利用張?zhí)畦F路疏運(yùn)唐山港區(qū)礦石牽引質(zhì)量方案研究

車 燕

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 交通運(yùn)輸規(guī)劃研究院，天津 300308)

為貫徹落實(shí)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)、污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)，唐山地區(qū)擬實(shí)現(xiàn)疏港礦石運(yùn)輸由公路向鐵路轉(zhuǎn)移。張?zhí)畦F路(孔家莊—曹妃甸北)為唐山港曹妃甸港區(qū)集疏運(yùn)通道之一，利用其煤炭運(yùn)輸輕車方向曹妃甸北站至團(tuán)瓢莊站段線路疏運(yùn)唐山港區(qū)疏港礦石，與新建張?zhí)畦F路團(tuán)瓢莊站至唐遵鐵路遵化南站聯(lián)絡(luò)線(以下簡稱“團(tuán)瓢莊至遵化南聯(lián)絡(luò)線”)[1-2]、遵小線(遵化南—小寺溝)成為連接鐵路貨運(yùn)線路與礦石需求企業(yè)的橋梁，形成鋼鐵企業(yè)與港口之間的礦石運(yùn)輸通路，實(shí)現(xiàn)唐山港疏港礦石至唐山遵化、遷西地區(qū)鋼廠企業(yè)的全部運(yùn)輸需求，以保障唐山地區(qū)“公轉(zhuǎn)鐵”[3-4]的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

1 張?zhí)畦F路疏港礦石運(yùn)輸現(xiàn)狀

1.1 張?zhí)畦F路概況

張?zhí)畦F路起自我國北方交通要塞張家口市的孔家莊，向東至承德西部后折向南經(jīng)唐山西部至我國北方重要的煤炭運(yùn)輸港口曹妃甸港區(qū)，是一條連接蒙西、蒙東煤炭基地與曹妃甸港區(qū)的路網(wǎng)干線，形成蒙西和蒙東煤炭下海新通道，線路全長約530 km。張?zhí)畦F路為國家鐵路I 級(jí)雙線電氣化鐵路，牽引質(zhì)量為10 000 t，5 000 t，限制坡度沙嶺子西至豐潤西段6‰/12‰ (重車方向/輕車方向)、豐潤西至曹妃甸北6‰。

張?zhí)畦F路建成后，與張集線(孔家莊—集寧南)、集包線(古營盤—包頭西)呼包段構(gòu)成唐呼鐵路通道[5]，形成我國第4 條能源大通道，主要運(yùn)輸內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省往曹妃甸下水煤炭。張?zhí)畦F路運(yùn)輸組織現(xiàn)狀為裝車地至曹妃甸港下水煤炭[6]組織萬噸重載列車運(yùn)輸，去往沿線企業(yè)煤炭組織5 000 t 煤炭直達(dá)列車運(yùn)輸，卸后空車均原路返回。

1.2 張?zhí)畦F路規(guī)劃年度貨運(yùn)量分析

基于污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)及《鐵路貨運(yùn)增量行動(dòng)方案(2018—2020)》等相關(guān)配套政策[7-8]，張?zhí)畦F路規(guī)劃年度貨運(yùn)量構(gòu)成主要為煤炭、礦石等大宗貨物，其中煤炭主要是至曹妃甸港下水以及沿線企業(yè)消耗，下水煤炭運(yùn)量約1.3 億t，至沿線企業(yè)煤炭約2 600 萬t (其中團(tuán)瓢莊—曹妃甸北段企業(yè)煤炭運(yùn)量約1 800 萬t)。

張?zhí)畦F路疏運(yùn)的唐山港區(qū)疏港礦石主要服務(wù)遵化、遷西地區(qū)的2 家鋼鐵企業(yè)，分別為唐山港陸鋼鐵有限公司和河北津西鋼鐵集團(tuán)股份有限公司。根據(jù)調(diào)研和企業(yè)規(guī)劃，設(shè)計(jì)年度2 家企業(yè)的礦石全部由鐵路運(yùn)輸，其中唐山港陸鋼鐵有限公司礦石需求為850 萬t，河北津西鋼鐵集團(tuán)股份有限公司礦石需求為1 460 萬t，合計(jì)礦石運(yùn)量為2 310 萬t。

