新能源電池系統(tǒng)在焊軌綠色施工中的應(yīng)用

摘要：在地鐵、國(guó)鐵隧道內(nèi)的焊軌施工中使用發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生有毒有害尾氣、粉塵和噪聲，危及施工人員的健康和安全，為此提出了使用新能源電池系統(tǒng)替換發(fā)電機(jī)的建議，該套系統(tǒng)靜音、無(wú)污染，在降低能耗的同時(shí)為施工人員提供了良好的作業(yè)環(huán)境，符合節(jié)能環(huán)保要求。

關(guān)鍵詞：焊軌;新能源;逆變;磷酸鐵鋰電池

0 引言

地鐵、國(guó)鐵隧道內(nèi)焊軌施工屬于有限空間作業(yè)，隧道內(nèi)通風(fēng)不暢，發(fā)電機(jī)排放的有毒有害氣體和作業(yè)中產(chǎn)生的粉塵不易消散，同時(shí)發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生較大噪聲，施工人員長(zhǎng)時(shí)間在此種環(huán)境下工作將嚴(yán)重影響其身體健康，還可能引發(fā)有害氣體中毒事件，危及施工人員的生命安全。在此背景下，研發(fā)新能源電池系統(tǒng)替換發(fā)電機(jī)成為了大勢(shì)所趨。我公司于2019年7月開始在石家莊地鐵試用了一套新能源電池系統(tǒng)樣機(jī)，該套設(shè)備靜音、無(wú)污染，在降低能耗的同時(shí)為施工人員提供了良好的作業(yè)環(huán)境，符合節(jié)能環(huán)保要求。

1 設(shè)計(jì)方案介紹

使用新能源電池系統(tǒng)替換發(fā)電機(jī)的方案是將焊軌后續(xù)工位柴（汽）油小型發(fā)電機(jī)全部更換為新能源電池系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保、降噪降塵、使用便捷的目的。新能源電池系統(tǒng)采用鋰電池充電模式，并經(jīng)直流逆變及變頻技術(shù)，將直流電逆變變頻為電機(jī)運(yùn)行所需要的交流電。充電一次能夠滿足單班工作8～10 h的工況需求。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研，焊軌后續(xù)施工現(xiàn)場(chǎng)工作流程分4項(xiàng)，分別為除銹工位、正火工位、粗磨工位、細(xì)磨工位。其中，除銹工位使用直向砂輪機(jī)2臺(tái)，正火工位使用自吸泵1臺(tái)，粗磨工位使用直向砂輪機(jī)2臺(tái)，細(xì)磨工位使用仿形機(jī)1臺(tái)和角向磨光機(jī)1臺(tái)。

除銹工位用電設(shè)備使用220 V電壓，功率為2×1.05 kW;正火工位用電設(shè)備使用220 V電壓，功率為0.125 kW;粗磨工位用電設(shè)備使用220 V電壓，功率為2×1.05 kW;細(xì)磨工位用電設(shè)備使用380 V電壓，功率為2.2 kW。

鋰電池組采用多個(gè)3.2 V、6 Ah磷酸鐵鋰電池組成一個(gè)整體，設(shè)計(jì)DC64 V，容量90 Ah;單相逆變器額定功率3 500 W，三相逆變器額定功率8 000 W。

整套系統(tǒng)采用模塊化組合，用快速航插連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速便捷連接使用要求。

新能源電池系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。

2 新能源電池系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用情況及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 ? ?現(xiàn)場(chǎng)使用情況

2019年7月20日，新能源電池系統(tǒng)在石家莊地鐵焊軌施工現(xiàn)場(chǎng)細(xì)磨工位和粗磨工位進(jìn)行使用，并對(duì)工作量、耗電情況、工作時(shí)間及故障問(wèn)題進(jìn)行了記錄。

新能源電池系統(tǒng)充電一次，在粗磨工位使用時(shí)長(zhǎng)為6～7 h，工作量達(dá)22～26個(gè)焊頭;在細(xì)磨工位使用時(shí)長(zhǎng)為6～7 h，工作量達(dá)22～26個(gè)焊頭，基本滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

