梅鋼鐵水運輸機車純電動改進研究

摘要：通過對梅鋼物流部現(xiàn)有內(nèi)燃機車機型的狀況、運用分析進行研究，結(jié)合機車牽引、制動能力及排放等因素，從能耗、性價比等角度比較，確定了機車純電動改進方向，介紹了機車動力電池的選擇、運用管理及安全防護。

關(guān)鍵詞：混合動力;純電動力;鈦酸鋰電池;機車

中圖分類號：U267.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0060-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.014

0 引言

梅鋼物流部普鐵區(qū)域機車共有8臺，其中3臺電傳機車用于梅山礦及古雄站大噸位牽引，軸距長，不適宜廠內(nèi)小曲線半徑作業(yè);5臺GK1型液傳機車用于廠內(nèi)過磅、焦化、翻車機作業(yè)區(qū)域，液傳機車于1993年從資陽機車廠引進，最早一臺GK1型022內(nèi)燃液傳機車已運用近30年，配備Z12V190BJ4發(fā)動機及ZY1011GY液力傳動箱。該機型早些年已經(jīng)淘汰，目前機車傳動箱、柴油機及走行等部件由于運用年限長，處于加速劣化階段，維修成本高。根據(jù)機車現(xiàn)狀和運用狀況分析，目前普鐵區(qū)域GK1型機車運用年限長、機械部件磨耗嚴(yán)重、狀態(tài)差、燃油消耗及排放高，需進行新能源化改進。

1 生產(chǎn)中存在的實際問題

1.1 國家層面相關(guān)政策要求

近年來，隨著高質(zhì)量發(fā)展和碳達峰、碳中和總體發(fā)展戰(zhàn)略的提出，各地方政府環(huán)保政策相繼出臺，對企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、環(huán)境保護、尾氣排放等提出了明確要求。近期，國家鐵路局組織編制了《老舊型鐵路內(nèi)燃機車淘汰更新監(jiān)督管理辦法》[1]，對老舊型鐵路內(nèi)燃機車實行分類管理，對達到報廢運用年限30年的老舊型鐵路內(nèi)燃機車實施報廢管理，已達到報廢運用年限或者使用已達到報廢運用年限機車零部件拼裝的老舊型鐵路內(nèi)燃機車不得參與鐵路運輸。另外，國家鐵路局貫徹落實“雙碳”國家戰(zhàn)略，推動鐵路裝備技術(shù)創(chuàng)新和綠色發(fā)展，支持新能源鐵路機車替代運用。

1.2 公司層面內(nèi)在需求

分析公司鐵運現(xiàn)狀，GK1型內(nèi)燃機車從節(jié)能減排、降本增效、機車運用率、可靠性指標(biāo)等方面均無法適應(yīng)國家政策要求和公司發(fā)展趨勢，面臨淘汰升級。當(dāng)前公司GK1型內(nèi)燃機車主要存在以下不足：

1）內(nèi)燃機車尾氣排放造成的環(huán)保問題。為完善我國移動源排放標(biāo)準(zhǔn)體系，落實國務(wù)院“十四五”節(jié)能減排方案中推動實施鐵路內(nèi)燃機車國一排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，推動鐵路內(nèi)燃機車行業(yè)技術(shù)進步和發(fā)展，生態(tài)環(huán)境部組織編制了國家生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)《鐵路內(nèi)燃機車及其發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）（征求意見稿）》[2]。GK1型內(nèi)燃機車柴油機為濟南柴油機廠生產(chǎn)，根據(jù)該廠《190柴油機系列排放特性的研究》[3]，在怠速工況至滿負荷工況間柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)如下：氮氧化物16.4～19.28 g/（kW·h），一氧化碳3.47～14.77 g/（kW·h），碳氫化合物1.169～2.99 g/（kW·h）。該數(shù)據(jù)遠未達到當(dāng)前國家行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2）運用成本高。為保證工作臺班內(nèi)任何情況下機車都能夠隨時投入，現(xiàn)有內(nèi)燃調(diào)車機車采取怠速不熄火的運用方式，造成燃料成本高;同時內(nèi)燃機車柴油機及輔助系統(tǒng)的日常維保工作量大，當(dāng)前國內(nèi)各主要冶金企業(yè)內(nèi)燃機車普遍采用小、輔修加輪換大、中修的模式，機車的年維保成本居高不下，年運用成本達115萬元。

3）工作環(huán)境差。內(nèi)燃調(diào)車機車的柴油機噪聲大、振動大，司機室內(nèi)環(huán)境差，司乘人員長期受噪聲、振動等困擾。

4）冷機狀態(tài)起機時間長，尤其是在冬季時需要長時間階段性起機打溫，浪費燃油，并易受到周邊居民噪聲投訴。

5）機車部件磨損嚴(yán)重、故障率高，影響機車運用效率。

6）GK1型內(nèi)燃機車柴油機、液力傳動效率低，機車燃油消耗達33 L/h，與機車牽引能效嚴(yán)重不成正比。

7）自動化程度不高。設(shè)備狀態(tài)的檢查以人工為主，質(zhì)量難以把控，需進一步提高設(shè)備智能化水平，實時監(jiān)控機車各主要部件，全面掌握機車及主要部件狀態(tài)信息，為設(shè)備運維一體的管控模式提供有利條件。