1.3 張?zhí)畦F路現(xiàn)狀線路工程條件分析

張?zhí)畦F路曹妃甸北至團(tuán)瓢莊段線路長度約137.4 km，其中團(tuán)瓢莊至豐潤西段線路長度約26.7 km，共有6 處超6‰的大坡段，有2 處12‰的坡段長度分別為900 m，1 100 m；豐潤西至唐山西段線路長度為31.9 km，共有2 處超6‰的大坡段，有 1 處12‰的坡段長度為900 m；唐山西至曹妃甸北段線路長度約78.8 km，無超過6‰坡度。因此，張?zhí)畦F路礦石運(yùn)輸徑路中超6‰的段坡共有8 處，其中3處12‰的坡段，集中在唐山西至團(tuán)瓢莊段線路區(qū)間。

2 張?zhí)畦F路疏港礦石牽引質(zhì)量方案研究

結(jié)合張?zhí)畦F路限制坡度、地區(qū)內(nèi)機(jī)務(wù)車輛類型，對疏港礦石牽引質(zhì)量方案進(jìn)行理論研究及校驗(yàn)。

2.1 礦石列車牽引質(zhì)量方案

唐山機(jī)務(wù)段機(jī)車類型為六軸干線貨運(yùn)機(jī)車HXD2B 與DF8B，張?zhí)畦F路運(yùn)行的列車機(jī)車類型為八軸重載貨運(yùn)電力機(jī)車HXD1 與HXD2?？紤]到張?zhí)畦F路及地區(qū)內(nèi)津山鐵路(天津—山海關(guān))、京哈鐵路(北京—哈爾濱)、灤港鐵路(灤縣—京唐港)、遷曹鐵路(遷安北—曹妃甸北)、曹妃甸港鐵路(曹妃甸北—曹妃甸南)現(xiàn)狀均為電氣化鐵路，新建的團(tuán)瓢莊至遵化南聯(lián)絡(luò)線及改建的遵小線建成后也為電氣化鐵路。在唐山地區(qū)電氣化鐵路成網(wǎng)的趨勢下，采用電力牽引利于實(shí)現(xiàn)機(jī)車長交路，充分發(fā)揮鐵路網(wǎng)絡(luò)的綜合效益。因此，從國家能源政策、利于環(huán)保、改善運(yùn)營條件等角度考慮，張?zhí)畦F路運(yùn)行的礦石列車采用現(xiàn)有的電力機(jī)型牽引。根據(jù)國家鐵路局2018年發(fā)布的《列車牽引計(jì)算第1 部分：機(jī)車牽引式列車》(以下簡稱“《列車牽引計(jì)算》”)[9]，各型電力機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 各型電力機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Main technical parameters of various electric locomotives

《列車牽引計(jì)算》中，列車在限制坡道上以持續(xù)速度運(yùn)行時(shí)機(jī)車牽引質(zhì)量Mg按公式 ⑴ 計(jì)算。

式中：Fc為機(jī)車持續(xù)牽引力，kN；λy為機(jī)車牽引力使用系數(shù)，取值0.9；Mp為機(jī)車計(jì)算質(zhì)量，t；ix為限制坡道千分?jǐn)?shù)；w0′為機(jī)車單位運(yùn)行基本阻力，N/kN；g 為重力加速度，取值9.8 m/s2；w0′′為車輛單位運(yùn)行基本阻力，N/kN。

本次研究機(jī)車采用HXD 型車，貨車按照重車計(jì)算。w0′與w0′′分別按公式 ⑵、公式 ⑶ 計(jì)算。

式中：v為運(yùn)行速度，km/h。

根據(jù)牽引質(zhì)量計(jì)算公式及機(jī)車車輛基礎(chǔ)參數(shù)，12‰ 的限制坡度條件下，理論計(jì)算單機(jī)HXD1，HXD2，HXD2B 對應(yīng)的牽引質(zhì)量分別是3 330 t，3 490 t，2 810 t。

