抽水蓄能電站施工機械設備“油改電”可行性分析

杜 藏，張學清，張興彬，潘福營 ，殷 康

（1．河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南省洛陽市 471700；2．國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100161 ）

0 引言

抽水蓄能電站在建設期間涉及大量的洞室作業(yè)，燃油設備工作時產生大量的污染物和廢氣，一方面由于洞內作業(yè)空間小，產生的污染物和廢氣不易擴散，從而降低洞內空氣質量；另一方面內燃機工作時會產生較大的振動和噪聲，長時間工作噪聲會對施工人員的聽覺器官等造成一定影響。研究采用新能源設備代替燃油設備，可以降低空氣污染，改善作業(yè)環(huán)境，充分體現(xiàn)以人為本、保護環(huán)境、和諧發(fā)展的理念。

2014年習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上明確提出了“四個革命、一個合作”的重大能源戰(zhàn)略思想。伴隨著世界能源轉型的大趨勢，中國作為能源大國和負責任大國，也肩負著推動技術創(chuàng)新、促進地區(qū)能源轉型、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重任[1]。

國家電網(wǎng)有限公司在2019年工作會議上提出加快泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設[2]，是落實“三型兩網(wǎng)、世界一流”發(fā)展目標的重要舉措，發(fā)揮央企帶頭作用，帶動上下游產業(yè)協(xié)同發(fā)展，共同促進能源綠色轉型。

目前在抽水蓄能電站工程建設領域，施工使用的機械設備主要有自卸車、反鏟、裝載機、推土機、三臂鑿巖臺車、混凝土濕噴機等設備，設備全部以燃油為動力。目前，新能源技術的研究成果主要集中在乘用車[3，4]和港口龍門吊[5，6]，市場上新能源載重型商用車有部分產品但尚未形成規(guī)模，新能源工程機械大都處于技術研發(fā)和樣機試驗階段，還未能大范圍推廣[7-10]。國家電網(wǎng)有限公司作為央企，牽頭研究施工機械設備“油改電”，可以有效促進施工機械行業(yè)裝備升級，對提升施工機械水平、帶動相關行業(yè)發(fā)展等具有重大意義。

1 現(xiàn)狀調研

1.1 典型建設項目現(xiàn)場

項目現(xiàn)場調研包括天池、洛寧、績溪等抽水蓄能電站項目施工現(xiàn)場。調研的各抽水蓄能電站項目主要施工機械設備的種類及使用總量情況見表1。

從表1可以看出，部分移動范圍較小的施工機械（如反井鉆機、混凝土泵）已是電動設備，約占設備總臺數(shù)的15%；但數(shù)量占比較大的運輸車輛（自卸車、泵車）、土方機械（裝載機、挖掘機）等采用傳統(tǒng)柴油動力。

表1 典型抽水蓄能電站項目主要施工機械設備匯總表Table 1 Summary of main construction machinery and equipment of typical pumped storage power station project

1.2 典型施工機械設備

抽水蓄能項目建設期可分為籌建期、高峰期和機電安裝期；絕大多數(shù)施工機械和車輛以施工中標單位租用社會資源為主；施工單位自身只有少量特種設備；開挖工藝以“鉆爆法”為主；施工設備持續(xù)工作時間長，主要土方機械為2m3的挖掘機、2～3m3的推土機和3m3的裝載機；主力土方運輸車輛為6×4和8×4重型自卸汽車。

調研組調研的施工機械設備制造商包括華菱、濰柴動力等國內商用汽車及柴油發(fā)動機生產企業(yè)，調研部分常見6×4及8×4電動/柴油重型自卸汽車產品主要參數(shù)，涉及驅動形式、排放、總質量、整備質量、貨箱尺寸、最高車速、動力總成型號、額定/最大功率、燃料/電池種類等。

1.3 主要施工設備的能耗和排放

施工現(xiàn)場半數(shù)以上的設備為運輸車輛，以自卸汽車和混凝土攪拌車為主，均采用柴油動力；另一部分為挖掘機、裝載機等土方機械，全部采用柴油動力。其他諸如鑿巖臺車、鉆機等特種設備，在施工作業(yè)中采用電驅動，行走時多使用柴油動力。

