散貨碼頭長距離水平運(yùn)輸工藝方案研究

張 亮，龍?jiān)姈|，梁 浩

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州，510220）

引言

在運(yùn)輸距離不長時(shí)，從工程項(xiàng)目的全壽命周期綜合分析，帶式輸送機(jī)運(yùn)輸較汽車運(yùn)輸方式相比具有明顯經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。但是當(dāng)水平運(yùn)輸距離較長時(shí)，人們傳統(tǒng)上仍習(xí)慣考慮采用汽車或火車進(jìn)行運(yùn)輸，因?yàn)椴捎脦捷斔蜋C(jī)進(jìn)行水平運(yùn)輸初期投資巨大[1]。而實(shí)際上，近年來采用帶式輸送機(jī)進(jìn)行長距離運(yùn)輸?shù)陌咐仓饾u增多，十幾公里至幾十公里的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)在國內(nèi)外的礦山、冶煉、電力等行業(yè)均有應(yīng)用[2-3]。因此，不能簡單的認(rèn)為帶式輸送機(jī)在長距離輸送上不具優(yōu)勢，長距離帶式輸送機(jī)在運(yùn)營期節(jié)約的運(yùn)營成本是否能抵償前期增加的投資，仍需結(jié)合具體情況進(jìn)行研究。本文以海外某散貨碼頭工程為例，設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸與汽車運(yùn)輸兩種水平運(yùn)輸方式，并進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以選取經(jīng)濟(jì)合理的水平運(yùn)輸方案。

1 工程概況

海外某企業(yè)現(xiàn)因業(yè)務(wù)拓展需要建設(shè)一座配套碼頭為鋼鐵廠輸送原料并兼顧石英砂礦出口。該項(xiàng)目的貨運(yùn)量需求及船型如表1。

表1 碼頭年計(jì)劃吞吐量

該項(xiàng)目碼頭、鋼鐵廠區(qū)及石英砂礦區(qū)的相對位置關(guān)系如下：

圖1 工程地理位置示意圖

其中，碼頭為棧橋式，伸出海岸線約1.2 km，碼頭與石英砂礦區(qū)及鋼鐵廠區(qū)之間規(guī)劃路徑距離均約為18 km，石英砂礦區(qū)與鋼鐵廠區(qū)之間的直線距離約1 km。目前碼頭、石英砂礦區(qū)、鋼鐵廠區(qū)之間均無道路連接，工程所在地范圍內(nèi)地形較為平緩。

經(jīng)綜合分析，本項(xiàng)目建設(shè)1 個(gè)卸船泊位和2 個(gè)裝船泊位，卸船泊位與裝船泊位分開布置在引橋兩側(cè)，以避免卸船泊位產(chǎn)生的粉塵污染石英砂。其中，卸船泊位共配置3 臺2 000 t/h（卸礦）/1 250 t/h（卸煤）橋式抓斗卸船機(jī)，2 個(gè)裝船泊位背靠背布置，互為待泊泊位，共配置1 臺5 000 t/h 軌道式移動(dòng)裝船機(jī)。

圖2 碼頭布置圖

結(jié)合項(xiàng)目需求，水平運(yùn)輸考慮帶式輸送機(jī)運(yùn)輸和汽車運(yùn)輸兩種方案，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較分析，以選擇經(jīng)濟(jì)合理的方案。

2 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸方案

設(shè)置一路長距離卸船帶式輸送機(jī)將礦石或煤炭直接運(yùn)至鋼鐵廠區(qū)，設(shè)置一路長距離裝船帶式輸送機(jī)將石英砂直接運(yùn)至碼頭裝船。

2.1 輸送效率選擇

考慮到水平輸送距離較遠(yuǎn)（約18 km），為節(jié)省投資，建設(shè)一路卸船皮帶機(jī)與一路裝船皮帶機(jī)。皮帶機(jī)輸送效率與碼頭前沿裝卸船設(shè)備的效率相匹配，故卸船皮帶機(jī)效率Q1=6 000 t/h(礦)/3 750 t/h（煤），石英砂裝船皮帶機(jī)的效率Q2=5 000 t/h。

