引性能分析

(一)工礦機(jī)車(chē)運(yùn)行條件。本文選取典型的工礦企業(yè)四川某大型鋼鐵集團(tuán)工礦機(jī)車(chē)運(yùn)行區(qū)域，該企業(yè)管內(nèi)鐵路運(yùn)營(yíng)線路最大坡道為15‰，目前配屬29臺(tái)GK1C型機(jī)車(chē)，承擔(dān)廠管線路運(yùn)輸作業(yè)任務(wù)，在15‰最大牽引噸位為1,100噸，企業(yè)內(nèi)已有380V工業(yè)供電系統(tǒng)。GK1C型內(nèi)燃機(jī)車(chē)功率和牽引力較小，動(dòng)力裝置為一臺(tái)6240ZJ型中速柴油機(jī)(裝車(chē)功率990kW)，主傳動(dòng)裝置為ZJ4014GY型液力傳動(dòng)箱，效率較低。

(二)工礦機(jī)車(chē)能耗計(jì)算。由于工礦機(jī)車(chē)作業(yè)過(guò)程復(fù)雜，難以根據(jù)牽引計(jì)算能耗?？梢愿鶕?jù)能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其它物體，而能量的總量保持不變。GK1C型內(nèi)燃機(jī)車(chē)的能量來(lái)源于柴油燃燒釋放的能量，要估算機(jī)車(chē)24小時(shí)對(duì)外輸出的功，可以通過(guò)柴油燃燒量、燃燒值、運(yùn)用效率來(lái)計(jì)算。通過(guò)對(duì)四川某大型鋼鐵集團(tuán)GK1C型內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)油耗統(tǒng)計(jì)，該機(jī)車(chē)日均油耗量在290～320L，根據(jù)下列表達(dá)式計(jì)算機(jī)車(chē)對(duì)外功耗。

∑P=Bqη=320×3×107×0.19=1.824×109J

(1)

式中，∑P—機(jī)車(chē)各種工況所做的功的總和；B—GK1C型機(jī)車(chē)柴油機(jī)在24小時(shí)運(yùn)用的日均柴油消耗量；Q—柴油燃燒熱值；η—內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)平均運(yùn)用效率。

三、工礦機(jī)車(chē)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)配置

(一)超級(jí)電容介紹。超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置。與電池的區(qū)別主要在儲(chǔ)能原理方面，超級(jí)電容器僅依靠物理吸附而不是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)。具有儲(chǔ)能大、充放電速度快、使用壽命長(zhǎng)、適應(yīng)溫度范圍寬、安全可靠、免維護(hù)等特點(diǎn)，是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量?jī)?chǔ)蓄裝置。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外加大對(duì)超級(jí)電容器的研究，隨著其應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，呈現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已成功應(yīng)用于國(guó)防軍工、軌道交通、城市公交、起重機(jī)械勢(shì)能回收、發(fā)電與智能電網(wǎng)、消費(fèi)電子等重要領(lǐng)域和環(huán)節(jié)，展現(xiàn)出前所未有的蓬勃景象。

(二)超級(jí)電容的選型。在軌道到交通領(lǐng)域超級(jí)電容作為動(dòng)力源已應(yīng)用于有軌電車(chē)、雙源制工程車(chē)，中車(chē)超級(jí)電容的技術(shù)水平世界領(lǐng)先，已研發(fā)出3.6V/60,000F“內(nèi)并型”混合超級(jí)電容器，單體能量密度達(dá)40Wh/kg,已應(yīng)用于超快充儲(chǔ)能式公交車(chē)，使用壽命達(dá)12年，是典型的高比能、先進(jìn)成熟技術(shù)的代表，因此選取該超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能元件，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 CRRC-60000-P6-3R6混合超級(jí)電容器技術(shù)參數(shù)

(三)超級(jí)電容配置方式及數(shù)學(xué)建模。設(shè)計(jì)工礦機(jī)車(chē)采用超級(jí)電容作為車(chē)載動(dòng)力源，可在企業(yè)運(yùn)輸線路上布置多個(gè)AC380V為供電源，以方便機(jī)車(chē)充電補(bǔ)給，設(shè)計(jì)平均每6小時(shí)充電一次，滿足GK1C機(jī)車(chē)平均能耗和額定功率的性能要求。機(jī)車(chē)不需要柴油機(jī)和液力變扭器等機(jī)械部件，機(jī)車(chē)空間和質(zhì)量得到釋放，可在機(jī)車(chē)上安裝兩套超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，分別向兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架上交流牽引傳動(dòng)裝置供電。根據(jù)超級(jí)電容的特性，存儲(chǔ)的能量取決于容量、最大充電電壓、放電深度，其計(jì)算公式為：

(2)

式中，EC為超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量；C為超級(jí)電容的容量；UCmax為超級(jí)電容充電電壓最大值；a為超級(jí)電容的放電深度系數(shù)。

根據(jù)式(1)、(2)和表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，機(jī)車(chē)6小時(shí)能耗為3.04×108J，按照能量密度計(jì)算需2,474個(gè)單體及以上，按照功率密度計(jì)算需242個(gè)單體及以上，設(shè)定超級(jí)電容系統(tǒng)額定電壓為DC750V，取UCmax為900V，aUCmax為500V，根據(jù)單體電壓和充放電電流的要求，系統(tǒng)需進(jìn)行串并聯(lián)組合，至少需要258串14并。綜合分析考慮一個(gè)大系統(tǒng)采用3,640個(gè)單體，由兩個(gè)1,820個(gè)單體(260次串聯(lián)7次并聯(lián))小系統(tǒng)組成,超級(jí)電容系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)

四、結(jié)語(yǔ)

超級(jí)電容屬功率型儲(chǔ)能元件，具有功率密度大、響應(yīng)速度快、循環(huán)周期壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于工礦機(jī)車(chē)上作為儲(chǔ)能動(dòng)力源，既可滿足工礦機(jī)車(chē)短時(shí)間牽引功率大的需求，又可適應(yīng)于工礦機(jī)車(chē)作業(yè)時(shí)間短降低對(duì)能量密度的需求。采用超級(jí)電容儲(chǔ)能的工礦機(jī)車(chē)與普遍采用的內(nèi)燃調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)相比，主要區(qū)別在牽引動(dòng)力系統(tǒng)，以超級(jí)電容為供電動(dòng)力源則是一種新的嘗試，是一種完全環(huán)保的牽引方式。超級(jí)電容在工礦機(jī)車(chē)上的應(yīng)用重點(diǎn)在牽引動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)與控制策略需要深入研究，從而達(dá)到高效、節(jié)能、環(huán)保的目的，勢(shì)必成為工礦機(jī)車(chē)未來(lái)的一種發(fā)展趨勢(shì)。