在項目籌建期，施工現(xiàn)場以土石方開挖為主，主要使用挖掘機和自卸汽車；進入基建高峰期后，隨著各施工作業(yè)面的陸續(xù)展開，施工設備進入使用高峰期；項目在機電設備安裝期內，絕大多數(shù)的開挖、填埋、灌漿等土建項目基本完成，大部分土方機械和自卸汽車撤離現(xiàn)場，運輸及起重設備進入作業(yè)高峰期。

從天池、洛寧等抽水蓄能電站項目的燃油消耗統(tǒng)計看，預計平均每個項目基建期約需消耗5萬多噸柴油。

1.4 調研結論

（1）在設備規(guī)模上，道路運輸車輛占施工機械設備總量的半數(shù)以上。

（2）環(huán)境特點為運輸距離短、路況差、坡度大，超載普遍但超載程度不嚴重。

（3）現(xiàn)有條件下土方機械采用混合動力更具綜合優(yōu)勢。

（4）部分作業(yè)設備在一定程度上已經實行電力驅動，其他設備可以分階段推進電動化。

（5）影響因素在于：充換電模式需探索，現(xiàn)有施工運營模式需創(chuàng)新。

2 現(xiàn)有技術及產品分析

抽水蓄能電站都建在具有一定高差的山區(qū)，地形相對較陡；道路均為臨時道路，在施工期受爆破、開挖等因素影響路線不斷在調整變化；施工前期路面質量一般較差，以砂土路、碎石路居多，且部分路段坡度大（部分坡度超過9°）、轉彎多、路況差，中后期有部分硬化路面；地下工程地下水豐富，洞內潮濕。臨時渣場距離作業(yè)區(qū)一般相對較近，施工期點多面廣，施工設備調度轉移工作面頻繁。

基于當前新能源技術水平和市場成熟產品，以天池、績溪等項目為參考、以洛寧抽水蓄能建設項目為案例，根據(jù)項目施工現(xiàn)場的實際情況，對“油改電”的技術可行性和經濟可控性等方面進行具體分析評估。

2.1 主要設備的特性與使用狀況

根據(jù)洛寧、天池、績溪等抽水蓄能電站項目調研情況分析，所用車輛均為在用車，其車齡均在2年以上；超載現(xiàn)象普遍但超載量不大；施工作業(yè)點多面廣，施工設備調度轉移工作面頻繁；回填作業(yè)還需淋水，持續(xù)工作時間均較長。

現(xiàn)有抽水蓄能電站項目的大型施工機械設備可分為四類，主要包括：

（1）運輸車輛：自卸汽車、載貨汽車等。

（2）專用作業(yè)車輛：混凝土攪拌車、混凝土輸送泵車等。

（3）土方機械：挖掘機、裝載機、推土機等。

（4）特種作業(yè)機械：鑿巖臺車、反井鉆機、扒渣機等。

2.2 車輛主要參數(shù)對比

從新能源企業(yè)調研以及已公布的“道路機動車生產企業(yè)及產品公告”和“新能源汽車推廣應用推薦車型目錄”中可了解得知，目前國內已有多家商用車企業(yè)研制生產了重型純電動商用車，產品以純電動牽引車和純電動自卸車為主。

表2為部分8×4自卸汽車產品主要參數(shù)。從表2可看出，在同等級別下，純電動自卸汽車的使用參數(shù)與傳動柴油動力自卸汽車的使用參數(shù)基本相當。