2.2 長距離帶式輸送機(jī)形式選擇

目前應(yīng)用較成熟的長距離大運(yùn)量帶式輸送機(jī)有普通帶式輸送機(jī)、平面彎曲帶式輸送機(jī)和管帶機(jī)。

管帶機(jī)密封環(huán)保，平面轉(zhuǎn)彎半徑小，空間上可有較大的提升傾角，線路布置靈活[2]；但是造價(jià)相對較高，輸送能力特別是長距離時(shí)輸送的能力不高。縱觀國內(nèi)外的管帶機(jī)應(yīng)用實(shí)例，管帶機(jī)輸送煤炭的效率暫未超過4 000 t/h，輸送鐵礦石的效率暫未超過5 000 t/h。針對長距離輸送(單機(jī)長度5～ 10 km)的管帶機(jī)，當(dāng)輸送煤炭效率小于3 000 t/h、輸送鐵礦石小于4 000 t/h 時(shí)，國內(nèi)外不少公司均有設(shè)計(jì)生產(chǎn)業(yè)績，若單機(jī)長度及輸送效率進(jìn)一步增加，技術(shù)難度會增大，暫無工程應(yīng)用實(shí)例，存在設(shè)計(jì)研發(fā)周期長、成本不可控的風(fēng)險(xiǎn)，因此，本工程不選用管帶機(jī)方案。

普通帶式輸送機(jī)技術(shù)成熟，可實(shí)現(xiàn)長距離大運(yùn)量運(yùn)輸?shù)囊?，主要缺點(diǎn)是單條輸送線路必須為直線，只能通過多條皮帶機(jī)搭接來實(shí)現(xiàn)線路的轉(zhuǎn)折，不僅增加了轉(zhuǎn)運(yùn)站的投資，而且容易在轉(zhuǎn)接處發(fā)生撒料等故障，增加了維護(hù)難度。輸送距離越長，越會存在較多需要避開的地形或障礙物，輸送線路需要較多轉(zhuǎn)折，因此，長距離輸送工程中普通帶式輸送機(jī)反而并不常用。受條件限制，本工程的輸送路徑也存在較多轉(zhuǎn)折，也不適宜采用普通帶式輸送機(jī)（碼頭及引橋部分除外）。

平面彎曲帶式輸送機(jī)是在普通帶式輸送機(jī)的基礎(chǔ)上增加了平面轉(zhuǎn)彎功能，在具備普通帶式輸送機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能靈活適應(yīng)地形變化和避開障礙物，可由1 條輸送機(jī)替代若干條普通帶式輸送機(jī)，減少中間轉(zhuǎn)接，可提升綜合效益，特別適用于長距離輸送。平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)自20 世紀(jì)80 年代開始推廣使用以來，在散貨長距離輸送領(lǐng)域特別是采礦行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，輸送距離從20 世紀(jì)90 年代的10～14 km 增大到目前的19～20 km，甚至更長，平面布置也越來越靈活，平面轉(zhuǎn)彎個(gè)數(shù)從1～2 個(gè)增加到10 個(gè)以上，轉(zhuǎn)彎半徑從幾千米可減小到幾百米[3-5]。長距離平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)在國內(nèi)外均有很多應(yīng)用案例，一些典型案例見表2：

表2 長距離輸送平面彎曲帶式輸送機(jī)典型應(yīng)用案例

通過上述分析，結(jié)合本工程的輸送距離、輸送效率及輸送線路布置要求，本工程長距離輸送部分選用兩條8 km 左右的平面彎曲帶式輸送機(jī)，碼頭及引橋上帶式輸送機(jī)采用普通帶式輸送機(jī)。帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的布置及各段長度如圖3 和表3。

圖3 帶式輸送機(jī)線路布置圖

表3 帶式輸送機(jī)方案各段水平投影長度

2.3 帶寬與帶速

卸船帶式輸送機(jī)效率為6 000 t/h(卸鐵礦)/3 750 t/h (卸煤炭)，選用的帶寬B1=1.8 m，帶速V1=3.55 m/s。

石英砂裝船帶式輸送機(jī)效率為5 000 t/h，考慮到石英砂粒度較小，流動(dòng)性好，顆粒之間內(nèi)摩擦力和粘聚力小，運(yùn)行堆積角小，且運(yùn)行堆積角隨帶速增加而下降較為明顯，因此輸送石英砂的帶式輸送機(jī)帶速不宜過高，選用帶寬B2=1.8 m，帶速V2= 3.15 m/s 的帶式輸送機(jī)。