綜合分析不同機(jī)型在12‰限制坡度時(shí)受牽引力限制的牽引質(zhì)量，以及張?zhí)凭€路概況，考慮動(dòng)能闖坡特點(diǎn)(列車能夠利用在坡前積蓄的動(dòng)能，以不低于機(jī)車計(jì)算速度闖過坡度)，充分利用機(jī)車牽引力，礦石列車初步牽引質(zhì)量方案為單機(jī)HXD1 或HXD2 牽引4 000 t，單機(jī) HXD1 或HXD2 牽引4 500 t；雙機(jī)HXD2B 牽引6 000 t。

2.2 礦石列車牽引質(zhì)量方案校驗(yàn)

本次機(jī)車牽引質(zhì)量取值校驗(yàn)方法主要從3 個(gè)方面進(jìn)行校驗(yàn)，分別為起動(dòng)坡校驗(yàn)、既有車站到發(fā)線有效長校驗(yàn)、列車牽引計(jì)算模擬校驗(yàn)。

（1）起動(dòng)坡校驗(yàn)。根據(jù)《列車牽引計(jì)算》，起動(dòng)條件限制可按公式 ⑷ 計(jì)算。

式中：iq為列車起動(dòng)地段加算坡度千分?jǐn)?shù)；Fq為機(jī)車最大起動(dòng)牽引力，kN；wq′為機(jī)車單位起動(dòng)基本阻力，N/kN；為貨車單位起動(dòng)基本阻力，N/kN。

礦石列車不同牽引質(zhì)量方案起動(dòng)坡度檢算如表2所示。

表2 不同牽引質(zhì)量方案起動(dòng)坡度檢算表 ‰Tab.2 Starting slope check and calculation of different traction tonnage schemes

非正常情況下，列車全部位于12‰限制坡段停車時(shí)，單機(jī)HXD1 或HXD2 牽引4 000 t，雙機(jī)HXD2B 牽引6 000 t 方案均滿足起動(dòng)需求；單機(jī)HXD1 或HXD2 牽引4 500 t 方案不滿足起動(dòng)需求。

（2）既有線車站到發(fā)線有效長校驗(yàn)。張?zhí)畦F路承擔(dān)的疏運(yùn)礦石運(yùn)量，主要裝車站曹妃甸南站及企業(yè)卸車站到發(fā)線有效長均為1 050 m，運(yùn)輸通路張?zhí)畦F路既有車站到發(fā)線有效長1 700 m；礦石列車牽引質(zhì)量受裝車站及卸車站到發(fā)線有效長限制。

參照唐山港區(qū)疏港礦石鐵路運(yùn)輸現(xiàn)狀，礦石列車主要采用普通敞車裝運(yùn)，車輛類型主要有C60系列、C70等普通通用敞車[10]。本次針對雙機(jī)牽引6 000 t的牽引質(zhì)量方案進(jìn)行校驗(yàn)。受到發(fā)線有效長1 050 m限制的牽引質(zhì)量表(雙機(jī))如表3 所示。

表3 受到發(fā)線有效長1 050 m 限制的牽引質(zhì)量表(雙機(jī))Tab.3 Traction tonnage limited by 1050-meter effective lengths of receiving-departure track (dual-locomotive traction)

從表3 可以看出，既有車站到發(fā)線有效長為1 050 m 時(shí)，除C62外，其他C60系列、C70車輛能滿足雙機(jī)牽引6 000 t 需求。

（3）列車牽引計(jì)算模擬校驗(yàn)。通過對張?zhí)畦F路曹妃甸—團(tuán)瓢莊段線路進(jìn)行列車牽引計(jì)算模擬計(jì)算，正常運(yùn)行情況下，疏港礦石列車按最高速度80 km/h運(yùn)行時(shí)，張?zhí)畦F路唐山西—豐潤西間大坡道模擬計(jì)算結(jié)果分析如表4 所示。