表2 部分8×4自卸汽車產品主要參數(shù)Table 2 Main parameters of some 8×4 dump truck products

3 技術可行性分析

3.1 技術可行性

電機驅動與傳統(tǒng)內燃機驅動相比，具有：

（1）起動力矩大、過載能力強；

（2）運行平穩(wěn)、可靠性高；

（3）調速響應快，調速范圍寬；

（4）具有電磁制動功能，可兼作發(fā)電機使用，方便高效地實現(xiàn)電回饋；

（5）其轉矩特性是小于基速時為恒轉矩，隨著轉速升高轉矩逐漸減少。

對道路運輸車輛而言，雖然傳統(tǒng)柴油動力具有低速扭矩大、市場成熟度高、維保及配件成本低，但純電動車輛使用中的清潔、安靜、迅捷和經濟則是柴油車輛所無法比擬的。因此，電力驅動是目前各行各業(yè)動力源的主要發(fā)展趨勢。

近年來，我國“三電”（電池、電機、電控）的技術水平快速提升，現(xiàn)有的電力驅動技術可以滿足一般條件下的中短距離運輸需要。今后隨著動力電池技術、驅動電機技術、智能電網(wǎng)、智能網(wǎng)聯(lián)等關鍵技術的發(fā)展，大型施工機械設備的用電可靠性會得到進一步提高。

3.2 驅動電機技術

對純電動重型自卸汽車來說，以驅動電機+手自一體變速器+電控系統(tǒng)構成的一體化動力總成工作更平穩(wěn)、接入更順暢、振動小噪聲低，因此純電動車比傳統(tǒng)柴油車的駕乘更舒適、起步更敏捷、行駛更平順、能耗和機械損傷更低，體現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。

目前集驅動電機、電機控制器、減速器三合一的動力總成產品成為行業(yè)發(fā)展趨勢?！叭弦弧钡闹饕康氖墙档统杀尽Ｒ员葋喌系娜弦粍恿偝桑ㄒ妶D1）為例，集成化后成本可下降40%左右，折合整車成本可降低約10%，按照電機、電控、減速器約25%左右的整車成本占比，預計可降低整車成本10%左右。

圖1 比亞迪的三合一動力總成Figure 1 The three-in-one Powertrain of BYD

3.3 動力電池技術

動力電池作為新能源汽車三大核心零部件之一，動力電池系統(tǒng)能量密度的提升，直接推動了新能源汽車產業(yè)的快速增長。國內動力電池廠商如比亞迪等已處于全球第一陣營。

對純電動重型卡車來說，電池性能和成本是能否正常運營的關鍵點。純電動重型商用車由于載重量大，需要在不減少有效載貨重量的同時，提高行駛里程；同時，貨物運輸也要求充電時間能夠得到保障，因此對電池的續(xù)駛里程和輕量化要求較高，能否實現(xiàn)快充也成為關鍵因素之一。

目前，單體磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命可以達到5000次以上，按照2000次來設定出廠標準是完全可以實現(xiàn)的。若采用換電模式還可以把動力電池的衰減限值下降到70%或者是更低。

目前重卡車企的運營模式中，純電動重卡基本上都應用在港口牽引等特定應用場景[3-5]，路況條件比較優(yōu)異，且對于續(xù)航、充電等的需求并不太高。如果要在抽水蓄能電站等更復雜的場景下應用，除了建設配套充電設施外，低成本、長續(xù)航、快充電等方面需要繼續(xù)提升。

3.4 充/換電技術

（1）充電模式。

充電分為慢充和快充。慢充采用小電流的交流恒壓或恒流充電，一般充電時間為5～8h，甚至長達10～20h；車輛平均使用效率較低；快充是大功率直流充電，一般設計充電電流為150～400A，在半小時內可以充滿80%。

國內電動乘用車用的直流快充樁充電功率為60kW左右，實際充電（充電從10%～80%）時間常溫下為40min，低溫時大于1h。大功率直流快充在投入收益性、產業(yè)化推廣等方面占優(yōu)勢，更具發(fā)展前景。未來快充的功率要達到360kW，實際充電時間為5～10min（充電從10%～80%）。

充電模式的缺點在于：大量純電動汽車在同一時間集中充電或進行快充會產生較大的諧波，導致用電負荷的快速增長，使局部電網(wǎng)的電壓降過大、配電變壓器及用電設備利用率不高、支路容量不匹配等一系列問題更加嚴重；給電力系統(tǒng)增加巨大的供電壓力，需要提高電網(wǎng)備用容量；會對公用電網(wǎng)及其他用戶造成嚴重影響；容易損害電池壽命，甚至引發(fā)危險。