新能源電池系統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)使用情況如圖2所示。

2.2 ? ?應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）采用磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，技術(shù)成熟，安全，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率小，無(wú)記憶效應(yīng)，一般情況下其循環(huán)運(yùn)用壽命可以達(dá)2 000次。

（2）采用新能源電池系統(tǒng)替換發(fā)電機(jī)，可以避免使用和儲(chǔ)存散裝汽油的風(fēng)險(xiǎn)，而且使用成本較低。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)使用可以發(fā)現(xiàn)，新能源電池系統(tǒng)調(diào)試正常后，故障率較低，省去了維修傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的時(shí)間和費(fèi)用。

（3）采用新能源電池系統(tǒng)后，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境得到了極大提升，消除了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)尾氣排放有毒有害氣體危及施工人員健康安全的風(fēng)險(xiǎn)，得到了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的廣泛好評(píng)。

3 新能源電池系統(tǒng)存在的問(wèn)題及優(yōu)化建議

3.1 ? ?存在問(wèn)題

（1）新能源電池系統(tǒng)整體重量達(dá)110～130 kg，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)具上下道及長(zhǎng)距離搬運(yùn)不方便;

（2）三相逆變器使用過(guò)程中，前后75 m范圍內(nèi)對(duì)探傷儀信號(hào)造成干擾，致使探傷儀草狀波明顯跳動(dòng)，無(wú)法作業(yè)。

3.2 ? ?優(yōu)化建議

3.2.1 ? ?電池輕量化及續(xù)航能力的優(yōu)化建議

（1）原有電池系統(tǒng)為單個(gè)磷酸鐵鋰電池組成的一個(gè)整體，我們考慮將電池系統(tǒng)拆分為4個(gè)電池組進(jìn)行串聯(lián)，每個(gè)電池組采用5塊3.2 V、200 Ah的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)形式，每塊磷酸鐵鋰電池重量為4 kg。電池系統(tǒng)額定能量UI=（3.2×5）×4×200=12.8 kWh。

（2）每個(gè)電池組的理論重量為20 kg，整個(gè)電池系統(tǒng)重量約為80～100 kg，每個(gè)電池組可拆分單獨(dú)充電。充電采用3 kW、60 V直流充電器，可用市電或發(fā)電機(jī)充電，充電時(shí)間4～5 h。

（3）電池在工作過(guò)程中會(huì)散發(fā)大量熱量，為保證安全，我們建議改進(jìn)的電池組和電池系統(tǒng)外殼均采用鋁質(zhì)材料，表面做氧化處理，這樣既不消耗能源，保證散熱，還可以起到絕緣作用。同時(shí)上蓋面做防水彈性貼，免受隧道內(nèi)滴水或潮濕環(huán)境的影響。

電池組及電池系統(tǒng)模型分別如圖3、圖4所示。

3.2.2 ? ?對(duì)探傷儀干擾的優(yōu)化建議

針對(duì)電瓶驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)探傷儀的干擾，我們建議從工裝入手，將現(xiàn)有的用電設(shè)備（直向砂輪機(jī)、角向磨光機(jī)、仿形機(jī)）用電由交流方式改為直流方式，即采用直流無(wú)刷電機(jī)，配合相應(yīng)電池系統(tǒng)選型，這樣可以省去直流電源逆變交流電源，避免逆變器工作對(duì)探傷儀造成干擾，而且可以使整體系統(tǒng)減重。

4 結(jié)語(yǔ)

新能源電池系統(tǒng)在焊軌施工中的應(yīng)用是工程建設(shè)項(xiàng)目實(shí)行節(jié)能環(huán)保措施的最好實(shí)踐。截至目前新能源電池系統(tǒng)在石家莊地鐵現(xiàn)場(chǎng)施工使用近半年，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境得到了極大提升，保證了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的身體健康，后續(xù)將進(jìn)一步研究電池組使用壽命和低溫下電池組續(xù)航能力等相關(guān)問(wèn)題。

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收稿日期：2020-01-22

作者簡(jiǎn)介：陶旭（1986—），男，陜西西安人，工程師，研究方向：鋼軌焊接。