3 汽車運(yùn)輸方案

汽車運(yùn)輸是常見的長距離運(yùn)輸方式，其優(yōu)點(diǎn)是固定投資少，靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)。但汽車若直接上碼頭進(jìn)行接卸貨物，無法與高效的卸船機(jī)和裝船機(jī)有效銜接，會在碼頭上形成擁堵，裝卸船效率必然難以達(dá)到預(yù)期。因此，為了保證裝卸船效率，考慮在靠近碼頭的后方陸域設(shè)置一個(gè)具有緩沖儲存功能的中轉(zhuǎn)區(qū)，從碼頭至中轉(zhuǎn)區(qū)仍采用皮帶機(jī)運(yùn)輸，而從中轉(zhuǎn)區(qū)至鋼鐵廠區(qū)及石英砂礦區(qū)再采用汽車運(yùn)輸。卸船時(shí)，由帶式輸送機(jī)將煤炭或礦石運(yùn)至緩沖料倉，由緩沖料倉給汽車裝車，運(yùn)往后方廠區(qū)；裝船時(shí)，由汽車將石英砂運(yùn)至中轉(zhuǎn)區(qū)并卸載至裝船帶式輸送機(jī)上，卸車區(qū)附近區(qū)域也可臨時(shí)堆料。根據(jù)項(xiàng)目用地條件，中轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置在距離碼頭約1.69 km處，即圖3 中B 點(diǎn)附近。

3.1 中轉(zhuǎn)區(qū)布置

中轉(zhuǎn)區(qū)共設(shè)緩沖料倉3個(gè)，總?cè)萘考s1.5萬 m3，可儲存煤炭1.2 萬t 或鐵礦石3.6 萬 t，每個(gè)緩沖倉下設(shè)2 個(gè)汽車裝車口可給汽車裝料，單個(gè)裝車口的效率為800 t/h（煤炭）或1200 t/h（礦石）。裝船時(shí)，汽車將石英砂礦從礦區(qū)運(yùn)至中轉(zhuǎn)區(qū)的自卸車卸車線卸車，然后通過裝船帶式輸送機(jī)運(yùn)送至碼頭裝船，共設(shè)2 條卸車線，每條卸車線效率為2 500 t/h。

圖4 中轉(zhuǎn)區(qū)布置圖

3.2 汽車選型與配置數(shù)量

關(guān)于公路上行駛的自卸車載重量，各國均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般不超過50 t?？紤]到本工程運(yùn)輸車輛在自有專屬道路上行駛，可不受上述限制。一般來說，汽車載重量越大，單位運(yùn)輸成本越小，但車輛價(jià)格、基礎(chǔ)設(shè)備投資也相應(yīng)增大。結(jié)合業(yè)主經(jīng)驗(yàn)，汽車采用后傾式改裝自卸車，車廂容積約 50 m3，可裝載100 t 鐵礦石或石英砂或50 t 煤炭。為了提高利用率，自卸車考慮雙程載貨，即從中轉(zhuǎn)區(qū)裝載鐵礦石或煤炭至鋼鐵廠區(qū)，卸載之后清洗車廂，然后去中轉(zhuǎn)區(qū)裝載石英砂，再運(yùn)往中轉(zhuǎn)區(qū)并卸載至裝船帶式輸送機(jī)上，然后再在中轉(zhuǎn)區(qū)裝載鐵礦石或煤炭運(yùn)往鋼鐵廠區(qū)，如此循環(huán)往復(fù)。由于年裝船作業(yè)量1 500 萬t 大于年卸船作業(yè)量905 萬t（690 萬t 鐵礦石與215 萬t 煤炭），必然存在一部分石英砂在運(yùn)輸時(shí)單程載貨。單程載貨運(yùn)輸?shù)呢浟繛?1 500-（690+215×100/50）=380 萬t。自卸汽車的輸送效率PV可按照下式計(jì)算：

其中M-自卸汽車每次裝載的貨物重（t），T-自卸車行駛一個(gè)循環(huán)消耗的時(shí)間（h）。

自卸汽車雙程載貨時(shí)，T1=1.25 h，運(yùn)輸?shù)V石或石英砂的效率P1=80 t/h，運(yùn)輸煤炭的效率為P1’= 40 t/h。自卸汽車單程裝載石英砂時(shí)，一個(gè)循環(huán)消耗時(shí)間為T2=0.82 h，則運(yùn)輸石英砂效率P2=122 t/h。

考慮到裝卸船效率是動(dòng)態(tài)變化的且在裝車區(qū)有緩沖料倉、卸車區(qū)可臨時(shí)堆料，能夠起到緩沖作用，自卸汽車的配置數(shù)量能夠保證水平輸送效率與裝卸船平均效率相等即可，故需要配置卡車數(shù)量N可按下式計(jì)算：

其中，Pu-裝卸船設(shè)備效率，η-裝卸船設(shè)備效率利用系數(shù)。

針對煤炭卸船作業(yè)，Pu=3 750 t/h，η 取0.55，計(jì)算得N1=57 輛；針對裝船作業(yè)Pu=5 000 t/h，η取0.8，計(jì)算得N2=50 輛。因此共需配置自卸汽車57 輛，考慮10%的備用系數(shù)，共配置69 輛。