（2）換電模式。

通過直接更換車載電池可實現(xiàn)電能迅速補給，同時便于電池維護和延長壽命。

換電模式的優(yōu)點：能夠快速補能，提高車輛運行效率；通過集中式、專業(yè)化的充放電管控，有利于延長電池使用壽命，最大限度減少充電事故隱患，提升安全性。

換電模式的缺點：需要高昂的前期投入；換電需要專業(yè)的維修保養(yǎng)技術；換電模式所用的大電流快速插拔接插件價格昂貴；動力電池頻繁拆卸更換，極易導致電池損壞；另外，目前動力電池的種類繁多，標準化難度較高；不同廠商、不同規(guī)格、不同種類電池之間的兼容非常困難。

以安徽華菱汽車與中電投合作開發(fā)的無人自動換電站為例（見圖2）：該換電站占地170m2、共有7個回轉換電工位；在車輛換電4次/（臺·天）的場景下可實現(xiàn)30臺/天的換電規(guī)模；該換電站建設投資100萬元（不含周轉用動力電池）。

圖2 安徽華菱汽車有限公司自主研制的智能換電站Figure 2 Intelligent power station developed by Anhui Valin Automobile Co. Ltd

3.5 電控技術

電控的核心器件IGBT已實現(xiàn)國產突破，但對外依存度仍較高。

新能源汽車電控系統(tǒng)中新能源整車控制器、BMS相對成熟，電機控制器相對落后，主要因為核心零部件IGBT 90%以上依賴進口。

4 經濟可行性分析

4.1 購置成本

“國五”的6×4重型柴油自卸汽車新車報價一般在28萬～30萬元，8×4重型柴油自卸汽車新車報價一般在34萬～42萬元；同等級別下，純電動6×4自卸汽車新車報價一般在96萬元左右，純電動8×4自卸汽車新車報價一般在110萬元以上。按洛寧抽水蓄能電站的施工車輛需求（180輛），配置同等規(guī)模的純電動自卸汽車全新車隊，購置成本約為1.94億元左右，增加約1.28億元以上。

傳統(tǒng)柴油混凝土攪拌車6m3級別的新車報價35萬元左右，采用插電式混合動力后的6m3級別混凝土攪拌車的新車報價在95萬元以上。按洛寧抽水蓄能電站的施工車輛需求（20輛），配置同等規(guī)模的插電式混合動力混凝土攪拌車全新車隊的購置成本要達到約1900萬元以上。

大型土方機械的國產新能源產品尚處于孕育過程中，市場上尚未能了解到相對準確的價格信息；部分對應的進口新能源設備價格較為昂貴，如卡特彼勒采用鋰電驅動的988K XE純電動裝載機、R1300電動鏟運裝載機等。

特種作業(yè)機械設備中，多數(shù)已是電力驅動；以鑿巖臺車為代表的組合式機械設備，可以通過將現(xiàn)有的柴油動力移動平臺更換為純電動二類底盤的方式將車輛實現(xiàn)完全電動化，而全新的電動鑿巖臺車等機械設備的采購價格需要供需雙方明確意向與技術方案后才有可能確定。

因此，按洛寧抽水蓄能電站項目的車隊規(guī)模（替代率為1：1），如采用新能源運輸車輛和新能源專用作業(yè)車輛，則購置成本估算大約在2.2億元以上。

4.2 使用成本

根據(jù)前述相關計算得知，洛寧項目土石方開發(fā)填埋作業(yè)項目合計總油耗量估算約為18494t，其中自卸車車隊在本項目中的估算耗油量約為5240t。按照8330元/t的車用輕柴油價格來計算，僅自卸車車隊在本項目中的柴油采購支出約為4365萬元左右。

目前15～20t級別的純電動自卸汽車的電量一般在300kWh左右；按每1千瓦時的電費約0.5元，假設每臺車每天充/換2次電、每次充150kWh的電量、純電動自卸車與柴油自卸車的替代率為1：1，則本項目中自卸汽車的充電電費支出約為1291萬元。