2 機車新能源改進方案市場調(diào)研情況及優(yōu)缺點對比

2.1 機車牽引動力改進的兩種方式

2.1.1 混合動力

混合動力機車主要動力模式分為動力電池模式、柴油機動力模式和柴油機+動力電池的雙動力模式。動力電池模式下，機車牽引采用動力電池供電，柴油機根據(jù)機車功率需求、動力電池容量狀態(tài)等參數(shù)自動啟動或停止為動力電池充電，同時機車微機控制動力電池的充放電邏輯;柴油機動力模式下以柴油機為機車運行提供動力，車載微機根據(jù)機車需求控制柴油機功率;雙動力模式下由動力電池+柴油機同時為機車運行提供動力，該模式主要應(yīng)用在特殊、困難、重載、機車需要大功率輸出工況條件下，雙動力模式保證了機車功率和牽引力的穩(wěn)定輸出。

1）混合動力機車優(yōu)點：機車動力系統(tǒng)為雙動力源，動力電池可采用地面充電和柴油機充電兩種。充電方式靈活，作業(yè)過程不受動力電池電量限制;作業(yè)等待時間柴油機不啟動，降低了油耗。

2）混合動力機車缺點：結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，改進成本高，機車動力電池充電、柴油機模式牽引運行仍以燃料為主提供電源和動力，機車尾氣排放、振動、噪聲等仍存在;相比既有內(nèi)燃機車，混合動力機車的柴發(fā)機組檢修維護人員并不減少;混合動力機車仍存在燃油、機油等消耗，無法實現(xiàn)真正意義的節(jié)能減排。

2.1.2 純電動力

純電動力機車采用純動力電池驅(qū)動，為機車牽引運行提供動力;輔助設(shè)備（牽引通風(fēng)機、空壓機、空調(diào)等）均由動力電池提供電源;風(fēng)扇、雨刮器、微機、變流裝置等DC110 V電源由動力電池供電;同時動力電池也對機車控制用的鉛酸電池進行充電。純電動力機車具有操作維護簡便、綠色環(huán)保、噪聲低、運維費用低、便于智能運維等特點，但機車運用、調(diào)度受動力電池電量及地面充電樁位置限制。

1）純電動機車優(yōu)點：采用動力電池供電，機車噪聲、振動等顯著降低，改善了乘務(wù)人員作業(yè)環(huán)境;機車運行采用動力電池，無柴油機機械傳動功率損耗，無燃料消耗，無尾氣排放，真正實現(xiàn)了節(jié)能減排，滿足碳達峰、碳中和要求;機車無柴發(fā)機組，無須配置柴油機檢修維護人員，降低了機車檢修維護成本;動力系統(tǒng)采用動力電池，機車傳動為直交電傳動，效率顯著提升，機車運用成本降低，實現(xiàn)了降本增效。

2）純電動機車缺點：根據(jù)機車運用環(huán)境、運用要求和牽引作業(yè)工藝等對動力電池進行合理匹配，機車運行需充分考慮動力電池電量，無法做到隨時隨地投入運用;動力電池充電采用地面充電樁模式，且充電時間一般為0.5～1.5 h，對牽引作業(yè)產(chǎn)生影響;動力電池作為新型儲能裝置，其應(yīng)用需對現(xiàn)有部分檢修維護人員進行培訓(xùn)。

2.2 確定機車新能源改進方案及應(yīng)用范圍

結(jié)合物流部鐵路運輸業(yè)務(wù)實際，權(quán)衡兩種改進方式的優(yōu)缺點及成本考慮，確定機車新能源改進方案為純電動改進，理由如下：

1）機車采用純動力電池供電，操作簡便，機車噪聲、振動等顯著降低，改善了乘務(wù)人員作業(yè)環(huán)境。

2）機車運行采用動力電池，無柴油機機械傳動功率損耗，無燃料消耗，無尾氣排放，機車傳動為直交電傳動，效率顯著提升，真正實現(xiàn)了節(jié)能減排，滿足碳達峰、碳中和要求。

3）機車無柴發(fā)機組，無須配置柴油機檢修維護人員，降低了機車檢修維護成本。

4）機車采用遙控操作，操作人員遠離危險源，確保了現(xiàn)場人員安全。

3 機車改進內(nèi)容

3.1 鐵水運輸機車運行線路條件及運用要求

重車牽引重量：1 200 t;

空車牽引重量：560 t;

最大坡道：3‰;

最小曲線半徑：150 m;