表4 張?zhí)畦F路唐山西—豐潤西間大坡道模擬計(jì)算結(jié)果分析Tab.4 Long ramp simulation results of Tangshanxi-Fengrunxi section of Zhangjiakou-Tangshan Railway

通過模擬牽引計(jì)算理論分析，除單機(jī)HXD1 牽引4 500 t 方案在12‰限坡上運(yùn)行的最低速度低于機(jī)車最低計(jì)算速度外，其他牽引質(zhì)量方案正常運(yùn)行通過大坡道時(shí)最低運(yùn)行速度均高于機(jī)車最低計(jì)算速度。

通過上述起動(dòng)坡度校驗(yàn)、既有車站到發(fā)線有效長校驗(yàn)、列車在限制坡道上模擬牽引計(jì)算校驗(yàn)等方面分析，初步推薦礦石列車牽引質(zhì)量方案可采用單機(jī)HXD1 或HXD2 牽引4 000 t、雙機(jī)HXD2B 牽引6 000 t 的2 種方案。

3 不同牽引質(zhì)量方案綜合比較分析

通過上述理論計(jì)算與校驗(yàn)，張?zhí)畦F路運(yùn)行的疏港礦石列車采用單機(jī)HXD1 或HXD2 牽引4 000 t 以及雙機(jī)HXD2B 牽引6 000 t 方案理論上均可行。具體采用哪種方案，應(yīng)根據(jù)張?zhí)畦F路承擔(dān)的疏港礦石的運(yùn)量特點(diǎn)以及對既有線的能力影響等方面來確定。可通過從張?zhí)仆ǖ纼?nèi)運(yùn)行時(shí)分及單位能耗指標(biāo)、對通路線路能力適應(yīng)性、機(jī)車車輛購置數(shù)量及費(fèi)用等方面分析確定礦石車流經(jīng)濟(jì)合理的方案。

3.1 列車牽引計(jì)算模擬運(yùn)行指標(biāo)分析

張?zhí)畦F路曹妃甸—團(tuán)瓢莊段線路運(yùn)輸距離長約137.4 km，通過列車牽引計(jì)算模擬，采用單機(jī)HXD1或HXD2 牽引4 000 t 方案，該段線路不停車通過運(yùn)行時(shí)分約110 min，單位能耗指標(biāo)約為118 kW·h/(萬t·km)；采用雙機(jī)HXD2B 牽引6 000 t 運(yùn)輸方案，在該段線路上不停車通過運(yùn)行時(shí)分約108 min，單位能耗指標(biāo)約為115 kW·h/(萬t·km)。

采用單機(jī)HXD1 或HXD2 牽引4 000 t、雙機(jī)HXD2B 牽引6 000 t 方案，列車區(qū)間不停站通過運(yùn)行時(shí)分、單位能耗指標(biāo)相差不大，采用雙機(jī)HXD2B牽引6 000 t 方案運(yùn)行時(shí)分及單位能耗指標(biāo)相對較小。

3.2 通路能力適應(yīng)性分析

礦石運(yùn)輸通路中，張?zhí)畦F路為雙線自動(dòng)閉塞鐵路，規(guī)劃年度萬噸列車追蹤間隔11 min，5 000 t 列車追蹤間隔7 min，綜合維修天窗時(shí)間180 min。以5 000 t 列車為基準(zhǔn)，計(jì)算線路通過能力為180 對/d。新建團(tuán)瓢莊至遵化南聯(lián)絡(luò)線、遵小線為單線自動(dòng)站間閉塞鐵路，通過能力主要計(jì)算參數(shù)取值為：車站間隔時(shí)分τ不= 4 min，τ會(huì)= 2 min；起停車附加時(shí)分t起=3 min，t停= 2 min；綜合維修天窗時(shí)間為180 min；計(jì)算線路通過能力為34 對/d；能力儲(chǔ)備系數(shù)為雙線取0.15，單線取0.2。