由上述可見，采用“油改電”之后，本項目中的自卸車車隊采用純電動的使用成本不足原來使用傳統(tǒng)柴油動力時的1/3，因此使用成本降低效果非?？捎^。

4.3 充/換電成本

如考慮安徽華菱汽車有限公司的方案建設換電模式，按照每臺車每天換電2次、每天60臺車的換電能力，現(xiàn)場至少需要建設6個同等規(guī)模的換電站；至少需約600萬的建站投入。

考慮換電模式，根據(jù)換電站的日換電能力備份動力電池、每組電池約42萬元的話，則需另增加約1.51億元的備用動力電池購置費用。本項列支預算約1.57億元左右。

如果考慮采用集中充電+換電模式，則本項還應增列建設充電樁的相應費用。

4.4 初期投入比較

經濟成本是影響當前綜合技術條件下“油改電”項目實施的一個重要問題。以自卸車為例：國五標準的15～20t級柴油自卸卡車的單臺新車指導價在36萬～48萬元；而同級別的純電動自卸卡車的出廠價在96萬～110萬元；按洛寧抽水蓄能電站工程規(guī)模（替代率為1：1）計算，現(xiàn)有150臺15～20t級柴油自卸卡車如全部更換為純電動自卸卡車，車輛購置成本要增加7200萬～11100萬元；挖掘機、推土機和裝載機等土方設備“油改電”的成本則因目前暫無參考產品而無法估算。

換電站建設是“油改電”項目實施中另一個較大的成本投入，除場地要求外，基本建設投資都在百萬元以上，同時還需要配置一定數(shù)量和品種的周轉用動力電池。

如考慮采用全部替代柴油自卸車和換電模式、并考慮保持30%的冗余度的話，假設：①純電動自卸汽車與柴油自卸汽車的替代率為1.3：1；②備用（換電用）動力電池與車的比率為2：1；③換電站按照安徽華菱汽車的模式建設。

則初期成本投入為：

（1）8×4（6×4）純電動自卸汽車234臺：購置成本約2.52億元。

（2）備用（換電用）動力電池360組：購置成本約1.51億元。

（3）建設6個具有60臺/日的換電能力的換電站：建設投入約600萬元。

綜合上述，該自卸汽車的“油改電”方案共需投入初期成本約4.09億元；去除使用中的“油”“電”差價，項目成本共約3.78億元（其中不包括其他設備如變電站、充電樁等設施設備的建設投入及使用成本）。

5 結束語

根據(jù)抽水蓄能電站施工機械設備“油改電”可行性分析結果，對現(xiàn)階段技術產品條件下水電施工機械設備“油改電”的實施提出以下建議：

（1）根據(jù)施工機械的產品特點分類應用新能源產品。對固定機械設備全部采用電動化；對運輸車輛以及車載類設備積極推動“電動化”試點，總結完善經驗；對土方機械類設備，關注新產品與新技術的發(fā)展進展，穩(wěn)妥探索清潔能源化、混動化和部分電動化。

（2）根據(jù)施工項目的作業(yè)特點分階段應用新能源產品。在項目籌建期以架線式電動機械設備和傳統(tǒng)燃油機械與車輛為主；在項目建設高峰期大規(guī)模應用新能源車輛和設備；在機電設備安裝期全面應用電驅動設備。

（3）導入第三方投資及保險業(yè)，改革創(chuàng)新項目投資管理模式。根據(jù)施工項目規(guī)模和新能源產品技術水平，采取第三方投資、項目招投標設置必要條件，以及引入保險業(yè)等多種方式進行示范應用，改革創(chuàng)新施工投資運營管理模式。

（4）創(chuàng)新施工結構設計與工藝設計，探討成熟技術設備的交叉應用。創(chuàng)新施工項目主體結構設計與工藝設計，加強對軌道出渣、纜機運輸及盾構施工等成熟技術設備交叉運用的前景與可行性研究，提高和擴大“油改電”項目的實施效果。