運行速度：5～12 km/h。

運行負荷：

1）常用負荷：重車總距離1.7～1.9 km，空車返回等待下一次的重車牽引為一個循環(huán)，循環(huán)周期為30～34 min。

2）最大負荷：重車坡道加彎道（450 m），總距離3.7 km，空車返回等待下一次的重車牽引為一個循環(huán)，循環(huán)周期約為80 min。

3.2 牽引特性估算

牽引能力以煉鋼走行線校核，動力電池電量以4#、5#高爐運輸能力估算。鐵水運輸中往返一次動力電池耗電量統(tǒng)計如表1所示。

3.3 電池選擇

1）機車8 h耗電量約為268.65 kW·h（53.73×5），充分考慮動力電池特性（20%電量不能放完，充電至90%時無法充滿），配置動力蓄電池電量按330 kW·h核算，綜合作業(yè)時間約8 h。

2）機車輪周最大牽引功率300 kW，加上輔助功率及必要保留功率，整車功率按500 kW計。

3）當(dāng)前機車動力電池以磷酸鐵鋰及鈦酸鋰為主。磷酸鐵鋰電池價格低;鈦酸鋰電池價格高，但快速充放電能力強，充電倍率高、安全。

磷酸鐵鋰電池與鈦酸鋰電池主要性能對比如表2所示。

綜上，根據(jù)機車運用要求、動力電池充放電性能、動力電池安全、機車維護保養(yǎng)、動力電池壽命周期成本等因素，如采用磷酸鐵鋰電池充電時間近2 h，機車的運用效率較低，而采用鈦酸鋰電池，充電時間在1 h以內(nèi)，機車等待時間即可完成，因此新能源機車改進宜采用鈦酸鋰電池，電池電量330 kW·h。

3.4 機車新能源化方式

3.4.1 新能源機車總體布置

新能源機車總體布局如圖1所示，采用單司機室雙操縱端、外走廊、底架承載結(jié)構(gòu)，機車自左向右設(shè)備布置如下：

1）Ⅱ端操縱端：添乘座椅、機車風(fēng)壓表、速度表、照明燈具、緊急停車按鈕等;

2）輔助室：螺桿式空壓機、干燥器、牽引通風(fēng)機等;

3）動力電池室：動力電池及管理系統(tǒng)、動力電池高壓系統(tǒng)、空調(diào)水冷裝置、自動滅火裝置等;

4）變流裝置：主輔一體式牽引變流裝置;

5）電氣室：微機系統(tǒng)、電器柜、整車級自動滅火裝置、遠程傳輸裝置、遙控裝置等;

6）司機室：操縱臺（含司機控制器、制動控制器、微機顯示屏、扳鍵/開關(guān)、空調(diào)控制面板）、空調(diào)、風(fēng)扇、司機座椅、添乘座椅、雨刮器、照明燈具、電笛、遙控器（不固定安裝）、平面調(diào)車等;

7）Ⅰ端操縱端：添乘座椅、機車風(fēng)壓表、速度表、照明燈具、緊急停車按鈕等。

3.4.2 地面充電站

固定地面點（鋼07線）布置一體式直流充電站，充電設(shè)備采用高壓充電箱變模式，將高壓配電、變壓器、充電機集成在一臺箱式變電站內(nèi)。充電樁主動監(jiān)測動力電池BMS運行狀態(tài)、電池特性參數(shù)及充電機自身的運行狀態(tài)，診斷故障和異常，設(shè)備具備過欠壓檢測、過流檢測、短路檢測、絕緣檢測、煙霧檢測、傾倒檢測以及開門斷電等功能，當(dāng)動力電池剩余電量低于20%時，發(fā)出告警信號，通知司機進站充電。

4 結(jié)束語

機車純電動改進滿足國家關(guān)于老舊型鐵路內(nèi)燃機車淘汰管理要求，能夠減少燃油消耗，符合碳排放、碳中和的趨勢，達到清潔運輸效果，更好地滿足環(huán)保達A的要求，無廢氣排放，降低噪聲，改善了乘務(wù)員操作環(huán)境。機車搭載目前主流的微機控制系統(tǒng)、變流裝置，實施對機車動力電池、牽引電機、開關(guān)類部件等的監(jiān)測控制，并存儲機車運行數(shù)據(jù)、部件狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，對機車故障分析和處理等有積極的幫助作用，可實現(xiàn)健康診斷功能，為鐵水運輸遠程運維及無人化做支撐。

[參考文獻]

[1] 老舊型鐵路內(nèi)燃機車淘汰更新監(jiān)督管理辦法：國鐵綜設(shè)備監(jiān)函〔2024〕106號[A].

[2] 鐵路內(nèi)燃機車及其發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）（征求意見稿）：環(huán)辦標(biāo)征函〔2023〕30號[A].

[3] 萬德玉，吳曉軍.190系列柴油機排放特性的研究[C]//中國內(nèi)燃機學(xué)會第五屆學(xué)術(shù)年會論文集，1999：541-546.

收稿日期：2024-08-05

作者簡介：宋建波（1974—），男，江蘇人，高級工程師，研究方向：鐵路機車車輛設(shè)備。