3.3 運(yùn)輸?shù)缆?/h3>

目前，從中轉(zhuǎn)區(qū)到鋼鐵廠區(qū)和石英砂礦區(qū)無現(xiàn)有道路連接，擬新建一條專用道路用于本工程的散貨運(yùn)輸。結(jié)合本工程運(yùn)量需求，運(yùn)輸?shù)缆吩O(shè)置雙向2 車道，寬度9 m，總長度約17.5 km。

4 水平運(yùn)輸方案經(jīng)濟(jì)效益分析

水平運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益分析主要針對兩方案不同的部分，不含碼頭至中轉(zhuǎn)區(qū)部分。

4.1 固定投資

帶式輸送機(jī)方案固定投資主要包括帶式輸送機(jī)及其附屬設(shè)施（土建、電氣、控制、給排水消防、通風(fēng)除塵等）的投資，皮帶機(jī)總長為32 150 m，綜合單價(jià)按照2 150 美元/m 計(jì)，總造價(jià)為6 912 萬美元。

汽車運(yùn)輸方案固定投資包括中轉(zhuǎn)區(qū)綜合設(shè)施建設(shè)費(fèi)用、自卸車購置費(fèi)用、運(yùn)輸?shù)缆吩O(shè)施建設(shè)費(fèi)用。其中：中轉(zhuǎn)區(qū)綜合設(shè)施建設(shè)包括緩沖料倉及裝車系統(tǒng)、卸車系統(tǒng)、道路堆場等，該部分總造價(jià)為1 000 萬美元；自卸車購置費(fèi)用為69×12=828 萬美元；運(yùn)輸?shù)缆吩O(shè)施按照220 美元/m2，則其造價(jià)為0.022×17 500×9=3 465 萬美元。汽車運(yùn)輸方案固定投資5 293 萬美元。

4.2 運(yùn)營費(fèi)用

運(yùn)營費(fèi)用主要包括人工費(fèi)、動(dòng)力消耗費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用。

表4 不同方案年運(yùn)營費(fèi)用

4.3 經(jīng)濟(jì)分析

假定兩種水平運(yùn)輸方案的建設(shè)期均為1 年，第2年初開始投產(chǎn)運(yùn)營，經(jīng)濟(jì)分析時(shí)項(xiàng)目壽命取15年，其中汽車壽命取5 年，因此每隔5 年，購置新的自卸車，則兩種方案的年現(xiàn)金支出如下表：

表5 不同方案年現(xiàn)金支出表（萬美元）

兩種運(yùn)輸方案均可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的運(yùn)輸目標(biāo)，因此可認(rèn)為收益相同，僅計(jì)算費(fèi)用支出即可[8]。各方案支出費(fèi)用的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值按照下式計(jì)算：

式中：COt-技術(shù)方案第t 年的資金支出；ic為基準(zhǔn)收益率。

取ic=10 %，計(jì)算得：帶式輸送機(jī)方案凈現(xiàn)值FNPV1=12 396 萬美元，汽車運(yùn)輸方案凈現(xiàn)值FNPV2=13 974 萬美元。帶式輸送機(jī)方案的凈現(xiàn)值比汽車運(yùn)輸方案少1 578 萬美元。因此，雖然帶式輸送機(jī)方案初期投資較汽車運(yùn)輸方案增加投資 1 619 萬美元，從全壽命周期來看，長距離帶式輸送機(jī)方案仍具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

5 結(jié)語

1）隨著帶式輸送機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逐漸解決了長距離帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制、輸送帶強(qiáng)度、平面轉(zhuǎn)彎、可靠性等問題，長距離帶式輸送機(jī)系統(tǒng)在礦山、冶金、電力等散貨物料運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。針對碼頭與堆場之間距離較遠(yuǎn)的情況，也可以考慮采用長距離平面彎曲帶式輸送機(jī)系統(tǒng)將散貨物料從碼頭直接運(yùn)往堆場，而不用在中間設(shè)置中轉(zhuǎn)堆場，既可減少陸域面積占用，又可避免中轉(zhuǎn)堆場堆取料過程增加投資及運(yùn)營費(fèi)用。

2）散貨長距離運(yùn)輸（長達(dá)20 km）采用帶式輸送機(jī)，雖然初期投資大，但從全壽命周期來看，與汽車運(yùn)輸方案相比，仍具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，特別適用于運(yùn)量穩(wěn)定、業(yè)主資金較為充裕的項(xiàng)目。但需要注意的是，本工程案例的研究方法可為類似項(xiàng)目水平運(yùn)輸方案的比選提供借鑒，但其結(jié)論不適用于某些特定環(huán)境，因?yàn)椴煌貐^(qū)不同項(xiàng)目的費(fèi)用構(gòu)成差別較大。