規(guī)劃年度張?zhí)畦F路的煤炭運(yùn)輸組織方案參考現(xiàn)狀，至曹妃甸港下水煤炭組織萬噸直達(dá)列車運(yùn)輸，至企業(yè)煤炭組織5 000 t 直達(dá)列車運(yùn)輸，煤炭卸后空車原路返回。礦石不同牽引質(zhì)量方案對通路線路能力適應(yīng)性分析如表5 所示。

表5 礦石不同牽引質(zhì)量方案對通路線路能力適應(yīng)性分析 對/ dTab.5 Adaptability analysis of line capacity for different traction tonnage schemes

通過計(jì)算分析，礦石列車采用單機(jī)牽引4000 t方案，運(yùn)輸通路中團(tuán)瓢莊至遵化南聯(lián)絡(luò)線、遵小線線路能力不滿足預(yù)測運(yùn)量需求；礦石采用雙機(jī)牽引6 000 t 方案，通路各線能力均滿足需求，并有一定富余能力。

3.3 機(jī)車車輛購置費(fèi)分析

礦石列車采用4 000 t 方案，需采用八軸大功率機(jī)車HXD1 或HXD2 牽引，車輛暫按C70計(jì)算，編組43 輛；計(jì)算礦石列車數(shù)為24 列，機(jī)車購置臺(tái)數(shù)為14 臺(tái)，車輛購置輛數(shù)約903 輛，機(jī)車車輛購置費(fèi)合計(jì)約8.1 億元。

礦石列車采用6 000 t 方案，需采用六軸機(jī)車HXD2B 雙機(jī)牽引，車輛暫按C70計(jì)算，編組64 輛；計(jì)算礦石列車數(shù)為16 列，機(jī)車購置臺(tái)數(shù)為18 臺(tái)，車輛購置輛數(shù)約896 輛，機(jī)車車輛購置費(fèi)合計(jì)約7.8 億元。

礦石列車采用4 000 t 方案相較于6 000 t 方案，機(jī)車購置臺(tái)數(shù)相對較少，車輛購置數(shù)量相差不大，但由于4 000 t 編組方案采用的八軸大功率機(jī)車HXD1 或HXD2 機(jī)車購置費(fèi)較六軸電力機(jī)車HXD2B高，導(dǎo)致機(jī)輛費(fèi)用總體偏高。

綜上運(yùn)行指標(biāo)、通路能力適應(yīng)性、機(jī)車車輛購置費(fèi)等方面分析結(jié)果，在張?zhí)畦F路現(xiàn)狀線路工程條件下，綜合考慮中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司管內(nèi)的機(jī)車檢修條件，推薦張?zhí)畦F路礦石列車采用雙機(jī)HXD2B 牽引6 000 t 方案，不僅能充分利用通道線路能力，減少對線路能力的占用，滿足預(yù)測運(yùn)量需求，同時(shí)機(jī)車車輛購置費(fèi)也相對較低。

張?zhí)畦F路煤炭集港實(shí)行空重車雙線循環(huán)運(yùn)輸，作業(yè)模式為“萬噸列車重車到達(dá)港區(qū)、卸后空車原路返回”；輕車方向承擔(dān)的疏港礦石運(yùn)量為大宗運(yùn)量，到發(fā)地明確，為保障礦石列車裝運(yùn)空車來源，提高運(yùn)輸效率，建議疏港礦石車流采用固定車底循環(huán)運(yùn)輸[11]。

4 結(jié)束語

張?zhí)畦F路輕車方向疏運(yùn)的唐山港區(qū)疏港礦石，經(jīng)綜合比較分析推薦采用雙機(jī)HXD2B 牽引6 000 t 的固定車底循環(huán)運(yùn)輸方案，不僅較好地適應(yīng)其既有工程條件，機(jī)輛費(fèi)用相對較低，也充分利用張?zhí)畦F路通道運(yùn)輸能力，滿足唐山港區(qū)至唐山市遷西、遵化地區(qū)鋼鐵企業(yè)的疏港礦石“公轉(zhuǎn)鐵”運(yùn)輸需求。該方案對落實(shí)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略部署，助力打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，助推港口提升疏運(yùn)能力，提高鐵路貨物運(yùn)量具有積極的促進(jìn)和推動(dòng)作用。